1、设计基于PLC的锅炉温度闭环控制系统设计毕业论文设计word格式学号【关键字】设计 毕 业 设 计（论 文）基于PLC的锅炉温度闭环控制系统设计 教 学 系： 信息工程系 指导教师： 乔志刚 专业班级： 自动化1081班 学生姓名： 曹世奇 二零一二年六月毕业设计(论文)任务书学生姓名曹世奇专业班级自动化1081指导教师乔志刚工作单位武汉理工大学华夏学院设计(论文)题目: 基于PLC的锅炉温度闭环控制系统设计设计（论文）主要内容：1.锅炉温度控制中检测元件的选择与检测原理；2.锅炉温度闭环控制的PLC硬件电路设计；3.锅炉温度闭环控制的PLC控制软件设计；4.上位机监控系统设计；要求完成的主要
2、任务及其时间安排:1.第2周：查阅资料，了解设计选题的主要内容；2.第3周：根据任务书要求及所查阅的资料，撰写并完成开题报告；3.第4周：完成检测元件的选型与测量电路设计；4.第5周：锅炉温度闭环控制的PLC硬件电路设计；5.第6-7周：完成锅炉温度采集与控制的PLC软件系统设计；6.第7-8周：完成上位机监控系统设计；7.第9周：对所设计的系统进行实际调试并给出调试结果；8.第10周：完善设计报告，给出毕业设计论文初稿；9.第11-13周：根据指导教师批阅意见修改毕业设计论文，并给出定稿。10.第14-15周：总结设计过程，准备答辩；11.第16周：按学校统一规定的答辩时间完成答辩。必读参考
3、资料：1.向晓汉.西门子PLC高级应用实例精解.机械工业出版社，2010.2.李新光等.过程检测技术.北京：机械工业出版社2004.93.王志锋 主编.工控组态软件.电子工业出版社，2007.指导教师签名： 教研室主任签名： 盖章毕业设计(论文)开题报告题目基于PLC的锅炉温度闭环控制系统设计1目的及意义（含国内外的研究现状分析）：电热锅炉的应用领域相当广泛，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。PLC的快速发展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字
4、运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 电热锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的温度，保证恒温供水。2基本内容和技术方案：PID控制是迄今为止最通用的
5、控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期ts、比例系数 Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、
6、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。论文通过对德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为0-10mA的电流信号。设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机
7、型和系统的具体配置。3进度安排：12.第2周：查阅资料，了解设计选题的主要内容；13.第3周：根据任务书要求及所查阅的资料，撰写并完成开题报告；14.第4周：完成检测元件的选型与测量电路设计；15.第5周：锅炉温度闭环控制的PLC硬件电路设计；16.第6-7周：完成锅炉温度采集与控制的PLC软件系统设计；17.第7-8周：完成上位机监控系统设计；18.第9周：对所设计的系统进行实际调试并给出调试结果；19.第10周：完善设计报告，给出毕业设计论文初稿；20.第11-13周：根据指导教师批阅意见修改毕业设计论文，并给出定稿。21.第14-15周：总结设计过程，准备答辩；22.第16周：按学校统一
8、规定的答辩时间完成答辩。4指导教师意见：指导教师签名： 年 月 日注：1. 开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设计开始后三周内完成；2设计的目的及意义至少800字，基本内容和技术方案至少400字；3指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标。郑重声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承
9、担。本人签名：曹世奇 日期：2 5 组态画面的设计.215.1 组态变量的建立及设备连接.225.1.1 新建项目245.2 创建组态画面.255.2.1 新建主画面.5.2.2 新建PID参数设定窗口.5.2.3 新建数据报表5.2.4 新建实时曲线.5.2.5 新建历史曲线5.2.6 新建报警窗口6 系统测试6.1启动组态王6.2 实时曲线观察6.3 分析历史趋势曲线 6.4 查看数据报表参考文献 34摘 要 随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多
10、领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。这方面的应用大多是基于单片机进行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,然而PLC在这方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,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。这也正是本课题所重点研究的
11、内容。 本文分别就电热锅炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造电热锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。关键词：电热锅炉的控制系统 温度控制 串级控制 PLC PID ABSTRACT With modern industrial development, in the industrial production, temperature, pressure, flow and level are the four most common process variables. Among t
12、hem, the temperature is a very important process variables. For example: in metallurgical industry, chemical industry, power industry, machinery and food processing and many other fields, is the need for all kinds of heating furnace, heat treatment furnace, furnace and boiler temperature control. Th
13、is application is mostly based on MCU PID control, however, SCM control system hardware and software design of DDC is relatively complex, especially relates to the logic control more than its strengths, however PLC in this regard is recognized as the best choice. With the PLC function expansion in m
14、any PLC controllers are expanded PID control function, so the logic control and PID control in hybrid applications using PLC control is more reasonable, by using PLC to control them not only has the convenient control, simple and flexibility, and can greatly improve the measured the temperature of t
15、he technical indicators, which can greatly improve the quality and quantity of the products. Therefore, the PLC of the temperature control is a problem in industrial production often encountered control problems. This is the subject of the key research content.This paper discusses the working princi
16、ple of control system of electric boiler, temperature transmitter selection, PLC configuration, configuration software design and so on several aspects. Through the transformation of electric heating boiler control system with fast response, good stability, high reliability, good control precision c
17、haracteristics, industrial control has a realistic significance.Key words: heating boiler control system temperature control cascade control PLC PID1 绪论1.1课题背景及研究目的和意义随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制1。这方面的应用大多是
18、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,然而PLC在这方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,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。这也正是本课题所重点研究的内容。1.2 国内外研究现状PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产
19、和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC作了如下定义： “PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿
20、,并在1987年2月通过了对它的定义： “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机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，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典
21、等国技术领先，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，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点：1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。2）能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3）能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。5）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。目前，国
22、外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。2系统总体设计2.1系统控制要求 本PLC温度控制系统的具体指标要求是：对加热器加热温度调整范围为0150，温度控制精度小于3，系统的超调量须小于15%。软件设计须能进行人机对话，考虑到本系统控制对象为电炉，是一个大延迟环节，且温度调节范围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。2.2系统设计思路 根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。系统硬件框图结构如图所示:SSR加热器炉子温 度传感器给定温度
23、S7-200PLCCPU运算处理温 度变送器图2.1系统硬件框图 被控对象为炉内温度，温度传感器检测炉内的温度信号，经温度变送器将温度值转换成010V的电压信号送入PLC模块。PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出控制信号，经调压装置输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现炉温的连续控制。3 基于PLC的锅炉温度闭环控制系统的硬件设计3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则1. 最大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一
24、条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。2. 保证PLC控制系统安全可靠 保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。3. 力求简单、经济、使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的
25、质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。4. 适应发展的需要 由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤1.分
26、析被控对象并提出控制要求 详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。2.确定输入输出设备 根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。3.选择PLC PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择，详见本章第二节。4.分配I/O点 画出PLC的I/O点与输入输出设备连接图或对应关系表，该部分也可在第步中进行。5.
27、设计PLC外围硬件线路 画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。3.1.3 PLC程序设计的一般步骤 1. 程序设计 根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容：1）初始化程序。 在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系 统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某
28、些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。2）检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。3）保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。PLC控制系统的设计步骤可参考图3.1 ： 图 3.1 PLC控制系统的设计步骤3.2 PLC的选型和硬件配置3.2.1 S7-200PLC选型 S7-200 系列 PLC 是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能
29、，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用2S7-200系列可以根据对象的不同, 可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。SiemensS7-200 主要功能模块介绍： (1)CPU 模块S7-200的CPU 模块包括一个中央处理单元,电源以及数字I/O 点,这些都被集成在一个紧凑,独立的设备中。CPU 负责执行程序,输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载.从 CPU 模块的功能来看, CPU 模块为CPU22*,它具有如下五种不同的结构配置CPU 单元
30、：CPU221 它有 6 输入/4 输出,I/0 共计 10 点.无扩展能力,程序和数据存 储容量较小,有一定的高速计数处理能力,非常适合于少点数的控制系统。CPU222 它有8 输入/6 输出，I/0 共计 14 点，和 CPU 221 相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。CPU224 它有 14 输入/10 输出，I/0 共计 24 点，和前两者相比,存储容量 扩大了一倍,它可以有 7 个扩展模块,有内置时钟,它有更强的模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多 S7-200 产品。CPU226 它有 24 输入/16 输出,I/0 共计 40 点,和 CPU224 相比,增加了 通信口的数量,通信能力大大增强。它可用于点数较多,要求较高的小型或中型控制系统。CPU226XM 它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和 CPU226相同。 (2)开关量 I/O 扩展模块 当 CPU 的 I/0 点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行 I/O 扩 展,I/O 扩展包括 I/O 点数
