毕业设计惠0524人机界面Word格式.docx

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四、进度和要求

第一阶段：

（1--4周）查阅资料，确定设计方案，进行总体设计。

第二阶段：

（5--10周）绘制硬件电路图，掌握硬件组成的各部分工作原理。

第三阶段：

（11--13周）根据要求绘制软件流程图。

第四阶段：

（14--16周）整理撰写毕业论文，并进行学位论文答辩。

五、主要参考书及参考资料

[1]SIMATICS7-200可编程序控制器系统手册[M].北京:

机械工业出版社,2002.

[2]常斗南.可编程序控制器原理应用试验[M].北京：

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[3]吕景泉.可编程序控制器及其应用[M].北京：

机械工业出版社，200l，6

[4]陈建明.电气控制与PLC应用[M].北京:

电子工业出版社,2009.

[5]郑凤翼,金沙.图解西门子S7-200系列PLC应用88例[J].北京:

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[9]王永平，陈建华.基于S7—200PLC的高性能电热锅炉控制系统[J].仪表技术与传感器，2002，（3）26-28

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[14]廖常初.PLC基础应用[M].北京：

机械工业出版社，2003，6

[15]陈建明.等，电气控制与PLC应用[M].北京：

电子工业出版社，2006，2

学生指导教师系主任

摘要

在船用锅炉监控系统中，水位和温度是两个很重要的控制参数，它间接地反映了锅炉负荷和给水的平衡关系，由此可见水位和温度是保证锅炉安全运行的必要条件。

本次设计的目的是合理控制水位和温度，其控制方案是基于西门子PLC实现PID调节系统。

本文介绍的是基于PLC实现的船用锅炉水位监控系统设计，设计中主要解决的是确定船用锅炉水位和温度的控制方案、系统控制设备选型、PLC梯形图的编程、系统配置、IO配置、上位机工艺操作界面组态的设计。

本锅炉自控设计采用德国西门子自动化公司的S7-200系列PLC可编程序控制器作为过程输入输出通道，实现现场数据检测及输出控制；

操作站采用中国深圳威纶通科技有限公司的自动化监控软件版本（MT8080T640*80），进行操作设计，现场数据检测及输出控制，实现了对船用锅炉水位和温度的控制。

用S7-200PLC来实现锅炉水位和温度的监控，可以提高锅炉的自动化控制水平，维持水位在给定范围内，保证了锅炉安全运行，降低工作人员的劳动强度，取得了较好的经济和社会效益。

关键词：

锅炉，水位控制，PLC,PID控制

Abstract

FortheboilerMarinemonitoringsystem,waterlevelandtemperaturearetwoimportantcontrolparameters,Itindirectlyreflecttheboilerloadandwaterbalancerelationship,Thisshowsthewaterlevelandtemperatureistoensurethesafeoperationoftheboilerofthenecessaryconditions.Thepurposeofthisdesigniscontrolwaterlevelandtemperaturereasonably.ThecontrolschemeisbasedonSiemensPLCPIDcontrolsystem.

ThispaperisbasedonPLCMarineboilerwatermonitoringsystemdesign,Inthedesign,themainsolutionistodeterminetheboilerwaterlevelandtemperatureoftheMarinecontrolsolutions,systemcontrolequipmentselection,PLCladderdiagramofprogramming,systemconfiguration,IOconfiguration,PCprocessoperationinterfaceconfigurationdesign.TheboilercontroldesignwiththeGermancompanySiemensautomationoftheseriesS7-200PLCprogrammablecontrollertoprocessinput/outputchannels,Realizingscenedatadetectionandoutputcontrol;

TheoperationstationadoptTheChinashenzhen'

sblacksilkribbonthetechnologyCo.,LTD.Ofautomationcontrolsoftwareversion（MT8080T640*80）,foroperationdesign,datadetectionandoutputcontrol,realizetheMarineboilerwaterlevelandthecontrolofthetemperature.WithS7-200PLCtorealizetheboilerwaterlevelandtemperaturemonitoring,canimprovethelevelofautomationcontrol,maintainthewaterlevelinagivenrange,andtoensurethesafeoperationoftheboiler,reducethelaborintensityofstaffandhaveachievedgoodeconomicandsocialbenefits.

Keywords:

boilers,waterlevelcontrol,PLC,PIDcontrol

前言

船用锅炉是远洋运输船舶必备的设备，是船的动力源系统。

目前在我国大多数研究都是关于电站锅炉，而对船用锅炉的水位动态特性的研究还非常不够，船用锅炉相比其他锅炉动态特性变化大，由于航行在大风浪中有一定的横倾和纵倾，对锅炉水位有很大的影响，因此对锅炉水位的控制研究具有很大的意义。

为了保证锅炉系统能够正常可靠地工作，必须对锅炉的动态实时状态进行监测控制，能够更有效地进行检测我们采用可编程控制器（PLC）控制方式。

因为它抗干扰能力强，可靠性好，控制系统结构简单，通用性强，编程方便，易于使用，设计、施工、调试的周期短，体积小维护操作方便，易于实现网络化，可实现三电一体化等优势，目前已成为应用面最广泛的通用锅炉液位控制装备。

锅炉水位监控系统在发生扰动的情况下，控制器采用PID控制策略，提高了系统在恶劣情况下的抗干扰能力，保证了生产过程的稳定和安全。

在锅炉水位控制系统中，将PID算法融于PLC控制系统，取得了良好的控制效果。

PLC对整个锅炉的运行进行监测、控制，以保证锅炉正常可靠地运行。

PLC实现的计算机控制系统可以提高锅炉设备的自动化控制水平，降低工作人员的劳动强度，取得了较好的经济和社会效益。

锅炉液位系统需要不同的液位高度来满足不同情况下的所需的液位：

当液位低于设定值时会自动进行加水，当高于设定也为时就停止加水。

通过PLC对程序设计，提高液位系统的控制水平并检测温度值。

锅炉水位控制的任务是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持锅筒内水位在允许的范围内变化。

锅炉长期在高水位下运行，已成为高参数锅炉普遍存在的问题。

研究内部实际水位与理想水位差值的成因，并设法修正和消除这个差值，合理控制水位，保证锅炉安全运行有着重要的现实意义。

本设计是采用PLC为核心，及相关硬件来实现锅炉液位控制系统，将锅炉液位设定值为基准，当液位低于设定值就进行自动加水，当液位高于设定值停止加水，始终保持液位在设定范围。

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。

从而达到液位保持恒定能够更好有效地对锅炉的水蒸气的利用。

第一章PLC的基础知识

可编程控制器是是一种工业控制计算机，简称PLC（ProgrammablelogicController）,它使用可编程序的记忆以存储指令，用来执行逻辑、顺序、计时、计数、和演算等功能，并通过数字或模拟的输入输出，以控制各种机械或生产过程。

1.1可编程控制器基础

1.1.1可编程控制器的产生和应用

1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。

1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。

1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。

我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。

进入20世纪70年代，随着电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器功能得到更进一步增强。

进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

1.1.2可编程控制器的组成和工作原理

可编程控制器的组成:

PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。

1．CPU

CPU是PLC的核心，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

　2.I/O模块

　　PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

　　常用的I/O分类如下：

　　开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

　　模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

　3.编程器

　　编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。

编程器一般分为简易型和智能型两类。

简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。

而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。

操作方便且功能强大。

4.电源

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

[6]

可编程控制器的工作原理:

PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。

每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。

CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。

PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

PLC工作的全过程可用图2-1所示的运行框图来表示。

图2-1可编程控制器运行框图

1.1.3可编程控制器的分类及特点

（一）小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。

它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。

（二）中型PLC

中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256～1024点之间，I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

（三）大型PLC

一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC，大型PLC的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化，大型PLC还可以采用冗余或三CPU构成表决式系统使机器的可靠性更高

1.2PLC用于船用锅炉测控系统的优点

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。

第二章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3-1PLC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S7-200CPU224,CPU224集成14输入/10输出共24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。

2.2.3EM235模拟量输入/输出模块

在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成4-20mA的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。

在这里我们选择西门子的EM235模拟量输入/输出模块。

EM235模块具有4路模拟量输入/一路模拟量的输出。

它允许S7-200连接微小的模拟量信号，±

80mV范围。

用户必须用DIP开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向：

SW1～SW3用于选择热电偶的类型，SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量方向，SW8用于选择是否进行冷端补偿。

所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。

2.2.4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。

该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100℃，所以选择Pt100铂热电阻传感器。

P100铂热电阻，简称为：

PT100铂电阻，其阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

它的工作原理：

当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长[3]。

2.2.5AT100系列磁致伸缩液位变送器

（1）概述

AT100系列防爆型智能磁致伸缩液位变送器是美国福克斯（FOX）仪表有限公司近年研发的产品，是一种高精度的液位连续测量仪表，它采用磁致伸缩原理，实时监测液面、界面高度，测量精度高，响应时间快，可靠性好。

具有多种安装方式、便捷多样的调试方式、极高的性价比等多种优点。

AT100变送器将容器内介质液位的变化转为4-20mA二线制标准信号输出，同时具备HART通信协议，可满足各种工业现场需求。

产品广泛适用于石油、化工、食品、制药等各领域。

AT100BA型磁致伸缩液位变送器带有磁性浮球，可安装于容器顶部进行高精度液位测量。

AT100BA型磁致伸缩液位变送器可通过测量筒安装在容器的侧面测量液位。

AT100BA型磁致伸缩液位变送器捆绑在磁性液位计主导管外与磁性液位计配套使用，用于对液位进行精确测量。

（2）结构原理

AT系列磁致伸缩变送器是将磁子系统耦合过来的液位信号，以间隔1.5us发送的脉冲，精确地测量液位计中磁浮子的位置。

这个脉冲产生的磁场沿波导管向下传导。

当磁浮子的磁场和脉冲电流磁场相遇时，产生“返回”脉冲（又叫“波导扭曲脉冲”）。

敏感元件探测到这个“返回”脉冲。

根据电流脉冲与“返回”脉冲之间的时间，通过PLC计算出浮子的位置，确定被测液位或界位。

AT系列产品适用于对测量精度要求高的场合，也适用于高温型磁翻柱液位计的远传变送，变送器输出二线制、三线制4-20mADC信号，兼容H