基于PLC的锅炉加热温度控制系统设计.doc
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基于PLC的锅炉加热温度控制系统设计
DESIGNOFBOILERTEMPERATURECONTROLSYSTEM
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摘要
本文主要介绍了工业温度控制的发展前景、S7-200系列PLC的基本知识以及锅炉温度控制系统的工作流程、基本原理和组成结构。
通过对锅炉温度控制系统设计要求的分析，给出锅炉温度控制系统的I/O口分配表和系统原理图并且以可编程控制器（PLC）为核心，根据系统的控制要求利用STEP7编程软件设计系统的梯形图。
该系统以电热锅炉加热管为被控对象，锅炉水温为被控参数同时兼顾锅炉内压力及水位等条件，以PLC为控制器，锅炉加热管通电时间为控制参数设计了一个温度控制系统。
其中调用了西门子公司PLC中自带的PID模块，以更简洁更方便的方法完成了锅炉温度的自动控制设计。
本文从系统的工作原理、系统硬件选型、系统软件编程以及组态监控画面设计等方面进行阐述。
关键词电热锅炉；温度控制；PLC；PID；固态继电器
Abstract
Thisarticlefocusesontheindustrialdevelopmentprospectsoftemperaturecontrol,basicknowledgeofS7-200seriesPLCaswellastheboilertemperaturecontrolsystemmadeupofworkprocesses,principles,andstructure.Throughtheanalysisofboilertemperaturecontrolsystemdesign,I/Oportallocationtableoftemperaturecontrolsystemoftheboiler,systemschematicsandaprogrammablelogiccontroller（PLC）asthecore,accordingtothecontrolsystemrequirestheuseofSTEP7programmingsoftwaresystemdesignofladderdiagram.Thesystemtoelectricboilerheatingtubestoachargedobject,parametersofboilerwatertemperaturetobecontrolledboththepressureandthewaterlevelintheboilerandotherconditions,thePLCcontroller,boilerheatingpowerparameterdesignofatemperaturecontrolsystemforcontrol.WhichiscalledtheSiemensPLCcomeswithPIDmodules,andamoreconciseandmoreconvenientwaytocompletetheautomaticcontrolsystemdesignoftheboilertemperature.Thispaperdescribedtheworkingprincipleofthesystem,systemhardwareselection,systemsoftwareprogrammingandconfigurationofthemonitorscreendesign.
KeywordsElectricboilerTemperaturecontrolPLCPIDSolidStateRelays
II
目录
1绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本文研究内容 2
2温度控制系统设计 3
2.1温度控制系统工作原理 3
2.2PID控制及参数整定 3
2.2.1PID控制原理 3
2.2.2PID参数的整定 4
3系统硬件设计 7
3.1PLC的产生和特点 7
3.1.1PLC的产生与应用 7
3.1.2PLC的特点 7
3.2PLC控制系统设计的基本原则和步骤 7
3.2.1PLC控制系统设计的基本原则 8
3.2.2PLC控制系统设计的一般步骤 8
3.3系统整体设计方案 9
3.4PLC选型 9
3.4.1PLC的主机模块 9
3.4.2PLC的I/O扩展模块 10
3.4.3PLC的选择 10
3.5传感器选型 10
3.5.1温度传感器选型 10
3.5.2PT100温度变送器选型 11
3.5.3压力传感器选型 11
3.5.4液位传感器选型 12
3.6固态继电器 12
3.6.1固态继电器的原理分析 12
3.6.2固态继电器的组成 12
3.6.3固态继电器的优缺点 13
3.7数码管 13
3.8系统工作流程及硬件接线 14
3.8.1系统工作流程 14
3.8.3系统主电路图 14
3.8.4系统控制电路图 14
3.8.5PLC硬件连接图 15
3.8.6I/O端口分配 17
4软件设计 19
4.1系统流程图 19
4.2PID控制器的参数整定 19
4.3PLC程序梯形图设计 23
5人机界面设计 33
5.1组态软件基础 33
5.1.1组态定义 33
5.1.2组态王软件的特点 33
5.1.3组态王软件仿真的基本方法 33
5.2组态变量的建立及设备连接 33
5.2.1新建项目 33
5.2.1新建设备 34
5.2.3新建变量 35
5.2.4变量与PLC的传输 36
5.3创建组态画面 37
5.3.1新建主画面 37
5.3.2新建PID参数设定窗口 38
5.3.3新建实时曲线 38
5.3.4新建历史曲线 39
5.3.5新建报警窗口 39
6系统仿真及测试 41
6.1系统运行 41
6.2运行结果 41
6.2.1参数设定画面 41
6.2.2实时趋势曲线 42
6.2.3历史趋势曲线 42
6.2.4报警窗口 42
结论 44
致谢 45
参考文献 46
附录 47
49
1绪论
1.1课题背景及意义
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计算机控制技术，既能提高系统的自动化程度又能提高其控制精度。
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。
PLC从上世纪80年代至90年代中期起发展十分迅速。
在这时期，PLC网络能力、人机接口能力、数字运算能力和处理模拟量能力等发展迅速。
由此，PLC逐渐进入过程控制领域，并在部分应用上取代了原来处于统治地位的DCS系统。
PLC具有具有编程方法简单易学、可靠性高、抗干扰能力强、适应性强、通用性好、功能强大、性价比高、体积小、功耗低、设计施工周期短等诸多优点[1]。
PID控制是迄今为止应用最广泛的控制方法之一。
因为其可靠性高、稳定性好、算法简单，所以在过程控制中被广泛应用，尤其适用对于可建立精确数学模型的确定性系统尤其适用。
PID控制的效果由四个参数决定，即采样周期TS、比例增益系数KP、积分时间系数Ti、微分时间系数Td。
所以，PID参数的整定与微调一直是自动控制领域着重研究的课题。
PID在工业过程控制中已应用了上百年的时间，在此期间虽然出现了许多新兴算法，但由于PID算法自身的特点，再加上人们在此期间所积累的丰富经验，使其经久不衰。
在PID算法中，对于P、I、D三个参数的整定和优化的问题是关键问题[2]。
1.2国内外研究现状
1970年以来，因为工业过程控制的发展，尤其是计算机技术和微电子技术以及自动控制理论和方法的发展，国外温控系统的发展极为迅猛，并在自我适应、参数整定和智能化等方面取得了丰富成果。
在这方面，以德国、美国、日本、瑞典等国的技术领先，都生产出了一批性能优秀、商品化的温度控制器，并得到了广泛应用。
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、稳定性好的特点。
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[3]。
目前，国外温度控制系统正朝着小型化、高精度、智能化等方面高速发展。
但我国目前生产出来的温度控制器，仍处于相对低的水平，同德国、美国等先进国家相比，仍然差距很大。
目前，这方面的总体技术水平国内仍然处于上世纪80年代中后期水平，产品仍以“点位”控制以及常见的PID控制器为主，目前对于一般温度系统控制可以达到要求，但对于时变、滞后、复杂的温度系统控制难以适应，而对于要求较高控制场合的智能化、自适应控制仪表等，国内的技术还达不到要求，可以形成商品化并大范围使用的控制仪表还很少。
可见我国在温度控制仪表业还差国外相关行业很远。
1.3本文研究内容
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，控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。
本文使用德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，系统首先由温度传感器将检测到的实际水温转化为电流信号，经过EM235模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制锅炉加热的通断来实现对水温的控制。
对于监控画面，利用亚控公司的组态软件“组态王”绘制。
全论文分六章，各章的主要内容说明如下。
第一章，对锅炉温度控制系统的背景意义及国内外的发展状况进行了阐述。
第二章，简单概述了系统框图及PID控制原理。
第三章，主要在系统框图基础上根据系统需要选择系统中所需各类硬件型号。
同时绘制系统电路图、控制电路图及硬件连接图。
第四章，在硬件设计的基础上，通过工程整定法确定系统PID控制参数并完成本文的详细程序设计。
第五章，详细介绍了利用亚控公司的组态软件“组态王”进行系统监控画面的设计。
第六章，对系统进行仿真与测试。
2温度控制系统设计
2.1温度控制系统工作原理
在本控制系统中，温度传感器将检测到的水温信号转化为电流信号送入模拟量输入模块EM235。
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。
图2-1中SP为设定温度值，PV为反馈温度值。
PLC
EM235
固态继电器
锅炉电热管
EM235
温度传感器
SP
+
T
-
PV
图2-1锅炉温度控制系统框图
2.2PID控制及参数整定
2.2.1PID控制原理
在控制系统中，控制器一般最常用的控制规律是PID控制。
一般的PID控制原理见图2-2。
系统由PID控制器及被控对象组成。
积分
比例
微分
被控对象
+
+
+
u（t）
e（t）
r（t）+
-
c（t）
图2-2PID控制系统原理框图
PID控制器是一种线性控制器，它由给定值r（t）与实际输出值c（t）构成偏差：
式（2.1）
将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。
它的表达式为：
式（2.2）
转化成传递函数为：
式（2.3）
式中为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。
从系统的稳定性、稳态精度、超调量和响应速度等方面考虑，PID各环节有如下作用：
比例（P）调节作用：
能按比例反映系统的偏差，比例调节能在系统出现偏差时立即产生作用。
比例作用越大，调节速度越快，但是一旦过大就会降低系统的稳定性，导致不稳定。
具体分为对动态特性的影响和对稳态特性的影响：
（1）对动态特性的影响：
比例控制参数加大使系统动作灵敏，运转速度变快，KP越大，振荡次数变多，调节时间也相应的变长。
当KP太大时，系统会不稳定，当KP太小时，系统会运行缓慢。
（2）对稳态特性的影响：
在系统相对稳定的情况下，比例参数KP变大，稳态误差就会减少，这样可以提高精度，不过对于消除稳态误差无帮助。
积分（I）调节作用：
可以消除系统的稳态误差。
只要系统产生误差，积分调节就会作用，直至无差时积分调节才会停止。
积分作用大小由积分常数Ti决定且与之成反比，Ti越大，积分作用越弱。
系统中加入积分环节会使系统稳定性下降，动态响应变慢。
所以积分作用通常是与另两种调节环节相结合，组成PI调节器或PID调节器。
具体分为对动态和稳态特性的影响：
（1）积分会引起系统稳定性下降，Ti太小系统会不稳定，甚至会出现振荡；Ti太大对系统的作用又会缩减，只有当Ti相对合适的时候才能出现理想的过度特性。
（2）积分可以降低系统的稳态误差同时也能提高系统的精度，不过，当Ti太大的时候，积分的作用也很小，稳态误差也就不会减少了。
微分（D）调节作用：
微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。
因此，可以改善系统的动态性能。
在微分时间选择合适情况下，可以减少超调量，减少调节时间。
微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。
此外，微分反应的是变化率，所以当输入没有变化时，微分作用输出为零。
微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。
2.2.2PID参数的整定
PID调试一般原则
在输出不振荡时，增大比例增益P。
在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。
在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。
计算整定法：
进行整定时先进行P调节，使I和D作用无效，观察温度变化曲线，若变化曲线多次出现波形则应该放大比例（P）参数，若变化曲线非常平缓，则应该缩小比例（P）参数。
比例（P）参数设定好后，设定积分（I）参数，积分（I）正好与P参数相反，曲线平缓则需要放大积分（I），出现多次波形则需要缩小积分（I）。
比例（P）和积分（I）都设定好以后设定微分（D）参数，微分（D）参数与比例（P）参数的设定方法是一样的。
一般步骤
（1）确定比例增益P
对比例增益P的数值确定时，先直接去掉积分与微分项，即令Ti=0、Td=0，让PID调节变为单纯的比例调节。
输入设定先定为系统允许的输入最大值的60%~70%，由0开始逐步增大比例增益P，直到该系统发生振荡；然后再反过来，从出现振荡时的比例增益P值开始缓缓往下减，当系统振荡消失时记录对应的P值。
系统的PID调节比例增益P即设定为此值的60%~70%，调试即完成。
（2）确定积分时间常数Ti
确定P值后，首先确定一个较大的积分时间常数初值，然后逐渐减小Ti，直到系统发生振荡，之后再反过来，缓缓加大Ti，当系统振荡消失时记录此时的Ti，系统的积分时间常数Ti即设定为当前值的150%~180%，Ti调试至此完成。
（3）确定积分时间常数Td
Td一般情况为0，不另外设定。
如有需要，其设定方法同P和Ti的调试方法，数值设定为不振荡时的30%。
（4）当系统空载以及带载时联调，然后再进行微调，直至满足系统要求。
工程整定法：
工程整定法主要依赖经验，在控制系统的直接试验中进行，上手简单方法，比较容易掌握，在实际生活中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界衰减法、比例法和反应曲线法这三种方法。
这三种方法都各有特点，其的共同点为均通过实验得出结论，对控制器参数整定时依据工程经验公式。
采用这三种方法得到的参数仍然需要在实际运行时作调整。
扩充临界比例度法：
扩充临界比例度法也是实验经验法中应用广泛的一种，它最大的好处是，参数的整定直接在现场整定、简单易行。
它对有自平衡特性的受控对象尤其适用，同时扩充了连续时间PID控制器参数整定的临界比例度法。
扩充比例度法整定数字PID控制器参数的步骤是：
（1）首先选择一个足够短的采样周期。
一般TS应比受控对象纯延迟时间的十分之一还小。
（2）让系统采用此TS工作。
首先去掉积分与微分作用，将控制变成纯比例控制器，形成闭环。
然后将比例放大系数KP逐步放大，当系统出现临界振荡时停止，然后将此时的KP记为Kr，临界振荡周期则为Tr。
（3）选择控制度。
即将连续时间PID控制器作为基准，把数字PID控制效果与之比较。
控制效果的评价函数一般为误差平方积分。
（4）定义控制度。
采样周期TS的大小会决定采样数据控制系统的品质，相同条件下采样数据控制系统的控制品质会比连续时间的差一些。
因此，控制度一般都是要大于1的，而且采样数据控制系统的品质好坏与控制度大小成反比。
所以系统的控制品质好坏决定控制度的选择。
（5）参数由查表决定。
（6）运行及修正。
将上述所得各参数输入PID控制器，将系统闭环运行，然后观察相应效果，然后做适当调整。
3系统硬件设计
3.1PLC的产生和特点
3.1.1PLC的产生与应用
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。
从此这项技术迅速发展起来。
随着PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。
目前，PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、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。
PLC的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等[4]。
S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。
在2000年以前，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型PLC，日本的小型PLC占据了中国的大部分市场份额。
在S7-200PLC推出后，这种情况得到了明显改变，最近几年来的小型PLC市场上S7-200PLC成为了主流产品。
可编程逻辑控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。
其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。
西门子最小的小型PLC产品是在上世纪末推出的S7-200CPU21*系列的PLC，但很快就被CPU22*系列的产品所取代。
因为它拥有多个功能模块和人机界面可供选择，所以系统的集成非常方便，并且相对来说比较容易的就组成了PLC网络。
以此同时它还具有功能完全的编程软件和工业组态软件，这使其可以简单的完成控制系统的设计。
现在最新版的S7-200系列PLC是在2004年推出的，它的主要特点是：
较高的可靠性、丰富的指令集、丰富的内置集成功能、实时特性强和强大的通信能力。
3.1.2PLC的特点
（1）抗干扰能力强，可靠性高。
（2）控制系统结构简单，通用性强。
（3）编程方便，易于使用。
（4）功能强大，成本低。
（5）设计、施工、调试的周期短。
（6）维护方便。
3.2PLC控制系统设计的基本原则和步骤
3.2.1PLC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）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。
3.2.2PLC控制系统设计的一般步骤
图3-1PLC控制系统设计一般步骤
3.3系统整体设计方案
在第二章基础上，系统整体具体设计方案见图3-2。
图3-2整体设计方案
3.4PLC选型
3.4.1PLC的主机模块
本文选择的是西门子S7-200系列PLC，可以单机运行，也可以进行输入/输出和功能模块的扩展。
它价格低廉，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，性能价格比非常高，在各行各业中迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。
CPU22*系列PLC按I/O点数的多少和效能不同而分为五种不同结构的配置，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。
（1）CPU221 本机集成6输入/4输出，无扩展能力，程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数功能和通信功能，非常适合于少数点的或特定的控制系统使用。
（2）CPU222 本机集成8输入/6输出，和CPU221相比，它最多可以扩展2个模块，是应用更为广泛的全功能控制器。
（3）CPU224 本机集成14输入/10输出，和前两者相比，程序存储容量扩大了一倍，数据的存储容量扩大了四倍，它最多可以扩展7个模块，有强大的模拟量和高速计数处理能力。
（4）CPU224XP 其大部分功能都和CPU224相同，最大的不同是，在主机上增加了2个输入/1个输出的模拟量单元和一个通信口。
（5）CPU226 本机集成24输入/16输出，与CPU224相比，程序存储容量扩大了一倍，它有两个通信口，通信能力更为强大。
它可用于点数较多，要求较高的小型或中型控制系统。
3.4.2PLC的I/O扩展模块
当系统所需的I/O点数较多或要求执行特殊功能时，必须进行I/O扩展。
常用的输入/输出扩展模块有：
（1）输入扩展模块EM221：
分为8点DC输入和8点AC输入两种。
（2）输出扩展模块EM222：
分为8点DC晶体管输出、8点AC输出和8点继电器输出三种类型。
（3）输入/输出混合扩展模块EM223有六种：
分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输
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