基于PLC控制的加热炉温度控制系统设计.docx

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基于PLC控制的加热炉温度控制系统设计

学科代码：

080601

学号：

061401010055

贵州师范大学（本科）

毕业设计

题目：

基于PLC控制的加热炉温度控制系统设计

学院：

机械与电气工程学院

专业：

电气工程及其自动化

年级：

2006级

姓名：

吴长胜

指导教师：

吴舰

完成时间：

2010年5月1日

基于PLC控制的加热炉温度控制系统设计

摘要

温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。

加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。

这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。

加热炉温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。

随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的。

本设计是利用西门子S7-300PLC控制加热炉温度的控制系统。

首先介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了西门子S7-300PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。

关键词：

西门子S7-300PLC，PID，温度传感器，固态继电器

TheapplicationofSiemensS7-300intemperaturecontrol

Abstract

Temperaturecontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrycontrolledfield，asthetemperaturecontrolsystemofboilersandweldingmachinesinsteelworks、chemicalplant、heat-engineplantetc.Heating-stovetemperaturecontrolhasalsobeenappliedwidelyinallkindsoffields.TheapplicationofthisaspectisbasedonSCMwhichismakingthePIDcontrol,yetthehardwareandsoftwaredesignofDDCsystemcontrolledbySCMissomewhatcomplicated,it’snotanadvantageespeciallyrelatedtologiccontrol,howeveritisacceptedasthebestchoicewhenmentionedtoPLC.

Thefurnacetemperatureofheating-stoveisalargeinertiasystem，sogenerallyusingPIDadjustingtocontrol.WiththeexpandingofPLCfunction,thecontrolfunctioninmanyPLCcontrollershasbeenexpanded.ThereforeitismorereasonabletoapplyPLCcontrollingintheapplicablefieldswherelogicalcontrolandPIDcontrolblendtogether.ThedesignhasutilizedthecontrolsystemwithwhichSiemensS7-300PLCcontrolthetemperatureheating-stove.Inthefirstplacethispaperpresentstheworkingprinciplesofthetemperaturecontrolsystemandtheelementsofthissystem.ThenitintroducesSiemensS7-300PLCandthespecificdesignproceduresofthehardwareandthesoftware.

Keywords：

SiemensS7-300PLC，PID，temperaturepickup,solidstaterelay

第一章引言

1.1系统设计背景

近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。

因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。

由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。

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的经济高效稳定且维护方便。

这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。

本课题来源于教学模拟题目，通过本设计可以熟悉并掌握西门子S7-300PLC的原理与功能以及它的编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制的问题。

1.2系统工作原理

加热炉温度控制系统基本构成如图1.1所示，它由PLC主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等4个部分组成。

图1.1加热炉温度控制系统基本组成

加热炉温度控制实现过程是:

首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-300PLC可识别的数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。

既加热炉温度控制得到实现。

其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。

1.3系统设计目标及技术要求

本系统应能够控制在设定值的±5℃的误差范围内并且具有温度上下限报警功能和故障报警功能。

1.4技术综述

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。

在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。

目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

目前，我国在这方面总体技术水平处于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，而且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，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。

温度控制系统大致可分别用3种方式实现，一种是用仪器仪表来控制温度，这种方法控制的精度不高。

另一种是基于单片机进行PID控制，然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,而PLC在这方面却是公认的最佳选择。

随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能。

因此本设计选用西门子S7-300PLC来控制加热炉的温度。

本章小结：

本章从总体上介绍了本设计的设计背景以及系统的工作原理，并且简单介绍了目前国内外本领域的技术水平。

第二章系统设计

2.1控制原理与数学模型

2.1.1PID控制原理

1.PID控制器基本概念

PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。

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模型时、控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合采用PID控制技术。

（1）比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。

（2）积分（I）控制

在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。

为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差的运算取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，采用比例+积分（PI）控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

（3）微分（D）控制

在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大的惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

2.闭环控制系统特点

控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统。

开环控制系统（Open-loopControlSystem）是指被控对象的输出（被控制量）对控制器（controller）的输出没有影响，在这种控制系统中,不依赖将被控制量反送回来以形成任何闭环回路。

闭环控制系统（Closed-loopControlSystem）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。

闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈（NegativeFeedback）；若极性相同，则称为正反馈。

一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。

可见，闭环控制系统性能远优于开环控制系统。

PID就是应用最广泛的闭环控制器。

如图2.1所示系统是用于电加热炉温度控制系统的闭环控制系统的PID闭环控制系统，系统目标设定值为期望的加热炉温度，闭环控制器的反馈值通过温度传感器测得，并经A/D变换转换为数字量；目标设定值与温度传感器的反馈信号相减，其差送入PID控制器，经比例、积分、微分运算，得到叠加的一个数字量；该数字量经过上限、下限限位处理后进行D/A变换，输出一个电压信号去控制固态继电器，以控制加热炉的温度。

该系统的PID控制器一般采用PLC提供的专用模块（本系统采用FB58模块），也可以采用编程的方法（如PLC编程、高级语言编程或组态软件编程等）生成一个数字PID控制器。

同时，其它功能如A/D、D/A都由PLC实现，加热炉的反馈信号直接送PLC采集，控制固态继电器的电压信号也由PLC送出，从而控制加热炉的温度。

图2.1电加热炉温度控制系统的闭环控制系统应用实例

3.PID控制器的参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性，确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有如下两大类：

一是理论计算整定法。

它主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用,还必须通过工程实际进行调整和修改。

二是工程整定法。

它主要依赖于工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

这三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后的调整与完善。

现在一般采用的是临界比例法。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：

（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

（2）仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

4.PID控制器的主要优点

PID控制器成为应用最广泛的控制器，它具有以下优点：

（1）PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在、将来的主要信息，而且其配置几乎最优。

其中，比例（P）代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速。

微分（D）在信号变化时有超前控制作用，代表将来的信息。

在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。

积分（I）代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统的静态特性。

此三种作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、准确，收到良好的效果。

（2）PID控制适应性好，有较强的鲁棒性，对各种工业应用场合，都可在不同的程度上应用。

特别适于“一阶惯性环节+纯滞后”和“二阶惯性环节+纯滞后”的过程控制对象。

（3）PID算法简单明了，各个控制参数相对较为独立，参数的选定较为简单，形成了完整的设计和参数调整方法，很容易为工程技术人员所掌握。

（4）PID控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一系列改进的PID算法。

例如，为了克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制，为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制，为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制，等。

这些改进算法在一些应用场合取得了很好的效果。

同时当今智能控制理论的发展，又形成了许多智能PID控制方法。

2.1.2PID指令的使用注意事项

1．PID控制器的选取

PID控制器的性能和处理速度只与所采用的CPU的性能有关。

对于任意给定的CPU，控制器的数量和每个控制器被调用的频率是相互矛盾的。

控制环执行的速度，也即在每个时间单元内操作值必须被更新的频率决定了可以安装的控制器的数量。

对要控制的过程类型没有限制，迟延系统（温度、液位等）和快速系统（流量、电机转速等）都可以作为被控对象。

过程分析时应注意：

控制过程的静态性能（比例）和动态性能（时间延迟、死区和重设时间等）对被控过程控制器的构造和设计以及静态（比例）和动态参量（积分和微分）的维数选取有着很大的影响。

准确地了解控制过程的类型和特性数据是非常必要的。

控制器选取时应注意：

控制环的特性由被控过程或被控机械的物理特性决定，并且设计中可以改变的程度不是很大。

只有选用了最适合被控对象的控制器并使其适应过程的响应时间，才能得到较高的控制质量。

不用通过编程就可以生成控制器的大部分功能（构造、参数设置和在程序中的调用等），前提是必须已经掌握STEP7的编程基础知识。

2.PID参数的设定

PID调节器参数是根据控制对象的惯量来确定的。

大惯量如大烘房的温度控制，一般P可在10以上，I=3-10，D=1左右。

小惯量如一个小电机带一个水泵进行压力闭环控制，一般只用PI控制，P=1-10，I=0.1-1，D=0，这些要在现场调试时进行修正，主要是靠经验及对生产工艺的熟悉，参考对测量值的跟踪与设定值的曲线，从而调整P、I、D的大小。

下面具体说明经验法的整定步骤：

（1）让调节器参数的积分系数I=0，微分系数D=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数P，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。

（2）取比例系数P为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数I，同样让扰动信号作阶跃变化，直至得到满意的控制过程。

（3）积分系数I保持不变，改变比例系数P，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。

否则，将原比例系数P增大一些，再调整积分系数I，力求改善控制过程。

如此反复试凑，直到找到满意的比例系数P和积分系数I为止。

（4）引入适当的微分系数D，此时可适当增大比例系数P和积分系数I。

和前述步骤相同，微分系数的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。

需要注意的是：

仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业PID调节器有所不同，其各个参数之间是相互隔离的，因而互不影响，用其观察调节规律十分方便。

经验法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。

经验法简单可靠，但需要有一定的现场运行经验，整定时易带有主观片面性。

当采用PID调节器时，由于有多个整定参数，反复试凑的次数增多，因此增加了得到最佳整定参数的难度。

2.2采样信号和控制量分析

本系统共有一个模拟量（温度）信号，从模拟量地址的288读入PLC。

三个数字量控制固态继电器。

其余变量如表2.2所示。

表2.2变量表

序号

采样信号名称

性质（开关、模拟）

传感器

占用硬件资源

说明

1

AI0

模拟量

热电偶

I288

从外界读入的温度信号

2

DI0

开关量

I0.0

启动信号

3

DI1

开关量

I0.1

停止信号

4

DI2

开关量

I0.2

温度继电器高温信号

5

DI3

开关量

I0.3

温度继电器低温信号

6

DI5

开关量

I1.3

缺相报警输入

7

DI6

开关量

I1.4

过载保护信号

8

DO0

开关量

Q0.0

A相固态继电器控制信号

9

DO1

开关量

Q0.1

B相固态继电器控制信号

10

DO2

开关量

Q0.2

C相固态继电器控制信号

11

DO3

开关量

Q1.1

缺相报警

12

DO4

开关量

Q1.2

高温指示灯

13

DO5

开关量

Q1.3

低温指示灯

14

DO6

开关量

Q1.5

KA线圈

2.3系统组成

本系统的结构框图如图2.3所示。

图2.3系统结构框图

由图2.3可知，温度传感器采集到数据后送给S7-300PLC，S7-300PLC通过运算后给固态继电器一个控制信号从而控制加热炉的导通与否。

上位机是编写PLC程序以及监控温度的变化。

本章小结：

本章简单介绍了系统的总体设计以及支持该系统的理论依据。

第三章硬件设计

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域。

现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、高质量的产品。

为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置。

本章主要介绍西门子S7-300系列PLC以及其它硬件的组成与选型。

3.1PLC的基本概念

可编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。

PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。

3.1.1模块式PLC的基本结构

这里我们主要介绍的是西门子S7-300，S7-300属于模块式PLC。

西门子的PLC以其极高的性价比，在国内占有很大的市场份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。

S7-300模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装的机架上。

通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC或其它设备通信。

图3.1是PLC控制系统的示意图。

CPU模块：

CPU模块主要由微处理器和存储器组成，S7-300将CPU模块简称为CPU。

在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，模块中的存储器用来存储程序和数据。

图3.1PLC控制系统示意图

信号模块：

输入（Input）模块和输出（Output）模块一般简称为I/O模块，开关量输入/输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入/输出模块简称为AI模块和AO模块，在S7-300中统称为信号模块。

信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。

开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。

在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。

功能模块：

为了增强PLC的功能，扩大应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块。

主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。

接口模块：

CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。

接口模块用来实现中央机架和扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。

通信处理器：

通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者用于点对点通信。

电源模块：

PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC24V和背板总线上的DC5V电压，供其他模块使用。

编程设备：

S7-300使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。

程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。

程序可以存盘或打印，通过网络，可以实现远程编程。

编程软件还具有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。

3.1.2PLC的特点

编程方法简单易学：

梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就