PLC温度采集与控制

1、学号学号 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 基于 PLC 的锅炉温度闭环控制系统设 计 教 学 系： 信息工程系 指导教师： 乔志刚 专业班级： 自动化 1081 班 学生姓名： 曹世奇 二零一二年六月 毕业设计毕业设计( (论文论文) )任务书任务书 学生姓名曹世奇专业班级自动化 1081 指导教师乔志刚工作单位 武汉理工大学华夏 学院 设计(论文)题目: 基于 PLC 的锅炉温度闭环控制系统设计 设计（论文）主要内容： 1. 锅炉温度控制中检测元件的选择与检测原理； 2. 锅炉温度闭环控制的 PLC 硬件电路设计； 3. 锅炉温度闭环控制的 PLC 控制软件设计； 4. 上位机监控

2、系统设计； 要求完成的主要任务及其时间安排: 1. 第 2 周：查阅资料，了解设计选题的主要内容； 2. 第 3 周：根据任务书要求及所查阅的资料，撰写并完成开题报告； 3. 第 4 周：完成检测元件的选型与测量电路设计； 4. 第 5 周：锅炉温度闭环控制的 PLC 硬件电路设计； 5. 第 6-7 周：完成锅炉温度采集与控制的 PLC 软件系统设计； 6. 第 7-8 周：完成上位机监控系统设计； 7. 第 9 周：对所设计的系统进行实际调试并给出调试结果； 8. 第 10 周：完善设计报告，给出毕业设计论文初稿； 9. 第 11-13 周：根据指导教师批阅意见修改毕业设计论文，并给出定稿

3、。 10. 第 14-15 周：总结设计过程，准备答辩； 11. 第 16 周：按学校统一规定的答辩时间完成答辩。 必读参考资料： 1. 向晓汉.西门子 PLC 高级应用实例精解.机械工业出版社，2010. 2. 李新光等.过程检测技术.北京：机械工业出版社 2004.9 3. 王志锋 主编.工控组态软件.电子工业出版社，2007. 指导教师签名： 教研室主任签名： 盖章 毕业设计毕业设计( (论文论文) )开题报告开题报告 题目基于 PLC 的锅炉温度闭环控制系统设计 1目的及意义（含国内外的研究现状分析）： 电热锅炉的应用领域相当广泛，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电 热锅炉

4、的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程 度又提高设备的控制精度。 PLC 的快速发展发生在上世纪 80 年代至 90 年代中期。在这时期，PLC 在处理模拟量能 力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC 逐渐进入过 程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。PLC 具有通 用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 电热锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无 污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。 加上

5、目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活 用水中应用越来越普及。电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的温 度，保证恒温供水。 2基本内容和技术方案： PID 控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好， 所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID 控制的 效果完全取决于其四个参数,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

6、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。 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 S7-200 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 0-10mA 的电流信号。

7、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。 3进度安排： 12. 第 2 周：查阅资料，了解设计选题的主要内容； 13. 第 3 周：根据任务书要求及所查阅的资料，撰写并完成开题报告； 14. 第 4 周：完成检测元件的选型与测量电路设计； 15. 第 5 周：锅炉温度闭环控制的 PLC 硬件电

8、路设计； 16. 第 6-7 周：完成锅炉温度采集与控制的 PLC 软件系统设计； 17. 第 7-8 周：完成上位机监控系统设计； 18. 第 9 周：对所设计的系统进行实际调试并给出调试结果； 19. 第 10 周：完善设计报告，给出毕业设计论文初稿； 20. 第 11-13 周：根据指导教师批阅意见修改毕业设计论文，并给出定稿。 21. 第 14-15 周：总结设计过程，准备答辩； 22. 第 16 周：按学校统一规定的答辩时间完成答辩。 4指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日 注：1. 开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设 计开始

9、后三周内完成； 2设计的目的及意义至少 800 字，基本内容和技术方案至少 400 字； 3指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学 生的论证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标。 郑重声明郑重声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已 经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 本人签名：曹世奇 日期： 目目 录录 摘 要 .1 ABSTRACT .2 1 绪论 .3 1.1 课题背景及研究目的和意义.3 1

10、.2 国内外研究现状 .3 2 系统总体设计 .4 2.1 系统控制要求.4 2.2 系统设计思路.4 3 基于 PLC 的锅炉温度闭环控制系统的硬件设计 .5 3.1 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 .5 3.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则.5 3.1.2 PLC 控制系统设计的一般步骤.5 3.2 PLC 的选型和硬件配置 .7 3.2.1 S7-200PLC 选型.7 3.2.2 温度传感器 .8 3.2.3 EM235 模拟量输入/输出模块 .8 3.3 系统整体设计方案和电气连接图 .9 3.4 PLC 控制器的设计 .10 3.4.1 控制系统数学模型的建立 .10

11、3.4.2 PID 控制及参数整定.11 4 PLC 控制系统的软件设计.13 4.1 STEP 7 MICRO/WIN32 软件介绍 .13 4.2 输入输出点配置 .13 4.3 程序设计.14 4.3.1 程序设计思路 .14 4.3.2 PID 指令向导.14 4.3.3 控制程序及分析 .20 5 组态画面的设计.21 5.1 组态变量的建立及设备连接.22 5.1.1 新建项目24 5.2 创建组态画面.25 5.2.1 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

12、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 结束语 .33 参考文献 .34 致 谢 .37 摘摘 要要 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。

13、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

14、制有现实意义。 关键词：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 industrial 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 in

15、dustry, chemical industry, power industry, machinery and food processing and many other fields, is 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

16、software design of DDC is relatively complex, especially relates to the logic control more than its 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

17、in hybrid applications using PLC control is more reasonable, by using PLC to control them not only 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.

18、 Therefore, the PLC of the temperature control is a problem in industrial production often encountered 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 configurati

19、on, configuration software design and so on several aspects. Through the transformation of electric 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 c

20、ontrol system temperature control cascade control PLC PID 1 绪论绪论 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。

21、 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

22、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

23、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 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

24、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

25、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

26、子 温 度 传感器 给定温度 S7-200PLC CPU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 基于基于 PLC 的锅炉温度闭环控制系统的硬件设计的锅炉温度闭环控制系统的硬件设计 3.1 PLC 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

27、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

28、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

29、。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，以确定 PLC 的 I/O 点数

30、。 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

31、写实现各控制功能或各子任务的程序，逐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

32、 ： 图 3.1 PLC 控制系统的设计步骤 3.2 PLC 的选型和硬件配置 3.2.1 S7-200PLC 选型 S7-200 系列 PLC 是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足 多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功 能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的 通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用2 S7-200系列可以根据对象的不同, 可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块 安装在同一机架上。 SiemensS7-200 主要功能模块介绍： (1)CPU

33、 模块 S7-200的 CPU 模块包括一个中央处理单元,电源以及数字 I/O 点,这些都被集成在 一个紧凑,独立的设备中。CPU 负责执行程序,输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出 控制信号,驱动外部负载.从 CPU 模块的功能来看, CPU 模块为 CPU22*,它具有如下五种不同的 结构配置 CPU 单元：CPU221 它有 6 输入/4 输出,I/0 共计 10 点.无扩展能力,程序和数据 存 储容量较小,有一定的高速计数处理能力,非常适合于少点数的控制系统。CPU222 它有8 输入/6 输出，I/0 共计 14 点，和 CPU 221 相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个

34、模块的 扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。CPU224 它有 14 输入/10 输出，I/0 共计 24 点， 和前两者相比,存储容量 扩大了一倍,它可以有 7 个扩展模块,有内置时钟,它有更强的模拟量 和高速计数的处理能力,是使用得最多 S7-200 产品。CPU226 它有 24 输入/16 输出,I/0 共 计 40 点,和 CPU224 相比,增加了 通信口的数量,通信能力大大增强。它可用于点数较多,要求 较高的小型或中型控制系统。CPU226XM 它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其 他指标和 CPU226相同。 (2)开关量 I/O 扩展模块 当 CPU 的 I/

35、0 点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行 I/O 扩 展,I/O 扩展包括 I/O 点数的扩展和功能模块的扩展。通常开关量 I/O 模块产品 分 3 种类型:输入模块,输出模块以及输入/输出模块。为了保证 PLC 的工作可 靠性,在输入模块中 都采用提高可靠性的技术措施。如光电隔离,输入保护(浪 涌吸收器,旁路二极管,限流电阻),高 频滤波,输入数据缓冲器等。由于 PLC 要控制的对象有多种,因此输出模块也应根据负载进行选 择,有直流输出模块, 交流输出模块和交直流输出模块。按照输出开关器件种类不同又分为 3 种：继电 器输出型,晶体管输出型和双向晶闸管输出型。这三种输出方式中,从输

36、出响应速度来 看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中；若从 与外部电路安全隔离角 度看,继电器输出型最好。在实际使用时，亦应仔细查看开关量 I/O 模块的技术特性，按照实 际情况进行选择。 S7-200 系列的 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU226 等类型。此系统选用的 S7-200 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

37、立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。2 个 RS485 通讯/编程口， 具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。 3.2.2 温度传感器 温度传感器有四种主要类型： 热电偶、 热敏电阻、 电阻温度检测器(RTD)和 IC 温度传 感器。 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，典型的 有铜热电阻、铂热电阻等。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温， 而且被制成标准的基准仪，它的阻值会随着温度的变化而改变，通常用 PT100来表示。其中 PT 后的100即表示它在0时阻

38、值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。 PT100是广泛应用的测温元件，在-50600范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优 势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所 以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成 的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将 Pt 电阻的电阻值和温度对应起来后存入 EEPROM 中，根据电路中实测的 AD 值以查表方式计算相 应温度值4。 常用的 Pt 电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将 PT100的两侧相等的

39、的 导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式 测温电路，一为恒流源式测温电路。本设计采用的就是三线制接线。 由于铂热电阻测出的是温度变化，需要在将信号输入 PLC 前加一个温度变送器，将温度信号转 换成电压信号。本系统采用的温度变送器是 DZ4130，使用过程中要加一个24V 的电源，该电源 可以从 PLC 上直接获得。 3.2.3 EM235 模拟量输入/输出模块 在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成4-20mA 的电流信号，系统需要配置模拟 量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入 PLC 中进行处理。在这里我们选择西门子的 EM235

40、模拟量输入/输出模块。EM235 模块具有4路模拟量输入/一路模拟量的输出。它允许 S7- 200连接微小的模拟量信号，80mV 范围。用户必须用 DIP 开关来选择热电偶的类型，断线检查， 测量单位，冷端补偿和开路故障方向：SW1SW3用于选择热电偶的类型，SW4没有使用，SW5用 于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量方向，SW8用于选择是 否进行冷端补偿。所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。 3.3 系统整体设计方案和电气连接图 系统选用了 PLC CPU 226为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转化为电流信 号，经过 EM231模拟量输

41、入模块转化成数字量信号并送到 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，从而调节电热丝的加热。PLC 和组态王连接，实现了系统的实时监控。 整体设计方案如图3.3: 图3.3 整体设计方案 24V : 图 3.4 系统硬件连线图 3.4 PLC 控制器的设计 控制器的设计是整个控制系统设计中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它 的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。最后根据所要求的性 能指标确定控制器的参数值。 计 算 机 P L C EM 235

42、可控硅 PT100 锅锅 炉炉 CPU 226 COM1 COM2 1M I0.0 - I1.4 2M I1.5-I2.7 M L+ M 1L+ Q0.0-Q0.7 2M 2L+ Q1.0-Q1.7 M L +DC 输出 输入 EM235 RA A+ A- RB B+ B- RC C+ C- RD D+ D- M L+ MO VO IO 电源 负 载 载 TT2 TT1 3.4.1 控制系统数学模型的建立 在本控制系统中，TT1(出口温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入 EM235 模块的 A 路，TT2(炉膛温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入 EM235

43、 模块的 B 路。两路模拟信号经过 EM235 转化为数字信号送入 PLC，PLC 再通过 PID 模块进 行 PID 调节控制。具体流程在第四章程序编写的时候具体论述。由 PLC 的串级控制系统框图 如图 3.5 串级控制系统框图 3.4.2 PID 控制及参数整定 1.PID 控制器的组成 PID 控制器由比例单元（P） 、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为： （3.1） dt de(t) Tde(t)dt Ti 1 Kce(t)u(t) t 0 E Er rr ro or r! ! N No o b bo oo ok km ma ar rk k n na am me e

44、g gi iv ve en n. .(1) 比例系数 KC对系统性能的影响： 比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。 c偏大，振荡次数 加多，调节时间加长。 c太大时，系统会趋于不稳定。c太小，又会使系统的动作缓慢。 c可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果 c的符 号选择不当对象状态 (pv 值)就会离控制目标的状态 (sv 值)越来越远，如果出现这样的情 况c的符号就一定要取反。 E Er rr ro or r! ! N No o b bo oo ok km ma ar rk k n na am me e g gi iv ve en n. .(

45、2) 积分控制i对系统性能的影响： 积分作用使系统的稳定性下降， i小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态 误差，提高系统的控制精度。 E Er rr ro or r! ! N No o b bo oo ok km ma ar rk k n na am me e g gi iv ve en n. .(3) 微分控制d对系统性能的影响： 微分作用可以改善动态特性， d偏大时，超调量较大，调节时间较短。d偏小时， 超调量也较大，调节时间也较长。只有 d合适，才能使超调量较小，减短调节时间。 2.主、副回路控制规律的选择 采用串级控制，所以有主副调节器之分。主调节器起定值控制作用，副调节器起随

46、动控 主调节器 副调节器可控硅炉膛锅炉出口 副变送器 主变送器 制作用，这是选择规律的基本出发点。主参数是工艺操作的重要指标，允许波动的范围较小， 一般要求无余差，因此，主调节器一般选PI 或 PID 控制，副参数的设置是为了保证主参 数的控制质量，可允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P 控制规律 就可以。在本控制系统中，我们将锅炉出口水温度作为主参数，炉膛温度为副参数。主控制 采用 PI 控制，副控制器采用 P 控制。 3.主、副调节器正、反作用方式的确定 副调节器作用方式的确定： 首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，可控硅输出电压应选用气开式，这样保证当系 统出现故障使

47、调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv 0 。然后确定副被控过程的 K02，当调节阀开度增大，电压增大，炉膛水温度上升，所以 K02 0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为负，所 以副调节器 K 2 0。为保证主回路为负反馈，各环 节放大系数乘积必须为负，所以主调节器的放大系数 K1 0，主调节器作用方式为反作用方式7。 4.采样周期的分析 采样周期 Ts 越小，采样值就越能反应温度的变化情况。但是，Ts太小就会增加 CPU 的运算 工作量，相邻的两次采样值几乎没什么变化，将是 PID 控制器输出的微分部分接近于0，

48、所以不 应使采样时间太小。 ，确定采样周期时，应保证被控量迅速变化时，能用足够多的采样点，以保 证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。 因为本系统是温度控制系统，温度具有延迟特性的惯性环节，所以采样时间不能太短，一 般是15s20s，本系统采样17s 经过上述的分析，该温度控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器 的参数整定。常用的整定方法可归纳为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。 理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，经过理 论的计算（微分方程、根轨迹、频率法等） ，求得最佳的整定参数。这类方法比较复杂，工 作量大，而且用于分析

49、法或实验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动态特征， 整定的结果精度不是很高，因此未在工程上受到广泛的应用。 对于工程整定法，工程人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所学的理论知 识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛的应用常用 的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法等。在这里，我们采用 经验整定法整定控制器的参数值。整定步骤为“先比例，再积分，最后微分” 。 （1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 （2）整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控

50、制。先将步骤（1）中选择的比例系 数减小为原来的5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间， 加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 （3）整定微分环节 若经过步骤（2） ，PI 控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控 制，构成 PID 控制。先置微分时间 TD=0，逐渐加大 TD，同时相应地改变比例系数和积分时间， 反复试凑至获得满意的控制效果和 PID 控制参数。 4 PLC 控制系统的软件设计控制系统的软件设计 PLC 控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分本在硬件基础上，详细介绍本项 目

51、的软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法、编程软件 STEP7-Micro/WIN 的介绍以及 本项目的程序设计。 4.1 STEP 7 MICRO/WIN32 软件介绍 STEP7-Micro/WIN32编程软件是由西门子公司专为 S7-200系列 PLC 设计开发，它功能强大， 主要为用户开发控制程序使用8，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编辑过程 中编辑器具有简单语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和 加密等。此外，还可直接用软件设置 PLC 的工作方式、参数和运行监控等。 程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。

52、梯形图中的错 误处的下方自动加红色曲线，语句表中错误行前有红色叉，且错误处的下方加红色曲线。 软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作 方式下进行。 联机方式：有编程软件的计算机与 PLC 连接，此时允许两者之间做直接通信。 离线方式：有编程软件的计算机与 PLC 断开连接，此时能完成大部分基本功能。如编程、编译 和调试程序系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机上9。 两者的主要区别是：联机方式下可直接针对相连的 PLC 进行操作，如上载和下载用户程序和组 态数据等；而离线方式下不直接与 PLC 联系，所有程序和参数都暂时存放在磁盘上，等联机

53、后 在下载到 PLC 中。 4.2 输入输出点配置 表 4.1 程序使用输入输出点配置 符号地址注释 运行 M0.0 0 运行 1 停止 输出归一 VD90001 手自动 M0.3 0 手动 1 自动 手动输出 VD70001 实际温度 VD550 度 设定温度 VD650 度 模拟输出 AQW0160000 PID 输出 VW800VW800 4.3 系统流程图 铂电阻 Pt100 温度变送器 模数转换 与设定值比较 PID 算法 数模转换 直流转换为交流 灯泡 4.4 程序设计 4.4.1 程序设计思路 PLC 运行时，通过特殊继电器 SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PI

54、D 参数 值等存入数据寄存器，随后系统开始温度采样，采样周期是17秒，TT1(出口水温温度传感器)将 采集到的出口水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过 AIW0进入 PLC，作为主回路的反馈 值，经过主控制器（PID0）的 PI 运算产生输出信号，作为副回路的给定值。TT2(炉膛水温传感 器)将采集到的炉膛水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过 AIW2进入 PLC，作为副回路的 反馈值，经过副控制器（PID1）的 P 运算产生输出的信号,由 AQW0输出，输出的4-20mA 电流信 号控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的电压，完成对温度的控制。 4.4.2 PID 指令向导 编写 PI

55、D 控制程序时，首先要把过程变量（PV）转化为 0.00-1.00 之间的标准实数。PID 运算结束之后，需要把回路输出（0.00-1.00 之间的标准化实数）转换为可以送给模拟量输出 模块的整数。 图4.1 PID 初始化指令 如图4-3,PV_I 是模拟量输入模块提供的反馈值的地址，Setpoint_R 是以百分比为单位的实 数给定值（SP）,Output 是 PID 控制器的 INT 型的输出地址。HighAlarm 和 LowAlarm 分别是超 过上限和下限的报警信号输出，ModuleErr 是模拟量模块的故障输出信号。 主回路 PID 指令向导，如图4.2 图4.2 主回路用0号

56、PID 回路 设置 PID 参数，如图4.3： 图 4.3 设置 PID 参数 给定值的范围是0.0-100.0，比例增益 Kc为-3.0，积分时间 Ti=7 min ，因为主控制器采用 PI 控制，所以微分时间 Td=0。 2.回路输入量的极性与范围，如图 4.4： 图 4.4 输入输出量的设置 3.PID 指令的参数表占用的 V 存储区的起始地址如图 4.5： 图 4.5 地址设置 4.向导完成，如图 4.6 图 4.6 向导完成 副回路 PID 指令向导： 副回路采用1号 PID 回路，如图 4.7： 图 4.7 副回路 PID 回路设置 1.新建 PID 配置，如图 4.8： 图 4.

57、8 PID 配置新建 2.设置 PID 参数，如图 4.9 图 4.9 副回路 PID 设置 因为副回路主要起到“粗调” 、 “快调”的作用，所以我们采用 P 调节作用，比例增益 Kc=- 4.0，Ti无穷大，Td=0; 3.副回路输入量的极性与范围，如图 4.10 如图 4.10 副回路输入输出设置 4.PID 指令的参数表占用的 V 存储区的起始地址，如图 4.11： 图 4.11 副回路存储区设置 5.向导完成，如图 4.12 图 4.12 副回路向导完成 4.4.3 控制程序及分析 因为由 AIW0 和 AIW2 输入的是 6400-32000 的数字量，所以要转换为实际的温度要进行运

58、 算，运算公式为： （4.1） 640032000 100)6400( D T 其中，T 为实际温度，D 为 AIWO 和 AIW2 输入的数字量。 表 4-1 PLC 的内存地址分配 地址说明 VD250锅炉出口水温度存放地址 VD260炉膛水温存放地址 VD270主控制器 PID 输出存放地址 VD300目标设定温度存放地址 VD304主控制器 Kc 存放地址 VD308主控制器 Ti 存放地址 VD312主控制器 Td 存放地址 VD320副调节器 Kc 存放地址 表 4-2 PID 指令回路表 地址名称说明 VD0主调节器过程变量（PVn）必须在 0.01.0 之间 VD4主调节器给定

59、值（SPn）必须在 0.01.0 之间 VD8主调节器输出值（Mn）必须在 0.01.0 之间 VD12主调节器增益（Kc）比例常数，可正可负 VD16主调节器采样时间（Ts）单位为 s，必须是正数 VD20主调节器积分时间（Ti）单位为 min，必须是正数 VD24主调节器微分时间（Td）单位为 min，必须是正数 VD120副调节器过程变量（PVn）必须在 0.01.0 之间 VD124副调节器给定值（SPn）必须在 0.01.0 之间 VD128副调节器输出值（Mn）必须在 0.01.0 之间 VD132副调节器增益（Kc）比例常数，可正可负 VD136副调节器采样时间（Ts）单位为 s

60、，必须是正数 VD140副调节器积分时间（Ti）单位为 min，必须是正数 VD144副调节器微分时间（Td）单位为 min，必须是正数 控制程序如图 4.13 图 4.14 所示 ： 主程序： 图 4.13 控制程序 1 主调节器程序： 图 4.14 控制程序 2 图 4.15 控制程序 3 图 4.16 控制程序 4 副调节器程序： 图 4.17 控制程序 5 图 4.18 控制程序 6 图 4.19 控制程序 7 5 5 组态画面的设计组态画面的设计 本章详细的讲解一个组态系统的建立和设计。 5.1 组态变量的建立及设备连接 5.1.1 新建项目 双击组态王的快捷方式，出现组态王的工程管