基于PLC温度检测与控制系统的设计.docx
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基于PLC温度检测与控制系统的设计
前言
从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，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大幅度提高,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。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的.
本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数,以炉膛内水温为副被控参数,以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器,构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制.
电热锅炉的应用领域相当广泛，在相当多的领域里,电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。
目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。
本文分别就电热锅炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述.通过改造电热锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。
1PLC和组态软件基础
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1可编程控制器基础
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.
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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。
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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）。
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1—1可编程控制器运行框图
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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
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2组态软件的基础
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1组态的定义
组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。
组态软件是有专业性的，一种组态软件只能适合某种领域的应用.组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如DCS（集散控制系统）组态,PLC梯形图组态。
人机界面生成软件就叫工控组态软件.工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。
从表面上看,组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务.工控组态软件也提供了编程手段,一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB,现在有的组态软件甚至支持C＃高级语言。
在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：
ABB—OptiMax，WinCC，iFix，Intouch,组态王，力控，易控，MCGS等。
本设计采用亚控的组态王软件进行组态的设计。
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2.2组态王软件的特点
组态王软件具有适应性强、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。
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3组态王软件仿真的基本方法
（1）图形界面的设计
图形，是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备.
（2）构造数据库
数据,就是创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如水位、流量等.
（3）建立动画连接
连接，就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
（4）运行和调试
2PLC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.
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1PLC控制系统设计的基本原则和步骤
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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。
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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2—1：
图2—1PLC控制系统的设计步骤
2.2PLC的选型和硬件配置
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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。
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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S7-200CPU226，CPU226集成24输入/16输出共40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。
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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。
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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。
2.2.5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0～10mA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0～10mA或4～20mA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。
可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。
主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护RC和电阻炉的加热元件等部分组成。
2.3系统整体设计方案和电气连接图
系统选用了PLCCPU226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0～10mA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,从而调节电热丝的加热.PLC和组态王连接,实现了系统的实时监控.
整体设计方案如图2—3：
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4PLC控制器的设计
控制器的设计是整个控制系统设计中最重要的一步。
首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。
最后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。
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1控制系统数学模型的建立
在本控制系统中，TT1（出口温度传感器）将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入EM235模块的A路，TT2（炉膛温度传感器）将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入EM235模块的B路。
两路模拟信号经过EM235转化为数字信号送入PLC，PLC再通过PID模块进行PID调节控制。
具体流程在第四章程序编写的时候具体论述.由PLC的串级控制系统框图。
如图2-4串级控制系统框图
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2PID控制及参数整定
（1）PID控制器的组成
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其数学表达式为:
公式（3-1）
1）比例系数KC对系统性能的影响：
比例系数加大，使系统的动作灵敏,速度加快，稳态误差减小。
Ｋc偏大,振荡次数加多,调节时间加长。
Ｋc太大时，系统会趋于不稳定.Ｋc太小，又会使系统的动作缓慢。
Ｋc可以选负数,这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。
如果Ｋc的符号选择不当对象状态（pv值）就会离控制目标的状态（sv值）越来越远,如果出现这样的情况Ｋc的符号就一定要取反.
2）积分控制Ｔi对系统性能的影响：
积分作用使系统的稳定性下降，Ｔi小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。
3）微分控制Ｔd对系统性能的影响:
微分作用可以改善动态特性，Ｔd偏大时，超调量较大，调节时间较短。
Ｔd偏小时，超调量也较大，调节时间也较长.只有Ｔd合适，才能使超调量较小,减短调节时间。
（2）主、副回路控制规律的选择
采用串级控制，所以有主副调节器之分。
主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择规律的基本出发点.主参数是工艺操作的重要指标，允许波动的范围较小，一般要求无余差,因此,主调节器一般选PI或PID控制,副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可允许在一定范围内变化，允许有余差,因此副调节器只要选P控制规律就可以.在本控制系统中，我们将锅炉出口水温度作为主参数，炉膛温度为副参数。
主控制采用PI控制，副控制器采用P控制。
（3）主、副调节器正、反作用方式的确定
副调节器作用方式的确定：
首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑,可控硅输出电压应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉,确保设备安全，调节阀的Kv>0。
然后确定副被控过程的K02，当调节阀开度增大，电压增大，炉膛水温度上升，所以K02>0.最后确定副调节器,为保证副回路是负反馈，各环节放大系数（即增益）乘积必须为负，所以副调节器K2<0,副调节器作用方式为反作用方式。
主调节器作用方式的确定：
炉膛水温度升高,出口水温度也升高，主被控过程K01>0。
为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为负，所以主调节器的放大系数K1<0，主调节器作用方式为反作用方式［7].
（4）采样周期的分析
采样周期Ts越小，采样值就越能反应温度的变化情况。
但是,Ts太小就会增加CPU的运算工作量,相邻的两次采样值几乎没什么变化，将是PID控制器输出的微分部分接近于0,所以不应使采样时间太小。
，确定采样周期时，应保证被控量迅速变化时,能用足够多的采样点,以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。
因为本系统是温度控制系统,温度具有延迟特性的惯性环节,所以采样时间不能太短，一般是15s~20s，本系统采样17s
经过上述的分析，该温度控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器的参数整定.常用的整定方法可归纳为两大类,即理论计算整定法和工程整定法。
理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，经过理论的计算（微分方程、根轨迹、频率法等），求得最佳的整定参数。
这类方法比较复杂,工作量大，而且用于分析法或实验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动态特征，整定的结果精度不是很高，因此未在工程上受到广泛的应用。
对于工程整定法,工程人员无需知道对象的数学模型,无需具备理论计算所学的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定,因而简单、实用，在实际工程中被广泛的应用常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法等.在这里，我们采用经验整定法整定控制器的参数值。
整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”.
（1）整定比例控制
将比例控制作用由小变到大,观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
（2）整定积分环节
若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。
先将步骤
（1）中选择的比例系数减小为原来的50~80％,再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。
然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。
（3）整定微分环节
若经过步骤2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意,则应加入微分控制，构成PID控制.先置微分时间TD=0，逐渐加大TD,同时相应地改变比例系数和积分时间,反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
3PLC控制系统的软件设计
PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分本在硬件基础上，详细介绍本项目的软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法、编程软件STEP7-Micro/WIN的介绍以及本项目的程序设计.
3.1PLC程序设计的方法
PLC程序设计常用的方法：
主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。
（1）经验设计法：
经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节,才能达到控制要求.这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系,故称为经验设计法。
（2）继电器控制电路转换为梯形图法:
用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。
（3）顺序控制设计法：
根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成.此法的关键是画出功能流程图。
（4）逻辑设计法：
通过中间量把输入和输出联系起来。
实际上就找到输出和输入的关系,完成设计任务。
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2编程软件STEP7——Micro/WIN概述
STEP7—Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件,由西门子公司专为S7-200系列可编程控制器设计开发,它功能强大，主要为用户开发控制程序使用,同时也可以实时监控用户程序的执行状态。
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2.1STEP7-—Micro/WIN简单介绍
以STEP7—Micro/WIN创建程序，为接通STEP7-Micro/WIN，可双击STEP7—Micro/WIN的图标，如图3—1所示,STEP7-Micro/WIN项目窗口将提供用于创建程序的工作空间.浏览条给出了多组按钮,用于访问STEP7——Micro/WIN的不同编程特性。
指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象指令.程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。
子程序和中断程序在程序编辑器窗口的的底部按标签显示。
图3-1STEP7--Micro/WIN项目窗口
本项目中我们利用STEP7——Micro/WINV4。
0SP5编程软件，其界面如图4—1所示。
项目包括的基本组件：
程序块、数据块、系统块、符号表、状态表、交叉引用表。
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2.2计算机与PLC的通信
在STEP7—Micro/WIN中双击指令树中的“通信"图标,或执行菜单命令的“查看”/“组件”/“通信”，将出现“通信"对话框，见图3—2。
在将新的设置下载到S7-200之前,应设置远程站的地址,是它与S7-200的地址。
双击“通信”对话框中“双击刷新”旁边的蓝色箭头组成的图标，编程软件将会自动搜索连接在网络上的S7—200,并用图标显示搜索到的S7—200。
图3—2PLC通信窗口
3.3程序设计
3.3.1程序设计思路
PLC运行时，通过特殊继电器SM0。
0产生初始化脉冲进行初始化,将温度设定值，PID参数值等存入数据寄存器,随后系统开始温度采样,采样周期是17秒，TT1（出口水温温度传感器）将采集到的出口水温度信号转换为电流信号，电流信
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