基于plc的锅炉温度控制系统_毕业设计(编辑修改稿)

基于plc的锅炉温度控制系统_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 [5] 项目 内容 以锅炉为被控对象，以锅炉出 口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，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和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。 论文通过对德国西门子公司的 S7200 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 010mA 的电流信号 输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率。 对于监控画面，利用亚控公司的组态软件 “ 组态王 “ 串级系 统 是由 调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。 整个系统包括两个控制回路，主回路和副回 路。 副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变 送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。 一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。 二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。 在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。 副调节器具有 “ 粗调 ” 的作用，主调节器具有 “ 细调 ” 的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。 [7] 二 PLC 和组态软件 可编程控制器是是一种工业控制计算机，简 称 PLC（ Programmable logic Controller),它使用可编程序的记忆以存储指令，用来执行逻辑、顺序、计时、计数、和演算等功能，并通过数字或模拟的输入输出，以控制各种机械或生产过程。 1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器 PDP14，并在 GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。 1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器 DSC18。 1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。 我国从 1974年开 始研制， 1977年开始工业推广应用。 进入 20世纪 70年代，随着电子技术的发展，尤其是 PLC 采用通讯微处理器之后，这种控制器功能得到更进一步增强。 进入 20世纪 80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以 16位和少数 32位微处理器构成的微机化 PLC，使 PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。 目前， PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 工作原理 可编程控制器的组成 : PLC 包括 CPU 模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架。 1． CPU CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和 数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成， CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。 内存主要用于存储程序及数据，是 PLC不可缺少的组成单元。 CPU速度和内存容量是 PLC的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度， IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（ I/O）完成的。 I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。 I/O分为开关量输入（ DI），开关量输出（ DO），模拟量输入（ AI），模拟量输出（ AO）等模块。 编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、 调试和监视的。 PLC 电源用于为 PLC各模块的集成电路提供工作电源。 同时，有的还为输入电路提供 24V的工作电源。 电源输入类型有：交流电源（ 220VAC 或 110VAC），直流电源（常用的为 24VDC）。 [6] 可编程控制器的工作原理 : PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。 每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。 PLC 工作 的全过程可用图 21 所示的运行框图来表示。 图 21 可编程控制器运行框图 (一 )小型 PLC 小型 PLC 的 I/O 点数一般在 128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量 I/O 以外，还可以连接模拟量 I/O 以及其他各种特殊功能模块。 它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以 及各种应用指令。 (二 )中型 PLC 中型 PLC 采用模块化结构，其 I/O 点数一般在 256～ 1024 点之间， I/O 的处理 方式除了采用一般 PLC 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。 (三 )大型 PLC 一般 I/O 点数在 1024 点以上的称为大型 PLC，大型 PLC 的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产 管理自动化，大型 PLC 还可以采用冗余或三 CPU 构成表决式系统使机器的可靠性更高 组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。 组态软件是有专业性的，一种组态软件只能适合某种领域的应用。 组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如 DCS(集散控制系统 )组态， PLC 梯形图组态。 人机界面生成软件就叫工控组态软件。 工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。 从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。 工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类 BASIC 语言，有的支持 VB，现在有的组态软件甚至支持 C高级语言。 在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有： ABBOptiMax， WinCC，iFix， Intouch，组态王，力控，易控， MCGS 等。 本设计采用亚控的组态王软件进行组态的设计。 组态王软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。 通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。 其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传 下达、组态开发的重要作用。 尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。 通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。 组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。 而且，它能充分利用 Windows 的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。 它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的 组态方式、数据链接功能 [8]。 (1)图形界面的设计 图形 ,是用抽象的图形画面来模拟实际 的工业现场和相应的工控设备。 (2) 构造数据库 数据 ,就是创建一个具体的数据库 ,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性 ,比如水位、流量等。 (3) 建立动画连接 连接 ,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行 ,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。 (4) 运行和调试 三 PLC 控制系统的硬件设计 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 PLC 控制系统设计的基本原则 1．充分发挥 PLC 功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。 2．在满足控制要求的前提下，力 求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。 3．保证控制系统安全可靠。 4．应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择 PLC 的型号、 I／ O 点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。 PLC 控制系统设计的一般步骤 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 的机型和系统的具体配置。 PLC 控制系统设计可以按以下步骤进行： 1．熟悉被控对象，制定控制方案 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，确定被控对象对 PLC 控制系统的控制要求。 2．确定 I／ O 设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入 (如按钮、行程开关、选择开关等 )和输出设备 (如接触器、电磁阀、信号指示灯等 )由此确定 PLC 的 I／ O点数。 3．选择 PLC 选择时主要包括 PLC 机型、容量、 I／ O模块、电源的选择。 4．分配 PLC 的 I／ O地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC 的型号列出输入／输出设备与 PLC 输入输出端子的对照表，以便绘制 PLC 外部 I／ O接线图和编制程序。 5．设计软件及硬件进行 PLC 程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。 由于程序与硬件设计可同时进行，因此， PLC 控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。 6．联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。 PLC 程序设计的一般步骤 1．绘制系统的功能图。 2．设计梯形图程序。 3．根据梯形图编写指令表程序。 4．对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。 调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。 PLC 控制系统的设计步骤可参考图 31 ： 图 31 PLC控制系统的设计步骤 PLC 的选型和硬件配置 PLC 型号的选择 本温度控制系统采用德国西门子 S7200 PLC。 S7200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。 S7200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 因此 S7200系列具有极高的性能 /价格比。 S7200 CPU 的选择 S7200 系列的 PLC 有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU226等类型。 此系统选用的S7200 CPU226,CPU 226集成 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。 13K 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，。