锅炉供热控制系统设计

1 引言1．1 系统设计背景近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。

因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。

由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。

随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生PLC控制技术所取代。

而PLC 本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。

这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。

通过本设计可以熟悉并掌握西门子S7-300PLC的原理与功能以及它的编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制的问题。

1．2 系统工作原理加热炉温度控制系统基本构成如图1-1所示，它由PLC主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等4个部分组成。

PLC主控系统图1-1 加热炉温度控制系统基本组成加热炉温度控制实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-300PLC可识别的数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。

既加热炉温度控制得到实现。

其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。

1．3 系统组成本系统的结构框图如图2-3所示。

由图1-2可知，温度传感器采集到数据后送给S7-300PLC，S7-300PLC通过运算后给固态继电器一个控制信号从而控制加热炉的导通与否。

上位机是编写PLC程序以及监控温度的变化。

1．4 系统设计目标及技术要求本系统应能够控制在设定值的±5℃的误差范围内并且具有温度上下限报警功能和故障报警功能。

由学校提供，模拟真实锅炉的温度检测和控制模块，可自行将0～10V模拟信号转化为占空比对锅炉进行加热。

输出的模拟信号也是0～10V，锅炉外接24V直流电源。

1．5 技术综述自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。

在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。

目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

目前，我国在这方面总体技术水平处于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控制，而且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，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。

温度控制系统大致可分别用3种方式实现，一种是用仪器仪表来控制温度，这种方法控制的精度不高。

另一种是基于单片机进行PID控制，然而单片机控制的DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处, 而PLC 在这方面却是公认的最佳选择。

随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID 控制功能。

因此本设计选用西门子S7-300PLC来控制加热炉的温度。

2 下位机硬件系统设计随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域。

现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、高质量的产品。

为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。

可编程序控制器（Programmable Logic Controller）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置。

本系统控制软件设计分为PLC的软件和工控机的软件设计两部分，其中下位机使用的软件为siemens公司的step7。

本章主要介绍西门子S7-300系列PLC以及其它硬件的组成与选型。

2．1 硬件系统框图2．2 传感器温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。

温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。

根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。

从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。

真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。

50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。

在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN 结温度传感器和集成温度传感器。

与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

这里我们主要介绍热电阻和热电偶。

2.2.1 热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件。

热电阻是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

当电阻值变化时，二次仪表便显示出电阻值所对应的温度值。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

其中铂热电阻的测量精度是最高的。

铂热电阻根据使用场合的不同与使用温度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。

作为测温元件，它具有良好的传感输出特性，通常和显示仪、记录仪、调节仪以及其它智能模块或仪表配套使用，为它们提供精确的输入值。

若做成一体化温度变送器，可输出4-20mA标准电流信号或0-10V标准电压信号，使用起来更为方便。

热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。

此外，现在已开始采用铬、镍、锰和铑等材料制造热电阻。

根据使用场合的不同，热电阻也有铠装式热电阻、装配式热电阻、隔爆式热电阻等种类，与热电偶类似。

铂电阻的工作原理是，在温度作用下，铂热电阻丝的电阻值随温度变化而变化，且电阻与温度的关系即分度特性符合IEC标准。

分度号Pt100的含义为在0℃时的名义电阻值为100Ω，目前使用的一般都是这种铂热电阻。

此外还有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等铂热电阻，Cu50、Cu100的铜热电阻等。

2.2.2 热电偶工业热电偶作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，它可以直接测量各种生产过程中不同范围的温度。

若配接输出4-20mA、0-10V 等标准电流、电压信号的温度变送器，使用更加方便、可靠。

对于实验室等短距离的应用场合，可以直接把热电偶信号引入PLC进行测量。

热电偶的工作原理是,两种不同成份的导体,两端经焊接，形成回路，直接测量端叫工作端（热端），接线端子端叫冷端，当热端和冷端存在温差时，就会在回路里产生热电流，这种现象称为热电效应；接上显示仪表，仪表上就会指示所产生的热电动势的对应温度值，电动势随温度升高而增长。

热电动势的大小只和热电偶的材质以及两端的温度有关，而和热电偶的长短粗细无关。

根据使用场合的不同，热电偶有铠装式热电偶、装配式热电偶、隔爆式热电偶等种类。

装配式热电偶由感温元件（热电偶芯）、不锈钢保护管、接线盒以及各种用途的固定装置组成。

铠装式热电偶比装配式热电偶具有外径小、可任意弯曲、抗震性强等特点，适宜安装在装配式热电偶无法安装的场合，它的外保护管采用不同材料的不锈钢管，可适合不同使用温度的需要，内部充满高密度氧化绝缘体物质，非常适合于环境恶劣的场合。

隔爆式热电偶通常应用于生产现场伴有各种易燃、易爆等化学气体的场合，如果使用普通热电偶极易引起气体爆炸，则在这种场合必须使用隔爆热电偶。

热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。

由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。

也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程，如燃烧和爆炸过程等。

对一般的工业应用来说，为了保护感温元件避免受到腐蚀和磨损，总是装在厚厚的护套里面，外观就显得笨大，对于温度场的反应也就迟缓得多。

使用热电偶的时候，必须消除环境温度的波动对测量带来的影响。

有的把它的自由端放在不变的温度场中，有的使用冷端补偿器抵消这种影响。

当测量点远离仪表时，还需要使用热电势率和热电偶相近的导线来传输信号，这种导线称为补偿导线。

本设计选用镍铬-镍硅N型热电偶。

2．3 PLC的基本概念可编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。

PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。

2.3.1 S7-300简介S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。

品种繁多的CPU 模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。

S7-300有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力，有350多条指令，其编程软件STEP7功能强大，可以使用多种编程语言。

S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，各个模块都安装在导轨上，用螺栓锁紧即可。

模块如下：(1) 数字量输入模块数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开关等。

数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC 内部的信号电平。

输入电路中一般设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电流一般为数毫安。

（2）数字量输出模块SM 322数字量输出模块将S7-300的内部电平信号转化为控制过程所需的外部信号电平，同时具有隔离和功率放大的作用。

输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。

输出电流典型值为0.5~2A，负载电源由外部现场提供。

（3）数字量输入/输出模块SM323是S7-300的数字量输入/输出模块，它由两种型号可供选择。