基于plc的加热炉温度控制系统设计本科毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的加热炉温度控制系统设计本科毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

，到今天的工业温度控制，处处都体现了温度控制。 随着生产力的发展，人们对温度控制精确度要求也越来越来高，温度控制的技术也得到迅速发展。 各种温度控制算法如： PID温度控制，模糊控制算法，神经网络算法，遗传算法等都应用在温度控制系统中。 近年 来，加热炉 的温度 控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产中重要的被控参数之一，冶金、机械、食品、化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制，因此，在工业生产中和家居生活过程中对温度进行检测和监控，由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂， 而 传统的温度控制器多由继电器组成的，但是继电器的触点的使用寿命有限，故障率偏高，稳定性差，无法满足现代的控制要求。 而随着计算机技术的发展，嵌入式微型计算机在工业中得到越来越多的应用。 将 嵌入式系统应用在温度控制系统中，使得温度控制系统变得更小型，更智能。 随着国家的“节能减排”政策的提出，嵌入式温度控制系统能够降低能耗，节约成本这一优点使得其拥有更加广阔的市场前景，而 PLC 就是最具代表性的一员。 目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的 重要热工设备之一。 在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极重要的实际意义。 通过本设计可以熟悉并掌握西门子 S7200PLC 的原理 与功能及它的编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制问题。 温度控制系统的发展状况 温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。 温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。 期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。 当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于 PLC 的温度控制系统，基于工控机（ IPC）的温度控制系统，集散型温度 控制系统（ DCS），现场总线控制系统（ FCS）等。 单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高江西理工大学 20xx 届本科生毕业设计（论文） 2 等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。 单片 机已经由开始的 4 位机发展到32 位机，其性能进一步得到改善。 基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。 但相对其他温度系统而言，单片机 响应速度慢、中断源少 ，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。 PLC 是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和 数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。 PLC 可靠性高、抗干扰能力强、 编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用。 相对于 IPC， DCS，FSC 等系统而言， PLC 是具有成本上的优势。 因此， PLC 占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。 工控机（ IPC）即工业用个人计算机。 IPC 的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。 它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电磁辐射。 过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量 输入的复杂系统。 影响燃烧的因素十分复杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的 PID 为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。 而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离 PID，选择性 PID。 参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的。 在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可 大大改善了对锅炉的监控品质， 提高了平均热效率。 但如果 单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。 集散型温度 控制系统（ DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。 与常规仪表相比具有 丰富的监控、协调管理功能等特点。 DCS 的关键是通信。 也可以说数据公路是分散控制系统 DCS 的脊柱。 由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。 基本 DCS 的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率。 但 DCS 在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致 DCS 成本太高。 现场总线控制系统（ FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技 术和智能仪表等多种技术手段的系统。 其优势在于网络化、分散化控制。 基于总线控制系统（ FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点， FCS 系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。 而且它可以对现场装置 (含变送器、执行器等 )进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的。 但是， FCS 还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，目前现场总线的国际标准共有 12 种之多，这给 FSC 的广泛江西理工大学 20xx 届本科生毕业设计（论文） 3 应用添加了很大的阻力。 各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然 ，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从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有着较大差距。 成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID控制器为主。 它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。 而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。 但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后 ，还没有开发出性能可靠的自整定软件。 控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。 国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。 日本、美国、德国、瑞典等技术领先，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，并在各行业广泛应用。 目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。 本文的 研 究内容 本论文主要是利用 PLC S7200 作为可编程控制器， 系统采用串级控制方案，主、副控制器采用 PID 控制算法，手动整定或自整定 PID 参数，实时计算控制量，控制加热 装置，使加热炉温度为 80℃ 左右，并能 实现手动启动和停止，运行指示灯监控实时控制系统的运行， 实时显示当前 内胆温度值与夹套 温度值。 具体有以下几方面的内容： 第一章 绪论：对课题研究背景国内外发展前景 进行了阐述， 并分别从 基于单片机的温度控制系统，基于 PLC 的温度控制系统，基于工控机（ IPC）的温度控制系统，集散型温度 控制系统（ DCS），现场总线控制系统（ FCS）等 介绍当前温度控制系统的发展状况。 第二章 设计总体方案：简单的从硬件部分和软件部分介绍了系统的工作原理，并对 PID 控制算法做了基本介绍，简单阐述了 PID 运算在本设计中的用法，和对相关参数进行了确定 第三 章， 系统硬件设计：介绍了硬件系统设计的组成和连线图，对系统所用到的硬件进行了介绍和选型。 第 四 章， 系统软件编程：对编程的思路和各个编程部分的任务、组成、流程图和梯形图进行了详细介绍，并对编程用软件的安装进行了说明。 第五章，总结。 江西理工大学 20xx 届本科生毕业设计（论文） 4 第二章 设计总体方案 及控制算法描述 系 统 总体方案 加热炉温控制系统主要有软件与硬件两部分组成。 硬件 方案 设计 硬件基本构成有 PLC 主控系统部分、调功器、加热炉、加热器 、启动 /停止开关按钮、数显表 与温度变送器五部 分组成。 其结构硬件部分组成及其关系如图 21 所示。 图 21 加热炉硬件部分组成图 基本工作原理：加热炉是加热对象（本设计采用自来水作为加热对象）的容器，通过温度变送器检测炉内水温和夹套温度，产生 0~100mV 电压 信号，传送给 S7200PLC 的模拟量扩展模块 EM235，由 PLC 主控系统部分进行运算和处理后再由 模拟量扩展模块 EM235 产生 0~5V 的控制信号传送给调功器，调功器根据不同的控制信号输出不同的电压 来控制加热炉内的加热器来对水温进行加热和控制，由此水温升高或降低会影响温度检测元件，从而产生 了一个闭环回路控制，因此达到平衡控制水温的目的。 通过启动和停止产生的开关量数字信号来控制系统运行于停止，实现手动控制的功能。 两个数显表分别用于显示夹套温度和内胆温度，其分辨率为 1℃。 江西理工大学 20xx 届本科生毕业设计（论文） 5 软件 方案设计 软件基本结构 由 主 /副控器 PID， 控制对象 温度调功器、 检测元件 温度变送器等部分组成。 其 基本工作原理：首先 计算出两个控制器 PID 的有关参数，进行PID 初始化，把夹套温度变送器和内胆温度变送器传送回来 0~100mV 的电压信号通过模拟量输入模块 EM235 的 A/D 转换变为 0~320xx 的数字量，然后进行变换变为 0~1 的过程量形参，然后 给定一个夹套温度给定量 SV 和夹套温度过程量PV1 传送给主控制器 PID 运算，得到的结果 OUT1 作为副 控制器的给定量 SV 与内胆温度过程量 PV0 传送给副控制器 PID 运算， 得到的结果 OUT0 经过标度变换和模拟量输出模块 EM235 的 A/D 转换变为 0~5V 的控制信号 传送给温度调功器，对炉内加热器进行控制，同时对内胆温度和夹套温度进行检测，形成双闭环回路控制。 其组成图如图 22 所示，流程图如图 23 所示。 图 22 加热炉软件控制部分组成图 江西理工大学 20xx 届本科生毕业设计（论文） 6 图 23 系统流程框图 PID 控制 算 法 模拟量闭环控制较好的方法之一是 PID 控制， PID 在工业领域的应用已经有60 多年，现在依然广泛地被应用。 人们在应用的过程中积累了许多的经验， PID的研究已经到达一个比较高的程度。 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，它能预测误差变化的趋势。 江西理工大学 20xx 届本科生毕业设计（论文） 7 避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。 PID 控制， P、 I、 D 各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取 PID 值，就可以获得较高的控制质量。 PID 算法 图 24 带 PID 控制器的闭控制系统框图 如图 24 所示， PID 控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。 偏差 e 和输入量 r、输出量 c 的关系 ： c (t)r(t)=e(t) (21) 控制器的输出为 ：   tdiP dttdeTdtteTteKtu0)()(1)()( (22) 上式中 , )(tu —— PID 回路的输出 ； Kp —— 比例系数 P； iT —— 积分系数 I；dT —— 微分系数 D。 PID 调节器的传输函数为：   STSTKSE SUSD diP 11)( )()( (23) 数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。 其离散化的规律如表 21 所示。 表 21 模拟与离散形式 模拟形式 离散化形式 )()()( tctrte  )()()( nrne  dTtde)( T nene )1()(  t dtte0 )(    nini ieTTie 00 )()( 江西理工大学 20xx 届本科生毕业设计（论文） 8 所以 PID 输出经过离散化后，它的输出方程为 ；  000)()()()1()()()()(unununuuneneTTieTTneKnudiPnidiP   (24) 式 24 中， )()( neKnu PP  称为比例项； niipi ieTTKnu0 )()( 称为积分项；  )1()()(  ne。