工业锅炉恒温供水控制系统设计

工业锅炉恒温供水控制系统设计

[摘要] 本次毕业设计题目是基于MCGS和PLC的锅炉恒温供水控制系统，利用MCGS通用组态软件实现人机界面的控制和S7-200的通信连接，使控制达到操作简单，更易实现的目的。利用S7-200可编程控制器编写控制程序，实现自动调节锅炉恒温出水的控制，最终实现自动化控制工程。

通过组态界面设定供水温度值，然后通过PT100测量锅炉出水温度，把测量值送到S7-200PLC上，通过A/D转换把模拟信号转换成数字信号，再由PLC中的PID调节器实现数据运算，再把运算结果送到三相SCR移相调压装置，对锅炉内胆进行加热，以达到给定值。借助工控组态软件MCGS开发锅炉温度复合控制系统的测控界面，要求整个系统能实时监测控制过程及控制结果、记录实时测试曲线和历史曲线，能进行温度和流量给定值的设置及测量。

以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度复合控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。过程控制中锅炉的出水量是扰动量，但本次毕业设计采用了前馈—反馈的复合控制，扰动量包含在开环中，通过前馈控制器来及时消除扰动，再通过反馈来消除偏差，使工程控制满足要求。

[关键词] 恒温供水 S7-200PLC PID控制

第1章绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 设计内容 2

第2章设计要求及方案论证 4

2.1 系统设计要求 4

2.2 主要研究内容 4

2.3 方案论证 4

第3章 PLC和组态软件基础 7

3.1 可编程控制器基础 7

3.1.1 可编程控制器的组成和工作原理 7

3.1.2 可编程控制器的分类及特点 8

3.1.3 PLC控制系统设计的一般步骤 8

3.2 组态软件的基础 9

3.2.1 MCGS的功能 9

3.2.2 MCGS的特点 10

3.2.3 应用MCGS设计组态工程的方法 10

3.3 用户窗口的设计 11

3.3.1 用户窗口的功能 11

3.3.2 用户窗口的设置 11

3.4 实时数据库的建立 13

3.5 设备窗口的建立 13

第4章锅炉恒温供水系统的硬件设计 15

4.1 PLC及EM235配置 15

4.1.1 PLC型号的选择 15

4.1.2 S7-200 CPU的选择 15

4.1.3 EM235模拟量输入/输出模块 16

4.2 检测仪表及执行器 16

4.2.1 热电阻温度传感器 16

4.2.2 三相SCR移相调压装置 16

4.2.3 电磁流量计 17

4.2.4 变频器 17

4.3 锅炉恒温供水系统的方案设计与PID控制器的组成 19

4.3.1 锅炉恒温供水系统的方案设计 19

4.3.2 PID控制器的组成 20

第5章锅炉恒温供水系统的PLC程序设计 22

5.1 PLC程序设计概述 22

5.1.1 PLC程序设计的方法 22

5.1.2 PLC程序设计的步骤 22

5.2 编程软件V3.2STEP7MicroWIN简介 23

5.3 计算机与PLC的通信 23

5.4 锅炉恒温供水系统程序设计 24

5.4.1 程序设计思路 25

5.4.2 控制程序及分析 25

第6章系统运行调试 32

6.1 PID参数整定 32

6.1.1 稳定边界法整定参数 32

6.1.2 整定过程 33

6.2 运行调试 34

6.2.1 PI运行特性分析 34

6.2.2 PID运行特性分析 35

第7章结论 37

谢辞 38

参考文献 39

附录 41

附录1 工作原理图 41

附录2 程序清单 42

第1章绪论

1.1 研究目的和意义

能源问题是人类社会发展及生存的关键问题，水作为生命的基本组成部分对地球上的生命至关重要，节水与水资源的合理利用是人类保护其自身生存环境必须面对的问题。传统公共浴池或宾馆的淋浴系统采用双管双温供水方式，在热水供应过程中因反复调温会造成15-20％的水成为无功用水白白流失，因此由单管恒温供水取代双管双温的供水方式成为一种趋势。单管恒温的供水方式是通过恒温控制系统对锅炉的出水温度进行控制，从而确保使用时出水温度的恒定。本设计将对锅炉恒温供水系统进行研究，拟设计响应迅速、控温精度较高的恒温供水系统[1]。

电热锅炉的应用领域相当广泛，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。日前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。

PLC的快速发展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应而广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点[2]。

电热锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。加上日前人们的环保意识的提高电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉日前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的温度，保证恒温供水[2]。

PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单，所以被广泛应用于过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数，即采样周期Ts、比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。因而，PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世，但由PID算法以及自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。

1.2 国内外研究现状

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机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，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的深度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点:

1.适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制系统的控制。

2.能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。

3.能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。

4.这些深度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。

5.温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于算机软件技术，温度控制器其有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。

6.温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、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、小型化等方向发展。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内生产的温度控制器来说，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟[3]。

随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。本设计借助工控组态软件MCGS开发锅炉温度复合控制系统的测控界面，要求整个系统能实时监测控制过程及控制结果、记录实时测试曲线和历史曲线，能进行温度和流量给定值的设置及测量，并能进行PID参数设定。

1.3 设计内容

可编程逻辑控制器PLC是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，己被广泛应用于工业控制的各个领域，成为工业自动化的三大支柱（PLC 、工业机器人、CAD/CMA)之一。

PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。设计中将德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到PLC中进行PID调节。对于监控画面，利用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的组态软件MCGS进行设计。

本设计以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度复合控制系统;采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。

参考文献

[1]康利佳.浅谈西门子PLC常用的通讯方式[J].科技风，2018，4(11):57.

[2]梁伟.西门子工业控制的PLC应用与技术分析[J].技术与市场，2018，25(02)：65-66.

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[9]白燕.关于大学学生浴室淋浴用水与节水的分析[J]. 四川建筑, 2003，16(04):11-13.

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