基于PLC的加热炉温度控制系统设计

1本科毕业设计（论文）任务书题目:基于PLC的加热炉温度控制系统设计原始依据(包括设计（论文）的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等)：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的双闭环温度控制系统来提高加热炉的燃烧效率。通过本毕业设计培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力，使学生受到PLC系统开发的综合训练，达到能够进行PLC系统设计和实施的目的。主要内容和要求（包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求）：如图1所示的加热炉，它是由温度内胆、夹套、加热器、温度检测变送器组成。图1加热炉温度系统加热器采用传统的价格较低的电阻板加热，水系统是加速加热炉温度恒定。通过检测内胆和夹套的温度来控制电阻板两端的电压变化，使炉温达到设定值。2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，采用串级控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手动整定或自整定PID参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为80℃左右，并能实时显示当前温度值。毕业论文中需有与本课题有关的国内外的研究现状，系统总体方案设计，硬件的工程设计与实现，PLC控制程序设计（I/O地址分配，程序流程图），总结。日程安排：2010.12-2011.4.8认真收集有关资料，完成开题报告2011.4.9-2011.4.20提出总体方案并进行论证2011.4.20-2011.5.10论文主体设计2011.5.11-2011.5.20论文撰写，完成初稿2011.5.21-2011.5.28程序调试和修改论文2011.5.29-2011.6.7编写设计说明书，准备答辩提纲，进行答辩主要参考文献和书目：[1]楼顺天、姚若玉、沈俊霞，MATLAB7.x程序设计语言，西安电子科技大学出版社，2008[2]黄友锐、曲立国，PID控制器参数整定与实现，科学出版社，2010[4]卢京潮，自动化控制原理，西北工业大学出版社，2009[5]周美兰、周封、王岳宇，PLC电气控制与组态设计，科学出版社，2009[6]李科，温控系统的智能PID控制算法研究，[硕士论文]，中华科技大学，2006[7]吴长胜，基于PLC控制的加热炉温度控制系统设计，[学士论文]，贵州师范大学，2006[8]李世斌、李宏伟，PLC在锅炉控制中的应用、自动化技术与应用，2003年第22卷第1期[9]欧祖鸿，基于Wincc和S7-200的温度测控系统，[学士论文]，重庆科技学院，2010[10]廖常初，PLC编程及应用，机械工业出版社，2005[11]顾占松、陈铁年，可编程控制器原理与应用，北京国防工业出版社，1996[12]王伟、张晶逃、柴天佑，PID参数先进整定方法综述，自动化学报，2000,5（26）347~355[13]胡学林，可编程控制器教程，电子工业出版社，2005[14]张扬、蔡春伟、孙明健，S7-200PLC原理与应用系统技术，机械工业出版社，2007[15]JurgenMuiler、张怀勇，西门子自动化系统实战，人民邮电出版社，2007指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日3本科毕业设计（论文）开题报告（综述）题目：基于PLC的加热炉温度控制系统设计本课题来源及研究现状：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。这方面的应用大多是基于单片机进行的PID控制，然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂，特别是设计到逻辑方面更不是其长处，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先，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对温度的控制是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。这也是本次毕业设计所重点研究的内容。温度控制系统在国内各行业的应用虽然已经十分广泛，但从温度控制来讲，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的差距。目前我国在这方面总体技术水平处于20实际50年代中后期水平，成熟产品主要以‘点位’控制及常规的PID控制为主。它只能适应一般的温度控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统。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、瑞典等技术领先的国家，都生产出了一批商品化得，性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：①是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；②是能够适应于受控数学模型难以建立的温度控制系统的控制；③是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；④是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；⑤是温度控制器普遍具有参数自整定功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关参数，以保证控制效果4的最优化；⑥是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。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。课题研究目标、内容、方法和手段：本课题研究的主要目标是采用串级控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手动整定或自整定PID参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为80℃左右，并能实时显示当前温度值，其总体结构如图1所示。图1调温总体结构系统硬件组成由PC机、PLC控制器、晶闸管调功器、加热炉对象等组成；加热炉对象由温度内胆、夹套、加热器、温度检测变送器等组成。总体方案是采用PLC控制器来对系统进行总体控制，温度变送器采集夹套和内胆温度信号；两个数显仪表分别对夹套温度和内胆温度的实际值进行实时显示；两个启动按钮对系统的运行与停止进行手动控制；指示灯来显示系统的运行状态；模拟量扩展模块承担两个模拟量输入和一个模拟量输出的任务；调功器根据PLC的控制信号对加热器进行控制，来实现对温度的控制。其各个部分的组成连接如图2所示。5图2设计总体方案连接图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3所示。图3串级控制系统方框图6设计（论文）提纲安排：第一章绪论：对课题研究背景国内外发展前景进行了阐述，并分别从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）等介绍当前温度控制系统的发展状况。第二章设计总体方案：简单的从硬件部分和软件部分介绍了系统的工作原理，并对PID控制算法做了基本介绍，简单阐述了PID运算在本设计中的用法，和对相关参数进行了确定第三章，系统硬件设计：介绍了硬件系统设计的组成和连线图，对系统所用到的硬件进行了介绍和选型。第四章，系统软件编程：对编程的思路和各个编程部分的任务、组成、流程图和梯形图进行了详细介绍，并对编程用软件的安装进行了说明。第五章，总结。设计（论文）提纲及进度安排：2010.13-2011.4.8认真收集有关资料，完成开题报告2011.4.9-2011.4.21提出总体方案并进行论证2011.4.20-2011.5.11论文主体设计2011.5.11-2011.5.21论文撰写，完成初稿2011.5.21-2011.5.29程序调试和修改论文2011.5.29-2011.6.7编写设计说明书，准备答辩提纲，进行答辩主要参考文献和书目：[1]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社,2006.[2]吴中俊，黄永红主编.可编程序控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，北京.2004,4.[3]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008[4]马秀坤，史云涛，马学军.S7-200PLC与数字调速系统的原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2009[5]陈伯时主编.电力系统自动控制系统[M].北京：机械工业出版社,2003[6]张志杰加热炉控制系统的优化设计与应用[J].工业炉,2000,22(3):26-27.[7]王浩宇,张云生,张果.管式加热炉PID算法改进及其在虚拟仪器中的应用[J].自动化仪表,30(4):51-54[8]楼顺天、姚若玉、沈俊霞，MATLAB7.x程序设计语言，西安电子科技大学出版社，2008[9]黄友锐、曲立国，PID控制器参数整定与实现，科学出版社，2010[10]卢京潮，自动化控制原理，西北工业大学出版社，2009[11]周美兰、周封、王岳宇，PLC电气控制与组态设计，科学出版社，2009[12]李科，温控系统的智能PID控制算法研究，[硕士论文]，中华科技大学，20067[13]吴长胜，基于PLC控制的加热炉温度控制系统设计，[学士论文]，贵州师范大学，2006[14]李世斌、李宏伟，PLC在锅炉控制中的应用、自动化技术与应用，2003年第22卷第1期[15]欧祖鸿，基于Wincc和S7-200的温度测控系统，[学士论文]，重庆科技学院，2010[16]廖常初，PLC编程及应用，机械工业出版社，2005[17]顾占松、陈铁年，可编程控制器原理与应用，北京国防工业出版社，1996[18]王伟、张晶逃、柴天佑，PID参数先进整定方法综述，自动化学报，2000,5（26）347~355[19]胡学林，可编程控制器教程，电子工业出版社，2005[20]张扬、蔡春伟、孙明健，S7-200PLC原理与应用系统技术，机械工业出版社，2007[21]JurgenMuiler、张怀勇，西门子自动化系统实战，人民邮电出版社，2007[22]刘迎春，叶湘滨.传感器原理.，国防科技大学出版社，2002[23]付家才，PLC实验与实践.，北京高等教育出版社，2006[24]袁宝歧，加热炉原理与设计，航空工业出版社1989[25]Tracton.K.、时光译，显示电子学，人们邮电出版社，2002指导教师审核意见：教研室主任签字：年月日8摘要可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术，计算机技术，通讯技术融为一体，具有控制力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。本文先从课题研究背景说起，通过几个温控系统简单介绍了国内外发展现状。然后主要通过对系统的总体方案设计，硬件的选择、设计、使用，软件程序