电加热器控制系统毕业设计论文

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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教研室（或答辩小组）及教学系意见

摘要

在自动控制系统里，温度控制系统是其重要的组成部分。它一般由被控对象、传感器、调节器和执行器等部分构成。不同的领域温度控制系统都有与其相互配合的控制方案，根据不同共工艺和生产情况，采用不同的温度控制系统。例如石油、冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种反应炉、加热炉等加热设备，它们使用的燃料有煤气、天然气、电等不同加热材料，因此选用的控制方案就不同。由于温度控制系统的工艺过程比较复杂，且受到各种因素影响，具有很大不确定性，这些控制系统必须使用更先进的控制技术和更合理的控制理论。

本系统由PLC、上位机构成了一个典型的温度集散控制系统。PLC作为控制系统的大脑，上位机作为系统的监视系统。系统通过采集温度传感器数据，再由PLC进行PID运算，结果通过移相触发模块发送触发信号给可控硅，从而可控硅控制电加热炉完成温度控制，本文首先阐述系统的背景与意义；其次简述了系统的组成；然后介绍了系统的硬件；最后设计了系统的软件部分。

关键词：温度控制系统集散控制系统PLC PID可控硅

重庆科技学院本科生毕业论文ABSTRACT

ABSTRACT

In the automatic control system, the temperature control system is an important part of the system. It is generally composed of the controlled object, sensor, regulator and actuator. Different temperature control systems have the different control scheme and the different temperature control system is based on the different technology and production situation. For example, petroleum, metallurgy, machinery, food, chemical etc. All kinds of industrial production is widely used in various reaction furnace, heating furnace and other heating equipment,the fuel they used is coal gas, natural gas, electricity and other different heating materials. Therefore, the selection of control scheme is different. The temperature control system of the process is very complex and is affected by various factors,so it has a lot of uncertainty, the control system must use the more advanced control technology and the more reasonable control theory.

This system is composed of PLC and PC, which constitutes a typical temperature distributing control system. PLC is used as the brain of the control system, PC is used as a surveillance system. The system is by collecting the data from the temperature sensor , and then the PLC works out through the PID operation, the results by means of phase shift trigger module to send a trigger signal to a controllable silicon, and silicon controlled rectifier control the electric heating furnace to accomplish the temperature control. Firstly,this paper expounds the background and significance of the system; Secondly, the composition of the system will be briefly introduced;then the paper explains the design of the hardware of the system. Finally, i also designs the software of the system.

Keywords：temperature control system; distributed control system ; PID; PLC; SCR

目录

摘要 (1)

ABSTRACT ........................................................... I I 1 绪论 (1)

1.1系统设计背景 (1)

1.2系统工作原理 (1)

1.3系统设计目标及技术要求 (1)

1.4技术综述 (2)

1.5本章小结 (3)

2 系统设计 (4)

2.1PID控制原理 (4)

2.1.1 比例（P）控制 (4)

2.1.2 积分（I）控制 (4)

2.1.3 微分（D）控制 (4)

2.2编址表和系统结构 (4)

2.2.1 编址表 (4)

2.2.2 系统结构 (5)

2.2.3 系统设计思路 (6)

2.3本章小结 (6)

3 硬件设计 (7)

3.1PLC的基本概念 (7)

3.1.1 PLC的基本结构组成 (7)

3.1.2 PLC的特点 (7)

3.2PLC的工作原理 (7)

3.2.1 输入采样阶段 (7)

3.2.2 用户程序执行阶段 (8)

3.2.3 输出刷新阶段 (8)

3.3 S7-200PLC简介 (8)

3.3.1 CPU224主要技术性能 (9)

3.3.2 数字量输入模块 (9)

3.3.3 数字量输出模块 (9)

3.3.4 模拟量输入模块 (10)

3.3.5 模拟量输出模块 (10)

3.3.6 模拟量输入和输出混合扩展模板 (10)

3.4其他硬件 (11)

3.4.1周波控制器 (11)

3.4.2 周波控制器的特点 (12)

3.4.3 温度传感器 (12)

3.4.4 电加热炉 (15)

3.5硬件接线图 (16)

3.6本章小结 (17)

4 软件设计 (18)

4.1PLC控制软件设计 (18)

4.1.1 STEP7编程软件简介 (18)

4.1.2 PLC程序设计流程图 (19)

4.1.3 PID控制程序设计 (20)

4.1.4 回路输入输出的数值转换方法 (23)

4.1.5 PLC程序设计梯形图 (23)

4.1.6 PLC程序调试 (29)

4.2上位机软件设计 (29)

4.2.1 组态王6.53简介[14] (29)

4.2.2 PLC通信配置与通讯PPI协议 (30)

4.2.3 组态王定义外部设备和数据变量 (30)

4.2.4 组态王界面 (31)

4.3本章小结 (34)

5 结论 (35)

参考文献 (36)

致谢............................................... 错误！未定义书签。附录一：PLC程序................................... 错误！未定义书签。附录二：电气原理图................................. 错误！未定义书签。

1 绪论

1.1 系统设计背景

早期应用加热炉控制系统的时候，它多采用传统的继电器控制方式，这种方式是利用大量的接线完成对加热炉进行逻辑控制，这样就使系统变大，从而增加系统发生故障的概率，难以保证工业生产的可靠性。随着电子技术与计算机技术的高速发展，传统的继电器控制方式逐渐被PLC控制技术取代。因为PLC具有独特的功能和性能，所以PLC控制的温度控制系统更加经济、稳定性更高和维护更方便。这种温度控制系统对优化与改进传统的继电器控制的温度控制系统具有相当深远的意义[1]。

1.2 系统工作原理

本系统主要的温度控制系统构造如图1 所示，PLC作为控制系统的控制器，同时还需要移相触发模块、周波控制器(SCR)、加热炉、温度传感器等多个部分组成。

图1.1 加热炉温度控制系统基本原理

加热炉的温度控制系统进行控制的过程是: 首先通过温度传感器感受炉内的温度变化，并将其转换成标准的电压信号或标准的电流信号传递给西门子S7-200PLC，经过PLC内部的A/D转换装置的处理后，将此电信号变成能够被PLC识别的数字信号，与此同时PLC还将此数字信号与已经设定好的温度信息进行比对，经过比较之后，再由PLC发出输出信号，并传递给PLC的输出电路，输出电路将此信号发送给移相触发模块，移相触发模块根据输出信号产生相应的触发脉冲给可控硅(SCR)电路，从而控制了通过电热炉电阻两端大电流，即控制了电加热炉的温度，在加热炉温度控制系统中，PLC控制器作为的系统核心部分起重要作用[2]。

1.3系统设计目标及技术要求

本系统由PLC、上位机构成了一个典型的集散控制系统。PLC进行实时的控制，完成温度的采集和转换，人工智能PID算法处理和对炉子直接控制，PLC输出的0-20mA控制电流通过移相触发模块触发可控硅(SCR)，控制电加热炉所需大电流。PLC与上位机通过PPI通讯接口相互通讯和数据交换。上位机采用工业计算机实现系统的监控管理，完成加热炉温度控制系统中升温曲线的画面动态显示和参数的设定，修改。其中，PLC可以脱离上位机独立进行工作。该集散系统实现了集中监视，分散控制，具有丰富的操作和监视功能，增强了系统的可靠性和实用性。

本系统针对实验室电加热炉的工作特点及工艺要求，采用分布式控制方案以实现对加热炉的运行和故障检测控制。下位机采用西门子公司的S7-200 PLC，编写加热炉的电气控制程序，重点解决加热炉的起、停控制，加热温度的自动调节，故障检测及控制等。上位机采用PC机，使用组态王6.53组态软件编写组态程序，实现对加热炉的远程实时控制，重点解决上位机与下位机的通讯程序设计，监控画面的设计，报警程序设计等。

本次设计的技术要求如下：

①理解实验室的电加热炉装置的工作原理和控制要求，设计系统总

体方案；

②确定PLC电控系统的结构方案、基于S7-200 PLC和上位机确定

系统设备配置；

③确定基于S7-200 PLC的控制程序结构，设计和调试PLC应用程

序。

④确定基于组态王6.53组态软件的上位机控制系统，设计和调试

上位机监控程序。

1.4 技术综述

在20世纪70年代，我国的电加热炉控制系统诞生了。受到当时技术等因素的限制，其发展比较缓慢。但进入21世纪后，由于工业过程控制的需求越来越高，尤其是在计算机技术和电子技术，以及先进的自动控制理论和合理的设计方法的推动下，我国温度控制系统得到了飞速发展，在其的自适应、参数自整定等方面取得丰硕成果。

在我国温度控制系统应用十分广泛，但是温度控制器与其他发达国家相比还是要比较差一些的。目前，我国生产的控制器还是以简单的顺序控制以及常规PID控制器为主，由于性能与可靠性的影响，它适应不了现在复杂的控制要求。对于复杂的控制系统选用控制器时，我国还需要依靠国

外先进的智能化程度高的和自适应能力强的成熟的控制器产品。

随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的控制要求也是会越来越高，因此，温度控制系统必定会越来越智能化，越来越人性化，精度越来越高。

1.5 本章小结

本章通过对电加热炉电控技术的国内外现状的深入了解与分析，阐述了电加热炉温度控制系统的系统结构的重大意义。

2 系统设计

2.1 PID控制原理

在工业控制中，输入与输出偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）组成了PID控制。它具有原理简单、鲁棒性强、容易实现和适用面广等优点。当被控对象的结构和参数没有清晰明了，或者我们得不到精确的数学模型的时候，依靠经验和现场调试来确定系统控制器的结构和参数是一种不错的选择，使用PID控制技术控制未知的控制系统是非常适宜的。

2.1.1 比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输入与输出偏差信号成比例关系。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。单独使用比例控制不能消除系统余差，那么在系统稳态后系统稳定值与设定值有一定的误差。

2.1.2 积分（I）控制

积分控制器的输入与输出偏差信号积分成正比关系。在一个自动控制系统中,如果系统在进入稳态后存在稳态误差,就称这个控制系统是有稳态误差的系统。积分控制器的作用是消除残余误差，提高系统的无差度，但却具有一定的滞后，也不能快速地对误差进行控制。积分的时间Ti的大小决定了控制器积分能力的强弱，随着时间的增加，积分项的作用会增大。它驱动控制器的输出也会增加，使系统的稳态误差进一步减小，直到等于零。

2.1.3 微分（D）控制

微分控制器的输入与输出偏差信号的微分（即偏差的变化率）成正比关系。微分控制器的优点是动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；并能在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效的早期修正量，从而加快系统的响应，减少调节时间，但是单独的微分控制器不能消除余差[3]。比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。在面对滞后较大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，明显改善控制质量。

2.2 编址表和系统结构

2.2.1 编址表

本系统共有一个模拟量（温度）输入信号和一个模拟量输出信号，模拟量从s7-200 PLC的扩展模块EM235输入进PLC或输出到外部电路。三个数

字量由控制继电器输出和四个数字量输入信号。如表2.2所示。

表2.2 编址表

2.2.2系统结构

本系统的结构框图如图2.1所示。

图2.1系统结构框图

由图2.1可知，温度传感器采集到数据后送给PLC，PLC通过运算后给SCR一个控制信号从而控制通过加热炉的电流大小，从而达到控制温度的目的。上位机是编写PLC程序以及监控软件对系统的运行情况进行监控。

2.2.3 系统设计思路

系统设计思路如图2.2所示：

图2.2 系统设计思路

2.3 本章小结

本章介绍了控制系统的的控制原理，简要的分析了系统结构和系统设计思路，最终得出了温度控制系统的整体控制方案，以及控制系统的结构规划。

3 硬件设计

3.1 PLC的基本概念

可编程逻辑控制器简称PLC，其内部存储程序一般被可编程存储器存储。PLC 执行顺序控制、逻辑运算、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字信号或模拟信号输入/输出控制各种类型的控制过程。

3.1.1 PLC的基本结构组成

PLC一般由中央处理单元(CPU)、电源、存储器、输入输出接口电路、功能模块和通信模块组成。中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制核心。用户程序与用户数据是被CPU以一定周期从编程器写入并存储到可编程逻辑控制器系统里，同时CPU还有检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态的功能；电源在整个PLC中扮演着重要角色，它保证着系统的稳定运行；存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器；在输入输出接口电路中，光耦合隔离电路和微机的输入接口电路组成了输入接口电路，它的作用是实现PLC与现场控制的接口界面的相互联系，且相互补不产生干扰。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，其作用是PLC通过输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号[4]。

3.1.2 PLC的特点

PLC使用方便，编程容易上手；硬件配套比较齐全方便；功能强，性价比高，适应性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少。

3.2 PLC的工作原理

PLC的工作过程一般分为三个阶段，即输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段。完成上述三个阶段被称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复运行上述三个阶段。

3.2.1 输入采样阶段

在输入采样阶段中，PLC以循环扫描方式按次序地读入所有输入状态和数据，并将它们存入输入/输出储存区中的对应的单元内。输入采样结束后，PLC转入用户程序执行阶段和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，输入/输出储存区中的对应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入状态均能被读入可编程逻辑控制器中去。

3.2.2 用户程序执行阶段

在用户程序执行过程中，输出点和软设备在输入/输出储存区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而只有储存在输入/输出储存区内的状态和数据不会发生变化，由于CPU是由上而下依次执行程序，因此，排在上面的梯形图先执行，排在下面的梯形图后执行，其造成结果是排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图都会本次扫描周期内被刷新，而排在下面的梯形图，其的逻辑线圈的状态或数据只能等到下一次扫描周期才能刷新排在其上面能用到这些线圈或数据的梯形图。

3.2.3 输出刷新阶段

当用户程序执行阶段结束后，PLC就进入了输出刷新阶段。在此阶段，CPU按照输入/输出储存区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存器电路，再由输出电路驱动相应的外设工作。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

3.3 s7-200PLC简介

S7-200是模块化的小型PLC，它适用于对控制性能要求不严格的场合。它有CPU 221、CPU 222、CPU 224、CPU 224XP和CPU 226等多种CPU型号。配合使用各种信号模块和扩展功能模块能适用于各种领域的自动控制任务，用户还可以根据系统的具体情况选择符合其设计的模块。本次设计选用CPU 224如图3.1所示:

图3.1 CPU224实物图

3.3.1 CPU224主要技术性能

CPU224的一般性能如表3.1所示。

表3.1 S7-200PLC CPU224一般性能

3.3.2 数字量输入模块

数字量输入扩展板EM221拥有8路DI。它将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。在输入电路中，一般设有RC滤波电路，是为了消除输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号。

3.3.3 数字量输出模块

数字量输出扩展板EM222拥有8路DO。它将PLC的内部电平信号转化为控制过程所需的外部信号，同时具有隔离和功率放大的作用。不管是直流负载，还是交流负载都能被输出模块的功率放大元件驱动。如：大功率晶体管、场效应晶体管、双向晶闸管和固态继电器。输出电流典型值为0.5~2A，

负载电源由外部现场电源提供。

3.3.4 模拟量输入模块

模拟量输入模块EM231是将模拟量信号通过A/D转换器转换为CPU内部能处理用的数字信号。传感器可以不通过变送电路直接连接EM231，这样可以省去温度变送器，不但减少了购买硬花费，而且使控制系统的结构变得更加简单。EM231每个EM231可扩展4路模拟量输入通道，A/D转换时间为25μs，转换精度为12位。

3.3.5 模拟量输出模块

模拟量输出模块EM232用于将CPU送给的数字信号通过D/A转换器按一定比例转换为标准的电压信号或标准的电流信号，对执行机构进行调节或控制。EM232扩展了2路模拟量输出通道，它的D/A转换时间100μs，转换精度为12位。

3.3.6 模拟量输入和输出混合扩展模板

S7-200PLC的模拟量输入和输出混合扩展模板EM235是采用大功率精密线性的电流互感器、意法半导体集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流隔离变送器模块。每个EM235可同时扩展4路模拟输入和1路模拟量输出通道，根据不同的开关设置输出的量程和分辨率不同。本次设计采用的输出信号为0-10V电压信号，即6个开关依次设置为：OFF、ON、OFF、OFF、OFF和ON。