基于PLC控制的锅炉供热控制系统设计.docx

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1、淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第 2 页共 51 页1 引言1.1 技术综述自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着

2、较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于 20 世纪 80 年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID 控制器为主，它只能适应一般温度系统控制， 难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。温度控制系统大致可分别用 3 种方式实现，一种是用仪器仪表来控制温度，这种方法控制的精度不高。另一种是基于单片机进行 PID 控制，然而单片机控制的 DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处 , 而 PLC 在这方

3、面却是公认的最佳选择。随着 PLC 功能的扩充在许多 PLC 控制器中都扩充了 PID 控制功能。因此本设计选用西门子 S7-300PLC 来控制加热炉的温度。1.2 系统工作原理加热炉温度控制系统基本构成如图 1-1 所示，它由 PLC 主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等 4 个部分组成。SVPID 控制器D/A固态继电器加热炉PVA/D温度传感器PLC 主控系统图 1-1 加热炉温度控制系统基本组成加热炉温度控制实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号， PLC 主控系统内部的 A/D 将送进来的电压信号转化为西门子 S7-300PLC 可识别的数字量，然后 PLC

4、将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过 PID 运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。既加热炉温度控制得到实现。其中 PLC 主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。1.3 系统组成本系统的结构框图如图 2-3 所示。上位机温度传感器S7-300PLC控制器电阻炉固态继电器图 1-2 系统结构框图由图 1-2 可知，温度传感器采集到数据后送给 S7-300PLC，S7-300PLC 通过运算后给固态继电器一个控制信号从而控制加热炉的导通与否。上位机是编写 PLC 程序以及监控温度的变化。1.4 系统设计目

5、标及技术要求本系统应能够控制在设定值的 5的误差范围内并且具有温度上下限报警功能和故障报警功能。由学校提供，模拟真实锅炉的温度检测和控制模块，可自行将 010V 模拟信号转化为占空比对锅炉进行加热。输出的模拟信号也是 010V，锅炉外接 24V 直流电源。2 下位机硬件系统设计随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第 6 页共 51 页在所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器

6、（Programmable Logic Controller）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置。本系 统控制软件设计分为PLC 的软件和工控机的软件设计两部分，其中下位机使用的软件为 siemens 公司的 step7。本章主要介绍西门子 S7-300 系列 PLC 以及其它硬件的组成与选型。2.1 硬件接线图硬件接线图如下图 2-1。SB1I0.0 I0.1 I0.2I0.3 I0.4 I0.5 I0.6I0.7COM1SB2 SB3 SB4 SB5SB6SQ1 SQ2Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3Q4.4PIW288Q4.5CPU314-2DPQP4L.6

7、CCOM2Q5.0传感器Q5.1Q5.2加热管Q5.3 Q5.4 Q5.5 Q5.6COM3comPQW30524V220VFU1图 2-1 硬件接线图2.2 传感器温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990 年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从 17 世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是 1821 年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。50 年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开

8、发了半导体热电偶传感器、PN 结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。这里我们主要介绍热电阻和热电偶。2.2.1 热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件。热电阻是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。当电阻值变化时，二次仪表便显示出电阻值所对应的温度值。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的。铂热电阻根据使用场合的不同与使用温度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作为测温元件，它具有良好的传感输出特性，通常和显示仪、记录仪、调节仪以及其它智能模块或仪表配套使

9、用，为它们提供精确的输入值。若做成一体化温度变送器， 可输出 4-20mA 标准电流信号或 0-10V 标准电压信号，使用起来更为方便。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。此外，现在已开始采用铬、镍、锰和铑等材料制造热电阻。根据使用场合的不同，热电阻也有铠装式热电阻、装配式热电阻、隔爆式热电阻等种类，与热电偶类似。铂电阻的工作原理是，在温度作用下，铂热电阻丝的电阻值随温度变化而变化， 且电阻与温度的关系即分度特性符合 IEC 标准。分度号 Pt100 的含义为在 0时的名义电阻值为 100，目前使用的一般都是这种铂热电阻。此外还有Pt10、Pt200、Pt500 和 Pt100

10、0 等铂热电阻，Cu50、Cu100 的铜热电阻等。2.2.2 热电偶工业热电偶作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，它可以直接测量各种生产过程中不同范围的温度。若配接输出 4-20mA、0-10V 等标准电流、电压信号的温度变送器，使用更加方便、可靠。对于实验室等短距离的应用场合，可以直接把热电偶信号引入 PLC 进行测量。热电偶的工作原理是,两种不同成份的导体,两端经焊接，形成回路，直接测量端也叫工作端（热端），接线端子端也叫冷端，当热端和冷端存在温差时，就会在回路里产生热电流，这种现象称为热电效应；接上显示仪表，仪表上就会指示所产生的热电动势的对应温度值，电

11、动势随温度升高而增长。热电动势的大小只和热电偶的材质以及两端的温度有关，而和热电偶的长短粗细无关。根据使用场合的不同，热电偶有铠装式热电偶、装配式热电偶、隔爆式热电偶等种类。装配式热电偶由感温元件（热电偶芯）、不锈钢保护管、接线盒以及各种用途的固定装置组成。铠装式热电偶比装配式热电偶具有外径小、可任意弯曲、抗震性强等特点，适宜安装在装配式热电偶无法安装的场合，它的外保护管采用不同材料的不锈钢管，可适合不同使用温度的需要，内部充满高密度氧化绝缘体物质，非常适合于环境恶劣的场合。隔爆式热电偶通常应用于生产现场伴有各种易燃、易爆等化学气体的场合，如果使用普通热电偶极易引起气体爆炸，则在这种场合必须使

12、用隔爆热电偶。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程，如燃烧和爆炸过程等。对一般的工业应用来说，为了保护感温元件避免受到腐蚀和磨损，总是装在厚厚的护套里面，外观就显得笨大，对于温度场的反应也就迟缓得多。使用热电偶的时候，必须消除环境温度的波动对测量带来的影响。有的把它的自由端放在不变的温度场中，有的使用冷端补偿

13、器抵消这种影响。当测量点远离仪表时，还需要使用热电势率和热电偶相近的导线来传输信号，这种导线称为补偿导线。本设计选用镍铬-镍硅 N 型热电偶，选用其型号为 WRM-101。2.3 PLC 的基本概念可编程序控制器简称为 PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC 已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC 在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。2.3.1S7-300 简介S7-300 是模块化的中小型 PLC，适用于中等性能的控制要求。品种繁多的 CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任

14、务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。S7-300 有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力，有 350 多条指令，其编程软件 STEP7 功能强大，可以使用多种编程语言。S7-300 采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，各个模块都安装在导轨上，用螺栓锁紧即可。2.3.2模块式 PLC 的基本结构这里我们主要介绍的是西门子 S7-300，S7-300 属于模块式 PLC。西门子的 PLC 以其极高的性价比，在国内占有很大的市场份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。S7-300 模块式 PLC，主要由机架、CPU 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模

15、块和编程设备组成，各种模块安装的机架上。通过 CPU 模块或通信模块上的通信接口，PLC 被连接到通信网络上，可以与计算机、其它 PLC 或其它设备通信。图 2-2 是 PLC 控制系统的示意图。电源模块接口模块扩展机架CPU 模块输入模块通信模块输出模块通信网络其他设备其他PLC计算机接触器电磁阀指示灯电源图 2-2 PLC 控制系统示意图CPU 模块：CPU 模块主要由微处理器和存储器组成，S7-300 将 CPU 模块简称为CPU。在 PLC 控制系统中，CPU 模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，模块中的存储器用来存储程序和数据。信号模块：输入

16、（Input）模块和输出（Output）模块一般简称为 I/O 模块，开关量输入/输出模块简称为 DI 模块和 DO 模块，模拟量输入/输出模块简称为 AI 模块和AO 模块，在S7-300 中统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第 7 页共 51 页外部现场设备和 CPU 模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指

17、示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC 的内部电路和外部的输入、输出电路。功能模块：为了增强 PLC 的功能，扩大应用领域，减轻 CPU 的负担，PLC 厂家开发了各种各样的功能模块。主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。接口模块：CPU 模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架和扩展机架之间的通信， 有的接口模块还可以为扩展机架供电。通信处理器：通信处理器用于 PLC 之间、PLC 与远程

18、I/O 之间、PLC 与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC 接入 MPI、PROFIBUS-DP、AS-i 和工业以太网，或者用于点对点通信。电源模块：PLC 一般使用 AC 220V 电源或 DC 24V 电源，电源模块用于将输入电压转换为 DC 24V 和背板总线上的 DC 5V 电压，供其他模块使用。编程设备：S7-300 使用安装了编程软件 STEP7 的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到 PLC，也可以将 PLC 中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，可以实现远程编

19、程。编程软件还具有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。2.4 硬件配置2.4.1 s7-300 硬件配置（1） 如图2-4，选中一槽，并双击 SIMATIC300PS300中的 PS 307 5A（电源模块）。（2） 2 号槽为 CPU 模块，选用 CPU314C-2DP。（3） 3 号槽为空。（4） 如图 2-5，选中 4 槽，并选择“SM-300-DI-300-SM 321 DI16DC24”并双淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第 10 页共 51 页击，完成数字量输入模块的配置。购HW Eo n胆 5I M灯l1 C 过 还 如 n， 早 匕 主 ， 主5 口 t l口 n

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31、IW288启动按钮停止按钮进水阀开关A 出水阀开关A 进水阀开关B 出水阀开关B 上限位开关 下限位开关 检测温度输出Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5 Q4.6 Q5.0 Q5.1 Q5.2 Q5.3 Q5.4 Q5.5锅炉加热指示灯温度溢出指示灯超温报警指示灯低温报警指示灯调节器A进水阀A 出水阀A正常运行指示灯停止运行指示灯高水位报警指示低水位报警指示调节器B进水阀B淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第 14 页共 51 页Q5.6出水阀BPQW305加热器驱动3 下位机软件系统设计3.1 PID 控制器PID 控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控

32、制量来进行控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时、控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合采用 PID 控制技术。3.1.1 PID 控制器的参数整定PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性， 确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多,概括起来有理论计算整定法和工程整定法，其中工程整定法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

33、本设计选用临界比例法，利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2) 仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3) 在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。3.1.2 PID 控制器的主要优点PID 控制器成为应用最广泛的控制器，它具有以下优点：（1） PID 算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在、将来的主要信息，而且其配置几乎最优。（2） PID 控制适应性好，有较强的鲁棒性，对各种工业应用场合，都可在不同的程度上应用。特别适于“一阶惯性环节+纯滞后”和“二阶惯

34、性环节+纯滞后”的过程控制对象。（3） PID 算法简单明了，各个控制参数相对较为独立，参数的选定较为简单， 形成了完整的设计和参数调整方法，很容易为工程技术人员所掌握。（4） PID 控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一系列改进的 PID 算法。这些改进算法在一些应用场合取得了很好的效果。同时当今智能控制理论的发展，又形成了许多智能 PID 控制方法。3.1.3 PID 控制器的选取PID 控制器的性能和处理速度只与所采用的 CPU 的性能有关。对于任意给定的CPU，控制器的数量和每个控制器被调用的频率是相互矛盾的。控制环执行的速度， 也即在每个时间单元内操作值必须被更

35、新的频率决定了可以安装的控制器的数量。对要控制的过程类型没有限制，迟延系统（温度、液位等）和快速系统（流量、电机转速等）都可以作为被控对象。过程分析时应注意：控制过程的静态性能（比例）和动态性能（时间延迟、死区和重设时间等）对被控过程控制器的构造和设计以及静态（比例）和动态参量（积分和微分）的维数选取有着很大的影响。准确地了解控制过程的类型和特性数据是非常必要的。控制器选取时应注意：控制环的特性由被控过程或被控机械的物理特性决定，并且设计中可以改变的程度不是很大。只有选用了最适合被控对象的控制器并使其适应过程的响应时间，才能得到较高的控制质量。不用通过编程就可以生成控制器的大部分功能（构造、参

36、数设置和在程序中的调用等），前提是必须已经掌握 STEP 7 的编程基础知识。3.1.4 PID 参数的设定PID 调节器参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如大烘房的温度控制， 一般 P 可在 10 以上，I=3-10，D=1 左右。小惯量如一个小电机带一个水泵进行压力闭环控制，一般只用PI 控制，P=1-10，I=0.1-1，D=0，这些要在现场调试时进行修正， 主要是靠经验及对生产工艺的熟悉，参考对测量值的跟踪与设定值的曲线，从而调整P、I、D 的大小。3.1.5 闭环控制系统特点PID 就是应用最广泛的闭环控制器。如图 3-1 所示系统是用于电加热炉温度控制系统的闭环控制系统的 P

37、ID 闭环控制系统，系统目标设定值为期望的加热炉温度，闭环控制器的反馈值通过温度传感器测得，并经 A/D 变换转换为数字量；目标设定值与温度传感器的反馈信号相减，其差送入PID 控制器，经比例、积分、微分运算，得到叠加的一个数字量；该数字量经过上限、下限限位处理后进行 D/A 变换，输出一个电压信号去控制固态继电器，以控制加热炉的温度。该系统的 PID 控制器一般采用 PLC提供的专用模块（本系统采用 FB58 模块），也可以采用编程的方法（如 PLC 编程、高级语言编程或组态软件编程等）生成一个数字 PID 控制器。同时，其它功能如 A/D、D/A 都由 PLC 实现，加热炉的反馈信号直接送

38、 PLC 采集，控制固态继电器的电压信号也由 PLC 送出，从而控制加热炉的温度。控制上限Error比例目标设定值积分D/A固态继电器加热炉微分控制下限A/D温度传感器图 3-1 电加热炉温度控制系统的闭环控制系统应用实例运行PLC初始化指示灯初始化PID设定温度设定PID 值读入温度并转换把实际温度存放于 MD30调用PID 指令输出PID 值3.2 S7-300 程序设计流程图图 3-2 设计流程图3.3 基于PLC 的软件设计FB41 是S7-300 系统自带的PID 运算控制模块。在P,I,D这三种控制作用中，比例部分与误差部分信号在时间上时一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产

39、生与误差成正比例的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数的系统来说，比例系数过大，会使系统的输出振荡加剧，稳定性降低。调节器中的积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化，因此，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度。但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性代来不良影响，因此很少单独使用。积分时间常数增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善， 但是，消除稳态误差的速度减慢。根据误差变化的速度（即误差的微分），微分部分提前给出较大的调节作用，微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有预测的特点。微分时间常数增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但抑制高频干扰的能力下降。如果微分时间常数过大，系统输出量在接近稳态值时上升缓慢。采样时间按常规来说应越小越好，但是时间间隔过小时，会增加CPU 的工作量， 相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不易将此时间取的过小，另外，假如此项取比运算时间短的时间数值，则系统无法执行。S7-300PLC 自带的F