基于PLC的供暖锅炉水温PID控制本科设计论文论文.docx
- 文档编号:10402813
- 上传时间:2023-05-25
- 格式:DOCX
- 页数:32
- 大小:479.36KB
基于PLC的供暖锅炉水温PID控制本科设计论文论文.docx
《基于PLC的供暖锅炉水温PID控制本科设计论文论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于PLC的供暖锅炉水温PID控制本科设计论文论文.docx(32页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
基于PLC的供暖锅炉水温PID控制本科设计论文论文
摘要
在工业控制领域,基于运行稳定性考虑,要对生产过程中的各种物理量进行详细的检测和控制。
这在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足轻重的作用。
其中温度控制又以其较为复杂的工艺过程而备受人们关注。
所以各种加热炉、热处理炉、反应炉等得到了广泛应用。
这些都对温度控制系统的设计提出了更高的要求。
可编程控制器(PLC)适时的解决了这一技术难题。
这种工业控制计算机,是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。
它具有抗干扰能力强,价格便宜,可靠性强,编程简单,易学易用等特点,在工业领域中深受工程操作人员的喜欢,因此PLC已在温度控制甚至整个工业控制领域都被广泛地使用。
这其中PID控制占据着核心地位。
PID算法简单容易为现场工程技术人员所掌握,它不需要求出被控系统的数学模型,通过调节比例(P)、积分(I)、微分(D)三个参数的大小就可以获得较好的控制效果。
它的成熟应用将温度控制变的不在那么复杂。
关键字:
温度控制PLCPID
Abstract
Inthefieldofindustrialcontrol,basedontheoperationalstabilityconsiderations,detectionandcontrolofvariousphysicalquantitiesintheproductionprocess.Inthemetallurgical,chemical,buildingmaterials,food,machinery,oilindustry,whichplaysadecisiverole.Temperaturecontrolanditsmorecomplexprocesseshaveattractedmuchattention.Variousfurnace,heattreatmentfurnaces,reactors,etc.hasbeenwidelyapplied.Theseareputforwardhigherrequirementsforthedesignofthetemperaturecontrolsystem.
Theprogrammablelogiccontroller(PLC)timelyresolvethetechnicalproblems.Theindustrialcontrolcomputer,istheinheritanceofthecomputer,automaticcontroltechnologyandcommunicationtechnologyasoneofthenewautomaticdevice.Ithasstronganti-interferenceability,cheap,reliableandsimpleprogramming,easytousefeatureslikeintheindustrialfieldbytheprojectoperator,PLChastemperaturecontrolandeventheentirefieldofindustrialcontrolhavebeenwidelytouse.
WhichoccupiesacentralpositioninPIDcontrol.PIDalgorithmissimpleandeasyforon-siteengineeringandtechnicalpersonneltomaster,itdoesnotneedtocalculatethemathematicalmodelofthecontrolledsystem,byadjustingtheratioof(P),integral(I),differential(D)thesizeofthethreeparametersyoucangetabettercontroleffect.Itsmatureapplicationtemperaturecontrolvariablesarenotsocomplex.
Keywords:
temperaturecontrolPLCPID
目录
1绪论1
1.1课题背景及研究目的和意义1
1.2国内外研究现状1
1.3设计研究内容2
2硬件设计3
2.1硬件配置3
2.1.1西门子S7-200CPU2263
2.1.2热电偶3
2.1.3EM235模拟量输入模块4
2.2I/O分配表5
2.3整体方案设计5
2.4硬件接线图6
3软件设计8
3.1软件配置8
3.1.1STEP7--Micro/WIN8
3.1.2计算机与PLC的通信9
3.2PID控制9
3.2.1PID控制简要介绍9
3.2.2PID在PLC中的回路指令10
3.3内存地址分配与PID指令回路表11
3.3.1内存地址分配11
3.3.2PID指令回路表12
3.4程序设计流程图13
3.5程序设计梯形图14
3.5.1初次上电14
3.5.2启动/停止阶段15
3.5.3子程序016
3.5.4中断程序、PID的计算17
4数据转换与PID参数整定19
4.1回路输入输出变量的数值转换19
4.2实数归一化处理19
4.3PID参数整定20
4.3.1PID控制算法20
4.3.2PID参数整定21
5结论23
致谢24
参考文献25
1绪论
1.1课题背景及研究目的和意义
如今电热锅炉在全球使用非常广泛,对其控制技术的先进程度决定着对其使用率的高低。
顺应这种理念的发展,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。
这些核心技术主要体现在如今发展较为成熟的PLC领域。
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,它很好的将前面所述的技术运用到实际当中去。
除此之外,它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。
再者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。
基于此我有了研究本次课题的最初动机。
1.2国内外研究现状
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:
a.适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。
b.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。
c.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。
d.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。
e.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。
f.温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强的特点。
目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然也很广泛,但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。
目前,我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平,成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主,它只能适用于一般的温度系统的控制,难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。
适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表,这一领域的发展国内还不十分成熟。
随着科学技术的不断发展,人们对温度控制系统的要求越来越高,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。
1.3设计研究内容
以锅炉为被控对象,以锅炉水温为主被控参数,以加热炉电阻丝电压为控制参数,以PLC为控制器,构成锅炉温度串级控制系统;采用PID算法,运用PLC梯形图编程语言进行编程,实现锅炉温度的自动控制。
可编程逻辑控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。
其性能优越,已被广泛的应用于工业控制的各个领域,并已经成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。
PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析主要研究了控制系统的硬件配置、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。
PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。
因为其可靠性高、算法简单,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。
这些将在设计当中有很好的体现。
2硬件设计
硬件设计是一个系统设计的基础。
对于产品的设计而言具有“牵一发而动全局”的意义。
本章主要从硬件配置和以及围绕这些硬件配置的整体方案设计两大方面谈谈硬件设计。
2.1硬件配置
2.1.1西门子S7-200CPU226
S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。
其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。
S7-200系列的基本单元如表2.1所示。
表2.1S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型号
输入点
输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6
4
0
S7-200CPU222
8
6
2个扩展模块
S7-200CPU224
24
10
7个扩展模块
S7-200CPU224XP
24
16
7个扩展模块
S7-200CPU226
24
16
7个扩展模块
本论文采用的是CUP226。
它具有24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
26K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统,具有更多的输入/输出点,更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
2.1.2热电偶
热电偶是一种感温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系,并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
本论文采用的是K型热电阻。
镍铬-镍硅热电偶(K型热电偶)是目前用量最大的廉价金属热电偶,其用量为其他热电偶的总和。
正极(KP)的名义化学成分为:
Ni:
Cr=90:
10,负极(KN)的名义化学成分为:
Ni:
Si=97:
3,其使用温度为-200-1300℃。
K型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜等优点,能用于氧化性惰性气氛中。
广泛为用户所采用。
K型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中。
2.1.3EM235模拟量输入模块
EM235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体(ST)单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块,它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4~20mA(通过250Ω电阻转换DC1~5V或通过500Ω电阻转换DC2~10V)恒流环标准信号,连续输送到接收装置(计算机或显示仪表)。
EM235热电偶模块提供一个方便的,隔离的接口,用于七种热电偶类型:
J、K、E、N、S、T和R型,它允许连接微小的模拟量信号(±80mV范围),所有连到模块上的热电偶必须是相同类型,且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。
EM235模块需要用户通过DIP开关进行选择的有:
热电偶的类型、断线检查、测量单位、冷端补偿和开路故障方向,用户可以很方便地通过位于模块下部的组态DIP开关进行以上选择,如图2.1所示。
图2.1EM235模块DIP开关
对于EM235模块,SW1~SW3用于选择热电偶类型,见表2.2。
SW4没有使用,SW5用于选择断线检测方向,SW6用于选择是否进行断线检测,见表2.2。
表2.2EM235选择模拟量输入范围和分辨率的开关表
单极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
0到50mV
12.5μV
OFF
ON
OFF
OFF
OFF
ON
0到100mV
25μV
ON
OFF
OFF
OFF
ON
ON
0到500mV
125uA
OFF
ON
OFF
OFF
ON
ON
0到1V
250μV
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
0到5V
1.25mV
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
0到20mA
5μA
OFF
ON
OFF
OFF
OFF
ON
0到10V
2.5mV
根据温度检测和控制模块,本次设置PID开关为010001。
2.2I/O分配表
表2.3I/O分配表
输入
I0.0
启动按钮
I0.1
停止按钮
输出
Q0.0
运行指示灯
Q0.1
停止指示灯
Q0.2
正常指示灯
Q0.3
温度越上限报警指示灯
Q0.4
锅炉加热指示灯
2.3整体方案设计
采用了5个灯来显示过程的状态,分别是启动灯,停止灯,温度正常灯,温度过高(警示灯)灯,和加热灯,可以通过5个灯的开关状况判断加热炉内的大概情况。
K型传感器负责检测加热炉中的温度,把温度信号转化成对应的电压信号,经过PLC模数转换后进行PID调节。
根据PID输出值来控制下一个周期内(100ms)内的加热时间和非加热时间。
在加热时间内使得脉宽调制接通,那加热炉就可处于加热状态,反之则停止加热。
整体设计方案如图2.2:
停止加热
图2.2整体设计方案
2.4硬件接线图
图2.3硬件连接图
图2.4EM235CN连接图
3软件设计
PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分。
本章介绍本项目的软件设计,主要包括软件配置、PID控制程序设计、以及本项目的程序设计。
3.1软件配置
3.1.1STEP7--Micro/WIN
STEP7-Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件,由西门子公司专为S7-200系列可编程控制器设计开发,它功能强大,主要为用户开发控制程序使用,同时也可以实时监控用户程序的执行状态。
以STEP7-Micro/WIN创建程序,为接通STEP7-Micro/WIN,可双击STEP7-Micro/WIN的图标,如图3.1所示,STEP7-Micro/WIN项目窗口将提供用于创建程序的工作空间。
浏览条给出了多组按钮,用于访问STEP7--Micro/WIN的不同编程特性。
指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象指令。
程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表,可在其中分配临时局部变量的符号名。
子程序和中断程序在程序编辑器窗口的的底部按标签显示。
图3.1STEP7--Micro/WIN项目窗口
本项目中我们利用STEP7--Micro/WINV4.0SP5编程软件,其界面如图3.1所示。
项目包括的基本组件:
程序块、数据块、系统块、符号表、状态表、交叉引用表。
3.1.2计算机与PLC的通信
在STEP7-Micro/WIN中双击指令树中的“通信”图标,或执行菜单命令的“查看”/“组件”/“通信”,将出现“通信”对话框,见图3.2。
在将新的设置下载到S7-200之前,应设置远程站的地址,是它与S7-200的地址。
双击“通信”对话框中“双击刷新”旁边的蓝色箭头组成的图标,编程软件将会自动搜索连接在网络上的S7-200,并用图标显示搜索到的S7-200。
这样便可实现用户开发控制程序,同时也可以实时监控用户程序的执行状态。
图3.2PLC通信窗口
3.2PID控制
3.2.1PID控制简要介绍
PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史,现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂,使用中不需精确的系统模型等先决条件,因而成为应用最为广泛的控制器。
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。
反馈理论的要素包括三个部分:
测量、比较和执行。
测量关心的变量,与期望值相比较,用这个误差纠正调节控制系统的响应。
而影响这一响应就是比例、积分、微分这三个因素。
比例控制(P)是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
其特点是具有快速反应,控制及时,但不能消除余差。
在积分控制(I)中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
积分控制可以消除余差,但具有滞后特点,不能快速对误差进行有效的控制。
在微分控制(D)中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
微分控制具有超前作用,它能猜测误差变化的趋势。
避免较大的误差出现,微分控制不能消除余差。
P、I、D参数的预置是相辅相成的,运行现场应根据实际情况进行如下细调:
被控物理量在目标值附近振荡,首先加大积分时间I,如仍有振荡,可适当减小比例增益P。
被控物理量在发生变化后难以恢复,首先加大比例增益P,如果恢复仍较缓慢,可适当减小积分时间I,还可加大微分时间D。
3.2.2PID在PLC中的回路指令
西门子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令,见表3.1
表3.1PID回路指令
名称
PID运算
指令格式
PID
指令表格式
PIDTBL,LOOP
梯形图
使用方法:
当EN端口执行条件存在时候,就可进行PID运算。
指令的两个操作数TBL和LOOP,TBL是回路表的起始地址,本文采用的是VD100,因为一个PID回路占用了32个字节,所以VD100到VD132都被占用了。
LOOP是回路号,可以是0-7,不可以重复使用。
PID回路在PLC中的地址分配情况如表3.2所示。
表3.2PID指令回路表
偏移地址
名称
数据类型
说明
0
过程变量(PVn)
实数
必须在0.0-1.0之间
4
给定值(SPn)
实数
必须在0.0-1.0之间
8
输出值(Mn)
实数
必须在0.0-1.0之间
12
增益(Kc)
实数
比例常数,可正可负
16
采样时间(Ts)
实数
单位为s,必须是正数
20
积分时间(Ti)
实数
单位为min,必须是正数
24
微分时间(Td)
实数
单位为min,必须是正数
28
积分项前值(MX)
实数
必须在0.0-1.0之间
32
过程变量前值(PVn-1)
实数
必须在0.0-1.0之间
3.3内存地址分配与PID指令回路表
3.3.1内存地址分配
表3.3内存地址分配
地址
说明
VD0
实际温度存放
VD4
设定温度存放
VD30
当前温度存放
3.3.2PID指令回路表
表3.4内存地址分配
地址
名称
说明
VD100
过程变量(PVn)
必须在0.0-1.0之间
VD104
给定值(SPn)
必须在0.0-1.0之间
VD108
输出值(Mn)
必须在0.0-1.0之间
VD112
增益(Kc)
比例常数,可正可负
VD116
采样时间(Ts)
单位为s,必须是正数
VD120
积分时间(Ti)
单位为min,必须是正数
VD124
微分时间(Td)
单位为min,必须是正数
VD128
积分项前值(MX)
必须在0.0-1.0之间
VD132
过程变量前值(PVn-1)
必须在0.0-1.0之间
3.4程序设计流程图
图3.3设计流程图
3.5程序设计梯形图
3.5.1初次上电
a.读入模拟信号,并把数值转化显示锅炉的当前电压。
b.判断炉温是否在正常范围。
实数归一化处理
将AC1还原温度值存入VD30
双字整数实数
用于PID指令的执行
从AIWO读入温度值
整数双字整数
Q0.2:
正常运行指示灯输出
Q0.3:
温度越上限报警指示灯
Q0.4:
锅炉加热指示灯
3.5.2启动/停止阶段
启动过程:
按下启动按钮后,开始标志位M0.1置位,M0.2复位。
打开运行指示灯Q0.0,熄灭停止指示灯初始化PID。
开始运行子程序0。
停止过程:
按下停止按钮后,开始标志位M0.1复位,熄灭运行指示灯,停止标志位M0.2置位,点亮停止指示灯。
并把输出模拟量AQW0清零,停止锅炉继续加热。
停止调用子程序0,仍然显示锅炉温度。
停止时模拟量输出清零,防止锅炉继续升温。
调用子程序0
3.5.3子程序0
a.输入设定温度50℃
b.把设定温度、P值、I值、D值都导入PID
c.每100ms中断一次子程序进行PID运算
将设定温度存放到VD40
将D参数Td导入VD124
将I参数Ti导入VD120
VD116为采样时间存放地址
将P参数KC导入VD112
使VD104在0.1-1.0之间
中断连接指令ATCH
3.5.4中断程序、PID的计算
a.模拟信号的采样处理,归一化导入PID
b
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 PLC 供暖 锅炉 水温 PID 控制 本科 设计 论文