加热炉温度控制系统毕业论文

摘要............................................................ I Abstract....................................................... II 第1章绪论.. (1)

1.1 课题背景及意义 (1)

1.2 研究的主要容 (1)

1.3 系统的设计目标及技术要求 (1)

1.4 控制系统的设计原理 (2)

1.5 技术综述 (2)

第2章硬件设计 (4)

2.1 西门子S7- PLC (4)

2.1.1 西门子S7-200主要功能模块介绍 (4)

2.1.2 开关量I/O模块介绍 (5)

2.2 温度传感器 (5)

2.2.1 热电偶 (6)

2.2.2 热电阻 (6)

2.3 模拟量输入模块 (8)

2.3.1 EM231模拟量输入模块 (8)

2.3.2 EM232模拟量输出模块 (10)

2.4 可控硅电压调整器 (11)

2.4.1 可控硅电压调整器简介 (11)

2.4.2 可控硅电压调整器的主要性能指标 (12)

2.4.3 双向可控硅交流调压原理 (12)

2.4.4 可控硅电压调整器在加热炉中的应用 (13)

2.5 本章小结 (14)

第3章炉温PID控制算法 (15)

3.1 PID控制器基本概念 (15)

3.2 PID控制算法数字化处理 (16)

3.3 PID在PLC中的回路指令 (19)

3.4 模拟量采集的数字滤波算法 (21)

3.5 采样周期的选择 (23)

3.6 PID参数整定 (24)

3.7 本章小结 (27)

第4章软件设计 (28)

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4.1 STEP7编程软件简介 (28)

4.2 方案设计思路 (28)

4.3 程序流程图 (30)

4.4 系统程序实现 (30)

4.5 PLC炉温控制系统的调试 (31)

4.6 本章小结 (31)

第5章组态画面设计 (32)

5.1 组态王简介 (32)

5.2 组态画面设计 (32)

5.2.1 创建项目 (32)

5.2.2 创建主画面 (34)

5.2.3 建立实时趋势曲线 (35)

5.2.4 创建报警窗口 (35)

5.2.5 建立系统原理画面 (36)

5.2.6 建立参数监控画面 (37)

5.3 本章小结 (38)

第6章系统调试 (39)

6.1 组态王与S7-200的通信 (39)

6.2 启动组态王 (39)

6.3 参数设定和监控 (40)

6.4 报警信息提示 (41)

6.5 趋势曲线监控 (42)

6.6 本章小结 (43)

结论 (44)

致谢 (45)

参考文献 (46)

附录１ (47)

附录2 (49)

附录3 (52)

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第1章绪论

1.1课题背景及意义

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制[1]。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。

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，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。这也正是本设计所重点研究的容。

1.2研究的主要容

本课题的研究容主要有：

1)温度的检测；

2)采用PLC进行恒温控制；

3)PID算法在PLC中如何实现；

4)PID参数对系统控制性能的影响；

5)温控系统人机界面的实现；

1.3系统的设计目标及技术要求

本PLC温度控制系统的具体指标要求是：对加热器加热温度调整围为800℃—1000℃，温度控制精度小于3℃，系统的超调量须小于15%，并具有温度上下限报警功能和故障报警功能。软件设计须能进行人机对话，考虑到本系统控制对象为电炉，是一个大延迟环节，且温度调节围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。

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1.4控制系统的设计原理

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、可控硅电压调整器、加热炉、温度传感器、温度变送器等几个部分组成[2]。

图1-1 加热炉温度控制系统基本构成框图

通过调节双向可控硅的通断来调节电阻丝的输出功率，由温度检测元件热电阻将采集到的炉膛温度信号，经过温度变送器转换为电压信号，PLC主控系统部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-PLC可识别的数字量。用编制好的程序对其进行计算，得到实际温度值，在与给定的温度值比较，得到的偏差经过PID运算后，输出的数字量经过D/A转换，在由模拟量输出模块送给可控硅电压调整器，产生可控硅脉冲触发信号，该信号触发可控硅电路，最终由该电路驱动电炉的加热丝，通过调整可控硅触发信号（即调节供电电压每个周期的导通角），即可控制电炉电压的通断及大小，进而达到控制炉温的目的。

1.5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。温度控制系统在国各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国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

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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S7-200PLC来控制加热炉的温度。

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第2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做出迅速反应，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（Programmable Logic Controller）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S7-200系列PLC以及其它硬件的组成与选型。

2.1西门子S7- PLC

S7- 系列 PLC 是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用[3]。

S7-200系列可以根据对象的不同, 可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。

2.1.1西门子S7-200主要功能模块介绍

S7-200的CPU 模块包括一个中央处理单元,电源以及数字I/O 点,这些都被集成在一个紧凑,独立的设备中。CPU 负责执行程序,输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载.从 CPU 模块的功能来看, CPU 模块为CPU22*,它具有如下五种不同的结构配置CPU 单元：

①CPU221 它有 6 输入/4 输出,I/0 共计 10 点.无扩展能力,程序和数据存储容量较小,有一定的高速计数处理能力,非常适合于少点数的控制系统。

②CPU222 它有8 输入/6 输出，I/0 共计 14 点，和 CPU 221 相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。

③CPU224 它有 14 输入/10 输出，I/0 共计 24 点，和前两者相比,存储容量扩大了一倍,它可以有 7个扩展模块,有置时钟,它有更强的模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多 S7- 产品。

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④CPU224XP 它有 24 输入/16 输出,I/0 共计 40 点,和 CPU224 相比,增加了通信口的数量,通信能力大大增强。它可用于点数较多,要求较高的小型或中型控制系统。

⑤CPU226它有 24 输入/16 输出,I/0 共计 40 点,它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和 CPU224XP相同。

2.1.2开关量I/O模块介绍

当 CPU 的 I/0 点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行I/O 扩展,I/O 扩展包括 I/O 点数的扩展和功能模块的扩展。通常开关量I/O 模块产品分 3 种类型:输入模块,输出模块以及输入/输出模块。为了保证 PLC 的工作可靠性,在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。如光电隔离,输入保护(浪涌吸收器,旁路二极管,限流电阻),高频滤波,输入数据缓冲器等。由于 PLC 要控制的对象有多种,因此输出模块也应根据负载进行选择,有直流输出模块, 交流输出模块和交直流输出模块。按照输出开关器件种类不同又分为 3 种：继电器输出型,晶体管输出型和双向晶闸管输出型。这三种输出方式中,从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中；若从与外部电路安全隔离角度看,继电器输出型最好。在实际使用时，亦应仔细查看开关量 I/O 模块的技术特性，按照实际情况进行选择。

由于本系统是单回路的反馈系统，CPU224XP相比与其他型号具有更好的硬件指标，其上自带有模拟量的输入和输出通道，因此节省了元器件的成本，CPU224XP自带的模拟量I/O规格如表2-1所示：

表2-1 模拟量I/O配置表

CPU224XP自带的模拟量输入通道有2个，模拟量输出通道1个。在S7-200中，单极性模拟量的输入/输出信号的数值围是0~32000，双极性模拟信号的数值围是-32000~+32000[4]。

2.2温度传感器

温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温WORD版本.