毕业论文（设计）基于plc 的供暖锅炉多功能控制系统设计

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1、诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日基于PLC 的供暖锅炉多功能控制系统设计摘 要:随着自动化水平的不断提高，供暖方式也在不断向前发展。实现供暖锅炉多种功能的自动化控制则显得十分必要。本设计选用的控制器为S7-200PLC，编写程序的软件是STEP7-micro/win，通过PLC控制实现供暖锅炉的水力、热力平衡，使整个热网安全、节能、高效、平稳运行。并设置了数据采集模块，故障报警电路，手动和自动切换控制系统，实现了二次供水系统的自动控制等功能。本文首先介绍了供暖锅炉的结构组成及工作

2、原理，接着介绍所设计的供暖系统的软件设计和硬件设计，及各部分需要完成的功能，然后讲述如何编写程序实现相应功能，并在PLC平台上进行模拟实验，进行仿真测试。通过设计由PLC控制的供暖锅炉系统实现相应功能，对生活中居民区供暖系统有着实际的借鉴意义，因此对基于s7-200PLC的供暖锅炉多功能控制系统的研究对日常生活有着重大意义。关键词：PLC，供暖锅炉， s7-200， 控制系统The Design of Multi-function Control System OF Heating Boiler Based on PLCAbstract：With the enhancement of the

3、automation level, heating methods are also constantly moving forward. The realization of the automation control of multi-functional heating boilers is very necessary. S7-200PLC controller was adopted in this design, and STEP7-micro / win software was used to write programs. By PLC control, the balan

4、ce of waterpower and heating power of the heating boiler was realized, which enables the whole heat supply network to be safe, energy-saving, efficient and to operate smoothly. Data acquisition module, fault alarming circuit and manual and automatic switching control system were set up to achieve fu

5、nctions like automatic control of secondary water supply system. The structure and working principle of the heating boiler were introduced, so were the design of the software and hardware of the heating system and the functions of each part. Then how to write the programs for each corresponding func

6、tion was elaborated and simulation experiment was conducted on the PLC platform for simulation test. There is certain practical reference significance for the heating system of residential areas by designing the heating boiler system controlled by PCL which realizes corresponding functions. Therefor

7、e, the study of multi-function control system which is based on s7-200PLC is of great significance for daily life.Keywords: PLC, heating boilers, S7-200, control system 目录1 前言11.1 选题背景11.2 研究的目的与意义11.3 课题研究内容及其可行性21.3.1 课题研究内容21.3.2 课题可行性22 供暖锅炉概述42.1 锅炉简介42.2 供暖锅炉结构442.3.1 供暖锅炉种类42.3.2 供暖锅炉特点52.4 供

8、暖锅炉工作原理52.5 供暖锅炉功能实现63 供暖锅炉控制系统设计73.1 控制方案设计73.2 S7-200PLC在系统中的应用83.2.1 PLC的产生与发展83.2.2 S7-200系列概述123.2.2 S7-200系列内部结构123.2.3 S7-200系列工作原理153.2.4 S7-200系列的特点及功能153.2.5 PLC与变频器通讯163.3 供暖锅炉硬件设计173.3.1 电路连接173.3.2 传感器的选择193.3.3 变频器的选择194 供暖锅炉的软件设计214.1 S7-200逻辑设计214.2 供暖系统的软件编程214.2.1 编程语言简介214.2.2 STE

9、P7-micro/win在系统中的应用224.2.3 各模块程序流程图225 供暖锅炉系统程序及仿真25255.1.1 供暖锅炉换热系统主程序255.1.2 初始化程序265.1.3 模拟量处理部分程序282930306 结论35参考文献36致 谢381 前言1.1 选题背景我们通常所说的供暖锅炉是民用生活锅炉的一种，科技发展，岁月变迁，我们的安全常识和意识也在不断提高，常压热水锅炉因其安全性较高，所以人们日常生活所用的基本是这一类锅炉，蒸汽锅炉已不断被淘汰1。在规模不断扩大的工业生产中，以及在人们需求不断增加的日常生活中，锅炉这一充当动力和热源的必需品，也不断适应环境和发展的需要，容量、参数

10、指标及安全性相应提高。环境保护问题越来越重视受到我国的重视，提出了“节能减排”新政策。可编程控制器是在继电器-接触器的基础上逐步发展起来的，其综合了继电器-接触器控制、计算机技术、通信技术以及自动化技术等相关学科，在多种控制系统中都得到了广泛应用。再此之后又引入了微处理器，进入了实用化发展阶段。20世纪末，PLC更加适应于现代工业的需要。随着科技飞速发展，PLC技术已融入人们日常生活的方方面面，具有的通信的能力，构成了可编程控制系统，人机界面也逐步完善。研究基于PLC的供暖锅炉控制系统具有重要应用价值，特别是加入报警、数据采集等多种功能的集中供暖控制系统，将成为未来广泛研究应用的领域。1.2

11、研究的目的与意义随着现代科技和工业的发展，社会资源不断被消耗，不可再生资源不断地减少，导致能源价格飞速上涨，成本不断提高。在开采资源的同时，不可避免地破坏了原有的生态环境，带来了大量的环境污染。因此，环保、节能减排等概念日益受到各国的高度重视。绿色、环保也成为当代社会发展的重要课题，引导着各个行业的发展方向。锅炉市场生长的趋势逐渐转向热效能高、环保、节能等特点2。锅炉也向着更加环保更加安全性能更加优秀的方向发展，未来几年，现有的传统燃气、燃油、燃煤、电、太阳能等锅炉将被逐渐直至完全被更新取代，等次新型锅炉的有害物质排放情况虽有所改善，但在一定的条件下，仍然会造成一些损害。虽然随着科技发展，供暖

12、锅炉的功能在不断强大与完善，但是性能安全节能方面仍不能满足生产发展的需要。PLC以其强大的功能，可以实现复杂的逻辑控制，它与供暖锅炉的结合，大大的提高了锅炉的各项参数。研究基于PLC的供暖锅炉的控制系统具有重要应用价值，特别是加入多种功能的智能控制系统，将成为未来广泛研究深入的领域。1.3 课题研究内容及其可行性1.3.1 课题研究内容研究这个课题，目的是通过PLC可编程控制器与传感器、变送器的结合应用来对供暖锅炉进行控制，从而达到现实应用中的要求，在保证安全系数的前提下更加高效的供暖，满足人们需求。通过研究这个课题，要加深对PLC和供暖锅炉的理解，充分掌握以下内容。掌握S7-200系列PLC

13、的结构原理，各部分的功能，以及各种编程语言，通过对PLC可编程控制器的复习，熟悉掌握S7-200PLC的梯形图的编程方法。掌握供暖锅炉的工作原理和组成，通过查阅资料，了解国内外供暖系统和控制的状况，供暖锅炉的发展前景。会硬件电路连接，会设计编写程序，并将程序装载入S7-200 sim2.0仿真软件上，程序运行，可以模拟供暖锅炉控制系统运行情况，并检查分析及相应的修改。掌握西门子S7-200系列编程软件，熟悉STEP7-micro/win编程环境，了解各编程语言，并会用相应语言编写程序实现供暖锅炉的特定功能。在本设计的供暖锅炉中，热源烧制的的热量，由送至各换热站，然后各站把一次网的通过换热器转换

14、，并将热能传递给中的，再由二次网的水将热能供给至热用户处2。同时，经冷却后的回水会再次地返回到的之中。换热站的能够驱动中的。一次和二次网均设有传感器，报警电路等。本课题主要要求根据供暖锅炉的工作原理及控制特点，设计该类型供暖系统的PLC控制过程，包括锅炉功能选择，PLC的选型，PLC电路设计和程序设计。1.3.2 课题可行性由于供暖锅炉控制系统实现的功能不是很多，属于小型系统，考虑选用s7-200系列的PLC完成相关功能。使用的控制元件有换热器一侧的，该阀门的主要作用是控制一次网供热的流量，与此同时，也能够控制的供热量。在和两侧均安装温度传感器和一个室外温度传感器，根据室外的温度，来确定二次测

15、供水的温度值3。编程软件选用西门子公司研发的STEP7-micro/win，它具有功能丰富的指令盒，并且支持程序运行监控功能，可以方便的完成程序的编写，调试，下载，上传等。因此，在以上基础上，编程设计控制的供暖系统是可以完成供暖效果良好，水力热力平衡条件的，此课题是可以完成的。整体的操作具有可行性。2 供暖锅炉概述2.1 锅炉简介锅炉是一种日常生活中常见的，它能够将化学能、电能等其它形式的能量，转换成热水热气或者，经过传输设备进行输出。它产生的这些能量，可以供人们日常生活所用，比如供暖供热，也可以转化成机械能，带动设备运转工作，也可以进一步转化成电能。还有专门为人们生活提供热水的叫做。用来产生

16、蒸汽，通常被简称为锅炉，这种锅炉用途相当广泛，可用于机器车辆、火力发电站、轮船和工矿企业等等。在现代社会，锅炉给人们的生产生活带来了巨大的便利，成为了一种不可或缺的设备。2.2 供暖锅炉结构我们日常生活中所用到的供暖锅炉主要由、配电箱、电脑控制系统、加热器、换热器、循环水泵烟囱等组成。其供暖系统结构简易图如图2.1所示。图2.1 供暖系统结构示意图2.3.1 供暖锅炉种类 供暖锅炉的分类主要有： （1）按燃料进行分类：燃油取暖锅炉、电热取暖锅炉、燃气供暖锅炉、燃煤供暖锅炉等； （2）按介质不同进行分类：热水锅炉、热风炉； （3）按结构不同进行分类：立式采暖锅炉、卧式采暖锅炉。2.3.2 供暖锅

17、炉特点燃气式供暖锅炉采用电脑式采暖锅炉控制器，它拥有的所有功能被存储在一个小小的芯片上。锅炉开机由一个按键进行控制，定时、定温运行可实现全自动控制的功能，用户可以自行设定启、停炉的时间。一旦设置完成，我们就可以忙其他工作，而不需要再费时费力的看守4。燃油式燃烧系统所采用的燃烧器比较先进，其过程可实现全自动程序化控制，点火鼓风，油风量的比例调节等等均可做到自动化控制，节能环保，同时带有的熄火保护装置更加确保了燃烧的安全。燃煤式锅炉通常是按照常压进行设计的。煤从进入炉膛开始，直至燃烧完毕，通常要经过干燥、挥发形成焦炭、分着火燃烧、焦炭燃烧形成灰渣这几个阶段，大的通气口设在炉膛顶端，运行过程处于无压

18、状态，燃烧运行更加安全可靠。2.4 供暖锅炉工作原理供暖锅炉控制系统属于过程控制系统，它将出水压力、回水压力、炉膛负压、出水温度、回水温度等参数作为控制的目标。水温主要靠燃烧和来调节，压力的大小由来调节。在本系统中应用的控制方式，为了提高供暖系统的质量和效率，节约能源，本次模拟供暖系统的主要创新部分在于没有将实验研究的主体放在加热锅炉控制进出料量的部分，而是以另一个供暖系统中非常重要的环节换热环节为重点，系统考虑结合可编程逻辑控制器，压力变送器，继电器，循环水泵和温度传感器等硬件设备，实现供暖系统的自动控制。热源产生的热量，由送至各，各分站把一次网的通过换热器转换，传递给中的，再由的水将热能输

19、送至热用户处5。冷却后的回水再次返回到的中。的驱动二次网中的循环水流动。2.5 供暖锅炉功能实现为了保证有一个在处，我们用换热器二次网循环水泵作为其控制设备，该水泵控制供水流速，使换热器的二次网平稳运行。我们在每个换热站还安装了，系统所提供的预设定值是根据室外温度和供热站给定值计算得出的。为了提高供暖系统的质量和效率，节约能源，本次模拟供暖系统的主要创新部分在于没有将实验研究的主体放在加热锅炉控制进出料量的部分，而是以另一个供暖系统中非常重要的环节换热环节为重点，系统考虑结合可编程逻辑控制器，压力变送器，继电器，循环水泵和温度传感器等硬件设备，实现供暖系统的自动控制。本设计使用西门子S7-20

20、0 PLC可编程控制器作为供暖系统的核心，配合硬件与软件实现供暖系统的以下功能：（1）保证锅炉燃烧过程的经济性，控制鼓风量和进料量。保证热网水力、热力平衡，使热能分布均匀，保证供暖效果；（2）数据采集，利用控制器，采集各传感器和变送器的数据，调节各控制阀门和水泵；（3）故障报警处理，系统出现故障时及时报警；（4）可进行手动和自动切换控制；（5）二次供水温度自动控制。主要的实验方法是在锅炉和输水管中安装压力变送器和温度传感器，通过传感器和压力变送器检测炉内和水管中温度及压力并将该压力和温度反馈到PLC控制器，经A / D转换后，所得数据与PLC内部设定数据进行比较，控制器处理数据并发送相应指令改

21、变变频器频率来调节电机转速从而控制锅炉鼓风量、进料量、出水量和回水量，使系统的温度和压力稳定地保持在设定值附近。此外，系统初始化后可供选择的有自动和手动控制两种模式。系统运行过程中，若出现压力或温度超过系统给定上/下限的数值，则触发报警电路坐故障报警处理。3 供暖锅炉控制系统设计3.1 控制方案设计控制，即按（P）、积分（I）、微分（D）控制，是一种广泛应用在控制系统中的控制规律7。理论的分析和实际的运行经验都证明，这种应用在工业过程的控制中时，工作性能稳定，调节方便，价格低廉，能够得到较为满意的结果。每部分都有各自的功用。其中，比例项用于达到控制器设定值；积分项的作用是；则改善系统的。随着技

22、术不断地增强，运行速度和质量也在不断地提高；不但可以完成顺序控制的功能，还可以完成复杂的闭环控制。如图3.1是一种常见的闭环控制系统的构成。图3.1 闭环控制系统作为闭环控制的重要特征，人们引入了“误差”的概念，它被定义为：在闭环控制系统中，利用给定的输入与实际输出，经过测量装置转换后的之间的作为控制量。它是控制理论中非常重要的一个概念，能通过对误差的测量调节来实现对系统的控制。在实际闭环控制系统中，误差是一个。因此，为了消除系统在稳态的输出误差，改善系统的动态响应性能，达到对系统进行更精确控制的目的，就有必要对误差进行放大（比例调节P）、积分（积分调节I）和微分（微分调节D），这样才能保证系

23、统具有良好的动、，有效地中的执行机构。在自动控制系统中，调节器是用来对进行、微分等处理的一种常用，当调节器具有“放大”、“积分”、“微分”的功能时，即可以称为调节器。在恒压供水自动控制系统的产品开发和应用实践中，系统的调节功能经常是采用控制器、软件以及变频器内置来实现的，三种方法各具有优缺点，本设计选用算法的实现方法。用对模拟量进行控制时，可以采用以下的几种方法：（1）使用过程控制模块这种模块的是由生产厂家预先设计好并存放在模块当中的。在使用的过程中，用户不需要自行设计程序，而只是设置一些常用的参数。一块模块可以控制几路甚至，因此在使用时非常的便捷。当然，这种模块的价格相对较高，一般只在大型的

24、控制系统中才会使用。（2）使用功能指令现在很多的都有供控制用的，如的指令。但是在实际的工作当中，它们事实上只是用于控制的子程序，与模拟量的输入/输出模块一起使用，这样就可以得到类似于过程控制模块的效果。因此，价格相对便宜得多。（3）用自编的程序实现有的没有过程和控制用的，有时虽然可以使用的，但又希望采用某种的控制算法。在这种情况下，就需要用户自行编制的控制程序，实现特殊的要求。本供暖系统需要对循环水泵和补水泵等设备进行变频改造，控制器采集压力变送器返回的数据，通过改变循环热水的流量，并通过改变变频器的频率改变补水泵转速来调节系统的回水压力，使水箱内的水位保持在一定的范围之内。供暖系统通过室外的

25、温度传感器，返回数值确定，通过改变变频器频率高低来改变温控阀调节一次侧的热流量。同时还能够根据各处温度或压力的异常做出及时的报警处理。根据实际情况，一般能够选择自动和手动两种控制模式。供暖系统简易框图如图3.2所示。3.2 S7-200PLC在系统中的应用3.2.1 PLC的产生与发展1960年随着小型计算机的问世以及大型规模的开发生产，人们逐渐达成共识，图3.2 供暖系统简易框图传统的继电器控制接触器势必要由小型工业控制计算机来代替，这是一种不可阻挡的发展趋势。但受限于当时的科学技术水平，小型工业控制计算机的输入、输出电路不通用，而且编程技术相对复杂，因此在当时并没有得到推广和应用。20世纪

26、60年代后期美国汽车制造业的竞争力日益激烈。为了满足生产工艺的需要，在1968年，通用汽车公司第一次公开招标，为减小当时系统耗电多，体积大的不足，对新一代控制系统提出了具体的要求：基本的继电器控制系统设计周期较短，更换方便，接线简单且成本低廉；计算机的功能和和继电器的控制系统可通过某种方式结合在一起，并且要比计算机编程简单易学，易于使用； 系统的通用性好。按照上述的要求，美国数字设备公司研制出世界上第一台可编程逻辑控制器，实现了自动化生产控制的目的。在此之后，日本、德国等国家也相继出台政策，投入大量人力和资金，取得了一定的研究成果。虽然当时的产品有类似电脑设计的想法，但仍主要用于顺序控制领域，

27、属于逻辑运算的范畴，因此它被称为，即PC （Programmable逻辑控制器），后又为了区别改称PLC。在20世纪70年代末，随着微电子技术和计算机技术的日益发展，具有更高计算功能的可编程逻辑控制器也得到了快速发展，不仅硬盘被取代更换，逻辑编程取代布线逻辑，还具备了运算功能和数据传输的功能，真正成为了工业计算机控制设备。不仅如此，该逻辑控制器又兼具小型化或超小型化的特点，功能采用微电脑技术，具有超出原有顺序控制和逻辑控制局限的工业控制能力，因此又叫，也称为PC（Programmable控制器）。然而，由于PC机与PC （个人计算机）容易相互混淆，因此都习惯于缩写成PLC。1969年美国的数字

28、设备公司（DEC）成功研制出了，这是目前世界上比较公认的第一台。在此之前，从用户的角度，美国GM公司提出新一代的控制器应该具备十大特征，这十大特征分别是：（1）编程方便，可在现场修改程序；（2）维修方便，最好是插件式；（3）可靠性高于继电器控制柜；（4）体积小于继电器控制柜；（5）可将数据直接送入管理计算机；（6）在成本上可与继电器控制竞争；（7）输入可以是交流115V；（8）为了能够直接驱动电磁阀工作，输出交流至少115V/2A以上；（9）在扩展时，原有系统只有很小的变更；（10）系统要有至少能扩展到4K字节的用户程序存储容量。这10项指标沿用至今，代表了现代PLC的最基本的功能，其核心要求

29、可归纳为以下四点：（1）计算机代替继电器控制盘；（2）用程序代替硬接线；（3）输入/输出电平可与外部装置直接相联；（4）结构易于扩展。美国数字设备公司（DEC）研制出的世界上第一台可编程序控制器被命名为PDP-14，在实验室模拟仿真成功之后，又在GM公司的汽车自动装配线上进行了首次试用，结果表明性能良好，极大地提高了工作效率。PDP-14具有新兴计算机的可编程性、灵活性和通用性等优点，又保留了继电器控制系统原有的外部特性，在当时引起了巨大的社会反响，开创了PLC的新纪元。可编程控制器从产生到现在，经历了四次换代，总结如下表：受限于当时的以及相关元器件的生产能力，导致早期的主要还是由中小规模集成

30、电路和分立元件所组成，仅仅能够完成一些简单的、计数等基本功能，发展仍处在起步阶段。在20世纪70年代初期，的出现引起了人们的广泛重视。将微处理器引入到可编程控制器中，在原有功能的基础上，增加在运算、等功能，标志着具有真正计算机特征的工业控制装置的诞生。此时的将梯形图作为设备最主要的编程语言，并以继电器命名参加处理运算的元器件，之所以这样设计，是由于它与继电器的电路图十分地相似，这样就使得原来熟悉继电器工作的技术人员较快的适应新装置，节省时间，提代 次器 件功 能第一代1位微处理器逻辑控制功能第二代8位微处理器产品系列化第三代高性能8位微处理器以及位片式微处理器处理速度高，向多功能以及联网通信发

31、展第四代16位、32位微处理器以及高性能位片式微处理器逻辑、运动、数据处理、联网功能的名副其实的多功能高工作效率。此时的可以看作是继电器和微机技术常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，计算机技术已全面引入到当中，使得功能更加丰富，得到了较快的飞跃。、设计、PID功能、模拟量运算及极高的性价比等众多优势，奠定了在现代工业化生产中的地位。20世纪80年代初，在先进工业国家中，开始获得较为广泛的应用。这个时期内，它的发展的特点可以概括为、大规模、。这个阶段内的另一个特点，就是世界上生产的国家逐渐增多，产量逐渐上升。种种现象标志着可编程控制器已步入了成熟阶段。20世纪末期至今，从发展的角度

32、来看，逐渐适应现代工业的生产需要，符合科技的发展趋势。从控制能力的角度来看，应用于不同场合的特殊功能单元被研制成功，并逐步应用到转速、位移、压力、温度等复杂的场合当中；从控制规模的角度来看，大型机和超小型机相继被推出，并朝着巨型化和微型化两级发展；从产品的配套能力的角度来看，各种通信单元和人机界面单元的出现，使工业控制设备的配套变得比以前更加的容易。目前，在机械制造、冶金钢铁、石油化工、汽车、轻工业等行业中都起到了不可替代的作用，并且在今后的生产生活中，依然会发挥出积极的影响。3.2.2 S7-200系列概述是西门子公司生产的S7系列中的重要产品之一，是西门子全集成自动化的核心组成部分。它以强

33、大的运算处理能力、强大的控制能力、灵活的通信扩展能力、可靠的稳定性和低廉的价格迅速占领了应用市场 6，具有极高的性价比。 系列在相当多的领域，包括（DCS）中充分了发挥其强大的功能。除了五种不同CPU的全面基本功能之外，一系列可升级的专用的扩展模块也由模块化系统向用户开放提供，对功能性的要求得到了极大的满足。S7-200系列实物如图3.3所示，常用的型号如图3.4所示。图3.3 S7-200系列PLC根据系统的控制要求，需要实现数据采集、自动/手动切换和故障报警等各种功能。因此，考虑到将来发展的需要，有必要选择I/O端子数多的PLC，最终选择德国西门子公司生产的。该型号具有结构紧凑、指令丰富、

34、扩展性良好、维护方便和价格低廉等优点，同时该PLC也可以满足所控制系统对PLC 对I/O点数的需求。3.2.2 S7-200系列内部结构实际上是工业控制计算机的一种，常见的由中央处理单元（CPU）、等模块组成。图3.4 S7-200的CPU类型 （1）中央处理单元 CPU的功能如同大脑一样，首先检查用户编写的程序是否正确，然后根据编写好的程序接受外面的输入信号，再经过内部的处理（主要包括数据的传递、程序中的各种运算、输入输出信号的转换）之后，将系统所要输出的信号显示出来。同时，CPU还可以进行故障诊断。由于PLC使用的CPU不同，其处理数据的能力就会有强弱之分，运行速度也会有一定的差别。 （2

35、）存储器存储器类型主要分为三种：系统程序存储器、工作数据存储器和用户程序存储器。生产厂家已经编写好的程序，用户不能自行修改，它的作用主要有三个方面：一是控制的正常运行；二是将用户编写好的语言转换为机器的语言，从而使用户编写的程序能够正常地运行；三就是进行程序的调用、数据运算。其中，第三部分是最为重要的功能。B.工作数据存储器就是存储PLC运行时的工作信号，比如中间继电器的使用情况、输入输出口的开关状态等等。C.很明显就是用来存放用户自己编写好的程序。（3）电源PLC的供电电源通常使用的是220V的交流电源。当然，也有DC24V进行供电的，比如DVP系列的PLC电源就可分为交流输入与直流输入两种

36、情况。电源适配器的使用，一方面可以为、CPU板以及扩展单元等部分提供，在另一方面，能够为外部的输入元件提供DC24V的直流电压。 （4）输入输出接口输入输出接口单元可用来连接PLC与工业现场。输入单元可以接收到传感器的模拟量信号和开关量，输出单元能够将CPU处理好的信号输出到外接的设备，比如传感器、变频器、指示灯等等。该系列的内部结构框图如图3.5所示。输入接口及模块电源输出接口及模块CPU系统程序存储器用户程序存储器外设I/O接口图3.5 PLC基本结构框图3.2.3 S7-200系列工作原理PLC控制系统的等效电路通常可分为三个部分，即、内部 9。输入部分的功能就是采集输入信号，输出部分指

37、的就是系统的执行部件。控制逻辑是由内部的控制电路通过编程的方法来实现，从而的功能由软件编程来进行代替。分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。PLC执行程序通常可以分为三个阶段，依次为输入采样的阶段、的阶段。用户输出设备输出端子输出锁存器元件映像寄存器输入映像寄存器输入电路输入端子用户输入设备输出电路写 写读读写I/O刷新 I/O刷新图3.6 执行用户程序过程3.2.4 S7-200系列的特点及功能是一种小型的可编程序控制器，近乎完美地满足工业现场小规模的控制要求，已成全球占有率最高的PLC产品，系列具有极高的性价比。它结构紧凑，运算功能强大，具有诊断功能，人机界面完善，多种操作方式的选择，模块

38、化的设计形式，安装方便，很强的保密技术等优秀的技术特点。PLC的功能主要包括： （1）逻辑控制 PLC软件编程带有逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量的控制。 （2）定时控制 PLC里面包含了，使用者可以自行设定、关断延时和等方式。 （3）计数控制PLC中包含各种计数器，可以实现加减计数模式，也可以连接在码盘上进行位置的检测。 （1）数学运算功能PLC可以实现加减乘除等基本运算，也可以实现三角函数、浮点运算，还可以实现大于、小于、等于的比较功能。 （2）数据的处理数据的选择、组织、规格化、移动，并采用先入先出的处理方式。 （3）模拟数据处理 对于模拟数据的处理包含有PID算法、滤波、积分等功

39、能。输入输出接口能够接受多种形式的信号，满足不同的应用环境，如可以接受和等等。4.通信、联网功能因为PLC在工作中需要通过PC将程序载入到内存当中，并且在还会与变频器、温控器或者伺服驱动器等设备相连接，这时就需要RS-232和通讯，这样就可以实现多台PLC的连接。这个功能主要用于检测工作现场的运行状态，从而方便工作人员进行调试。最常见的就是西门子控制系统中的Wincc了。6.编程、调试为了适应不同场所、不同环境的应用需求，就需要对程序进行不断的修改与编译，适应更加复杂的环境，从而满足使用者的不同需求，扩大应用范围。3.2.5 PLC与变频器通讯PLC与变频器的通讯，最需要注意的就是保持程序中的

40、通讯协议与变频器的参数设置保持一致性，变频器参数的设置在前一节已经介绍过，这里介绍程序的设置：（1）MOV H86 D1120 设定通讯协议为9600,7,E,1；（2）RST M1143 通讯模式为 MODBUS ASCII；若是 SET M1143 通讯模式便是MODBUS RTU；当PLC通电启动时，M1002给一个瞬间的ON脉冲，将系统初始化，同时将寄存器D2与D10的内容清零；数据传送通过改变计数器C0的值来实现，初始时， C0的值是0，M0为ON，执行MODRD指令，读取变频器的主频率以及输出频率，并将其存放于寄存器D1073D1076中，并自动转成16进制数值存于D1050、D1

41、051中，数据接收完一次，CO加1，此时C0为1，M1为ON，变频器读取D10的数值，确定转动方向，这次数据接受完之后，C0加1，此时C0等于2，M2为ON，变频器读取D2的数值，在本程序中表示变频器的主频率会随着D2值的变化而变化，这次数据接受完之后，C0加1，C0等于3,这时RST C0，C0的值被置为0，继续下一次的数据接收。如此循环，变频器就一直接收数据，保持频率可以随着程序的变化而变化。程序执行时，如果出现通讯逾时的情况，那么表示通讯逾时的中间继电器 M1129的状态为ON，C0计数器的数值加1，然后将M1129复位；如果出现数据传送错误的情况，那么表示数据错误的中间继电器M1140

42、的状态为ON，然后将M1140复位；如果出现通讯地址发生错误的情况，那么表示该错误的中间继电器M1141的状态为ON，然后将M1141复位。如果在通信过程中没有出现错误，那么M1129、M1140、M1141的状态都不会为ON,程序正常运行，数据正常传送。3.3 供暖锅炉硬件设计3.3.1 电路连接 如图3.6所示，本设计采用西门子。可连接7个扩展模块，。集成24输入/16输出，共40个。26k。6个独立的，2路独立的，具有控制器。图3.7 PLC硬件电路连接如图3.8所示，模块有4路，2路。本设计选用的是DVP16ES2，PLC与PC之间通讯采用通讯，通过HL-340将USB数据转换为串口数

43、据，再通过 232/485转换器与PLC的COM3进行通讯，实验中用的是交流输入AC220V，电源应接L/N两端，如果将AC220V直接接在+24V端或者输入端，将会损坏PLC，接线如图3.9所示。 图3.8 EM235模块连接示意图图3.9 PLC的电源连接3.3.2 传感器的选择工业用热电阻两大类。本设计选用温度传感器为WZP PT100型铂热电阻。PT100是一个铂丝绕组,它主要用于记录和检测某地的温度。其铂丝阻值和温度基本成线性关系，电气性能很稳定。3.3.3 变频器的选择本系统的变频器VFD，选择ABB ACS510-01型号的变频器。变频器的主要作用，是把的交流电，从而满足交流电动

44、机变频调速的需求9。与变频器之间采用通讯，由于变频器通讯接口是接口，所以连接线用一根网线代替，变频器上自带口的PIN3（GND）、PIN4(SG-)、PIN5(SG+)分别接 COM2的GND、D-、D+,虽然网络是可以使用两条线连接，但其比较容易受到噪声的干扰，所以将它的SG接地，有效提高噪声抗性。 上一段介绍的是与变频器之间的通信电路，为了实现两者的数据通信，需要在硬件和软件两方面都进行设置。软件方面的设置在下一章会有所介绍，硬件方面就是在变频器的设置界面中更改一些数值，如表3.2所示。交直交是将，然后再将，它的工作原理图如图3.10所示。表3.2 变频器参数设置编号初始值设置值意义13变

45、频器第一频率指令来源于通讯RS-48513变频器运转指令来源于RS-485通讯界面12511指定其通讯地址，使计算机根据其个别的地址实施控制01通讯传送速度为9600位/秒01通讯数据的格式为7，E，1for ASCII图3.10 变频器原理图4 供暖锅炉的软件设计4.1 S7-200逻辑设计在程序的控制逻辑中，读取和写入数据。我们在时，的中央处理器（）会按照下列的顺序执行程序：（1） 读取输入状态；（2） 存储在中的程序使用这些；（3） 当程序经过评估后，会将存储在称为进程映像输出寄存器的输出内存去中14；（4） 在程序结束时，会将数据从入至域输出；（5） 重复任务循环。4.2 供暖系统的软

46、件编程4.2.1 编程语言简介的合法编程语言很丰富，根据设计人员的习惯可以采用多种表达方式。在实际生产当中，使用最为广泛的有顺序功能图、梯形图、指令表、结构文本等等。由于本次设计采用的编程语言是梯形图，因此本章只介绍梯形图的一些特点。是一种使用较早，应用广泛的编程语言。梯形图和继电器控制系统的十分得相像，它的特点就是简单直观且易于理解，不是只有专业计算机编程人员才能够编写。梯形图的开关量控制使用十分方便，深受电气人员的喜欢。由于梯形图和电路图的相似程度较大，在很多时候也有人直接把它称为电路（程序）。 梯形图的组成：触点、线圈与方框（表示的功能块）。触点代表逻辑输入，比如外设的开关或者按钮之类输

47、入；线圈代表逻辑输出，其结果能够控制外部设备例如交流接触器、指示灯或者内部的输出；带功能块的方框则具备定时器（计数器）或各种数学运算等附加的功能。梯形图与电气原理图相似，与原有的基本一致，这就使得工作人员在读图的过程中有较少的障碍，便于电气工作人员互相学习、交流和掌握。当然，中由左向右的能流不是实际意义上的，其内部的也不是真正意义存在的。在应用的过程中需要严格区分梯形图与原有逻辑控制器。梯形图与布尔助记符编程语言的，非常方便两种语言的相互转换和。首先的左右两边的公共的垂直线叫做起始母线（左母线）和终止母线（右母线）。在开始设计梯形图时，只能从起始母线开始画起，但是在终止的时候可以不画出右母线。

48、其次梯形图的在编写的过程中要谨遵由上到下，由左到右的顺序。也就是说，程序中所有的开关键、功能模块等都需要从左母线开始，到右母线（可省略）结束。每一行中的开始是该程序开始运行的条件（即开始工作的条件），而在每一行结束的地方的线圈表示程序运行的“结果”，一行写完了后，再接下来写下一行。多个梯级组成一段，而一个梯级是由每个输出元素构成的。在设计时，每个梯级必须要有一个输出元件，每个梯级可由多个支路组成。梯形图中的触点有两种：动合触点和动断触点。触点所画的位置在水平面上，垂直线上不可以画触点。4.2.2 STEP7-micro/win在系统中的应用是西门子公司专门为S7-200系列可编程序控制器研制开

49、发的基于平台的应用型软件。该软件可用于可用于实时监控用户程序的执行状态，也开发用户程序。在系统设计中的应用，主要有三个方面的作用：程序编写，状态监控，程序查错。系列与window互相兼容，支持程序的编写。在本设计当中，控制系统采用的是梯形图语言。不仅如此，它还具有程序监控功能，就是在运行过程中提供各输入输出点的状态情况，编译程序可以检查出程序中的错误。编辑界面如图4.1所示：4.2.3 各模块程序流程图根据任务要求，进行各模块的单独设计。其中，A/D转换流程图如图4.2所示，图4.1 STEP7-Micro/win编辑界面D/A转换程序流程图如图4.3所示，正常启泵与故障换泵流程图如图4.4所

50、示，程序总流程图如图4.5所示。图4.2 A/D转换程序流程图 图4.3 D/A转换程序流程图图4.4 正常启泵与故障换泵流程图图4.5 程序总流程图5 供暖锅炉系统程序及仿真各模块程序5.1.1 供暖锅炉换热系统主程序供暖锅炉的换热系统主程序如图5.1所示。图5.1 主程序5.1.2 初始化程序初始化程序如图5.2所示。图5.2 初始化程序5.1.3 模拟量处理部分程序模拟量处理程序如图5.3所示。5.3 模拟量处理程序手动程序如图5.4所示。自动控制程序如图5.5所示。自动控制程序5.2 在进行仿真之前，我们首先要把Step 7 Micro/Win 中自己的工程项目进行正确的编译，并将所设

51、计的梯形图转换成STL编程语言界面，然后在进行下一步的配置和仿真。由于该软件没有其他的外围设备，只能对相应的CPU进行仿真，所以具有一定的局限性，仿真效果一般。既然没有这些外部硬件，那我们就把报警电路这部分程序单独地拿出来，并将模拟量采集的部分去掉，做一个手动的开关（此开关的开闭标示压力或是外部温度已经达到给定的上限值或者下限值），以此来触发故障报警电路。以仿真软件S7-200 sim2.0中CPU的LED灯亮灭为标志。图图5.6 仿真软件的模拟开关图。图5.7 仿真软件的指示灯故障一用输入信号I0.0表示；故障二用I0.1表示；I1.0为消除蜂鸣器按钮；I1.1为试灯、试蜂鸣器按钮。故障一指

52、示灯用信号Q0.0输出；故障二指示灯用Q0.1输出；Q0.3报警蜂鸣器输出信号。故障一：I0.0标示温度过高（此处只做温度过高和压力过大的故障演示）即按下开关键I0.0，此时报警指示灯Q0.0不断闪烁，Q0.3点亮表示蜂鸣器不断鸣响，如图5.8所示。图5.8 报警电路故障一仿真界面图同理，故障二I0.1按下，故障二指示灯Q0.1不断闪烁，Q0.3常亮表示蜂鸣器不断鸣响，如图5.9所示。图5.9 报警电路故障二仿真界面图本系统的主要实验方法是在锅炉和输水管中安装压力变送器和温度传感器，通过传感器和压力变送器检测炉内和水管中温度及压力并将该压力和温度反馈到PLC控制器，经A / D转换后，所得数据

53、与PLC内部设定数据进行比较，控制器处理数据并发送相应指令改变变频器频率来调节电机转速从而控制锅炉鼓风量、进料量、出水量和回水量，使系统的温度和压力稳定地保持在设定值附近。此外，系统初始化后可供选择的有自动和手动控制两种模式。系统运行过程中，若出现压力或温度超过系统给定上/下限的数值，则触发报警电路坐故障报警处理。整体仿真图如图5.10所示。图5.10 仿真界面图如图5.11所示，0号和3号灯亮，就代表着控制器在控制一次网和二次网的供水阀门进行补水操作。如图5.12所示，代表着系统已经切换到自动控制模式，此模式下系统自动采集各传感器及变送器数据，调节阀门大小和水箱内液位。图5.11 控制阀门仿

54、真图图5.12 自动控制仿真6 结论在做毕设的几个月里，从开始的一片茫然逐渐摸索到后来的略知一二，学会了不少。从最开始的搜集资料、查阅文献、写开题报告，到后来的提交中期报告、去实验室动手写程序、撰写论文，这过程虽然有不少挑战，但也收获许多，每解决一个问题，就有一点成就感，最后回想起来感觉特别充实。在这个过程中，我遇到了不少问题，比如资料中比较高深、晦涩难懂的东西很难理解，对PLC编程软件不熟悉，对设计的系统的原理了解不够透，因为自己安排的时间不是很合理，仿真调试中也很费脑等。但是，在这段时间里，从着手找资料，与同学讨论设计方案，到后来的编程并实践仿真的过程，我也学会了不少知识。正是毕业设计，让

55、我将专业所学的知识并应用到实际中，并且在巩固复习之前所学的知识的过程中，对原本所学的东西理解更深，本来不是很懂的现在也一目了然。在此次设计中，我通过独立思考，阅读文献和搜寻资料，并且动手实验，完成了以下的一些任务： （1）对S7-200系列进行重新了解和掌握； （2）对供暖锅炉的构造，种类，各类特点进行了解与掌握； （3）设计了基于S7-200的供暖锅炉的多功能控制系统； （4）完成了供暖控制系统的软件设计； （5）完成了供暖锅炉控制系统的仿真； （6）学会了控制系统的设计方法。设计过程中也暴露出平时学习的不足，包括专业可基础知识掌握不牢，专业知识的综合运用能力不足等，这些将是我未来需要改正的

56、地方。另外，学无止境，对课题的进一步研究是我下一步要做的。随着科技的进步，供暖系统发展迅猛，应用非常普遍，尤其集中供热系统的出现，其控制系统经过几十年的发展，现在已经趋于成熟和完善。未来供暖系统还有需要改进和完善的地方，努力提高安全系数，不断服务于人类的生产和生活，以为人做出更多的服务作为要素，使其发展越来越方便化和智能化。参考文献1蔡建军,孔鹏,陈维荣. 基于PLC和变频调速的供暖锅炉控制系统设J. 仪器仪表用户,2004,02:26-27.2罗继霄. 锅炉房综合自动化控制系统D.西安理工大学,2006.3王振. 基于PLC的锅炉供热控制系统的设计D.大连海事大学,2008.4侍寿永. 基于

57、PLC的矿区多功能控制系统设计J. 煤炭科学技术,2010,09:79-81+86.5李仲强. 供暖锅炉自适应模糊控制系统的研究与设计D.辽宁工程技术大学,2006.6杜光谱. 基于PLC的工业蒸汽锅炉控制系统设计D.大连交通大学,2013.7赵金凤. 热水采暖锅炉计算机控制研究D.内蒙古科技大学,2009.8谢园. 基于单片机技术的燃煤自动供暖锅炉控制系统技术开发D.燕山大学,2012.9蔡建军. 供暖锅炉变频控制系统设计D.西南交通大学,2004.10范环宇. 燃煤供暖锅炉自动控制系统的设计与研究D.东北大学,2008.11何晓粤. 热水供暖锅炉计算机控制研究D.内蒙古科技大学,2009.

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60、,05:55.24骆东松,王毅. 供热锅炉的现场数据Web发布系统J. 国外电子测量技术,2015,03:37-41.致 谢时光荏苒，大学四年如流水般一去不返，在太原工业成长的四年里，收获了学识，收获了朋友，收获了幸福与感动。从初来乍到怀揣梦想的懵懂，到现在的从容面对现实，面对即将结束的学生时代。在成长与学习过程中，难免也有痛苦与挑战，感谢老师与同学一直以来的帮助与支持，这些都为我将来的人生之路积累了宝贵的财富。 经过几个月的摸索，毕业设计也接近尾声，鉴于知识水平有限，对一些原理理解的浅陋以及经验的匮乏，本次设计还有诸多不完美之处，多谢老师的指导，同时学长的督促和同学的点拨也为这次设计提供了不少帮助。在此，首先要感谢的是我的指导老师田老师。她是我本科专业课工程测试技术的老师，她渊博的知识、严谨的作风、简要的PPT，都给我留下深刻的印象。在设计前期，老师就给了不少资料让我仔细阅读，找到感觉。在这次设计中，从查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，动手模拟等每个过程中，她都给予了我悉心的指导。设计中有许多不合理需要改进的地方，田老师都细心地纠正设计