加热炉温度控制系统_毕业论文Word格式.doc

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可控硅电压调整器

Abstract

Temperaturecontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrycontrolledfield，asthetemperaturecontrolsystemofboilersandweldingmachinesinsteelworks、chemicalplant、heat-engineplantetc.Heating-stovetemperaturecontrolhasalsobeenappliedwidelyinallkindsoffields.TheapplicationofthisaspectisbasedonSCMwhichismakingthePIDcontrol,yetthehardwareandsoftwaredesignofDDCsystemcontrolledbySCMissomewhatcomplicated,it’snotanadvantageespeciallyrelatedtologiccontrol,howeveritisacceptedasthebestchoicewhenmentionedtoPLC.

Thefurnacetemperatureofheating-stoveisalargeinertiasystem，sogenerallyusingPIDadjustingtocontrol.WiththeexpandingofPLCfunction,thecontrolfunctioninmanyPLCcontrollershasbeenexpanded.ThereforeitismorereasonabletoapplyPLCcontrollingintheapplicablefieldswherelogicalcontrolandPIDcontrolblendtogether.ThedesignhasutilizedthecontrolsystemwithwhichSiemensS7-200PLCcontrolthetemperatureheating-stove.Inthefirstplacethispaperpresentstheworkingprinciplesofthetemperaturecontrolsystemandtheelementsofthissystem.ThenitintroducesSiemensS7-200PLCandthespecificdesignproceduresofthehardwareandthesoftware.

KeywordsTemperaturecontrolPIDtemperaturepickupSCRVoltageConverter

目　　录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2研究的主要内容 1

1.3系统的设计目标及技术要求 1

1.4控制系统的设计原理 2

1.5技术综述 2

第2章硬件设计 4

2.1西门子S7-200PLC 4

2.1.1西门子S7-200主要功能模块介绍 4

2.1.2开关量I/O模块介绍 5

2.2温度传感器 5

2.2.1热电偶 6

2.2.2热电阻 6

2.3模拟量输入模块 8

2.3.1EM231模拟量输入模块 8

2.3.2EM232模拟量输出模块 10

2.4可控硅电压调整器 11

2.4.1可控硅电压调整器简介 11

2.4.2可控硅电压调整器的主要性能指标 12

2.4.3双向可控硅交流调压原理 12

2.4.4可控硅电压调整器在加热炉中的应用 13

2.5本章小结 14

第3章炉温PID控制算法 15

3.1PID控制器基本概念 15

3.2PID控制算法数字化处理 16

3.3PID在PLC中的回路指令 19

3.4模拟量采集的数字滤波算法 21

3.5采样周期的选择 23

3.6PID参数整定 24

3.7本章小结 27

第4章软件设计 28

4.1STEP7编程软件简介 28

4.2方案设计思路 28

4.3程序流程图 30

4.4系统程序实现 30

4.5PLC炉温控制系统的调试 31

4.6本章小结 31

第5章组态画面设计 32

5.1组态王简介 32

5.2组态画面设计 32

5.2.1创建项目 32

5.2.2创建主画面 34

5.2.3建立实时趋势曲线 35

5.2.4创建报警窗口 35

5.2.5建立系统原理画面 36

5.2.6建立参数监控画面 37

5.3本章小结 38

第6章系统调试 39

6.1组态王与S7-200的通信 39

6.2启动组态王 39

6.3参数设定和监控 40

6.4报警信息提示 41

6.5趋势曲线监控 42

6.6本章小结 43

结论 44

致谢 45

参考文献 46

附录１ 47

附录2 49

附录3 52

IV

第1章　绪论

1.1　课题背景及意义

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。

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。

这也正是本设计所重点研究的内容。

1.2　研究的主要内容

本课题的研究内容主要有：

1）温度的检测；

2）采用PLC进行恒温控制；

3）PID算法在PLC中如何实现；

4）PID参数对系统控制性能的影响；

5）温控系统人机界面的实现；

1.3　系统的设计目标及技术要求

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800℃—1000℃，温度控制精度小于3℃，系统的超调量须小于15%，并具有温度上下限报警功能和故障报警功能。

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。

1.4　控制系统的设计原理

加热炉温度控制系统基本构成如图1-1所示，它由PLC主控系统、可控硅电压调整器、加热炉、温度传感器、温度变送器等几个部分组成[2]。

图1-1加热炉温度控制系统基本构成框图

通过调节双向可控硅的通断来调节电阻丝的输出功率，由温度检测元件热电阻将采集到的炉膛温度信号，经过温度变送器转换为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-200PLC可识别的数字量。

用编制好的程序对其进行计算，得到实际温度值，在与给定的温度值比较，得到的偏差经过PID运算后，输出的数字量经过D/A转换，在由模拟量输出模块送给可控硅电压调整器，产生可控硅脉冲触发信号，该信号触发可控硅电路，最终由该电路驱动电炉的加热丝，通过调整可控硅触发信号（即调节供电电压每个周期的导通角），即可控制电炉电压的通断及大小，进而达到控制炉温的目的。

1.5　技术综述

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自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，并且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，在各行业广泛应用。

目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。

成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。

温度控制系统大致可分别用3种方式实现，一种是用仪器仪表来控制温度，这种方法控制的精度不高。

另一种是基于单片机进行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,而PLC在这方面却是公认的最佳选择。

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。

因此本设计选用西门子S7-200PLC来控制加热炉的温度。

第2章　硬件设计

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域。

现代社会要求制造业对市场需求做出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、高质量的产品。

为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置。

本章主要介绍西门子S7-200系列PLC以及其它硬件的组成与选型。

2.1　西门子S7-200PLC

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[3]。

S7-2