基于PLC与组态王的模拟锅炉温度控制系统设计
基于PLC与组态王的模拟锅炉温度控制系统设计[20200419155729]
摘要
随着经济的发展和电力建设的加快，以及对环保意识的提高，特别是实行峰谷电分开计价后，电加热锅炉得到了较快的发展。在电锅炉温度控制中，由于受到温度控制对象特性，如惯性大、滞后大、非线性等的影响，使得控制性能难以提高。甚至，电锅炉温度控制的不好将直接影响产品的质量，因此设计一种较为理想的电锅炉温度控制系统是非常有必要的。?
本次设计是以电加热锅炉温度控制系统的设计为主，以三菱PLC FX2N-48MR为控制核心，运用FX2N系列PLC的PID功能指令对锅炉温度进行恒温控制，以及组态软件对整个锅炉温度控制系统进行实时监控。本文分别就电加热锅炉的温度控制系统的设计，PLC的硬件配置、组态软件的设计等几方面进行阐述。设计的电加热锅炉控制系统，具有响应快、控制精度高、抗干扰能力强等诸多特点，对工业过程温度控制的研究具有很好的现实意义。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:电加热锅炉PLCPID温度控制组态软件
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 温度控制系统的国内外研究现状 1
1.3 课题研究内容 2
2. 电锅炉的PLC控制系统设计方案 4
2.1 PLC控制系统的基本设计原则与步骤 4
2.2 总体的设计方案 4
2.3 锅炉温度控制系统的方案设计 6
2.3.1 串级控制系统的设计 6
2.3.2串级控制系统的特点 8
3. 锅炉控制系统的硬件设计 9
3.1可编程控制器的概述 9
3.1.1可编程控制器的组成 9
3.1.2可编程控制器的工作原理 9
3.1.3可编程控制器的特点 10
3.2 PLC的选型及I/O口的确定 11
3.2.1 PLC的选型 11
3.2.2 I/O口分配表 11
3.2.3 PLC外部接线图 12
3.3其他硬件（元件）的配置 12
3.3.1 FX2N-2AD模拟量输入模块 12
3.3.2 FX2N-2DA输出模块 13
3.3.3 三相调压模块 15
3.3.4 锅炉电加热器 16
3.3.5 热电式传感器 17
3.3.6 液位传感器 17
3.3.7电磁阀 18
3.3.8 水泵 19
3.4 元件（硬件）清单 19
3.5 硬件接线图 20
4. 电锅炉控制系统的软件设计 21
4.1编程软件GX Developer的概述 21
4.2程序的设计 22
4.3 PID控制算法的介绍 25
4.3.1 PID指令格式 25
4.3.2 PID参数整定 26
5. 组态画面的设计 27
5.1组态的概述 27
5.2组态王工程的建立及设备连接 27
5.2.1新建项目 27
5.2.2 设备的连接 28
5.2.3 组态变量的建立 29
5.3创建组态画面 30
5.3.1新建主画面 30
5.3.2 建立趋势曲线 30
5.3.3报警窗口 31
6. 系统运行及调试 32
6.1系统运行过程 32
6.2调试结果 36
7. 结语 37
参考文献 38
致谢 39
附录 40
1. 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着经济的发展和电力建设的加快，以及对环保意识的提高，特别是实行峰谷电分开计价后，电加热锅炉得到了较快的发展。为了确保电锅炉生产的经济性和安全性，提高生产效率，温度是一个衡量的标准。温度是工业控制对象主要被控参数之一，温度控制在工业生产过程中有着举足轻重的地位，其关键就在于测温和控温两个方面。温度测量是温度控制的基础，准确地测量，对于获得正确的测量数据和保证产品质量都是十分重要的。在温度控制中，由于受到温度控制对象特性（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响，使得电锅炉的温度控制性能难以提高，有些工业过程温度控制的不好直接影响着产品的质量和性能，因而设计一种较为理想的电锅炉温度控制系统是非常有价值的。本文主要研究的是电加热锅炉中对温度控制的方法。
电加热锅炉主要由锅炉本体和电控箱及控制系统组成。它具有结构简单、无污染、无噪音、自动化程度高、运行安全可靠等特点。电加热锅炉采用金属管状电加热器来给水加热，使电能直接转化为热能(产生热水或蒸汽)，不需要采用燃烧的方式将化学能转化为热能,也就不需要供应燃烧所需的空气和燃料,因而不会排放有害气体及灰渣,完全符合环保的要求。随着有限能源的减少和大幅度涨价，电加热锅炉作为新兴的锅炉设备越来越受到大家的认可。
自动化技术作为20世纪现在工业领域中最重要的技术之一,主要解决的是生产效率和一致性问题,无论是追求高速,连续和大批量的大型企业,还是追求灵活,柔性的定制化的中心企业,都依赖自动化技术的应用。自动化技术是现代工业企业赖以生存生存和发展的主要基础，现代工业生产将向着自动化生产的方向发展，当目前智能技术逐渐成为主流意识之时，工业生产从自动化生产转向智能生产将是其发展趋势。
本次课题的主要研究目的在于设计一种较精确的电锅炉温度控制系统，确保电锅炉生产的经济性和安全性。
1.2 温度控制系统的国内外研究现状
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：
（1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。
（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。
（5）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。
（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。
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。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。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。[5]
1.3 课题研究内容
本次毕业设计是以电加热锅炉温度控制系统为控制对象，以PLC 为控制核心，运用PID算法对锅炉温度实施精确控制，以组态软件作为上位监控软件来共同实现锅炉温度的恒定控制。控制要求：
（1）在锅炉温度控制系统中，将检测两路温度，即锅炉出口水温度和炉膛水温;
（2）锅炉加热温度调整范围在20～100℃（20℃示为常温）之间，控制精度≤1℃，系统的超调量须小于15％;
（3）在模拟锅炉温度控制运行时，组态软件的设计要能对电锅炉温度控制系统的整个运行过程监控并进行人机对话;
（4）还需要对电锅炉水位进行测量， 当水位低于下限值时，加热器不工作，高于上限值时均停止加热，并在组态界面显示报警信号；
摘要
随着经济的发展和电力建设的加快，以及对环保意识的提高，特别是实行峰谷电分开计价后，电加热锅炉得到了较快的发展。在电锅炉温度控制中，由于受到温度控制对象特性，如惯性大、滞后大、非线性等的影响，使得控制性能难以提高。甚至，电锅炉温度控制的不好将直接影响产品的质量，因此设计一种较为理想的电锅炉温度控制系统是非常有必要的。?
本次设计是以电加热锅炉温度控制系统的设计为主，以三菱PLC FX2N-48MR为控制核心，运用FX2N系列PLC的PID功能指令对锅炉温度进行恒温控制，以及组态软件对整个锅炉温度控制系统进行实时监控。本文分别就电加热锅炉的温度控制系统的设计，PLC的硬件配置、组态软件的设计等几方面进行阐述。设计的电加热锅炉控制系统，具有响应快、控制精度高、抗干扰能力强等诸多特点，对工业过程温度控制的研究具有很好的现实意义。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:电加热锅炉PLCPID温度控制组态软件
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 温度控制系统的国内外研究现状 1
1.3 课题研究内容 2
2. 电锅炉的PLC控制系统设计方案 4
2.1 PLC控制系统的基本设计原则与步骤 4
2.2 总体的设计方案 4
2.3 锅炉温度控制系统的方案设计 6
2.3.1 串级控制系统的设计 6
2.3.2串级控制系统的特点 8
3. 锅炉控制系统的硬件设计 9
3.1可编程控制器的概述 9
3.1.1可编程控制器的组成 9
3.1.2可编程控制器的工作原理 9
3.1.3可编程控制器的特点 10
3.2 PLC的选型及I/O口的确定 11
3.2.1 PLC的选型 11
3.2.2 I/O口分配表 11
3.2.3 PLC外部接线图 12
3.3其他硬件（元件）的配置 12
3.3.1 FX2N-2AD模拟量输入模块 12
3.3.2 FX2N-2DA输出模块 13
3.3.3 三相调压模块 15
3.3.4 锅炉电加热器 16
3.3.5 热电式传感器 17
3.3.6 液位传感器 17
3.3.7电磁阀 18
3.3.8 水泵 19
3.4 元件（硬件）清单 19
3.5 硬件接线图 20
4. 电锅炉控制系统的软件设计 21
4.1编程软件GX Developer的概述 21
4.2程序的设计 22
4.3 PID控制算法的介绍 25
4.3.1 PID指令格式 25
4.3.2 PID参数整定 26
5. 组态画面的设计 27
5.1组态的概述 27
5.2组态王工程的建立及设备连接 27
5.2.1新建项目 27
5.2.2 设备的连接 28
5.2.3 组态变量的建立 29
5.3创建组态画面 30
5.3.1新建主画面 30
5.3.2 建立趋势曲线 30
5.3.3报警窗口 31
6. 系统运行及调试 32
6.1系统运行过程 32
6.2调试结果 36
7. 结语 37
参考文献 38
致谢 39
附录 40
1. 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着经济的发展和电力建设的加快，以及对环保意识的提高，特别是实行峰谷电分开计价后，电加热锅炉得到了较快的发展。为了确保电锅炉生产的经济性和安全性，提高生产效率，温度是一个衡量的标准。温度是工业控制对象主要被控参数之一，温度控制在工业生产过程中有着举足轻重的地位，其关键就在于测温和控温两个方面。温度测量是温度控制的基础，准确地测量，对于获得正确的测量数据和保证产品质量都是十分重要的。在温度控制中，由于受到温度控制对象特性（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响，使得电锅炉的温度控制性能难以提高，有些工业过程温度控制的不好直接影响着产品的质量和性能，因而设计一种较为理想的电锅炉温度控制系统是非常有价值的。本文主要研究的是电加热锅炉中对温度控制的方法。
电加热锅炉主要由锅炉本体和电控箱及控制系统组成。它具有结构简单、无污染、无噪音、自动化程度高、运行安全可靠等特点。电加热锅炉采用金属管状电加热器来给水加热，使电能直接转化为热能(产生热水或蒸汽)，不需要采用燃烧的方式将化学能转化为热能,也就不需要供应燃烧所需的空气和燃料,因而不会排放有害气体及灰渣,完全符合环保的要求。随着有限能源的减少和大幅度涨价，电加热锅炉作为新兴的锅炉设备越来越受到大家的认可。
自动化技术作为20世纪现在工业领域中最重要的技术之一,主要解决的是生产效率和一致性问题,无论是追求高速,连续和大批量的大型企业,还是追求灵活,柔性的定制化的中心企业,都依赖自动化技术的应用。自动化技术是现代工业企业赖以生存生存和发展的主要基础，现代工业生产将向着自动化生产的方向发展，当目前智能技术逐渐成为主流意识之时，工业生产从自动化生产转向智能生产将是其发展趋势。
本次课题的主要研究目的在于设计一种较精确的电锅炉温度控制系统，确保电锅炉生产的经济性和安全性。
1.2 温度控制系统的国内外研究现状
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：
（1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。
（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。
（5）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。
（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。
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。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。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。[5]
1.3 课题研究内容
本次毕业设计是以电加热锅炉温度控制系统为控制对象，以PLC 为控制核心，运用PID算法对锅炉温度实施精确控制，以组态软件作为上位监控软件来共同实现锅炉温度的恒定控制。控制要求：
（1）在锅炉温度控制系统中，将检测两路温度，即锅炉出口水温度和炉膛水温;
（2）锅炉加热温度调整范围在20～100℃（20℃示为常温）之间，控制精度≤1℃，系统的超调量须小于15％;
（3）在模拟锅炉温度控制运行时，组态软件的设计要能对电锅炉温度控制系统的整个运行过程监控并进行人机对话;
（4）还需要对电锅炉水位进行测量， 当水位低于下限值时，加热器不工作，高于上限值时均停止加热，并在组态界面显示报警信号；
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