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目 录
摘 要 ...................................................................................................................................................................................................... I ABSTRACT ..............................................................................................................................................................................................III 1.1课题背景及研究目的和意义............................................................................................................................................. - 6 - 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................................................................................. - 6 - 1.3 项目研究内容....................................................................................................................................................................... - 7 - 第二章 PLC和组态软件基础 ..............................................................................................................................................- 8 - 2.1可编程控制器基础 .............................................................................................................................................................. - 8 - 2.1.1可编程控制器的产生和应用 ...................................................................................................................................- 8 - 2.1.2可编程控制器的组成和工作原理...........................................................................................................................- 9 - 2.1.3可编程控制器的分类及特点 .................................................................................................................................- 11 - 2.2组态软件的基础.................................................................................................................................................................- 12 - 2.2.1组态的定义................................................................................................................................................................ - 12 - 2.2.2组态王软件的特点 .................................................................................................................................................. - 13 - 2.2.3组态王软件仿真的基本方法 ................................................................................................................................ - 13 - 第三章 PLC控制系统的硬件设计 ...................................................................................................................................... - 14 - 3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤......................................................................................................................- 14 - 3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 ............................................................................................................................ - 14 - 3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤.......................................................................................................................... - 14 - 3.1.3 PLC程序设计的一般步骤................................................................................................................................... - 15 - 3.2 PLC的选型和硬件配置 ................................................................................................................................................- 16 - 3.2.1 PLC型号的选择....................................................................................................................................................... - 16 - 3.2.2 S7-200 CPU的选择.............................................................................................................................................. - 16 - 3.2.4 热电式传感器...................................................................................................................................................... - 17 - 3.2.5 可控硅加热装置简介 .......................................................................................................................................... - 18 - 3.3 系统整体设计方案和电气连接图 .................................................................................................................................- 18 - 3.4.1 控制系统数学模型的建立.................................................................................................................................... - 18 - 3.4.2 PID控制及参数整定............................................................................................................................................ - 19 -
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第四章 PLC控制系统的软件设计 ....................................................................................................................................... - 22 - 4.1 PLC程序设计的方法.......................................................................................................................................................- 22 - 4.2 编程软件STEP7--MICRO/WIN 概述 ..............................................................................................................................- 23 - 4.2.1 STEP7--Micro/WIN 简单介绍 ........................................................................................................................... - 23 - 4.2.2 计算机与PLC的通信 .......................................................................................................................................... - 24 - 4.3 程序设计 ..........................................................................................................................................................................- 24 - 4.3.1 程序设计思路 .......................................................................................................................................................... - 24 - 4.3.2 PID指令向导 ........................................................................................................................................................... - 25 - 4.3.3 控制程序及分析...................................................................................................................................................... - 33 - 第五章 组态画面的设计 ........................................................................................................................................................ - 38 - 5.1 组态变量的建立及设备连接 ......................................................................................................................................- 38 - 5.1.1 新建项目 ................................................................................................................................................................... - 38 - 5.2 创建组态画面 .................................................................................................................................................................- 44 - 5.2.1 新建主画面 .............................................................................................................................................................. - 44 - 5.2.2 新建PID参数设定窗口 ........................................................................................................................................ - 44 - 5.2.3 新建数据报表 .......................................................................................................................................................... - 45 - 5.2.4 新建实时曲线 .......................................................................................................................................................... - 46 - 5.2.5 新建历史曲线 .......................................................................................................................................................... - 47 - 5.2.6 新建报警窗口 .......................................................................................................................................................... - 47 - 第六章 系统测试 ..................................................................................................................................................................... - 50 - 6.1启动组态王..........................................................................................................................................................................- 50 - 6.2 实时曲线观察...................................................................................................................................................................- 51 - 6.3 分析历史趋势曲线 ..........................................................................................................................................................- 51 - 6.4 查看数据报表...................................................................................................................................................................- 54 - 6.5 系统稳定性测试 ..............................................................................................................................................................- 55 - 结束语 .................................................................................................................................................................................................- 6 - 参考文献 ......................................................................................................................................................................................... - 58 - 致 谢 .............................................................................................................................................................................................. - 59 -
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第一章 绪论
1.1课题背景及研究目的和意义
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。目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具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。[4]
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、鲁棒性好，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,但由于PID算法以它自身的特点，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。[5]
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，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点：
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1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。 2）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。 3）这些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，适应范围广泛。
4）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具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。
随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仍然有着较大的差距。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。
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。
1.3 项目研究内容
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，构成锅炉温度串级控制系统；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。
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，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）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。论文通过对德国西门子公司的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
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