基于plc的锅炉监控系统的设计--大学毕业设计论文

基于PLC的锅炉监控系统的设计

摘 要

本文介绍了以锅炉为被控对象，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。

本文分别就燃煤锅炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造燃煤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，对工业控制有现实意义。

关键词：燃煤锅炉的控制系统，温度控制，串级控制，PLC，PID

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PLC-based boiler control systemDesign

ABSTRACT

This paper introduces the boiler is controlled object to the boiler outlet water main parameter to be controlled to within the furnace temperature was deputy accused of parameters to the furnace resistance wire voltage of the control parameters, PLC as controller, constitute the boiler temperature cascade level control system; using PID algorithm, using PLC ladder programming language programming, automatic control of the boiler temperature.

This paper on the coal-fired boiler control system works, temperature transmitters selection, PLC configuration, the configuration software program design and other aspects to elaborate. Through the transformation of coal-fired boiler control system has fast response, good stability, high reliability, control accuracy and good features, the industrial control has practical significance.

Key words:Coal-fired boilers control system，temperature control，cascade control PLC ，PID

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目录

1 绪论 .................................................................. 1

1.1 课题背景及研究目的和意义 ......................................... 5 1.2 国内外研究现状 ................................................... 5 1.3 项目研究内容 ..................................................... 6 2 锅炉控制系统总体设计 .................................................. 8

2.1 燃煤锅炉的组成 ................................................... 8 2.2 燃煤锅炉的工作过程 ............................................... 8 2.3 系统功能分析 ..................................................... 9 2.4 控制方案的设计 .................................................. 10 2.5 控制系统结构 .................................................... 11 2.6 电路的保护 ...................................................... 12 3 PLC控制系统的硬件设计 ................................................ 14

3.1 可编程控制器基础 ................................................ 14

3.1.1 PLC概述 ................................................... 14 3.1.2 PLC的历史 ................................................. 14 3.1.3 现今的PLC ................................................. 16 3.1.4 PLC的设计标准 ............................................. 17 3.2 可编程控制器的产生和应用 ........................................ 19

3.2.1 可编程控制器的组成和工作原理 .............................. 19 3.2.2 可编程控制器的分类及特点 .................................. 21 3.3 组态软件的基础 .................................................. 22

3.3.1 组态的定义 ................................................ 22 3.3.2 组态王软件的特点 .......................................... 22 3.3.3 组态王软件仿真的基本方法 .................................. 23 3.4 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 ................................ 23

3.4.1 PLC控制系统设计的基本原则 ................................. 23

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3.4.2 PLC控制系统设计的一般步骤 ................................. 23 3.4.3 PLC程序设计的一般步骤 ..................................... 24 3.4.2 PLC控制系统设计的一般步骤 ................................. 23 3.4.3 PLC程序设计的一般步骤 ..................................... 24 3.5 PLC的选型和硬件配置 ............................................ 26

3.5.1 PLC型号的选择 ............................................. 26 3.5.2 温度传感器 ................................................ 26 3.6 系统整体设计方案与电气接线图 .................................... 26 3.7 PLC控制器的设计 ................................................ 27 3.8 控制系统数学模型的建立 .......................................... 27 4 PLC控制系统的软件设计 ................................................ 29

4.1 PLC程序设计常用方法 ............................................ 29 4.2 编程软件FPWIN-GR概述 ........................................... 29 4.3 梯形图 ......................................................... 29

4.4 文本显示图 ...................................................... 34 参考文献 ................................................................ 36 致谢 .................................................................... 37

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1 绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

燃煤锅炉的应用领域相当广泛，燃煤锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前燃煤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、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

燃煤锅炉是机电一体化的产品，具有运行安全可靠，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。加上目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。燃煤锅炉目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。

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。 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：

（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。

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（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。论文通过对松下公司的FP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，PID控制器输出转化为0-10mA的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率。对于监控画面，利用亚控公司的组态软件组态王。串级系统是由调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器

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的给定值的系统。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。

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2 锅炉控制系统总体设计

2.1 燃煤锅炉的组成

锅炉按燃烧种类分，大致有燃油锅炉、燃煤锅炉和燃气锅炉。所有这些锅炉，虽然燃料及其供给方式 不同，但其结构大同小异。本系统所用的锅炉是以煤为燃料，它有以下几部分构成：

1、炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。煤由煤斗落在转动链条炉蓖上，进入炉内燃烧。燃烧所需要的空气由炉排下面的风箱送入，燃尽的残渣被炉蓖带到除灰口，落入灰斗中。得到加热的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水后，经过烟囱排至大气。

2．省煤器：燃煤锅炉炉膛排除的烟气具有较高的温度，利用其热量可以加热进入汽包的冷水，一般省煤器由蛇形管组成。

3．空气预热器：继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气的换热器。热空气可以强化炉内燃烧过程，提高锅炉燃烧的经济性，提高锅炉热效率。

4．引风设备：包括引风机、烟囱、烟道几部分，将锅炉中的烟气连续排出，保持炉膛的负压燃烧正常。

5．鼓风设备：由鼓风机、送风机、风道、风箱组成，供应燃料燃烧所需要的空气。 6．给水设备：由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路和省煤器的流动阻力和锅炉的压力，把水送入汽包中。

7．水处理设备：用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面上结水垢或腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。

8．燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料的供应。

9．除灰除尘设备：分别为收集锅炉灰渣并运往存狄场地及除去烟气中灰粒的设备，以减少对周围环境的污染。

2.2 燃煤锅炉的工作过程

锅炉最基本的组成是汽锅和炉子两大部分。燃料在炉膛进行燃烧，将其化学能转化为热能，高温的燃烧产物一烟气通过汽锅受热面将热能传递给汽锅内温度较低的水，水被加热进而沸腾汽化，生成蒸汽。以某高校锅炉房的锅炉为例，其工作概括起来应包括

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三个同时进行的过程：

1．燃料的燃烧过程：燃料煤加到煤斗中，借助于自重下落在炉排面上，炉排靠电动机通过变速齿轮减速后由链条来带动，将燃料煤带入炉内。新煤入炉，经预热阶段后开始着火，挥发物燃烧，同时焦炭也逐渐燃烧。燃料一面燃烧，一面向后移动。燃烧所需要的空气是由送风机送入炉体的风仓，向上通过炉排到达燃烧燃料层。风量和燃料量要成比例，进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗。燃烧过程进行得完善与否，是锅炉正常工作的根本条件。要使燃料量、空气量和负荷蒸汽量有一一对应的关系，这就是根据所需要的负荷蒸汽量来控制燃料量和送风量，同时还要通过引风设备控制炉膛负压。该过程的特点是时间常数和滞后时问都比较大，而且随着媒质、煤种及风量的改变，这两个参数将有很大的变化。

2．烟气向水(汽)等的传热过程：燃料燃烧所放出的热量使得炉内温度很高，高温烟气与布置在炉膛四周墙面上的水管进行强烈的辐射传热。烟气将热量传递给管内的水后，由于引风机和烟囱的引力作用而向炉膛上方流动。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，经省煤器和空气预热器进行热交换，以较低的温度排出锅炉。

3．水的汽化过程：对于蒸汽炉来说，经过处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物，它们位于烟气温度较低的对流管束中。由于受热较少，汽水混合物的容重较大；而处于烟气温度较高区的水冷壁和对流管束受热多，其相应工质的容重小：这样，容重大的工质向下流入下锅筒，而容重较小的工质则向上流入上锅筒，形成水的自然循环。由于上锅筒内的汽水分离设备和锅筒本身空间内的重力分离作用，使汽水混合物得以分离。

2.3 系统功能分析

本文针对燃煤锅炉的控制，设计一套锅炉控制系统，根据锅炉控制的发展趋势，本系统具有如下功能： 1．控制系统

系统具有将所有变频器安装在变频控制柜内。通过可编程控制器对锅炉系统中的鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵和补水泵进行就地控制。 2．监测功能

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系统通过安装在锅炉现场的各类传感器，可检测室外温度、室内温度、出水温度、回水温度、管网压力等参数，并可以将这些数据通过变送器传送到可编程控制器处理。 3．安全报警功能

锅炉控制系统中，为了保证锅炉的安全运行，需要对锅炉的各个电机的运行情况进行监测，若循环泵出现故障，循环泵故障指示灯亮，并启动备用循环泵，以保证锅炉的安全运行。若鼓风机出现故障，鼓风机故障指示灯亮，系统按顺序停止引风机、炉排、循环泵。引风机出现故障，报警指示灯亮，系统按顺序停止鼓风机、炉排、循环泵。炉排出现故障，报警指示灯亮，系统按顺序停止鼓风机、引风机、循环泵。 4．单动／联动模式

本系统工作在单动／联动两种工作模式下。单动和联动模式下均可实现就地控制和参数设定，但单动模式下，需人工根据气候、负荷的变化设定鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵、补水泵等电机的转速，相当于“开环控制”；联动模式下，操作人员只需根据室内温度和室外温度的变化设定锅炉的出水温度和炉膛负压等参数，系统自动地调节电机的转速，减少了人工干预，提高了自动化水平。 2.4 控制方案的设计

针对供暖锅炉的控制发展状况，本系统对锅炉房的鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵、补水泵等设备采用变频器控制技术。每台鼓风机、引风机、炉排电机配备一台变频器。两台循环泵配备一台变频器，，共两台循环泵，其中一台备用，当一台循环泵运行时，另一台循环泵停止，即两台循环泵不能同时运行。补水泵为两台，其中一台备用，两台补水泵配备一台变频器。所有的变频器俊安装在变频控制柜内，置于变频控制室，操作变频控制的面板，可以实现就地控制。

本系统采用松下公司的FP0系列的PLC，PLC主要负责数据采集、控制运算和控制输出，可以接受开关接点等数字信号，还可以直接接收标准的过程量，如4-20mA电流、0-10V电压、热电偶、热电阻等模拟信号。通过输入输出模块控制控制柜内的所有断路器、接触器和继电器等开关设备，以实现就地控制。系统采用分级分层模式，只要系统一上电，如果PLC控制系统出现故障，可以直接在变频控制室内通过控制面板进行启停控制，通过设定变频器控制面板可进行参数设定，以充分保证系统的可用性。 系统结构框图如下：

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温度信息采集

图2.1 系统结构框图

故障报警 电机 故障检测 变频器 P L C 控 制 系 统 数据处理 数据处理 压力信息采集 2.5 控制系统结构

本系统属于热水锅炉供暖系统，主要通过热水循环给用户供暖，一般分为燃烧控制系统、循环泵控制系统和补水泵控制系统。本系统采用集中控制方式，分为2层 :

控制部分：该部分以松下FP系列可编程控制器为核心， PLC通过模拟给定信号分别对鼓风机、引风机、、炉排、循环泵和补水泵等进行启停控制和电机的转速设定，一旦电机启动完毕，可随时根据监测到的数值改变电机的转速，以适应系统的需求。

数据采集与变送部分：这一部分是控制系统的最底层。主要完成现场数据的采集、预处理和变送等工作。这些数据主要包括锅炉的出水温度、回水温度、室内温度、室外温度、管网压力等。变送器将采集的温度、压力等物理量转换成标准电压或电流信号并传送给可编程控制器进行数据处理。 控制任务：

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锅炉的基本组成是“锅”和“炉”两大部分。燃料在“炉”中燃烧放热，高温烟气携带的热量为“锅”的受热面吸收，以产生一定压力和温度的蒸汽。作为锅炉的燃烧设备“炉”，其任务是针对不同燃料的燃烧特性，为其完全燃烧创造良好的条件，以求燃料将其热量最大限度地释放出来。锅炉的燃烧控制直接关系着是否对环境造成污染、是否节能及能否给企业带来效益。所以，锅炉的燃烧控制自动化多年来倍受重视。锅炉燃烧过程自动控制的主要任务是：

1、保证经济燃烧

为了得到最经济的燃烧工况，就要保证当室内外温度、出回水温度改变时，控制系统能随时改变电机的转速，避免电动机一直处于最大转速下运行，以控制燃烧系统，实现经济效益的最优化。 2、连锁控制

在锅炉控制中，为保证锅炉安全运行，在某一机构发生故障时，要有即时报警和相关保护并触发与之关联的设备实现自动连锁。锅炉运行要求的连锁动作大体有以下几项：

（1）鼓风电机

要求当引风电机停止、炉排电机停止、管网压力超出上限时，鼓风电机自动停止。启动时，只有引风机运行起来后才开鼓风机。 （2）引风电机

要求当循环泵启动之后才启动引风机。 （3）炉排电机

要求当鼓风电机或引风电机发生故障时，炉排电机立即停止运行。在正常启停时，当鼓风和引风开起来后再开炉排电机，停机时先停炉排电机。 （4）补水水泵

要求管网压力超出上限时，补水泵自动停止。 2.6 电路的保护

本设计采用断路器、熔断器和热继电器实现对主电路和电动机的保护。断路器能自动的进行欠电压、失电压和短路保护，当电路发生欠电压短路的时候，断路器能够自动的断开线路，保护设备的安全；热继电器主要实现电动机的过载保护，当电动机过载的时候，热继电器动作，通过辅助触点断开控制线路，实现对电机的保护；熔断器主要完

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成短路和过电流保护，当电路中电路超过一定值的时候能够迅速的分断电路中的电器设备，以保护电器设备不被损坏。

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3 PLC控制系统的硬件设计

3.1 可编程控制器基础 3.1.1 PLC概述

可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。

70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。

可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。

可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。 ①可靠性高，抗干扰能力强； ②编程直观、简单； ③适应性好；

④功能完善，接口功能强 3.1.2 PLC的历史

1968年，Richard E. Morley创造出了新一代工业控制装置可编程逻辑控制器(PLC),现在，PLC已经被广泛应用于工业领域，包括机械制造也、运输系统、化学过程设备、

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等许多其他领域。初期可编程控制器只是用一种类似于语言的软件逻辑于代替继电器硬件逻辑，并且使开发时间由6个月缩短到6天。

虽然计算机控制技术已经产生，但是PLC控制因为它的高性能、成本低、并且对恶劣的环境有很强的适应能力而在工业控制的广泛应用中保持优势。而且，尽管硬件的价格在逐渐下跌，据估计，根据Frost和Sullivan对PLC市场的调查研究表明，每年销售硬件的价格要比销售PLC的价格（一千五百万）至少多出八十亿美元。PLC的创造者Richard E. Morley十分肯定的认为目前PLC市场是一个价值五十亿的工业

虽然PLC广泛应用于工业控制中，PLC控制系统的程序依然和语法有关。和软件过程一样，PLC的软件设计也以同样的方式会遇到软件错误或危机。Morley在演讲中着重强调了这个方面。

如果房子建造的像软件过程一样，那么仅仅一只啄木鸟就可以摧毁文明。特别的，PLC程序要解决的实际问题是消除软件错误和减少老式梯形逻辑语言的花费。尽管PLC的硬件成本在继续下降，但是在工业控制上减少梯形逻辑的扫描时间仍然是一个问题，以至于可以用到低耗时的PLC。

一般来说，和其他领域相比生产PLC的周期要短很多。例如，在实践中，VISI设计是一种有效的计算机辅助设计。PLC不需要使用目前的以软件设计为基础软件工程方，因为PLC程序要求对软件和硬件搜都要考虑到。因此，软件设计越来越成为花费动力。在许多的工业设计工程中，多数人力分配给了控制系统设计和安装，并且他们被要求对PLC进行程序测试和错误排除。

再者，PLC控制系统不适合设计对适应性和重构有越来越多要求的生产系统。一个更深入的问题是在大规模的工程中软件越来越复杂，促使要有一个系统化的设计方。

主题的客观性是为PLC自动控制系统建立一个系统化的软件设计方。这个设计方包括以状态转换模型为基础的精确的描述，这个转台转换模型是自动控制系统的抽象系统。方还包括一个逐步的设计过程，并且要设置一个设计规则，这样才能为一个成功的设计提供导向和方法。这项研究的真正目的是找到一个减少控制软件发展过程的不稳定性的方法，也就是说，减少程序和调试时间以及他们的变化，以增强自动控制系统的适应性，并且通过调整软件使得软件可以再度使用。这样的目的是为了克服目前程序策略的不足之处，而目前的程序策略是以个人软件开发者的经验为基础的。

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3.1.3 现今的PLC

从结构上分，PLC分为固定式和模块式两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。

运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此着控制规模。

处理器(CPU)是PLC控制器的大脑。通常CPU本身就是一个微控制器。起先是8位微控制器例如8051,现在发展为16位和 32位微控制器。你会发现大部分由日本制造商制造的PLC中是日立和Fujicu的微控制器,西门子的微控制器多应用在欧洲的PLC中,摩托罗拉生产的微控制器则独占美国市场。CPU同样关注通信, PLC控制器,操作程序的执行,监督记忆设置的输入和输出等部分的关联性5。

PLC使用系统存储器（现在大部分采用闪存技术了）用于过程控制系统。除了这个操作系统之外，它还包括一个由梯形图翻译成而进制形式的用户程序。快擦型存储器（FLASH memory）的内容只有在改变用户程序的时候可以被改变。PLC控制器比快擦型存储器使用得更早，EPROM存储器比快擦型存储器也更早，快擦型存储器必须用紫外线（UV，Ultra-Violet Ray）灯擦除，并在编程器上进行编程。由于快擦型存储器技术的应用，使得这个过程大大缩短了。在应用程序开发中，通过一个串行电缆可以对程序存储器进行重新编程。

用户存储器被分成具有特殊功能的块。一部分存储器用来存储输入和输出状态。一个输入的实际状态存储状态存储在专用存储器位上，为“1”或者“0”。每一个输入和输出在存储器中都有一个相应的位。另外一部分存储器用来存储用户程序中的变量的内容。例如，定时器值，或者记数器值存放在存储器的这个部分。

PLC控制器可以通过计算机（通常方式）重新编程，但是也可以通过人工编程器9控制台）编程。实际上，这意味着，如果你有编程所需要的软件，早期PLC控制器可以通过计算机进行编程。今天的传输计算机是工厂自己对PLC控制器进行重新编程的理想

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设备。这对于工业企业来说是非常重要的。一旦系统修改结束，将正确的程序重新读入PLC控制器也是非常重要的。定期检查PLC中的程序是否改变是非常好的事情。这有助于避免车间发生危险情况（一些汽车制造商已经建立了通信网络，可以定期检查PLC中的程序，以保证运行的程序都是正确的）。

几乎所有用于为PLC控制器编程的程序都拥有各种不同的选项，例如系统输入/输出（I/O线）的强制开关，程序实时跟踪以及图表验证。图表验证对于理解、定义失败和故障非常必要。程序员可以添加标记，书日和输出设备名称，以及对于查找错误或者对于系统维护很有用的注释。添加注释和标记可以使技术人员（不仅仅是开发人员）很快理解梯形图。注释和标记甚至还可以准确地引用零件号，如果需要更换零件的话。这将加快由于损坏零件而引起的任何问题的修理速度。响应的旧方法是这样的，开发系统的人必须保护这个程序，他旁边再没有人知道系统是怎样完成的。正确的、备有证明文件的梯形图使任何技术人员都能彻底理解系统的功能。

电源是为处理单元提供电源的。大部分PLC控制器的工作电压为24VDC或者220VAC。在有些PLC控制器上，你可以看见作为模块的电源。用户必须确定从I/O模块取出多大电流来保证电源提供适当的电流。不同的模块使用不同的电流量。

该电源一般不用于启动外部输入或输出。用户必须提供的电源来启动PLC控制器的输入和输出，因为这样可以保证PLC控制器的所谓“纯电源”。使用纯电源意味着工业环境中的电源不会严重影响它。有些较小的PLC控制器从与PLC控制器集成在一起的小电源为它们的输入提供电压源。 3.1.4 PLC的设计标准

一个系统化的设计PLC程序的方法可以克服传统程序生产控制系统的缺点，并且在一些工业应用总有很大的不同。自动控制系统是状态模型用公式语言或等价的语言描述的。公式描述对被控制的系统的行为提供一个精确的描述。可以通过分析估计看状态模型是否达到想要的目标。第二，为状态模型的描述提供结构描述，这个结构描述可以说明逻辑要求和如细节安全规则的。第三，好的控制系统设计是对自动控制代码生成有益的——一种能够产生可执行的控制软件的能力，不同的逻辑控制器可以减少程序扫描时间和执行那个时间。特别的，这个主题与随后的部分的是有关的。

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在现代制造业中，系统是用过程和结果的革新来描述的，并且因此不得不改变系统性能以快速做出反应。因此，一个大的挑战是提供技术以自动控制系统对变化需要和新机会的反应，所以，设计和操作知识可以实时的被再次利用，在工业实践中提供了一个重要的竞争面。

研究表明，在自动化系统中，程序实现的方法已经与计算机资源应用的急速增长不能匹配。例如，可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）程序仍然依靠一种方便的有逻辑梯形图的程序实现模式。结果，程序上的延迟和资源成了生产工业过程的主要绊脚石。在可编程逻辑控制器程序设计过程中，测试和调试可能会占用超过百分之五十的人力。在发展和传播“ＳＴＡＴＥ－ＯＦ－ＴＨＥ－ＡＲＴ”已经形成标准[IEC 60848, 1999; IEC-61131-3, 1993; IEC 61499, 1998; ISO 15745-1, 1999]，但是，基本上这些标准都不能参与有效的程序和系统设计方面知识的革新。

系统的方法通过使用原有的软件模块，有助于增加设计自动化的水平，同时也将提供一种可管理的大规模系统设计的方法。同样的，它也将改善软件的质量的可靠性，以及关系到系统的较高安全标准，尤其是这些对环境有危害影响的，比如：机场控制、公共铁路运输。

软件工业被认为是系统性能的破坏者和系统复杂性的产生者。逐渐下降的硬件价格，破坏了对通过优化程序获得的软件性能的需要。其结果是，一方面造成了大量而低效率的程序代码，另一方面并没有获得高的硬件性能。其次，软件变得难以掌握其程度的复杂；在现代自动化系统中，软件设计和保持系统本质几乎变得不可能。尤其是，可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）程序设计从二十五年前的两条主线，发展到现在的成千上万条。现在安全性增加了，例如，关于防火的新措施，以及现代自动化系统的柔韧性增加了程序设计过程的复杂性。因此，软件的使用周期花费是总共花费的一个固定不变的增长部分。百分之八十到九十的花费用于软件维护、调试、优化（改进）、和扩展以满足不断变换的需求。

目前，大部分设计研究的主要焦点都集中在机械和电子产品上。这种有目的性的研究产生了一个副产品，就是通过推广这中研究到系统工程设计领域，从而加固了我们对设计理论和技巧的基本理解。针对大规模和复杂系统的系统设计理论并没有成熟。尤其是，对如何简化一个繁冗而复杂的设计任务这一问题，仍然没有被科学的处理。而且，

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正在设计理论和代表计算机科学及运筹学研究的认识论结果之间构建一条桥梁，这样的具体应该是逻辑硬件电路设计。

从逻辑学的角度来看，可编程逻辑控制器（PLC）的软件设计类似与集成电路的硬件设计。现代超大规模集成电路设计（Very Large Scale Integration--VLSI）是及其复杂的，一个集成电路一般有几百万个晶体管，而且产品开发周期大都三年左右。设计过程一般都分成局部功能块设计和系统设计两个阶段。在局部功能块设计阶段，单个功能将被设计出来，并予以验证。在系统设计阶段，所有功能块都将被整合起来，整个系统行为特性和功能将会通过仿真形式加以测试。一般来说，所有部分都完全的验证是不可能的。因此，统计学可以作为可编程逻辑控制器（PLC）设计的一个例子，并有可能影响逻辑硬件设计。

3.2 可编程控制器的产生和应用

1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，随着电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器功能得到更进一步增强。进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 3.2.1 可编程控制器的组成和工作原理

可编程控制器的组成:

PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。 1．CPU

CPU是PLC的核心，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构

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成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此着控制规模。 2.I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数。 3.编程器

编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。

4.电源

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 可编程控制器的工作原理:

PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上

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述循环扫描的。

PLC工作的全过程可用图 3.1 所示的运行框图来表示。

图 3.1 可编程控制器运行框图

3.2.2 可编程控制器的分类及特点

(一)小型PLC

小型PLC 的I/O 点数一般在128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应

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用指令。

(二)中型PLC

中型PLC 采用模块化结构，其I/O 点数一般在256～1024 点之间，I/O 的处理方式除了采用一般PLC 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

(三)大型PLC

一般I/O 点数在1024 点以上的称为大型PLC，大型PLC 的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化，大型PLC 还可以采用冗余或三CPU 构成表决式系统使机器的可靠性更高。

3.3 组态软件的基础 3.3.1 组态的定义

组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。组态软件是有专业性的，一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如DCS(集散控制系统)组态，PLC梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。 工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。

在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，组态王，力控，易控，MCGS等。 3.3.2 组态王软件的特点

组态王软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows

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的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。 3.3.3 组态王软件仿真的基本方法

1图形界面的设计

图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 2 构造数据库

数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。

3建立动画连接

连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

4运行和调试

3.4 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 3.4.1 PLC控制系统设计的基本原则

1．充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。

2．在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。 3．保证控制系统安全可靠。

4．应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I／O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。 3.4.2 PLC控制系统设计的一般步骤

设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：

1．熟悉被控对象 制定控制方案,分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。

2．确定I／O设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、

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选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的I／O点数。

3．选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、I／O模块、电源的选择。 4．分配PLC的I／O地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入／输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I／O接线图和编制程序。

5．设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。

6．联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。 3.4.3 PLC程序设计的一般步骤

1．绘制系统的功能图。 2．设计梯形图程序。

3．根据梯形图编写指令表程序。

4．对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。、

PLC控制系统的设计步骤可参考图 3.2：

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评估任务控制 PLC机型选择 控制流程设计 控制柜设计及布线 程序设计 程序检查、调试 PLC安装 联机调试 模拟运行 是否满足要求 修改软、硬件 程序备份 投入使用 图3.2 PLC控制系统的设计步骤

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3.5 PLC的选型和硬件配置 3.5.1 PLC型号的选择

本次温度控制选择松下公司的FP0型PLC。FP0是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。FP0系列的强大功能使其无论在运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此FP0系列具有极高的性价比。

3.5.2 温度传感器

温度传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种温度传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。这两种温度传感器目前在工业生产中被广泛应用。

该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100℃，所以选择Pt100铂热电阻传感器。P100铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，其阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长。 3.6 系统整体设计方案与电气接线图

将检测到的实际锅炉水温转化为电流信号，如图3.3送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为0～10mA的电流信号输入控制风扇的转速，从而调节风扇降温。

P L C 计 算

机PT100 A 2 1 锅 炉 可控硅

图3.3 整体设计图

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图3.4 电气接线图

3.7 PLC控制器的设计

控制器的设计是整个控制系统设计中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。最后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。 3.8 控制系统数学模型的建立

在本控制系统中，图 3.5，TT1(出口温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入A21模块的A路，TT2(炉膛温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入A21模块的B路。两路模拟信号经过A21转化为数字信号送入PLC，PLC再通过PID模块进行PID调节控制。

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+

主调节 — + — 副调节器 可控硅 炉膛 锅炉出口 副变送器 主变送器 图 3.5 串级控制系统框图

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4 PLC控制系统的软件设计

4.1 PLC程序设计常用方法

PLC程序设计常用的方法主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。

1.经验设计法：经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。

2.继电器控制电路转换为梯形图法：用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。

3.顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。

4. 逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。 4.2 编程软件FPWIN-GR概述

FPWIN-GR 编程软件是基于Windows的应用软件，由松下公司专为松下FP系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。 4.3 梯形图

图4.2至图4.6为程序梯形图。此程序为恒温控制，温度设置的范围为0到400度。

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4.2 梯形图（1）

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图4.3 梯形图（2）

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图4.4 梯形图（3）

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图4.5 梯形图（4）

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图4.6 梯形图（5）

4.3 文本显示图

设置温度为123度。图4.7至图4.9为显示示例。

图4.7 显示图（1）

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图4.8 显示图（2）

图4.9 显示图（3）

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参考文献

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致谢

通过这一阶段的努力，我的毕业论文终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本论文的写作过程中，我的导师沈老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。在今后的工作中把严密谨慎的优良传统发扬光大。感谢各位老师的批评指导。

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附录：中英文文献翻译名称——在计算机建模和仿真方面的国际进步

会议远程PLC实验室的设计和实现

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