基于FB41PID与FB43PWM的锅炉水温控制系统硬件设计水.docx
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基于FB41PID与FB43PWM的锅炉水温控制系统硬件设计水
基于FB41PID+FB43PWM的锅炉水温控制系统硬件设计
HardwareDesignofWaterTemperatureControlSystemforBoilerBasedonFB41PIDandFB43PWM
基于FB41PID+FB43PWM的锅炉水温控制系统硬件设计
[摘 要]在西门子S7-300可编程控制器的平台下，设计了电加热锅炉的温度控制硬件系统，接着对系统的硬件设计从选型开始进行分析，并阐述了每个元件的特性、适用范围和承载负荷，最终设计了控制回路图、电气原理图、电气接线图等一系列图纸，并根据图纸搭建硬件系统，最后通过不同的程序对硬件系统进行了验证，结果表明：
硬件系统的输入输出量能快速准确地通过上位机进行监控，达到了良好的控制效果。
[关键词]电加热锅炉；硬件设计；可编程控制器；温度控制
HardwareDesignofWaterTemperatureControlSystemforBoilerBasedonFB41PIDandFB43PWM
ElectricalEngineeringandAutomationSpeciallySHUIXin-xin
Abstract:
TemperaturecontrolhardwaresystemforelectricheatingboilerhasbeendesignedbasedontheplatformofSiemensS7-300PLC,thenanalysisthehardwaredesignforthesystemsuchasselection,characteristicsofeachcomponent,rangeofapplication,bearingloadsandsoon,designthediagramofcontrol,thediagramofprinciple,thediagramofconnectionandaseriesofdrawings,accordingtothedrawingstosetupthehardwaresystem,useofthedifferentprogramsinspectionofthehardwaresystem,theresultsshowthat，theinputandtheoutputcanbetransmittedquicklyandaccuratelybythecomputerofthehardwaresystem,achieveagoodeffectofcontrol.
Keywords:
Electricheatingboiler;hardwaredesign;programmablelogiccontroller;temperaturecontrol
1引言
在工业过程控制领域，特别是在微电子技术和计算机技术领域以及自动控制方面，都需要我们有先进的温度控制器做后盾，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，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统。
而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟。
参数大多靠人工经验及现场调试来确定。
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必然的发展趋势。
当前用于工业控制的计算机可分为:
可编程控制器（PLC）、基与PC总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置等。
可编程控制器是应用广泛、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，已成为现代工业自动化的重要支柱。
本题目设计了基于PLC的温度控制系统。
在工业自动化领域内，PLC（可编程控制器）以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。
目前的工业控制中,常常选用PLC作为现场的控制设备,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用HMI/SCADA软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示,实现监控、管理、分析和存储等功能。
这种监控系统充分利用了PLC和计算机各自的特点，得到了广泛的应用。
本题目就是在这种方式的基础上设计了一套温度控制硬件系统。
以基于PLC的下位机和完成HMI/SCADA功能的上位机相结合,构建成温度控制系统,实现了温度自动控制[1]。
PID过程控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效果。
组态软件力控因其简单易用的特点，在HMI设计中深受用户的喜欢而得到广泛的使用。
2系统组成
2.1控制系统方案
系统选用西门子S7-300PLC作为控制器，控制对象为自制的小型不锈钢模拟锅炉。
上位机一台，通过MPI通讯与PLC相连，实现对系统的操作与监控。
温度传感器采用最常用的热电偶测量温度，温度信号经热电偶变成热电势信号再经过变送仪表输出标准信号接入PLC模拟量输入模块，在经FB41PID与FB43PWM对信号运算处理后输出脉冲信号控制接触器的通断，从而控制加热丝的通电占空比，以此来控制锅炉温度。
正在工作的硬件系统完整展示图，如图1所示。
图1硬件系统完整展示图
2.2控制回路
根据构思出的控制原理，结合实际条件以及常用的控制方法，设计出温度控制原理图，如图2所示。
温度传感器采用热电偶，信号经变送仪表输出标准信号接入PLC模拟量输入模块，在经FB41与FB43对信号运算处理后输出脉冲信号控制继电器的通断，进一步控制接触器，从而控制加热丝的通电占空比以此来控制锅炉温度。
图2控制回路图
2.3电气原理图
依据锅炉温度控制回路，先构思出电气控制的原理图，来自电源的220V电压首先要经过漏电断路器，漏电断路器在过电流或者过负荷时会自动跳闸，以防发生短路或者过载，损坏元件。
从漏电断路器正端引出，一路送到PLC，另一路送到电源指示灯，指示灯要与相关控制的继电器常开触点串联，再送回到断路器负端，形成回路。
PLC的L+端和输入端口接到相应的按钮两端，形成一个输入回路，PLC的M端和输出端口接到相应的继电器常闭触点两端，形成一个输出回路。
接触器的通断由中间继电器3的接通与否进行控制，接触器得电时锅炉的加热丝开始工作，锅炉具体的工作效率与接触器的得电时间成正比，这需要程序进行控制。
电气原理图设计中，用到了三个指示灯、三个继电器、一个接触器、三个按钮、一台AI818仪表、一个J型热电偶、一台自制小型锅炉、一个电源模块、一个漏电断路器、一套S7-300硬件系统（包含一台电源模块、一台CPU、一台SM321模块、一台SM322模块、一台SM334模块）、导线若干、20点的端子排两个。
电气原理图，如图3所示。
图3电气原理图
3硬件选型设计
3.1S7-300PLC的硬件组成
S7-300是模块化PLC系统，能满足中等性能控制系统的要求[2]。
各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同的系统。
S7-300具有强大的通信功能，通过STEP-7编程软件的用户界面提供通信硬件组态功能，这使得组态非常容易、简单。
此外，S7-300PLC还具有多种不同的通信接口，通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统。
3.1.1中央处理单元（CPU）
各种CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU模块有一个MPI和一个PROFIBUS-DP接口，有的CPU模块有一个MPI/DP接口和一个DP接口[3]。
CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒（有的CPU没有）。
CPU内的元件封存在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，旧式的CPU还有后备电池盒，存储器插槽可以插入FlashEPROM微存储卡，简称MMC，用于掉电后程序和数据的保存，用来扩展CPU的存储器容量。
可使用模式选择开关设置当前的CPU运行模式。
开关有4个位置，其含义如表1所示。
表1CPU的四种运行模式
位置
含义
说明
RUN-P
运行编程模式
CPU不仅执行用户程序，在运行时还可以通过编程软件读出和修改用户程序，以及改变运行方式
RUN
运行模式
CPU执行用户程序，可以通过编程软件读出用户程序，但是不能修改用户程序
STOP
停止模式
CPU不执行用户程序，通过编程软件可以读出和修改用户程序
MRES
存储器复位模式
MRES位置不能保持，在这个位置松手时开关将自动返回STOP位置。
将模式选择开关从STOP状态扳到MRES位置，可以复位存储器，使CPU回到初始状态。
工作存储器、装载存储器中的用户程序和地址区被清除，全部存储器位、定时器、计数器和数据块均被删除，即复位为零，包括有保持功能的数据。
系统参数、CPU和模块的参数被恢复为默认设置，MPI的参数被保留。
如果有存储器卡，CPU在复位后将它里面的用户程序和系统参数复制到工作存储器区
3.1.2负载电源模块（PS）
负载电源模块用于将AC220V电源转换为DC24V电源，供CPU和I/0模块使用。
额定输出电流有2A、5A和l0A三种，输出电压时隔离的，且具有短路保护，电源模块上有一个LED指示灯来指示电源是否正常工作，当输出电压过载时，模块上的LED指示灯闪烁[4]。
PS307电源模块（5A）具有以下显著特性：
（1）输出电流5A。
（2）输出电压24VDC，防短路和开路保护。
（3）连接单相交流系统（输入电压120/230VAC，50/60Hz）。
（4）可靠的隔离特性，符合EN60950标准。
（5）可用作负载电源。
3.1.3信号模块（SM）
信号模块是数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配。
信号模块主要有数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322，模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。
模拟量输入模块可以输入热电阻、热电偶、DC4～20mA和DC0～10V等多种不同类型和不同量程的模拟信号。
每个模块上有一个背板总线连接器，现场的过程信号连接到前连接器的端子上[5]。
S7-300有多种数字量输入/输出模块，其输入/输出电缆最大长度为1000m（屏蔽电缆）或600m（非屏蔽电缆），本次设计选用的有以下三种：
（1）数字量输入模块SM321
数字量输入模块将来自现场的数字信号电平转换成PLC内部信号电平，经过光电隔离和滤波后，送到输出缓冲区等待CPU采样，采样后的信号状态经过背板总线进入输入映像区。
根据输入信号的极性和输入点数，SM321共有14种数字量输入模块。
这次设计选用的是订货号为：
6ES7321-1BL00-0AA0这种，32点输入。
（2）数字量输出模块SM322
数字量输出模块将S7-300内部信号电平转换成现场所需要的外部信号电平，可直接驱动电磁阀线圈、接触器线圈、微型电动机、指示灯等负载。
根据负载回路使用电源的要求，数字量输出模块有：
直流输出模块（晶体管输出方式）；交流输出模块（晶闸管输出方式）；交直流输出模块（继电器输出方式）；设计选用的是继电器输出方式的，订货号：
6ES7322-1BH01-0AA0。
（3）模拟量I/O模块SM334
模拟量I/O模块SM334有两种规格，一种是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为8位，另一种也是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为12位。
这次选用的是8位的模块，订货号：
6ES7334-0CE01-0AA0，SM334模块输入测量范围为0～10V或0～20mA，输出范围为0～10V或0～20mA。
它的I/O测量范围的选择是通过恰当的接线而不是通过组态软件编程设定的。
与其它模拟量模块不同，SM334没有负的测量范围，且精度比较低。
SM334的通道地址如表2所示[6]。
表2SM334的通道地址
通道
地址
输入通道0
模块的起始
输入通道1
模块的起始＋2B的地址偏移量
输入通道2
模块的起始＋4B的地址偏移量
输入通道3
模块的起始＋6B的地址偏移量
输出通道0
模块的起始
输出通道1
模块的起始＋2B的地址偏移量
3.1.4功能模块（FM）
功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务，例如计数器模块、快速/慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、定位和连续路径控制模块、闭环控制模块、工业标识系统的接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置解码器等，这次设计只用到了简单的数字量输入输出模块和模拟量输入模块，没有用到功能模块[7]。
3.1.5通信处理器（CP）
通信处理器用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入PROFlBUS-DP、AS-I和工业以太网，或用于实现点对点通信等[8]。
通信处理器可以减轻CPU处理通信的负担，并减少用户对通信的编程工作，本次设计中只有一个控制对象，只用了一台PLC，然后用力控组态对锅炉温度进行监控，继而控制继电器的脉冲输出，没有用到CP模块。
3.1.6接口模块（IM）
接口模块IM用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。
常用的有IM360、IM361、IM365三种，IM365用于一个中央机架和一个扩展机架的配置中，S7-300通过分布式的主机架和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器。
由于控制对象简单，设计中没有用IM模块[9]。
3.1.7扩展机架
除了带CPU的中央机架（CR），S7-300PLC最多可以增加3个扩展机架（ER），每个机架可以插8个模块（不包括电源模块、CPU模块和接口模块IM），4个机架最多可以安装32个模块。
机架的最左边是1号槽，最右边是11号槽，电源模块总是在I号槽的位置。
中央机架（0号机架）的2号槽上是CPU模块，3号槽是接口模块。
这3个槽号被固定占用，信号模块、功能模块和通信处理器使用4～11号槽。
本设计只有一个中央机架，没有扩展机架[10]。
常用铝质导轨用来固定和安装S7-300上述的各种模块。
DIN导轨是S7-300可编程序控制器的机械安装机架。
该导轨用螺丝紧固安装固定物，S7-300的所有模块均直接用螺丝紧固在导轨上。
导轨采用铝金属制作，为了防止表面铝被氧化影响接地性能，表面特别电镀上金属层，另设接地螺丝，保证装上模块的整个系统有效的接地[11]。
3.2锅炉
锅炉采用的是自制的小型不锈钢模拟锅炉，底部有一根加热丝，加热丝功率为1500W，额定容量为12L，包装尺寸:
340*340*520mm，额定电压为220V，额定频率为50Hz，通过接触器控制通电与否。
当工作电压为U=220V，工作电流I=6.8A，加热对象选择用水，自制锅炉外观，如图4所示。
图4自制锅炉
3.3传感器
传感器种类繁多，本次设计只涉及到温度量，所以选用最常用的测温元件热电偶。
热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度。
热电偶测温的基本原理是两种不同材质的导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。
两种不同成份的均质导体称为热电极，温度较高的一端称为测量端，温度较低的一端称为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。
如图5所示热电偶工作原理演示图。
图5热电偶工作原理演示图
标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按工EC国际标准生产，并指定S,B,E,K,R,J,T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶[11]。
本次设计的测温范围在0～100℃之间，测量温度既不在高温区也不在低温区，工作环境没有氧化性气体、没有惰性气体更没有真空限制，测量精度达到0.1℃就可以，因而根据各类热电偶的测温范围和使用范围以及特性，最后选用了J型热电阻。
J型热电偶就是铁-铜镍热电偶，是一种价格便宜的廉金属的热电偶。
它的正极（JP）的化学成分为纯铁，负极（JN）的化学成分为铜镍合金。
J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,广为用户所采用，外观如图6所示。
J型热电偶可用于真空，氧化，还原和惰性气氛中，但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度受到限制，也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。
铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200～1200℃，通常使用的测温范围为0～750℃。
图6J型热电偶
如表3所示是J型热电偶的部分分度表。
默认的自由端温度是0℃，如果知道温度，可以查到热电偶的输出热电势，如果知道热电偶的输出热电势，可以查到对应的温度值。
表3J型热电偶的分度表
JJG351-1996
铁-铜镍合金（康铜）热电偶（J型）E（t）分度表参考温度：
0℃
单位：
mV
t（℃）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
0.000
0.050
0.101
0.151
0.202
0.253
0.303
0.354
0.405
0.456
10
0.507
0.558
0.609
0.660
0.711
0.762
0.814
0.865
0.916
0.968
20
1.019
1.071
1.122
1.174
1.226
1.277
1.329
1.381
1.433
1.485
30
1.537
1.589
1.641
1.693
1.745
1.797
1.849
1.902
1.954
2.006
40
2.059
2.111
2.164
2.216
2.269
2.322
2.374
2.427
2.480
2.532
50
2.585
2.638
2.691
2.744
2.797
2.850
2.903
2.956
3.009
3.062
60
3.116
3.169
3.222
3.275
3.329
3.382
3.436
3.489
3.543
3.596
70
3.650
3.703
3.757
3.810
3.864
3.918
3.971
4.025
4.079
4.133
80
4.187
4.240
4.294
4.348
4.402
4.456
4.510
4.564
4.618
4.672
90
4.726
4.781
4.835
4.889
4.943
4.997
5.052
5.106
5.160
5.215
100
5.269
5.323
5.378
5.432
5.487
5.541
5.595
5.650
5.705
5.759
热电势的计算如公式1如下，t为测量端温度，
为自由端温度
（1）
可以通过仪表测得电压值，
可以通过分度表查得电压值，进而可以计算出
的电压值，然后在分度表中找到该电压值所对应的温度，就是测量端的温度t。
3.4人工智能仪表AI818
图7是人工智能仪表的使用说明及操作说明图
图7面板说明及操作说明图
①输出指示灯②报警1指示灯
③报警2指示灯④手动调节指示灯
⑤显示转换（兼参数设置进入）⑥数据移位（兼手动/自动切换及程序设置进入）
⑦数据减少键（兼程序运行/暂停）⑧数据增加键（兼程序停止操作）
⑨给定值显示窗⑩测量值显示窗
因为设计选用了SM334作为模拟量输入模块，这款模块只能接收标准的电流或者电压信号，所以我们从热电偶测得的热电势要经过温度变送仪表变为标准信号才能送到PLC模块上，而AI818作为很常用又很普遍的变送仪表，可以处理温度、压力、流量、液位、湿度等信号，这次使用的就是温度变送功能。
仪表响应时间≤0.5s；报警功能：
上限、下限、正偏差、负偏差等4种方式；手动功能：
自动／手动双向无扰动切换；电源：
85－264VAC／50－60Hz；电源消耗：
≤5W；环境温度：
0－50℃。
使用前要对先对仪表进行参数设置，输入规格（Sn）选5，表示J型热电偶；控制方式（Ctrl）选0，表示要求不高的场合，位式调节；输出方式（op1）选2，表示0-20mA线性电流输出，主输出模块上安装安装线性电流输出模块；运行状态（run）选1，表示自动调节状态。
人工智能仪表背部引脚接线图如图8所示。
图8仪表接线图
注：
9，10两端接电源，线性电压量程在1V以下的由3,2端输入，0～5V及1～5V的信号由1,2两端输入。
4～20mA线性电流输入可以用250欧电阻变为1～5V电压信号，然后从1、2端或3、2两端输入。
OUT的7、8两端并上250欧的电阻，接输出[12]。
3.5继电器
根据本次设计的要求，在选用继电器时主要考虑工作条件以及安装使用方便还有工作稳定性，加热丝功率是1500W，最大工作电流I=6.8A，因此选用HH52P型小型继电器，HH52P系列小型继电器，配套底座PYF08A,适用于交流50Hz或60Hz，可承受电流AC：
7A,DC：
5A，符合锅炉加热丝的负载要求，线圈的承受电压AC：
6～380V，DC：
5～220V，供电子设备、通讯设备、电子计算机控制设备、自动化控制装置等动作切换电路及扩大控制范围使用。
规格品种属于基型、磁保持性、带指示灯、带浪涌抑制；电寿命：
50万次；安装方式：
插拔式；特点：
体积小、容量大、寿命长。
底部有八个引脚，分别为1、2、3、4、5、6、7、8，说明如下：
7、8为线圈1、3、5是一组触头，5是公共点，5与1为常闭，5与3为常开，2、4、6为一组触头，6是公共点，6与2为常闭，6与4为常开，当7、8得到线圈额定电压后，5、3闭合5、1断开；同时6、4闭合，6、2断开，失电后恢复原状。
HH52P继电器和配套的底座PYF08A外观，如图9所示。
图9HH52P继电器及底座PYF08A
3.6接触器
根据设计选用的加热丝功率为1500W，电压为220V，正常工作电流I=6.8A，没有特殊要求，所以接触器就可以选用使用广泛的、购买方便的、价格较低的CJ20-10型交流接触器。
CJ20-10交流接触器（以下简称接触器）适用于50Hz，最大电压至660V电流至63A的电力系统中接通与分断电路，还可用于与适当的热继电器或电子式保护装置组合成电机起动器以保护可能发生过载的电路。
进线接1/L13/L25/L37/L4三相四线制，出线接2/T14/T26/T38/T4三相四线制，如果只接三相可以只用前三对触头；11、12和41、42是两对常闭触头，接联锁电路和停机指示的；2324和3334是两对常开触头，接自锁电路和运行指示的。
额定绝缘电压660V，额定工作电压220V；380V,约定发热电流10A，接380
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