电加热器控制系统毕业设计

I摘 要在自动控制系统里，温度控制系统是其重要的组成部分。它一般由被控对象、传感器、调节器和执行器等部分构成。不同的领域温度控制系统都有与其相互配合的控制方案，根据不同共工艺和生产情况，采用不同的温度控制系统。例如石油、冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种反应炉、加热炉等加热设备，它们使用的燃料有煤气、天然气、电等不同加热材料，因此选用的控制方案就不同。由于温度控制系统的工艺过程比较复杂，且受到各种因素影响，具有很大不确定性，这些控制系统必须使用更先进的控制技术和更合理的控制理论。本 系 统 由 PLC、 上 位 机 构 成 了 一 个 典 型 的 温 度 集 散 控 制 系 统 。 PLC作为 控 制 系 统 的 大 脑 ， 上 位 机 作 为 系 统 的 监 视 系 统 。 系 统 通 过 采 集 温 度 传 感器 数 据 ， 再 由 PLC进 行 PID运 算 ， 结 果 通 过 移 相 触 发 模 块 发 送 触 发 信 号 给 可控 硅 ， 从 而 可 控 硅 控 制 电 加 热 炉 完 成 温 度 控 制 ， 本 文 首 先 阐 述 系 统 的 背 景与 意 义 ； 其 次 简 述 了 系 统 的 组 成 ； 然 后 介 绍 了 系 统 的 硬 件 ； 最 后 设 计 了 系统 的 软 件 部 分 。关键词：温度控制系统 集 散 控 制 系 统 PLC PID 可 控 硅IIABSTRACTIn the automatic control system, the temperature control system is an important part of the system. It is generally composed of the controlled object, sensor, regulator and actuator. Different temperature control systems have the different control scheme and the different temperature control system is based on the different technology and production situation. For example, petroleum, metallurgy, machinery, food, chemical etc. All kinds of industrial production is widely used in various reaction furnace, heating furnace and other heating equipment,the fuel they used is coal gas, natural gas, electricity and other different heating materials. Therefore, the selection of control scheme is different. The temperature control system of the process is very complex and is affected by various factors,so it has a lot of uncertainty, the control system must use the more advanced control technology and the more reasonable control theory.This system is composed of PLC and PC, which constitutes a typical temperature distributing control system. PLC is used as the brain of the control system, PC is used as a surveillance system. The system is by collecting the data from the temperature sensor , and then the PLC works out through the PID operation, the results by means of phase shift trigger module to send a trigger signal to a controllable silicon, and silicon controlled rectifier control the electric heating furnace to accomplish the temperature control. Firstly,this paper expounds the background and significance of the system; Secondly, the composition of the system will be briefly introduced;then the paper explains the design of the hardware of the system. Finally, i also designs the software of the system.Keywords：temperature control system; distributed control system ; PID; PLC; SCR目录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪 论 .11.1 系统设计背景 .11.2 系 统 工 作 原 理 .11.3 系统设计目标及技术要求 .11.4 技术综述 .21.5 本章小结 .32 系统设计 .42.1 PID 控制原理 .42.1.1 比例（P）控制 .42.1.2 积分（I）控制 .42.1.3 微分（D）控制 .42.2 编址表和系统结构 .42.2.1 编址表 .42.2.2 系统结构 .52.2.3 系统设计思路 .62.3 本章小结 .63 硬件设计 .73.1 PLC 的基本概念 .73.1.1 PLC 的基本结构组成 .73.1.2 PLC 的特点 .73.2 PLC 的工作原理 .73.2.1 输入采样阶段 .73.2.2 用户程序执行阶段 .83.2.3 输出刷新阶段 .83.3 S7-200PLC 简介 .83.3.1 CPU224 主要技术性能 .93.3.2 数字量输入模块 .93.3.3 数字量输出模块 .93.3.4 模拟量输入模块 .103.3.5 模拟量输出模块 .103.3.6 模拟量输入和输出混合扩展模板 .103.4 其他硬件 .113.4.1 周波控制器 .113.4.2 周波控制器的特点 .123.4.3 温度传感器 .123.4.4 电加热炉 .153.5 硬件接线图 .163.6 本章小结 .174 软件设计 .184.1 PLC 控制软件设计 .184.1.1 STEP7 编程软件简介 .184.1.2 PLC 程序设计流程图 .194.1.3 PID 控制程序设计 .204.1.4 回路输入输出的数值转换方法 .234.1.5 PLC 程序设计梯形图 .234.1.6 PLC 程序调试 .294.2 上位机软件设计 .294.2.1 组态王 6.53 简介 14 .294.2.2 PLC 通信配置与通讯 PPI 协议 .304.2.3 组态王定义外部设备和数据变量 .304.2.4 组态王界面 .314.3 本章小结 .345 结论 .35参考文献 .36致谢 .37附录一：PLC 程序 .38附录二：电气原理图 .4311 绪 论1.1 系统设计背景早期应用加热炉控制系统的时候，它多采用传统的继电器控制方式，这种方式是利用大量的接线完成对加热炉进行逻辑控制，这样就使系统变大，从而增加系统发生故障的概率，难以保证工业生产的可靠性。随着电子技术与计算机技术的高速发展，传统的继电器控制方式逐渐被 PLC 控制技术取代。因为PLC 具有独特的功能和性能，所以 PLC 控制的温度控制系统更加经济、稳定性更高和维护更方便。这种温度控制系统对优化与改进传统的继电器控制的温度控制系统具有相当深远的意义 1。1.2 系 统 工 作 原 理本 系 统 主 要 的 温 度 控 制 系 统 构 造 如 图 1 所 示 ， PLC 作 为 控 制 系 统 的控 制 器 ， 同 时 还 需 要 移 相 触 发 模 块 、 周 波 控 制 器 (SCR)、 加 热 炉 、 温 度 传感 器 等 多 个 部 分 组 成 。图 1.1 加热炉温度控制系统基本原理加 热 炉 的 温 度 控 制 系 统 进 行 控 制 的 过 程 是 : 首 先 通 过 温 度 传 感 器 感 受炉 内 的 温 度 变 化 ， 并 将 其 转 换 成 标 准 的 电 压 信 号 或 标 准 的 电 流 信 号 传 递 给西 门 子 S7-200PLC， 经 过 PLC 内 部 的 A/D 转 换 装 置 的 处 理 后 ， 将 此 电 信 号变 成 能 够 被 PLC 识 别 的 数 字 信 号 ， 与 此 同 时 PLC 还 将 此 数 字 信 号 与 已 经设 定 好 的 温 度 信 息 进 行 比 对 ， 经 过 比 较 之 后 ， 再 由 PLC 发 出 输 出 信 号 ， 并传 递 给 PLC 的 输 出 电 路 ， 输 出 电 路 将 此 信 号 发 送 给 移 相 触 发 模 块 ， 移 相 触发 模 块 根 据 输 出 信 号 产 生 相 应 的 触 发 脉 冲 给 可 控 硅 (SCR)电 路 ， 从 而 控 制 了通 过 电 热 炉 电 阻 两 端 大 电 流 ， 即 控 制 了 电 加 热 炉 的 温 度 ， 在加热炉温度控制系统中，PLC 控制器作为的系统核心部分起重要作用 2。1.3 系统设计目标及技术要求2本 系 统 由 PLC、 上 位 机 构 成 了 一 个 典 型 的 集 散 控 制 系 统 。 PLC 进 行 实时 的 控 制 ， 完 成 温 度 的 采 集 和 转 换 ， 人 工 智 能 PID 算 法 处 理 和 对 炉 子 直 接控 制 ， PLC 输 出 的 0-20mA 控 制 电 流 通 过 移 相 触 发 模 块 触 发 可 控 硅 (SCR)，控 制 电 加 热 炉 所 需 大 电 流 。 PLC 与 上 位 机 通 过 PPI 通 讯 接 口 相 互 通 讯 和 数据 交 换 。 上 位 机 采 用 工 业 计 算 机 实 现 系 统 的 监 控 管 理 ， 完 成 加 热 炉 温 度 控 制系 统 中 升 温 曲 线 的 画 面 动 态 显 示 和 参 数 的 设 定 ， 修 改 。 其 中 ， PLC 可 以 脱离 上 位 机 独 立 进 行 工 作 。 该 集 散 系 统 实 现 了 集 中 监 视 ， 分 散 控 制 ， 具 有 丰 富的 操 作 和 监 视 功 能 ， 增 强 了 系 统 的 可 靠 性 和 实 用 性 。本 系 统 针 对 实 验 室 电 加 热 炉 的 工 作 特 点 及 工 艺 要 求 ， 采 用 分 布 式 控 制 方案 以 实 现 对 加 热 炉 的 运 行 和 故 障 检 测 控 制 。 下 位 机 采 用 西 门 子 公 司 的 S7-200 PLC， 编 写 加 热 炉 的 电 气 控 制 程 序 ， 重 点 解 决 加 热 炉 的 起 、 停 控 制 ， 加热 温 度 的 自 动 调 节 ， 故 障 检 测 及 控 制 等 。 上 位 机 采 用 PC 机 ， 使 用 组 态 王6.53 组 态 软 件 编 写 组 态 程 序 ， 实 现 对 加 热 炉 的 远 程 实 时 控 制 ， 重 点 解 决 上 位机 与 下 位 机 的 通 讯 程 序 设 计 ， 监 控 画 面 的 设 计 ， 报 警 程 序 设 计 等 。本 次 设 计 的 技 术 要 求 如 下 ： 理 解 实 验 室 的 电 加 热 炉 装 置 的 工 作 原 理 和 控 制 要 求 ， 设 计 系 统 总体 方 案 ； 确 定 PLC 电 控 系 统 的 结 构 方 案 、 基 于 S7-200 PLC 和 上 位 机 确定 系 统 设 备 配 置 ； 确 定 基 于 S7-200 PLC 的 控 制 程 序 结 构 ， 设 计 和 调 试 PLC 应 用程 序 。 确 定 基 于 组 态 王 6.53 组 态 软 件 的 上 位 机 控 制 系 统 ， 设 计 和 调 试上 位 机 监 控 程 序 。1.4 技术综述在 20 世 纪 70 年 代 ， 我 国 的 电 加 热 炉 控 制 系 统 诞 生 了 。 受 到 当 时 技 术等 因 素 的 限 制 ， 其 发 展 比 较 缓 慢 。 但 进 入 21 世 纪 后 ， 由 于 工 业 过 程 控 制 的需 求 越 来 越 高 ， 尤 其 是 在 计 算 机 技 术 和 电 子 技 术 ， 以 及 先 进 的 自 动 控 制 理论 和 合 理 的 设 计 方 法 的 推 动 下 ， 我 国 温 度 控 制 系 统 得 到 了 飞 速 发 展 ， 在 其的 自 适 应 、 参 数 自 整 定 等 方 面 取 得 丰 硕 成 果 。在 我 国 温 度 控 制 系 统 应 用 十 分 广 泛 ， 但 是 温 度 控 制 器 与 其 他 发 达 国 家 相比 还 是 要 比 较 差 一 些 的 。 目 前 ， 我 国 生 产 的 控 制 器 还 是 以 简 单 的 顺 序 控 制以 及 常 规 PID 控 制 器 为 主 ， 由 于 性 能 与 可 靠 性 的 影 响 ， 它 适 应 不 了 现 在 复杂 的 控 制 要 求 。 对 于 复 杂 的 控 制 系 统 选 用 控 制 器 时 ， 我 国 还 需 要 依 靠 国 外3先 进 的 智 能 化 程 度 高 的 和 自 适 应 能 力 强 的 成 熟 的 控 制 器 产 品 。随 着 科 学 技 术 的 不 断 发 展 ， 人 们 对 温 度 控 制 系 统 的 控 制 要 求 也 是 会 越 来越 高 ， 因 此 ， 温 度 控 制 系 统 必 定 会 越 来 越 智 能 化 ， 越 来 越 人 性 化 ， 精 度 越来 越 高 。1.5 本章小结本章通过对电加热炉电控技术的国内外现状的深入了解与分析，阐述了电加热炉温度控制系统的系统结构的重大意义。 42 系统设计 2.1 PID 控制原理在工业控制中，输入与输出偏差的比例（P） 、积分（I） 、微分（D）组成了PID 控制。它具有原理简单、鲁棒性强、容易实现和适用面广等优点。当被控对象的结构和参数没有清晰明了，或者我们得不到精确的数学模型的时候，依靠经验和现场调试来确定系统控制器的结构和参数是一种不错的选择，使用PID 控制技术控制未知的控制系统是非常适宜的。2.1.1 比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输入与输出偏差信号成比例关系。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。单独使用比例控制不能消除系统余差，那么在系统稳态后系统稳定值与设定值有一定的误差。2.1.2 积分（I）控制积分控制器的输入与输出偏差信号积分成正比关系。在一个自动控制系统中,如果系统在进入稳态后存在稳态误差,就称这个控制系统是有稳态误差的系统。积分控制器的作用是消除残余误差，提高系统的无差度，但却具有一定的滞后，也不能快速地对误差进行控制。积分的时间 Ti 的大小决定了控制器积分能力的强弱，随着时间的增加，积分项的作用会增大。它驱动控制器的输出也会增加，使系统的稳态误差进一步减小，直到等于零。2.1.3 微分（D）控制微分控制器的输入与输出偏差信号的微分（即偏差的变化率）成正比关系。微分控制器的优点是动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；并能在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效的早期修正