基于西门子S7-200PLC的锅炉温度控制的设计

诚心承诺书PAGEIIPAGE33毕业设计（论文）题目基于PLC的锅炉温度控制的设计姓名所在系部专业班级指导教师20XX年10月毕业设计（论文）南京科技职业学院毕业设计（论文）基于PLC的锅炉温度控制的设计摘要本设计是基于PLC的锅炉温度控制系统的设计，采用了西门子S7-200小型PLC为控制核心，通过温度传感器检测锅炉温度，与设定的温度进行比较，通过参数设定，PLC内部进行PID运算，PID输出控制固态继电器，然后固态继电器控制加热器，控制温度稳定在设定温度附近。通过分析控制要求，进行总体方案设计，进行理论分析，进行硬件和软件设计，设计主电路和控制电路，设计控制流程图，设计梯形图和语句表程序。系统具有短路过流保护，过载保护，急停保护，温度过高显示，温度过低显示，温度合适显示灯功能，系统设计安全可靠，简单有效，达到了预期的设计目的。关键词：锅炉，温度控制，梯形图全套图纸加V信153893706或扣3346389411南京科技职业学院毕业设计（论文）AbstractAbstractThisdesignisbasedonthePLCboilertemperaturecontrolsystemdesign,usingSiemensS7-200smallPLCasthecontrolcore,throughthetemperaturesensordetectionboilertemperature,andsetthetemperaturecomparison,throughparametersetting,PLCinternalPIDoperation,PIDoutputcontrolsolid-staterelay,andthensolid-staterelaycontroladdThetemperatureoftheheateriscontrollednearthesettemperature.Throughtheanalysisofcontrolrequirements,theoverallschemedesign,theoreticalanalysis,hardwareandsoftwaredesign,designthemaincircuitandcontrolcircuit,designthecontrolflowchart,designladderdiagramandstatementtableprogram.Thesystemhasthefunctionsofshort-circuitover-currentprotection,overloadprotection,emergencystopprotection,temperatureover-highdisplay,temperatureover-lowdisplay,temperatureappropriatedisplaylamp.Thesystemdesignissafe,reliable,simpleandeffective,andachievesthedesireddesignpurpose.KEYWORDS：Boiler,TemperatureControl,LadderDiagram南京科技职业学院毕业设计（论文） 目录 摘要 IIAbstract III第1章绪论 51.1课题的背景、目的和意义 51.2课题研究现状及发展趋势 51.3课题研究内容和思路 6第2章锅炉温度控制理论 72.1系统控制回路设计 72.2西门子PID向导 7第3章总体设计 123.1控制要求 123.2设计方案 12第4章硬件软件设计 134.1PLC选择 134.2主电路和控制电路设计 134.3PLC输入和输出分配 144.4PLC输入和输出接线图 144.5PLC内部使用地址 154.6流程图设计 164.7PLC梯形图程序 174.8语句表程序 22第5章总结和展望 26参考文献 27致谢 28附录 29附录1电气原理图 29附录2梯形图汇总 30南京科技职业学院毕业设计（论文）第1章绪论第1章绪论1.1课题的背景、目的和意义 在工业生产过程中，温度是非常重要的参数。温度的轻微变化，有可能带来比较大的物理和化学变化，给生产和产品质量带来挑战。在科学研究和生产实践当中，特别是冶金/化工/建材/食品/机械/石油等行业，温度控制更具有重要的作用。不同生产和不同的控制要求，采用的加热方式也各不一样。考虑到电阻炉能够实现较快的控制变化，能够适应复杂多变的工业生产过程，因此采用电阻炉来设计锅炉温度控制系统。 传统的温控系统采用温控仪表和接触器方式进行控制，缺点是结构较复杂，体积较大，故障率比较高，通用性较差，控制精度较低．人机交互困难，自动化程度较低，难以满足现代生产加工的需要。 当前流行的温度控制系统有单片机控制，PLC控制，工控机（IPC）控制，DCS集散型控制系统，FCS现场总线控制方式等。PLC与DCS集散控制发展越来越接近，多数情况下可以实现功能的互相替代；而工控机在要求快速、实时性强、模型复杂的工业控制系统中占有优势，但缺点是不能适应复杂多变的工业现场环境，对操作人员要求也比较高。相比，PLC在功能和成本上有优势：PLC具有传统继电控制的功能．还能扩展输入输出模块，和扩展一些智能控制模块，能够构成不同的控制系统；同时PLC功能强，集成度高，抗干扰能力强，组态灵活，工作稳定，并且具有编程简单，无需较高的专业水平，具有强大的适应性；另外PLC发展相对完善，具有明显的成本优势，因此选择PLC作为控制元件。1.2课题研究现状及发展趋势 随着数值计算机向小型，高速，大容易，低成本方向发展，传统PID控制与现代控制理论都在不断发展，取得了很大的成果，智能化和网络化成为发展趋势。 国内80年代后，对电阻炉的控制进行了广泛的研究，随单片机，工业控制机，PLC等控制系统的发展，逐步取代了继电器，模拟仪表控制。因为单片机有极高的性价比受到人们的重视，获得了广泛的应用和迅速的发展。单片机的优点有体积小，重量轻，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。软件编程比较简单，工程技术人员通过学习单片机的知识后，能根据自己的实际需要开发，实际单片机系统，并可以获得较高的经济效益。我国单片机广泛应用在工业自动化控制，自动检测，智能仪表，家用电器等各个方面。 采用新的控制方法，例如对传统负反馈，单一PID控制系统做了很多补充，使控制性能更好，同时很多系统采用现代控制理论，最优控制，自适应控制，自校正控制，自整定PID参数控制。1.3课题研究内容和思路 将锅炉温度作为被控对象，采用PID控制输出，控制固态继电器（无触点电子继电器）控制电阻炉电热丝进行加热。通过分析控制要求，进行总体设计，进行硬件设计，选择PLC和模拟量输入模块，设计主电路和控制电路，设计PLC输入和输出接线图，进行软件设计，设计控制流程图，设计PLC梯形图和语句表程序。第2章锅炉温度控制理论第2章锅炉温度控制理论2.1系统控制回路设计 电阻炉温度控制采用单回路控制进行调节，单回路控制是一有效的控制方式，单回路控制系统方框图如图2.1所示。 控制原理如下：采用温度传感器检测锅炉内温度，经变送器，将温度信号转成0到10V电压信号，然后转成数字量信号，得到温度测量值y(t)，温度测量值跟设定的温度控制值r(t)进行比较，得到偏差e(t)，经过PID控制器进行PID运算，得到PID输出，控制执行机构（固态继电器），执行机构控制被控制对象（电阻炉电阻丝的加热时间），控制温度，从而达到温度控制的目的。PID控制器r(t)PID控制器r(t)+y(t)测量值设定值偏差e(t)_执行机构被控制对象控制量温度温度检测与变送图2.1单回路控制系统方框图2.2西门子PID向导 为了控制简化，使用西门子的PID向导进行PID设定，编程软件的工具菜单，点指令向导，打开指令向导。图2.2指令向导 打开指令向导，选择PID，配置PID指令的操作，点下一步。图2.3选择PID向导 选择新建，创建第1个PID，PID0（第2次打开的话，选择PID配置0）。图2.4配置PID0 设定回路给定值标定，和回路参数，使用预设值。图2.5PID参数设定 设定回路输入选项，标定为单极性，过程变量范围低限0，范围高限32000。回路输出选项里，输出类型选择数字量，占空比周期预设1秒。图2.6输入和输出回路参数设定 设定回路报警选选项，不选择使能低限报警，不选择使能高限报警，不选择使能模拟量输入模块报警。图2.7回路报警参数设定 设定配置分配存储区，设定从VB500开始地址为PID参数地址。图2.8PID参数开始地址 命名初始化子程序和中断程序名，使用预设，不勾选增加手动控制，不使用手动控制。图2.9不选择手动控制帝3章设计方案第3章设计方案第3章总体设计3.1控制要求 检测锅炉的温度，跟设定的温度进行比较，采用PLC的PID进行控制，通过PID调节，输出脉冲信号控制固态继电器导通时间长短，来控制加热器进行加热。有急停保护，加热器过载保护，有故障进行故障显示。温度高于设定报警高温度进行温度高显示；温度低于设定报警低温度进行温度低显示；温度介于温度低报警温度和温度高报警温度之间，则进行温度合适显示。3.2设计方案控制系统方框图如图2-1所示。启动按钮启动按钮停止按钮PLC固态继电器急停开关加热器过载温度传感+变送器重量检测自动运行指示灯模拟量输入加热器故障指示灯温度高指示灯温度低指示灯温度合适指示灯图2.1系统方框图以PLC为控制核心，外部的启动按钮和停止按钮接PLC的输入，用于启动和停止系统。外部的急停开关接PLC的输入，用于有紧急情况，按下急停，立即停止系统，并进行报警。外部的加热器过载信号接PLC的输入，用于检测到加热器过载，立即停止系统，并进行报警。PLC输出接固态继电器，PLC通过PID控制Q0.0，根据测量温度和设定温度比较，和使用PID控制参数，控制Q0.0脉冲宽度，从而控制固态继电器导通角，控制加热器投入功率，控制温度稳定。PLC输出接自动运行指示灯，故障指示灯，用于指示PLC运行状态。PLC输出接温度高指示灯，温度低指示灯，温度合适指示灯，用于指示温度控制状态。温度传感器加变送器将温度信号转成0-10V电源信号，接PLC的模拟量输入，经PLC的模拟量输入转成0到32000的数字量信号，供PLC内部处理，进行运算得到当前温度，进行PID控制。南京科技职业学院毕业设计（论文）第4章硬件软件设计第4章硬件软件设计4.1PLC选择经分析，系统共使用了4路数字量输入，6路数字量输出，其中一路输出为脉冲输出，控制固态继电器，1路模拟量输入，没有使用模拟量输出，系统为小型自动化应用系统，应该选择小型PLC。 西门子的S7-200PLC是高性能的小型PLC，性价比高，使用方便，编程容易，国内外客户很多，因此选择S7-200PLC。其中的CPU224，DC/DC/DC，为直流电源，含14路数字量输入，10路数字量输出，可以满足数字量输入和输出使用需要，并有一定的备用输入和输出，为日后扩展系统和增加功能使用。 因为还需要使用1路模拟量信号，用于读取温度，因此增加加1块EM231模拟量输入模块，含4路模拟量输入，可以满足模拟量输入使用需要，并有一定的备用通道。4.2主电路和控制电路设计 主电路和控制电路如图4-1所示。图4-1主电路和控制电路图外部380V50Hz交流电，经L1，L2，L3，N供设备使用，其中L1，L2，L3是3相火线，N是零线。QF1是总断路器，FU1是总熔断器。 R1是电阻炉加热器，QF2加热器断路器，FR1是加热器过载保护热继电器，起到过载保护加热器，避免加热器长时间过载运行烧毁加热器作用。A1是3相固态继电器（无触点继电器），控制加热器，使温度稳定。PLC输出Q0.0和0V接固态继电器的控制端+和-，PLC通过PID控制Q0.0发送脉冲，控制固态继电器导通时间长短，从而控制加钱温度稳定在设定温度附近。 QF3是控制电路断路器,FU2是控制电路熔断器。HL0是电源指示灯，灯亮表示有控制电源。A2是直流开关电源，将220V50Hz交流电变成24V直流电，为PLC提供24V直流工作电源，为PLC的输入和输出提供24V直流电，同时为EM231模拟量输入模块提供24V直流电源。4.3PLC输入和输出分配为了编程和阅读方便，定义了PLC内部使用内存地址，如表4.1，4.2，4.3所示。表4.1数字量输入分配表名称PLC内部地址外部编号启动按钮I0.0SB1停止按钮I0.1SB2急停开关I0.2SB3加热器过载反馈I0.3FR1表4.2数字量输出分配表名称PLC内部地址外部编号加热固态继电器控制Q0.0自动运行指示Q0.1HL1故障指示灯Q0.2HL2温度高指示灯Q0.3HL3温度低指示灯Q0.4HL4温度合适指示灯Q0.5HL5表4.3模拟量输入分配表名称PLC内部地址外部编号温度读取AIW2TT14.4PLC输入和输出接线图PLC输入和输出接线图见图4-2所示。外部24V直流电源接PLC的L，N为PLC提供24V直流工作电源。24V直流电接PLC的数字量输入1M和数字量输入公共端，为PLC数字量输入提供24V直流电源。24V直流电接PLC的数字量输出的1L，2L和数字量输出公共端，为PLC数字量输出提供24V直流电源。24V直流电接PLC的模拟量量输入EM231的L+和M，为EM231提供24V直流电源。图4-2PLC输入和输出接线图4.5PLC内部使用地址为了编程和阅读方便，定义了PLC内部使用内存地址，如表4.4所示。表4.4数字量输出分配表名称PLC内部地址备注PID加热输出M0.0启动条件M0.1加热固态继电器控制Q0.0自动运行指示Q0.1HL1故障指示灯Q0.2HL2温度高指示灯Q0.3HL3温度低指示灯Q0.4HL4温度合适指示灯Q0.5HL5温度高报警延时T37预设1秒温度低报警延时T38预设1秒温度读取VD00-100度温度测量范围上限设定VD4预设100度温度测量范围下限设定VD8预设0度加热温度设定VD12预设60度温度高报警设定VD16预设80度温度低报警设定VD20预设20度4.6流程图设计程序流程图如图4-1所示初始化初始化否启动？否是是参数设定模拟量读取处理停止加热，进行温度高报警温度>报警高是否全速加热，进行温度低报警温度<报警低是否温度合适，进行PID控制PID运算PID输出开始急停？是否停止加热，进行报警过载是否停止加热，进行报警停止？是否结束

图4-1流程图 开始系统执行初始化，设定温度测量范围，设定PID参数，设定温度控制参数。 系统启动，进行温度读取，转换，比较。按启动按钮，系统自动运行，运行指示灯点亮。温度高于设定报警温度高温度，停止加热，同时进行延时，延时时间到，温度还是高于设定报警高温度，则温度高报警显示。温度低于设定报警温度低温度，全功率100%加热，同时进行延时，延时时间到，温度还是低于设定报警低温度，则温度低报警显示。温度在报警低温度和报警高温度范围内，则温度正常指示灯点亮，进行PID控制，调用PID参数，进行PID调节，PID输出控制Q0.0导通时间，从而控制调功器导通角，控制温度稳定。检测到有急停，停止系统，进行报警。检测到有加热器过载，停止系统，进行报警。按停止按钮，系统停止。4.7PLC梯形图程序ORGANIZATION_BLOCK主程序:OB1Network1 开机初始化，使用SM0.1系统特殊标志，开机运行一个扫描周期，进行参数设定。设定温度测量范围，预设为0到100度，VD4=100.0，VD8=0.0。Network2 开机初始化，使用SM0.1为ON一个周期，设定参数，设定控制温度，预设60度，VD12=60.0；温度高报警温度，预设80度，VD16=80.0；温度低报警温度，预设30度，VD20=30.0。Network3 开机初始化，使用SM0.1为ON一个周期，设定PID参数，设定增益P，VD512=1.0；设定采样时间S，VD516=1.0秒；设定积分时间I，VD520=10.0分钟；设定微分时间D，VD525=0.0分钟，关闭微分，使用PI进行控制。Network4 启动条件，没有急停，I0.2为OFF；没有加热器过载，I0.3为OFF，则M0.1线圈得电，M0.1常开触点闭合，允许启动加热。Network5 自动运行指示灯，按启动按钮SB1，I0.0常开触点闭合，Q0.1线圈得电，Q0.1常开触点闭合，进行自锁，系统启动，保存自动运行。按停止按钮，I0.1常闭触点断开，Q0.1线圈失电，停止自动运行。或者按急停SB3，I0.2常闭触点断开，M0.1常开触点断开，则Q0.1线圈失电，停止自动运行。或者检测到加热器过载，FR1动作，I0.3常闭触点断开，M0.1常开触点断开，则Q0.1线圈失电，停止自动运行。Network6 故障指示灯，检测到按下急停，SB3动作，I0.2常开触点闭合，则Q0.2按SM0.5频率闪烁（ON0.5秒，OFF0.5秒）。同样的，检测到有加热器过载，I0.3常开触点闭合，则Q0.2按SM0.5频率闪烁，进行故障提醒。Network7 加热PID控制,调用PID控制，PV_I是模拟量输入，这里是AIW0，是温度输入，Setpoint是设定值，这里是VD12，设定温度，Output是输出，这里选择的是离散量输出，这里是M0.0.Network8 加热固态继电器控制。系统启动Q0.1常开触点闭合，检测到温度VD0低于报警高温度VD16，同时温度VD0低于设定温度VD12，则按PID输出M0.0控制Q0.0线圈，假设温度VD0低于设定的报警低温度VD20，则跟M0.0并联，Q0.0为ON，全速加热。Network9 温度读取，调用西门子的模拟量输入处理子程序，进行模拟量输入处理。Input是模拟量输入，这里是AIW0，温度输入；ISH是模拟量输入最高值，这是32000，ISL是模拟量输出最低值，这里是0。外部是0-10V电压，对应0到32000的数字里。OSH是转换后的最高值，这里是设定的温度测量范围上限，VD4；OSL是转换后的最低值，这里是设定的温度测量范围下限，VD8。Output是转换后的值，这里是温度，VD0。Network10 温度高于报警温度高报警温度，VD0>=VD16，延迟一定时间，T37预设定时1秒，定时时间到，T37常开触点闭合，Q0.3线圈得电，温度高指示灯点亮。Network11 温度低于报警温度低报警温度，延迟一定时间，T38预设定时1秒，T38定时到，Q0.4线圈得电，温度低指示灯点亮，进行温度低报警。Network12 温度合适指示灯，温度进行低报警，高报警，则温度合适，Q0.5线圈得电，点亮温度合适指示灯。4.8语句表程序ORGANIZATION_BLOCK主程序:OB1Network1//开机初始化，设定温度测量范围，预设为0到100度。LDSM0.1LPSAR=VD4,0.0MOVR100.0,VD4LPPAR=VD8,0.0MOVR0.0,VD8Network2//开机初始化，设定参数，设定控制温度，预设60度；温度高报警温度，预设80度；温度低报警温度，预设30度LDSM0.1LPSAR=VD12,0.0MOVR60.0,VD12LRDAR=VD16,0.0MOVR80.0,VD16LPPAR=VD20,0.0MOVR30.0,VD20Network3//开机初始化，设定,PID参数LDSM0.1LPSAR=VD512,0.0MOVR1.0,VD512LRDAR=VD516,0.0MOVR1.0,VD516LRDAR=VD520,0.0MOVR10.0,VD520LPPAR=VD524,0.0MOVR0.0,VD524Network4//启动条件，没有急停，没有加热器过载，则允许启动加热LDNI0.2ANI0.3=M0.1Network5//自动运行指示LDI0.0OQ0.1ANI0.1AM0.1=Q0.1Network6//故障指示灯LDI0.2OI0.3ANSM0.5=Q0.2Network7//加热PID控制,，调用PID控制LDQ0.1CALLSBR0,AIW0,VD12,M0.0Network8//加热固态继电器控制LDQ0.1LDM0.0OR<=VD0,VD20ALDAR<=VD0,VD12AR<=VD0,VD16=Q0.0Network9//温度读取，调用西门子的模拟量输入处理子程序，进行模拟量输入处理LDSM0.0CALLSBR1,AIW0,32000,0,VD4,VD8,VD0Network10//温度高于报警温度高报警温度，延迟一定时间，预设1秒，进行温度高指示LDSM0.0AR>=VD0,VD16TONT37,10AT37=Q0.3Network11//温度低于报警温度低报警温度，延迟一定时间，预设1秒，进行温度低指示LDSM0.0AR<=VD0,VD20TONT38,10AT38=Q0.4Network12//温度合适指示灯，温度进行低报警，高报警，则温度合适LDNQ0.3ANQ0.4=Q0.5END_ORGANIZATION_BLOCK第5章总结和展望第5章总结和展望第5章总结和展望 采用西门子的S7-200PLC，外加EM231扩展模块，设计了一套基于PLC的锅炉温度控制系统。采用的是