基于PLC的炉膛温度控制系统设计毕业论文.docx
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基于PLC的炉膛温度控制系统设计毕业论文
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目 录
前 言1
第1章绪论2
1.1课题研究的意义2
1.2锅炉控制的国外研究现状3
1.3本文所做工作4
第2章PLC基础及系统方案设计5
2.1可编程控制器基础5
2.1.1可编程控制器的产生和应用5
2.1.2可编程控制器的组成5
2.1.3可编程控制器的工作原理7
2.1.4可编程控制器的分类及特点8
2.2系统方案设计8
第3章硬件设计9
3.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤9
3.1.1PLC控制系统设计的基本原则9
3.1.2PLC控制系统设计的一般步骤9
3.2PLC系统选型10
3.3系统控制要求11
3.4电气控制系统电路图12
第4章软件设计14
4.1PLC编程语言简洁14
4.1.1PLC编程语言的国际标准14
4.1.2复合数据类型与参数类型15
4.1.3系统存储器16
4.2STEP7的原理17
4.3程序设计18
4.4通信系统19
结 论21
谢辞22
参考文献23
附 录24
外文资料翻译32
前 言
在经济科技日益的今天自动生产代替单纯的手工劳动已是不可逆转的历史潮流，于是过程控制这门课程被提上日程在经济科技日益进化的今天自动生产代替人工已是不可逆转的历史潮流一过程控制被提上日程。
在化工过程控制中温度控制应用相当广泛。
往往在控制中还存在着多种扰动，例如流量、液位等。
温度控制作为过程控制中的一个很重要的方面，由于其特殊性一直以来都是一个控制难点。
温度控制具有很大的滞后性，在控制中难以得到理想的效果。
再加上各种扰动，温度控制已经不能光靠简单的PID控制达到目标。
在这种情况下我们往往就需要借助别的控制方式。
前馈控制作为一种特殊的控制规律就是在这种情况下发展起来的。
前馈控制就是在扰动影响到被控对象前就将其通过补偿消除掉。
因此在这次设计中我们用前馈控制方式来克服流量的扰动使得温度控制精度更加精确。
前馈控制等控制算法我们往往用PLC来实现。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数、和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
本次设计综合运用计算机、PLC、温度传感器、流量传感器等对工业对象的夹套锅炉、管道进行控制，运用计算机编程、PLC编程、控制算法设计、过程控制、工业现场总线技术、电器线路设计等知识和技术实现前馈反馈控制。
首先由变频器、泵、压力传感器组成恒压供水系统，再由两个调节阀控制两个支路分别给锅炉的夹套和胆供水，由PLC编程、加热器、温度传感器组成锅炉胆水温反馈加热系统，流量传感器、PLC、加热丝组成前馈补偿系统，从而组成前馈反馈控制系统。
第1章绪论
1.1课题研究的意义
锅炉是工业生产和集中供热过程中重要的动力设备。
水暖锅炉在我国已有近百年的历史，在过去很长一段时间，我国水暖锅炉控制一直都是人工手动控制。
随着我国人民生活水平的稳步提高和城市化建设的步伐加快，建筑业在国民经济中的重要性日益凸显。
而对新型采暖设备的需求量也呈全面迅猛增长的态势。
虽然近年来，电热采暖、地热采暖悄然进入寻常百姓家，但以水暖锅炉进行采暖仍是我国最为普遍使用的冬季采暖方式。
工业锅炉是工业生产和集中供热过程中重要的动力设备。
水暖锅炉在我国已有近百年的历史，在过去很长一段时间，我国水暖锅炉控制一直都是人工手动控制。
随着我国人民生活水平的稳步提高和城市化建设的步伐加快，建筑业在国民经济中的重要性日益凸显。
而对新型采暖设备的需求量也呈全面迅猛增长的态势。
虽然近年来，电热采暖、地热采暖悄然进入寻常百姓家，但以水暖锅炉进行采暖仍是我国最为普遍使用的冬季采暖方式。
工业锅炉能耗巨大，每年的耗煤量超过上亿吨，占我国原煤产量的三分之一，提高其生产效率不仅具有可观的经济效益，还有重要的环保意义。
但是我国目前运行的大多数锅炉系统控制水平不高，效率普遍低于国家标准，操作工人水平参差不齐，经常是凭感觉和经验去操作，长期使锅炉处在能耗高、环境污染严重的生产状态。
据有关资料显示，世界85%的人口正陆续进入工业化阶段，全球性的人口、资源、环境矛盾尖锐，使我国的现代化面临严峻的挑战，即使国际市场能够弥补中国资源的不足，生态和环境破坏的沉重代价也难以承受。
工业锅炉生产效率会受到诸多因素的影响。
炉体本身的生产状况是影响锅炉产热效率的重要因素，但是国很多供热单位的锅炉炉龄较长、生产状况远低于设计标准，要彻底的更新换代，需要很大的投资，这是大多数的供热单位不能承受的，也不符合我国现在的基本国情。
然而锅炉设备是一个复杂的控制对象，作为一个长期运行的设备，其控制系统的优劣也是影响锅炉生产效率的重要因素。
应用计算机技术对锅炉生产过程的相关环节进行自动化控制，能够有效地提高锅炉运行可靠性和生产效率。
实际表明，应用于20~30吨/时中压锅炉的DMC一50系列微机控制系统，经实测节煤率达5%以上。
工业锅炉的耗煤产汽既是一个能源转换过程，又是一个生产过程，对于由多个锅炉控制站组成的锅炉群系统，利用网络技术对整个生产过程进行集中监控管理，对生产数据进行记录、统计、分析，将统计分析的各种数据及时发布给相关的部门，如厂领导、调度室、工段室、技术室等有着重要的意义。
利用先进网络技术，构建一个由现场控制层、显示操作层和信息管理层组成的集成自动化系统可以使企业生产和管理有机地结合起来。
通过现代信息化技术改造，提高整个供热单位的管理水平，管控结合，奖优罚劣，充分调动工作人员的责任心和积极性，通过加强管理提高生产水平，使整个锅炉系统的生产过程处在可达最佳优化状态，可以有效地提高生产效率。
1.2锅炉控制的国外研究现状
锅炉的自动化控制从上世纪三、四十年代就开始了，当时大都为单参数仪表控制，进入上世纪五十年代后，美国、前苏联等国家都开始进行对锅炉的操作和控制的进一步研究。
但由于当时科技发展的局限性，对锅炉的控制主要停留在使用汽动仪表（包括汽动单元组合仪表和汽动基地式仪表）的阶段，而且大多数锅炉只是检测工艺参数，不进行自动控制。
到上世纪六十年代，在发达国家，锅炉的控制主要以电动单元组合仪表（相当于我国的DDZ-II,DDZ-III仪表）检测与控制，还是以检测报警为主，控制为辅助功能。
到了上世纪七十年代，随着计算机技术和自动控制技术理论的发展，使得锅炉的计算机控制成为可能。
尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。
许多发达国家都相继开发出了锅炉计算机控制系统。
如今在国外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。
在国，由于经济技术条件的限制，中小企业锅炉设备水平一直比较落后，大多数中小型锅炉水平基本上停留在手动和简单仪表操作的水平。
80年代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。
至90年代，锅炉的自动化控制己成为一个热门领域，利用单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向与新建炉体配套的方向发展，许多新的控制方法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用.但由于控制技术单一，或控制算法的建模往往不能反映真实的锅炉燃烧状况，导致在工程实践中并不怎么成功，不能产生很好的经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积极性。
进入本世纪以来，为了进一步改善锅炉操作状况，降低能耗，确保安全运行，减少对大气的污染，同时随着人工智能理论的发展成熟，智能控制技术的大规模应用，对新一代锅炉计算机优化控制系统的开发和应用已势在必行且条件成熟。
1.3本文所做工作
在工业生产自动控制中，为了生产安全或为了保证产品质量，对于温度，压力，流量，成分，速度等一些重要的被控参数，通常需要进行自动监测，并根据监测结果进行相应的控制，以反复提醒操作人员注意，必要时采取紧急措施。
温度是工业生产对象中主要的被控参数之一。
本设计以一个温度监测与控制系统为例来说明PLC在模拟量信号监测与控制中的应用问题。
本文所做工作：
1、炉膛温度控制系统方案设计；
2、炉膛温度控制系统硬件设计，包括PLC控制系统构成、变频器功能原理等；
3、、炉膛温度控制系统软件设计、STEP7的原理、使用技巧，PLC系统程序设计，人机界面设计等；
第2章PLC基础及系统方案设计
可编程控制器是是一种工业控制计算机，简称PLC，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，以控制各种机械或过程。
2.1可编程控制器基础
2.1.1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。
2.1.2可编程控制器的组成
可编程控制器的组成:
PLC包括CPU模块、I/O模块、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。
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）。
2.1.3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
2.1.4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，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。
2.2系统方案设计
系统将温度控制在50℃~60℃以，为了控制方便，本设计设定50℃为温度较佳值，并依此作为被控温度的基准值。
另外，正常情况下，输出基准量是被控制温度接近较佳值。
本设计设定的基准调节量相当于PLC（输出6V）。
加热炉的温度控制对象，其系统本身的动态特性基本上属于一阶滞后环节，在控制算法上可以采用PLD控制或在林算法。
由于本系统温度控制要求不高，为了简化起见，本设计按P（比例）控制算法进行运算采样调节周期高为1秒。
第3章硬件设计
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、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。
3.2PLC系统选型
本温度控制系统采用西门子公司的S7-200PLC。
西门子公司的S7-200系列PLC可以满足多种多样的自动化控制的需要。
由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格及强大的指令系统，使得S7-200可以完美地满足小规模的控制要求。
此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的使用性和可选择性。
S7-系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。
CPU221模块不允许带扩展模块；CPU222模块最多可带2个扩展模块；CPU224模块、CPU226模块、CPU226XM模块最多可带7个扩展模块。
参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU226的PLC，CPU226模块提供的主机I/O点有24个数字量输入点和16个数字量输出点。
另加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），再扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。
这样的配置是最经济的。
整个PLC系统的配置如图3-1所示。
图3-1PLC系统配置
3.3系统控制要求
PLC在温度监测与控制系统中的逻辑流程图如图3-2所示：
图3-2逻辑流程图
具体控制要求如下：
将被控系统的温度控制在50℃~60℃之间，当温度低于50度或高于60度时，应能自动进行调整，当调整3分钟后仍不能脱离不正常状态，则应采用声光报警，以提醒操作人员注意排除故障。
系统设置一个启动按纽-启动控制程序，设置绿，红，黄3个指示灯来指示温度状态。
被控温度在要求围，绿灯亮，表示系统运行正常。
当被控温度超过上限或低于下限时，经调整3分钟后仍不能回到正常围，则红灯或黄灯亮，并有声音报警，表示温度超过上限或低于下限。
在被控系统中设置4个温度测量点，温度信号经变送器变成0~5V的
电信号（对应温度0~100℃），送入4个模拟量输入通道。
PLC读入四路温度值后，再取其平均值作为被控系统的实际值。
若被测温度超过允许围，按控制算法运算后，通过模拟两输出通道，向被控系统送出0~10V的模拟量温度控制信号。
PLC通过输入端口连接启动按钮，通过输出端口控制绿灯的亮灭，通
过输出端口控制红灯的亮灭，通过输出端口控制黄灯的亮灭。
实现温度检测懒惰控制的过程包括：
PLC投入运行时，通过特殊辅助继电器M71产生的初始化脉冲进行初始化，包括将温度较佳值和基准调节存入有关数据寄存器，使计时用的两个计数器复位。
按启动按钮（X500），控制系统投入运行。
采样时间到，则将待测的四点温度值读入PLC，然后按算术平均的办法求出四点温度的平均值Q。
将Q与Qmax（温度允许上限）比较，若也未低于下限，则说明温度正常，等待下一次采样。
若Q﹥Qmax，进行上限处理：
计算Q与上限温度偏差，计算调节量（比例系数设为2），发出调节命令，并判断调节时间，若调节时间太长，进行声光（红灯亮）；若调节时间未到3分钟，则准备下次继续采样及调节。
当采样温度低于下限，即Q＜Qmax时，进行下限处理：
计算Q与下限温度偏差，计算调节量，发出调节命令，并判断调节时间，若调节时间太长，进行声光（黄灯亮）；若调节时间未到3分钟，则准备下次继续采样及调节。
3.4电气控制系统电路图
（1）主电路图
如图3-3所示为电气控制系统主电路。
一台加热器为M1。
接触器KM1控制着M1正常运行，FR1为加热器过载保护用的热继电器；QF1为主电路的熔断器。
图3-3主电路图
（2）控制电路图
如图3-4所示：
图3-4控制电路图
第4章软件设计
4.1PLC编程语言简介
4.1.1PLC编程语言的国际标准
IEC6ll31是PLC的国际标准，1992~1995年发布了IEC6ll31标准中的1~4部分，我国在1995年11月发布GB/T15969-1/2/3/4（等同于IEC6ll31-1/2/3/4）。
IEC6ll31-3广泛地应用PLC、DCS和工控机、“软件PLC”、数控系统、RTU等产品。
它们定义了5种编程语言：
1）指令表IL（Instructionlist）:
西门子称为语句表STL.
2）结构文本ST（Structuredtext）:
西门子称为结构化控制语言（SCL）。
3）梯形图LD（Ladderdiagram）:
西门子简称为LAD。
4）功能块图FBD（ructionblockdiagram）:
标准中称为功能方框图语言。
5）顺序功能图SFC（Sequentialfunctionchart）:
对应于西门子的S7Graph。
图4-1PLC的编程语言
在SETP7编程软件中，如果程序块没有错误，并且被正确地划分为网络，在梯形图、功能块图和语句表之间可以转换。
如果部分网络不能转换，则用语句表表示。
语句表可供喜欢用汇编语言编程的用户使用。
语句表的输入快，可以在每条语句后面加上注释。
设计高级应用程序时建议使用语句表。
梯形图适合于熟悉继电器电路的人员使用。
设计复杂的触点电路时最好用梯形图。
功能块图适合于熟悉数字电路的人使用。
S7SCL编程语言适合于熟悉高级编程语言（例如队SCAL或C语言）的人使用。
S7Graph，HIGraph和CFC可供有技术背景，但是没有PLC编程经验的用户使用S7Graph对顺序控制过程的编程非常方便，HIGraph适合于异步非顺序过程的编程，CFC适合于连续过程控制的编程。
通常，用户程序由组织块（OB）、功能块（FB、FC）、数据块（DB）构成。
其中OB是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。
OB块根据操作系统调用的条件（如时间中断和报警中断等）分成几种类型，这些类型有不同的优先级，高优先级的OB可以中断低优先级的OB。
4.1.2复合数据类型与参数类型
1.复合数据类型
通过组合基本数据类型和复合数据类型可以生成下面的数据类型:
（1）数组（ARRAY）将一组同一类型的数据组合在一起，形成一个单元。
（2）结构（STRUCT）将一组不同类型的数据组合在一起，形成一个单元.
（3）字符串（SRTING）是最多有254个字符（CHAR）的一维数组。
（4）日期和时间（DATE一ANDJIME）用于存储年、月、日、时、分、秒、毫秒和星期，占用8个字节，用BCD格式保存。
（5）用户定义的数据类型UDT（user-defineddatatypes）.
在数据块DB和逻辑块的变量声明表中定义复合数据类型。
2．参数类型
为在逻辑块之间传递参数的形参（formalparameter，形式参数）定义的数据类型:
（1）TIMER（定时器）和COUNTER（计数器）:
对应的实参（actualparameter，实际参数）应为定时器或计数器的编号，例如T3，CZI。
（2）BLOCK（块）:
指定一个块用作输入和输出，实参应为同类型的块。
（3）POINTER（指针）:
指针用地址作为实参.例如P#M50.0。
（4
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