基于FB41PID与FB43PWM的锅炉水温控制系统硬件设计水.docx
《基于FB41PID与FB43PWM的锅炉水温控制系统硬件设计水.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于FB41PID与FB43PWM的锅炉水温控制系统硬件设计水.docx(131页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、基于FB41 PID+FB43 PWM的锅炉水温控制系统硬件设计Hardware Design of Water Temperature Control System for Boiler Based on FB41 PID and FB43 PWM基于FB41 PID+FB43 PWM的锅炉水温控制系统硬件设计 摘要在西门子S7-300可编程控制器的平台下,设计了电加热锅炉的温度控制硬件系统,接着对系统的硬件设计从选型开始进行分析,并阐述了每个元件的特性、适用范围和承载负荷,最终设计了控制回路图、电气原理图、电气接线图等一系列图纸,并根据图纸搭建硬件系统,最后通过不同的程序对硬件系统进行了验
2、证,结果表明:硬件系统的输入输出量能快速准确地通过上位机进行监控,达到了良好的控制效果。关键词电加热锅炉;硬件设计;可编程控制器;温度控制Hardware Design of Water Temperature Control System for Boiler Based on FB41 PID and FB43 PWMElectrical Engineering and Automation Specially SHUI Xin-xinAbstract: Temperature control hardware system for electric heating boiler has
3、been designed based on the platform of Siemens S7-300PLC,then analysis the hardware design for the system such as selection , characteristics of each component, range of application , bearing loads and so on, design the diagram of control, the diagram of principle, the diagram of connection and a se
4、ries of drawings, according to the drawings to set up the hardware system, use of the different programs inspection of the hardware system, the results show that,the input and the output can be transmitted quickly and accurately by the computer of the hardware system, achieve a good effect of contro
5、l.Keywords: Electric heating boiler; hardware design; programmable logic controller; temperature control 目 录1 引言12 系统组成12.1 控制系统方案12.2 控制回路22.3 电气原理图33 硬件选型设计43.1 S7-300PLC的硬件组成43.1.1 中央处理单元(CPU)43.1.2 负载电源模块(PS)53.1.3 信号模块(SM)53.1.4 功能模块(FM)73.1.5 通信处理器(CP)73.1.6 接口模块(IM)73.1.7 扩展机架73.2 锅炉73.3 传感器8
6、3.4 人工智能仪表AI818103.5 继电器123.6 接触器123.7 漏电断路器133.8 开关电源143.9 导线144 系统电气方案设计154.1 系统电气接线图154.2 PLC电气接线图165 硬件系统测试165.1 通讯方案166 控制结果18结束语19参考文献20致谢211 引言在工业过程控制领域,特别是在微电子技术和计算机技术领域以及自动控制方面,都需要我们有先进的温度控制器做后盾,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年代中后期水平,成熟产品主要以“点位”控制及常
7、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。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。参数大多靠人工经验及现场调试来确定。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必然的发展趋势。当前用于工业控制的计算机可分为:可编程控制器(PLC)、基与PC总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置等。可编程控制器是应用广泛、功能强大、使用方便的通用工业控制装置,已成为现代工业自动化的重要支柱。本题目设计了基于PLC的温度控制系统。在工业自动化领域内,PLC(可编程控制器)以其可靠性
8、高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。目前的工业控制中,常常选用PLC作为现场的控制设备,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制;而上位机则是利用HMI/ SCADA软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示,实现监控、管理、分析和存储等功能。这种监控系统充分利用了PLC和计算机各自的特点,得到了广泛的应用。本题目就是在这种方式的基础上设计了一套温度控制硬件系统。以基于PLC的下位机和完成HMI/ SCADA功能的上位机相结合,构建成温度控制系统,实现了温度自动控制1。PID过程控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法,对大部分
9、控制对象都有良好的控制效果。组态软件力控因其简单易用的特点,在HMI设计中深受用户的喜欢而得到广泛的使用。2 系统组成2.1 控制系统方案系统选用西门子S7-300PLC作为控制器,控制对象为自制的小型不锈钢模拟锅炉。上位机一台,通过MPI通讯与PLC相连,实现对系统的操作与监控。温度传感器采用最常用的热电偶测量温度,温度信号经热电偶变成热电势信号再经过变送仪表输出标准信号接入PLC模拟量输入模块,在经FB41 PID与FB43 PWM对信号运算处理后输出脉冲信号控制接触器的通断,从而控制加热丝的通电占空比,以此来控制锅炉温度。正在工作的硬件系统完整展示图,如图1所示。图1 硬件系统完整展示图
10、2.2 控制回路根据构思出的控制原理,结合实际条件以及常用的控制方法,设计出温度控制原理图,如图2所示。温度传感器采用热电偶,信号经变送仪表输出标准信号接入PLC模拟量输入模块,在经FB41与FB43对信号运算处理后输出脉冲信号控制继电器的通断,进一步控制接触器,从而控制加热丝的通电占空比以此来控制锅炉温度。图2 控制回路图2.3 电气原理图依据锅炉温度控制回路,先构思出电气控制的原理图,来自电源的220V电压首先要经过漏电断路器,漏电断路器在过电流或者过负荷时会自动跳闸,以防发生短路或者过载,损坏元件。从漏电断路器正端引出,一路送到PLC,另一路送到电源指示灯,指示灯要与相关控制的继电器常开
11、触点串联,再送回到断路器负端,形成回路。PLC的L+端和输入端口接到相应的按钮两端,形成一个输入回路,PLC的M端和输出端口接到相应的继电器常闭触点两端,形成一个输出回路。接触器的通断由中间继电器3的接通与否进行控制,接触器得电时锅炉的加热丝开始工作,锅炉具体的工作效率与接触器的得电时间成正比,这需要程序进行控制。电气原理图设计中,用到了三个指示灯、三个继电器、一个接触器、三个按钮、一台AI818仪表、一个J型热电偶、一台自制小型锅炉、一个电源模块、一个漏电断路器、一套S7-300 硬件系统(包含一台电源模块、一台CPU、一台SM321模块、一台SM322模块、一台SM334模块)、导线若干、
12、20点的端子排两个。电气原理图,如图3所示。图3 电气原理图3 硬件选型设计3.1 S7-300PLC的硬件组成S7-300是模块化PLC系统,能满足中等性能控制系统的要求2。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同的系统。S7-300具有强大的通信功能,通过STEP-7编程软件的用户界面提供通信硬件组态功能,这使得组态非常容易、简单。此外,S7-300 PLC还具有多种不同的通信接口,通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统。3.1.1 中央处理单元(CPU)各种CPU有不同的性能,例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点,有的CPU模块有一个MPI和一个PROFI
13、BUS-DP接口,有的CPU模块有一个MPI/DP接口和一个DP接口3。CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒(有的CPU没有)。CPU内的元件封存在一个牢固而紧凑的塑料机壳内,旧式的CPU还有后备电池盒,存储器插槽可以插入Flash EPROM微存储卡,简称MMC,用于掉电后程序和数据的保存,用来扩展CPU的存储器容量。可使用模式选择开关设置当前的CPU运行模式。开关有4个位置,其含义如表1所示。 表1 CPU的四种运行模式位置含义说明RUN-P运行编程模式CPU不仅执行用户程序,在运行时还可以通过编程软件读出和修改用户程序,以及改变运行方式RUN运行
14、模式CPU执行用户程序,可以通过编程软件读出用户程序,但是不能修改用户程序STOP停止模式CPU不执行用户程序,通过编程软件可以读出和修改用户程序MRES存储器复位模式MRES位置不能保持,在这个位置松手时开关将自动返回STOP位置。将模式选择开关从STOP状态扳到MRES位置,可以复位存储器,使CPU回到初始状态。工作存储器、装载存储器中的用户程序和地址区被清除,全部存储器位、定时器、计数器和数据块均被删除,即复位为零,包括有保持功能的数据。系统参数、CPU和模块的参数被恢复为默认设置,MPI的参数被保留。如果有存储器卡,CPU在复位后将它里面的用户程序和系统参数复制到工作存储器区3.1.2
15、 负载电源模块(PS)负载电源模块用于将AC220V电源转换为DC24V电源,供CPU和I/0模块使用。额定输出电流有2A、5A和l0A三种,输出电压时隔离的,且具有短路保护,电源模块上有一个LED指示灯来指示电源是否正常工作,当输出电压过载时,模块上的LED指示灯闪烁4。PS307电源模块(5A)具有以下显著特性:(1)输出电流5A。(2)输出电压24VDC,防短路和开路保护。(3)连接单相交流系统 (输入电压120/230V AC,50/60Hz)。(4)可靠的隔离特性,符合EN 60950标准。(5)可用作负载电源。3.1.3 信号模块(SM)信号模块是数字量输入/输出模块和模拟量输入输
16、出/输出模块的总称,它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配。信号模块主要有数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322,模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。模拟量输入模块可以输入热电阻、热电偶、DC 420mA和DC 010V等多种不同类型和不同量程的模拟信号。每个模块上有一个背板总线连接器,现场的过程信号连接到前连接器的端子上5。 S7-300有多种数字量输入/输出模块,其输入/输出电缆最大长度为1000m(屏蔽电缆)或600m(非屏蔽电缆),本次设计选用的有以下三种:(1)数字量输入模块SM321 数字量输入模块将来自现场的数字信号电平转换成PLC内
17、部信号电平,经过光电隔离和滤波后,送到输出缓冲区等待CPU采样,采样后的信号状态经过背板总线进入输入映像区。根据输入信号的极性和输入点数,SM321共有14种数字量输入模块。这次设计选用的是订货号为:6ES7 321-1BL00-0AA0这种,32点输入。(2)数字量输出模块SM322 数字量输出模块将S7-300内部信号电平转换成现场所需要的外部信号电平,可直接驱动电磁阀线圈、接触器线圈、微型电动机、指示灯等负载。根据负载回路使用电源的要求,数字量输出模块有:直流输出模块(晶体管输出方式);交流输出模块(晶闸管输出方式);交直流输出模块(继电器输出方式);设计选用的是继电器输出方式的,订货号
18、:6ES7 322-1BH01-0AA0。(3)模拟量I/O模块SM334 模拟量I/O模块SM334有两种规格,一种是有4模入/2模出的模拟量模块,其输入、输出精度为8位,另一种也是有4模入/2模出的模拟量模块,其输入、输出精度为12位。这次选用的是8位的模块,订货号:6ES7 334-0CE01-0AA0,SM334模块输入测量范围为010V或020mA,输出范围为010V或020mA。它的I/O测量范围的选择是通过恰当的接线而不是通过组态软件编程设定的。与其它模拟量模块不同,SM334没有负的测量范围,且精度比较低。SM334的通道地址如表2所示6。表2 SM334的通道地址通 道地 址
19、输入通道0模块的起始输入通道1模块的起始2 B的地址偏移量输入通道2模块的起始4 B的地址偏移量输入通道3模块的起始6 B的地址偏移量输出通道0模块的起始输出通道1模块的起始2 B的地址偏移量3.1.4 功能模块(FM)功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务,例如计数器模块、快速/慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、定位和连续路径控制模块、闭环控制模块、工业标识系统的接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置解码器等,这次设计只用到了简单的数字量输入输出模块和模拟量输入模块,没有用到功能模块7。3.1.5 通信处理器(CP)通信处
20、理器用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信,可以将PLC接入PROFlBUS-DP、AS-I和工业以太网,或用于实现点对点通信等8。通信处理器可以减轻CPU处理通信的负担,并减少用户对通信的编程工作,本次设计中只有一个控制对象,只用了一台PLC,然后用力控组态对锅炉温度进行监控,继而控制继电器的脉冲输出,没有用到CP模块。3.1.6 接口模块(IM)接口模块IM用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。常用的有IM360、IM361、IM365三种,IM365用于一个中央机架和一个扩展机架的配置中,S7-300通过分布式的主机架和3个扩展机架,最多可以配置32个信号
21、模块、功能模块和通信处理器。由于控制对象简单,设计中没有用IM模块9。3.1.7 扩展机架除了带CPU的中央机架(CR),S7-300PLC最多可以增加3个扩展机架(ER),每个机架可以插8个模块(不包括电源模块、CPU模块和接口模块IM),4个机架最多可以安装32个模块。机架的最左边是1号槽,最右边是11号槽,电源模块总是在I号槽的位置。中央机架(0号机架)的2号槽上是CPU模块,3号槽是接口模块。这3个槽号被固定占用,信号模块、功能模块和通信处理器使用411号槽。本设计只有一个中央机架,没有扩展机架10。常用铝质导轨用来固定和安装S7-300上述的各种模块。DIN导轨是S7-300可编程序
22、控制器的机械安装机架。该导轨用螺丝紧固安装固定物,S7-300的所有模块均直接用螺丝紧固在导轨上。导轨采用铝金属制作,为了防止表面铝被氧化影响接地性能,表面特别电镀上金属层,另设接地螺丝,保证装上模块的整个系统有效的接地11。3.2 锅炉锅炉采用的是自制的小型不锈钢模拟锅炉,底部有一根加热丝,加热丝功率为1500W,额定容量为12L,包装尺寸:340*340*520mm,额定电压为220V,额定频率为50Hz,通过接触器控制通电与否。当工作电压为U=220V,工作电流I=6.8A,加热对象选择用水,自制锅炉外观,如图4所示。图4 自制锅炉3.3 传感器传感器种类繁多,本次设计只涉及到温度量,所
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 FB41PID FB43PWM 锅炉 水温 控制系统 硬件 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【胜****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【胜****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。