1、基于PLC的鍋爐溫度控制系統 作 者 姓 名 xxx 專 業 自動化 指導教師姓名 xxx 專業技術職務 講 師 目 錄摘 要1第一章 緒論31.1課題背景及研究目的和意義31.2國內外研究現狀31.3項目研究內容4第二章 PLC和組態軟件基礎52.1可編程控制器基礎52.1.1可編程控制器的產生和應用52.1.2可編程控制器的組成和工作原理52.1.3可編程控制器的分類及特點72.2組態軟件的基礎82.2.1組態的定義82.2.2組態王軟件的特點82.2.3組態王軟件仿真的基本方法8第三章 PLC控制系統的硬件設計93.1 PLC控制系統設計的基本原則和步驟93.1.1 PLC控制系統設計的

2、基本原則93.1.2 PLC控制系統設計的一般步驟93.1.3 PLC程序設計的一般步驟103.2 PLC的選型和硬件配置113.2.1 PLC型號的選擇113.2.2 S7-200CPU的選擇123.2.3 EM235模擬量輸入/輸出模塊123.2.4 熱電式傳感器123.2.5 可控硅加熱裝置簡介123.3 系統整體設計方案和電氣連接圖133.4 PLC控制器的設計143.4.1 控制系統數學模型的建立143.4.2 PID控制及參數整定14第四章 PLC控制系統的軟件設計164.1 PLC程序設計的方法164.2 編程軟件STEP7-Micro/WIN 概述 174.2.1 STEP7-

3、Micro/WIN 簡單介紹174.2.2 計算機與PLC的通信184.3 程序設計184.3.1程序設計思路184.3.2 PID指令向導194.3.3 控制程序及分析25第五章 組態畫面的設計295.1組態變量的建立及設備連接295.1.1新建項目295.2創建組態畫面335.2.1新建主畫面335.2.2新建PID參數設定窗口345.2.3新建數據報表 345.2.4新建實時曲線355.2.5新建歷史曲線355.2.6新建報警窗口36第六章 系統測試376.1啟動組態王 376.2實時曲線觀察 386.3分析歷史趨勢曲線386.4查看數據報表406.5系統穩定性測試42結束語 43參考文

4、獻44致謝45摘 要從上世紀80年代至90年代中期，PLC得到了快速的發展，在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。本文介紹了以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數，以爐膛內水溫為副被控參數，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數，以PLC為控制器，構成鍋爐溫度串級控制系統；采用PID算法，運用PLC梯形圖編程語言

5、進行編程，實現鍋爐溫度的自動控制。 電熱鍋爐的應用領域相當廣泛，在相當多的領域里，電熱鍋爐的性能優劣決定了產品的質量好壞。目前電熱鍋爐的控制系統大都采用以微處理器為核心的計算機控制技術，既提高設備的自動化程度又提高設備的控制精度。 本文分別就電熱鍋爐的控制系統工作原理，溫度變送器的選型、PLC配置、組態軟件程序設計等幾方面進行闡述。通過改造電熱鍋爐的控制系統具有響應快、穩定性好、可靠性高,控制精度好等特點，對工業控制有現實意義。 從上世紀80年代至90年代中期，PLC得到了快速的發展，在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領

6、域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。本文介紹了以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數，以爐膛內水溫為副被控參數，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數，以PLC為控制器，構成鍋爐溫度串級控制系統；采用PID算法，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，實現鍋爐溫度的自動控制。 電熱鍋爐的應用領域相當廣泛，在相當多的領域里，電熱鍋爐的性能優劣決定了產品的質量好壞。目前電熱鍋爐的控制系統大都采用以微處理器為核心的計算機控制技術，

7、既提高設備的自動化程度又提高設備的控制精度。 本文分別就電熱鍋爐的控制系統工作原理，溫度變送器的選型、PLC配置、組態軟件程序設計等幾方面進行闡述。通過改造電熱鍋爐的控制系統具有響應快、穩定性好、可靠性高,控制精度好等特點，對工業控制有現實意義。關鍵詞：電熱鍋爐的控制系統 溫度控制 串級控制 PLC PID 摘 要從上世紀80年代至90年代中期，PLC得到了快速的發展，在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾

8、能力強、編程簡單等特點。PLC在工業自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。本文介紹了以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數，以爐膛內水溫為副被控參數，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數，以PLC為控制器，構成鍋爐溫度串級控制系統；采用PID算法，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，實現鍋爐溫度的自動控制。 電熱鍋爐的應用領域相當廣泛，在相當多的領域里，電熱鍋爐的性能優劣決定了產品的質量好壞。目前電熱鍋爐的控制系統大都采用以微處理器為核心的計算機控制技術，既提高設備的自動化程度又提高設備的控制精度。 本文分別就電熱鍋爐的控制系統工作原理，溫度變送器的選型、PLC配置、組態

9、軟件程序設計等幾方面進行闡述。通過改造電熱鍋爐的控制系統具有響應快、穩定性好、可靠性高,控制精度好等特點，對工業控制有現實意義。ABSTRACTFrom the last century to 90 in the mid 80's, PLC has been rapid development in this period, PLC capability in dealing with analog and digital computing power, man-machine interface capabilities and network capabilities are g

10、reatly improved, PLC gradually entering the field of process control, replaced in some applications in the field of process control dominant DCS.PLC has the versatility, ease of use, wide adaptation, high reliability and strong anti-interference, simple to program and so on.PLC control, especially i

11、n the industrial automation sequence control the position, in the foreseeable future, is no substitute. This paper introduces the boiler as the charged object to the boiler water temperature of the main accused of the export parameters to furnace temperature as deputy accused of parameters to contro

12、l the heating resistance wire voltage parameters to PLC, controller, constitutes a series of boiler temperaturelevel control system; using PID algorithm, the use of PLC ladder programming language, programming, boiler temperature control. Electric boilers a wide range of applications, in a considera

13、ble number of field, the electric boiler performance advantages and disadvantages of the decision The quality of the product.Electric boiler control systems currently used mostly for computer control microprocessor core technology, both to improve the automation equipment have improved the control p

14、recision equipment. This paper on the heating boiler control system works, selection of temperature transmitter, PLC configurations, the configuration software design aspects were described.Through the transformation of electric boiler control system has fast response, good stability, high reliabili

15、ty, control accuracy and good features, practical significance for industrial control.Key words: heating boiler control system temperature control cascade control PLC PID第一章 緒論1.1課題背景及研究目的和意義電熱鍋爐的應用領域相當廣泛，電熱鍋爐的性能優劣決定了產品的質量好壞。目前電熱鍋爐的控制系統大都采用以微處理器為核心的計算機控制技術，既提高設備的自動化程度又提高設備的控制精度。PLC的快速發展發生在上世紀80年代至90

16、年代中期。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到了很大的提高和發展。PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。4 電熱鍋爐是機電一體化的產品，可將電能直接轉化成熱能，具有效率高，體積小，無污染，運行安全可靠，供熱穩定，自動化程度高的優點，是理想的節能環保的供暖設備。加上目前人們的環保意識的提高，電熱鍋爐越來越受人們的重視，在工業生產和民用生活用水中應用越來越普及。電熱鍋爐目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的溫度，保證恒溫供水。

17、PID控制是迄今為止最通用的控制方法之一。因為其可靠性高、算法簡單、魯棒性好，所以被廣泛應用于過程控制中,尤其適用于可建立精確數學模型的確定性系統。PID控制的效果完全取決于其四個參數,即采樣周期ts、比例系數 Kp、積分系數Ki、微分系數Kd。因而,PID參數的整定與優化一直是自動控制領域研究的重要課題。PID在工業過程控制中的應用已有近百年的歷史，在此期間雖然有許多控制算法問世,但由于PID算法以它自身的特點，再加上人們在長期使用中積累了豐富經驗，使之在工業控制中得到廣泛應用。在PID算法中，針對P、I、D三個參數的整定和優化的問題成為關鍵問題。51.2 國內外研究現狀自70年代以來，由于

18、工業過程控制的需要，特別是微電子技術和計算機技術的迅猛發展以及自動控制理論和設計方法發展的推動下，國內外溫度控制系統的發展迅速，并在智能化，自適應、參數整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行各業廣泛應用。它們主要有以下特點：1）適應于大慣性、大滯后等復雜的溫度控制體統的控制。2）能適應于受控系統數學模型難以建立的溫度控制系統的控制。3）能適用于受控系統過程復雜、參數時變的溫度控制系統的控制。4）這些溫度控制系統普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機技術，運用先進的算法，適應范

19、圍廣泛。5）溫度控制器普遍具有參數整定功能。借助于計算機軟件技術，溫度控制器具有對控制參數及特性進行自整定的功能。有的還具有自學習功能。6）溫度控制系統既有控制精度高、抗干擾能力強、魯棒性好的特點。目前，國外溫度控制系統及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方向發展。隨溫度控制系統在國內各行各業的應用雖然應用很廣泛，但從國內生產的溫度控制器來講，總體發展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體水平處于20世紀80年代中后期的水平，成熟產品主要以“點位”控制及常規的PID控制器為主，它只能適用于一般的溫度系統的控制，難以控制滯后、復雜、時變溫度系統控

20、制。能適應于較高的控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內還不十分成熟。 隨著科學技術的不斷發展，人們對溫度控制系統的要求越來越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統是國內外必然發展的趨勢。1.3 項目研究內容以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數，以爐膛內水溫為副被控參數，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數，以PLC為控制器，構成鍋爐溫度串級控制系統；采用PID算法，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，實現鍋爐溫度的自動控制。可編程邏輯控制器（PLC)是集計算機技術、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動控制裝置。其性能優越，已被廣泛的應用于工業控制的各個領域，并已經成為工業自動化的三大

21、支柱（PLC、工業機器人、CAD/CAM）之一。PLC技術在溫度監控系統上的應用從整體上分析和研究了控制系統的硬件配置、電路圖的設計、程序設計，控制對象數學模型的建立、控制算法的選擇和參數的整定、人機界面的設計等。論文通過對德國西門子公司的S7-200系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測到的實際爐溫轉化為電壓信號，經過模擬量輸入模塊轉換成數字信號送到PLC中進行PID調節，PID控制器輸出轉化為0-10mA的電流信號輸入控制可控硅電壓調整器或觸發板改變可控硅管導通角的大小來調節輸出功率。對于監控畫面，利用亞控公司的組態軟件“組態王“串級系統是由調節器串聯起來工作，其中一個調節器的輸出作為另一個調

22、節器的給定值的系統。整個系統包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節器、調節閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節器、副調節器、調節閥、副過程和主過程構成。一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內的擾動。在串級控制系統中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。副調節器具有“粗調”的作用，主調節器具有“細調”的作用，從而使其控制品質得到進一步提高。7第二章 PLC和組態軟件基礎可編程控制器是是一種工業控制計算機，簡稱PLC（Programmable lo

23、gic Controller),它使用可編程序的記憶以存儲指令，用來執行邏輯、順序、計時、計數、和演算等功能，并通過數字或模擬的輸入輸出，以控制各種機械或生產過程。2.1可編程控制器基礎2.1.1可編程控制器的產生和應用1969年美國數字設備公司成功研制世界第一臺可編程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽車自動裝配線上首次使用并獲得成功。1971年日本從美國引進這項技術，很快研制出第一臺可編程序控制器DSC-18。1973年西歐國家也研制出他們的第一臺可編程控制器。我國從1974年開始研制，1977年開始工業推廣應用。進入20世紀70年代，隨著電子技術的發展，尤其是PLC采用通訊微處理器之后

24、，這種控制器功能得到更進一步增強。進入20世紀80年代，隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的迅猛發展，以16位和少數32位微處理器構成的微機化PLC，使PLC的功能增強，工作速度快，體積減小，可靠性提高，成本下降，編程和故障檢測更為靈活，方便。目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業。2.1.2可編程控制器的組成和工作原理可編程控制器的組成:PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架。1CPUCPU是PLC的核心，它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸

25、入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，IO數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。 2.I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信

26、號進入PLC系統，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。常用的I/O分類如下：開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數確定模塊規格及數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機

27、架槽數限制。 3.編程器編程器的作用是用來供用戶進行程序的輸入、編輯、調試和監視的。編程器一般分為簡易型和智能型兩類。簡易型只能聯機編程，且往往需要將梯形圖轉化為機器語言助記符后才能送入。而智能型編程器（又稱圖形編程器），不但可以連機編程，而且還可以脫機編程。操作方便且功能強大。4.電源PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。6 可編程控制器的工作原理:PLC的工作方式是一個不斷循環的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。 CP

28、U 從第一條指令開始，按順序逐條地執行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。 PLC 就是這樣周而復始地重復上述循環掃描的。PLC工作的全過程可用圖 2-1 所示的運行框圖來表示。 圖 2-1 可編程控制器運行框圖2.1.3可編程控制器的分類及特點(一)小型PLC小型PLC 的I/O 點數一般在128 點以下，其特點是體積小、結構緊湊，整個硬件融為一體，除了開關量I/O以外，還可以連接模擬量I/O 以及其他各種特殊功能模塊。它能執行包括邏輯運算、計時、計數、算術、運算數據處理和傳送通訊聯網以及各種應用指令。(二)中型PLC中型PLC 采用模塊化結構，其I/O 點數一般在

29、2561024 點之間，I/O 的處理方式除了采用一般PLC 通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式即在掃描用戶程序的過程中直接讀輸入刷新輸出，它能聯接各種特殊功能模塊，通訊聯網功能更強，指令系統更豐富，內存容量更大，掃描速度更快。(三)大型PLC一般I/O 點數在1024 點以上的稱為大型PLC，大型PLC 的軟硬件功能極強，具有極強的自診斷功能、通訊聯網功能強，有各種通訊聯網的模塊可以構成三級通訊網實現工廠生產管理自動化，大型PLC 還可以采用冗余或三CPU 構成表決式系統使機器的可靠性更高2.2組態軟件的基礎2.2.1組態的定義組態就是用應用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體

30、任務的過程。組態軟件是有專業性的，一種組態軟件只能適合某種領域的應用。組態的概念最早出現在工業計算機控制中，如DCS(集散控制系統)組態，PLC梯形圖組態。人機界面生成軟件就叫工控組態軟件。工業控制中形成的組態結果是用在實時監控的。從表面上看，組態工具的運行程序就是執行自己特定的任務。 工控組態軟件也提供了編程手段，一般都是內置編譯系統，提供類BASIC語言，有的支持VB，現在有的組態軟件甚至支持C#高級語言。在當今工控領域，一些常用的大型組態軟件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，組態王，力控，易控，MCGS等。本設計采用亞控的組態王軟件進行組態的設計。2.

31、2.2組態王軟件的特點 組態王軟件具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。通常可以把這樣的系統劃分為控制層、監控層、管理層三個層次結構。其中監控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監測與控制，且在自動控制系統中完成上傳下達、組態開發的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數據、動畫。通過對監控系統要求及實現功能的分析，采用組態王對監控系統進行設計。組態軟件也為試驗者提供了可視化監控畫面，有利于試驗者實時現場監控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報

32、表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態方式、數據鏈接功能8。2.2.3組態王軟件仿真的基本方法(1)圖形界面的設計 圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業現場和相應的工控設備。 (2) 構造數據庫 數據,就是創建一個具體的數據庫,并用此數據庫中的變量描述工控對象的各種屬性,比如水位、流量等。(3) 建立動畫連接 連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現場設備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。(4) 運行和調試第三章 PLC控制系統的硬件設計本章主要從系統設計結構和硬件設計的角度，介紹該項目的PLC控制系統的設計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設計以及PLC控制器的設計參數的整

33、定。3.1 PLC控制系統設計的基本原則和步驟 3.1.1 PLC控制系統設計的基本原則1充分發揮PLC功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求。2在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統簡單、經濟、使用及維修方便。3保證控制系統安全可靠。4應考慮生產的發展和工藝的改進，在選擇PLC的型號、IO點數和存儲器容量等內容時，應留有適當的余量，以利于系統的調整和擴充。 3.1.2 PLC控制系統設計的一般步驟 設計PLC應用系統時，首先是進行PLC應用系統的功能設計，即根據被控對象的功能和工藝要求，明確系統必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行PLC應用系統的功能分析，即通過分析系統功能，提出PLC

34、控制系統的結構形式，控制信號的種類、數量，系統的規模、布局。最后根據系統分析的結果，具體的確定PLC的機型和系統的具體配置。PLC控制系統設計可以按以下步驟進行：1熟悉被控對象，制定控制方案 分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對 PLC控制系統的控制要求。2確定IO設備 根據系統的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關、選擇開關等)和輸出設備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定PLC的IO點數。3選擇PLC 選擇時主要包括PLC機型、容量、IO模塊、電源的選擇。4分配PLC的IO地址 根據生產設備現場需要，確定控制按鈕，選擇開關、接觸

35、器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、規格、數量；根據所選的PLC的型號列出輸入輸出設備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部IO接線圖和編制程序。5設計軟件及硬件進行PLC程序設計，進行控制柜（臺）等硬件的設計及現場施工。由于程序與硬件設計可同時進行，因此，PLC控制系統的設計周期可大大縮短，而對于繼電器系統必須先設計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設計。6聯機調試 聯機調試是指將模擬調試通過的程序進行在線統調。3.1.3 PLC程序設計的一般步驟1繪制系統的功能圖。2設計梯形圖程序。3根據梯形圖編寫指令表程序。4對程序進行模擬調試及修改，直到滿足控制要求為止。調試過程

36、中，可采用分段調試的方法，并利用編程器的監控功能。PLC控制系統的設計步驟可參考圖 3-1 ： 圖 3-1 PLC控制系統的設計步驟3.2 PLC的選型和硬件配置3.2.1 PLC型號的選擇本溫度控制系統采用德國西門子S7-200 PLC。S7-200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業，各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。3.2.2 S7-200 CPU的選擇S7-200 系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等類型。此系統選用

37、的S7-200 CPU226,CPU 226集成24輸入/16輸出共40個數字量I/O 點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。13K字節程序和數據存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。3.2.3 EM235 模擬量輸入/輸出模塊在溫度控制系統中，傳感器將檢測到的溫度轉換成4-20mA的電流信號，系統需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號轉換成數字信號再送入PLC中進行處理。在這里我們選

38、擇西門子的EM235 模擬量輸入/輸出模塊。EM235 模塊具有4路模擬量輸入/一路模擬量的輸出。它允許S7-200連接微小的模擬量信號，±80mV范圍。用戶必須用DIP開關來選擇熱電偶的類型，斷線檢查，測量單位，冷端補償和開路故障方向：SW1SW3用于選擇熱電偶的類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進行斷線檢測，SW7用于選擇測量方向，SW8用于選擇是否進行冷端補償。所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型。3.2.4 熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉化為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉換為電勢和電阻的方法最為普遍。其中最為常

39、用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度轉化為電勢變化，而熱電阻是將溫度變化轉化為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業生產中被廣泛應用。該系統需要的傳感器是將溫度轉化為電流，且水溫最高是100，所以選擇Pt100鉑熱電阻傳感器。P100鉑熱電阻，簡稱為：PT100鉑電阻，其阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為138.5歐姆。它的工作原理：當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的的阻值會隨著溫度上升它的阻值成勻速增長3。 3.2.5 可控硅加熱裝置簡介對于要求保持恒溫控制而不要溫度記錄的電阻爐采用帶PID調節的數

40、字式溫度顯示調節儀顯示和調節溫度，輸出010mA作為直流信號輸入控制可控硅電壓調整器或觸發板改變可控硅管導通角的大小來調節輸出功率，完全可以滿足要求，投入成本低，操作方便直觀并且容易維護。溫度測量與控制是熱電偶采集信號通過PID溫度調節器測量和輸出010mA或420mA控制觸發板控制可控硅導通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設定的溫度工作狀態。可控硅溫度控制器由主回路和控制回路組成。主回路是由可控硅，過電流保護快速熔斷器、過電壓保護RC和電阻爐的加熱元件等部分組成。3.3 系統整體設計方案和電氣連接圖系統選用了PLC CPU 226為控制器，PT100型熱電阻將檢測到的

41、實際鍋爐水溫轉化為電流信號，經過EM231模擬量輸入模塊轉化成數字量信號并送到PLC中進行PID調節，PID控制器輸出轉化為010mA的電流信號輸入控制可控硅電壓調整器或觸發板改變可控硅管導通角的大小來調節輸出功率，從而調節電熱絲的加熱。PLC和組態王連接，實現了系統的實時監控。整體設計方案如圖3-3:EM235 鍋 爐PT100 P L C計算機 可控硅圖3-3 整體設計方案TT1TT2 24V 系統硬件連線圖如圖 3-4:RA A+ A- RB B+ B- RC C+ C- RD D+ D- EM235 輸入M 1L+ Q0.0-Q0.7 2M 2L+ Q1.0-Q1.7 M L +DC

42、CPU 226 COM1 COM2 輸出 MO VO IOM L+ 1M I0.0 - I1.4 2M I1.5-I2.7 M L+電源 負 載 載 圖 3-4 系統硬件連線圖3.4 PLC控制器的設計控制器的設計是整個控制系統設計中最重要的一步。首先要根據受控對象的數學模型和它的各特性以及設計要求，確定控制器的結構以及和受控對象的連接方式。最后根據所要求的性能指標確定控制器的參數值。3.4.1 控制系統數學模型的建立 在本控制系統中，TT1(出口溫度傳感器)將檢測到的出口水溫度信號轉化為電流信號送入EM235模塊的A路，TT2(爐膛溫度傳感器)將檢測到的出口水溫度信號轉化為電流信號送入EM2

43、35模塊的B路。兩路模擬信號經過EM235轉化為數字信號送入PLC，PLC再通過PID模塊進行PID調節控制。具體流程在第四章程序編寫的時候具體論述。由PLC的串級控制系統框圖如圖 3-5：圖中輸入輸出分別為？ 主調節器爐膛可控硅鍋爐出口副調節器副變送器主變送器如圖3-5 串級控制系統框圖 3.4.2 PID控制及參數整定 1.PID控制器的組成PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其數學表達式為： 公式（3-1）Error! No bookmark name given.(1) 比例系數KC對系統性能的影響：比例系數加大，使系統的動作靈敏，速度加快，穩態誤差減小。

44、c偏大，振蕩次數加多，調節時間加長。c太大時，系統會趨于不穩定。c太小，又會使系統的動作緩慢。c可以選負數，這主要是由執行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。如果c的符號選擇不當對象狀態(pv值)就會離控制目標的狀態(sv值)越來越遠，如果出現這樣的情況c的符號就一定要取反。 Error! No bookmark name given.(2) 積分控制i對系統性能的影響：積分作用使系統的穩定性下降，i小（積分作用強）會使系統不穩定，但能消除穩態誤差，提高系統的控制精度。 Error! No bookmark name given.(3) 微分控制d對系統性能的影響：微分作用可以改善動態特性，d

45、偏大時，超調量較大，調節時間較短。d偏小時，超調量也較大，調節時間也較長。只有d合適，才能使超調量較小，減短調節時間。 2.主、副回路控制規律的選擇 采用串級控制，所以有主副調節器之分。主調節器起定值控制作用，副調節器起隨動控制作用，這是選擇規律的基本出發點。主參數是工藝操作的重要指標，允許波動的范圍較小，一般要求無余差，因此，主調節器一般選PI或PID控制，副參數的設置是為了保證主參數的控制質量，可允許在一定范圍內變化，允許有余差，因此副調節器只要選P控制規律就可以。在本控制系統中，我們將鍋爐出口水溫度作為主參數，爐膛溫度為副參數。主控制采用PI控制，副控制器采用P控制。3.主、副調節器正、

46、反作用方式的確定副調節器作用方式的確定： 首先確定調節閥，出于生產工藝安全考慮，可控硅輸出電壓應選用氣開式，這樣保證當系統出現故障使調節閥損壞而處于全關狀態，防止燃料進入加熱爐，確保設備安全，調節閥的 Kv >0 。然后確定副被控過程的K02，當調節閥開度增大，電壓增大，爐膛水溫度上升，所以 K02 >0 。最后確定副調節器，為保證副回路是負反饋，各環節放大系數(即增益)乘積必須為負，所以副調節器 K 2<0 ，副調節器作用方式為反作用方式。主調節器作用方式的確定：爐膛水溫度升高，出口水溫度也升高，主被控過程 K01 > 0。為保證主回路為負反饋，各環節放大系數乘積必須

47、為負，所以主調節器的放大系數 K1< 0，主調節器作用方式為反作用方式7。4.采樣周期的分析采樣周期Ts越小，采樣值就越能反應溫度的變化情況。但是，Ts太小就會增加CPU的運算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒什么變化，將是PID控制器輸出的微分部分接近于0，所以不應使采樣時間太小。，確定采樣周期時，應保證被控量迅速變化時，能用足夠多的采樣點，以保證不會因采樣點過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。因為本系統是溫度控制系統，溫度具有延遲特性的慣性環節，所以采樣時間不能太短，一般是15s20s，本系統采樣17s 經過上述的分析，該溫度控制系統就已經基本確定了，在系統投運之前還要進行控制器的參數

48、整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。 理論計算整定法是在已知被控對象的數學模型的基礎上，根據選取的質量指標，經過理論的計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），求得最佳的整定參數。這類方法比較復雜，工作量大，而且用于分析法或實驗測定法求得的對象數學模型只能近似的反映過程的動態特征，整定的結果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應用。 對于工程整定法，工程人員無需知道對象的數學模型，無需具備理論計算所學的理論知識，就可以在控制系統中直接進行整定，因而簡單、實用，在實際工程中被廣泛的應用常用的工程整定法有經驗整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經

49、驗整定法整定控制器的參數值。整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。（1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。（2）整定積分環節 若在比例控制下穩態誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。（3）整定微分環節若經過步驟（2），PI控制只能消除穩態誤差，而動態過程不能令人滿意，則應加入微分控制，構成PID控制。先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比

50、例系數和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數。 第四章 PLC控制系統的軟件設計 PLC控制系統的設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分本在硬件基礎上，詳細介紹本項目的軟件設計，主要包括軟件設計的基本步驟、方法、編程軟件STEP7-Micro/WIN的介紹以及本項目的程序設計。 4.1 PLC程序設計的方法PLC程序設計常用的方法：主要有經驗設計法、繼電器控制電路轉換為梯形圖法、順序控制設計法、邏輯設計法等。1.經驗設計法：經驗設計法即在一些典型的控制電路程序的基礎上，根據被控制對象的具體要求，進行選擇組合，并多次反復調試和修改梯形圖，有時需增加一些輔助觸點和中間編程環節，才能

51、達到控制要求。這種方法沒有規律可遵循，設計所用的時間和設計質量與設計者的經驗有很大的關系，故稱為經驗設計法。 2.繼電器控制電路轉換為梯形圖法：用PLC的外部硬件接線和梯形圖軟件來實現繼電器控制系統的功能。3.順序控制設計法：根據功能流程圖，以步為核心，從起始步開始一步一步地設計下去，直至完成。此法的關鍵是畫出功能流程圖。4. 邏輯設計法：通過中間量把輸入和輸出聯系起來。實際上就找到輸出和輸入的關系，完成設計任務。 4.2 編程軟件STEP7-Micro/WIN 概述 STEP7-Micro/WIN 編程軟件是基于Windows的應用軟件，由西門子公司專為S7-200系列可編程控制器設計開發，

52、它功能強大，主要為用戶開發控制程序使用，同時也可以實時監控用戶程序的執行狀態。 4.2.1 STEP7-Micro/WIN 簡單介紹 以 STEP7-Micro/WIN創建程序，為接通STEP7-Micro/WIN，可雙擊STEP7 -Micro/WIN的圖標，如圖4-1所示，STEP7-Micro/WIN項目窗口將提供用于創建程序的工作空間。瀏覽條給出了多組按鈕，用于訪問STEP7-Micro/WIN的不同編程特性。指令樹將顯示用于創建控制程序的所有項目對象指令。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時局部變量的符號名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的的底部按標簽顯示。圖 4-

53、1 STEP7-Micro/WIN項目窗口本項目中我們利用 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP5編程軟件，其界面如圖4-1所示。項目包括的基本組件：程序塊、數據塊、系統塊、符號表、狀態表、交叉引用表。 4.2.2 計算機與PLC的通信 在STEP7-Micro/WIN 中雙擊指令樹中的“通信”圖標，或執行菜單命令的“查看”/“組件”/“通信”，將出現“通信”對話框,見圖4-2。在將新的設置下載到S7-200之前，應設置遠程站的地址，是它與S7-200的地址。雙擊“通信”對話框中“雙擊刷新”旁邊的藍色箭頭組成的圖標，編程軟件將會自動搜索連接在網絡上的S7-200，并用圖標顯示搜索到的

54、S7-200。圖4-2 PLC通信窗口4.3 程序設計4.3.1 程序設計思路PLC運行時，通過特殊繼電器SM0.0產生初始化脈沖進行初始化，將溫度設定值，PID參數值等存入數據寄存器，隨后系統開始溫度采樣，采樣周期是17秒，TT1(出口水溫溫度傳感器)將采集到的出口水溫度信號轉換為電流信號，電流信號在通過AIW0進入PLC，作為主回路的反饋值，經過主控制器（PID0）的PI運算產生輸出信號，作為副回路的給定值。TT2(爐膛水溫傳感器)將采集到的爐膛水溫度信號轉換為電流信號，電流信號在通過AIW2進入PLC，作為副回路的反饋值，經過副控制器（PID1）的P運算產生輸出的信號,由AQW0輸出，輸