基于西门子s7200系列plc工业加热炉控制系统的设计.doc
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1、提供全套,各专业毕业设计 编 号: 审定成绩: 啊啊啊啊大学毕业设计(论文)设计(论文)题目:基于西门子S7-200系列PLC工业加热炉控制系统的设计学 院 名 称 :啊啊啊啊啊学 生 姓 名 :啊啊啊专 业 :啊啊啊啊啊啊啊啊班 级 :0000000学 号 :0000000000指 导 教 师 :啊啊啊答辩组 负责人 :啊啊啊填表时间: 2014 年 5 月啊啊啊啊大学教务处制诚信承诺书本人慎重承诺和声明:本人在毕业设计(论文)过程中遵守学校有关规定,恪守学术规范,在指导教师的指导下独立完成,没有剽窃和抄袭他人的学术观点、思想和成果,未篡改研究数据,若有违规行为的发生,我愿接受学校处理,并承
2、担一切法律责任。论文作者签名: 年 月 日 啊啊啊啊大学本科毕业设计(论文)摘 要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的可编程逻辑控制器(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得经济、高效、稳定且维护方便。本文介绍了基于西门子公司S7200系列PLC的温度控制系统的设计方法,详细分析了系统的硬件设计以及软件设计。控制系统采用PC+PLC的主从控制结构,组成一种经济可靠的工业加热炉温度控制系统。加热炉温度控制系统是一个大惯性系统,一般采用PID算法进行控制,运用PLC梯形图编程语言进行编程,对锅炉工作过程进行自动控制。利用
3、组态软件组态王设计上位机界面,实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理,并可以实现友好的用户界面,是一种具有一定应用价值的实时温度控制系统。设计之后系统稳定性好、精度高、鲁棒性强。【关键词】加热炉 PLC PID 温度控制 上位机 ABSTRACTWith the development of the computer control technology,the traditional relay control technology must be replaced necessarily by the programmable logic controller(PLC) contro
4、l technology which generates based on computer technology,and PLC has excellent performance what makes the temperature control system with PLC technology become more economic,more efficient,more stable and easily maintainThis thesis introduces a design technique of the temperature control system wit
5、h SIMATIC S7200 series PLC,details the hardware design and the software design of the systemThis control system adopts PC&PLC masterslave control construction,constitutes an economic and reliable industrial heating furnace temperature control systemThe furnace temperature control system is a large i
6、nertia system,generally uses the PID algorithm to control,and uses ladder diagram programming language of PLC to programme,in order to carry out the automatic control of the heating furnace work processUsing the configuration software KingView to design the upper computer interface to monitor the co
7、ntrol system and real-time sample and processIt is able to get a friendly user interface,is a real-time temperature control system which has moderate application valueAfter the design,the system has a good stability,a high precision and a strong robustness【Key words】The heating furnace PLC PID Tempe
8、rature control The upper computer目 录前 言1第一章 工业加热炉控制系统概述2第一节 温度控制系统背景及发展趋势2一、温度控制系统背景2二、温度控制系统发展趋势2第二节 研究内容与任务3第三节 本章小结3第二章 设计方案及控制算法5第一节 设计方案5一、系统总体方案5二、硬件设计方案5三、软件设计方案6四、上位机设计方案7第二节 控制算法8一、控制算法选择8二、PID算法介绍8第三节 本章小结10第三章 加热炉控制系统硬件设计11第一节 系统硬件组成11一、系统结构组成11二、各组成部分的任务11第二节 AE2000型过程控制实验系统12一、电加热锅炉12二、
9、温度变送器12三、三相晶闸管移相调压装置12第三节 可编程逻辑控制器及模拟量扩展模块13一、可编程逻辑控制器13二、模拟量扩展模块15第四节 本章小结17第四章 加热炉控制系统软件设计18第一节 设计思路18一、主程序部分18二、温度标度变换部分18三、PID运算调节部分18第二节 主程序18第三节 标度变换子程序19第四节 PID初始化子程序及中断程序20第五节 本章小结26第五章 上位机的设计与调试27第一节 上位机与下位机的通信连接27第二节 组态王工程的建立和调试27第三节 本章小结29第六章 系统运行及结果分析30第一节 系统运行30第二节 结果分析30第三节 本章小结31结 论32
10、致 谢33参考文献34附 录35一、英语原文35二、英语翻译44三、源程序51IV前 言温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位。由于PLC对现场进行实时监控具有很高的可靠性,且编程简单、灵活,因此越来越受到人们重视,PLC也被广泛地应用于温度控制系统。所以在现代工业控制中,选用PLC对温度进行控制将是大多数人的选择。因此设计一个基于PLC的工业加热炉温度控制系统具有重要意义。对于工业加热炉控制系统,从分析对象要求,形成设计思想,选用设备,编写并优化程序,在本论文中都会得到详细和完整地论述。第
11、一章 工业加热炉控制系统概述第一节 温度控制系统背景及发展趋势一、温度控制系统背景温度控制系统在工业生产活动中被广泛地使用,同时又是人们供热取暖设备的主要驱动来源,它的出现迄今已有两百余年。期间,它从低级到高级,从简单到复杂。随着生产力的发展和对温度控制精度的要求不断提高,温度控制系统的控制技术得到了迅速发展。自70年代以来,由于工业过程控制的需要,特别是在微电子技术和计算机技术的发展下,还有在自动控制理论与设计方法发展的推动下,国内外的温度控制系统迅猛发展,并且在职能化、自适应、参数自整定等方面取得了不错成果。在这一方面,日本、美国、德国、瑞典等国的技术领先,已经产生了一批商品化的、性能高的
12、温度控制器及仪器仪表,并且被各行各业广泛应用。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从生产的温度控制器来讲,我国总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。目前,我国在这方面总体水平处于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。形成商品化并在仪表控制系统参数的自整定方面,由于国外技术保密及我国开发工作的滞后,还没有开发出性能可靠的自整定软件,控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。二、温
13、度控制系统发展趋势当前比较流行的温度控制系统1有基于单片机的温度控制系统,基于PLC的温度控制系统,基于工控机(IPC)的温度控制系统,另外还有集散型温度控制系统(DCS),现场总线控制系统(FCS)等。各种温度系统都有自己的优缺点,用户需要根据实际需要选择系统配置。当然,在实际运用中,为了达到更好的控制效果,可以采取多个系统的集成,做到互补长短。随着科学技术的不断发展,人们对温度控制系统的要求越来越高,因此,高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然的发展趋势。第二节 研究内容与任务加热炉由内胆、夹套及附属的加热电阻丝组成。水的温度是通过热传递的方式,将热能由温度高的内胆水传到温度低的
14、夹套水中去。于是,通过适当调节加热电阻丝两端的电压,加热控制内胆水温,进而控制夹套水温。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的新型自动控制装置。其性能优越,已被广泛地应用于工业控制的各个领域,并已经成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。PLC技术在温度控制系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计,控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定、人机界面地设计等。串级系统2是由调节器串联起来工作,整个系统包括两个控制回路,即主回路和副回路,其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。一次
15、扰动作用在主被控过程上,而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动作用在副被控过程上,即包括在副回路范围内的扰动。在串级控制系统中,由于引入了一个副回路,不仅能及早克服进入副回路的扰动,而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用,主调节器具有“细调”的作用,从而使其控制品质得到进一步提高。以加热炉为控制对象水的容器;以加热炉夹套水温为主被控参数,以内胆水温为副被控参数;以三相调压装置为系统执行机构;以西门子S7200系列PLC3为控制器,构成加热炉温度串级控制系统,主、副控制器采用PID控制算法,运用PLC梯形图编程语言进行编程,手动整定PID参数,实时反馈内胆、夹套水温,控制加热装置,使加
16、热炉温度达到设定温度值左右,并能实现手动启动和停止;运行指示灯显示系统的运行状态;上述物品及功能实现加热炉夹套温度地自动控制。系统配置一台上位监控PC机,PC机安装有北京亚控公司的“组态王”监控组态软件,通过USBPPI编程电缆同PLC的RS485串行接口进行通讯。第三节 本章小结随着历史的发展,温度控制系统被广泛地应用于工业生产中,而且精度要求越来越高,在此期间温控系统技术得到迅猛的发展。尤其以日本,美国,德国,瑞典为代表,它们的技术遥遥领先,并且已经生产出商品化,性能高的温度控制器及仪器仪表。我国与他们相比,虽然在各行各业都有广泛使用温度控制系统,但是在生产制造、科学研究等方面,我国与日本
17、,美国等国有很大差距。目前国内有基于单片机的、PLC的、IPC的温度控制系统,还有集散型、现场总线温度控制系统。这些温度控制系统各有优缺点:基于单片机的温度控制系统运行稳定,但是它受单片机的影响较大,因为单片机响应慢,中断源少,所以此温度控制系统不适用于复杂,高要求的工作环境;考虑到工控机性能稳定,可用软件多,价格低的因素,它被广泛应用,但是单独使用时,容易被干扰,可靠性差;集散型温度控制系统是款集聚监控及协调管理的不错的控制系统,但是它的成本过高,难以大范围的应用;现场总线控制系统是个优点较多的控制系统,但是它才刚开始进入实用化,并且各国标准不统一,在国际上互换使用比较麻烦;相对于上述温度控
18、制系统来说,PLC的可靠性高,抗干扰能力强,易于学习掌握,所以它在工业上的使用更加广泛,从经济效益上来讲,其成本低,市场占有率高,前景广阔。通过运用串级系统的思想与PLC技术,以及对系统硬件、软件和上位机软件的设计,使得加热炉温度控制系统达成预定目标,即主、副控制器采用PID控制算法,实时计算控制量,手动整定PID参数,控制调压装置及加热电阻丝两端电压,使夹套温度能够稳定在设定温度值的附近,并能实现手动启动和停止,运行指示灯实时监控控制系统的运行,实时显示当前内胆温度值与夹套温度值。第二章 设计方案及控制算法第一节 设计方案一、系统总体方案加热炉温度控制系统主要由硬件、软件和上位机45三部分组
19、成。设计方案是对PLC进行编程来对系统进行总体控制;温度变送器采集夹套和内胆温度信号;两个常开按钮分别对系统的运行与停止进行手动控制;指示灯用来显示系统的运行状态;模拟量扩展模块承担两个模拟量输入和一个模拟量输出的任务;调压装置根据模拟量扩展模块的输出信号对加热炉内电阻丝两端电压进行控制,来实现对温度的控制6。利用上位机中的组态软件的功能,构建一套最适合本系统的应用系统,允许操作人员通过上位机直接向设备发出控制指令。二、硬件设计方案硬件基本构成有PLC部分、模拟量扩展模块、调压装置、温度变送器、电加热锅炉(内含加热电阻丝)、启动/停止按钮与指示灯七个部分组成7。其硬件部分组成及其关系如图2.1
20、所示:图2.1 硬件连接图基本工作原理:加热炉是控制对象(本设计采用自来水作为控制对象)的容器,通过温度变送器检测内胆水温和夹套温度,各自产生15V电压信号,传送给S7200 PLC的模拟量扩展模块EM235,由PLC主控系统部分进行运算和处理,之后再将由模拟量扩展模块EM235产生420mA的控制信号传送给调压装置,调压装置根据不同的控制信号输出不同的电压来控制加热炉内的电阻丝来对水进行加热,由此水温升高或降低会影响温度变送器,从而产生了一个闭环回路控制,因此达到平衡控制水温的目的。通过启动和停止产生的开关量数字信号来控制系统运行与停止,实现手动控制的功能。指示灯显示系统的运行情况。三、软件
21、设计方案软件基本结构由主/副PID控制器控制对象温度。其基本工作原理7:首先预计出两个PID控制器的相关参数,进行PID初始化;把夹套温度变送器传送回来的15V电压信号经过模拟量扩展模块EM235的输入口A/D转换变为640032000的数字量(称为主回路的夹套温度过程值PV1),同时给定一个夹套温度给定值SP,将SP和PV1传送给主控制器PID1运算,得到的结果OUT1作为副控制器的给定值SP,将它和内胆温度变送器传送回来的内胆温度过程值PV0传送给副控制器 PID0运算,得到的结果OUT0经过模拟量扩展模块EM235的输出口D/A转换变为420mA的控制信号传送给调压装置,对炉内加热电阻丝
22、进行控制,同时对内胆温度和夹套温度进行检测,形成双闭环回路的串级控制。其控制回路组成图如图2.2所示:图2.2 温度串级控制系统流程图如图2.3所示:图2.3 系统流程图四、上位机设计方案使用组态软件组态王设计出能反应系统的组成;系统运行状态;显示加热炉实时温度;手动启、停系统;设定期望温度值的工程。第二节 控制算法一、控制算法选择在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制8,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近80年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学
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