【正文】 院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 誠 信 承 諾 我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《 電加熱器的控制及其 PLC 的實(shí)現(xiàn) 》均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）： 年 月 日 電加熱器的控制及其 PLC 的實(shí)現(xiàn) II 摘 要 【 摘要 】 本文主要介紹了一種基于西門子 PLC S7300 編程軟件和組態(tài)監(jiān)控軟件 Win CC 的智能溫度控制應(yīng)用，對AE2021 型實(shí)驗(yàn)裝置中的一鍋爐的加熱系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到溫度控制精度要求。 本實(shí)驗(yàn)采用 PLC S7300 的編程環(huán)境 STEP7 中調(diào)用 FB41 模塊來進(jìn)行 PID 控制的技術(shù)，對加熱對象的分析和整定，并且建立其數(shù)學(xué) 模型及對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較 。 寧波大學(xué) 科學(xué)技術(shù) 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III The electric heater and the realization of the PLC control Abstract t 【 ABSTRACT】 This text mainly introduced the exhibition of intelligent temperature control based on a Siemens PLC S7300 programming software and configuration monitoring software Win CC and the temperature control about heating system of a boiler in AE 2021 experimental facility .Besides during the heating progress, using the function of well humanputer interface ,data collection and so on to monitor the temperature by Win CC configuration .This experiment adopt PLC S7300 programming environment’s STEP7 to conduct PID technology by invoking FB41 module analyze the heating object, and build its mathematical model and the analysis and pare to the experiment data. 【 KEYWORDS】 temperature control； Siemens PLC； PID control； Win CC configuration。鍋爐溫度是一個(gè)大慣性系統(tǒng)，一般采用 PID調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。目前面向節(jié)能降耗、提高軋制產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量設(shè)計(jì)的加熱爐工程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代冶金企業(yè)的加熱爐生產(chǎn)控制中。 加熱爐是利用電能來產(chǎn)生蒸汽或熱水的裝 置。而傳統(tǒng)的加熱爐普遍采用繼電器控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)勢必被 PLC所取代。 在過去的 幾十年里至今， PID控制己在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。由于其原理簡單、使用方便、適應(yīng)能力強(qiáng)，在工業(yè)過程控制中 95%甚至以上的控制回路都采用了 PID結(jié)構(gòu)。 工業(yè)控制領(lǐng)域 PLC 的控制 可編程控制器 PLC具備了體積小，組裝靈活和 編程簡單 等的特點(diǎn)。 也因?yàn)?PLC中數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理能力相對較 弱 ，不能給用戶提供 很 好的界面 跟操作 等。 兩者的結(jié)合，更是編程技術(shù)上的進(jìn)步。一個(gè) PLC系統(tǒng)由三部分組成，即中央處理單元、輸入輸出模塊和編程單元。 隨著 社會(huì)在數(shù)字電子技術(shù)以及 計(jì)算機(jī)技術(shù) 方面的 不斷 發(fā)展 ， 同時(shí) PLC也 跟著突飛猛進(jìn)的進(jìn)步 ，在這 PLC 應(yīng)用領(lǐng)域不斷增大，以及加強(qiáng)了 PLC 功能發(fā)展發(fā)面的東西的同時(shí) ，不但使 得 PLC的功能變得更優(yōu)化 善，也使 得 PLC在 實(shí)際 情況 中 的應(yīng)用中 存在的問題 ，予以得到更加深沉的思索和探索 。 PLC在工業(yè)領(lǐng)域作用的日益重大，不但是今后工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的有力支撐，也是工業(yè)化生產(chǎn)的主要依托。直到九十年代中期，不少企業(yè)才開始應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制的連續(xù)加熱爐，可以說發(fā)展緩慢，而且對一于國內(nèi)的溫度控制器，總體發(fā)展水平仍不高，不少企業(yè)還相當(dāng)落后。目前我國的產(chǎn)品主要以 “ 點(diǎn)位 ” 控制和常規(guī) PID為主，只能處理一些簡單的溫度控制。而相對于一些技術(shù)領(lǐng)先的國家，他們生產(chǎn)出了一批能夠適應(yīng)于大慣性、大滯后、過程復(fù)雜，參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)。 近年來，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和檢測設(shè)備及性能的不斷提升，人上智能理論的實(shí)用化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界 PLC生產(chǎn)廠家約 150 家，生產(chǎn) 300 多個(gè)品種 ， 2021年銷售額約為 86億美元，占 到絕大部分的工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 市場份額 ，這邊明 PLC在 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 市場 中 起到 主 頭作用。 在監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的采集整理方面，本課題設(shè)計(jì)采用的是 WinCC 組態(tài)軟件，來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集以及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。然后送給模擬量輸入模塊，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。寧波大學(xué) 科學(xué)技術(shù) 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 用來控制可控硅的一導(dǎo)通角大小，從而調(diào)節(jié)電熱絲的加熱，改變溫度大小。 （ 2） 西門子 Win CC 組態(tài)的設(shè)置 。 （ 4） 實(shí)現(xiàn)溫度控制的 PID 控制策略 。 實(shí)驗(yàn)裝置 如圖 21所示： 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 電加熱器過程結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型 電加熱器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1） AE2021A實(shí)驗(yàn)對象檢測及執(zhí)行裝置包括： （ 1） 檢測裝置： Pt100 熱電阻溫度傳感器分別用來檢測鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套和對流換熱器冷水出口、熱水出口、純滯后盤管出口水溫。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。 溫度傳感器熱電阻 測 溫是 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 ， 從它引出的導(dǎo)線電阻發(fā)生變化，就會(huì)給測量溫度裝置帶來不必要的誤差，所以 溫度傳感器熱電阻大都 是 由純金屬材料制 做而 成 。 （ 2） 執(zhí)行裝置：三相可控硅移相調(diào)壓裝置用來調(diào)節(jié)三相電加。 其調(diào)壓裝置 是一種四層三端半導(dǎo)體器件，主要工作原理是將四層三端半導(dǎo)體器件，接在電源和負(fù)載中間，配上相應(yīng)的觸發(fā)控制電路板，就可以調(diào)整加到負(fù)載上的電壓、電流和功率 ， 從而實(shí)現(xiàn)精密控溫。 2） 鍋爐：鍋爐內(nèi)膽中有電加熱器，可以控制進(jìn)行加熱。 如圖 22 圖 22 AE2021A實(shí)驗(yàn)控制對象 實(shí)物圖 電加熱器的控制及其 PLC 的實(shí)現(xiàn) 西門子可編程控制器 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷更新和發(fā)展， PLC 可編程控制器的優(yōu)越性就體現(xiàn)的淋漓精致，其凸顯的快速性，穩(wěn)定性，安全方便性越加符合現(xiàn)代社會(huì)一些有關(guān)于制造的公司和企業(yè)要求。 PLC 的特點(diǎn) 1) 編程方法簡單易學(xué) PLC編程語言 中， 梯形圖 易學(xué)易懂，圖形比較簡單， 是 應(yīng)用 最多 的編程方式 ， 其電路符號和表達(dá)式與繼電器電路原理圖 很 相似 。跟同類別的相比具有很明顯的優(yōu)越性和價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。大家能隨心所遇的構(gòu)成根據(jù)不同功能的，自己需要的控制系統(tǒng)，從而使用起來也非常方便可靠。 4) 可靠，抗 干擾性能 強(qiáng) 以往的一些繼電器可能很容易出現(xiàn)問題故障，不能可靠的供用戶使用，但是 PLC還有其軟件功能，給用戶解決的不穩(wěn)定的因數(shù)，也排除了很多之前的故障問題。這給用戶正常使用控制器提供了保障，其抗干擾的能力是用戶公認(rèn)的突出優(yōu)點(diǎn)。 而 PLC軟件功能中的梯形圖設(shè)計(jì)程序，也是一個(gè)很容易掌握 和學(xué)習(xí)的知識，其易學(xué)易懂，設(shè)計(jì)方法也很明白簡單，能更好的被用戶習(xí)得，編程的時(shí)間也大大的減少了。再其具有自己軟件的調(diào)試診斷故障的能力，使得能讓用戶更加快速和方便的發(fā)現(xiàn)故障的所在，從而迅速解決和排除一些小故障。相當(dāng)于原來的一半都不到。 PLC 的工 作原理 PLC有兩種工作狀態(tài)，即運(yùn)行（ RUN）狀態(tài)和停止（ STOP）狀態(tài)。 PLC會(huì)不斷的執(zhí)行用戶的程序，從而能 更精確的 接收到可能隨時(shí)產(chǎn)生變化的輸入信號，直到 PLC停止工作。 圖 23 PLC工作運(yùn)行 階段 PLC的這種 反復(fù)的 的循環(huán)工作 模 式我們稱做 PLC掃描工作方式 。 S7300PLC 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡述 本次系統(tǒng)溫度控制設(shè)計(jì)， 主要采用的是西門子 S7300PLC進(jìn)行編程控制， 以 PLC 控制為核心，PLC 將加熱爐溫度設(shè)定值與溫度傳感器的測量值之間的偏差，經(jīng)過 PID 運(yùn)算后得到的信號控制輸出電壓的大小 ，采用 PID算法，運(yùn)用 PLC編程語言編程，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。 開始 自診斷 與編程器通信 讀入現(xiàn)場信號 執(zhí)行用戶程序 輸出結(jié)果 STOP RUN 電加熱器的控制及其 PLC 的實(shí)現(xiàn) 西 門子 S7300PLC中的 CPU的作用是不斷的采集數(shù)據(jù)來執(zhí)行程序，不斷的去更新輸出結(jié)果。 輸入和輸出模塊是 I/O模塊 ， 輸入模塊 主要是 用來 收集 輸入信號，模擬量輸入模塊 是主要 用來接收 連續(xù)變化地模擬量電壓電流信號，其都是信號模塊。 PLC一般使用 AC 200V電源或 DC 24V電源，電源模塊 用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為 DC 24V電壓和背板總線上的 DC 5V電壓，供其他模塊使用。具有模塊化、無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及易于掌握等待點(diǎn)。 S7300還具有不同種類和不同層次的 CPU，為用戶提供了強(qiáng)大的功能。 STEP7 硬件 組態(tài) 設(shè)置步驟 STEP7軟件硬件組態(tài) 設(shè)置 是 來 模擬真實(shí)的 PLC硬件系統(tǒng)， 從而 對 PLC硬件模塊的 各種 參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改的過程。下面結(jié)合此次設(shè)計(jì)的課題 逐一對這六個(gè)步驟進(jìn)行 展開 分析 。輸入自定義的工程名稱，最后點(diǎn)擊‘ Finish’按鈕，結(jié)束對項(xiàng)目的創(chuàng)建過程。雙擊‘ DP’，出現(xiàn) DP屬性對話框。 圖 32 PROFIBUS DP設(shè)置 c) 在建立好的‘ PROFIBUS（ 1）’網(wǎng)絡(luò)上添加通信模塊 IM1531(6ES71531AA030XB0)。 d) 對模擬量模塊的屬性進(jìn)行修改，選中要修改的模塊的屬性對話框，分別修改模擬量輸入模塊的‘ Addresses’和‘ Inputs’屬性進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整為電壓型輸 入，即‘ E’，測量范圍為 1..5V。最終得到最后的硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 33所示。創(chuàng)建的符號編輯器的結(jié)果如圖 34所示，其中鍋寧波大學(xué) 科學(xué)技術(shù) 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 爐溫度定義為“ AI1” ，它 位于模擬量輸入通道的“ IW2”，輸出到加熱器的控制信號定義為“ AQ1”，地址是模擬量輸出通道的“ QW18” 。梯形圖程序如圖 35所示。其中調(diào)用了 FB41模塊，定義了 DB41，在正確完成了程序編寫之后，兩個(gè)數(shù)據(jù)塊會(huì)自動(dòng)生成，最終 PID 程序中 Blocks 中的結(jié)構(gòu)如圖 36。完成后將 PLC置于 RUN模式。不同的編程語言為具有不同知識背景的編程人員提供了選擇。 ? STL：語句表 ，它是用文本編程的形式 。 對比 這三種編程語言， 我們可以發(fā)現(xiàn)梯形圖 和 功能塊圖 都是 采用 圖形化的編程語言， 易于明白，使用方便 ； 語句表的話它更趨向于 程序員的 編程 語言， 控制可能比較靈活 。它具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目，使用方式靈活，功能強(qiáng)大。 Win CC 組態(tài)設(shè)計(jì)及其畫面監(jiān)控的實(shí)現(xiàn) WinCC組件分別由組態(tài)軟件和運(yùn)行軟件構(gòu)成。 寧波大學(xué) 科學(xué)技術(shù) 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 使用 WinCC的運(yùn)行軟件，操 作人員可監(jiān)控生產(chǎn)過程，使用 WinCC來開發(fā)和組態(tài)一個(gè)項(xiàng)目的步驟是： ? 啟動(dòng) WinCC ? 建立一個(gè)項(xiàng)目 ? 選擇以及安裝通訊驅(qū)動(dòng)程序 ? 定義變量 ? 建立和編輯過程畫面 ? 指定 WinCC運(yùn)行系統(tǒng)的屬性 ? 激活 WinCC畫面 ? 使用變量模擬器測試過程畫面 結(jié)合本次畢業(yè)設(shè)計(jì) ， 討論 Win CC軟件開發(fā)過程，開發(fā)過程主要分為工程建立、通信設(shè)置、變量設(shè)置、監(jiān)控過程畫面的繪制等。 圖 37 資源管理器 圖 38 創(chuàng)建項(xiàng)目 (2) 添加通訊驅(qū)動(dòng)程序，完成 PLC與 Win CC之間通信。 電加熱器的控制及其 PLC 的實(shí)現(xiàn) 圖 39 添加驅(qū)動(dòng)模塊 (3) 右鍵點(diǎn)擊 MPI通道單元，在快捷菜單中選擇“新驅(qū)動(dòng)程序的連接”，在“連接屬性”對話框中輸入“ cpu3152dp”作為邏輯連接名，然后再點(diǎn)擊“屬性”按鈕，在連接設(shè)置中將插槽號設(shè)置為2。建立的結(jié)果如圖 311所示。下面對圖形界面的編輯中用到的主要對象進(jìn)行簡單的介紹。 圖 313 添加輸入 /輸出域