电加热器的控制及其PLC的实现设计.docx
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电加热器的控制及其PLC的实现设计
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本科毕业设计（论文）
题目：
（中文）电加热器的控制及其PLC的实现
（英文）TheelectricofthePLCcontrol
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本人所写的毕业论文《电加热器的控制及其PLC的实现》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。
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年月日
摘 要
【摘要】本文主要介绍了一种基于西门子PLCS7-300编程软件和组态监控软件WinCC的智能温度控制应用，对AE2000型实验装置中的一锅炉的加热系统进行温度控制，在规定的时间内达到温度控制精度要求。
并且在加热过程中，利用了WinCC具有良好的人机界面、数据采集等功能，通过WinCC组态进行温度画面的监控。
本实验采用PLCS7-300的编程环境STEP7中调用FB41模块来进行PID控制的技术，对加热对象的分析和整定，并且建立其数学模型及对实验数据的分析比较。
【关键词】温度控制；西门子PLC；PID控制；WinCC组态。
TheelectricofthePLCcontrol
Abstractt
目 录
摘 要II
AbstracttIII
目 录IV
1绪论1
1.1选题背景及其意义1
1.2工业控制领域PLC的控制1
1.3国内外发展情况2
1.4本课题主要研究的内容2
1.4.1基本研究内容2
2电加热过程控制试验系统装置简介4
2.1AE2000A型实验装置简述4
2.2电加热器过程结构及数学模型4
2.2.1电加热器的系统结构4
2.3西门子可编程控制器6
2.3.1PLC的特点6
2.3.2PLC的工作原理7
2.3.3S7-300PLC实验系统简述7
3电加热控制系统软、硬件环境9
3.1S7-300编程软件STEP7介绍9
3.1.1STEP7硬件组态设置步骤9
3.1.2STEP7软件编程12
3.2WinCC西门子监控组态软件12
3.2.1WinCC组态设计及其画面监控的实现12
4温度加热实验控制策略介绍19
4.1PID的控制系统19
4.1.1PID控制概述19
4.1.2数字PID的控制算法19
4.1.3改进的数字PID的控制算法21
4.1.4PID控制器的参数整定23
4.2单回路控制系统26
4.2.1单回路控制系统的组成结构26
4.2.2单回路控制系统的特点27
4.2.3单回路控制系统的设计27
4.3过程控制系统的性能指标28
5电加热器温度控制的实现30
5.1电加热器的数学模型30
5.2单回路PID控制器的参数整定33
5.3电加热器温度控制的实现34
5.3.1FB41模块34
5.3.2PID温度控制的实现35
5.3.3调试的结果分析37
6总结43
参考文献44
致谢45
附录46
1绪论
1.1选题背景及其意义
温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。
锅炉温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。
随着我国经济的迅速发展，能源短缺已成为制约我国工业发展的重要阻碍，社会各界都对此积极关注。
目前面向节能降耗、提高轧制产品质量和产量设计的加热炉工程控制计算机系统已广泛的应用于现代冶金企业的加热炉生产控制中。
设计一套完善可行的加热炉炉温控制系统有其巨大的经济价值、环保意义。
加热炉是利用电能来产生蒸汽或热水的装置。
因为其效率高、无污染、自动化程度高，稳定性好的优点，冶金、机械、化上等各类上业生产过程中广泛使用电加热炉对温度进行控制。
而传统的加热炉普遍采用继电器控制。
由于继电器控制系统中，线路庞杂，故障查找和排除都相对困难，而且花费大量时间，影响工业生产。
随着计算机技术的发展，传统继电器控制系统势必被PLC所取代。
二十世纪七十年代后期，伴随着微电子技术和计算机技术的快速发展，也使得PLC具有了计算机的功能，成为了一种以电子计算机为核心的上业控制装置，在温度控制领域可以让控制系统变得更高效，稳定且维护方便。
在过去的几十年里至今，PID控制己在工业控制中得到了广泛的应用。
在工业自动化的三大支柱（PLC、上业机器人、CADICAM）中位居第一。
由于其原理简单、使用方便、适应能力强，在工业过程控制中95%甚至以上的控制回路都采用了PID结构。
虽然后来也出现了很多不同新的算法，但PID仍旧是最普遍的规律。
1.2工业控制领域PLC的控制
可编程控制器PLC具备了体积小，组装灵活和编程简单等的特点。
在工业控制领域中，也是正因为PLC具有了这些稳定并且可靠的特点，在社会上予以得到了广泛的应用。
也因为PLC中数据的计算机处理能力相对较弱，不能给用户提供很好的界面跟操作等。
而计算机具有强大的数据处理能力和分析管理能力，正好能弥补PLC的不足跟缺陷，并且在DELPHI中容易得到使用，这样能给用户提供更多的便捷之处。
两者的结合，更是编程技术上的进步。
当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是采用PLC和变频器相配合使用，PLC可提供控制信号和指令的通断信号。
一个PLC系统由三部分组成，即中央处理单元、输入输出模块和编程单元。
过程控制过程控制是对针对模拟量的工作过程，是通过控制是PLC元件稳定性的保证，要始终将湿度范围控制在85％以下。
随着社会在数字电子技术以及计算机技术方面的不断发展，同时PLC也跟着突飞猛进的进步，在这PLC应用领域不断增大，以及加强了PLC功能发展发面的东西的同时，不但使得PLC的功能变得更优化善，也使得PLC在实际情况中的应用中存在的问题，予以得到更加深沉的思索和探索。
PLC中通信功能的日渐完美化，提供了更加可靠的数据传输，尤其是在工业生产方面的远程数据控制，以便适合越来越繁琐的工业生产场合。
PLC在工业领域作用的日益重大，不但是今后工业自动化发展的有力支撑，也是工业化生产的主要依托。
1.3国内外发展情况
一些先进国家在二十世纪七十年代后期到八十年代初期就开始研发电热锅炉，中国到八十年代中期才开始起步，对电加热炉的生产过程进行计算机控制的研究。
直到九十年代中期，不少企业才开始应用计算机控制的连续加热炉，可以说发展缓慢，而且对一于国内的温度控制器，总体发展水平仍不高，不少企业还相当落后。
与欧美、日本，德国等先进国家相比，其差距较大。
目前我国的产品主要以“点位”控制和常规PID为主，只能处理一些简单的温度控制。
对于一些过程复杂的，时变温度系统的场合往往束手无策。
而相对于一些技术领先的国家，他们生产出了一批能够适应于大惯性、大滞后、过程复杂，参数时变的温度控制系统。
并且普遍采用自适应控制、模糊控制及计算机技术。
近年来，伴随着科学技术的不断快速发展，计算机技术的进步和检测设备及性能的不断提升，人上智能理论的实用化。
因此，高精度、智能化、人性化必然是国内外必然的发展趋势。
据统计，当今世界PLC生产厂家约150家，生产300多个品种，2000年销售额约为86亿美元，占到绝大部分的工业控制计算机市场份额，这边明PLC在工业控制计算机市场中起到主头作用。
1.4本课题主要研究的内容
1.4.1基本研究内容
以PLC控制为核心，PLC将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差，经过PID运算后得到的信号控制输出电压的大小，采用PID算法，运用PLC编程语言编程，从而调节加热器加热，实现温度的自动控制。
在监控系统和数据的采集整理方面，本课题设计采用的是WinCC组态软件，来进行数据的采集以及系统的实时监控。
本设计系统选用S7-300PLC为控制器，用热电偶检测炉温，温度变送器将热电偶输出的微弱信号转换为标准信号。
然后送给模拟量输入模块，经AD转换成数字量。
CPU将它与温度设定值作比较，并按PID控制算法对误差进行运算，将结果送给模拟量输出模块，经DA转换变为模拟信号。
用来控制可控硅的一导通角大小，从而调节电热丝的加热，改变温度大小。
1.4.2需要解决的关键问题
（1）西门子S7-300PLC硬件组态的设置。
（2）西门子WinCC组态的设置。
（3）本设计实验对象数学模型的建立。
（4）实现温度控制的PID控制策略。
2
电加热过程控制试验系统装置简介
2.1AE2000A型实验装置简述
AE2000A型过程控制实验装置吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪表加组态软件控制系统、DCS（分布式集散控制系统），经过精心设计，多次实验和反复论证，推出的一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设备。
实验装置如图2-1所示：
图2-1系统结构图
2.2电加热器过程结构及数学模型
2.2.1电加热器的系统结构
1）AE2000A实验对象检测及执行装置包括：
（1）检测装置：
Pt100热电阻温度传感器分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套和对流换热器冷水出口、热水出口、纯滞后盘管出口水温。
温度传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。
它的主要特点是测量精度高，性能稳定。
其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的，从它引出的导线电阻发生变化，就会给测量温度装置带来不必要的误差，所以温度传感器热电阻大都是由纯金属材料制做而成。
温度传感器热电阻的测量温度装置，是由一些温度传感器热电阻、接连之间的线以及仪器仪表之类相互构成的。
（2）执行装置：
三相可控硅移相调压装置用来调节三相电加。
三相调压器又称晶闸管电力调整器、可控硅电力调整器或简称电力调整器。
其调压装置是一种四层三端半导体器件，主要工作原理是将四层三端半导体器件，接在电源和负载中间，配上相应的触发控制电路板，就可以调整加到负载上的电压、电流和功率，从而实现精密控温。
主要用于各种电加热装置的加热功率调整，既可以“手动”调整，又可以和电动调节仪表、智能调节仪表、PLC以及计算机控制系统相配合，实现对加热温度的恒值或程序控制。
2）锅炉：
锅炉内胆中有电加热器，可以控制进行加热。
锅炉由内胆和夹套两部分组成，夹套的温度是由锅炉来热传导进行的。
如图2-2
图2-2AE2000A实验控制对象实物图
2.3西门子可编程控制器
随着现代电子技术的不断更新和发展，PLC可编程控制器的优越性就体现的淋漓精致，其凸显的快速性，稳定性，安全方便性越加符合现代社会一些有关于制造的公司和企业要求。
PLC控制器生产出来的产品具有成本低并且质量要求都可靠的，故PLC可编程控制器占到的很多的优势和主动权，在社会市场中具有良好的口碑，现在已经变成为当今工业控制自动化的重要支柱之一。
2.3.1PLC的特点
1）编程方法简单易学
PLC编程语言中，梯形图易学易懂，图形比较简单，是应用最多的编程方式，其电路符号和表达式与继电器电路原理图很相似。
2）功能使用方便以及全面，性价比也高
功能强大，能同时供应上万个编程的元件，很快速的实现复杂的控制系统。
跟同类别的相比具有很明显的优越性和价格低的优点。
3）PLC的硬件强大，适应性强
PLC控制系统装置中的各种硬件都能提供给大家使用和选择。
大家能随心所遇的构成根据不同功能的，自己需要的控制系统，从而使用起来也非常方便可靠。
并且，PLC的负载能力极其强大，所以其适应性也广泛全面。
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