基于PLC的锅炉温度控制系统-职业学院毕业论文

南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 南京化工职业技术学院南京化工职业技术学院 毕业论文设计毕业论文设计 题目：题目：基于PLC的锅炉温度控制系统 姓姓名：名： 所在系部：所在系部： 班级名称：班级名称： 学学号：号： 指导老师：指导老师： 202012 2 年年 12 2 月月 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） I 目录 目录.I 摘要.III 第一章 绪论.1 1.1 课题背景及研究目的和意义.1 1.2 国内外研究现状1 1.3 项目研究内容2 第二章 PLC 和组态软件基础. 4 2.1 可编程控制器基础.4 2.1.1 可编程控制器的产生和应用4 2.1.2 可编程控制器的组成4 2.2.3 可编程控制器的工作原理.5 2.1.4 可编程控制器的分类及特点.6 2.2 组态软件的基础.7 2.2.1 组态的定义7 2.2.2 组态王软件的特点8 第三章PLC 控制系统的硬件设计. 9 3.1 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤.9 3.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则9 3.1.2 PLC 控制系统设计的一般步骤9 3.1.3 PLC 程序设计的一般步骤10 3.2 PLC 的选型和硬件配置.11 3.2.1 PLC 型号的选择11 3.2.2 S7-200 CPU 的选择11 3.2.3 EM235 模拟量输入/输出模块.11 3.2.4 热电式传感器.12 3.2.5 可控硅加热装置简介.12 3.3 系统整体设计方案和电气连接图.12 3.4 PLC 控制器的设计.13 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） II 3.4.1 控制系统数学模型的建立.13 3.4.2 PID 控制及参数整定14 4.1 PLC 程序设计的方法.16 4.2 编程软件 STEP7-Micro/WIN 概述.17 4.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍.17 4.2.2 计算机与 PLC 的通信.18 4.3 程序设计18 4.3.3 控制程序及分析.24 第五章 组态画面的设计.30 5.1 新建项目30 5.2 组态画面创建.34 5.2.1 新建主画面.34 5.2.2 新建 PID 参数设定窗口.35 5.2.3 新建数据报表.35 5.2.4 新建实时曲线.36 5.2.5 新建历史曲线.36 5.2.6 新建报警窗口.37 第六章 系统测试.38 6.1 启动组态王.38 6.2 实时曲线观察39 6.3 分析历史趋势曲线.39 6.4 查看数据报表.41 6.5 系统稳定性测试.42 致谢.43 参考文献.44 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） III 摘要 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。 关键词：电热锅炉的控制系统温度控制串级控制PLCPID 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 课题背景及研究目的和意义 电热锅炉的应用领域相当广泛，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。 PLC 的快速发展发生在上世纪 80 年代至 90 年代中期。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了很大的提高和发展。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。 电热锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小， 无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设 备。加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民 用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控 制水的温度，保证恒温供水。 PID 控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性 好， 所以被广泛应用于过程控制中， 尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。 PID 控制的效果完全取决于其四个参数，即采样周期 ts、比例系数 Kp、积分系数 Ki、微分系 数 Kd。因而，PID 参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID 在工业 过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世，但由于 PID 算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得 到广泛应用。在 PID 算法中，针对 P、I、D 三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。 5 1.2 国内外研究现状 自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅 猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速， 并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞 典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 2 各行各业广泛应用。它们主要有以下特点： 1.适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。 2.能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 3.能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 4.这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理 论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。 5.温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对 控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。 6.温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温 度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。 随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛， 但从国内生产的温度控制 器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的 差距。目前，我国在这方面总体水平处于 20 世纪 80 年代中后期的水平，成熟产品主要 以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以 控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制 仪表，国内还不十分成熟。 随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、 智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。 1.3 项目研究内容 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。 PLC 技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电 路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定、人 机界面的设计等。论文通过对德国西门子公司的 S7-200 系列 PLC 控制器，温度传感器 将检测到的实际炉温转化为电压信号， 经过模拟量输入模块转换成数字信号送到 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 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 3 触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率。对于监控画面，利用亚控公司的组 态软件“组态王“ 串级系统是由调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节 器的给定值的系统。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副 变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主 调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过 程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的， 即包括在副回路范围内的扰动。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不 仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。 副调节器具有“粗调” 的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 4 第二章 PLC 和组态软件基础 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。 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、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 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 5 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） 。 2.2.3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 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 6 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 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 7 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2561024 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 2.2组态软件的基础 2.2.1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。 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 8 2.2.2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。 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 9 第三章PLC 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。 3.1 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 3.1.1 PLC 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、 IO 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。 3.1.2 PLC 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 IO 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 IO 点数。 3.选择 PLC 选择时主要包括 PLC 机型、容量、IO 模块、电源的选择。 4.分配 PLC 的 IO 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 IO 接 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 10 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。 3.1.3 PLC 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 3-1 ： 图 3-1 PLC 控制系统的设计步骤 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 11 3.2 PLC 的选型和硬件配置 3.2.1 PLC 型号的选择 本温度控制系统采用德国西门子 S7-200 PLC。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。 3.2.2 S7-200 CPU 的选择 S7-200 系列的PLC 有CPU221、 CPU222、 CPU224、 CPU226等类型。 此系统选用的S7-200 CPU226，CPU 226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。 3.2.3 EM235 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：SW1SW3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。 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 12 3.2.4 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 3。 3.2.5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010mA 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010mA 或420mA 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。 3.3系统整体设计方案和电气连接图 系统选用了 PLC CPU 226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010mA 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。 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 13 整体设计方案如图3-3： 图3-3整体设计方案 系统硬件连线图如图3-4： 图 3.4 系统硬件连线图 3.4 PLC 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。 3.4.1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 计 算 机 P L C EM 235 PT100 锅锅 炉炉 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 14 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 3-5： 如图 3-5 串级控制系统框图 3.4.2PID 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。c偏大，振 荡次数加多，调节时间加长。c太大时，系统会趋于不稳定。c太小，又会使系 统的动作缓慢。c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c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c的符号就一定要取反。 积分控制i对系统性能的影响： （2）积分作用使系统的稳定性下降，i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d对系统性能的影响： 微分作用可以改善动态特性，d偏大时，超调量较大，调节时间较短。d 偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有d合适，才能使超调量较小，减 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 15 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 Kv0 。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 K020 。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 K 2 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15s20s，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。 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 16 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5080，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。第四章 PLC 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。 4.1 PLC 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、 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 17 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。 4.2 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。 4.2.1 STEP7-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4-1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。 本项目中我们利用 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP5 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。 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 18 图 4-1 STEP7-Micro/WIN 项目窗口 4.2.2 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 4-2。 图 4-2PLC 通信窗口 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。 4.3 程序设计 4.3.1程序设计思路 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 19 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，电流信号在通过 AIW0进入 PLC，作为主回路的反馈值，经过主控制器（PID0）的 PI 运算产生输出信号，作为副回 路的给定值。TT2(炉膛水温传感器)将采集到的炉膛水温度信号转换为电流信号，电流 信号在通过 AIW2进入 PLC，作为副回路的反馈值，经过副控制器（PID1）的 P 运算产生 输出的信号，由 AQW0输出，输出的4-20mA 电流信号控制可控硅的导通角，从而控制电 热丝的电压，完成对温度的控制。 4.3.2PID 指令向导 编写 PID 控制程序时， 首先要把过程变量 （PV） 转化为 0.00-1.00 之间的标准实数。 PID 运算结束之后，需要把回路输出（0.00-1.00 之间的标准化实数）转换为可以送给 模拟量输出模块的整数。 图 4-3PID 初始化指令 如图4-3，PV_I 是模拟量输入模块提供的反馈值的地址，Setpoint_R 是以百分比为 单位的实数给定值（SP） ，Output 是 PID 控制器的 INT 型的输出地址。HighAlarm 和 LowAlarm 分别是超过上限和下限的报警信号输出， ModuleErr 是模拟量模块的故障输出 信号。 1.主回路 PID 指令向导 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 20 （1)主回路采用0号 PID 回路如图4-4 图 4-4 主回路用 0 号 PID 回路 (2)设置 PID 参数，如图4-5： 图 4-5设置 PID 参数 给定值的范围是0.0-100.0，比例增益 Kc为-3.0，积分时间 Ti=7 min ，因为主控 制器采用 PI 控制，所以微分时间 Td=0。 （3）回路输入量的极性与范围，如图 4-5： 图 4-5输入输出量的设置 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 21 (4)PID 指令的参数表占用的 V 存储区的起始地址如图 4-6： 图 4-6 地址设置 （5）向导完成，如图 4-7 图 4-7 向导完成 2.副回路 PID 指令向导 （1）副回路采用1号 PID 回路，如图 4-8： 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 22 图 4-8 副回路 PID 回路设置 （2）新建 PID 配置，如图 4-9： 图 4-9 PID 配置新建 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 23 （3）设置 PID 参数，如图 4-10 图 4-10 副回路 PID 设置 因为副回路主要起到“粗调” 、 “快调”的作用，所以我们采用 P 调节作用，比例增 益 Kc=-4.0，Ti无穷大，Td=0; （4）副回路输入量的极性与范围，如图 4-11 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 24 640032000 100)6400( D T 图 4-11 副回路输入输出设置 （5）PID 指令的参数表占用的 V 存储区的起始地址，如图 4-12： 图 4-12副回路存储区设置 （6）向导完成，如图 4-13 图 4-13副回路向导完成 4.3.3 控制程序及分析 因为由 AIW0 和 AIW2 输入的是 6400-32000 的数字量， 所以要转换为实际的温度要 进行运算，运算公式为： 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 25 公式（4-1） 其中，T 为实际温度，D 为 AIWO 和 AIW2 输入的数字量。 1.PLC 的内存地址分配见 表 4-1 表 4-1 内存地址分配 2.PID 指令表见表 4-2： 表 4-2 PID 指令回路表 3.控制程序如图 4-14 至 4-17 所示： （1）主程序： 地址说明 VD250锅炉出口水温度存放地址 VD260炉膛水温存放地址 VD270主控制器 PID 输出存放地址 VD300目标设定温度存放地址 VD304主控制器 Kc 存放地址 VD308主控制器 Ti 存放地址 VD312主控制器 Td 存放地址 VD320副调节器 Kc 存放地址 地址名称说明 VD0主调节器过程变量（PVn）必须在 0.01.0 之间 VD4主调节器给定值（SPn）必须在 0.01.0 之间 VD8主调节器输出值（Mn）必须在 0.01.0 之间 VD12主调节器增益（Kc）比例常数，可正可负 VD16主调节器采样时间（Ts）单位为 s，必须是正数 VD20主调节器积分时间（Ti）单位为 min，必须是正数 VD24主调节器微分时间（Td）单位为 min，必须是正数 VD120副调节器过程变量（PVn）必须在 0.01.0 之间 VD124副调节器给定值（SPn）必须在 0.01.0 之间 VD128副调节器输出值（Mn）必须在 0.01.0 之间 VD132副调节器增益（Kc）比例常数，可正可负 VD136副调节器采样时间（Ts）单位为 s，必须是正数 VD140副调节器积分时间（Ti）单位为 min，必须是正数 VD144副调节器微分时间（Td）单位为 min，必须是正数 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 26 图 4-14 控制程序 1 （2）主调节器程序： 图 4-15 控制程序 2 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 27 图 4-16 控制程序 3 图 4-17 控制程序 4 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 28 （3）副调节器程序： 图 4-18 控制程序 5 图 4-19 控制程序 6 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 29 图 4-20 控制程序 7 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 30 第五章 组态画面的设计 本章详细的讲解一个组态系统的建立和设计。 5.1 新建项目 双击组态王的快捷方式，出现组态王的工程管理器窗口，双击新建按扭，按照弹出 的建立向导，填写工程名称。然后打开刚建立的工程。进入组态画面的设计，如图 5-1： 图 5-1 新建工程 1.新建画面 进入工程管理器后，在画面右方双击“新建” ，新建画面，并设置画面属性，图 5-2 所示： 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 31 图 5-2 画面新建 2.新建设备 因为组态画面要与西门子 S7-200 PLC 连接之后才能使用，所以要新建 S7-200 的连 接，具体步骤如图 5-3： 图 5-3 步骤 1 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 32 图 5-4 步骤 2 图 5-5 步骤 3 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 33 图 5-6 步骤 4 3.新建变量 要实现组态王对 S7-200 的在线监控，就先必须建立两者之间的联系，那就需要建 立两者间的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和 I/O 变量两类。内存变 量是组态王内部的变量，不跟被监控的设备进行交换。而 I/O 变量是两者之间互相交换 数据的桥梁，S7-200 和组态王的数据交换是双向的。如图 5-7 所示： 图 5-7新建变量 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 34 目中所用到的变量见图 5-8： 图 5-8变量表 5.2 组态画面创建 5.2.1新建主画面 如图 5-9 所示，高温报警用来显示当温度高于 95C 的时候，等会变红闪烁，加热 炉上的指示灯用来指示加热炉的加热状态。 图 5-9控制系统主画面 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 35 5.2.2新建 PID 参数设定窗口 如图 5-10 所示，PID 参数设定窗口，用来设定主控制器和副控制器的 PID 参数值， 可与 PID 参数的整定。 图 5-10PID 参数设定窗口 5.2.3新建数据报表 数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。 数据报表有实时数据报表和历史数据报表，既能反应系统实时的运行情况，也能监测长 期的系统运行状况，如图 5-11 所示： 图 5-11数据报表窗口 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 36 5.2.4新建实时曲线 实时趋势曲线可在工具箱中双击后在画面直接获得。 实时趋势曲线随时间变化自动 卷动，可快速反应变量的新变化。如图 5-12 所示: 图 5-12实时曲线窗口 5.2.5新建历史曲线 历史趋势曲线可在图库管理器中得到。历史趋势曲线可以查询查询过去的情况。历 史趋势曲线需要事先建立两个内存变量，分表是调整跨度和举动百分比。 图 5-13历史曲线窗口 南京化工职业技术学院毕业设计（论文） 37 5.2.6新建报警窗口 在工具箱中选用报警窗口工具， 在面板中绘制报警窗口， 添加文本等就可。 如图 5-14 所示。由于前面已经设置了报警变量，所以当变量值超过所设置的温度 85 度时，那就 会在报警画面中被记录。如图 5-14 所示: 图 5-14历史报警窗口 其制作过程和历史报警窗口类似，不同的是，实时报警画面是要弹出来的，所以必 须在新建画面的时候，把大小调好，并选择是“覆盖式”。画面的自动弹出，在事件命 令语言中，输入 showpicture(“实时报警窗口“);本站点$新报警=0;，这样每次新报 警有产生，就会立刻出报警画面。如图 5-15 所示。 图 5-15实