1、提供全套，各專業畢業設計 編 號： 審定成績： 啊啊啊啊大學畢業設計（論文）設計（論文）題目：基于西門子S7-200系列PLC工業加熱爐控制系統的設計學 院 名 稱 ：啊啊啊啊啊學 生 姓 名 ：啊啊啊專 業 ：啊啊啊啊啊啊啊啊班 級 ：0000000學 號 ：0000000000指 導 教 師 ：啊啊啊答辯組 負責人 ：啊啊啊填表時間： 2014 年 5 月啊啊啊啊大學教務處制誠信承諾書本人慎重承諾和聲明：本人在畢業設計（論文）過程中遵守學校有關規定，恪守學術規范，在指導教師的指導下獨立完成，沒有剽竊和抄襲他人的學術觀點、思想和成果，未篡改研究數據，若有違規行為的發生，我愿接受學校處理，并承

2、擔一切法律責任。論文作者簽名： 年 月 日 摘 要隨著計算機控制技術的發展，傳統繼電器控制技術必然被基于計算機技術而產生的可編程邏輯控制器（PLC）控制技術所取代，而PLC本身優異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統變得經濟、高效、穩定且維護方便。本文介紹了基于西門子公司S7200系列PLC的溫度控制系統的設計方法，詳細分析了系統的硬件設計以及軟件設計。控制系統采用PC+PLC的主從控制結構，組成一種經濟可靠的工業加熱爐溫度控制系統。加熱爐溫度控制系統是一個大慣性系統，一般采用PID算法進行控制，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，對鍋爐工作過程進行自動控制。利用組態軟件組態王設計上位機界面，實

3、現控制系統的實時監控、數據的實時采樣與處理，并可以實現友好的用戶界面，是一種具有一定應用價值的實時溫度控制系統。設計之后系統穩定性好、精度高、魯棒性強。【關鍵詞】加熱爐 PLC PID 溫度控制 上位機 ABSTRACTWith the development of the computer control technology，the traditional relay control technology must be replaced necessarily by the programmable logic controller（PLC） control technology whi

4、ch generates based on computer technology，and PLC has excellent performance what makes the temperature control system with PLC technology become more economic，more efficient，more stable and easily maintainThis thesis introduces a design technique of the temperature control system with SIMATIC S7200

5、series PLC，details the hardware design and the software design of the systemThis control system adopts PC&PLC masterslave control construction，constitutes an economic and reliable industrial heating furnace temperature control systemThe furnace temperature control system is a large inertia system，ge

6、nerally uses the PID algorithm to control，and uses ladder diagram programming language of PLC to programme，in order to carry out the automatic control of the heating furnace work processUsing the configuration software KingView to design the upper computer interface to monitor the control system and

7、 real-time sample and processIt is able to get a friendly user interface，is a real-time temperature control system which has moderate application valueAfter the design，the system has a good stability，a high precision and a strong robustness【Key words】The heating furnace PLC PID Temperature control T

8、he upper computer目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc393743818 前 言 PAGEREF _Toc393743818 h 1 HYPERLINK l _Toc393743819 第一章 工業加熱爐控制系統概述 PAGEREF _Toc393743819 h 2 HYPERLINK l _Toc393743820 第一節 溫度控制系統背景及發展趨勢 PAGEREF _Toc393743820 h 2 HYPERLINK l _Toc393743821 一、溫度控制系統背景 PAGEREF _Toc393743821 h 2 HYPERLINK

9、 l _Toc393743822 二、溫度控制系統發展趨勢 PAGEREF _Toc393743822 h 2 HYPERLINK l _Toc393743823 第二節 研究內容與任務 PAGEREF _Toc393743823 h 3 HYPERLINK l _Toc393743824 第三節 本章小結 PAGEREF _Toc393743824 h 3 HYPERLINK l _Toc393743825 第二章 設計方案及控制算法 PAGEREF _Toc393743825 h 5 HYPERLINK l _Toc393743826 第一節 設計方案 PAGEREF _Toc393743

10、826 h 5 HYPERLINK l _Toc393743827 一、系統總體方案 PAGEREF _Toc393743827 h 5 HYPERLINK l _Toc393743828 二、硬件設計方案 PAGEREF _Toc393743828 h 5 HYPERLINK l _Toc393743829 三、軟件設計方案 PAGEREF _Toc393743829 h 6 HYPERLINK l _Toc393743830 四、上位機設計方案 PAGEREF _Toc393743830 h 7 HYPERLINK l _Toc393743831 第二節 控制算法 PAGEREF _Toc

11、393743831 h 8 HYPERLINK l _Toc393743832 一、控制算法選擇 PAGEREF _Toc393743832 h 8 HYPERLINK l _Toc393743833 二、PID算法介紹 PAGEREF _Toc393743833 h 8 HYPERLINK l _Toc393743834 第三節 本章小結 PAGEREF _Toc393743834 h 10 HYPERLINK l _Toc393743835 第三章 加熱爐控制系統硬件設計 PAGEREF _Toc393743835 h 11 HYPERLINK l _Toc393743836 第一節 系統

12、硬件組成 PAGEREF _Toc393743836 h 11 HYPERLINK l _Toc393743837 一、系統結構組成 PAGEREF _Toc393743837 h 11 HYPERLINK l _Toc393743838 二、各組成部分的任務 PAGEREF _Toc393743838 h 11 HYPERLINK l _Toc393743839 第二節 AE2000型過程控制實驗系統 PAGEREF _Toc393743839 h 12 HYPERLINK l _Toc393743840 一、電加熱鍋爐 PAGEREF _Toc393743840 h 12 HYPERLIN

13、K l _Toc393743841 二、溫度變送器 PAGEREF _Toc393743841 h 12 HYPERLINK l _Toc393743842 三、三相晶閘管移相調壓裝置 PAGEREF _Toc393743842 h 12 HYPERLINK l _Toc393743843 第三節 可編程邏輯控制器及模擬量擴展模塊 PAGEREF _Toc393743843 h 13 HYPERLINK l _Toc393743844 一、可編程邏輯控制器 PAGEREF _Toc393743844 h 13 HYPERLINK l _Toc393743845 二、模擬量擴展模塊 PAGERE

14、F _Toc393743845 h 15 HYPERLINK l _Toc393743846 第四節 本章小結 PAGEREF _Toc393743846 h 17 HYPERLINK l _Toc393743847 第四章 加熱爐控制系統軟件設計 PAGEREF _Toc393743847 h 18 HYPERLINK l _Toc393743848 第一節 設計思路 PAGEREF _Toc393743848 h 18 HYPERLINK l _Toc393743849 一、主程序部分 PAGEREF _Toc393743849 h 18 HYPERLINK l _Toc393743850

15、 二、溫度標度變換部分 PAGEREF _Toc393743850 h 18 HYPERLINK l _Toc393743851 三、PID運算調節部分 PAGEREF _Toc393743851 h 18 HYPERLINK l _Toc393743852 第二節 主程序 PAGEREF _Toc393743852 h 18 HYPERLINK l _Toc393743853 第三節 標度變換子程序 PAGEREF _Toc393743853 h 19 HYPERLINK l _Toc393743854 第四節 PID初始化子程序及中斷程序 PAGEREF _Toc393743854 h 2

16、0 HYPERLINK l _Toc393743855 第五節 本章小結 PAGEREF _Toc393743855 h 26 HYPERLINK l _Toc393743856 第五章 上位機的設計與調試 PAGEREF _Toc393743856 h 27 HYPERLINK l _Toc393743857 第一節 上位機與下位機的通信連接 PAGEREF _Toc393743857 h 27 HYPERLINK l _Toc393743858 第二節 組態王工程的建立和調試 PAGEREF _Toc393743858 h 27 HYPERLINK l _Toc393743859 第三節

17、本章小結 PAGEREF _Toc393743859 h 29 HYPERLINK l _Toc393743860 第六章 系統運行及結果分析 PAGEREF _Toc393743860 h 30 HYPERLINK l _Toc393743861 第一節 系統運行 PAGEREF _Toc393743861 h 30 HYPERLINK l _Toc393743862 第二節 結果分析 PAGEREF _Toc393743862 h 30 HYPERLINK l _Toc393743863 第三節 本章小結 PAGEREF _Toc393743863 h 31 HYPERLINK l _To

18、c393743864 結 論 PAGEREF _Toc393743864 h 32 HYPERLINK l _Toc393743865 致 謝 PAGEREF _Toc393743865 h 33 HYPERLINK l _Toc393743866 參考文獻 PAGEREF _Toc393743866 h 34 HYPERLINK l _Toc393743867 附 錄 PAGEREF _Toc393743867 h 35 HYPERLINK l _Toc393743868 一、英語原文 PAGEREF _Toc393743868 h 35 HYPERLINK l _Toc393743869

19、二、英語翻譯 PAGEREF _Toc393743869 h 44 HYPERLINK l _Toc393743870 三、源程序 PAGEREF _Toc393743870 h 51前 言溫度是工業生產中常見的工藝參數之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關。在科學研究和生產實踐的諸多領域中，溫度控制占有著極為重要的地位。由于PLC對現場進行實時監控具有很高的可靠性，且編程簡單、靈活，因此越來越受到人們重視，PLC也被廣泛地應用于溫度控制系統。所以在現代工業控制中，選用PLC對溫度進行控制將是大多數人的選擇。因此設計一個基于PLC的工業加熱爐溫度控制系統具有重要意義。對于工業加熱爐控

20、制系統，從分析對象要求，形成設計思想，選用設備，編寫并優化程序，在本論文中都會得到詳細和完整地論述。第一章 工業加熱爐控制系統概述第一節 溫度控制系統背景及發展趨勢一、溫度控制系統背景溫度控制系統在工業生產活動中被廣泛地使用，同時又是人們供熱取暖設備的主要驅動來源，它的出現迄今已有兩百余年。期間，它從低級到高級，從簡單到復雜。隨著生產力的發展和對溫度控制精度的要求不斷提高，溫度控制系統的控制技術得到了迅速發展。自70年代以來，由于工業過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的發展下，還有在自動控制理論與設計方法發展的推動下，國內外的溫度控制系統迅猛發展，并且在職能化、自適應、參數自整定等

21、方面取得了不錯成果。在這一方面，日本、美國、德國、瑞典等國的技術領先，已經產生了一批商品化的、性能高的溫度控制器及儀器儀表，并且被各行各業廣泛應用。溫度控制系統在國內各行各業的應用雖然已經十分廣泛，但從生產的溫度控制器來講，我國總體發展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比有著較大差距。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，它只能適應一般溫度系統控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內技術還不十分成熟。形成商品化并在儀表控制系統參數的自整定方面，由于國外技術保密

22、及我國開發工作的滯后，還沒有開發出性能可靠的自整定軟件，控制參數大多靠人工經驗及現場調試來確定。二、溫度控制系統發展趨勢當前比較流行的溫度控制系統1有基于單片機的溫度控制系統，基于PLC的溫度控制系統，基于工控機（IPC）的溫度控制系統，另外還有集散型溫度控制系統（DCS），現場總線控制系統（FCS）等。各種溫度系統都有自己的優缺點，用戶需要根據實際需要選擇系統配置。當然，在實際運用中，為了達到更好的控制效果，可以采取多個系統的集成，做到互補長短。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的發展趨勢。第二節 研究內容與任務加

23、熱爐由內膽、夾套及附屬的加熱電阻絲組成。水的溫度是通過熱傳遞的方式，將熱能由溫度高的內膽水傳到溫度低的夾套水中去。于是，通過適當調節加熱電阻絲兩端的電壓，加熱控制內膽水溫，進而控制夾套水溫。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，已被廣泛地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支柱（PLC、工業機器人、CAD/CAM）之一。PLC技術在溫度控制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、人機界面地設計等。串級系統2是由調節器串聯起來工作

24、，整個系統包括兩個控制回路，即主回路和副回路，其中一個調節器的輸出作為另一個調節器的給定值的系統。一次擾動作用在主被控過程上，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，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。以加熱爐為控制對象水的容器；以加熱爐夾套水溫為主被控參數，以內膽水溫為副被控參數；以三相調壓裝置為系統執行機構；以西門子S7200系列PLC3為控制器，構成加熱爐溫度串級控制系統，主、副控制器采用PID控制

25、算法，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，手動整定PID參數，實時反饋內膽、夾套水溫，控制加熱裝置，使加熱爐溫度達到設定溫度值左右，并能實現手動啟動和停止；運行指示燈顯示系統的運行狀態；上述物品及功能實現加熱爐夾套溫度地自動控制。系統配置一臺上位監控PC機，PC機安裝有北京亞控公司的“組態王”監控組態軟件，通過USBPPI編程電纜同PLC的RS485串行接口進行通訊。第三節 本章小結隨著歷史的發展，溫度控制系統被廣泛地應用于工業生產中，而且精度要求越來越高，在此期間溫控系統技術得到迅猛的發展。尤其以日本，美國，德國，瑞典為代表，它們的技術遙遙領先，并且已經生產出商品化，性能高的溫度控制器及儀器儀

26、表。我國與他們相比，雖然在各行各業都有廣泛使用溫度控制系統，但是在生產制造、科學研究等方面，我國與日本，美國等國有很大差距。目前國內有基于單片機的、PLC的、IPC的溫度控制系統，還有集散型、現場總線溫度控制系統。這些溫度控制系統各有優缺點：基于單片機的溫度控制系統運行穩定，但是它受單片機的影響較大，因為單片機響應慢，中斷源少，所以此溫度控制系統不適用于復雜，高要求的工作環境；考慮到工控機性能穩定，可用軟件多，價格低的因素，它被廣泛應用，但是單獨使用時，容易被干擾，可靠性差；集散型溫度控制系統是款集聚監控及協調管理的不錯的控制系統，但是它的成本過高，難以大范圍的應用；現場總線控制系統是個優點較

27、多的控制系統，但是它才剛開始進入實用化，并且各國標準不統一，在國際上互換使用比較麻煩；相對于上述溫度控制系統來說，PLC的可靠性高，抗干擾能力強，易于學習掌握，所以它在工業上的使用更加廣泛，從經濟效益上來講，其成本低，市場占有率高，前景廣闊。通過運用串級系統的思想與PLC技術，以及對系統硬件、軟件和上位機軟件的設計，使得加熱爐溫度控制系統達成預定目標，即主、副控制器采用PID控制算法，實時計算控制量，手動整定PID參數，控制調壓裝置及加熱電阻絲兩端電壓，使夾套溫度能夠穩定在設定溫度值的附近，并能實現手動啟動和停止，運行指示燈實時監控控制系統的運行，實時顯示當前內膽溫度值與夾套溫度值。第二章 設

28、計方案及控制算法第一節 設計方案一、系統總體方案加熱爐溫度控制系統主要由硬件、軟件和上位機45三部分組成。設計方案是對PLC進行編程來對系統進行總體控制；溫度變送器采集夾套和內膽溫度信號；兩個常開按鈕分別對系統的運行與停止進行手動控制；指示燈用來顯示系統的運行狀態；模擬量擴展模塊承擔兩個模擬量輸入和一個模擬量輸出的任務；調壓裝置根據模擬量擴展模塊的輸出信號對加熱爐內電阻絲兩端電壓進行控制，來實現對溫度的控制6。利用上位機中的組態軟件的功能，構建一套最適合本系統的應用系統，允許操作人員通過上位機直接向設備發出控制指令。二、硬件設計方案硬件基本構成有PLC部分、模擬量擴展模塊、調壓裝置、溫度變送器

29、、電加熱鍋爐（內含加熱電阻絲）、啟動/停止按鈕與指示燈七個部分組成7。其硬件部分組成及其關系如圖2.1所示：圖2.1 硬件連接圖基本工作原理：加熱爐是控制對象（本設計采用自來水作為控制對象）的容器，通過溫度變送器檢測內膽水溫和夾套溫度，各自產生15V電壓信號，傳送給S7200 PLC的模擬量擴展模塊EM235，由PLC主控系統部分進行運算和處理，之后再將由模擬量擴展模塊EM235產生420mA的控制信號傳送給調壓裝置，調壓裝置根據不同的控制信號輸出不同的電壓來控制加熱爐內的電阻絲來對水進行加熱，由此水溫升高或降低會影響溫度變送器，從而產生了一個閉環回路控制，因此達到平衡控制水溫的目的。通過啟動

30、和停止產生的開關量數字信號來控制系統運行與停止，實現手動控制的功能。指示燈顯示系統的運行情況。三、軟件設計方案軟件基本結構由主/副PID控制器控制對象溫度。其基本工作原理7：首先預計出兩個PID控制器的相關參數，進行PID初始化；把夾套溫度變送器傳送回來的15V電壓信號經過模擬量擴展模塊EM235的輸入口A/D轉換變為640032000的數字量（稱為主回路的夾套溫度過程值PV1），同時給定一個夾套溫度給定值SP，將SP和PV1傳送給主控制器PID1運算，得到的結果OUT1作為副控制器的給定值SP，將它和內膽溫度變送器傳送回來的內膽溫度過程值PV0傳送給副控制器 PID0運算，得到的結果OUT0

31、經過模擬量擴展模塊EM235的輸出口D/A轉換變為420mA的控制信號傳送給調壓裝置，對爐內加熱電阻絲進行控制，同時對內膽溫度和夾套溫度進行檢測，形成雙閉環回路的串級控制。其控制回路組成圖如圖2.2所示：圖2.2 溫度串級控制系統流程圖如圖2.3所示：圖2.3 系統流程圖四、上位機設計方案使用組態軟件組態王設計出能反應系統的組成；系統運行狀態；顯示加熱爐實時溫度；手動啟、停系統；設定期望溫度值的工程。第二節 控制算法一、控制算法選擇在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制8，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、

32、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合使用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。二、PID算法介紹比例（P）控制：比例控制是一種最簡單，最常用的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。積分

33、（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其

34、原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后（Delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。圖2.4 帶PID控制器的閉控制系統如圖2.4所示，PID控制器

35、可調節回路輸出，使系統達到穩定狀態。偏差和輸入量、輸出量的關系： （21）控制器的輸出為： （22）式中，PID回路輸出 比例系數P 積分系數I 微分系數DPID調節的傳輸函數為： （23）數字計算機處理這個函數關系式，必須將連續函數離散化，對偏差周期采樣后，計算機計算之后再輸出結果。式（22）離散化的規律如表2.1所示：表2.1 模擬與離散形式模擬形式離散形式所以PID輸出經過離散化后，它的輸出方程為： （2-4）式中，比例項 積分項 微分項上式中，積分項是包括第一個采樣周期到當前采樣周期的所有誤差的累積值。計算中，沒有必要保留所有采樣周期的積分項，只需要保留前一個積分項，計算機的處理就是按

36、照這種簡化思想來計算的。所以在PLC中，上面三個式子可以近似9為： 比例項 積分項 微分項式中，采樣時間n的輸入量（回路設定值） ，采樣時間n的反饋量（回路過程值）第三節 本章小結經過研究控制對象及要求，決定從硬件、軟件和上位機三個方面來研究。本章概略地描述了硬件、軟件和上位機如何設計；針對不確定系統參數或模型時，使用PID控制算法最簡單有效，并說明了在PLC中PID計算的思想。后面幾章是遵循這種思路，做了詳細地描述。第三章 加熱爐控制系統硬件設計第一節 系統硬件組成一、系統結構組成溫度控制系統的結構包括一臺可編程邏輯控制器PLC、一個模擬量擴展模塊、一個調壓裝置、兩個溫度變送器、一個電加熱鍋

37、爐（內含加熱電阻絲）、兩個啟動/停止按鈕，一個系統運行指示燈。二、各組成部分的任務1、按鈕和指示燈運行指示燈顯示運行狀態。啟動按鈕/停止按鈕實現控制系統的啟動和停止。按下啟動按鈕，系統開始運行，運行指示燈點亮；按下停止按鈕，系統停止運行，運行指示燈熄滅。2、溫度變送器用來檢測夾套和內膽溫度，將溫度值轉換為電壓模擬量信號，同時傳送給PLC模擬量擴展模塊。3、調壓裝置和電加熱鍋爐電加熱鍋爐是PLC控制對象的容器。調壓裝置受到PLC模擬量擴展模塊輸出的420mA電流信號控制，來調節調壓裝置的輸出電壓，對電阻絲進行控制，來升高或者維持內膽溫度。4、可編程邏輯控制器及模擬量擴展模塊可編程邏輯控制器對讀取

38、到的溫度數字量進行標度變換處理，得到實際的溫度值；另一方面，經過標度變換處理得到的實際溫度值，和給定的溫度值進行計算處理，計算采用PID控制算法。模擬量擴展模塊可以在輸入口對從溫度變送器送來的電壓模擬信號進行A/D轉換，得到與溫度對應的數字量，并且PLC可以讀取儲存數字量的地址；PLC計算之后可以在輸出口地址中儲存數據，模擬量擴展模塊進行D/A轉化并輸出給調壓裝置，進而控制調壓裝置，以實現對加熱電阻絲的控制。第二節 AE2000型過程控制實驗系統一、電加熱鍋爐由不銹鋼鍋爐內膽加溫筒和封閉式外循環不銹鋼鍋爐冷卻夾套組成，內膽與夾套沒有水的交換，可以利用它進行溫度實驗。其中加熱電阻絲在鍋爐內膽中，

39、兩端電壓由調壓裝置控制，進而控制內膽中水的溫度。通過熱傳遞的方式，將熱量由溫度高的內膽水傳到溫度低的夾套水中去。鍋爐內膽有進水口、出水口和溢水口，可以將冷水從進水口注入，加熱冷水以提升水溫。夾套有另一套進水口和出水口，可以將冷水從進水口注入，在夾套內循環流動，吸收熱傳遞的熱量，以此提升水溫，最終由出水口流出，獲得期望溫度的熱水。由于內膽與夾套的進水口、出水口相互獨立，所以進入鍋爐的水流大小由不同的水閥控制。二、溫度變送器溫度變送器采用熱電偶、熱電阻作為測溫元件，從測溫元件輸出信號送到變送器模塊，經過穩壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I轉換、恒流及反向保護等電路處理后，轉換成與溫度成線性關系的

40、標準電信號輸出。溫度傳感器是一種能將溫度變化轉換為電量變化的元件，本系統采用了鉑熱電阻PT100，PT100是一種廣泛應用的熱電阻式溫度傳感器，是將溫度變化轉化為電阻值變化的一種測溫元件10。常用的PT電阻接法有三線制和兩線制11，由于將PT100的兩側相等的的導線長度分別加在兩側的橋臂上，所以三線制接法的優點是使得導線電阻值的變化而產生的測量誤差得以消除。本實驗系統采用橋式測溫電路，測溫原理是：電路采用一個恒定的參考電源；使用R1、R2、VR、PT100構成測量電橋（其中R1R2，VR為100精密電阻），當PT100的電阻值和VR的電阻值不相等時，電橋輸出一個毫伏級的壓差信號，這個壓差信號經

41、過運放電路放大后輸出一個期望范圍內大小的電壓信號，該信號可直接送入模擬量擴展模塊進行A/D轉換。三、三相晶閘管移相調壓裝置本系統使用的是三相晶閘管移相調壓裝置，是一種以晶閘管為基礎，以智能數字控制電路為核心的電源控制裝置。裝置的基本原理是控制晶閘管的觸發角或導通角，施加在電阻絲兩端上的電壓平均值由此受到控制，達到調節電壓或功率的目的。而晶閘管的導通條件是承受正向電壓，且僅在門極有觸發電流時導通，當晶閘管導通時，主回路就會導通，在主回路中的負載就會工作12。PLC通過模擬量擴展模塊EM235輸出420mA的電流信號作為晶閘管的控制信號。當控制信號輸入后，三相晶閘管移相調壓裝置就根據此信號改變內膽

42、中電阻絲兩端的電壓，從而改變電阻絲的輸出功率，升高或維持內膽溫度。第三節 可編程邏輯控制器及模擬量擴展模塊一、可編程邏輯控制器1、介紹可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）是計算機家族中的一員，是為工業控制應用而設計制造的，它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著技術的發展，這種裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍。PLC的特點： EQ oac(,1)可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。 EQ oac(,2)配套齊全，功能完

43、善，適用性強PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中，加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。 EQ oac(,3)易學易用，深受工程技術人員歡迎PLC作為一種通用工業控制計算機，是面向工控企業的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏

44、輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。 EQ oac(,4)系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序從而改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。 EQ oac(,5)體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。

45、2、可編程邏輯控制器選型S7200系列PLC13是由德國西門子公司生產的一種超小型系列可編程邏輯控制器，它能滿足多種自動化控制的需求，其設計緊湊，價格低廉，并且具有良好的可擴展性以及強大的指令功能，可代替繼電器在簡單的控制場合，也可以用于復雜的自動化控制系統。由于具有極強的通信功能，在大型網絡控制系統中也能充分發揮作用。S7200系列可以根據對象不同，可以選用不同的型號和不同數量的模塊，并可以將這些模塊安裝在同一機架上。S7200的CPU模塊包括一個中央處理單元，電源及數字I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。CPU負責執行程序，輸入部分從現場設備中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，

46、驅動外部負載。從CPU模塊功能來看，CUP模塊為CUP22X，它具有如下五種不同的結構配置CPU單元： EQ oac(,1)CPU221它有6輸入/4輸出，I/O共計10點。無擴展能力，程序和數據存儲容量較小，有一定的高速計數處理能力，非常適合于少點數的控制系統。 EQ oac(,2)CUP222它有8輸入/6輸出，I/O共計14點，和221相比，它可以進行一定的模擬量控制和2個模擬量擴展，因此是應用更廣泛的全功能控制器。 EQ oac(,3)CUP224它有14輸入/10輸出，I/O共計24點，和前兩者相比，存儲容量擴大了一倍，它可以有7個擴展模塊，有內置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數的處

47、理能力，是使用得最多S7-200產品。 EQ oac(,4)CUP224XP它在用戶程序存儲量和數據存儲量上進行了擴展，同時高速計數器比224好很多，本身具有模擬量2輸入/1輸出端口，其余的和224無太大差別。 EQ oac(,5)CUP226它有24輸入/16輸出，I/O共計40點，和CUP224相比，增加了通信口數量，通信能力大大增強。它可用于點數較多，要求較高的小型或中型控制系統。在本設計中有數字量2輸入/1輸出，并需要一個模擬量擴展，而CUP224本機數字量14輸入/10輸出，可完成設計所需的技術要求，并且學校提供一個CPU224模塊，所以本設計選用CUP224 AC/DC/RLY。C

48、UP用220V AC電源，24V DC輸入，繼電器輸出，其功率為9W，訂貨號為6ES7 214-1BD21-0XB0。二、模擬量擴展模塊溫度變送器將檢測到的溫度轉換成15V的電壓信號，系統需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉換成數字信號再送入PLC中進行處理，得到的控制信號也要通過模擬量輸出模塊把數字信號轉成420mA的電流信號對調壓裝置進行控制14。S7200PLC的模擬量模塊有EM231，EM232和EM235三種類型的模擬量擴展模塊。EM231有4路模擬量輸入，EM232有2路模擬量輸出，EM235有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出。本設計中需要檢測兩個溫度信號，和輸出一個電流控制信號，所以

49、需要2路模擬量輸入/1路模擬量輸出，所以我們選擇EM235模擬量輸入/輸出模塊，其功耗為2W。訂貨號為6ES7 235-0KD22-0XA0。其輸入/輸出特性如表3.1所示。表3.1 EM235輸入/輸出特性模擬量輸入特性模擬量輸入點數4輸入范圍 電壓（單極性）電壓（雙極性）電流010V，05V等 10V，5V，等 020mA數據字格式 雙極性，全量程范圍單極性，全量程范圍-32000+320000 032000模擬量輸出特性模擬量輸出點數1信號范圍 電壓輸出 電注輸出10V 020mA數據字格式 電壓 電流-32000+32000 032000EM235輸入數據字格式如表3.2所示。表3.2

50、 CPU中模擬量輸入字中12位數據值的存放位置MSBLSB151432100數據值12位000 單極數據MSBLSB1543210數據值12位0000 雙極數據模擬量到數字量轉換器（ADC）的12位讀數，其數據格式是左端對齊的。最高有效位是符號位，0表示是正值。對單極性格式，3個連續的0使得ADC計數數值每變化1個單位則數據字的變化是以8為單位變化的。對雙極性格式，4個連續的0使得ADC計數數值每變化1個單位，則數據字的變化是以16為單位變化的。EM235輸出數據字格式如下表3.3所示。表3.3 CPU中模擬量輸出字中12位數據值的存放位置MSBLSB1514432100數據值11位0000

51、電流輸出數據格式MSBLSB1543210數據值12位0000 電壓輸出數據格式數字量到模擬量轉換器（DAC）的12位讀數，其數據格式是左端對齊的，最高有效位是符號位，0表示是正值。數據在裝載到DAC寄存器之前，4個連續的0是被裁斷的，這些位不影響輸出信號值。EM235配置：表3.4所示為如何用DIP開關設置EM 235模塊。開關1到6可選擇模擬量輸入范圍和分辨率。所有的輸入設置成相同的模擬量輸入范圍和格式。表3.4 DIP開關設置單極性滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF ON 0到50mV 12.5V OFF ON OFF

52、ON OFF ON 0到100mV 25V ON OFF OFF OFF ON ON 0到500mV 125uA SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 滿量程輸入 分辨率 OFF ON OFF OFF ON ON 0到1V 250V ON OFF OFF OFF OFF ON 0到5V 1.25mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0到20mA 5A OFFONOFFOFFOFFON0到10V本設計中溫度檢測模塊輸入信號范圍為05V的電壓信號，為單極性，所以DIP開關設置為：SW1，ON；SW2，OFF；SW3，OFF；SW4，OFF；SW5，OFF；SW6，ON。輸出設

53、置：本設計中輸出為420mA的電流信號，而EM235可以輸出-10V +10V的電壓信號和020mA的電流信號，所以我們選擇電流信號的輸出接線方法。其電流滿量程輸出數據為032000，所以我將其數據輸出范圍定在640032000。第四節 本章小結本章對將要使用的裝置和部件等硬件方面做了描述，以便實際使用中，能方便準確地組合在一起，以構成本系統。第四章 加熱爐控制系統軟件設計第一節 設計思路PLC采用的是的S7200系列CPU224，采用了2個按鈕和1個系統指示燈來控制和顯示系統運行的狀態。溫度變送器負責檢測加熱爐中夾套和內膽的溫度，把溫度信號轉化成15V的電壓信號，經過PLC模數轉換后進行標度

54、變換，變成實際的溫度值，然后進行PID雙閉環串級控制運算，根據PID輸出值來控制三相晶閘管移相調壓裝置的輸出電壓來控制爐內加熱器，實現對爐溫控制調節的目的。所以軟件設計大致分為三個部分：一、主程序部分用來實現系統的啟動與停止的手動控制和系統運行的指示，并實現對其他子程序的有效調用。二、溫度標度變換部分用來實現將模數轉換后的數字量轉換成實際的溫度值。三、PID運算調節部分這一部分為系統的運行調節部分，實現實時控制溫度的目的。第二節 主程序主程序主要任務：完成系統的啟動與停止的手動控制和系統運行的指示，并實現對其他子程序的有效調用的任務。在主程序中沒有用到局部變量。主程序流程圖如圖4.1所示。圖4

55、.1 主程序流程主程序梯形圖附在附錄里。第三節 標度變換子程序由于溫度變送器將溫度信號轉換為15V的電壓信號，并傳送給模擬量擴展模塊輸入口，模擬量擴展模塊將模擬量15V的電壓信號轉換為640032000的數字量信號傳送給CPU。由于實際物體使用時間較長，可能存在一些線路、元件問題以致出現誤差，經過實際檢測，水溫24度對應0.6V（數字量3840），沸騰時100度對應4.6V（數字量29568），所以標度變換子程序的主要任務是將384029568間的數字量參數轉換為24100度間的實際溫度參數，以便于后面的顯示。如果用P表示傳送的數字量信號，N表示實際的溫度值。那么其關系如圖4.2所示。圖4.2

56、 溫度與數字量關系用公式表示，可以表示為(N-24)/(P-3840)=(100-24)/(29568-3840)，即N=(76P+325632)/25728，得知這個公式則可進行程序編輯。標度變換子程序梯形圖附在附錄里。第四節 PID初始化子程序及中斷程序S7200的編程軟件STEP 7Micro/WIN提供PID Wizard（PID指令向導），可以幫助用戶方便地生成一個閉環控制過程的PID 算法。此向導可以完成絕大多數PID運算的自動編程，用戶只需在主程序中調用PID向導生成的子程序，就可以完成PID控制任務。在Micro/WIN中的命令菜單中選擇工具指令向導，然后在指令向導窗口中選擇P

57、ID指令。在使用向導時必須先對項目進行編譯，如果已有的程序中存在錯誤，或者有沒有編完的指令，編譯不能通過。如果你的項目中已經配置了一個PID回路則向導會指出已經存在的PID回路，并讓你選擇是配置修改已有的回路，還是配置一個新的回路。在此我選擇配置一個新的回路。以主控制器PID1為例說明PID向導編程步驟：1、定義需要配置的PID回路號圖4.3 選擇PID回路號2、設定PID回路參數圖4.4 設置PID參數上圖4.4中字母圈的說明：100度。B、比例增益：即比例系數，本設計中設為4。 C、積分時間：即積分系數，本設計中設為10分鐘。如果不想要積分作用，可以把積分時間設為無窮大9999.99。D、

58、微分時間：即微分系數，本設計中設為0分鐘。如果不想要微分作用，可以把微分時間設為0。 E、采樣時間：是PID控制回路對反饋采樣和重新計算輸出值的時間間隔。在向導完成后，若想要修改此數，則必須返回向導中修改，不可在程序中或狀態表中修改，本設計中設為0.1秒。以上定義PID回路的參數，這些參數都應當是實數。3、設定回路輸入輸出值圖4.5 設定PID輸入輸出參數上圖4.5中字母圈的說明：A、指定輸入類型：由于本設計的輸入是從模擬量擴展模塊傳送過來的，而模塊的輸入是15V電壓信號，不存在負極性，所以不用選擇雙極性，只需選擇單極性就可以，并且不需要使用20%偏移量。如果使用偏移量，那么過程變量的范圍將會

59、是640032000，并不對應本設計中的24100度相應的數字量，且不能修改范圍，所以不能勾選。 B、反饋輸入取值范圍：本設計中24100度對應數字量范圍是384029568，所以此處過程變量范圍就應該是384029568。C、輸出類型：可以選擇模擬量輸出或數字量輸出。模擬量輸出用來控制一些需要模擬量給定的設備，如比例閥、變頻器等；數字量輸出實際上是控制輸出點的通、斷狀態按照一定的占空比變化，可以控制固態繼電器（加熱棒等）。本設計需要的是輸出一個溫度范圍，以此范圍內一個值充當副控制器的設定值。所以選擇模擬量。D、選擇模擬量則需設定回路輸出變量值的范圍，并且不需要使用20%偏移量。如果使用偏移量

60、，那么輸出變量的范圍將會是640032000，且不能做修改。E、取值范圍：主控制器PID1的輸出應該是一個溫度范圍，應和副控制器PID0的設定值對應，所以應該填寫24100。4、設定回路報警選項圖4.6 設定回路報警限幅值圖4.6顯示如何設定回路報警。本設計暫時沒有設計報警功能，所以此步驟不需要勾選任何選項。5、指定PID運算數據存儲區圖4.7 分配運算數據存儲區PID指令（功能塊）使用了一個120個字節的V區參數表來進行控制回路的運算工作；除此之外，PID向導生成的輸入/輸出量的標準化程序也需要運算數據存儲區。需要為它們定義一個起始地址，要保證該地址起始的若干字節在程序的其它地方沒有被重復使