基于PLC加热炉温度控制系统设计

基于PLC加热炉温度控制系统设计

【摘 要】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。加热炉的温度控制系统具有较大的容量滞后，采用单回路控制往往会出现较大的动态偏差，很难达到好的控制效果，为提高系统对负荷变化较大或其他扰动比较剧烈时的控制质量，采用基于PLC的加热炉温度控制系统来提高加热炉的燃烧效率。可编程序控制器（PLC）是一种新型的通用的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，是功能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。PLC的应用领域已经拓宽到了各个领域，PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。在传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制，顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机，印刷机，订书机，组合抢答器，磨床，包装等。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环保及文化娱乐等各个行业，使用广泛。

本设计将以PLC为核心设计了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案，在保留了原始加热炉温度控制系统的基本功能的同时又增加了一系列的实用功能并简化其电路结构，其将以控制方便，灵活，只要改变输入PLC的控制程序，就能够实现对加热炉温度的控制。

【关键词】 加热炉温度控制系统 可编程控制器 燃烧效率

System design of heating furnace temperature control

based on PLC

【Abstract】: Pneumatic manipulator is a automated devices that

can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.

This article is mainly of the PLC manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic .The principle, technical pare-maters, transmiting system and main parts structure of mincing ma-chine were introduced.The PLC was analysed.Keywords Mincing machine Holds plate Cutting blade Transfer auger

【Keywords】：pneumatic manipulator PLC pneumatic loop Four

degrees of freedom.

目录

第一章、绪论 ....................................................... 5 1.1 本课题的发展概况 ............................................. 6 1.2 加热炉温控系统的实现过程概述 ................................. 6 1.3 本课题研究的内容和意义 ....................................... 7 1.4 PLC简介 ..................................................... 7 1.4.1 PLC的定义 .............................................. 9 1.4.2 PLC的基础知识 .........................................11 1.4.3 PLC的用途 .............................................12 1.5 PLC的组成 ..................................................13 1.5.1中央处理单元 ...........................................13 1.5.2存储器 .................................................15 1.5.3输入输出单元 ...........................................15 1.5.4通讯接口 ...............................................16 1.5.5智能接口模块 ...........................................16 1.5.6编程装置 ...............................................16 1.5.7电源 ...................................................16 第二章、加热炉温度控制系统总体方案与PID算法的设计 ...............17 2.1 总体方案的设计 .............................................17 2.1.1硬件模块的设计 .........................................17 2.1.2软件模块的设计 .........................................17 2.2 PID控制算法的介绍 .........................................17 2.2.1 PID控制算法的设计 .....................................17 2.2.2 PID控制器参数的整定 ...................................17 第三章、加热炉温度控制系统的PLC设计 .............................17 3.1 输入输出点分配 .............................................18 3.2 PLC的选择 .................................................19 3.3 加热炉温度控制系统PLC控制系统接线图 .......................20 3.4 加热炉温度控制系统主程序流程图的确定 .......................20 3.5 加热炉温度控制系统温度控制系统图的确定 .....................20 第四章、加热炉温度控制系统PLC控制程序 ............................21 4.1西门子S7-200的介绍 ........................................22 4.2加热炉温度控制系统西门子S7-200程序的实现 ..................24 结论 ..............................................................25 致谢 ..............................................................26 参考文献 ..........................................................27

第一章 绪论

1.1 本课题的发展概况

温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，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要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统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，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。

单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的4位机发展到32位机，其性能进一步得到改善。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。

PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用。相对于IPC，DCS，FSC等系统而言，PLC是具有成本上的优势。因此，PLC占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。 工控机（IPC）即工业用个人计算机。IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电磁辐射。过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。影响燃烧的因素十分复杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的PID为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离PID，选择性PID。参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的。在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的监控品质，提高了平均热效率。但如果单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。 集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。DCS的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。基本DCS的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率。但DCS在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致DCS成本太高。现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基于总线控制系统（FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点，FCS系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而且它可以对现场装置(含变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态，这是其他系

统无法达到的。但是，FCS还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，目前现场总线的国际标准共有12种之多，这给FSC的广泛应用添加了很大的阻力。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系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。

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，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。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参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但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确定。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。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，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，并在各行业广泛应用。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。

1.2 加热炉温控系统的实现过程概述

加热炉温的控制系统实现过程是：首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC的扩展模块EM235将送过来的电压信号转化为西门子S7-200PLC可识别的数字量，夹套温度主给定量SV1与夹套温度主反馈量PV1比较后得到误差信号e1，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，输出控制量OUT1作为副控制器的给定，并与内胆温度副反馈量PV0进行比较得到误差信号e0，经福控制器进行PID运算输出控制量OUT0作为晶闸管调功器的输入信号，来控制输出电压的变化，从而控制内胆加热器上电压的高低，实时控制内胆温度副被控量和夹套温度主被控量，构成双闭环温度控制系统，其结构如图1所示。

1.3 本课题研究的内容和意义