畢業設計基于PLC的供暖鍋爐多功能控制系統設計機械工程系學生姓名：學號：機械工程系機械設計制造及其自動化系部：機械設計制造及其自動化專業：指導教師：二〇一五年六月誠信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。本人簽名：年月日

基于PLC的供暖鍋爐多功能控制系統設計摘要:隨著自動化水平的不斷提高，供暖方式也在不斷向前發展。實現供暖鍋爐多種功能的自動化控制則顯得十分必要。本設計選用的控制器為S7-200PLC，編寫程序的軟件是STEP7-micro/win，通過PLC控制實現供暖鍋爐的水力、熱力平衡，使整個熱網安全、節能、高效、平穩運行。并設置了數據采集模塊，故障報警電路，手動和自動切換控制系統，實現了二次供水系統的自動控制等功能。本文首先介紹了供暖鍋爐的結構組成及工作原理，接著介紹所設計的供暖系統的軟件設計和硬件設計，及各部分需要完成的功能，然后講述如何編寫程序實現相應功能，并在PLC平臺上進行模擬實驗，進行仿真測試。通過設計由PLC控制的供暖鍋爐系統實現相應功能，對生活中居民區供暖系統有著實際的借鑒意義，因此對基于s7-200PLC的供暖鍋爐多功能控制系統的研究對日常生活有著重大意義。關鍵詞：PLC，供暖鍋爐，s7-200，控制系統 TheDesignofMulti-functionControlSystemOFHeatingBoilerBasedonPLCAbstract：Withtheenhancementoftheautomationlevel,heatingmethodsarealsoconstantlymovingforward.Therealizationoftheautomationcontrolofmulti-functionalheatingboilersisverynecessary.S7-200PLCcontrollerwasadoptedinthisdesign,andSTEP7-micro/winsoftwarewasusedtowriteprograms.ByPLCcontrol,thebalanceofwaterpowerandheatingpoweroftheheatingboilerwasrealized,whichenablesthewholeheatsupplynetworktobesafe,energy-saving,efficientandtooperatesmoothly.Dataacquisitionmodule,faultalarmingcircuitandmanualandautomaticswitchingcontrolsystemweresetuptoachievefunctionslikeautomaticcontrolofsecondarywatersupplysystem.Thestructureandworkingprincipleoftheheatingboilerwereintroduced,sowerethedesignofthesoftwareandhardwareoftheheatingsystemandthefunctionsofeachpart.ThenhowtowritetheprogramsforeachcorrespondingfunctionwaselaboratedandsimulationexperimentwasconductedonthePLCplatformforsimulationtest.ThereiscertainpracticalreferencesignificancefortheheatingsystemofresidentialareasbydesigningtheheatingboilersystemcontrolledbyPCLwhichrealizescorrespondingfunctions.Therefore,thestudyofmulti-functioncontrolsystemwhichisbasedons7-200PLCisofgreatsignificancefordailylife.Keywords:PLC,heatingboilers,S7-200,controlsystem目錄161581前言 前言1.1選題背景我們通常所說的供暖鍋爐是民用生活鍋爐的一種，科技發展，歲月變遷，我們的安全常識和意識也在不斷提高，常壓熱水鍋爐因其安全性較高，所以人們日常生活所用的基本是這一類鍋爐，蒸汽鍋爐已不斷被淘汰[1]。在規模不斷擴大的工業生產中，以及在人們需求不斷增加的日常生活中，鍋爐這一充當動力和熱源的必需品，也不斷適應環境和發展的需要，容量、參數指標及安全性相應提高。環境保護問題越來越重視受到我國的重視，提出了“節能減排”新政策?？删幊炭刂破魇窃诶^電器-接觸器的基礎上逐步發展起來的，其綜合了繼電器-接觸器控制、計算機技術、通信技術以及自動化技術等相關學科，在多種控制系統中都得到了廣泛應用。再此之后又引入了微處理器，進入了實用化發展階段。20世紀末，PLC更加適應于現代工業的需要。隨著科技飛速發展，PLC技術已融入人們日常生活的方方面面，具有的通信的能力，構成了可編程控制系統，人機界面也逐步完善。研究基于PLC的供暖鍋爐控制系統具有重要應用價值，特別是加入報警、數據采集等多種功能的集中供暖控制系統，將成為未來廣泛研究應用的領域。1.2研究的目的與意義隨著現代科技和工業的發展，社會資源不斷被消耗，不可再生資源不斷地減少，導致能源價格飛速上漲，成本不斷提高。在開采資源的同時，不可避免地破壞了原有的生態環境，帶來了大量的環境污染。因此，環保、節能減排等概念日益受到各國的高度重視。綠色、環保也成為當代社會發展的重要課題，引導著各個行業的發展方向。鍋爐市場生長的趨勢逐漸轉向熱效能高、環保、節能等特點[2]。鍋爐也向著更加環保更加安全性能更加優秀的方向發展，未來幾年，現有的傳統燃氣、燃油、燃煤、電、太陽能等鍋爐將被逐漸直至完全被更新取代，等次新型鍋爐的有害物質排放情況雖有所改善，但在一定的條件下，仍然會造成一些損害。雖然隨著科技發展，供暖鍋爐的功能在不斷強大與完善，但是性能安全節能方面仍不能滿足生產發展的需要。PLC以其強大的功能，可以實現復雜的邏輯控制，它與供暖鍋爐的結合，大大的提高了鍋爐的各項參數。研究基于PLC的供暖鍋爐的控制系統具有重要應用價值，特別是加入多種功能的智能控制系統，將成為未來廣泛研究深入的領域。1.3課題研究內容及其可行性1.3.1課題研究內容研究這個課題，目的是通過PLC可編程控制器與傳感器、變送器的結合應用來對供暖鍋爐進行控制，從而達到現實應用中的要求，在保證安全系數的前提下更加高效的供暖，滿足人們需求。通過研究這個課題，要加深對PLC和供暖鍋爐的理解，充分掌握以下內容。掌握S7-200系列PLC的結構原理，各部分的功能，以及各種編程語言，通過對《PLC可編程控制器》的復習，熟悉掌握S7-200PLC的梯形圖的編程方法。掌握供暖鍋爐的工作原理和組成，通過查閱資料，了解國內外供暖系統和控制的狀況，供暖鍋爐的發展前景。會硬件電路連接，會設計編寫程序，并將程序裝載入S7-200sim2.0仿真軟件上，程序運行，可以模擬供暖鍋爐控制系統運行情況，并檢查分析及相應的修改。掌握西門子S7-200系列編程軟件，熟悉STEP7-micro/win編程環境，了解各編程語言，并會用相應語言編寫程序實現供暖鍋爐的特定功能。在本設計的供暖鍋爐中，熱源燒制的的熱量，由送至各換熱站，然后各站把一次網的通過換熱器轉換，并將熱能傳遞給中的，再由二次網的水將熱能供給至熱用戶處[2]。同時，經冷卻后的回水會再次地返回到的之中。換熱站的能夠驅動中的。一次和二次網均設有傳感器，報警電路等。本課題主要要求根據供暖鍋爐的工作原理及控制特點，設計該類型供暖系統的PLC控制過程，包括鍋爐功能選擇，PLC的選型，PLC電路設計和程序設計。1.3.2課題可行性由于供暖鍋爐控制系統實現的功能不是很多，屬于小型系統，考慮選用s7-200系列的PLC完成相關功能。使用的控制元件有換熱器一側的，該閥門的主要作用是控制一次網供熱的流量，與此同時，也能夠控制的供熱量。在和兩側均安裝溫度傳感器和一個室外溫度傳感器，根據室外的溫度，來確定二次測供水的溫度值[3]。編程軟件選用西門子公司研發的STEP7-micro/win，它具有功能豐富的指令盒，并且支持程序運行監控功能，可以方便的完成程序的編寫，調試，下載，上傳等。因此，在以上基礎上，編程設計控制的供暖系統是可以完成供暖效果良好，水力熱力平衡條件的，此課題是可以完成的。整體的操作具有可行性。2供暖鍋爐概述2.1鍋爐簡介鍋爐是一種日常生活中常見的，它能夠將化學能、電能等其它形式的能量，轉換成熱水熱氣或者，經過傳輸設備進行輸出。它產生的這些能量，可以供人們日常生活所用，比如供暖供熱，也可以轉化成機械能，帶動設備運轉工作，也可以進一步轉化成電能。還有專門為人們生活提供熱水的叫做。用來產生蒸汽，通常被簡稱為鍋爐，這種鍋爐用途相當廣泛，可用于機器車輛、火力發電站、輪船和工礦企業等等。在現代社會，鍋爐給人們的生產生活帶來了巨大的便利，成為了一種不可或缺的設備。2.2供暖鍋爐結構我們日常生活中所用到的供暖鍋爐主要由、配電箱、電腦控制系統、加熱器、換熱器、循環水泵煙囪等組成。其供暖系統結構簡易圖如圖2.1所示。圖2.1供暖系統結構示意圖2.3供暖鍋爐種類及特點2.3.1供暖鍋爐種類供暖鍋爐的分類主要有：（1）按燃料進行分類：燃油取暖鍋爐、電熱取暖鍋爐、燃氣供暖鍋爐、燃煤供暖鍋爐等；（2）按介質不同進行分類：熱水鍋爐、熱風爐；（3）按結構不同進行分類：立式采暖鍋爐、臥式采暖鍋爐。2.3.2供暖鍋爐特點燃氣式供暖鍋爐采用電腦式采暖鍋爐控制器，它擁有的所有功能被存儲在一個小小的芯片上。鍋爐開機由一個按鍵進行控制，定時、定溫運行可實現全自動控制的功能，用戶可以自行設定啟、停爐的時間。一旦設置完成，我們就可以忙其他工作，而不需要再費時費力的看守[4]。燃油式燃燒系統所采用的燃燒器比較先進，其過程可實現全自動程序化控制，點火鼓風，油風量的比例調節等等均可做到自動化控制，節能環保，同時帶有的熄火保護裝置更加確保了燃燒的安全。燃煤式鍋爐通常是按照常壓進行設計的。煤從進入爐膛開始，直至燃燒完畢，通常要經過干燥、揮發形成焦炭、分著火燃燒、焦炭燃燒形成灰渣這幾個階段，大的通氣口設在爐膛頂端，運行過程處于無壓狀態，燃燒運行更加安全可靠。2.4供暖鍋爐工作原理供暖鍋爐控制系統屬于過程控制系統，它將出水壓力、回水壓力、爐膛負壓、出水溫度、回水溫度等參數作為控制的目標。水溫主要靠燃燒和來調節，壓力的大小由來調節。在本系統中應用的控制方式，為了提高供暖系統的質量和效率，節約能源，本次模擬供暖系統的主要創新部分在于沒有將實驗研究的主體放在加熱鍋爐控制進出料量的部分，而是以另一個供暖系統中非常重要的環節換熱環節為重點，系統考慮結合可編程邏輯控制器，壓力變送器，繼電器，循環水泵和溫度傳感器等硬件設備，實現供暖系統的自動控制。熱源產生的熱量，由送至各，各分站把一次網的通過換熱器轉換，傳遞給中的，再由的水將熱能輸送至熱用戶處[5]。冷卻后的回水再次返回到的中。的驅動二次網中的循環水流動。2.5供暖鍋爐功能實現為了保證有一個在處，我們用換熱器二次網循環水泵作為其控制設備，該水泵控制供水流速，使換熱器的二次網平穩運行。我們在每個換熱站還安裝了，系統所提供的預設定值是根據室外溫度和供熱站給定值計算得出的。為了提高供暖系統的質量和效率，節約能源，本次模擬供暖系統的主要創新部分在于沒有將實驗研究的主體放在加熱鍋爐控制進出料量的部分，而是以另一個供暖系統中非常重要的環節換熱環節為重點，系統考慮結合可編程邏輯控制器，壓力變送器，繼電器，循環水泵和溫度傳感器等硬件設備，實現供暖系統的自動控制。本設計使用西門子S7-200PLC可編程控制器作為供暖系統的核心，配合硬件與軟件實現供暖系統的以下功能：（1）保證鍋爐燃燒過程的經濟性，控制鼓風量和進料量。保證熱網水力、熱力平衡，使熱能分布均勻，保證供暖效果；（2）數據采集，利用控制器，采集各傳感器和變送器的數據，調節各控制閥門和水泵；（3）故障報警處理，系統出現故障時及時報警；（4）可進行手動和自動切換控制；（5）二次供水溫度自動控制。主要的實驗方法是在鍋爐和輸水管中安裝壓力變送器和溫度傳感器，通過傳感器和壓力變送器檢測爐內和水管中溫度及壓力并將該壓力和溫度反饋到PLC控制器，經A/D轉換后，所得數據與PLC內部設定數據進行比較，控制器處理數據并發送相應指令改變變頻器頻率來調節電機轉速從而控制鍋爐鼓風量、進料量、出水量和回水量，使系統的溫度和壓力穩定地保持在設定值附近。此外，系統初始化后可供選擇的有自動和手動控制兩種模式。系統運行過程中，若出現壓力或溫度超過系統給定上/下限的數值，則觸發報警電路坐故障報警處理。3供暖鍋爐控制系統設計3.1控制方案設計控制，即按（P）、積分（I）、微分（D）控制，是一種廣泛應用在控制系統中的控制規律[7]。理論的分析和實際的運行經驗都證明，這種應用在工業過程的控制中時，工作性能穩定，調節方便，價格低廉，能夠得到較為滿意的結果。每部分都有各自的功用。其中，比例項用于達到控制器設定值；積分項的作用是；則改善系統的。隨著技術不斷地增強，運行速度和質量也在不斷地提高；不但可以完成順序控制的功能，還可以完成復雜的閉環控制。如圖3.1是一種常見的閉環控制系統的構成。圖3.1閉環控制系統作為閉環控制的重要特征，人們引入了“誤差”的概念，它被定義為：在閉環控制系統中，利用給定的輸入與實際輸出，經過測量裝置轉換后的之間的作為控制量。它是控制理論中非常重要的一個概念，能通過對誤差的測量調節來實現對系統的控制。在實際閉環控制系統中，誤差是一個。因此，為了消除系統在穩態的輸出誤差，改善系統的動態響應性能，達到對系統進行更精確控制的目的，就有必要對誤差進行放大（比例調節P）、積分（積分調節I）和微分（微分調節D），這樣才能保證系統具有良好的動、，有效地中的執行機構。 在自動控制系統中，調節器是用來對進行、、微分等處理的一種常用，當調節器具有“放大”、“積分”、“微分”的功能時，即可以稱為調節器。在恒壓供水自動控制系統的產品開發和應用實踐中，系統的調節功能經常是采用控制器、軟件以及變頻器內置來實現的，三種方法各具有優缺點，本設計選用算法的實現方法。用對模擬量進行控制時，可以采用以下的幾種方法：（1）使用過程控制模塊這種模塊的是由生產廠家預先設計好并存放在模塊當中的。在使用的過程中，用戶不需要自行設計程序，而只是設置一些常用的參數。一塊模塊可以控制幾路甚至，因此在使用時非常的便捷。當然，這種模塊的價格相對較高，一般只在大型的控制系統中才會使用。（2）使用功能指令現在很多的都有供控制用的，如的指令。但是在實際的工作當中，它們事實上只是用于控制的子程序，與模擬量的輸入/輸出模塊一起使用，這樣就可以得到類似于過程控制模塊的效果。因此，價格相對便宜得多。（3）用自編的程序實現有的沒有過程和控制用的，有時雖然可以使用的，但又希望采用某種的控制算法。在這種情況下，就需要用戶自行編制的控制程序，實現特殊的要求。本供暖系統需要對循環水泵和補水泵等設備進行變頻改造，控制器采集壓力變送器返回的數據，通過改變循環熱水的流量，并通過改變變頻器的頻率改變補水泵轉速來調節系統的回水壓力，使水箱內的水位保持在一定的范圍之內。供暖系統通過室外的溫度傳感器，返回數值確定，通過改變變頻器頻率高低來改變溫控閥調節一次側的熱流量。同時還能夠根據各處溫度或壓力的異常做出及時的報警處理。根據實際情況，一般能夠選擇自動和手動兩種控制模式。供暖系統簡易框圖如圖3.2所示。3.2S7-200PLC在系統中的應用3.2.1PLC的產生與發展1960年隨著小型計算機的問世以及大型規模的開發生產，人們逐漸達成共識，圖3.2供暖系統簡易框圖傳統的繼電器控制接觸器勢必要由小型工業控制計算機來代替，這是一種不可阻擋的發展趨勢。但受限于當時的科學技術水平，小型工業控制計算機的輸入、輸出電路不通用，而且編程技術相對復雜，因此在當時并沒有得到推廣和應用。20世紀60年代后期美國汽車制造業的競爭力日益激烈。為了滿足生產工藝的需要，在1968年，通用汽車公司第一次公開招標，為減小當時系統耗電多，體積大的不足，對新一代控制系統提出了具體的要求：①基本的繼電器控制系統設計周期較短，更換方便，接線簡單且成本低廉；②計算機的功能和和繼電器的控制系統可通過某種方式結合在一起，并且要比計算機編程簡單易學，易于使用；③系統的通用性好。按照上述的要求，美國數字設備公司研制出世界上第一臺可編程邏輯控制器，實現了自動化生產控制的目的。在此之后，日本、德國等國家也相繼出臺政策，投入大量人力和資金，取得了一定的研究成果。雖然當時的產品有類似電腦設計的想法，但仍主要用于順序控制領域，屬于邏輯運算的范疇，因此它被稱為，即PC（Programmable邏輯控制器），后又為了區別改稱PLC。在20世紀70年代末，隨著微電子技術和計算機技術的日益發展，具有更高計算功能的可編程邏輯控制器也得到了快速發展，不僅硬盤被取代更換，邏輯編程取代布線邏輯，還具備了運算功能和數據傳輸的功能，真正成為了工業計算機控制設備。不僅如此，該邏輯控制器又兼具小型化或超小型化的特點，功能采用微電腦技術，具有超出原有順序控制和邏輯控制局限的工業控制能力，因此又叫，也稱為PC（Programmable控制器）。然而，由于PC機與PC（個人計算機）容易相互混淆，因此都習慣于縮寫成PLC。1969年美國的數字設備公司（DEC）成功研制出了，這是目前世界上比較公認的第一臺。在此之前，從用戶的角度，美國GM公司提出新一代的控制器應該具備十大特征，這十大特征分別是：（1）編程方便，可在現場修改程序；（2）維修方便，最好是插件式；（3）可靠性高于繼電器控制柜；（4）體積小于繼電器控制柜；（5）可將數據直接送入管理計算機；（6）在成本上可與繼電器控制競爭；（7）輸入可以是交流115V；（8）為了能夠直接驅動電磁閥工作，輸出交流至少115V/2A以上；（9）在擴展時，原有系統只有很小的變更；（10）系統要有至少能擴展到4K字節的用戶程序存儲容量。這10項指標沿用至今，代表了現代PLC的最基本的功能，其核心要求可歸納為以下四點：（1）計算機代替繼電器控制盤；（2）用程序代替硬接線；（3）輸入/輸出電平可與外部裝置直接相聯；（4）結構易于擴展。美國數字設備公司（DEC）研制出的世界上第一臺可編程序控制器被命名為PDP-14，在實驗室模擬仿真成功之后，又在GM公司的汽車自動裝配線上進行了首次試用，結果表明性能良好，極大地提高了工作效率。PDP-14具有新興計算機的可編程性、靈活性和通用性等優點，又保留了繼電器控制系統原有的外部特性，在當時引起了巨大的社會反響，開創了PLC的新紀元。可編程控制器從產生到現在，經歷了四次換代，總結如下表：受限于當時的以及相關元器件的生產能力，導致早期的主要還是由中小規模集成電路和分立元件所組成，僅僅能夠完成一些簡單的、計數等基本功能，發展仍處在起步階段。在20世紀70年代初期，的出現引起了人們的廣泛重視。將微處理器引入到可編程控制器中，在原有功能的基礎上，增加在運算、等功能，標志著具有真正計算機特征的工業控制裝置的誕生。此時的將梯形圖作為設備最主要的編程語言，并以繼電器命名參加處理運算的元器件，之所以這樣設計，是由于它與繼電器的電路圖十分地相似，這樣就使得原來熟悉繼電器工作的技術人員較快的適應新裝置，節省時間，提表3.1可編程控制器的發展代次代次器件功能第一代1位微處理器邏輯控制功能第二代8位微處理器產品系列化第三代高性能8位微處理器以及位片式微處理器處理速度高，向多功能以及聯網通信發展第四代16位、32位微處理器以及高性能位片式微處理器邏輯、運動、數據處理、聯網功能的名副其實的多功能高工作效率。此時的可以看作是繼電器和微機技術常規控制概念相結合的產物。20世紀70年代中末期，，計算機技術已全面引入到當中，使得功能更加豐富，得到了較快的飛躍。、、設計、PID功能、模擬量運算及極高的性價比等眾多優勢，奠定了在現代工業化生產中的地位。20世紀80年代初，在先進工業國家中，開始獲得較為廣泛的應用。這個時期內，它的發展的特點可以概括為、、大規模、。這個階段內的另一個特點，就是世界上生產的國家逐漸增多，產量逐漸上升。種種現象標志著可編程控制器已步入了成熟階段。20世紀末期至今，從發展的角度來看，逐漸適應現代工業的生產需要，符合科技的發展趨勢。從控制能力的角度來看，應用于不同場合的特殊功能單元被研制成功，并逐步應用到轉速、位移、壓力、溫度等復雜的場合當中；從控制規模的角度來看，大型機和超小型機相繼被推出，并朝著巨型化和微型化兩級發展；從產品的配套能力的角度來看，各種通信單元和人機界面單元的出現，使工業控制設備的配套變得比以前更加的容易。目前，在機械制造、冶金鋼鐵、石油化工、汽車、輕工業等行業中都起到了不可替代的作用，并且在今后的生產生活中，依然會發揮出積極的影響。3.2.2S7-200系列概述是西門子公司生產的S7系列中的重要產品之一，是西門子全集成自動化的核心組成部分。它以強大的運算處理能力、強大的控制能力、靈活的通信擴展能力、可靠的穩定性和低廉的價格迅速占領了應用市場[6]，具有極高的性價比。系列在相當多的領域，包括（DCS）中充分了發揮其強大的功能。除了五種不同CPU的全面基本功能之外，一系列可升級的專用的擴展模塊也由模塊化系統向用戶開放提供，對功能性的要求得到了極大的滿足。S7-200系列實物如圖3.3所示，常用的型號如圖3.4所示。圖3.3S7-200系列PLC根據系統的控制要求，需要實現數據采集、自動/手動切換和故障報警等各種功能。因此，考慮到將來發展的需要，有必要選擇I/O端子數多的PLC，最終選擇德國西門子公司生產的。該型號具有結構緊湊、指令豐富、擴展性良好、維護方便和價格低廉等優點，同時該PLC也可以滿足所控制系統對PLC對I/O點數的需求。3.2.2S7-200系列內部結構實際上是工業控制計算機的一種，常見的由中央處理單元（CPU）、等模塊組成。圖3.4S7-200的CPU類型（1）中央處理單元CPU的功能如同大腦一樣，首先檢查用戶編寫的程序是否正確，然后根據編寫好的程序接受外面的輸入信號，再經過內部的處理（主要包括數據的傳遞、程序中的各種運算、輸入輸出信號的轉換）之后，將系統所要輸出的信號顯示出來。同時，CPU還可以進行故障診斷。由于PLC使用的CPU不同，其處理數據的能力就會有強弱之分，運行速度也會有一定的差別。（2）存儲器存儲器類型主要分為三種：系統程序存儲器、工作數據存儲器和用戶程序存儲器。A.系統程序存儲器中儲存的是生產廠家已經編寫好的程序，用戶不能自行修改，它的作用主要有三個方面：一是控制的正常運行；二是將用戶編寫好的語言轉換為機器的語言，從而使用戶編寫的程序能夠正常地運行；三就是進行程序的調用、數據運算。其中，第三部分是最為重要的功能。B.工作數據存儲器就是存儲PLC運行時的工作信號，比如中間繼電器的使用情況、輸入輸出口的開關狀態等等。C.很明顯就是用來存放用戶自己編寫好的程序。（3）電源PLC的供電電源通常使用的是220V的交流電源。當然，也有DC24V進行供電的，比如DVP系列的PLC電源就可分為交流輸入與直流輸入兩種情況。電源適配器的使用，一方面可以為、CPU板以及擴展單元等部分提供，在另一方面，能夠為外部的輸入元件提供DC24V的直流電壓。（4）輸入輸出接口輸入輸出接口單元可用來連接PLC與工業現場。輸入單元可以接收到傳感器的模擬量信號和開關量，輸出單元能夠將CPU處理好的信號輸出到外接的設備，比如傳感器、變頻器、指示燈等等。該系列的內部結構框圖如圖3.5所示。輸入接輸入接口及模塊電源輸出接口及模塊CPUCPU系統程序存儲器用戶程序存儲器系統程序存儲器用戶程序存儲器外設外設I/O接口圖3.5PLC基本結構框圖3.2.3S7-200系列工作原理PLC控制系統的等效電路通?？煞譃槿齻€部分，即、內部[9]。輸入部分的功能就是采集輸入信號，輸出部分指的就是系統的執行部件。控制邏輯是由內部的控制電路通過編程的方法來實現，從而的功能由軟件編程來進行代替。分時操作的過程稱為CPU對程序的掃描。PLC執行程序通常可以分為三個階段，依次為輸入采樣的階段、的階段。執行用戶程序的具體過程如圖3.6所示。用戶輸出設備輸出端子輸出鎖存器元件映像寄存器輸入映像寄存器輸入電路輸入端子用戶輸入設備用戶輸出設備輸出端子輸出鎖存器元件映像寄存器輸入映像寄存器輸入電路輸入端子用戶輸入設備輸出電路 輸出電路寫寫 讀 讀寫 I/O刷新I/O刷新圖3.6執行用戶程序過程3.2.4S7-200系列的特點及功能是一種小型的可編程序控制器，近乎完美地滿足工業現場小規模的控制要求，已成全球占有率最高的PLC產品，系列具有極高的性價比。它結構緊湊，運算功能強大，具有診斷功能，人機界面完善，多種操作方式的選擇，模塊化的設計形式，安裝方便，很強的保密技術等優秀的技術特點。PLC的功能主要包括：1.控制功能（1）邏輯控制PLC軟件編程帶有邏輯運算功能，可以代替繼電器進行開關量的控制。（2）定時控制PLC里面包含了，使用者可以自行設定、關斷延時和等方式。（3）計數控制PLC中包含各種計數器，可以實現加減計數模式，也可以連接在碼盤上進行位置的檢測。2.數據處理功能（1）數學運算功能PLC可以實現加減乘除等基本運算，也可以實現三角函數、浮點運算，還可以實現大于、小于、等于的比較功能。（2）數據的處理數據的選擇、組織、規格化、移動，并采用先入先出的處理方式。（3）模擬數據處理對于模擬數據的處理包含有PID算法、濾波、積分等功能。3.輸入/輸出接口調理功能輸入輸出接口能夠接受多種形式的信號，滿足不同的應用環境，如可以接受和等等。4.通信、聯網功能因為PLC在工作中需要通過PC將程序載入到內存當中，并且在還會與變頻器、溫控器或者伺服驅動器等設備相連接，這時就需要RS-232和通訊，這樣就可以實現多臺PLC的連接。5.人機界面功能這個功能主要用于檢測工作現場的運行狀態，從而方便工作人員進行調試。最常見的就是西門子控制系統中的Wincc了。6.編程、調試為了適應不同場所、不同環境的應用需求，就需要對程序進行不斷的修改與編譯，適應更加復雜的環境，從而滿足使用者的不同需求，擴大應用范圍。3.2.5PLC與變頻器通訊PLC與變頻器的通訊，最需要注意的就是保持程序中的通訊協議與變頻器的參數設置保持一致性，變頻器參數的設置在前一節已經介紹過，這里介紹程序的設置：（1）MOVH86D1120設定通訊協議為9600,7,E,1；（2）RSTM1143通訊模式為MODBUSASCII；若是SETM1143通訊模式便是MODBUSRTU；當PLC通電啟動時，M1002給一個瞬間的ON脈沖，將系統初始化，同時將寄存器D2與D10的內容清零；數據傳送通過改變計數器C0的值來實現，初始時，C0的值是0，M0為ON，執行MODRD指令，讀取變頻器的主頻率以及輸出頻率，并將其存放于寄存器D1073~D1076中，并自動轉成16進制數值存于D1050、D1051中，數據接收完一次，CO加1，此時C0為1，M1為ON，變頻器讀取D10的數值，確定轉動方向，這次數據接受完之后，C0加1，此時C0等于2，M2為ON，變頻器讀取D2的數值，在本程序中表示變頻器的主頻率會隨著D2值的變化而變化，這次數據接受完之后，C0加1，C0等于3,這時RSTC0，C0的值被置為0，繼續下一次的數據接收。如此循環，變頻器就一直接收數據，保持頻率可以隨著程序的變化而變化。程序執行時，如果出現通訊逾時的情況，那么表示通訊逾時的中間繼電器M1129的狀態為ON，C0計數器的數值加1，然后將M1129復位；如果出現數據傳送錯誤的情況，那么表示數據錯誤的中間繼電器M1140的狀態為ON，然后將M1140復位；如果出現通訊地址發生錯誤的情況，那么表示該錯誤的中間繼電器M1141的狀態為ON，然后將M1141復位。如果在通信過程中沒有出現錯誤，那么M1129、M1140、M1141的狀態都不會為ON,程序正常運行，數據正常傳送。3.3供暖鍋爐硬件設計3.3.1電路連接如圖3.6所示，本設計采用西門子?？蛇B接7個擴展模塊，。集成24輸入/16輸出，共40個。26k。6個獨立的，2路獨立的，具有控制器。圖3.7PLC硬件電路連接如圖3.8所示，模塊有4路，2路。本設計選用的是DVP16ES2，PLC與PC之間通訊采用通訊，通過HL-340將USB數據轉換為串口數據，再通過232/485轉換器與PLC的COM3進行通訊，實驗中用的是交流輸入AC220V，電源應接L/N兩端，如果將AC220V直接接在+24V端或者輸入端，將會損壞PLC，接線如圖3.9所示。圖3.8EM235模塊連接示意圖圖3.9PLC的電源連接3.3.2傳感器的選擇工業用熱電阻兩大類。本設計選用溫度傳感器為WZPPT100型鉑熱電阻。PT100是一個鉑絲繞組,它主要用于記錄和檢測某地的溫度。其鉑絲阻值和溫度基本成線性關系，電氣性能很穩定。3.3.3變頻器的選擇本系統的變頻器VFD，選擇ABBACS510-01型號的變頻器。變頻器的主要作用，是把的交流電，從而滿足交流電動機變頻調速的需求[9]。與變頻器之間采用通訊，由于變頻器通訊接口是接口，所以連接線用一根網線代替，變頻器上自帶口的PIN3（GND）、PIN4(SG-)、PIN5(SG+)分別接COM2的GND、D-、D+,雖然網絡是可以使用兩條線連接，但其比較容易受到噪聲的干擾，所以將它的SG接地，有效提高噪聲抗性。上一段介紹的是與變頻器之間的通信電路，為了實現兩者的數據通信，需要在硬件和軟件兩方面都進行設置。軟件方面的設置在下一章會有所介紹，硬件方面就是在變頻器的設置界面中更改一些數值，如表3.2所示。交直交是將，然后再將，它的工作原理圖如圖3.10所示。表3.2變頻器參數設置編號初始值設置值意義02.0013變頻器第一頻率指令來源于通訊RS-48502.0113變頻器運轉指令來源于RS-485通訊界面09.001~2511指定其通訊地址，使計算機根據其個別的地址實施控制09.0101通訊傳送速度為9600位/秒09.0401通訊數據的格式為7，E，1forASCII圖3.10變頻器原理圖4供暖鍋爐的軟件設計4.1S7-200邏輯設計在程序的控制邏輯中，讀取和寫入數據。我們在時，的中央處理器（）會按照下列的順序執行程序：讀取輸入狀態；存儲在中的程序使用這些；當程序經過評估后，會將存儲在稱為進程映像輸出寄存器的輸出內存去中[14]；在程序結束時，會將數據從入至域輸出；重復任務循環。4.2供暖系統的軟件編程4.2.1編程語言簡介的合法編程語言很豐富，根據設計人員的習慣可以采用多種表達方式。在實際生產當中，使用最為廣泛的有順序功能圖、梯形圖、指令表、、結構文本等等。由于本次設計采用的編程語言是梯形圖，因此本章只介紹梯形圖的一些特點。是一種使用較早，應用廣泛的編程語言。梯形圖和繼電器控制系統的十分得相像，它的特點就是簡單直觀且易于理解，不是只有專業計算機編程人員才能夠編寫。梯形圖的開關量控制使用十分方便，深受電氣人員的喜歡。由于梯形圖和電路圖的相似程度較大，在很多時候也有人直接把它稱為電路（程序）。梯形圖的組成：觸點、線圈與方框（表示的功能塊）。觸點代表邏輯輸入，比如外設的開關或者按鈕之類輸入；線圈代表邏輯輸出，其結果能夠控制外部設備例如交流接觸器、指示燈或者內部的輸出；帶功能塊的方框則具備定時器（計數器）或各種數學運算等附加的功能。梯形圖與電氣原理圖相似，與原有的基本一致，這就使得工作人員在讀圖的過程中有較少的障礙，便于電氣工作人員互相學習、交流和掌握。當然，中由左向右的能流不是實際意義上的，其內部的也不是真正意義存在的。在應用的過程中需要嚴格區分梯形圖與原有邏輯控制器。梯形圖與布爾助記符編程語言的，非常方便兩種語言的相互轉換和。首先的左右兩邊的公共的垂直線叫做起始母線（左母線）和終止母線（右母線）。在開始設計梯形圖時，只能從起始母線開始畫起，但是在終止的時候可以不畫出右母線。其次梯形圖的在編寫的過程中要謹遵由上到下，由左到右的順序。也就是說，程序中所有的開關鍵、功能模塊等都需要從左母線開始，到右母線（可省略）結束。每一行中的開始是該程序開始運行的條件（即開始工作的條件），而在每一行結束的地方的線圈表示程序運行的“結果”，一行寫完了后，再接下來寫下一行。 多個梯級組成一段，而一個梯級是由每個輸出元素構成的。在設計時，每個梯級必須要有一個輸出元件，每個梯級可由多個支路組成。 梯形圖中的觸點有兩種：動合觸點和動斷觸點。觸點所畫的位置在水平面上，垂直線上不可以畫觸點。4.2.2STEP7-micro/win在系統中的應用是西門子公司專門為S7-200系列可編程序控制器研制開發的基于平臺的應用型軟件。該軟件可用于可用于實時監控用戶程序的執行狀態，也開發用戶程序。在系統設計中的應用，主要有三個方面的作用：程序編寫，狀態監控，程序查錯。系列與window互相兼容，支持程序的編寫。在本設計當中，控制系統采用的是梯形圖語言。不僅如此，它還具有程序監控功能，就是在運行過程中提供各輸入輸出點的狀態情況，編譯程序可以檢查出程序中的錯誤。編輯界面如圖4.1所示：4.2.3各模塊程序流程圖根據任務要求，進行各模塊的單獨設計。其中，A/D轉換流程圖如圖4.2所示，圖4.1STEP7-Micro/win編輯界面D/A轉換程序流程圖如圖4.3所示，正常啟泵與故障換泵流程圖如圖4.4所示，程序總流程圖如圖4.5所示。圖4.2A/D轉換程序流程圖圖4.3D/A轉換程序流程圖圖4.4正常啟泵與故障換泵流程圖圖4.5程序總流程圖5供暖鍋爐系統程序及仿真5.1供暖鍋爐系統各模塊程序5.1.1供暖鍋爐換熱系統主程序供暖鍋爐的換熱系統主程序如圖5.1所示。圖5.1主程序5.1.2初始化程序初始化程序如圖5.2所示。圖5.2初始化程序5.1.3模擬量處理部分程序模擬量處理程序如圖5.3所示。5.3模擬量處理程序5.1.4手動控制部分程序手動程序如圖5.4所示。5.4手動控制程序5.1.5自動控制部分程序自動控制程序如圖5.5所示。5.5自動控制程序5.2S7-200SIM2.0軟件仿真在進行仿真之前，我們首先要把Step7Micro/Win中自己的工程項目進行正確的編譯，并將所設計的梯形圖轉換成STL編程語言界面，然后在進行下一步的配置和仿真。由于該軟件沒有其他的外圍設備，只能對相應的CPU進行仿真，所以具有一定的局限性，仿真效果一般。既然沒有這些外部硬件，那我們就把報警電路這部分程序單獨地拿出來，并將模擬量采集的部分去掉，做一個手動的開關（此開關的開閉標示壓力或是外部溫度已經達到給定的上限值或者下限值），以此來觸發故障報警電路。以仿真軟件S7-200sim2.0中CPU的LED燈亮滅為標志。圖5.6中的開關依次表示：I0.0~I0.7，I1.0~I1.4圖5.6仿真軟件的模擬開關圖5.7的指示燈分別為Q0.0~Q0.7，Q1.0~Q1.7。圖5.7仿真軟件的指示燈故障一用輸入信號I0.0表示；故障二用I0.1表示；I1.0為消除蜂鳴器按鈕；I1.1為試燈、試蜂鳴器按鈕。故障一指示燈用信號Q0.0輸出；故障二指示燈用Q0.1輸出；Q0.3報警蜂鳴器輸出信號。故障一：I0.0標示溫度過高（此處只做溫度過高和壓力過大的故障演示）即按下開關鍵I0.0，此時報警指示燈Q0.0不斷閃爍，Q0.3點亮表示蜂鳴器不斷鳴響，如圖5.8所示。圖5.8報警電路故障一仿真界面圖同理，故障二I0.1按下，故障二指示燈Q0.1不斷閃爍，Q0.3常亮表示蜂鳴器不斷鳴響，如圖5.9所示。圖5.9報警電路故障二仿真界面圖本系統的主要實驗方法是在鍋爐和輸水管中安裝壓力變送器和溫度傳感器，通過傳感器和壓力變送器檢測爐內和水管中溫度及壓力并將該壓力和溫度反饋到PLC控制器，經A/D轉換后，所得數據與PLC內部設定數據進行比較，控制器處理數據并發送相應指令改變變頻器頻率來調節電機轉速從而控制鍋爐鼓風量、進料量、出水量和回水量，使系統的溫度和壓力穩定地保持在設定值附近。此外，系統初始化后可供選擇的有自動和手動控制兩種模式。系統運行過程中，若出現壓力或溫度超過系統給定上/下限的數值，則觸發報警電路坐故障報警處理。整體仿真圖如圖5.10所示。圖5.10仿真界面圖如圖5.11所示，0號和3號燈亮，就代表著控制器在控制一次網和二次網的供水閥門進行補水操作。如圖5.12所示，代表著系統已經切換到自動控制模式，此模式下系統自動采集各傳感器及變送器數據，調節閥門大小和水箱內液位。圖5.11控制閥門仿真圖圖5.12自動控制仿真6結論在做畢設的幾個月里，從開始的一片茫然逐漸摸索到后來的略知一二，學會了不少。從最開始的搜集資料、查閱文獻、寫開題報告，到后來的提交中期報告、去實驗室動手寫程序、撰寫論文，這過程雖然有不少挑戰，但也收獲許多，每解決一個問題，就有一點成就感，最后回想起來感覺特別充實。在這個過程中，我遇到了不少問題，比如資料中比較高深、晦澀難懂的東西很難理解，對PLC編程軟件不熟悉，對設計的系統的原理了解不夠透，因為自己安排的時間不是很合理，仿真調試中也很費腦等。但是，在這段時間里，從著手找資料，與同學討論設計方案，到后來的編程并實踐仿真的過程，我也學會了不少知識。正是畢業設計，讓我將專業所學的知識并應用到實際中，并且在鞏固復習之前所學的知識的過程中，對原本所學的東西理解更深，本來不是很懂的現在也一目了然。在此次設計中，我通過獨立思考，閱讀文獻和搜尋資料，并且動手實驗，完成了以下的一些任務：（1）對S7-200系列進行重新了解和掌握；（2）對供暖鍋爐的構造，種類，各類特點進行了解與掌握；（3）設計了基于S7-200的供暖鍋爐的多功能控制系統；（4）完成了供暖控制系統的軟件設計；（5）完成了供暖鍋爐控制系統的仿真；（6）學會了控制系統的設計方法。設計過程中也暴露出平時學習的不足，包括專業可基礎知識掌握不牢，專業知識的綜合運用能力不足等，這些將是我未來需要改正的地方。另外，學無止境，對課題的進一步研究是我下一步要做的。隨著科技的進步，供暖系統發展迅猛，應用非常普遍，尤其集中供熱系統的出現，其控制系統經過幾十年的發展，現在已經趨于成熟和完善。未來供暖系統還有需要改進和完善的地方，努力提高安全系數，不斷服務于人類的生產