PLC在锅炉控制系统中的应用毕业设计

华东交通大学理工学院
Institute of Technology.
East China Jiaotong University
毕业设计
Graduation Design
（2010—2014年）
题目PLC在锅炉控制系统中的应用
分院：电气与信息工程分院
专业：电力系统及其自动化
班级：电力2010-3
学号：20100210470436
学生姓名：吴伟
指导教师：李房云
起讫日期：2014.1——2014.4
华东交通大学理工学院
毕业设计原创性申明
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毕业设计作者签名：日期：年月日
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毕业设计作者签名：指导教师签名：
签字日期：年月日签字日期：年月
摘要
80年代开始到90年代中期，PLC开始迅速地被开发，在这段时间内，PLC 在模拟量处理，数字运算，人机接口和网络容量的能力大幅改善，PLC慢慢深入过程控制的领域，在一些应用过程控制领域支配性的位置替换掉了可编程控制器强的DCS系统。

PLC拥有通用性强，方便使用，广阔的适应性，高信赖性强，抗干扰性强等的优点，PLC在一般工业自动化编程，特别是时序控制，位置，可预见的未来中，无可替代。

本论文引进锅炉作为对象，被控的主要参数是锅炉出口水温控制，以炉内温度控制作为参数，加热电阻线的电压，控制装置的可编程控制器，用锅炉温度控制系统构成用PID算法，用PLC梯形图程序语言的使用编程控制，实现锅炉的温度控制。

电锅炉用途广泛，有相当数量的领域中，电锅炉的性能的产品质量决定电锅炉控制系统，现在的计算机控制技术为核心的微处理器使用，向两边的自动化设备的改善控制精密设备改善
本文用电锅炉控制系统的工作原理，温度传感器的选择的几个方面可编程控制器的构成、软件设计构成详细说明电锅炉控制系统的变换，根据高速应答的优势，好的稳定、可靠、特征，控制精度和良好的产业控制的实际的重要性对工业控制有极大意义。

关键词：电热锅炉的控制系统温度控制串级控制 PLC PID
ABSTRACT
In eighties 90, the Legislative Council had developed rapidly in this period, PLC in analog and digital processing ability, practical ability, interface network man machine efficiency and greatly improved, process control, PLC gradually to DSC PLC replaced in process control applications the advantages of convenient use and scale wide adaptability, high reliability, strong anti interference ability, simple programming and so on.plc industrial automatic control, in particular in the sequence control in the situation in the foreseeable future, cannot be replaced.
This paper is also located in the boiler, the boiler temperature, the main culprit of the parameters of outlet temperature of furnace, deputy accused of parameters to control the heating resistance line voltage the parameter to the PLC boiler controller, form a temperature control system using PID arithmetic, PLC Ladder programming language, programming the kettle temperature control.
Electric boilers in wide application in many fields, electric boilers, performance feature and the product quality is insufficient. Now mainly used in the micro processor control computer technology, electric boiler control system, it can improve the degree of automation control equipment, lifting equipment in the precision.
This heating furnace temperature control system principle of work of the transmitter, select the configuration of PLC configuration software in design field.By turning the electric boiler control system with quick response, good stability, high reliability, good control accuracy, etc., for industrial control process.
Key words: heating boiler control system temperature control cascade control PLC PID
第一章绪论
1.1课题背景及研究目的和意义
电站锅炉的广泛应用，电热水器的性能决定了产品的质量。

目前使用的电热水器控制系统的微处理器为核心的计算机控制技术，以提高设备的自动化，提高了控制精度的设备
快速发展的PLC发生在上世纪80年代，90年代中期。

在这个时期，PLC得到改善和发展大容量的模拟、数字运算能力、人机接口能力和网络能力。

逐步进入现场的PLC过程控制系统中，取代DCS中占主导地位。

在过程控制领域中具有很强的相关性，具有使用方便，适应性广，可靠性高，抗干扰能力强、编程简单等优点。

电加热锅炉的机电一体化产品，将电能直接转换成热能，效率高，体积小，无污染，操作安全可靠，对热稳定，自动化程度高，节约能源和保护环境是理想的电气设备。

目前公众对环境保护、电加热锅炉是越来越多的关注，在工业生产和家庭用水是越来越受欢迎。

电加热锅炉主要用于供热水和供热。

主要是控制水的温度，保证温度恒定下供水。

PID控制是一种有效的控制方法。

其可靠性高、鲁棒性好，算法简单，因此被广泛应用于过程控制，尤其适用于特定的系统，建立精确的数学模型，PID控制效果完全取决于四个参数，抽样周期、比例系数、积分系数、微分系数、。

因此，PID参数整定和优化是一个重要的研究课题，在控制领域具有重要地位。

已广泛应用于工业过程控制，在近百年的历史，在这期间，虽然有许多可用的控制算法，但由于PID算法有其自身的特点，随着人们在长期使用过程中积累了丰富的经验，是广泛应用于工业控制的PID算法，P、I、D的整定和优化主要研究的问题。

1.2 国内外研究现状
70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术的飞速发展，计算机技术、自动控制理论和设计方法，国内和国际的发展迅速的温度控制系统，以及智能，自适应的成就，参数设置等方面，在这方面，日本，美国，德国，瑞典和其他国家的先进技术，生产的温度控制器和仪器的性能，一批商业化，并被广泛应用于各行各业。

他们有以下特点：
1）适应于大惯性，大滞后的复杂温度控制系统的控制。

2）能适应基于被控系统的数学模型建立的温度控制系统。

3）可以适用于控制系统的过程是复杂的，随时间变化的温度控制系统的参数。

4）温度控制系统广泛应用于自适应控制，自适应控制，模糊控制，人工智能理论和计算机技术，使用先进的算法，适应范围广。

5）温度控制器具有一般参数调整功能。

随着计算机软件技术的援助，该温度控制器具有自校正功能的控制参数和特性。

有的还具有自学习功能。

6）温度控制系统具有控制精度高，抗干扰能力强，鲁棒性好。

目前，国外温度控制系统及仪表向着高精度，小型化，智能化的方向发展。

在国内行业中的应用，温度控制系统有着广泛的应用，但在国内生产的温度控制器，整体发展水平还不高，与发达国家相比，德国，日本，美国还有很大的差距。

目前，在第二十世纪末80年代的水平我国在此方面的整体水平，成熟产品主要以“点”控制和常规PID控制器，它只能应用于温度控制系统一般，难以控制的延迟，复杂的，随时间变化的温度控制系统。

控制应用程序可以适应高智能，自适应控制仪表还不是很成熟。

随着科学技术的发展，人们对服务的要求越来越高，温度控制系统，因此，高精度智能温度控制系统，人性化，在国内外的发展是必然的趋势。

1.3 项目研究内容
锅炉为研究对象，对水的出口温度锅炉主要被控参数、炉膛温度为副被控参数，电阻丝加热电压为控制参数，以PLC为控制器，提供了一系列的锅炉温度串级控制系统；PID算法；使用编程语言编程的PLC梯形图，实现锅炉温度的自动控制。

可编程控制器（PLC）是计算机技术、自动控制模型的集成技术和自动控制技术，因其性能优越，已被广泛应用于各种工业控制领域，已成为支柱产业自动化（PLC，工业机器人，一个CAD / CAM）
PLC技术的温度控制系统中的应用研究的综合分析和控制系统的硬件配置、电路设计、程序设计、选择和参数设置、控制算法的控制对象的数学模型，设计人-机接口，等。

基于德国西门子系列PLC控制器S7—企业的实际温度，温度传感器检测到的电压信号，通过模拟输入模块中的数字信号送入PLC控制器的PID PID调节器，输出与输入信号电流0-10mA或晶闸管控制电压调节器触发板开关整流器可控硅管导通角的大小来调节输出功率。

显示屏上，利用亚控公司的组态软件“组态王”
级联系统是由一个调节器是串联连接的，在一个调节器的输出作为另一个调节器的设定点。

该系统包括两个控制电路，主电路和辅助电路。

副变量测量回路和传输，副州长，调节阀和侧主回路检测主、副变速器，主调节器、调节器、调节阀、工艺过程和主要的副作用。

在纬度扰动：过程控制，不包括在副回路的干扰范围内变化。

两个副作用：控制过程，包括干扰的副环的范围内。

在串级控制系统，由于引入了一个小循环，不仅可以克服在副回路的干扰，而且可以提高过程的特点。

用“粗调”功能的副调节器，主调节器有一个“细调”作用，以进一步提高质量的控制。

第二章 PLC和组态软件基础
可编程控制器是一种工业控制设备，PLC（可编程逻辑控制器），使用可编程存储器来存储指令，用于实现逻辑、顺序、定时、计数和计算功能，并通过数字模拟输入、输出，来控制各种类型的机械或生产过程。

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年美国数码设备公司，是世界首次的可编程控制器。

PDP - 14的公司，而被使用于GM通用公司的汽车组装线中，1971年日本从美国引入这个技术，研制出了可编程控制器DCS - 18，1973年，西欧国家也研制出了可编程控制器，我国在1974年开始开发，从1977年投入到产业的应用。

20世纪70年代，伴随着电子技术的发展，特别是微处理器控制装置的通信手段及功能强化时期。

20世纪80年代的进入，大规模和超大规模集成电路与微电子技术在微型计算机的迅速发展，及16位和32位微处理器构成，使PLC机能的加强，工作速度快，信赖性高，降低成本，编程和故障检测更灵活。

方便的用于钢铁、石油，化学，电力、建材、机械制造、纤维，汽车运输广泛适用的，环境保护和文化娱乐等产业。

2.1.2可编程控制器的组成和工作原理
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
这是核心处理器的系统的PLC程序，她赋予的功能接收和存储用户程序和数据，如扫描，从现场采集的输入装置送来的状态或数据和寄存器中的规定，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、处理器芯片组还包括外部接口、CAN总线和相应的电路用于存储数据的存储器和主程序的必要组成部分，是团队组成的。

”CPU速度和内存容量是一个重要的参数决定了他们的PLC，工作速度，IO数量和软件能力等控制的范围，因此限制了控制规模。

2.I/O模块
可编程控制器和电反馈电路的界面，输入和输出部（i / o）完毕了输入输出模块可编程控制器电路的一体化，输入电阻输入信号的状态反映，输出功率闭锁状态反映输入模块转换信号的数字信号可编程控制器系统，输出模块相反。

是一个开关输入（数据），开关输出，模拟输入（ai），模拟输出（自）模块。

以下的一般能用i / o而被分类的
开关的电压等级：220 vac，110 vac，24 vdc来看，分离的方法来划分，晶体管分离接力的分离
模拟信号：冲压型，电流型（-），0 : 20年，电压（5）v型，，对10 - 10 v），精度点，14位、12位16位等，根据
除了以上模块，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
编程器是用户用于程序输入编辑，调试和监视程序，一般划分为简易型和智能型类型。

简单的编程器，常常需要梯形图的机器语言帮助记忆，也可以发送智能型程控设备（图形程序员，又称为图形编辑器）不仅可以都没有机械的编程，而是脱线的编程的方便的操作强大
4.电源
PLC可编程控制器组件用集成电路作为电源提供。

同时，几个作业提供电源输入电路24 v用电源输入类型：交流电源（220 vac 110或vac），直流电源（一般的24 vdc）。

可编程控制器的工作原理
PLC可控编程控制器是连续周期的顺序扫描模式。

每次扫描不同扫描周期称为第1的命令的前面，一个一个用户程序实行根据用户程序结束之前，然后，为了扫描型的新一轮的开始的最初的命令回到这社绕扫描周期重复。

PLC工作过程用图2-1 所示运行框图表示：
图2-1 可编程控制器运行框图
2.1.3可编程控制器的分类及特点
(一)小型PLC
小型PLC的I／O点通常低于128点，体积小，结构紧凑，整个硬件合为一体，除了改变I /O，也可以连接到模拟I / O特殊功能模块等。

可以进行逻辑运算，包括定时、计数、算术运算，数据处理和传输的通信网络和各种指令的应用。

（2）中型PLC
中型PLC可编程控制器积层构造，一般为256点之间，1024，一般公司，一般的处理方法扫描，加上的方法，不过另外，直接的方法使用输入输出直接读用户程序扫描的过程中，有一些特殊功能模块可以连接网络功能，通信教育，更丰富，内存容量大，高速扫描速度
（3）大型PLC
一般的输入输出点1024点以上的大公司的硬件和软件的功能非常强而闻名，强烈的自我诊断，通信功能，一些通信模块的生产管理的工厂自动化，通信网络的第3的水平，实现可大可编程控制器使用冗余或三机的可靠性更多的投票系统可以进入。

2.2组态软件的基础
2.2.1组态的定义
如何配置工具和应用软件工程过程中的具体工作是一家专业的组态软件，组态软件均可应用组态的概念最早出现在工业控制计算机控制系统（分布式）设置楼梯有限公司软件配置控制软件人机界面为产业工业控制设置用于实时监控表面上运行应用程序配置工具，为特定的工业控制组态软件是指有计划一般建在编译器支持系统基本语言，VB，现在设置一些软件和高级语言支持C #
在今天的工业区大的组态软件WinCC的调整：ABB optimax联系，组态王，控制力易控制，MCGS设计等设计的控制组态软件组态王。

2.2.2组态王软件的特点
组态软件的适应性、开放、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

该系统通常可以分为控制层、监控层、管理层的三层结构，其中监控层。

在连接控制层、管理层上的连接，不仅实现了场景的实时监测和控制，在自动控制系统中完成下载的重要作用，尤其是动画、画面、数据配置三个方面，监控系统的设计对屏幕数据需求分析和监测系统的实现功能，组态软件的测试来查看监控图像，用于监控测试网站时间，还可以充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成的监控图像，并显示动画状态控制装置、报警窗口、实时趋势曲线，生成报告，他可以方便。

有很多的设备驱动程序、配置灵活、功能数据链路。

2.2.3组态王软件仿真的基本方法
（1）图形用户界面设计
图形，是一个简易的图形来模拟工业现场设备和相应的控制
（2）数据库的结构
数据，是创建一个特定的数据库，并使用描述对象的各种属性变量的数据库，如工业控制，运行水位，等
（3）动画系列
在这种情况下，是屏幕图形动画模拟现场设备的运行，以及如何控制输入设备操作员
运行和调试
第三章 PLC控制系统的硬件设计
在这一章中，主要从系统的设计和硬件设计的角度来看，配置步骤，对PLC 的PLC控制系统的硬件配置设计，外围电路设计和PLC控制器参数设计和整定。

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、充分发挥了PLC的功能，最大限度的满足被控对象的控制要求；
2、为了满足控制要求，力求使控制系统简单，经济，方便维修；
3、以确保安全和可靠的控制系统；
4、以开发和生产项目，在PLC中，模型的选择，点的I/O和内存容量，等，必须有足够的余量，便于系统的扩展和适应。

3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤
设计的系统，PLC的应用，首先根据设计应用PLC系统，即根据功能要求和技术系统的被控对象，必须明确，因此条件分析的基础上，应用PLC控制系统；即通过系统分析，根据结构形式的PLC控制系统，类型，数量的控制信号系统的规模、布局、。

最后，基于系统分析的结果确定具体的，特定的配置类型和PLC系统，PLC控制系统的设计，可以按照以下步骤
1、熟悉控制对象，制定一个计划，控制过程的分析对象的特点和控制对象的工作，了解机械、电气、液相结合的受控对象之间的控制要求，确定PLC控制系统
2、确定的I / O设备根据控制系统的需要，确定输入的用户所需的（例如，一个按钮、限位开关、选择开关等）和输出设备（例如，一个灯开关、电磁阀一个信号点的数量等）和PLC的I / O确定
3选择时，选择PLC主要包括PLC、能力，I / O模块、功率选择
4、分配PLC的I / O设备地址在生产现场，确定控制按钮、选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯及其他输入输出设备的型号、规格、数量；功能表控制选定的类型列表输入/输出设备和PLC的输入和输出端子，以便使PLC的外部接线图，I / O和编程
5、硬件和软件设计，PLC程序设计控制柜（台）的设计和施工现场设备。

由于设计的程序和设备可同时进行，因此，循环PLC控制系统的设计可以大大减少而中继系统首先必须全部电气控制线路进行设计和施工
6、联机调试联机调试程序仿真调试单位在线调整。

3.1.3 PLC程序设计的一般步骤
1、系统功能图
2、梯形图程序设计
3、梯形图程序指令列表的
4、模拟测试程序的变化，控制条件之前调试的过程中，调试方法可以使用，监视功能的程序
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
3.2 PLC的选型和硬件配置
3.2.1 PLC型号的选择
这个温度控制系统，使用德国西门子s 7 - 200小型可编程控制器，所有的自动检测到的适用，监测和各种事情的控制这是独立的动作可能s 7 - 200系列的强大的功能，或网络连接，复杂的控制功能可以实现因此，高性能价格比s 7 -200系列。

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
温度传感器的温度控制系统检测到电流信号4，模拟量输入模块的电流系统需要配置的信号转换为数字信号，送入PLC处理。

我们这里选择西门子EM235模拟输入/输出模块。

的EM235模块的输出具有模拟输入的模拟分析ógica.sinal S7连接，允许200小4通道，±80 mV的范围。

类型，您必须使用DIP开关选择热电偶线检验，计量单位，极端寒冷的补偿方向电路故障和开放：SW1 ~ SW3选择热电偶的类型，而不使用SW4，SW5用于选择断开方向检测，SW6用于选择是否打破检测，SW7是用来选择测量的方向，sw8用于选择是否冷端补偿，连接到模块的冷端必须要求热电偶一样。

3.2.4热电传感器
在设备的变化在传感器的热电转换方法的热电传感器的温度变化量的变化，潜在的抗温量是最常见的热性和耐热性，最常用的温度测量的热，温度，电位变化转换的耐热性，耐温度变化这是应用于两种类型的热电传感器当前工业生产
在这个系统中，传感器，温度变化在当前选择的Pt铂热电阻传感器100从100℃温度P 100铂热电阻：铂电阻的电阻铂100温度的Pt 100后的变化出现在0℃100欧姆，在约100时的电阻值。

度。

C.它138.5欧姆电阻的工作原理：电阻值的电阻值等于100欧姆时，Pt 0到100℃，电阻值的温度上升迅速增长，[ 3 ]
3.2.5晶闸管的加热装置的外形
采用电阻炉的记录，通过调节响应于请求调整PID数字显示温度计和温度调节，保持温度恒定的温度控制，输出10 mA DC信号输入控制晶闸管的电压调节器，或改变板的大小调整0输出低成本要求完全直观，方便流动的晶闸管的角度，操作方便通过集热马只有10%或0的出口流量测量和控制单元的温度PID控制信号的4至20 mA控制晶闸管触发控制板上的温度测量和控制的角度，它保持状态的大小该发热组件控制的主电路电流电阻控制电路由温度控制器和一个晶闸管主电路的晶闸管主电路，过流保护炉内温度，如休斯快速加热组件D过压保护钢筋混凝土电阻炉
整个系统设计的电气接线图
PLC的CPU控制器226是用来选择系统探测热电阻铂100实际上通过转换型锅炉水温控制电流信号中的PID控制器的饲料转化率EM 231模拟量输入模块，数字信号转化为PID控制器的输出电流流至信0号只有10%的马晶闸管触发控制板，输入电压的改变来调整的晶闸管输出角度的大小对纱线进行电加热组态PLC连接实时监测系统。

3.4 PLC 控制器的设计
控制器的设计是对控制系统最重要的设计首先，根据被控对象的数学模型、特点和设计要求，确定连接控制器和被控对象。

最后，根据性能指标要求确定控制器参数。

3.4.1 控制系统数学模型的建立
在控制系统中，温度传感器，水温信号，对路面检测模块EM 235出口处的电流信号，2（温度传感器），两个模拟信号到数字信号的转换电磁235 PLC 可编程序控制器（PID ）控制模块可调节的电流检测信号B 路235 EM 模块出水温度信号，一个特定的处理程序，PLC 是一块图的串级控制系统详细。

3.4.2 PID 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：
]dt de(t)Td e(t)dt Ti 1Kc[e(t)u(t)t 0
⎰++= 公式（3-1） （1）比例系数KC 对系统的影响
比例增加，使系统响应速加快，误差减小。

.kc 系数大，振荡调整的次数和调节时间增加。

kc 是太大，系统将处于不稳定状态。

kc 是太小，可使系统运转速度减慢。

系数可以选负，由执行机构和传感器决定如果决定。

如果Ｋc 符号选择错误对象状态则会离控制目标的状态逐渐变远，如果出现这样的Ｋc 的符号就必须要取反。

（2）积分控制对控制系统的性能的影响
积分作用让系统稳定性降低，积分作用强会促使系统不稳定，但能去除稳态误差，提高系统的控制精密。

（3）微分控制对控制系统性能的影响
微分效应可以改善动态特点，TD 是太大，宽超调，调整的时间加长，超调量大，微分作用合适则超调量减小、时间缩短。

2、主副回路控制规律的选择
串级控制，因此主调节器。

主控制器的设定点控制功能，副控制器的伺服控制功能，这是基本的出发点选择规则。

主要参数对过程的操作很重要，一个较小的范围内允许的波动，一般要求没有任何错误，因此，主调节器一般选用PI 或PID 控制，侧的参数设置为主要控制参数的质量，可以在一定范围内变化，使超过坏，所以只要副省长P 控制律可以选举。

在控制系统中，锅炉出水温度为主要参数，炉温为二次参数。

与PI 控制的主要控制，P 控制副控制器。