中原工学院信息商务学院
毕业论文（设计）开题报告
论文（设计）题目 基于PLC自动温度控制镁精炼炉设计
姓名 系别 专业班级 学号
1.选题目的和意义：
温度是工业控制对象主要被控参数之一，在温度控制中，由于受到温度控制对象特性（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响，使得控制性能难以提高，有些工业过程温度控制的不好直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
温度控制器发展初期是机械式的温度控制器，但总体来讲机械式温度控制器缺点十分明显：1.机械式温度控制器外观陈旧呆板；2.机械式温度控制器控温精度差；3.容易打火；4.极易在一个极小温差范围内频繁开关；5.功能比较单一。鉴于这些，智能电子式温度控制器全面取代机械式温度控制器将是不可逆转的潮流。
PLC作为一种通用的工业控制器，其拥有可靠性高、使用方便灵活、控制功能完善、控制精度较高等特点，因此基于PLC技术，研究、设计较为通用的温度控制系统具有重要意义，控制系统的具体参数或元器件可根据各行业的要求不同来进行选择。
2.本选题在国内外的研究状况及发展趋势：
随着现代工业的发展，人们需要对工业生产中有关温度系统进行控制，如钢铁冶炼过程需要对刚出炉的钢铁进行热处理，塑料的定型及各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行实时监测和精确控制 温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量。而且，很多领域的温度可能较高或较低，现场也会较复杂，有时人无法靠近或现场无需人力来监控。如加热炉大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制, 存在控制精度低、超调量大等缺点, 很难达到生产工艺要求。且在很多热处理行业都存在类似的问题，所以，设计一个较为通用的温度控制系统具有重要意义。
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，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，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：1.适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；2.能够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；3.能够适应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，适应的范围广泛；5.温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；6.温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、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、小型化等方面快速发展。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于 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来确定。这些差距，是我们必须努力克服的。随着我国经济的发展及加入 WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度等仪表工业得到迅速的发展。当前，由于国内、国外的温度控制系统、计算机控制等控制手段较多，因此，需对相关问题进行研究，以确定系统合适的设计方案。
目前主要有模拟、集成机械式温度控制器和智能电子式温度控制器两大系列。国际上新型温度控制器正从模拟式向数字式、电子式；从集成化向智能化、网络化的方向发展。在当今电子信息时代，电子自动化、信息采集控制在任何行业都是不可逆转的潮流，智能电子式温度控制器全面取代机械式温度控制器将在未来很短时间内实现。
3.主要研究内容：
针对镁精炼炉温控系统的要求,以PLC为温度控制系统的核心,利用PID控制算法实现镁精炼炉的恒温控制。主要研究内容如下：
1．分析恒温控制系统的工艺流程，提出控制系统的总体设计方案。
2．采用PLC和检测仪表完成系统硬件设计；编写PLC控制程序，实现温度采集与显示。
3．采用WinCC监控组态软件设计恒温系统监控界面，实时显示各个温度的大小和变化曲线，实现温度在线监测和控制。
4．采用工业以太网，实现现场控制单元与上位机进行信息交换，并能与企业内部联网。
4.完成论文的条件、方法及措施，包括实验设计、调研计划、资料收集、参考文献等内容。
拟采用拟研究方法如下：
1.用PT100温度传感器来测量镁精炼炉中水的温度、入口温度及储水箱中水的温度。
2.用两个液位传感器来监测镁精炼炉中的液位。若水箱中的真实液位低于或超过所设定的下线值或上限值，系统就发出警报并打开相应的电磁阀，进行放水；或启动水泵，将冷却器中的水输送到镁精炼炉中。
3.用电加热器对镁精炼炉进行加热，使水箱中温度升高；搅拌器用来在加热的过程中进行搅拌，使水箱中温度保持恒定不变。
4.用流量计检测水的流量并将信号传递给控制器，控制器在根据这一信号进行分析，并发出调节信号到调节器，通过调解器改变电磁阀的开度，控制流量大小。
5.用WinCC组态软件进行系统监控界面设计，通过编程实现各个控制单元与上位机之间信息交换，实现温度在线监测和控制，并对各个测量温度的大小和变化趋势进行实时显示。控制系统装置结构图如图1所示。
图1 恒温控制系统装置结构图
技术路线：
1.硬件系统：本次设计采用西门子S7-300系列PLC作为系统控制器的核心处理系统，除核心处理系统外，还包括温度监控系统、伺服系统以及数码显示系统等三大部分。
2.软件系统：使用STEP7-5.4编程软件编写控制程序对PLC编程、调试、监控，并用WinCC监控组态软件设计恒温系统监控界面，实时显示各个温度的大小和变化曲线，实现温度在线监测和控制。
能够取得的预期成果：
本次设计利用S7-300常规PID控制器对水箱的温度进行控制,可以获得满足工业控制要求的控制效果，能减小超调量和调节时间，而且其抗干扰能力也大大加强。采用上位机来实现与PLC连接使其呈现出强大的功能，高速的计算，通讯能力使其能完成比较复杂的算法。
采取方案的可行性分析：
根据恒温控制系统的要求，本设计由S7-300PLC作为中央处理单元，WinCC作为监控组态软件，实现恒温控制系统实时监控。系统由硬件和软件两部分软件构成。本设计由PC机作为上位机对整个系统进行监控，S7-300PLC作为下位机完成具体控制要求，上位机与下位机之间的通信通过以太网的联接来达到通信的状态要求，以便更好的完成对系统的监控。
图2 系统总体结构
工作进度：
设计总共16周。具体安排如下：
2017.03.04～2017.03.15：调研、收集资料（书籍和案例）、外文翻译；
2017.03.18～2017.03.22：撰写开题报告
2017.03.25～2017.03.29：完成系统需求分析，画出需求分析框图和系统结构图，最后确定方案；
2017.04.01～2017.05.17：系统的具体实现，编程；
2017.05.20～2017.05.31：系统调试（包括测试）和修改；
2017.06.03～2017.06.21：论文撰写、装订与提交，准备答辩。
参考文献：
[1]西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子S7-300PLC [M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[2]西门子有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子Wincc V6[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.5.
[3]廖常初. S7-300/400PLC应用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2005.
[4]廖常初. 大中型PLC应用教程[M]. 北京：机械工业出版社，2005.2.
[5]胡学林. 可编程控制器教程[M]. 北京：电子工业出版社，2003.11.
[6]高钦和. 可编程控制器应用技术与设计实例[M]. 北京:人民邮电出版社，2004.7
[7]许僇，王淑英. 电气控制与PLC控制技术[M]. 北京：机械工业出版社，2005.1.
[8]李国萍.基于PLC的温度控制系统设计[J].科技创新导报,2010,(7):86-86.
[9]俞海珍,张维山,史旭华.基于PLC和WinCC的温度控制系统[J].工业控制计算机,2009,(12):6-7.
[10]徐滤非．PLC在温度控制系统中的应用[J]．中原工学院学报，2004（3）：67-68
[11]于庆广．可编程控制器原理及系统设计[M]．北京：清华大学出版社，2004（4）：21-23．
[12]张雪平，王志斌．基于模糊控制的PLC在温度中的应用[J]．电气传动，2004（7）：45-47．
[13]GE S S, LI G Y, LEE T H. Adaptive NN control for a class of strict feedback discrete-time nonlinear systems [J]．Automatic, 2003, 39(5):807 - 819
[14]FUK H W. Air-conditioning system design for optimum control performance
in Hong Kong[D]. Loughborough, Leicestershire, UK, 2000.
[15]TIAN Xiao-min, HUANG You-rui, ZHANG Can-ming. The tuning principle of adaptive fuzzy fractional-order PID controller parameters[C]//2010 Symposium on Security Detection and Informati, Hefei, China, 2010:.
