基于PLC锅炉温度控制系统的设计报告

毕业设计报告

设计题目：基于PLC锅炉温度控制系统的设计

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第一章 引言 .............................................. 4 1．可编程控制器的简介 ................................. 4 1.1可编程控制器的产生和应用 ........................ 4 1.2可编程控制器的分类及特点 ........................ 5 2．组态软件的简介 ..................................... 5 2．1组态软件的特点 ................................. 5 2．2组态软件仿真的基本方法 ......................... 6 3．触摸屏的简介 ...................................... 6 第二章 设计任务及要求 .................................... 7 2．1设计任务 ......................................... 7 2．2设计要求 ......................................... 7 第三章 系统总体设计 ...................................... 7 3．1系统结构框图设计及说明 ............................ 7 第四章 软、硬件设计 ...................................... 8 4．1 系统硬件设计 ..................................... 8 4.1.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤 ............... 8 4.1.2 PLC的选型和硬件配置 （1）PLC型号的选择 9 4.1.3 系统整体设计方案和电气连接图 ................ 10 4.1.4 PLC控制器的设计 ............................. 10 （1）控制系统数学模型的建立 .......................... 10

控制器的设计是整个控制系统设计中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。最后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。 ........... 10 4．2系统软件设计 .................................... 11 4.1.1 PLC程序设计的方法 .......................... 11 4.2.2 编程软件STEP7--Micro/WIN 概述 .............. 11 4.3.3 程序设计 ................................... 11

第五章 安装与调试 ....................................... 12 5．1安装调试过程 .................................... 12 5．2故障分析 ........................................ 12 第六章 结论 ............................................. 12

此设计运用西门子S7-200PLC、STEP7--Micro/WIN编程软件和WinCC flexible组态软件设计了一个人机监控的温度控制系统。系统采用串级PID控制，利用粗调和细调，得到一个反应比较迅速，控制精度比较高的温度控制系统。 ...... 12

WinCC flexible组态软件操作方便，有利于我们比较直观的观看控制曲线和温度的变化。其中的报表、历史曲线和报警显示都是在当今工业控制中常用的。 12

当然，本控制系统还有很多不足的地方。例如，系统的自适应能力不强，因为是利用风扇散热来降温的，所以与外界温度环境密接相关，在不同的温度环境下控制精度和控制能力是不同的。 .......................................... 12 第七章 使用仪器设备清单 ................................. 12 7.1 元器件清单 ....................................... 12 7.2 I/O地址分配表 ................................... 13 第八章 收获、体会和建议 ................................. 14 第九章 参考文献 ......................................... 14 第十章 附录 ............................................. 14

第一章 引言

从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，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。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉水温和配方选择为主被控参数，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，实现锅炉温度的自动控制和配方的自主控制。

电热锅炉的应用领域相当广泛，在相当多的领域里，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅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。

本文分别就电热锅炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造电热锅炉的控制系统具有响应快、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．可编程控制器的简介 1.1可编程控制器的产生和应用

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公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。1971年日本从美国引进这项技术，很快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他们的第一台可编程控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，随着电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，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的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的

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，方便。目前，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、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 1.2可编程控制器的分类及特点

(一)小型PLC

小型PLC 的I/O 点数一般在128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。 (二)中型PLC

中型PLC 采用模块化结构，其I/O 点数一般在256～1024 点之间，I/O 的处理方式除了采用一般PLC 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即在扫描用户程序的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

一般I/O 点数在1024 点以上的称为大型PLC，大型PLC 的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的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的可靠性更高

2．组态软件的简介 2．1组态软件的特点

WinCC flexible软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用WinCC

flexible对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。 2．2组态软件仿真的基本方法

(1)图形界面的设计

图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 (2) 构造数据库

数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如温度等。 (3) 建立动画连接

连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。 (4) 运行和调试 (5)

3．触摸屏的简介

触摸屏采用西门子 SIMATIC PANEL TP 177B COLOR PN/DP

第二章 设计任务及要求

2．1设计任务

以锅炉为被控对象，以锅炉水温和配方选择为主被控参数，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，实现锅炉温度的自动控制和配方选择的自主控制。 2．2设计要求 技术要求：

（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编写模拟设备并且在触摸屏上实现模拟操作； （3） 模拟操作锅炉的自主配方选择和水温的自动控制；

（4） 人机界面的设计（主操作界面、用户登入界面以及相关其他界面）； 设计要求：

（1） 撰写设计报告； （2） 编写系统操作说明书； （3） 绘制系统控制线路图；

（4） 编写系统控制程序和组态模拟画面

第三章 系统总体设计

3．1系统结构框图设计及说明

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的通信下载到触摸屏上，将PLC设置到RUN状态等待程序命令的执行，通过人机界面（触摸屏）的操作，实现PLC IO口输入/输出信号的传递以及每个变量与程序的通信，当输入/输出有电信号后，电平转换模块就马上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的电机的指示灯，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，完成整个流程，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控制系统设计的基本原则和步骤

（1）PLC控制系统设计的一般步骤

设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：

1．熟悉被控对象 制定控制方案,分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。

2．确定I／O设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的I／O点数。

3．选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、I／O模块、电源的选择。 4．分配PLC的I／O地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入／输出设备与PLC输入输出端子的对照表，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）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。

6．联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。 （2）PLC程序设计的一般步骤 1．绘制系统的功能图。

2．设计梯形图程序。

3．根据梯形图编写指令表程序。

4．对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。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。

PLC控制系统的设计步骤 4.1.2 PLC的选型和硬件配置 （1）PLC型号的选择

本温度控制系统采用德国西门子S7-200 PLC。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 （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 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路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个的30kHz高速计数器，2路的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）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的装置。在各种温度传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的

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的变化。这两种温度传感器目前在工业生产中被广泛应用。

该系统需要的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。P100铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，其阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长。 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，将检测到的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的电流信号输入控制风扇的转速，从而调节风扇降温。PLC和WinCC flexible连接，实现了系统的实时监控。

P L C 温度传感器 锅 计算机 炉 风扇/热电耦 整体设计方案

4.1.4 PLC控制器的设计

（1）控制系统数学模型的建立

控制器的设计是整个控制系统设计中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。最后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。 （2）PID控制及参数整定

4．2系统软件设计

4.1.1 PLC程序设计的方法

PLC程序设计常用的方法：主要有经验设计法、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：经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，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的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。

3.顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。

4. 逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。

4.2.2 编程软件STEP7--Micro/WIN 概述

STEP7-Micro/WIN 编程软件是基于Windows的应用软件，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，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。 4.3.3 程序设计

PLC运行时，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)将采集到的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，作为主回路的反馈值，经过主控制器（PID0）的PI运算产生输出信号，作为副回路的给定值。TT2(炉膛水温传感器)将采集到的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，作为副回路的反馈值，经过副控制器（PID1）的P运算产生输出的信号,由AQW0输出，输出的4-20mA电流信号控制风扇转速，从而控制风扇的风力，完成对温度的控制。

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组态软件设计了一个人机监控的温度控制系统。系统采用串级PID控制，利用粗调和细调，得到一个反应比较迅速，控制精度比较高的温度控制系统。

WinCC flexible组态软件操作方便，有利于我们比较直观的观看控制曲线和温度的变化。其中的报表、历史曲线和报警显示都是在当今工业控制中常用的。

当然，本控制系统还有很多不足的地方。例如，系统的自适应能力不强，因为是利用风扇散热来降温的，所以与外界温度环境密接相关，在不同的温度环境下控制精度和控制能力是不同的。

第七章 使用仪器设备清单

7.1 元器件清单 序号 1 PLC(CPU224xpAC/DC/Relay） 2 控制台 3 编程电缆 4 通信电缆 5 电源+24V 1 1 1 1 1

名称 数量 序号 10 11 12 13 14 名称 数量

6 编程PC 7 触摸屏 8 PID模块 1 1 1 15 16 17 附1 元器件清单

7.2 I/O地址分配表

输入 横轴正限位 横轴反限位 竖轴正限位 竖轴反限位 旋转脉冲 I0.4 手电机正转 手正转限位 手反转限位 底座正限位 底座反限位 启动开关 停止开关 I1.1 I1.2 附2 PLC的I/O地址分配表

I0.0 横轴脉冲 Q0.0 I0.1 输竖轴脉冲 Q0.1 I0.2 出 横轴方向 Q0.2 I0.3 竖轴方向 Q0.3 Q0.4 I0.5 手电机反转 Q0.5 I0.6 底座正转 Q0.6 I0.7 底座反转 Q0.7 I1.0 电磁阀动作 Q1.0

第八章 收获、体会和建议

为期2个多月的毕业设计即将落下帷幕，在这匆匆逝去的时间里，我的生活是如此般的丰富多彩。首先，要特别感谢吴文廷老师给予的悉心指导，使我在三年里所学的专业知识得到了系统、全面的掌握和运用，并将这些知识恰好地应用到现代生产过程中，实现了将理论付诸实践的伟大教学思想。此外，吴老师严谨的治学态度、渊博的理论知识、高度的责任心以及对我们每一位同学的关爱和教诲，都深深地影响着我，让我们懂得了作为一名即将离开学校，步入社会的大学生应该具有的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，受益终生。与此同时，借这次宝贵的机会向自动化专业的全体老师表示最真诚的谢意，感谢老师在这年里给予我的教育和培养；感谢朝夕相伴的同学们，在日常生活中给予我们的帮助和支持。我们互帮互助，共同解决难题，让我们这在外求学的日子里，每天都能感受到家的温馨。

第九章 参考文献

1. 董锦凤． 刘守义．毕业设计指导（电类）． 西安：西安电子科技大学出版社，2005

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，2006 3. 殷洪义．可编程序控制器选择与维护．北京：机械工业出版社，2002

4. 吴文廷．吴永春．可编程控制器原理与程序设计实验指导．大连：大连理工大学出版社，2009

5. 王淑英．S7-200西门子PLC基础教程

第十章 附录