用PLC实现对锅炉温度的控制文档格式.docx

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前言

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。

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。

本文以锅炉为被控对象，以炉膛内水温为被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度控制系统；

第1章概述

1.1课题背景及研究目的和意义

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。

　　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、比例增益Kp、积分时间Ki、微分时间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。

1.2国内外对锅炉温度控制系统研究现状

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系统的控制。

2.能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统。

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。

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，我国在这方面的成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它适用于一般温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。

对于适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内已经取得了一定的成果。

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，以炉膛内水温为被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度控制系统；

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。

此温度控制系统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流信号，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0-5V的电压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2章可控硅编程器（PLC）基础

可编程控制器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、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。

2.1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。

2.2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，I/O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I/O外，还有特殊I/O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）。

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

2.3可编程控制器的分类及特点

1.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。

2.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。

3.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。

第3章系统的硬件设计

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。

3.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤

3.1.1PLC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、实用及维修方便。

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。

3.1.2PLC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。

3.1.3PLC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

3.2PLC的选型和硬件配置

3.2.1PLC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系列具有极高的性价比。

3.2.2S7-200CPU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。

8K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。

1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。

3.2.3EM231、EM232模拟量输入/输出模块选择

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，处理完成后再以0-5V的模拟量输出。

在这里我们选择西门子的EM231和EM232模块。

2路热电阻输入的EM231模块是专门为特定的物理量输入到PLC而设计的模块，它可以直接连接到模块上而不需要使用变送器对其进行标准电流或电压信号的转换。

EM232模块是只有一种2路模拟量输出的拓展模块，在此系统中只用1路来将PLC处理后的电压送出去。

3.2.4热电式传感器选择

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。

此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。

Pt100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。

3.2.5可控硅加热装置简介

对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉采用带PID调节的数字式温度显示调节仪显示和调节温度，输出0～5V作为直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，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。

温度测量与控制是热电偶采集信号通过PID温度调节器测量和输出0～5V控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。

在这个系统中，我们采用TCK-1C型单相电路可控硅移相触发器。

TCK-1C型单相电路可控硅移相触发器介绍：

该仪表可与控温仪表相配套使用，用于对可控硅（或模块）进行移相触发控制，调节主电路的电压和电流，达到功率调节的目的。

主要使用在采用硅碳棒、硅钼棒等阻性负载作发热元件的高温炉上。

它具有以下优点：

1.采用了开关电源，仪表工作电源的交流电压范围宽（AC86～264V）；

2.无需同步变压器；

3.在自动控制模式下，手动调节电位器具有限幅作用；

4.控制线路简单，单相仪表控制线只需2根；

5.在触发环节设计了三种保护电路（限流电阻、阻容吸收、快恢复管限流）；

6.在强电和弱电之间采用了光电隔离技术，抗干扰能力强；

7.采用了强触发方式，对于大电流（1200A以内）可控硅能够保证可靠触发；

8.在主电路为Y形不接零或△形接法时，三相电路中每相电路可采用一只单向可控硅和一只功率二极管反并联的方式，节省成本。

TCK-1C型单相电路可控硅移相触发器的主要技术指标：

1.输入信号：

0～10mA，4～20mA，0～5V，1～5V（任意选择）

2.移相范围：

0～180°

3.触发容量：

≤1200A

4.负载类型：

阻性负载。

TCK-1C可控硅实物图如图3-2所示。

图3-2可控硅TCK-1C实物图

3.3系统整体设计方案和电气连接图

3.3.1系统整体设计方案

系统选用了PLCCPU224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0～5V的电压信号通过EM232模块输出来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。

锅炉有两处进水会导致炉膛水温发生变化：

一处是循环供水后