开题报告-基于plc的电加热蓄热控制系统设计

毕业设计（论文）文献综述（2014届）题目基于PLC的电加热蓄热控制系统设计学院怀德学院专业班级电气101校外指导老师专业技术职务二一三年十二月题目基于PLC的电加热蓄热控制系统设计一、前言1课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势现在人们的环保意识不断的在提高，为了能节能使用电热锅炉供热的人越来越多了，它的经济性、安全性及较高的自动化程度也已被认同。电热锅炉已成为工业及民用供热、热水和洗浴等使用场所的首选设备，它是随着国家电价政策的调控及社会需要，在市场经济的竞争机制中开发出来的节能环保绿色产品，具有无污染、热效率高、无燃料运输和储备烦琐等诸多优点。现在使用的绝大多数电热锅炉控制系统的设计还不完善，所以需要一种新的、高性能的电热锅炉控制系统来取代原来的控制系统，帮助完善原有的控制系统。现在生产线控制的大多数是用继电器、接触器为主的控制装置。使用继电器电路构成的控制系统不断出现问题，其可靠性很差而本研究采用的是PLC来替代原有的控制系统。PLC控制系统能大大减小控制设备的外部接线，使控制系统设计及建造的周期缩短。同时还维护也改变得容易起来。更重要的是其可靠性很高。电热锅炉的自动化控制从上世纪三、四十年代就开始了，当时大都为单参数仪表控制，进入上世纪五十年代后，美国、前苏联等国家都开始进行对锅炉的操作和控制的进一步研究。但由于当时科技发展的局限性，对锅炉的控制主要停留在使用汽动仪表包括汽动单元组合仪表和汽动基地式仪表的阶段，而且大多数锅炉只是检测工艺参数，不进行自动控制。到上世纪六十年代，在发达国家，锅炉的控制主要以电动单元组合仪表相当于我国的DDZII,DDZIII仪表检测与控制，还是以检测报警为主，控制为辅助功能。到了上世纪七十年代，随着计算机技术和自动控制技术理论的发展，使得锅炉的计算机控制成为可能。尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。许多发达国家都相继开发出了锅炉计算机控制系统。如今在国外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。在国内，由于经济技术条件的限制，中小企业锅炉设备水平一直比较落后，大多数中小型锅炉水平基本上停留在手动和简单仪表操作的水平。80年代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。至90年代，锅炉的自动化控制己成为一个热门领域，利用单片机、可编程序控制器PLC、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，已逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向与新建炉体配套的方向发展，许多新的控制方法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用。但由于控制技术单一，或控制算法的建模往往不能反映真实的锅炉燃烧状况，导致在工程实践中并不怎么成功，不能产生很好的经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积极性。进入本世纪以来，为了进一步改善锅炉操作状况，降低能耗，确保安全运行，减少对大气的污染，同时随着人工智能理论的发展成熟，智能控制技术的大规模应用，对新一代锅炉计算机优化控制系统的开发和应用已势在必行且条件成熟。12课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题2研究目标运用PLC程序控制电热锅炉的电加热过程研究内容1对电热锅炉控制系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的总结和介绍。2阐述电热锅炉控制系统的分类、特点及信号控制。3确定系统的总体结构，由PLC来实现电热锅炉系统的控制，完成了加热器和可编程控制器（PLC）的选择。4系统硬件开发，完成了PLC的选型、I/O点数分配与PLC的连接。5在分析电热锅炉控制系统软件的设计方法基础上，设计出软件流程图。6对改造后的电热锅炉控制系统进行模拟调试。拟解决的关键问题保证用PLC编程的电加热蓄热系统程序对电热锅炉控制的准确、安全、可靠。二、设计方案的确定1方案的原理、特点与选择依据34本次设计选用西门子S7200系列的PLC。其优点是具有极高的可靠性、极丰富的指令集、容易掌握、便于操作、丰富的内置集成及丰富扩展模块等。1电加热蓄热系统结构可分为三个部分A电加热蓄热系统的硬件设计B电加热蓄热系统的软件设计及其程序的模拟C电加热蓄热系统的监控软件的设计2电加热蓄热系统的硬件设计A信号控制系统信号控制系统如图1所示。图1电加热蓄热控制系统框图PLC输入接口输出接口自动手动电加热管循环泵补水泵报警电铃运行方式选择运行控制信号安全保护信号启动停止温度传感器压力传感器电流检测电压检测用PLC控制的电热锅炉主要有加热控制、补水控制、水循环控制三部分组成。有自动和手动两种模式，平时只需设定为自动模式（设置好预定水温、水液面），让PLC控制整个系统进行工作，如遇到问题时，报警电铃响起，通知工作人员过来处理即可；当有特殊情况时（停水、检修），可切换为手动模式人工控制。5B电加热蓄热系统的加热、补水、水循环电路图6电气控制系统主接线如图2所示。图2电加热蓄热系统的主接线电路图根据设计要求，本次设计采用如图2所示的主接线电路图。四组电加热管分别由接触器QA1、QA2、QA3、QA4控制，QA11、QA12、QA13、QA14为其短路、过载保护空气开关；循环泵分别由接触器QA5、QA6控制，QA15、QA16为其短路保护空气开关，BB1、BB2为其电动机过载保护用热继电器；补水泵分别由接触器QA7、QA8控制，QA17、QA18为其短路保护空气开关，BB3、BB4为其电动机过载保护用热继电器。C电加热蓄热系统的模拟仿真STEP7MICRO/WIN程序语言PLC控制程序采用西门子公司提供的STEP7MICROWIN编程软件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表STL语言、梯形图LAD语言、功能块图FWD语言。7语句表STL语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图LAD语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图FWD的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。8电加热蓄热系统PLC程序的软件模拟仿真模拟仿真软件的使用界面如图3所示。图3模拟仿真软件的使用界面本设计使用的是S7200PLC仿真软件S7200SIMULATORV2。该仿真软件可以仿真大量的S7200指令，支持常用的位触点指令、定时器指令、计数器指令、比较指令、逻辑运算指令和大部分的数学运算指令等，仿真程序提供了数字信号输入开关、两个模拟电位器和LED输出显示，仿真程序同时还支持对TD200文本显示器的仿真。首先用STEP7MICRO/WIN软件将四层电梯PLC程序导出，文件的扩展名自动变为AWL格式，进入仿真软件界面，输入密码，双击CPU，在下拉菜单中选择CPU226，将导出的程序载入S7200SIMULATOR仿真软件，点击运行按钮，仿真开始。910D电加热蓄热控制系统的组态监控系统设计本次设计采用MCGS软件进行设计。它是用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于MICROSOFTWINDOWS95/98/ME/NT/2000/XP等操作系统。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功地应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化和航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。11122设计步骤对于电加热管的控制采用模糊控制。根据锅炉的出水温度，与设定的锅炉下限温度和上限温度进行比较，按照一定的时间投入或切除加热组。当温度达到上限与下限温度中间值时，每加、减一组加热组后，将采集回来的温度与设定值进行比较，来决定是否继续加、减加热组。1外围接线图PLC的外围接线图如图4所示。图4PLC外围接线图本设计的PLC外围接线图如图4所示。通过一系列的输入信号、保护信号和感应信号，实现对循环泵、补水泵、加热管和报警电铃的控制，从而达到要预期的功能。132流程图手动控制的流程图如图5所示。图5手动控制流程图自动控制的流程图如图6所示。图6自动控制流程图Y自动N见图5工作时段的温度、压力、水位极限设置启动Y故障故障处理N启动运行模式相应的控制温度启/停相应的水泵第一组加热管启动第N组加热管启动系统进入模糊控制状态手动循环泵手动开/关补水泵手动开/关加热管1手动开/关加热管4手动开/关Y见图6N系统停止的流程图如图7所示。图7系统停止流程图3端口地址分配表1I/O分配表序号名称地址输入信号1锅炉自动位I002锅炉手动位I013据出水温I024据室外温I035循环泵自动I046循环泵手动I057循环泵1启动I068循环泵2启动I079定时加热I1010循环定时按钮I1111手投1管I1212手投2管I1313手投3管I1414手投4管I1515超压保护I2016超温保护I2117水箱压力上限I2218水箱压力下限I2319循环泵1缺相I2420循环泵2缺相I2521补水泵1缺相I2622补水泵2缺相I2723加热管1缺相I3024加热管2缺相I3125加热管3缺相I32停止NY系统循环泵、补水泵、加热管按优先原理先后停止见图5、6结束续表26加热管4缺相I3327循环泵1手停I3428循环泵2手停I3529系统启动I3630警铃消除I37输出信号1循环泵1Q002循环泵2Q013补水泵1Q024补水泵2Q035加热管1Q046加热管2Q057加热管3Q068加热管4Q079超温报警Q1010超压报警Q1111循环泵1灯Q2012循环泵2灯Q2113补水泵1灯Q2214补水泵2灯Q2315加热管1灯Q2416加热管2灯Q2517加热管3灯Q2618加热管4灯Q27三、阶段性设计计划、设计目标与应用价值1设计计划周次工作内容预定目标1114外文资料翻译、文献综述提交翻译及文献综述1516设计系统的过程控制流程图提交设计流程图1719选定PLC，设计电气原理图、模块选定以及分配编程元件地址提交电气原理图，PLC的编程元件地址分配表13完成控制程序结构图以及编写梯形图程序提交程序清单34组态软件的仿真设计完成组态仿真56系统调试对整个系统进行调试78整理文档、撰写论文文档整理结束，论文撰写工作结束2应用价值本设计是一个基于PLC的电加热蓄热控制系统，系统主要以PLC为核心，利用PLC的强大控制功能，实现对锅炉加热系统的控制。利用PLC控制电热锅炉加热，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当需要改动电热锅炉加热过程中的某些功能时，硬件接线上只需改动相应的输入信号，软件上只需改动相应控制的功能，要改动的地方都较少。且本系统控制方案全面，人机界面友好，易于控制，有效应对各种故障情况，有较好的应用和推广价值。四、参考文献1高正中，张仁彦，隋涛西门子S7200CNPLC编程技术及工程应用北京电子工业出版社，20102张运刚，宋小春西门子S7200系列北京人民邮电出版社，20103吴明亮，蔡夕忠可编程控制器实训教程北京化学工业出版社，20054袁任光可编程控制器选用与系统设计实例北京机械工业出版社，20105李方园西门子S7200PLC从入门到实践北京电子工业出版社，20106许翏，王淑英电