基于PLC锅炉温度控制新版系统的设计方案报告.doc

毕业设计报告

设计题目：基于PLC锅炉温度控制系统设计

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第一章 引言 4
1．可编程控制器简介 4
1.1可编程控制器产生和应用 4
1.2可编程控制器分类及特点 4
2．组态软件简介 5
2．1组态软件特点 5
2．2组态软件仿真基本办法 5
3．触摸屏简介 6
第二章 设计任务及规定 6
2．1设计任务 6
2．2设计规定 6
第三章 系统总体设计 6
3．1系统构造框图设计及阐明 6
第四章 软、硬件设计 7
4．1 系统硬件设计 7
4.1.1PLC控制系统设计基本原则和环节 7
4.1.2 PLC选型和硬件配备 （1）PLC型号选取 8
4.1.3 系统整体设计方案和电气连接图 9
4.1.4 PLC控制器设计 9
（1）控制系统数学模型建立 9
控制器设计是整个控制系统设计中最重要一步。一方面要依照受控对象数学模型和它各特性以及设计规定，拟定控制器构造以及和受控对象连接方式。最后依照所规定性能指标拟定控制器参数值。 9
4．2系统软件设计 9
4.1.1 PLC程序设计办法 9
4.2.2 编程软件STEP7--Micro/WIN 概述 10
4.3.3 程序设计 10
第五章 安装与调试 10
5．1安装调试过程 10
5．2故障分析 10
第六章 结论 10
此设计运用西门子S7-200PLC、STEP7--Micro/WIN编程软件和WinCC flexible组态软件设计了一种人机监控温度控制系统。系统采用串级PID控制，运用粗调和细调，得到一种反映比较迅速，控制精度比较高温度控制系统。 11
WinCC flexible组态软件操作以便，有助于咱们比较直观观看控制曲线和温度变化。其中报表、历史曲线和报警显示都是在当今工业控制中惯用。 11
固然，本控制系统尚有诸多局限性地方。例如，系统自适应能力不强，由于是运用电扇散热来降温，因此与外界温度环境密接有关，在不同温度环境下控制精度和控制能力是不同。 11
第七章 使用仪器设备清单 11
7.1 元器件清单 11
7.2 I/O地址分派表 11
第八章 收获、体会和建议 12
第九章 参照文献 12
第十章 附录 13

第一章 引言
从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了迅速发展，在这时期，PLC在解决模仿量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，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在统治地位DCS系统。PLC具备通用性强、使用以便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简朴等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中地位，在可预见将来，是无法取代。
本文简介了以锅炉为被控对象，以锅炉水温和配方选取为主被控参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度自动控制和配方自主控制。
电热锅炉应用领域相称广泛，在相称多领域里，电热锅炉性能优劣决定了产品质量好坏。当前电热锅炉控制系统大都采用以微解决器为核心计算机控制技术，既提高设备自动化限度又提高设备控制精度。
本文分别就电热锅炉控制系统工作原理，温度变送器选型、PLC配备、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造电热锅炉控制系统具备响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。

1．可编程控制器简介
1.1可编程控制器产生和应用
1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司汽车自动装配线上初次使用并获得成功。1971年日本从美国引进这项技术，不久研制出第一台可编程序控制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出她们第一台可编程控制器。国内从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，随着电子技术发展，特别是PLC采用通讯微解决器之后，这种控制器功能得到更进一步增强。进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术迅猛发展，以16位和少数32位微解决器构成微机化PLC，使PLC功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，以便。当前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运送、环保及文化娱乐等各个行业。
1.2可编程控制器分类及特点
(一)小型PLC
小型PLC I/O 点数普通在128 点如下，其特点是体积小、构造紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模仿量I/O 以及其她各种特殊功能模块。它能执行涉及逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据解决和传送通讯联网以及各种应用指令。
(二)中型PLC
中型PLC 采用模块化构造，其I/O 点数普通在256～1024 点之间，I/O 解决方式除了采用普通PLC 通用扫描解决方式外，还能采用直接解决方式即在扫描顾客程序过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。
(三)大型PLC
普通I/O 点数在1024 点以上称为大型PLC，大型PLC 软硬件功能极强，具备极强自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化，大型PLC 还可以采用冗余或三CPU 构成表决式系统使机器可靠性更高

2．组态软件简介
2．1组态软件特点
WinCC flexible软件具备适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等长处。普通可以把这样系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次构造。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场实时监测与控制，且在自动控制系统中完毕上传下达、组态开发重要作用。特别考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统规定及实现功能分析，采用WinCC flexible对监控系统进行设计。组态软件也为实验者提供了可视化监控画面，有助于实验者实时现场监控。并且，它能充分运用Windows图形编辑功能，以便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备状态，具备报警窗口、实时趋势曲线等，可便利生成各种报表。它还具备丰富设备驱动程序和灵活组态方式、数据链接功能。
2．2组态软件仿真基本办法
(1)图形界面设计
图形,是用抽象图形画面来模仿实际工业现场和相应工控设备。
(2) 构造数据库
数据,就是创立一种详细数据库,并用此数据库中变量描述工控对象各种属性,例如温度等。
(3) 建立动画连接
连接,就是画面上图素以如何动画来模仿现场设备运营,以及如何让操作者输入控制设备指令。
(4) 运营和调试
(5)
3．触摸屏简介
触摸屏采用西门子 SIMATIC PANEL TP 177B COLOR PN/DP

第二章 设计任务及规定
2．1设计任务
以锅炉为被控对象，以锅炉水温和配方选取为主被控参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度自动控制和配方选取自主控制。
2．2设计规定
技术规定：
（1） 主控制器为西门子S7-200可编程序控制器；
（2） 用组态软件WinCC flexible编写模仿设备并且在触摸屏上实现模仿操作；
（3） 模仿操作锅炉自主配方选取和水温自动控制；
（4） 人机界面设计（主操作界面、顾客登入界面以及有关其她界面）；
设计规定：
（1） 撰写设计报告；
（2） 编写系统操作阐明书；
（3） 绘制系统控制线路图；
（4） 编写系统控制程序和组态模仿画面

第三章 系统总体设计
3．1系统构造框图设计及阐明
通过编程装置（电脑和USB数据线）将PLC程序传送到PLC存储器里面以及将组态通过PLC通信下载到触摸屏上，将PLC设立到RUN状态等待程序命令执行，通过人机界面（触摸屏）操作，实现PLC IO口输入/输出信号传递以及每个变量与程序通信，当输入/输出有电信号后，电平转换模块就立即转换电信号传递给步进电机驱动器和电磁阀开关去控制相应电机批示灯，当动作到位后通过定点位置传感器传递到电平转换模块，再传递给PLC，完毕整个流程，实现机械手控制系统。

第四章 软、硬件设计
4．1 系统硬件设计
4.1.1PLC控制系统设计基本原则和环节
（1）PLC控制系统设计普通环节
设计PLC应用系统时，一方面是进行PLC应用系统功能设计，即依照被控对象功能和工艺规定，明确系统必要要做工作和因而必备条件。然后是进行PLC应用系统功能分析，即通过度析系统功能，提出PLC控制系统构造形式，控制信号种类、数量，系统规模、布局。最后依照系统分析成果，详细拟定PLC机型和系统详细配备。PLC控制系统设计可以按如下环节进行：
1．熟悉被控对象 制定控制方案,分析被控对象工艺过程及工作特点，理解被控对象之间配合，拟定被控对象对 PLC控制系统控制规定。
2．拟定I／O设备 依照系统控制规定，拟定顾客所需输入(如按钮、行程开关、选取开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号批示灯等)由此拟定PLCI／O点数。
3．选取PLC 选取时重要涉及PLC机型、容量、I／O模块、电源选取。
4．分派PLCI／O地址 依照生产设备现场需要，拟定控制按钮，选取开关、接触器、电磁阀、信号批示灯等各种输入输出设备型号、规格、数量；依照所选PLC型号列出输入／输出设备与PLC输入输出端子对照表，以便绘制PLC外部I／O接线图和编制程序。
5．设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同步进行，因而，PLC控制系统设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必要先设计出所有电气控制线路后才干进行施工设计。
6．联机调试 联机调试是指将模仿调试通过程序进行在线统调。
（2）PLC程序设计普通环节
1．绘制系统功能图。
2．设计梯形图程序。
3．依照梯形图编写指令表程序。
4．对程序进行模仿调试及修改，直到满足控制规定为止。调试过程中，可采用分段调试办法，并运用编程器监控功能。

PLC控制系统设计环节
4.1.2 PLC选型和硬件配备
（1）PLC型号选取
本温度控制系统采用德国西门子S7-200 PLC。S7-200 是一种小型可编程序控制器，合用于各行各业，各种场合中检测、监测及控制自动化。S7-200系列强大功能使其无论在独立运营中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因而S7-200系列具备极高性能/价格比。
（2）S7-200 CPU选取
S7-200 系列PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。此系统选用S7-200 CPU224xp,CPU 224xp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路模仿量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立30kHz高速计数器，2路独立20kHz高速脉冲输出，具备PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具备PPI通讯合同、MPI通讯合同和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。
（3）温度传感器
温度传感器是一种将温度变化转化为电量变化装置。在各种温度传感器中，以将温度量转换为电势和电阻办法最为普遍。其中最为惯用于测量温度是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻变化。这两种温度传感器当前在工业生产中被广泛应用。
该系统需要传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100℃，因此选取Pt100铂热电阻传感器。P100铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，其阻值会随着温度变化而变化。PT后100即表达它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它阻值约为138.5欧姆。它工作原理：当PT100在0摄氏度时候她阻值为100欧姆，它阻值会随着温度上升它阻值成匀速增长。
4.1.3 系统整体设计方案和电气连接图
系统选用了PLC CPU 224xp为控制器，将检测到实际锅炉水温转化为电流信号，送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为0～10mA电流信号输入控制电扇转速，从而调节电扇降温。PLC和WinCC flexible连接，实现了系统实时监控。

计算机

P
L
C
温度传感器

锅

炉

电扇/热电耦

整体设计方案

4.1.4 PLC控制器设计
（1）控制系统数学模型建立
控制器设计是整个控制系统设计中最重要一步。一方面要依照受控对象数学模型和它各特性以及设计规定，拟定控制器构造以及和受控对象连接方式。最后依照所规定性能指标拟定控制器参数值。
（2）PID控制及参数整定

4．2系统软件设计
4.1.1 PLC程序设计办法
PLC程序设计惯用办法：重要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。
1.经验设计法：经验设计法即在某些典型控制电路程序基本上，依照被控制对象详细规定，进行选取组合，并多次重复调试和修改梯形图，有时需增长某些辅助触点和中间编程环节，才干达到控制规定。这种办法没有规律可遵循，设计所用时间和设计质量与设计者经验有很大关系，故称为经验设计法。
2.继电器控制电路转换为梯形图法：用PLC外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统功能。
3.顺序控制设计法：依照功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完毕。此法核心是画出功能流程图。
4. 逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。事实上就找到输出和输入关系，完毕设计任务。
4.2.2 编程软件STEP7--Micro/WIN 概述
STEP7-Micro/WIN 编程软件是基于Windows应用软件，由西门子公司专为S7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，重要为顾客开发控制程序使用，同步也可以实时监控顾客程序执行状态。
4.3.3 程序设计
PLC运营时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等存入数据寄存器，随后系统开始温度采样，采样周期是17秒，TT1(出口水温温度传感器)将采集到出口水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW0进入PLC，作为主回路反馈值，通过主控制器（PID0）PI运算产生输出信号，作为副回路给定值。TT2(炉膛水温传感器)将采集到炉膛水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW2进入PLC，作为副回路反馈值，通过副控制器（PID1）P运算产生输出信号,由AQW0输出，输出4-20mA电流信号控制电扇转速，从而控制电扇风力，完毕对温度控制。
4.3.4 组态画面设计

第五章 安装与调试
5．1安装调试过程

5．2故障分析
第六章 结论
此设计运用西门子S7-200PLC、STEP7--Micro/WIN编程软件和WinCC flexible组态软件设计了一种人机监控温度控制系统。系统采用串级PID控制，运用粗调和细调，得到一种反映比较迅速，控制精度比较高温度控制系统。
WinCC flexible组态软件操作以便，有助于咱们比较直观观看控制曲线和温度变化。其中报表、历史曲线和报警显示都是在当今工业控制中惯用。
固然，本控制系统尚有诸多局限性地方。例如，系统自适应能力不强，由于是运用电扇散热来降温，因此与外界温度环境密接有关，在不同温度环境下控制精度和控制能力是不同。

第七章 使用仪器设备清单
7.1 元器件清单
序号
名称
数量
序号
名称
数量
1
PLC(CPU224xpAC/DC/Relay）
1
10

2
控制台
1
11

3
编程电缆
1
12

4
通信电缆
1
13

5
电源+24V
1
14

6
编程PC
1
15

7
触摸屏
1
16

8
PID模块
1
17

附1 元器件清单

7.2 I/O地址分派表

输入
横轴正限位
I0.0

输出
横轴脉冲
Q0.0
横轴反限位
I0.1
竖轴脉冲
Q0.1
竖轴正限位
I0.2
横轴方向
Q0.2
竖轴反限位
I0.3
竖轴方向
Q0.3
旋转脉冲
I0.4
手电机正转
Q0.4
手正转限位
I0.5
手电机反转
Q0.5
手反转限位
I0.6
底座正转
Q0.6
底座正限位
I0.7
底座反转
Q0.7
底座反限位
I1.0
电磁阀动作
Q1.0
启动开关
I1.1
停止开关
I1.2
附2 PLCI/O地址分派表

第八章 收获、体会和建议
为期2个多月毕业设计即将落下帷幕，在这匆匆逝去时间里，我生活是如此般丰富多彩。一方面，要特别感谢吴文廷教师予以悉心指引，使我在三年里所学专业知识得到了系统、全面掌握和运用，并将这些知识正好地应用到当代生产过程中，实现了将理论付诸实践伟大教学思想。此外，吴教师严谨治学态度、渊博理论知识、高度责任心以及对咱们每一位同窗关爱和教诲，都深深地影响着我，让咱们懂得了作为一名即将离开学校，步入社会大学生应当具备知识理念和素质理念，无论是从做学问，还是从做人、做事等多方面让我受益匪浅，受益终身。与此同步，借这次宝贵机会向自动化专业全体教师表达最真诚谢意，感谢教师在这年里予以我教诲和培养；感谢朝夕相伴同窗们，在寻常生活中予以咱们协助和支持。咱们互帮互助，共同解决难题，让咱们这在外求学日子里，每天都能感受到家温馨。

第九章 参照文献
1. 董锦凤． 刘守义．毕业设计指引（电类）． 西安：西安电子科技大学出版社，
2. 鲁远栋． 冼 进．PLC机电控制系统应用设计技术．北京：电子工业出版社，
3. 殷洪义．可编程序控制器选取与维护．北京：机械工业出版社，
4. 吴文廷．吴永春．可编程控制器原理与程序设计实验指引．大连：大连理工大学出版社，
5. 王淑英．S7-200西门子PLC基本教程
第十章 附录