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1、本科毕业设计（论文）题目：（中文）电加热器的控制与其PLC的实现 （英文）The electric heater and the realization of the PLC control / 诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文电加热器的控制与其PLC的实现均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉与其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘要摘要本文主要介绍了一种基于西门子PLC S7-300编程软件和组态监控软件Win CC的智能温度控制应用，对AE2000型实验装置中的一锅炉的加热系统进行温度控制，在规定的时间达到温度控制精度要求
2、。并且在加热过程中，利用了Win CC具有良好的人机界面、数据采集等功能，通过Win CC组态进行温度画面的监控。本实验采用PLC S7-300的编程环境STEP7中调用FB41模块来进行PID控制的技术，对加热对象的分析和整定，并且建立其数学模型与对实验数据的分析比较。关键词温度控制；西门子PLC；PID控制；Win CC组态。The electric heater and the realization of the PLC controlAbstract tABSTRACTThis text mainly introduced the exhibition of intelligent
3、temperature control based on a Siemens PLC S7-300 programming software and configuration monitoring software Win CC and the temperature control aboutheating system ofa boiler in AE 2000 experimental facility .Besidesduring the heating progress, using the function of well human-computer interface ,da
4、ta collection and so on to monitor the temperature by Win CC configuration .This experiment adopt PLC S7-300 programming environments STEP7 toconduct PID technology by invoking FB41 moduleanalyze the heating object, and build its mathematical model and theanalysis and compare to the experiment data.
5、KEYWORDStemperature control；Siemens PLC；PID control；Win CC configuration。目录摘要IIAbstract tIII目录IV1绪论11.1选题背景与其意义11.2工业控制领域PLC的控制11.3国外发展情况21.4本课题主要研究的容21.4.1基本研究容22电加热过程控制试验系统装置简介42.1AE2000A型实验装置简述42.2电加热器过程结构与数学模型42.2.1电加热器的系统结构42.3西门子可编程控制器62.3.1PLC的特点62.3.2PLC的工作原理72.3.3S7-300PLC实验系统简述73电加热控制系统软、硬
6、件环境93.1S7-300编程软件STEP7介绍93.1.1STEP7硬件组态设置步骤93.1.2STEP7软件编程123.2Win CC西门子监控组态软件123.2.1Win CC组态设计与其画面监控的实现124温度加热实验控制策略介绍194.1PID的控制系统194.1.1PID控制概述194.1.2数字PID的控制算法194.1.3改进的数字PID的控制算法214.1.4PID控制器的参数整定234.2单回路控制系统264.2.1单回路控制系统的组成结构264.2.2单回路控制系统的特点274.2.3单回路控制系统的设计274.3过程控制系统的性能指标285电加热器温度控制的实现305.
7、1电加热器的数学模型305.2单回路PID控制器的参数整定335.3电加热器温度控制的实现345.3.1FB41模块345.3.2PID温度控制的实现355.3.3调试的结果分析376总结43参考文献44致45附录461 绪论1.1 选题背景与其意义温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。锅炉温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。随着我国经济的迅速发展，能源短缺已成为制约我国工业发展的重要阻碍，社会各界都对此积极关注。目前面向节能降耗、提高轧制产品质量和产量设计的加热炉工程控制计算机系统已广泛的应用于现代冶金企业的加
8、热炉生产控制中。设计一套完善可行的加热炉炉温控制系统有其巨大的经济价值、环保意义。加热炉是利用电能来产生蒸汽或热水的装置。因为其效率高、无污染、自动化程度高，稳定性好的优点，冶金、机械、化上等各类上业生产过程中广泛使用电加热炉对温度进行控制。而传统的加热炉普遍采用继电器控制。由于继电器控制系统中，线路庞杂，故障查找和排除都相对困难，而且花费大量时间，影响工业生产。随着计算机技术的发展，传统继电器控制系统势必被PLC所取代。二十世纪七十年代后期，伴随着微电子技术和计算机技术的快速发展，也使得PLC具有了计算机的功能，成为了一种以电子计算机为核心的上业控制装置，在温度控制领域可以让控制系统变得更高
9、效，稳定且维护方便。在过去的几十年里至今，PID控制己在工业控制中得到了广泛的应用。在工业自动化的三大支柱(PLC、上业机器人、CADICAM)中位居第一。由于其原理简单、使用方便、适应能力强，在工业过程控制中95%甚至以上的控制回路都采用了PID结构。虽然后来也出现了很多不同新的算法，但PID仍旧是最普遍的规律。1.2 工业控制领域PLC的控制可编程控制器PLC具备了体积小，组装灵活和编程简单等的特点。在工业控制领域中，也是正因为PLC具有了这些稳定并且可靠的特点，在社会上予以得到了广泛的应用。也因为PLC中数据的计算机处理能力相对较弱，不能给用户提供很好的界面跟操作等。而计算机具有强大的数
10、据处理能力和分析管理能力，正好能弥补PLC的不足跟缺陷，并且在DELPHI中容易得到使用，这样能给用户提供更多的便捷之处。两者的结合，更是编程技术上的进步。当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是采用PLC和变频器相配合使用，PLC可提供控制信号和指令的通断信号。一个PLC系统由三部分组成，即中央处理单元、输入输出模块和编程单元。过程控制过程控制是对针对模拟量的工作过程，是通过控制是PLC元件稳定性的保证，要始终将湿度围控制在85以下。随着社会在数字电子技术以与计算机技术方面的不断发展，同时PLC也跟着突飞猛进的进步，在这PLC应用领域不断增大，以与加强了PLC功能发展发面的东西的
11、同时，不但使得PLC的功能变得更优化善，也使得PLC在实际情况中的应用中存在的问题，予以得到更加深沉的思索和探索。PLC信功能的日渐完美化，提供了更加可靠的数据传输，尤其是在工业生产方面的远程数据控制，以便适合越来越繁琐的工业生产场合。PLC在工业领域作用的日益重大，不但是今后工业自动化发展的有力支撑，也是工业化生产的主要依托。1.3 国外发展情况一些先进国家在二十世纪七十年代后期到八十年代初期就开始研发电热锅炉，中国到八十年代中期才开始起步，对电加热炉的生产过程进行计算机控制的研究。直到九十年代中期，不少企业才开始应用计算机控制的连续加热炉，可以说发展缓慢，而且对一于国的温度控制器，总体发展
12、水平仍不高，不少企业还相当落后。与欧美、日本，德国等先进国家相比，其差距较大。目前我国的产品主要以“点位”控制和常规PID为主，只能处理一些简单的温度控制。对于一些过程复杂的，时变温度系统的场合往往束手无策。而相对于一些技术领先的国家，他们生产出了一批能够适应于大惯性、大滞后、过程复杂，参数时变的温度控制系统。并且普遍采用自适应控制、模糊控制与计算机技术。近年来，伴随着科学技术的不断快速发展，计算机技术的进步和检测设备与性能的不断提升，人上智能理论的实用化。因此，高精度、智能化、人性化必然是国外必然的发展趋势。据统计，当今世界PLC生产厂家约150家，生产300多个品种，2000年销售额约为8
13、6亿美元，占到绝大部分的工业控制计算机市场份额，这边明PLC在工业控制计算机市场中起到主头作用。1.4 本课题主要研究的容1.4.1 基本研究容以PLC控制为核心，PLC将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差，经过PID运算后得到的信号控制输出电压的大小，采用PID算法，运用PLC编程语言编程，从而调节加热器加热，实现温度的自动控制。在监控系统和数据的采集整理方面，本课题设计采用的是WinCC组态软件，来进行数据的采集以与系统的实时监控。本设计系统选用S7-300PLC为控制器，用热电偶检测炉温，温度变送器将热电偶输出的微弱信号转换为标准信号。然后送给模拟量输入模块，经A/D转换成数
14、字量。CPU将它与温度设定值作比较，并按PID控制算法对误差进行运算，将结果送给模拟量输出模块，经D/A转换变为模拟信号。用来控制可控硅的一导通角大小，从而调节电热丝的加热，改变温度大小。1.4.2 需要解决的关键问题（1） 西门子S7-300 PLC 硬件组态的设置。（2） 西门子Win CC组态的设置。（3） 本设计实验对象数学模型的建立。（4） 实现温度控制的PID控制策略。2 电加热过程控制试验系统装置简介2.1 AE2000A型实验装置简述AE2000A型过程控制实验装置吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪
15、表加组态软件控制系统、DCS(分布式集散控制系统)，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出的一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设备。实验装置如图2-1所示：图2-1 系统结构图2.2 电加热器过程结构与数学模型2.2.1 电加热器的系统结构1）AE2000A实验对象检测与执行装置包括：（1）检测装置： Pt100热电阻温度传感器分别用来检测锅炉胆、锅炉夹套和对流换热器冷水出口、热水出口、纯滞后盘管出口水温。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。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。 温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随
