基于PLC的锅炉加热温度控制新版系统标准设计.doc

图书分类号：密 级：基于PLC锅炉加热温度控制系统设计DESIGN OF BOILER TEMPERATURE CONTROL SYSTEM学生学号学生姓名学院名称专业名称指导老师 摘要本文关键介绍了工业温度控制发展前景、S7-200系列PLC基础知识和锅炉温度控制系统工作步骤、基础原理和组成结构。经过对锅炉温度控制系统设计要求分析，给出锅炉温度控制系统I/O口分配表和系统原理图而且以可编程控制器(PLC)为关键，依据系统控制要求利用STEP 7编程软件设计系统梯形图。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。其中调用了西门子企业PLC中自带PID模块，以更简练更方便方法完成了锅炉温度自动控制设计。本文从系统工作原理、系统硬件选型、系统软件编程和组态监控画面设计等方面进行叙述。关键词 电热锅炉；温度控制；PLC；PID；固态继电器AbstractThis article focuses on the industrial development prospects of temperature control, basic knowledge of S7-200 series PLC as well as the boiler temperature control system made up of work processes, principles, and structure.Through the analysis of boiler temperature control system design, I/O port allocation table of temperature control system of the boiler,system schematics and a programmable logic controller (PLC) as the core, according to the control system requires the use of STEP 7 programming software system design of ladder diagram.The system to electric boiler heating tubes to a charged object, parameters of boiler water temperature to be controlled both the pressure and the water level in the boiler and other conditions, the PLC controller, boiler heating power parameter design of a temperature control system for control.Which is called the Siemens PLC comes with PID modules, and a more concise and more convenient way to complete the automatic control system design of the boiler temperature. This paper described the working principle of the system, system hardware selection, system software programming and configuration of the monitor screen design.Keywords Electric boiler Temperature control PLC PID Solid State Relays目 录1 绪论11.1 课题背景及意义11.2 中国外研究现实状况11.3 本文研究内容22 温度控制系统设计32.1 温度控制系统工作原理32.2 PID控制及参数整定32.2.1 PID控制原理32.2.2 PID参数整定43 系统硬件设计73.1 PLC产生和特点73.1.1 PLC产生和应用73.1.2 PLC特点73.2 PLC控制系统设计基础标准和步骤73.2.1 PLC控制系统设计基础标准83.2.2 PLC控制系统设计通常步骤83.3 系统整体设计方案93.4 PLC选型93.4.1 PLC主机模块93.4.2 PLCI/O扩展模块103.4.3 PLC选择103.5 传感器选型103.5.1 温度传感器选型103.5.2 PT100温度变送器选型113.5.3 压力传感器选型113.5.4 液位传感器选型123.6 固态继电器123.6.1 固态继电器原理分析123.6.2 固态继电器组成123.6.3 固态继电器优缺点133.7 数码管133.8 系统工作步骤及硬件接线143.8.1 系统工作步骤143.8.3 系统主电路图143.8.4 系统控制电路图143.8.5 PLC硬件连接图153.8.6 I/O端口分配174 软件设计194.1 系统步骤图194.2 PID控制器参数整定194.3 PLC程序梯形图设计235 人机界面设计335.1 组态软件基础335.1.1 组态定义335.1.2 组态王软件特点335.1.3 组态王软件仿真基础方法335.2 组态变量建立及设备连接335.2.1 新建项目335.2.1 新建设备345.2.3 新建变量355.2.4 变量和PLC传输365.3 创建组态画面375.3.1 新建主画面375.3.2 新建PID参数设定窗口385.3.3 新建实时曲线385.3.4 新建历史曲线395.3.5 新建报警窗口396 系统仿真及测试416.1 系统运行416.2 运行结果416.2.1 参数设定画面416.2.2 实时趋势曲线426.2.3 历史趋势曲线426.2.4 报警窗口42结论44致谢45参考文件46附录471 绪论1.1 课题背景及意义电热锅炉应用领域相当广泛，电热锅炉性能优劣决定了产品质量好坏。现在电热锅炉控制系统大全部采取计算机控制技术，既能提升系统自动化程度又能提升其控制精度。电热锅炉是机电一体化产品，可将电能直接转化成热能，含有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高优点，是理想节能环境保护供暖设备。加上现在大家环境保护意识提升，电热锅炉越来越受大家重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉现在关键用于供暖和提供生活用水。关键是控制水温度，确保恒温供水。PLC从上世纪80年代至90年代中期起发展十分快速。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快速。由此，PLC逐步进入过程控制领域，并在部分应用上替换了原来处于统治地位DCS系统。PLC含有含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、功效强大、性价比高、体积小、功耗低、设计施工周期短等很多优点1。PID控制是迄今为止应用最广泛控制方法之一。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正确数学模型确实定性系统尤其适用。PID控制效果由四个参数决定，即采样周期TS、百分比增益系数 KP、积分时间系数Ti、微分时间系数Td。所以，PID参数整定和微调一直是自动控制领域着重研究课题。PID在工业过程控制中已应用了上百年时间，在此期间即使出现了很多新兴算法，但因为PID算法本身特点，再加上大家在此期间所积累丰富经验，使其经久不衰。在PID算法中，对于P、I、D三个参数整定和优化问题是关键问题2。1.2 中国外研究现实状况1970年以来，因为工业过程控制发展，尤其是计算机技术和微电子技术和自动控制理论和方法发展，国外温控系统发展极为迅猛，并在自我适应、参数整定和智能化等方面取得了丰富结果。在这方面，以德国、美国、日本、瑞典等国技术领先，全部生产出了一批性能优异、商品化温度控制器，并得到了广泛应用。关键有以下特点：(1)适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制体统控制。(2)能适应于受控系统数学模型难以建立温度控制系统控制。(3)能适适用于受控系统过程复杂、参数时变温度控制系统控制。(4)这些温度控制系统普遍采取自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，利用优异算法，适应范围广泛。(5)温度控制器普遍含有参数整定功效。借助于计算机软件技术，温度控制器含有对控制参数及特征进行自整定功效。有还含有自学习功效。(6)温度控制系统现有控制精度高、抗干扰能力强、稳定性好特点。现在，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。现在，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。但中国现在生产出来温度控制器，仍处于相对低水平，同德国、美国等优异国家相比，仍然差距很大。现在，这方面总体技术水平中国仍然处于上世纪80年代中后期水平，产品仍以“点位”控制和常见PID控制器为主，现在对于通常温度系统控制能够达成要求，但对于时变、滞后、复杂温度系统控制难以适应，而对于要求较高控制场所智能化、自适应控制仪表等，中国技术还达不到要求，能够形成商品化并大范围使用控制仪表还极少。可见中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应用从整体上分析和研究了控制系统硬件配置、电路图设计、程序设计，控制算法选择和参数整定、人机界面设计等。本文使用德国西门子企业S7-200系列PLC控制器，系统首先由温度传感器将检测到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调整，PID控制器输出量转化成占空比，经过固态继电器控制锅炉加热通断来实现对水温控制。对于监控画面，利用亚控企业组态软件“组态王”绘制。全论文分六章，各章关键内容说明以下。第一章，对锅炉温度控制系统背景意义及中国外发展情况进行了叙述。第二章，简单概述了系统框图及PID控制原理。第三章，关键在系统框图基础上依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，在硬件设计基础上，经过工程整定法确定系统PID控制参数并完成本文具体程序设计。第五章，具体介绍了利用亚控企业组态软件“组态王”进行系统监控画面设计。第六章，对系统进行仿真和测试。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再经过PID模块进行PID调整控制。图2-1中SP为设定温度值，PV为反馈温度值。PLCEM235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 2.2 PID控制及参数整定2.2.1 PID控制原理在控制系统中，控制器通常最常见控制规律是PID控制。通常PID控制原理见图2-2。系统由PID控制器及被控对象组成。积分百分比微分被控对象 + + +u(t)e(t)r(t) +-c(t)图2-2 PID控制系统原理框图PID控制器是一个线性控制器，它由给定值r(t)和实际输出值c(t)组成偏差： 式(2.1)将偏差百分比(P)、积分(I)和微分(D)经过线性组合能够组成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。它表示式为： 式(2.2)转化成传输函数为： 式(2.3)式中为百分比系数，为积分时间常数，为微分时间常数。从系统稳定性、稳态精度、超调量和响应速度等方面考虑，PID各步骤有以下作用：百分比(P)调整作用：能按百分比反应系统偏差，百分比调整能在系统出现偏差时立即产生作用。百分比作用越大，调整速度越快，不过一旦过大就会降低系统稳定性，造成不稳定。具体分为对动态特征影响和对稳态特征影响：(1)对动态特征影响：百分比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，调整时间也对应变长。当KP太大时，系统会不稳定，当KP太小时，系统会运行缓慢。(2)对稳态特征影响：在系统相对稳定情况下，百分比参数KP变大，稳态误差就会降低，这么能够提升精度，不过对于消除稳态误差无帮助。积分(I)调整作用：能够消除系统稳态误差。只要系统产生误差，积分调整就会作用，直至无差时积分调整才会停止。积分作用大小由积分常数Ti决定且和之成反比，Ti越大，积分作用越弱。系统中加入积分步骤会使系统稳定性下降，动态响应变慢。所以积分作用通常是和另两种调整步骤相结合，组成PI调整器或PID调整器。 具体分为对动态和稳态特征影响：(1)积分会引发系统稳定性下降，Ti太小系统会不稳定，甚至会出现振荡；Ti太大对系统作用又会缩减，只有当Ti相对适宜时候才能出现理想过分特征。(2)积分能够降低系统稳态误差同时也能提升系统精度，不过，当Ti太大时候，积分作用也很小，稳态误差也就不会降低了。微分(D)调整作用：微分作用反应系统偏差信号改变率，含有预见性，能预见偏差改变趋势，所以能产生超前控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调整作用消除。所以，能够改善系统动态性能。在微分时间选择适宜情况下，能够降低超调量，降低调整时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，所以过强微分调整，对系统抗干扰不利。另外，微分反应是改变率，所以当输入没有改变时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要和另外两种调整规律相结合，组成PD或PID控制器。2.2.2 PID参数整定PID调试通常标准 在输出不振荡时，增大百分比增益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：进行整定时优异行P调整，使I和D作用无效，观察温度改变曲线，若改变曲线数次出现波形则应该放大百分比(P)参数，若改变曲线很平缓，则应该缩小百分比(P)参数。百分比(P)参数设定好后，设定积分(I)参数，积分(I)恰好和P参数相反，曲线平缓则需要放大积分(I)，出现数次波形则需要缩小积分(I)。百分比(P)和积分(I)全部设定好以后设定微分(D)参数，微分(D)参数和百分比(P)参数设定方法是一样。通常步骤 (1)确定百分比增益P 对百分比增益P数值确定时，先直接去掉积分和微分项，即令Ti=0、Td=0，让PID调整变为单纯百分比调整。输入设定先定为系统许可输入最大值60%70%，由0开始逐步增大百分比增益P，直到该系统发生振荡；然后再反过来，从出现振荡时百分比增益P值开始缓缓往下减，当系统振荡消失时统计对应P值。系统PID调整百分比增益P即设定为此值60%70%，调试即完成。 (2)确定积分时间常数Ti 确定P值后，首先确定一个较大积分时间常数初值，然后逐步减小Ti，直到系统发生振荡，以后再反过来，缓缓加大Ti，当系统振荡消失时统计此时Ti，系统积分时间常数Ti即设定为目前值150%180%，Ti调试至此完成。 (3)确定积分时间常数Td Td通常情况为0，不另外设定。如有需要，其设定方法同 P和Ti调试方法，数值设定为不振荡时30%。 (4)当系统空载和带载时联调，然后再进行微调，直至满足系统要求。工程整定法：工程整定法关键依靠经验，在控制系统直接试验中进行，上手简单方法，比较轻易掌握，在实际生活中被广泛采取。PID控制器参数工程整定方法，关键有临界衰减法、百分比法和反应曲线法这三种方法。这三种方法全部各有特点，其共同点为均经过试验得出结论，对控制器参数整定时依据工程经验公式。采取这三种方法得到参数仍然需要在实际运行时作调整。扩充临界百分比度法：扩充临界百分比度法也是试验经验法中应用广泛一个，它最大好处是，参数整定直接在现场整定、简单易行。它对有自平衡特征受控对象尤其适用，同时扩充了连续时间PID控制器参数整定临界百分比度法。扩充百分比度法整定数字PID控制器参数步骤是：(1)首先选择一个足够短采样周期。通常TS应比受控对象纯延迟时间十分之一还小。(2)让系统采取此TS工作。首先去掉积分和微分作用，将控制变成纯百分比控制器，形成闭环。然后将百分比放大系数KP逐步放大，当系统出现临界振荡时停止，然后将此时KP记为Kr，临界振荡周期则为Tr。(3)选择控制度。立即连续时间PID控制器作为基准，把数字PID控制效果和之比较。控制效果评价函数通常为误差平方积分。(4)定义控制度。采样周期TS大小会决定采样数据控制系统品质，相同条件下采样数据控制系统控制品质会比连续时间差部分。所以，控制度通常全部是要大于1，而且采样数据控制系统品质好坏和控制度大小成反比。所以系统控制品质好坏决定控制度选择。(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，然后观察对应效果，然后做合适调整。3 系统硬件设计3.1 PLC产生和特点3.1.1 PLC产生和应用1969年美国数字设备企业(DEC)依据美国通用汽车企业这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车企业自动装配线上试用，取得很好效果。以后这项技术快速发展起来。伴随PLC功效不停完善，性价比不停提升，PLC应用面也越来越广。现在，PLC在中国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、环境保护及文化娱乐等各个行业。PLC应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中数字控制、机器人控制、通信和联网等4。S7-200PLC是德国西门子企业生产一个小型PLC，其很多功效达成大、中型PLC水平，而价格却和小型PLC一样，所以，它一经推出，即受到了广泛关注。在以前，西门子在中国市场PLC产品关键是大中型PLC，日本小型PLC占据了中国大部分市场份额。在S7-200PLC推出后，这种情况得到了显著改变，最近几年来小型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新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛应用于工业控制各个领域，并已经成为工业自动化三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。西门子最小小型PLC产品是在上世纪末推出S7-200CPU21*系列PLC，但很快就被CPU22*系列产品所替换。因为它拥有多个功效模块和人机界面可供选择，所以系统集成很方便，而且相对来说比较轻易就组成了PLC网络。以此同时它还含有功效完全编程软件和工业组态软件，这使其能够简单完成控制系统设计。现在最新版S7-200系列PLC是在推出，它关键特点是：较高可靠性、丰富指令集、丰富内置集成功效、实时特征强和强大通信能力。3.1.2 PLC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)功效强大，成本低。(5)设计、施工、调试周期短。(6)维护方便。3.2 PLC控制系统设计基础标准和步骤3.2.1 PLC控制系统设计基础标准(1)充足发挥PLC功效，最大程度地满足被控对象控制要求。(2)在满足控制要求前提下，努力争取使控制系统简单、经济、使用及维修方便。(3)确保控制系统安全可靠。(4)考虑生产发展和工艺改善，在选择PLC型号、I/O点数和存放器容量等内容时，应留有合适余量，以利于系统调整和扩充。3.2.2 PLC控制系统设计通常步骤图 3-1 PLC控制系统设计通常步骤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3.4 PLC选型3.4.1 PLC主机模块本文选择是西门子S7-200系列PLC，能够单机运行，也能够进行输入/输出和功效模块扩展。它价格低廉，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富指令集，性能价格比很高，在各行各业中快速推广，在规模不太大控制领域是较为理想控制设备。CPU22*系列PLC按I/O点数多少和效能不一样而分为五种不一样结构配置，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。(1)CPU221本机集成6输入/4输出，无扩展能力，程序和数据存放容量较小，有一定高速计数功效和通信功效，很适合于少数点或特定控制系统使用。(2)CPU222本机集成8输入/6输出，和CPU221相比，它最多能够扩展2个模块，是应用更为广泛全功效控制器。(3)CPU224本机集成14输入/10输出，和前二者相比，程序存放容量扩大了一倍，数据存放容量扩大了四倍，它最多能够扩展7个模块，有强大模拟量和高速计数处理能力。(4)CPU224XP其大部分功效全部和CPU224相同，最大不一样是，在主机上增加了2个输入/1个输出模拟量单元和一个通信口。(5)CPU226本机集成24输入/16输出，和CPU224相比，程序存放容量扩大了一倍，它有两个通信口，通信能力更为强大。它可用于点数较多，要求较高小型或中型控制系统。3.4.2 PLCI/O扩展模块当系统所需I/O点数较多或要求实施特殊功效时，必需进行I/O扩展。常见输入/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输出；4点(8点、16点)DC输入/ 4点(8点、16点)继电器输出。(4)输入扩展模块EM235：分为8点DC输入和8点AC输入两种。3.4.3 PLC选择依据系统控制要求分析，系统共需要开关量输入点3个，开关量输出点32个。因为需调用PID模块，所以选择主机为CPU226；扩展模块EM223(16点晶体管输出)用于数码管显示实时温度；模拟量输入输出模块EM235用于输入模拟量：预设温度、温度传感器反馈值、锅炉压力和液位传感器反馈值。整个PLC系统配置见图3-3。扩展单元EM22316点晶体管模拟量单元EM2354AI/1AO主机单元 CPU226AC/DC继电器图3-3 PLC系统组成3.5 传感器选型3.5.1 温度传感器选型温度传感器即一个将温度改变转化为电量改变装置。在各类转化方法中，将温度量转换为电势或电阻是最为普遍。其中最常见是热电偶和热电阻，热电偶是将温度改变转化为电势改变，热电阻则是转化为电阻改变。这两种传感器现在在工业生产温度测量中被广泛应用。该系统需要传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100，所以选择PT100铂热电阻传感器。PT100铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，其阻值会伴随温度改变而改变。PT后100即表示它在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，它阻值会伴随温度上升它阻值成匀速增加5。PT100热电阻传感器型号：薄片型铂电阻WZP023PT100热电阻温度变送器型号：SBWZ-2460PT100是铂热电阻，它阻值跟温度改变成正比。它工业原理：当PT100在0摄氏度时候她阻值为100欧姆，它阻值会伴随温度上升而成近似匀速增加。但她们之间关系并不是简单正比关系，而更应该趋近于一条抛物线。 铂电阻阻值随温度改变而改变计算公式： 式(3.1) 式(3.2) Rt为t时电阻值，R0为0时阻值。公式中A，B，系数为试验测定。这里给出标准系数： ； ； 。3.5.2 PT100温度变送器选型变送器技术指标：(1)输入信号：PT100铂电阻信号输入 (2)供电电压：10-30V DC (3)负载电阻：0-500 (4)输出信号：二线制4-20mA，最大30mA (5)热电阻温度变送器精度：0.2%FS (6)温度稳定性：零点漂移 标准0.05%FS/ 量程漂移 标准0.002%FS/ (7)回路保护：带反向连接保护(预防电源正负极) (8)温度变送器功耗：小于等于0.5W (9)温度变送器重量：约35克 (10)热电阻温度变送器外形尺寸：外径42mm，高度H23mm，安装孔距33mm，安装孔5.5m3.5.3 压力传感器选型压力传感器作用就是检测锅炉炉膛内压力，预防锅炉内因为加热造成压力过大产生危险。它把测得压力转换成4-20mA电流信号或是1-5V电压信号，然后把此模拟量信号输送到PLC扩展模块EM235中。选择压力传感器输出量时，为了提升系统抗干扰能力，本文选择了4-20mA输出压力传感器。压力传感器型号：CYB-11 西安为普仿真计算3.5.4 液位传感器选型液位传感器作用是测量炉膛内水位，预防水位过低锅炉空烧或水位过高产生危险。它是利用液体压力和深度成正比原理，将检测到压力信号经转换变成标准4-20mA电流信号传送给PLC。产品采取正装结构，并汲取了智能锅炉汽包液位计优点，将抗高温、耐高压、抗腐蚀、抗波动性能集于一身，变送部分利用军工器件，使信号输出愈加稳定、可靠。该液位计安装简单，维护量小，测控正确，性价比高，是传统电极式、差压式、磁翻板式液位计理想换代产品，值得推广普及。液位计传感器型号：UHM-F24 无锡中南液位磁控器厂3.6 固态继电器3.6.1 固态继电器原理分析固态继电器(Solid State Relay，简称SSR)和机电继电器相比，是一个没有机械运动，不含运动零件继电器，但它含有和机电继电器本质上相同功效。SSR是一个全部由固态电子元件组成无触点开关元件，她利用电子元器件电、磁和光特征来完成输入和输出可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单向晶闸管和双向晶闸管等器件开关特征，来达成无触点，无火花地接通和断开被控电路。它是一个四端有源器件，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端，图3-4所表示。输入模块输出模块图3-4 固态继电器模块示意图当输入端有控制信号，输出端从关断状态变为导通状态；控制信号撤消后，输出端变为关断状态，从而实现自动控制。固态继电器输入端、输出端之间采取光电隔离技术，使得弱电和强电隔离，所以从计算机等弱电设备输出信号能够直接加在固态继电器控制端上，无需另外保护电路14。3.6.2 固态继电器组成固态继电器由三部分组成：输入电路，隔离(耦合)和输出电路。按输入电压不一样，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。固态继电器输入和输出电路隔离和耦合方法有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个晶闸管或一个双向晶闸管，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。3.6.3 固态继电器优缺点优点：(1)高寿命，高可靠：SSR没有机械零部件，由固体器件完成触点功效，因为没有运动零部件，所以能在高冲击，振动环境下工作，因为组成固态继电器元器件固有特征，决定了固态继电器寿命长，可靠性高。(2)灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好：固态继电器输入电压范围较宽，驱动功率低，可和大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。(3)快速转换：固态继电器因为采取固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微秒。(4)电磁干扰小：固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，所以降低了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，降低了电流波形忽然中止，从而降低了开关瞬态效应。缺点：(1)导通后管压降大，晶闸管或双相晶闸管正向降压可达12V，大功率晶体管饱和压降在12V之间，通常功率场效应管导通电阻也较机械触点接触电阻大。(2)半导体器件关断后仍有数微安至数毫安漏电流，所以不能实现理想电隔离。(3)因为管压降大，导通后功耗和发烧量也大，大功率固态继电器体积远远大于同容量电磁继电器，成本也较高。(4)电子元器件温度特征和电子线路抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效方法，则工作可靠性低。(5)固态继电器对过载有较大敏感性，必需用快速熔断器或RC阻离电路对其进行过载保护。固态继电器负载和环境温度显著相关，温度升高，负载能力将快速下降。选型：双向晶闸管型固态继电器SSR-S340ZF 济南帝诺自动化技术3.7 数码管数码管显示有两种接法：共阳极、共阴极，本设计选择共阴极接法。图3-5所表示。共阳极共阴极图3-5 数码管接法3.8 系统工作步骤及硬件接线3.8.1 系统工作步骤系统工作步骤：硬件系统接入电源后先判定是否缺相，在不缺相情况下电源信号亮。输入预设水温并按下开启按钮，系统工作。工作后热电阻温度传感器测量锅炉内实际水温并经过温度变送器转换后经EM235输入PLC，PLC将实际水温和预设水温做差并调用PID算法计算出输出值，程序依据输出值判定SSR状态及通断时间，从而控制锅炉加热管加热时间。3.8.3 系统主电路图系统主电路图图3-6所表示。图3-6 系统主电路图主电路原理：系统经空气开关QA0接入电路，熔断器预防系统过流，锅炉加热管和电源间加入热继电器和固态继电器，热继电器预防系统过热。QA0为电路总开关，当固态继电器导通时锅炉加热管加热；固态继电器断开时，锅炉加热管断电，停止加热。3.8.4 系统控制电路图系统控制电路图图3-7所表示。图3-7 系统控制电路图控制电路原理：KF为缺相保护预防电源缺相。SB3为缺相保护继电开关，SB2为系统停止按钮，SB1为系统开启按钮。系统不缺相情况下，按下开启按钮SB1，线圈KM1得电，KM1常开开关闭合，SB1自锁。PLC输出Q0.0导通后工作灯Q0.0亮。Q0.1输出为正且Q0.7输出为0时固态继电器工作，系统加热。Q0.3、Q0.4、Q0.5或Q0.6中有输出为正时对应灯亮且电铃工作，固态继电器停止工作。停止时，按下按钮SB2，系统停止，Q0.2得电，停止信号灯亮。3.8.5 PLC硬件连接图图3-8所表示为PLC硬件连接图。硬件图原理：SB1(I0.0)是系统开启按钮，SB2(I0.1)为系统停止按钮，SB3(I0.2)是缺相保护继电开关。温度传感器用PT100热电阻温度变送器。右边输出部分为6个信号灯、1个固态继电器和1个电铃，还有三个显示锅炉水温数码管。具体作用见I/O端口分配表。图3-8 硬件连接图3.8.6 I/O端口分配本设计中使用I/O口分配如表3-1所表示。表3-1 系统I/O端口分配名称地址编号说明输入信号数字量按钮I0.0系统开启(SB1)按钮I0.1系统停止(SB2)按钮I0.2缺相保护(SB3)模拟量输入模拟量AIW0预设温度温度传感器反馈模拟量AIW2锅炉炉内实际炉温输入模拟量AIW4预设压力压力传感器反馈模拟量AIW6锅炉炉内实际压力输入模拟量AIW8预设水位下限输入模拟量AIW10预设水位上限液位传感器反馈模拟量AIW12锅炉炉内实际水位输出信号数字量灯Q0.0工作信号灯固态继电器Q0.1控制通断灯Q0.2停止信号灯灯Q0.3高温警报灯Q0.4高压警报灯Q0.5高液位警报灯Q0.6低液位警报电铃Q0.7起警报作用温度显示QB1数码管1QB2数码管2QB3数码管34 软件设计4.1 系统步骤图图4-1为系统步骤图。图4-1 锅炉炉温控制步骤图4.2 PID控制器参数整定PID校正参数设计方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算法。它关键是依据系统数学模型，经过理论计算确定控制器参数，所得到计算数据虽含有知道意义，最终还必需经过工程实际运行过程加以调试和修改。二是工程整定法，常见方法有临界百分比度法、反应曲线法和衰减法等，其共同点全部是直接经过系统试验取得相关数据，在根据工程经验公式对控制器参数进行整定，方法简单、易于掌握，在工程实际中被广发采取。本设计采取Z-N临界百分比度法：Z-N临界百分比度法是一个广泛应用在工程上一个经典PID控制器参数整定方法。它关键优势是能够不依靠于对象数学模型参数，而是归纳总结以前大量工程经验得到经验公式，然后依据此经验公式计算PID控制器具体参数。用这个方法需要知道两个参数：临界增益Ku和临界振荡周期Tu。Z-N临界百分比度法对闭环系统使用时，先将积分时间常数和微分时间常数设为0，即消除积分和微分作用，使系统变为纯百分比系统；然后调整百分比系数KP，直至系统刚好出现振荡，此时KP值就是系统临界增益Ku，此时图像振荡周期即为系统临界振荡周期Tu，然后依据经验公式能够计算出系统需要三个参数。经验公式表如表4-1所表示。表4-1 Z-N临界百分比度法参数整定公式PID控制器参数KPTiTdP型控制器0.5Ku