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1、图书分类号：密 级：基于PLC的锅炉加热温度控制系统设计DESIGN OF BOILER TEMPERATURE CONTROL SYSTEM学生学号学生姓名学院名称专业名称指导教师 摘要本文重要介绍了工业温度控制的发展前景、S7-200系列PLC的基本知识以及锅炉温度控制系统的工作流程、基本原理和组成结构。通过对锅炉温度控制系统设计规定的分析，给出锅炉温度控制系统的I/O口分派表和系统原理图并且以可编程控制器(PLC)为核心，根据系统的控制规定运用STEP 7编程软件设计系统的梯形图。该系统以电热锅炉加热管为被控对象，锅炉水温为被控参数同时兼顾锅炉内压力及水位等条件，以PLC为控制器，锅炉加
2、热管通电时间为控制参数设计了一个温度控制系统。其中调用了西门子公司PLC中自带的PID模块，以更简洁更方便的方法完毕了锅炉温度的自动控制设计。本文从系统的工作原理、系统硬件选型、系统软件编程以及组态监控画面设计等方面进行阐述。关键词 电热锅炉；温度控制；PLC；PID；固态继电器AbstractThis article focuses on the industrial development prospects of temperature control, basic knowledge of S7-200 series PLC as well as the boiler temperat
3、ure control system made up of work processes, principles, and structure.Through the analysis of boiler temperature control system design, I/O port allocation table of temperature control system of the boiler,system schematics and a programmable logic controller (PLC) as the core, according to the co
4、ntrol system requires the use of STEP 7 programming software system design of ladder diagram.The system to electric boiler heating tubes to a charged object, parameters of boiler water temperature to be controlled both the pressure and the water level in the boiler and other conditions, the PLC cont
5、roller, boiler heating power parameter design of a temperature control system for control.Which is called the Siemens PLC comes with PID modules, and a more concise and more convenient way to complete the automatic control system design of the boiler temperature. This paper described the working pri
6、nciple of the system, system hardware selection, system software programming and configuration of the monitor screen design.Keywords Electric boiler Temperature control PLC PID Solid State Relays目 录1 绪论11.1 课题背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 本文研究内容22 温度控制系统设计32.1 温度控制系统工作原理32.2 PID控制及参数整定32.2.1 PID控制原理32.2.2 P
7、ID参数的整定43 系统硬件设计73.1 PLC的产生和特点73.1.1 PLC的产生与应用73.1.2 PLC的特点73.2 PLC控制系统设计的基本原则和环节73.2.1 PLC控制系统设计的基本原则83.2.2 PLC控制系统设计的一般环节83.3 系统整体设计方案93.4 PLC选型93.4.1 PLC的主机模块93.4.2 PLC的I/O扩展模块103.4.3 PLC的选择103.5 传感器选型103.5.1 温度传感器选型103.5.2 PT100温度变送器选型113.5.3 压力传感器选型113.5.4 液位传感器选型123.6 固态继电器123.6.1 固态继电器的原理分析12
8、3.6.2 固态继电器的组成123.6.3 固态继电器的优缺陷133.7 数码管133.8 系统工作流程及硬件接线143.8.1 系统工作流程143.8.3 系统主电路图143.8.4 系统控制电路图143.8.5 PLC硬件连接图153.8.6 I/O端口分派174 软件设计194.1 系统流程图194.2 PID控制器的参数整定194.3 PLC程序梯形图设计235 人机界面设计335.1 组态软件基础335.1.1 组态定义335.1.2 组态王软件的特点335.1.3 组态王软件仿真的基本方法335.2 组态变量的建立及设备连接335.2.1 新建项目335.2.1 新建设备345.2
9、.3 新建变量355.2.4 变量与PLC的传输365.3 创建组态画面375.3.1 新建主画面375.3.2 新建PID参数设定窗口385.3.3 新建实时曲线385.3.4 新建历史曲线395.3.5 新建报警窗口396 系统仿真及测试416.1 系统运营416.2 运营结果416.2.1 参数设定画面416.2.2 实时趋势曲线426.2.3 历史趋势曲线426.2.4 报警窗口42结论44致谢45参考文献46附录471 绪论1.1 课题背景及意义电热锅炉的应用领域相称广泛，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用计算机控制技术，既能提高系统的自动化限度又
10、能提高其控制精度。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，运营安全可靠，供热稳定，自动化限度高的优点，是抱负的节能环保的供暖设备。加上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。电热锅炉目前重要用于供暖和提供生活用水。重要是控制水的温度，保证恒温供水。PLC从上世纪80年代至90年代中期起发展十分迅速。在这时期，PLC网络能力、人机接口能力、数字运算能力和解决模拟量能力等发展迅速。由此，PLC逐渐进入过程控制领域，并在部分应用上取代了本来处在统治地位的DCS系统。PLC具有具有编程方法简朴易学、可靠性高
11、、抗干扰能力强、适应性强、通用性好、功能强大、性价比高、体积小、功耗低、设计施工周期短等诸多优点1。PID控制是迄今为止应用最广泛的控制方法之一。由于其可靠性高、稳定性好、算法简朴，所以在过程控制中被广泛应用，特别合用对于可建立精确数学模型的拟定性系统特别合用。PID控制的效果由四个参数决定，即采样周期TS、比例增益系数 KP、积分时间系数Ti、微分时间系数Td。所以，PID参数的整定与微调一直是自动控制领域着重研究的课题。PID在工业过程控制中已应用了上百年的时间，在此期间虽然出现了许多新兴算法，但由于PID算法自身的特点，再加上人们在此期间所积累的丰富经验，使其经久不衰。在PID算法中，对
12、于P、I、D三个参数的整定和优化的问题是关键问题2。1.2 国内外研究现状1970年以来，由于工业过程控制的发展，特别是计算机技术和微电子技术以及自动控制理论和方法的发展，国外温控系统的发展极为迅猛，并在自我适应、参数整定和智能化等方面取得了丰富成果。在这方面，以德国、美国、日本、瑞典等国的技术领先，都生产出了一批性能优秀、商品化的温度控制器，并得到了广泛应用。重要有以下特点：(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)能合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
13、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、稳定性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展3。目前，国外温度控制系统正朝着小型化、高精度、智能化等方面高速发展。但我国目前生产出来的温度控制器，仍处在相对低的水平，同德国、美国等先进国家相比，仍然差距很大。目前，这方面的总体技术水平国内仍然处在上世纪80年代中后期水平，产品仍以“点位”控制以及常见的PI
14、D控制器为主，目前对于一般温度系统控制可以达成规定，但对于时变、滞后、复杂的温度系统控制难以适应，而对于规定较高控制场合的智能化、自适应控制仪表等，国内的技术还达不到规定，可以形成商品化并大范围使用的控制仪表还很少。可见我国在温度控制仪表业还差国外相关行业很远。1.3 本文研究内容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，控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。本文使用德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，系统一方面由温度传感器将检测到的实际水温转化为电流信号，通过EM235模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PI
15、D调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制锅炉加热的通断来实现对水温的控制。对于监控画面，运用亚控公司的组态软件“组态王”绘制。全论文分六章，各章的重要内容说明如下。第一章，对锅炉温度控制系统的背景意义及国内外的发展状况进行了阐述。第二章，简朴概述了系统框图及PID控制原理。第三章，重要在系统框图基础上根据系统需要选择系统中所需各类硬件型号。同时绘制系统电路图、控制电路图及硬件连接图。第四章，在硬件设计的基础上，通过工程整定法拟定系统PID控制参数并完毕本文的具体程序设计。第五章，具体介绍了运用亚控公司的组态软件“组态王”进行系统监控画面的设计。第六章，对系统进行仿真与测试。2 温度控制系统设计2.1 温度控制系统工作原理在本控制系统中，温度传感器将检测到的水温信号转化为电流信号送入模拟量输入模块EM235。模拟信号通过EM235转化为数字信号送入PLC，PLC再通过PID模块进行P
