基于PLC的锅炉加热温度控制新版系统标准设计.doc
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1、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
2、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 sy
3、stem 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 r
4、equires 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
5、 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
6、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
7、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
8、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
9、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,
10、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
11、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,
12、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
13、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
14、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
15、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P
16、LC,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(
17、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
18、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
19、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 PI
20、D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
21、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
22、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
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