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PLC课程设计
摘要
从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，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大幅度提高，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。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。
电热锅炉的应用领域相当广泛，在相当多的领域里，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。
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，对工业控制有现实意义。
目录
摘要
第1章绪论
1.1课题背景及研究目的和意义
1.2国内外研究现状
1.3项目研究内容
第2章PLC控制系统的硬件设计
2.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤
2.1.1PLC控制系统设计的基本原则
2.1.2PLC控制系统设计的一般步骤
2.2PLC的选型和硬件配置
2.2.1PLC型号的选择
2.2.2S7-200CPU的选择
2.2.3热电式传感器
第3章系统软件设计
3.1．工艺过程及控制要求
3.1.1．系统整体设计方案和电气连接图
3.1.2．PLC控制器的设计
3.2控制系统数学模型的建立
3.3PID控制及参数整定
3.3.1控制程序及分析
第4章软硬件调试
心得体会
参考文献
第1章绪论
1.1课题背景及研究目的和意义
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。
[4]
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。
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。
[5]
1.2国内外研究现状
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着高精度、智能化、小型化等方向发展。
随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内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仍然有着较大的差距。
目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。
能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。
随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，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。
1.3项目研究内容
以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自
动控制。
可编程逻辑控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。
其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。
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。
对于监控画面，利用亚控公司的组态软件“组态王“
串级系统是由调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动：
作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动：
作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。
[7]
第2章PLC控制系统的硬件设计
本章主要从系统设计结构和硬件设计的角度，介绍该项目的PLC控制系统的设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计参数的整定。
2.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤
2.1.1PLC控制系统设计的基本原则
1．充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。
2．在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。
3．保证控制系统安全可靠。
4．应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I／O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。
2.1.2PLC控制系统设计的一般步骤
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。
PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：
1．熟悉被控对象，制定控制方案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，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。
2．确定I／O设备根据系统的控制要求，确定用户所需的输入（如按钮、行程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）由此确定PLC的I／O点数。
3．选择PLC选择时主要包括PLC机型、容量、I／O模块、电源的选择。
4．分配PLC的I／O地址根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入／输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I／O接线图和编制程序。
5．设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。
由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。
6．联机调试联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。
2.1.3PLC程序设计的一般步骤
1．绘制系统的功能图。
2．设计梯形图程序。
3．根据梯形图编写指令表程序。
4．对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。
调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。
PLC控制系统的设计步骤可参考图3-1：
图2-1PLC控制系统的设计步骤
2.2PLC的选型和硬件配置
2.2.1PLC型号的选择
本温度控制系统采用德国西门子S7-200PLC。
S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
2.2.2S7-200CPU的选择
S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。
此系统选用的S7-200CPU226,CPU226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。
2.2.3热电式传感器
热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。
在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。
其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。
这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。
第3章系统软件设计
3.1．工艺过程及控制要求：
1．送料控制:
检测下液面X１，炉内温度X2，当都小于给定值时，开启进料阀Y2。
当液位上升到上液面X4时，关闭进料阀Y2，打开泄放阀Y4。
2．加热反应控制：
当液位大于20%且炉内温度X2小于给定值时，接通加热炉电源Y3，当温度升到上温度时，断加热电源Y3。
3.泄放控制：
当压力大于最大值时，打开排气阀；当压力小于给定值时，关闭排气阀。
打开泄放阀，当炉内溶液降到下液面时，延时10S后关闭泄放阀。
4.按起动控制按钮后，反应炉进入工作状态。
按停止按钮后，反应炉停止运行。
3.1.1．系统整体设计方案和电气连接图
系统选用了PLCCPU226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0～10mA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3-1:
图3-3
3.1.2．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。
3.2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。
。
由PLC的串级控制系统框图如图3-5
如图3-2串级控制系统框图
3.3PID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：
公式（3-1）
（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。
Ｋc偏大，振荡次数加多，调节时间加长。
Ｋc太大时，系统会趋于不稳定。
Ｋc太小，又会使系统的动作缓慢。
Ｋc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Ｋc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Ｋc的符号就一定要取反。
（2）积分控制Ｔi对系统性能的影响：
积分作用使系统的稳定性下降，Ｔi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。
（3）微分控制Ｔd对系统性能的影响：
微分作用可以改善动态特性，Ｔd偏大时，超调量较大，调节时间较短。
Ｔd偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。
只有Ｔd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，副调节器起随动控制作用，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K2<0，副调节器作用方式为反作用方式。
主调节器作用方式的确定：
炉膛水温度升高，出口水温度也升高，主被控过程K01>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，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15s～20s，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，需加入积分控制。
先将步骤
（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，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。
3.3.1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算，运算公式为：
公式（4-1）
其中，T为实际温度，D为AIWO和AIW2输入的数字量。
PLC的内存地址分配见表4-1
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3-1内存地址分配
PID指令表见表4-2：
地址
名称
说明
VD0
主调节器过程变量（PVn）
必须在0.0~1.0之间
VD4
主调节器给定值（SPn）
必须在0.0~1.0之间
VD8
主调节器输出值（Mn）
必须在0.0~1.0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0.0~1.0之间
VD124
副调节器给定值（SPn）
必须在0.0~1.0之间
VD128
副调节器输出值（Mn）
必须在0.0~1.0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，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
表3-2PID指令回路表
控制程序如图3-3至图3-9所示：
主程序：
图3-3控制程序1
主调节器程序：
图3-4控制程序2
图3-5控制程序3
图3-6控制程序4
副调节器程序：
图3-7控制程序5
图3-8控制程序6
图3-9控制程序7
第4章软硬件调试
本课题设计了基于PLC的温度控制系统。
PLC（可编程控制器）?
以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。
PID闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效果。
。
在西门子S7-200系列PLC和组态软件组态王的基础上，我们成功设计出了温度控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。
再加上由组态王设计的人机界面，整个系统操作简单，控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。
该温度控制系统也有一些有不足的地方需要改进，编程时我们用了编程软件自带的PID指令向导模块，这样虽然方便，但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大，若不直接调用该模块，而是自己编写PID控制子程序的话，控制效果可能会更好。
还有人机界面内容不够丰富，若再加上报表系统、打印功能的话，那就更完美了。
日后，随着对PLC硬件系统和通信方式的深入了解，还可以丰富远程控制指令，以应对运行过程中的各种突发事件，增加其他PLC，通过构建复杂的多级网络适应大型的工业控制，使该系统运行时更加稳定可靠，性能更加完善。
两周的PLC课程设计对我收益匪浅，让我系统性地认识和全面地掌握了PLC编程和调试技术，让我将平常学的PLC编程及应用方法学以致用，使我的PLC编程能力有了很大提高和进步，让我对PLC应用有了深入细致的了解。
第一周，我们寻找有关的资料和课题小组成员间一起交流看法和讨论设计方案，进行设计的总体规划，理清课程设计思路。
但是将这些具体的方案落实到每一个设计环节和步骤中，难免会出现意想不到错误，这就需要我们在进行设计的过程中利用所掌握的知识认真排查错误原因，多方面的思考问题的关键不断地改正自己的设计不足之处和错误。
第二周，对硬件电路的工作原理和可编程知识的掌握是进行下一步的软件设计的关键。
进入了软件设计方案和具体的编程和调试运行阶段。
在这个阶段中，对系统的需求分析和如何采用模块化设计思想是设计方案主要解决的问题。
在这一周遇到最大的问题就是如何实现闭环方法来实现温度控制，在没有任何有价值的参考资料的情况下，通过不断地设计尝试和反复地设计调试初步解决了问题。
但是也存在了设计上的不足之处。
需要用到模拟量的输入/输出模块，而且所编程序也和课堂上老师所讲完全不一样，给我们的课题制作带来了很大的困难。
但是我们还是通过查阅资料，询问老师按时完成了我们的课题。
心得体会
两周的PLC编程及应用的课程设计，发现自己在这方面的学习还需要不断的加深。
通过这段时间的学习认识，对温控闭环的系统有了一个整体的认识，熟悉各种器件和软件应用。
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