【正文】 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 1 頁 共 52 頁 基于 PLC 控制的鍋爐供熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 引言 1． 1 技術(shù)綜述 自 70 年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應(yīng)參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生 產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于 20 世紀(jì) 80 年代中后期水平。成熟產(chǎn)品主要以 “點(diǎn)位 ”控制及常規(guī)的 PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復(fù)雜時(shí)變溫度系統(tǒng)控制，而且適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少?，F(xiàn)在，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外還有著一定的差距。 溫度控制系統(tǒng)大致可分別用 3 種方式實(shí)現(xiàn)，一種是用儀器儀表來控制溫度， 這種方法控制的精度不高。另一種是基于單片機(jī)進(jìn)行 PID 控制，然而單片機(jī)控制的 DDC 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜 , 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處 , 而 PLC 在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。隨著 PLC 功能的擴(kuò)充在許多 PLC 控制器中都擴(kuò)充了 PID控制功能。因此本設(shè)計(jì)選用西門子 S7300PLC 來控制加熱爐的溫度。 1． 2 系統(tǒng)工作原理 加熱 爐 溫度 控制 系統(tǒng) 基本構(gòu)成如圖 11 所示，它由 PLC 主控 系統(tǒng) 、固態(tài)繼電器、加熱 爐、溫度傳感器等 4 個(gè)部分組成。 PID控制器 D/A 固態(tài)繼電器 加熱爐 A/D 溫度傳 感器 PLC 主控系統(tǒng) SV — PV 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 2 頁 共 52 頁 圖 11 加熱 爐 溫度 控制 系統(tǒng) 基本組成 加熱爐 溫度 控制 實(shí)現(xiàn)過程是 :首先溫度傳感器將 加熱 爐的 溫度 轉(zhuǎn)化為電壓信號，PLC 主控 系統(tǒng) 內(nèi)部的 A/D 將送進(jìn)來的電壓信號轉(zhuǎn)化為西門子 S7300PLC 可識別的數(shù)字量，然后 PLC 將 系統(tǒng) 給定的 溫度 值與反饋回來的 溫度 值進(jìn)行比較并經(jīng)過 PID 運(yùn)算處理后，給固態(tài)繼電器輸入端一個(gè)控制信號控制固態(tài)繼電器的輸出端導(dǎo)通與否從而使加熱爐開始加熱或停止加熱。既 加熱 爐 溫度 控制 得到實(shí)現(xiàn)。其中 PLC 主控 系統(tǒng) 為 加熱爐 溫度 控制 系統(tǒng) 的核心部分起著重要作用。 1． 3 系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 23 所示。 圖 12 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 由圖 12 可知，溫度傳感器采集到數(shù)據(jù)后送給 S7300PLC， S7300PLC 通過運(yùn)算后給固態(tài)繼電器一個(gè)控制信號從而控制加熱爐的導(dǎo)通與否。上位機(jī)是編寫 PLC 程序以及監(jiān)控溫度的變化。 1． 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)要求 本系統(tǒng)應(yīng)能夠控制在設(shè)定值的 177。5 ℃ 的誤差范圍內(nèi)并且具有溫度上下限報(bào)警功能和故障報(bào)警功能。 由學(xué)校提供，模擬真實(shí)鍋爐的溫度檢測和控制模塊，可自行將 0～ 10V 模擬信號轉(zhuǎn)化為占空比對鍋爐進(jìn)行加熱。輸出的模擬信號也是 0～ 10V，鍋爐外接 24V 直流電源。 2 下位機(jī)硬件 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 上位機(jī) S7300PLC 控制器 固態(tài)繼電器 電阻爐 溫度傳感器 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 3 頁 共 52 頁 隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域。現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對市場需求作出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性?？删幊绦蚩刂破鳎?Programmable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。 本 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)分為 PLC 的軟件和工控機(jī)的軟件設(shè)計(jì)兩部分，其中下位機(jī)使用的軟件為 siemens 公司的 step7。 本章主要介紹西門子 S7300 系列 PLC 以及其它硬件的組成與選型。 2． 1 硬件接線圖 硬件接線圖如下圖 21。 SB1 SB2 SB3 SB5 SB4 SB6 SQ1 SQ2 24V CPU3142DP PLC COM1 COM2 COM3 PQW305 PIW288 傳感器 加熱管 ~220V FU1 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 4 頁 共 52 頁 圖 21 硬件接線圖 2． 2 傳感器 溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學(xué)會(huì)的調(diào)查， 1990 年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從 17 世紀(jì)初伽 利略發(fā)明溫度計(jì)開始，人們開始利用溫度進(jìn)行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是 1821 年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。 50 年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、 PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。 熱電阻 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度測量元件。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加 這一特性來進(jìn)行溫度測量的。當(dāng)電阻值變化時(shí)，二次儀表便顯示出電阻值所對應(yīng)的溫度值。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的。 鉑熱電阻根據(jù)使用場合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們提供精確的輸入值。若做成一體化溫度變送器，可輸出 420mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號或 010V 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，使用起來更為方便。 熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅。此外，現(xiàn)在已開始 采用鉻、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。根據(jù)使用場合的不同，熱電阻也有鎧裝式熱電阻、裝配式熱電阻、隔爆式熱電阻等種類，與熱電偶類似。 鉑電阻的工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關(guān)系即分度特性符合 IEC 標(biāo)準(zhǔn)。分度號 Pt100 的含義為在 0℃ 時(shí)的名義電阻值為 100Ω，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。此外還有 Pt Pt200、 Pt500和 Pt1000 等鉑熱電阻， Cu50、 Cu100 的銅熱電阻等。 熱電偶 工業(yè)熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表 和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中不同范圍的溫度。若配接輸出 420mA、 010V等標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓信號的溫度變送器，使用更加方便、可靠。對于實(shí)驗(yàn)室等短距離的 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 5 頁 共 52 頁 應(yīng)用場合，可以直接把熱電偶信號引入 PLC 進(jìn)行測量。 熱電偶的工作原理是 ,兩種不同成份的導(dǎo)體 ,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測量端也 叫工作端（熱端），接線端子端 也 叫冷端，當(dāng)熱端和冷端存在溫差時(shí)，就會(huì)在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)；接上顯示儀表，儀表上就會(huì)指示所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢的對應(yīng)溫度值，電動(dòng)勢隨溫度升高而增長。熱電動(dòng)勢的大小只和熱電 偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關(guān)，而和熱電偶的長短粗細(xì)無關(guān)。 根據(jù)使用場合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。裝配式熱電偶由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護(hù)管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強(qiáng)等特點(diǎn)，適宜安裝在裝配式熱電偶無法安裝的場合，它的外保護(hù)管采用不同材料的不銹鋼管，可適合不同使用溫度的需要，內(nèi)部充滿高密度氧化絕緣體物質(zhì)，非常適合于環(huán)境惡劣的場合。隔爆式熱電偶通常應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體的場合，如果使用 普通熱電偶極易引起氣體爆炸，則在這種場合必須使用隔爆熱電偶。 熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程，如燃燒和爆炸過程等。對一般的工業(yè)應(yīng)用來說，為了保護(hù)感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護(hù)套里面，外觀就顯得笨大，對于 溫度場的反應(yīng)也就遲緩得多。使用熱電偶的時(shí)候，必須消除環(huán)境溫度的波動(dòng)對測量帶來的影響。有的把它的自由端放在不變的溫度場中，有的使用冷端補(bǔ)償器抵消這種影響。當(dāng)測量點(diǎn)遠(yuǎn)離儀表時(shí)，還需要使用熱電勢率和熱電偶相近的導(dǎo)線來傳輸信號，這種導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。 本設(shè)計(jì)選用鎳鉻 鎳硅 N 型熱電偶 ，選用其型號為 WRM101。 2． 3 PLC 的基本概念 可編程序控制器簡稱為 PLC，它的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。 PLC 已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中， PLC 在其它 領(lǐng)域，例如在民用和家庭自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。 S7300 簡介 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 6 頁 共 52 頁 S7300 是模塊化的中小型 PLC，適用于中等性能的控制要求。品種繁多的 CPU模塊、信號模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時(shí)更換模塊也很方便。 S7300 有很高的電磁兼容性和抗振動(dòng)抗沖擊能力，有 350 多條指令，其編程軟件 STEP7 功能強(qiáng)大，可以使用多種編程語言。 S7300 采用緊湊的、無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，各個(gè)模塊都安裝在導(dǎo)軌上，用螺栓鎖緊即可。 模塊式 PLC 的基本結(jié)構(gòu) 這里我們主要介紹的是西門子 S7300， S7300 屬于模塊式 PLC。西門子的 PLC以其極高的性價(jià)比，在國內(nèi)占有很大的市場份額，在我國的各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。 S7300 模塊式 PLC，主要由機(jī)架、 CPU 模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成，各種模塊安裝的機(jī)架上。通過 CPU 模塊或通信模塊上的通信接口， PLC 被連接到通信網(wǎng)絡(luò)上，可以與計(jì)算機(jī)、其它 PLC 或其它設(shè)備通信。圖 22 是 PLC 控制系統(tǒng)的示意圖。 圖 22 PLC 控制 系統(tǒng)示意圖 CPU 模塊： CPU 模塊主要由微處理器和存儲器組成， S7300 將 CPU 模塊簡稱為CPU。在 PLC 控制系統(tǒng)中， CPU 模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷的采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出，模塊中的存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)。 信號模塊：輸入（ Input）模塊和輸出（ Output）模塊一般簡稱為 I/O 模塊，開關(guān)量輸入 /輸出模塊簡稱為 DI 模塊和 DO 模塊，模擬量輸入 /輸出模塊簡稱為 AI 模塊和接觸器 電磁閥 指示燈 電源 接口模塊 其他設(shè)備 其他 PLC 計(jì)算機(jī) 通信網(wǎng)絡(luò) 擴(kuò)展機(jī)架 CPU 模塊 通信模塊