基于PLC的锅炉电气连锁控制系统的设计本科毕业论文.docx

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基于PLC的锅炉电气连锁控制系统的设计本科毕业论文

1绪论

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

是工业控制的核心部分。

最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。

但不久，西德的西门子（SIEMENS）公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。

70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。

三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。

70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。

由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降;加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能;并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。

小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。

近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC己通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。

如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的PLC。

1.1课题背景

锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。

它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。

随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，作为全厂动力和热源的锅炉，办向着大容量、高参数、高效率发展。

为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。

PLC能充分利用Windows强大的图形编辑功能，以动态的方式显示监控设备的运行状态，同时串级控制系统也为高质量控制提供了保障。

组态王的强大功能可以方便地构成监控画面并实现控制功能。

1.2课题意义

实现锅炉电器连锁化，不但能很好的控制锅炉的水位防止干烧，还能很方便的加水放水，基于PLC的控制很容易实现工业化，组态王的强大图形画面系统易于在计算机终端控制锅炉的水位状况。

我国目前运行的很多锅炉控制系统自动化水平不高、安全性低，工作效率和环境污染普遍低于国家标准，因此实现锅炉的计算机自动控制对能源消耗来说很重要。

2连锁控制系统的设计

实际应用中，避免锅炉干烧很重要，为了提高控制的准确度，用连锁控制系统。

2.1连锁控制的原理

本设计主要是由锅炉水温值和液位开关来控制电磁阀的开与关，以及加热与否，只要两个量中的一个超过要求值，那么就关闭锅炉，从而形成炉内水温和液位的连锁控制。

这样控制的好处有利于防止锅炉干烧和锅炉内水满后继续加热而带来的不良影响。

2.2连锁控制流程说明

图2.1中液位LS101是防止干烧的液位开关，控制电路实际是继电器硬件电路，当液位不能到达防止干烧的最低液位时，则断开其它控制支路的输入，而直接输入关断调压器的信号，从而防止干烧。

控制方案：

AO0输出20mA。

图中TE101测量的是锅炉水温为被调量，通过测量水温，如果发现温度超过温度上限温度，则DO0输出1，打开电磁阀XV102，注入冷水，如果水温低于下限温度，则关闭XV102；当水位超过上限液位开关LS102或温度超过上限温度时，则让AO0输出4mA或低于4mA，从而关闭加热管。

图中LC是连锁控制器，TC是温度调节器，它们都是由PLC来控制。

图2.1锅炉连锁控制流程图

2.3连锁控制系统的硬件构成

由图2.1可知硬件由温度调节器TC、温度传感器TE101、上限液位开关LS102、调压器、电动调节阀XV102、PLC构成。

下面分别介绍它们的工作原理。

2.3.1温度传感器的原理

温度传感器主要用的是PT100。

PT100是铂热电阻，它的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。

它的工业原理：

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是成匀速增涨的。

利用此原理用来监控锅炉水温，能很可靠的反映锅炉内的水温，减少误差。

2.3.2上限液位开关的原理

液位开关，顾名思义，就是用来控制液位的开关。

从形式上主要分为接触式和非接触式。

非接触式的如电容式液位开关，接触式的例如：

浮球式液位开关，电极式液位开关，电子式液位开关。

这里采用电子式液位开关。

电子式液位开关工作原理：

通过内置电子探头对水位进行检测，再由芯片对检测到的信号进行处理，当判断到有水时，芯片输出高电平24V或5V等（PNP型或NPN型均可），当判断到无水时，芯片输出0V。

高低电平的信号通过PLC或其它控制电路来读取，并驱动水泵等用电器工作。

2.3.3调压器的原理

当锅炉内的水温达到设定值时，通过温度传感器控制调压器，使得调压器输出4mA或低于4mA的值关闭加热器；当锅炉内水温不到设定值时，调压器输出20mA，打开加热器。

2.3.4电动调节阀的原理

电动调节阀采用四线制接线，电源为220VAC，其信号线分为输入控制信号和阀位输出信号（4～20mA）。

接通220VAC电源后，打开保护盖，可以看见指示灯亮起，若施加一个电流信号，调节阀不动作，可以测量信号线两端电阻值，大小为250Ω。

反之，没有电阻值，表示信号线已断开。

2.3.5PLC介绍

PLC软件既有制造厂家提供的系统程序，又有用户自行开发的应用程序。

系统程序为用户程序的开发提供运行平台，同时，还为PLC程序的可靠运行及信号与信息转换进行必要的处理。

用户程序由用户按具体的控制系统要求进行设计，这里所说的PLC软件设计即是指用户自行开发的应用程序。

PLC的基本工作原理：

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。

1．每次扫描过程。

集中对输入信号进行采样。

集中对输出信号进行刷新。

2．输入刷新过程。

当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。

只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

5．扫描周期的长短由三条决定。

（1）CPU执行指令的速度。

（2）指令本身占有的时间。

（3）指令条数。

6．由于采用集中采样。

集中输出的方式。

存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

模块式PLC的基本结构：

S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装在机架上。

1．CPU模块：

CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。

2．信号模块：

输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，开关量输入、输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入、输出模块简称为AI模块和AO模块，他们统称为信号模块。

3．功能模块：

为了增强PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家为了开发各种各样的功能模块。

它们主要用于完成某些对实时性和存储器量要求很高的控制任务。

4．接口模块：

CPU模块所在的机架成为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或者多个扩展机架。

5．通信处理器：

通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，或者用于实现点对点通信等。

6．电源模块：

PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转为DC24V电压和背板总线上的DC5V电压，供其他模块使用。

7．编程设备：

S7-300使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之问的相互转换。

PLC的选型及其模块配置：

本项目选择了Siemens的模块化中小型PLC系统S7-300，它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。

其模块化和易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的方案。

S7-300系列所具有的多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/0扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。

当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加的模块对PLC进行扩展。

SIMATICS7-300所具备的高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。

它具有很强的计算能力和完善的指令集，以及通过MPI接口和SINECLANS联网的能力，适用于高速的过程处理需要。

本系统所用的主机模块是CPU315-2DP，可以通过MPI转接电缆或通讯模块与计算机进行通讯，再加上其全面的诊断功能和完善的自我保护技术，使其具有极高的可靠性，极其适合本系统的需求。

CPU315-2DP是S7-300的大脑，其装载存储器的基本容量为48K字节或80K字节，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量可达到512KB。

每执行1000条二进制指令约需0.3ms，最大可扩充1024点数字量或128路模拟量通道。

除此之外，它自带的STEP7编程软件功能强大，使用方便，也使开发过程变得简单快捷。

此外，S7-300系列PLC还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。

硬件具体信息如表2.1所示。

表2.1硬件配置

名称

型号

定货号

中央处理器

CPU315-2DP

6ES7-315-2AF01

研华ADAM8000

CPU8214-2BM01

8214-2BM01CPU8214DPM

8221-1BF00DI8Xdc24V

8222-1HD10DO4xRelay

8234-1BD50AI2/AO2x12Bit

现场总线模块

6ES7

138-4CA00-0AA0PM-EDC24V

6ES7

138-4GB50-0AB02AII2DMU

6ES7

138-4JB50-0AB02AIRTD

根据硬件配置表的硬件信息，PLC控制系统的硬件配置如图2.2所示。

图2.2硬件构成图

2.4STEP7软件简介

STEP7标准软件包提供了一系列的应用工具：

SIMATIC管理器、符号编辑器、NETPRO通讯组态、硬件组态、编程语言（包括LAD，FBD，STL）和硬件诊断，使用时无需分别打开各个工具：

当选择相应功能或打开一个对象时它们会自动启动。

1．SIMATIC管理器：

SIMATICManager管理属于一个自动化项目的所有数据，无论是为哪个可编程控制系统设计的。

2．符号编辑器：

使用符号编辑器可以管理所有的共享符号。

具有以下功能；为过程信号（输入/输出）、为存储和块设定符号名和注释；分类功能；从其它的Windows程序导入/导出。

3．软件编程语言：

用于S7-300和S7-400的编程语言包括梯形逻辑、语句表和功能块图，它们是标准软件包的一个集成部分。

（1）梯形逻辑（LAD）是STEP7编程语言的图形表达方式。

（2）语句表（STL）是STEP7编程语言的文本表达方式，与机器码相似，如果一个程序是用语句表编写的，CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。

（3）功能块（FBD）是STEP编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。

3连锁控制系统PLC程序设计

3.1PLC程序设计流程

具体的系统控制流程图如图3.1所示。

图3.1程序设计流程

3.2PLC程序设计

SIEMENSS7-300系列PLC编程语言有三种:

语句表编程语言（STL）、梯形逻辑编程语言（LAD）和功能块图编程语言（FBD），其它编程语言作为可选软件包使用。

通过编程器在WindowsNT的环境下对系统进行配置、程序编制、调试和监视，用户界面方便友好。

梯形逻辑（LAD）是STEP7编程语言的图形表达方式。

它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似:

当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时，梯形图可以让你追踪电信号在电源示意线之间的流动。

语句表（STL）是STEP7编程语言的文本表达方式。

与机器码相似，如果一个程序是用语句表编写的，CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。

为使编程更容易，语句表已扩展到包括一些高层语言结构（例如，结构数据的访问和块参数）。

功能块图（FBD）是STEP7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。

复合功能（如数学功能）可用逻辑框相连直接表达。

Step7有三种编程方法:

A:

线性编程；B:

分部式编程；C:

模块化编程。

模块化编程就是把程序分成若干程序块，各程序块分别含有一些设备和任务的程序指令，每个功能区被分成不同的块进行编程，这有利于程序的多人同时编程，也利于程序调试和故障的查找。

广义的程序块分为系统程序块和用户程序块。

系统程序块是集成在CPU操作系统中的预定义的功能和功能块，不占用用户存储空间，并且在整个系统中都具有相同的接口、相同的名称和相同的编号。

用户程序块是提供给用户用于管理用户程序代码和数据的区域。

STEP7将用户程序指令存放在“块”中。

本控制系统用户程序，主要有四类程序块:

功能FC（Function）、功能块FB（Functionblock）、组织块OB（Organizationblock）和数据块DB（Datablock）。

其中FB和PC作为OB的子程序。

全局数据块:

全局数据块中定义的监控量（地址）可被所有逻辑块使用，因而在全局数据块中定义了包装传输设备、环境量、电源等所有监控量（地址），根据此地址，逻辑块可访问、调用所有的监控量。

组织块（OB）：

提供CPU操作系统与用户程序接口，OB1为执行用户程序的接口。

功能块（FB）:

有相连存储器区的逻辑块。

单个FB块可以带不同的即时数据块，多次调用，FB块定义为“可再调用”块，用户程序对每次FB调用提供新的参数。

功能（FC）:

无相关联的存储器区的逻辑块，FC块定义为“可再调用”块，用户程序对每次FC调用提供新参数，由于FC块处理数据的不同方法，一个FC比FB需要CPU处理开销较少。

3.2.1创建工程

在SIMATICManager中新建工程，也可以通过wizard向导建立。

选中右边的工程名，InsertStationSIMATIC300。

这里的S7Program

（1）和SIMATIC300Station等等都可以重新命名。

如图3.2。

图3.2创建项目

3.2.2硬件组态

双击Hardware，从而进入HWCONFIG窗口。

Option>InsertNEWGSE文件。

把ADAM8000,ET200等GSD文件加入。

插入RAC-300机架。

选中机架第二栏，双击CPU-300>CPU315-2DP，6ES7-315-2AF01。

默认地址2。

双击DP，选择Property按钮。

选择NEW，选择1.5MBPS，如果出现警告，可以选择187kpbs。

插入DPMASTER，选中窗口中的DP线，双击右边ADAM（CPU821x），则插入ADAM8000，如图3.3。

图3.3插入ADAM8000

选中DP线上的ADAM（CPU821x），然后选择SLOT0MODEL0位置，再到右边双击ADAM8000CPU8214-2BM01。

依次在SLOT1,2,3位置插入其他模块。

08214-2BM01CPU8214DPM

8DI8221-1BF00DI8Xdc24V

8DO8222-1HD10DO4xRelay

1138234-1BD50AI2/AO2x12Bit

双击最后一个模块，可以设置为起始地址128。

模拟输入地址设定PEW128到PEW131，模拟输出地址设定PAW128到PAW131。

模块测量参数如下图3.4。

图3.4模块测量参数设置

注意Diagnosisalarm为off，4-20毫安对应0-27648，1.18毫安-4864。

0毫安-6912。

选中DP线，然后双击ET200S，如图3.5所示，插入ET200S。

图3.5插入ET200S

选择，依次在SLOT1,2,3位置插入其他模块。

6ES7138-4CA00-0AA0PM-EDC24V

6ES7138-4GB50-0AB02AII2DMU地址Iaddress256-259

6ES7138-4JB50-0AB02AIRTD地址Iaddress260-263

3.2.3编程

为了增强程序的可读性，需要定义些符号，方便阅读程序。

双击Symbols编辑，打开符号表图，编辑全部输入输出相关的全局变量。

包括IO地址，数据块重命名，等等。

图3.6是建好的符号变量。

图3.6符号变量表

打开C:

\Siemens\Step7\S7libs\Stdlib30，复制PIDcontrolBlocks中的FB41，粘贴到block中。

FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，可以通过参数设置来激活或取消激活PID控制的某些子功能来设计适应过程需要的控制器。

除了给定点和过程变量分支的功能外，FB自己就可以实现一个完整的具有连续操作值输出并且具有手动改变操作值功能的PID控制器，下面是各子功能的详细描述。

给定点分支：

给定点的值以浮点形式在SP_INT处输入。

过程变量分支：

过程变量可以从外设直接输入到PV_PER或以浮点PV-IN形式输入，功能CRP_IN将从外设来的值PV-PER转化成范围在-100%～100%之间的浮点形式，根据下面的法则进行转换：

CRP_IN=PV_PER*100/27648

功能PV_NORM根据下面的法则标准化输出CRP_IN

PV_NORM的输出=（CRP_IN的输出）*PV_FAC+PV_OFF

PV_FAC和PV_OFF的默认值分别为1和0

误差信号：

误差是给定点和过程变量之间的差值。

为了抑制由于控制量量化而引起的小扰动，可将死区功能DEADBAND运用在误差信号上。

如果DEADB_W=0，则死区就不起作用。

PID算法：

此处PID算法是位置式的，比例、积分和微分作用并联并且可以分别激活或取消激活。

这样就可以分别构造P、PI、PD以及PID控制器，纯比例控制器或纯微分控制也是可以的。

手动值：

可以在手动和自动模式之间切换，在手动模式下，操作值可以由一个手动选择值来设定，积分器在内部设定为LMN（操作值）-LMN_P（比例操作值）-DISV（扰动），微分器设定为0并且在内部进行同步，这意味着当转换到自动模式后，不会引起操作值的突然改变。

操作值：

利用LMNLIMIT功能可以将操作值限定在所选的值范围内，输入值引起的输出超过界限时会在信号位上表现出来，功能LMN_NORM根据下面的公式标准化。

LMNLIMIT的输出LMN=LMNLIMIT的输出×LMN_FAC+LMN_OFFLMN_FAC和LMN_OFF的默认值分别为1和0操作值也可以直接输出到外设，功能CRP_OUT将浮点形式的值LMN根据下面的公式转化成能输出到外设式的值：

LMN_PER=LMN×100/27648

前馈控制：

扰动可以作为前馈信号从DISV处输入。

打开OB1，就可以开始编写程序了。

在菜单View中选择LAD，在一个网络中，插入EMPTYBOX，输入“CONT_C”。

系统自动选择了PID功能块，在“？

？

？

”中输入DB1，也就是这个FB的数据块名。

如图所示。

系统提醒你是否建立INSTANCEDATABLOCK，回答YES，就可以创建一个PID的背景数据。

由于CONT_C模块中的PVPER_ON端要置1，所以要在两个PID功能块前加一条置1的命令。

下面是连锁控制的梯形图：

用到的CONT_C输入/输出参数分别如表1、表2所示。

表1输入参数

参数

数据类型

数据范围

默认值

描述

MAN_ON

BOOL

TRUE

手动操作，若为真，控制环中断，操作值手动设定

PVPER_ON

BOOL

FALSE

过程变量直接从外设输入

SP_INT

REAL

-100～100%或者物理量

0.0

内部的给定点的输入值

PV_IN

REAL

-100～100%或者物理量

0.0

过程变量以浮点形式输入的值

PV_PER

WORD

W#16#0000

过程变量从外设直接输入的值

MAN

REAL

-100～100%或者物理量

0.0

通过这个参数设定手动操作的值

表2输出参数

参数

数据类型

默认值

描述

LMN

REAL

0.0

以浮点形式输出的有效操作值

LMN_PER

WORD

W#16#0000

直接输出到外设的操作值

PV

REAL

0.0

输出的有效过程变量

锅炉内的水位到达了高限或者水温到达设定值都停止加热，输出4mA。

4连锁控制系统界面设计

4.1组态王软件介绍

我国的组态软件的开发虽起步较晚，但经过科技工作者的努力，在许多方面现已赶上或接近国外的先进监控组态软件的水平。

其中，由北京亚控自动化软件科技有限公司开发的“组态王”，是优秀国产组态软件的代表。

4.2组态王的特点

它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。

其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。

尤其考虑三方面问题：

画面、数据、动画。

通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。

组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。

而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。

它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

组态王6.5是以MicrosoftWin2000/WinNT4.0（补丁6）/WinXP简体中文版统作为其操作平台，充分利用了Windows图形功能完备，界面一致性好，易学易用的特点。

它使采用PC机比以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，大大减少了工控软件开发者的重复性工作，并可运用PC机丰富的软件资源进行二次开发。

4.3系统监控软件界面设计

建立新程序的一般过程是:

设计图形界面（定义画面），定义I/O设备，构造数据库（定义变量），建立动画连接，运行和调试。

4.3.1建立组态王新工程

启动“组态王”工程管理器（ProManager），选择菜单“文件\新建工程”或单击“新建”按钮。

4.3.2定义新画面

进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件\画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标。

在“画面名称”处输入新的画面名称，如“电气连锁控制”，其它属性目前不用更改。

如果有多个画面要显示那么点击命令语言，在显示时那个选项卡里面输入ClosePicture[“”]引号里面输入画面