基于PLC的锅炉温度闭环控制系统.doc
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1、目 录摘 要1ABSTRACT21 绪论31.1课题背景及研究目的和意义31.2 国内外研究现状32 系统总体设计42.1系统控制要求42.2系统设计思路43 基于PLC的锅炉温度闭环控制系统的硬件设计53.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤53.1.1 PLC控制系统设计的基本原则53.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤53.2 PLC的选型和硬件配置73.2.1 S7-200PLC选型73.2.2 温度传感器83.2.3 EM235 模拟量输入/输出模块83.3 系统整体设计方案和电气连接图93.4 PLC控制器的设计103.4.1 控制系统数学模型的建立103.4.2 PID控制及
2、参数整定114 PLC控制系统的软件设计134.1 STEP 7 MICRO/WIN32软件介绍134.2 输入输出点配置134.3 程序设计144.3.1 程序设计思路144.3.2 PID指令向导144.3.3 控制程序及分析205 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 查看数据报表结
3、束语33参考文献34致 谢37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
4、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。 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 in
5、dustrial production, temperature, pressure, flow and level are the four most common process variables. Among them, 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
6、 the need for all kinds of heating furnace, heat treatment furnace, furnace and boiler temperature control. This 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 it
7、s strengths, however PLC in this regard is recognized as the best choice. With the PLC function expansion in many 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
8、 has the convenient control, simple and flexibility, and can greatly improve the measured the temperature of the 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 encount
9、ered control problems. This is the subject of the key research content.This paper discusses the working principle of control system of electric boiler, temperature transmitter selection, PLC configuration, configuration software design and so on several aspects. Through the transformation of electri
10、c heating boiler control system with fast response, good stability, high reliability, good control precision characteristics, 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
11、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
12、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
13、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,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
14、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: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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、,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.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
21、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
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