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基于PLC的恒温控制系统
本科生毕业论文(设计)
题目:
基于PLC的恒温控制系统
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二〇一四年五月
摘要
在工业控制领域,基于运行稳定性考虑,要对生产过程中的各种物理量进行详细的检测和控制。
这在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足轻重的作用。
其中温度控制又以其较为复杂的工艺过程而备受人们关注。
所以各种加热炉、热处理炉、反应炉等得到了广泛应用。
这些都对温度控制系统的设计提出了更高的要求。
本设计采用S7-200PLC对加热炉温度进行控制。
随着自动控制技术的迅速发展,PLC对温度的控制技术应用越来越广泛。
本文采用PLC对温度进行控制,通过合理的设计,提高温度控制水平,进而改善温度运行的稳定性,使其更加精确。
本文主要介绍了温度控制的PLC控制系统总体方案设计、设计过程、组成、梯形图,并给出了系统组成框图,分析流量逻辑关系,提出PLC的编程方法。
本系统分析了加热炉温度控制的PID控制原理,设计了系统的数学控制模型以及系统控制框图,用组态王软件组态配置工业控制监控系统,对数据进行实时监控。
通过对单回路控制系统的参数整定以及组态王的PID控制程序,实现了加热炉温度的精确控制。
通过对PLC程序的仿真调试以及对组态的系统仿真,验证了本加热炉温度控制系统的设计合理性,系统动态响应符合了最初的设计要求,也具有一定的实用价值。
关键词:
温度控制,可编程控制器,PID,组态王
Abstract
Inthefieldofindustrialcontrol,basedontheoperationalstabilityconsiderations,detectionandcontrolofvariousphysicalquantitiesintheproductionprocess.Inthemetallurgical,chemical,buildingmaterials,food,machinery,oilindustry,whichplaysadecisiverole.Temperaturecontrolanditsmorecomplexprocesseshaveattractedmuchattention.Variousfurnace,heattreatmentfurnaces,reactors,etc.hasbeenwidelyapplied.Theseareputforwardhigherrequirementsforthedesignofthetemperaturecontrolsystem.
ThisdesignusestheS7-200PLCasthecoreofthefurnacetemperaturecontrol.Withtherapiddevelopmentofautomaticcontroltechnology,PLCtemperaturecontroltechnologyisappliedmoreandmorewidely.ThispaperusedPLCtotemperaturecontrol,throughreasonabledesign,improvethetemperatureofcontrollevel,therebyimprovingthetemperaturestabilityofrunning,makingthemmoreprecise.ThisarticlemainlyintroducedthetemperatureofPLCcontrolsystemdesign,designprocess,composition,liststheflowladderdiagram,andgivestheblockdiagramofthesystem,analyzestheflowoflogicrelation,putforwardPLCprogrammingmethod.Givingsomesuggestions,basicprinciple,basicflowprogrammingideashaveroughlyunderstanding.
ThesystemanalysisofthePIDcontrolprincipleofpipelinetemperaturecontrol,hasdesignedthesystemmathematicalmodelandcontrolblockdiagramofcontrolsystem,usingtheKingviewconfigurationsoftwareconfigurationcontrolmonitoringsystem,real-timemonitoringofdata.TheparametersofsingleloopcontrolsystemtuningandKingviewPIDcontrolprocedures,toachievetheprecisecontrolofpipelineflow.ThroughthesimulationanddebuggingofPLCprogramandsystemsimulationoftheKingview,verifytherationalityofthecontrolsystemofthepipelinetemperaturedesign,dynamicresponseofthesysteminlinewiththerequirementsoftheoriginaldesign,andalsohasacertainpracticalvalue.
Keywords:
TemperatureControl,PLC,PID,Kingview
第一章前言
一.1恒温控制的现状与意义
温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。
在许多场合,及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的,近年来,温湿度测控领域发展迅速,并且随着数字技术的发展,温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台,能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
近年来,国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究,特别是随着计算机技术的发展,温度控制器的研究取得了巨大的发展,形成了一批商品化的温度调节器,如:
职能化PID、模糊控制、自适应控制等,其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。
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 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。
在这种方式的基础上设计了一套温度控制系统。
以基于PLC 的下位机和完成HMI功能的上位机相结合,构建成分布式控制系统,实现了温度自动控制。
PLC不仅具有传统继电器控制系统的控制功能,而且能扩展输入输出模块,特别是可以扩展一些智能控制模块,构成不同的控制系统,将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体,实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制。
现代PLC以集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定受到普遍欢迎,在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用,尤其适合温度控制的要求。
此外,随着工业自动化水平的迅速提高,用户对控制系统的过程监控要求越来越高,人机界面(HMI)的出现正好满足了用户这一需求。
人机界面可以对控制系统进行全面监控,包括参数监测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能,从而使控制系统变得简单易懂、操作人性化,深受广大用户的喜欢。
人机界面(HMI)在自动控制领域的作用日益显著。
HMI正在成为引导工业生产制造走向成功的重要因素,因为这些系统越来越多的用于监控生产过程,让过程变得更加准确、简洁和快速。
在工业生产中加热锅炉在全球使用非常广泛,对其控制技术的先进程度决定着对其使用率的高低。
顺应这种理念的发展,加热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。
这些核心技术主要体现在如今发展较为成熟的PLC领域。
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。
加热锅炉是机电一体化的产品,它很好的将前面所述的技术运用到实际当中去。
除此之外,它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。
再者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。
一.2系统设计要求
本设计的原理是利用扩展模块EM235(AI4/AQ1*12位)进行数据采集,然后把采集到的数据利用程序进行工程量转换,给定量与输入量相减得出偏换,送到执行器,从而构成的是单闭环控制。
(1)根据锅炉温度单回路过程控制系统的具体对象和控制要求,独立设计控制方案,正确选用传感器。
(2)根据流量单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要,正确选用PLC过程模块。
(3)根据与计算机串行通讯的需要,正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。
(4)编写基于西门子S7200的恒温控制方案,选择合适CPU的和模块,给出PLC的信号输入输出,设计PLC的电气原理接线图,并且编写PID恒温控制程序。
(5)运用组态软件,正确设计温度单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。
(6)编写组态王程序,使锅炉的出口温度输出值恒定。
程序界面上要有输入构件以设置流量,要有显示构件显示实际温度,界面要美观,要有运算代码(推荐PID运算)根据目标量和测量量产生相应的输出。
一.3设计主要内容
可编程控制器(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,已被广泛应用于工业控制的各个领域,并已成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。
PLC的应用已成为一个世界潮流,在不久的将来PLC技术在我国将得到更全面的推广和应用。
本论文研究的是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。
本论文通过德国西门子公司的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炉子加热的通断来实现对加热炉温度的控制。
同时利用亚控公司的组态软件“组态王”设计一个人机界面(HMI),通过串行口与可编程控制器通信,对控制系统进行全面监控,从而使用户操作更方便。
总体上包括的技术路线:
硬件设计,软件编程,参数整定等。
全论文分七章,各章的主要内容说明如下。
第一章,对温度控制系统应用的背景及国内外的发展状况进行了阐述,指出了本文的研究意义所在。
第二章,主要从系统设计结构和硬件设计角度,介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。
第三章,在硬件设计的基础上,详细介绍了本项目软件设计,主要包括软件设计的基本步骤、方法,编程软件STEP7--Micro/WIN的介绍以及本项目程序设计。
第四章,详细介绍了如何在亚控公司的组态软件“组态王”的基础上进行人机界面的设计。
第五章,展示了系统运行结果,然后对其分析得出结论。
第六章,总结全文。
第二章恒温控制系统硬件设计
在掌握了PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后,就可以PLC作为主要控制器来构造PLC控制系统。
本章主要从系统设计结构和硬件设计角度,介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。
二.1总体分析
学习了PLC的硬件系统、指令系统和编程方法以后,对设计一个PLC系统时,要全面考虑许多因素,不管所设计的控制系统的大小,要按照下列设计步骤进行系统设计。
如图2-1:
图2=1PLC控制系统设计步骤
二.2PLC控制系统设计的基本原则和步骤
弄懂PLC的基本工作原理和指令系统后,就可以把PLC应用到实际的工程项目中。
无论是用PLC组成集散控制系统,还是独立控制系统,PLC控制部分的设计都可以参考图2-1所示的步骤。
二.2.1PLC控制系统设计的基本原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求,以提高生产效率和产品质量。
而在实际设计过程中,设计原则往往会涉及很多方面,其中最基本的设计原则可以归纳为4点。
1.设计原则
(1)完整性原则。
最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。
(2)可靠性原则。
确保计算机控制系统的可靠性。
(3)经济型原则。
力求控制系统简单、实用、合理。
(4)发展性原则。
适当考虑生产发展和工艺改进的需要,在I/O接口、通信能力等方面留有余地。
2.评估控制任务
根据系统所需完成的控制任务,对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析,特别是从以下几个方面给以考虑。
(1)控制规模
一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。
当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时,最适合采用PLC控制。
(2)工艺复杂程度
当工艺要求较复杂时,采用PLC控制具有更大的优越性.
(3)可靠性要求
目前,当I/O点数在20甚至更少时,就趋向于选择PLC控制了。
(4)数据处理速度
若数据处理程度较低,而主要以工业过程控制为主时,采用PLC控制将非常适宜。
二.2.2PLC控制系统设计的一般步骤
PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。
所谓硬件设计,是指PLC外部设备的设计,而软件设计即PLC应用程序的设计。
整个系统的设计分以下5步进行。
1.熟悉被控对象
深入了解被控系统是设计控制系统的基础。
设计人员必须深入现场,认真调查研究,收集资料,并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论,相互配合,共同解决设计中出现的问题。
这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解,对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系;PLC与其他设备的关系,PLC之间是否通信联网;系统的工作方式及人机界面,需要显示的物理量及显示方式等。
2.硬件选择
具体包括如下。
(1)系统I/O设备的选择。
输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。
输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。
(2)选择PLC。
PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。
(3)PLC的I/O端口分配。
在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表,表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。
(4)绘制PLC外围硬件线路图。
画出系统其它部分的电气线路图,包括主电路和未进入PLC的控制电路等。
由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。
到此为止系统的硬件电气线路已经确定。
(5)计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。
3.编写应用程序
根据控制系统的要求,采用合适的设计方法来设计PLC程序。
程序要以满足系统控制要求为主线,逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序,逐步完善系统指定的功能。
程序通常还应包括以下内容:
(1)初始化程序。
在PLC上电后,一般都要做一些初始化的操作,为启动作必要的准备,避免系统发生误动作。
初始化程序的主要内容有:
对某些数据区、计数器等进行清零,对某些数据区所需数据进行恢复,对某些继电器进行置位或复位,对某些初始状态进行显示等等。
(2)检测、故障诊断和显示等程序。
这些程序相对独立,一般在程序设计基本完成时再添加。
(3)保护和连锁程序。
保护和连锁是程序中不可缺少的部分,必须认真加以考虑。
它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。
4.程序调试
程序调试分为2个阶段,第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。
程序模拟调试是,以方便的形式模拟产生现场实际状态,为程序的运行创造必要的环境条件。
根据产生现场信号的方式不同,模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。
(1)硬件模拟法是使用一些硬件设备(如用另一台PLC或一些输入器件等)模拟产生现场的信号,并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端,其时效性较强。
(2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序,模拟提供现场信号,其简单易行,但时效性不易保证。
模拟调试过程中,可采用分段调试的方法,并利用编程器的监控功能。
现场调试。
当控制台及现场施工完毕,程序模拟调试完成后,就可以进行现场调试,如不能满足要求,须重新检查程序和接线,及时更正软硬件方面的问题。
5.编写技术文件
技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。
二.3PLC的选型与硬件配置
二.3.1PLC型号的选择
本温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。
S7-200PLC属于小型整体式的PLC,本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。
它的硬件配置灵活,既可用一个单独的S7-200CPU构成一个简单的数字量控制系统,也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展,构成较复杂的中等规模控制系统。
完整的S7-200系列PLC实物如图2-2所示。
图2-2S7-200系列PLC实物图
二.3.2S7-200CPU的选择
S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。
此系统选用S7-200CPU226,CPU226集成了24点输入/16点输出,共有40个数字量I/O。
可连接7个扩展模块,最大扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。
还有13KB程序和数据存储空间空间,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。
配有2个RS485通讯口,具有PPI,MPI和自由方式通讯能力,波特率最高为38.4kbit/s,可用于较高要求的中小型控制系统。
本温度控制系统由于输入/输出点数不多,本可以使用CPU224以下的类型。
二.3.3EM231模拟量输入模块
本温度控制系统中,传感器将检测到的温度转换成0~41mv的电压信号,系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。
在这里,我们选用了西门子EM2314TC模拟量输入模块。
EM231热电偶模块提供一个方便的,隔离的接口,用于七种热电偶类型:
J、K、E、N、S、T和R型,它也允许连接微小的模拟量信号(±80mV范围),所有连到模块上的热电偶必须是相同类型,且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。
EM231模块需要用户通过DIP开关进行组态:
SW1~SW3用于选择热电偶类型,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用于选择测量单位,SW8用于选择是否进行冷端补偿。
本系统用的是K型热电偶,所以DIP开关SW1~SW8组态为00100000;EM231具体技术指标见表2-1。
表2-1EM231技术指标
型号
EM231模拟量输入模块
总体特性
外形尺寸:
71.2mm×80mm×62mm
功耗:
3W
输入特性
本机输入:
4路模拟量输入
电源电压:
标准DC24V/4mA
输入类型:
0~10V,0~5V,±5V,±2.5V,0~20mA
分辨率:
12Bit
转换速度:
250μS
隔离:
有
耗电
从CPU的DC5V(I/O总线)耗电10mA
DIP开关
SW10,SW20,SW31(以K型热电偶为例)
二.3.4热电偶温度传感器
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。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系,并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。
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IEC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。
本论文采用的是K型热电阻。
镍铬-镍硅热电偶(K型热电偶)是目前用量最大的廉价金属热电偶,其用量为其他热电偶的总和。
正极(KP)的名义化学成分为:
Ni:
Cr=90:
10,负极(KN)的名义化学成分为:
Ni:
Si=97:
3,其使用温度为-200-1300℃。
K型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜等优点,能用于氧化性惰性气氛中。
广泛为用户所采用。
K型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中。
EM235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体(ST)单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块,它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4~20mA(通过250Ω电阻转换DC1~5V或通过500Ω电阻转换DC2~10V)恒流环标准信号,连续输送到接收装置(计算机或显示仪表)。
EM235热电偶模块提供一个方便的,隔离的接口,用于七种热电偶类型:
J、K、E、N、S、T和R型,它允许连接微小的模拟量信号(±80mV范围),所有连到模块上的热电偶必须是相同类型,且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。
EM235模块需要用户通过DIP开关进行选择的有:
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,用户可以很方便地通过位于模块下部的组态DIP开关进行以上选择。
表2-2EM231选择模拟量输入范围的开关表
单极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
ON
OFF
ON
0到10V
2.5mV
ON
OFF
0到5V
1.25mV
0到20mA
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