电炉的全自动温度监控报警系统设计
摘 要
本论文通过采用对PLC（可编程控制器）来控制电炉的全自动温度监控报警系统的运行的状况进行了研究，使电炉的温度监控可以高效率的完成，可以充分体现出PLC所具有的功能强，可靠性高、编程简单、使用方便、体积小巧等优点。本论文以PLC控制为核心，加热炉为基础的温度自动控制系统中，PLC将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差经PID运算后得到的信号控制输出电压的大小，从而调节加热器加热，实现温度自动控制的目的。运用学到的可编程控制器的梯形图语言将程序编写完成后，再通过实际测试，来实现对温度的相关检测。温度的监控系统采用PLC控制，还能解决传统控制方式下在操作方面的许多麻烦，包括温度不易检测、准确性等问题。同时，通过采用PLC控制可以减轻工人的劳动强度，通过改造电热锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点。因此，PLC在该方面的应用具有重要的实用意义和推广价值。
关键词: PLC 温度检测、控制 PID S7-200 组态王 Pt100
第一章 引言
1.1 课题来源及研究目的和意义
温度的测量和控制对人类主要是完成整台设备的生产设计，气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度信息是十分重要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
本设计主要是完成在工业、农业等生产设计，目前温度测控报警系统在国内的产品有很多，但很多还需做出必要合理的改进，预计本设计产品主要是完成整台设备的生产设计，能够通过传感器检测实际的温度值，而且能够显示温度值，当实际温度值和设定温度值不相等时发出报警信号，以便让操作工控制。在生产实践中能收到良好的经济效应和社会效应。
1.2温度测控报警系统的发展状况与趋势
温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动 来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得 到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有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。
单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的4位机发展到32位 机，其性能进一步得到改善[5]。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂 的，高要求的系统中使用。
PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组 件，控制各种机械或工作程序。PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用[6]。相对于 IPC，DCS，FSC等系统而言，PLC是具有成本上的优势。因此，PLC占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。
工控机（IPC）即工业用个人计算机。IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电 磁辐射。过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。影响燃烧的因素十分复 杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的PID为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离PID，选择性PID。 参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的[7]。在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对 锅炉的监控品质，提高了平均热效率[7]。但如果单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。
集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。DCS的关键是通 信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全 性。基本DCS的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率[8]。但DCS在设备配置上要求网 络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致DCS成本太高。
现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基 于总线控制系统（FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点，FCS系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而 且它可以对现场装置(含变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的[9]。但是，FCS还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的 现阶段，另一方面，另一方面， 目前现场总线的国际标准共有12种之多，这给FSC的广泛应用添加了很大的阻力。
各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。
自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在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发展迅速，并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，一日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都产生了一批商品化的、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。
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有着较大差距。 成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。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，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，并在各行业广泛应用。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。
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趋势。
1.3本文的研究内容及具体设计要求
本论文主要是利用PLC S7-200 采用PID控制技术做一个温度控制系统，要求稳定误差不超过正负1℃，并且用实现在线监控。
本文以电炉温度系统为例，具体设计要求：
①要求PLC系统能够监控反应器的温度。
②开始工作时全速加热，停止加热。
③工作过程中温度过高/低时能发出声光报警，声报警能用按钮手动解除，光报警在正常时自动解除
④通过通信方式传送给监控电脑，监控电脑能检测对象的参数、状态。
基于以上的要求，所设计的系统必须有以下结构模块：温度传感器单元、温度显示单元、PLC模拟量转换模块单元、电脑监测单元 。
目 录
第一章 引言...................................................................1
1.1 课题来源及研究目的和意义.............................................1
1.2 温度测控报警系统的发展状况与趋势.....................................1
1.3 本文的研究内容及具体设计要求.........................................3
第二章 研究技术介绍...........................................................4
2.1 传感技术.............................................................4
2.2 PLC（可编程控制器基础）................................................4
2.2.1可编程控制器的产生和应用........................................4
2.2.2可编程控制器的组成和工作原理....................................4
2.2.3可编程控制器的分类及特点........................................6
2.3 上位机...............................................................7
2.4 组态软件.............................................................8
第三章 控制系统的硬件选择与设计...............................................9
3.1 PLC的选型和硬件配置..................................................9
3.1.1 PLC型号的选择..................................................9
3.1.2 S7-200 CPU的选择...............................................9
3.1.3 模拟量输入模块EM231.. ........................................10
3.1.4电气原理图与接线实物图.........................................10
3.1.5 热电式传感器..................................................12
第四章 控制系统的软件设计....................................................14
4.1 编程软件STEP7--Micro/WIN 概述........................................14
4.1.1 STEP7--Micro/WIN 简单介绍.....................................14
4.1.2 计算机与PLC的通信............................................14
4.2 PID控制程序设计......................................................15
4.2.1 PID控制算法...................................................15
4.2.2 PID在PLC中的回路指令..........................................17
4.2.3 回路输入输出变量的数值转换方法................................18
4.2.4 实数归一化处理................................................18
4.2.5 PID参数整定...................................................18
4.3 组态变量的建立及设备连接............................................18
4.3.1 新建项目......................................................19
4.4 创建组态画面........................................................22
4.4.1 新建主画面....................................................23
4.4.2 新建PID参数设定窗口..........................................23
4.4.3 新建数据报表 .................................................23
4.4.4 新建实时曲线..................................................24
4.4.5 新建历史曲线..................................................24
4.4.6 新建报警窗口..................................................25
第五章 项目程序设计..........................................................27
5.1 S7-200程序设计流程图及各种电气接线图................................27
5.2 I/O分配表...........................................................30
5.3 内存地址分配........................................................31
5.4 S7-200程序设计梯形图................................................31
5.4.1 初次上电......................................................31
5.4.2 启动/停止、急停阶段...........................................32
5.4.3 子程序........................................................33
5.4.4 中断程序，PID的计算...........................................35
第六章 结 论..............................................................36
致 谢......................................................................37
参考文献......................................................................38
参考文献
[1] SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册[M].北京:机械工业出版社,2002.
[2] 张仑.可编程序控制器中PID控制的研究[J].电子电气教学学报,2005
[3]西门子（中国）有限公司.深入浅出西门子S7-200PLC（第三版）[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2007.
[4]可编程序控制器的编程方法与工程应用 廖常初 重庆大学出版社
[5] 陈建明.电气控制与PLC应用[M].北京:电子工业出版社,2009.
[6] 戴仙金.西门子S7-200系列PLC应用与开发[M].中国水利水电出版社,2007.
[7] 丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京:电子工业出版社,1998.
[8] 赵阳.西门子S7-300PLC及工控组态软件Wincc的应用[J].北京:电子工业
出版社
[9] 组态王6.53使用手册[M].北京亚控,2007.
[10] 组态王6.53命令语言函数使用手册[M].北京亚控,2007.
[11]向晓汉.机电一体化设备plc控制与调试.——无锡职业技术学院，2010.8
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http://www.bysj360.com/html/3838.html http://www.bysj360.com/html/4319.html
