過程實驗裝置的反應釜溫度控制系統(tǒng)設計.doc

裝訂線安徽工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文）說明書畢業(yè)設計(論文)任務書課題名稱 過程實驗裝置的反應釜溫度控制系統(tǒng)設計 學 院 專業(yè)班級姓 名學 號指導教師畢業(yè)設計(論文)的主要內(nèi)容及要求：內(nèi)容：1、學習并了解反應釜的相關原理和技術發(fā)展現(xiàn)狀；2、了解反應釜溫度控制系統(tǒng)的總體流程，及其中關鍵性技術的實現(xiàn)方法；3、熟練使用亞控組態(tài)王軟件，并能夠實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)；4、收集在完成課題過程中遇到的問題和對問題的解決方法以及新的心得體會要求：1、收集、整理與該課題相關的內(nèi)容資料；2、根據(jù)課題工作內(nèi)容羅列課題章節(jié)安排，根據(jù)各章各節(jié)要求有針對性整理資料，算法設計等工作；3、在完成課題過程中，進一步提高計算機應用能力，能夠熟練地運用組態(tài)、step7軟件進行系統(tǒng)設計；4、能夠熟練地運用英語知識查閱與本課題相關的外文資料，要求準確地翻譯出5000字左右的與課題相關的英文資料。 指導教師簽字： IV摘 要反應釜是化工生產(chǎn)過程中的重要設備，反應過程中伴隨有大量的吸、放熱現(xiàn)象，具有大滯后、時變、非線性、反應機理復雜等特點。在工業(yè)領域，隨著自動化程度的迅速提高，用戶對溫度控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，可編程控制器和組態(tài)王的釜溫控制系統(tǒng)正好滿足了這一需求。具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合溫度的控制。本文以反應釜為被控對象，反應釜出口水溫為主被控參數(shù)，以釜內(nèi)水溫為副被控參數(shù)，以PLC為控制器，構成反應釜溫度控制系統(tǒng),采用PID算法，運用PLC編程語言梯形圖進行編程，實現(xiàn)反應釜溫度的自動控制。反應釜的應用領域相當廣泛，在相當多的領域里，反應釜的性能優(yōu)劣決定了產(chǎn)品的質(zhì)量好壞。目前反應釜的控制系統(tǒng)大都采用以微處理器為核心的計算機控制技術，既提高設備的自動化程度又提高設備的控制精度。本文分別就反應釜的控制系統(tǒng)工作原理，溫度變送器的選型、PLC配置、組態(tài)軟件程序設計等幾方面進行闡述。通過改造反應釜的控制系統(tǒng)具有響應快、穩(wěn)定性好、可靠性高,控制精度好等特點，對工業(yè)控制有現(xiàn)實意義。關鍵詞： 溫度控制 可編程控制器 人機界面 組態(tài)王ABSTRACT Reactor is the important equipment in the process of chemical production，the chemical reaction accompanied by phenomenon whereby heat is liberated or absorbed，having characteristics of large time delay，time-varying，nonlinear，and the complicated reaction mechanism. In the industrial field, with the rapid increase in the degree of automation, it is more and more important to monitor the process of control system for the users. PLC and the emergence of human-machine interface meets the needs of users. This paper introduces the reactor as the charged object to the reactor temperature of the main accused of the export parameters to furnace temperature as deputy accused of parameters to control the heating resistance wire voltage parameters to PLC, controller, constitutes a series of reactor temperature level control system; using PID algorithm, the use of PLC ladder programming language, programming, reactor temperature control. Reactor a wide range of applications, in a considerable number of field, the reactor performance advantages and disadvantages of the decision The quality of the product. Reactor control systems currently used mostly for computer control microprocessor core technology, both to improve the automation equipment have improved the control precision equipment. This paper on the reactor control system works, selection of temperature transmitter, PLC configurations, the configuration software design aspects were described. Through the transformation of reactor control system has fast response, good stability, high reliability, control accuracy and good features, practical significance for industrial control.Key words: Temperature Control PLC HMI Kingview目 錄摘 要IABSTRACTII第一章 緒論11.1反應釜總體結構及工藝流程11.2課題背景及研究目的和意義21.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.4項目研究內(nèi)容5第二章 系統(tǒng)總體控制方案62.1控制方案設計62.2預期成果7第三章PLC和Kingview基礎83.1可編程控制器的描述83.1.1產(chǎn)生和應用83.1.2特點及分類93.1.3應用范圍103.1.4組成和工作原理113.2組態(tài)軟件的描述133.2.1組態(tài)的定義133.2.2軟件的特點143.2.3仿真的基本方法143.2.4開發(fā)系統(tǒng)編制應用程序注意事項15第四章 控制系統(tǒng)的硬件設計164.1 PLC控制系統(tǒng)的設計164.1.1 設計的基本原則164.1.2 設計的一般步驟164.2 PLC的選型和硬件配置174.2.1 PLC型號的選擇174.2.2 S7-300 CPU的選擇184.2.3數(shù)字量I/O模塊SM323184.2.4模擬量I/O模塊SM334184.2.5熱電式傳感器194.2.6 三相交流一體化移相調(diào)壓模塊194.3系統(tǒng)整體設計方案204.4 PLC控制器的設計204.4.1 PID控制及參數(shù)整定21第五章 控制系統(tǒng)STEP7軟件的設計245.1 PLC程序設計的方法245.2編程軟件STEP7概述245.2.1 STEP7的硬件接口245.2.2 STEP7的編程功能255.2.3 STEP7項目的創(chuàng)建255.2.4 硬件的組態(tài)265.2.5用變量表調(diào)試程序275.3程序設計305.3.1設計思路305.3.2 PID指令向導305.3.2 控制程序36第六章 上位機組態(tài)畫面的設計376.1 組態(tài)變量的建立376.1.1 新建項目376.2 創(chuàng)建組態(tài)畫面396.2.1 新建主畫面396.2.2 PID參數(shù)設定窗口406.3 實驗組態(tài)畫面406.3.1歷史曲線觀察406.3.2實時曲線觀察416.3.3 PID參數(shù)整定416.3.4查看數(shù)據(jù)報表446.3.5系統(tǒng)穩(wěn)定性測試44結束語46參考文獻47致 謝48附 錄49第一章 緒論1.1反應釜總體結構及工藝流程1.反應釜的工作原理及總體結構8： 反應釜是一種常用的化學反應容器，其內(nèi)部反應機理較為復雜。研究通過控制器過程參數(shù)而控制化學反應過程，以提高產(chǎn)品的收率和質(zhì)量的方法，對化工生產(chǎn)和生物制藥等工業(yè)很有實用價值。 反應釜有間歇式和連續(xù)式之分。間歇反應釜通常用于液相反應，如多品種、小批量的制藥、燃料等反應。連續(xù)反應釜用于均相和非均相的液相反應，如聚合反應等，本文研究的對象為連續(xù)式反應釜。反應釜的基本結構如下圖所示，由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內(nèi)構件。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置等統(tǒng)稱為攪拌機。釜體為一鋼制罐形容器，可以在罐內(nèi)裝入物料，是物料在其內(nèi)部進行化學反應。為了測量釜內(nèi)的各項參數(shù)，在罐內(nèi)裝有鋼制的套管，可將各種傳感器放入其中。 圖1.1 反應釜結構示意圖2.反應釜的溫度控制9：反應釜溫度控制是通過控制兩個閥門即加熱水閥門和冷卻水閥門來實現(xiàn)的，通過攪拌機的攪拌使物料均勻、提高導熱速度，并使其溫度均勻。在升溫階段，打開加熱水閥門，對釜內(nèi)的蛇管通以熱水，使釜溫升高，通過控制閥門開度來控制溫度升高的速率，當加熱到預定反應溫度后就停止加熱，反應過程中在夾套中通以冷卻水，將反應產(chǎn)生的多余熱量移走，控制溫度保持恒定。導熱介質(zhì)的選擇根據(jù)各廠產(chǎn)品的工藝溫度要求確定的，常見的導熱介質(zhì)有過熱蒸汽和導熱油。溫度測量常用熱電阻或熱電偶及其變送器組成。通過反應釜的導熱介質(zhì)要求保持溫度恒定，通過調(diào)節(jié)流入反應釜夾套的導熱介質(zhì)的流量，來控制反應釜內(nèi)物料的溫度符合工藝要求。反應釜采用外圍夾套，內(nèi)部蛇形盤管，并具有攪拌功能的設計方式。外圍夾套中存有導熱油，導熱油采用4組共12支電加熱棒加熱，每組加熱棒均勻的分布在夾套的四周。攪拌器由一個小型電機帶動按一定的轉速連續(xù)攪拌。由此可見，其溫度控制回路包括加熱回路和冷卻回路兩部分。（1）加熱控制回路由加熱棒加熱導熱油為反應釜內(nèi)提供恒定溫度的熱源，加熱棒加熱量由PLC調(diào)整晶閘管的導通角實現(xiàn)控制，晶閘管采用調(diào)壓工作方式，根據(jù)PLC送過來的信號調(diào)整輸出電壓，進而調(diào)整加熱棒的加熱功率，控制油浴溫度。當空開閉合，數(shù)字量接通時接觸器閉合，輸出功率從下位機PLC給出至晶閘管，晶閘管將電流輸出給加熱棒實現(xiàn)釜溫加熱。 圖1.2 加熱控制回路（2）冷卻水控制回路該回路主要有電動調(diào)節(jié)閥、流量檢測儀表、動力泵和溫度變送器組成。電動調(diào)節(jié)閥接受PLC的420mA的標準電流信號，通過調(diào)整冷卻水的流量來控制反應釜內(nèi)部的反應溫度。其控制原理類似于加熱回路。1.2課題背景及研究目的和意義在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是最常見的過程參數(shù)之一。在冶金、化工、電力、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應釜和釜內(nèi)的溫度進行檢測和控制。由于其具有工況復雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點，它對控制調(diào)節(jié)器要求極高。目前,仍有相當部分工業(yè)企業(yè)在用窯、爐等烘干生產(chǎn)線，存在著控制精度不高、爐內(nèi)溫度均勻性差等問題,達不到工藝要求，造成裝備運行成本費用高，產(chǎn)出品品質(zhì)低下，嚴重影響企業(yè)經(jīng)濟效益，急需技術改造10。傳統(tǒng)的反應釜電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術，由于采用固定接線的硬件實現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計算機控制技術的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制技術必然被基于計算機技術而產(chǎn)生的PLC控制技術所取代。而PLC本身優(yōu)異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟高效穩(wěn)定且維護方便。這種溫度控制系統(tǒng)對改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。近年來，國內(nèi)外對溫度控制器的研究進行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計算機技術的發(fā)展，溫度控制器的研究取得了巨大的發(fā)展，形成了一批商品化的溫度調(diào)節(jié)器，如:職能化PID、模糊控制、自適應控制等，其性能、控制效果好,可廣泛應用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關設備的技術改造服務。在工業(yè)自動化領域內(nèi),可編程控制器(PLC)是一種應用非常廣泛的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，具有可靠性高、控制能力、抗干擾能力強，編程簡單、功能強大、操作靈活方便、適宜長期連續(xù)工作、體積小、能耗低等顯著特點，非常適合溫度控制的要求。PLC 不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴展輸入輸出模塊，特別是可以擴展一些智能控制模塊，構成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體，實現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制?，F(xiàn)代PLC 以集成度高、功能強、抗干擾能力強、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定受到普遍歡迎，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用,尤其適合溫度控制的要求。目前的工業(yè)控制中,常常選用PLC作為現(xiàn)場的控制設備,用于數(shù)據(jù)采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機則是利用HMI軟件來完成工業(yè)控制狀態(tài)、流程和參數(shù)的顯示,實現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和存儲等功能。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了PLC和計算機各自的特點,得到了廣泛的應用。在這種方式的基礎上設計了一套溫度控制系統(tǒng)。以基于PLC的下位機和完成HMI功能的上位機相結合,構建成分布式控制系統(tǒng),實現(xiàn)了溫度自動控制。此外，隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，人機界面（HMI）的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機界面可以對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，包括參數(shù)監(jiān)測、信息處理、在線優(yōu)化、報警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得簡單易懂、操作人性化，深受廣大用戶的喜歡。人機界面（HMI）在自動控制領域的作用日益顯著。HMI正在成為引導工業(yè)生產(chǎn)制造走向成功的重要因素，因為這些系統(tǒng)越來越多的用于監(jiān)控生產(chǎn)過程，讓過程變得更加準確、簡潔和快速，使控制系統(tǒng)變得簡單易懂、操作人性化。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 自 70 年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在職能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表,并在各行各業(yè)廣泛應用。它們主要具有如下特點:（1)適應于大慣性、大滯后等復雜溫度控制系統(tǒng)的控制；（2)能適應于受控系統(tǒng)數(shù)學模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制；（3)能適應于受控系統(tǒng)過程復雜、參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)的控制；（4)這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工職能等理論及計算機技術，運用先進的算法，適應的范圍廣泛；（5)溫度控制器普遍具有參數(shù)自整定功能。借助計算機軟件技術，溫控器具有對控制參數(shù)及特性進行自動整定的功能。有的還具有自學習功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調(diào)整相關控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化；（6)溫度控制系統(tǒng)既有控制精度高、抗干擾能力強、魯棒性好的特點。目前,國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能話、小型化等方面快速發(fā)展。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛,但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講,總體發(fā)展水平仍然不高,同日本、美國、德國等先進國家相比仍然有著較大的差距。目前,我國在這方面總體水平處于20世紀80年代中后期水平,成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主,它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制,難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術還不十分成熟。形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于國外技術保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及我國現(xiàn)場調(diào)試來確定。這些差距，是我們必須努力克服的。隨著我國加入WTO，我國政府及企業(yè)對此非常重視，對相關企業(yè)資源進行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過合資、技術合作等方式，組建了一批合資、合作及獨資企業(yè)，使我國溫度儀表等工業(yè)得到迅速的發(fā)展。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對溫度控制系統(tǒng)的要求越來越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國內(nèi)外必然發(fā)展的趨勢。1.4 項目研究內(nèi)容 可編程控制器(PLC)是集計算機技術、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域，并已成為工業(yè)自動化的三大支柱(PLC、工業(yè)機器人、CAD/CAM)之一。PLC的應用已成為一個世界潮流，在不久的將來PLC技術在我國將得到更全面的推廣和應用。 本論文研究的是PLC技術在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應用。系統(tǒng)設計使用了PLC的熱電阻溫度采集模塊，在上位機的控制下，對工業(yè)現(xiàn)場的溫度進行實時的采集和監(jiān)控。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設計、程序設計，控制對象數(shù)學模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定，人機界面的設計等。 本論文通過德國西門子公司的S7-300系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測到的實際釜溫轉化為電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉換成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉化成占空比，通過三相交流一體化移相調(diào)壓模塊控制釜內(nèi)加熱的功率來實現(xiàn)對反應釜溫度的控制。同時利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設計一個人機界面（HMI），通過串行口與可編程控制器通信，對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便。總體上包括的技術路線：硬件設計，軟件編程，參數(shù)整定等。第二章 系統(tǒng)總體控制方案2.1 控制方案設計本系統(tǒng)是在實驗室原有的常規(guī)溫控儀表控制的部分硬件基礎上建立和完善的。本溫度控制系統(tǒng)的具體指標要求是：對反應釜溫度調(diào)整范圍為20100（20表示為常溫），溫度控制精度小于等于1，系統(tǒng)的超調(diào)量須小于15%。軟件設計須能進行人機對話。本PLC溫度控制系統(tǒng)，是利用PLC作為系統(tǒng)的主控制器，測量電路中的溫度反饋信號經(jīng)A/D變換后，送入PLC中進行處理，經(jīng)過一定的算法后，PLC再輸出信號來控制交流接觸器的通斷，控制反應釜加熱器得到的功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。具體控制算法是將測量元件測得的模擬釜內(nèi)水溫與設定值進行比較，采用PID調(diào)節(jié)加熱。當PID調(diào)節(jié)完成一個周期震蕩后，若出現(xiàn)測得的水溫超過設定水溫1以上，PLC控制執(zhí)行元件放熱水進冷水進行自動調(diào)節(jié)。當水位低于下限值或高于上限值時均停止加熱，內(nèi)部從新調(diào)節(jié)并通過組態(tài)監(jiān)控界面實時顯示報警信號。模擬反應釜內(nèi)的水是通過水泵將貯水箱中的水抽出，通過電磁閥將水放到貯水箱中。使水形成循環(huán)。當設定某一溫度后，啟動水泵向模擬反應釜內(nèi)進水，水位上升到下限液位后，自動啟動PID調(diào)節(jié)加熱。若出現(xiàn)測得的水溫超過設定水溫1以上，PLC控制執(zhí)行元件電磁閥放熱水，同時水泵進冷水以進行自動調(diào)節(jié)9。圖2.1 方案流程圖2.2預期成果通過西門子PLC控制器，溫度傳感器將檢測到的實際爐溫轉化為電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉換成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制反應釜加熱的通斷來實現(xiàn)對釜內(nèi)溫度的控制。同時利用組態(tài)軟件組態(tài)王設計一個人機界面（HMI），通過串行口與可編程控制器通信，對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便。第三章PLC和Kingview基礎3.1可編程控制器的描述 可編程控制器(Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置，它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。 3.1.1產(chǎn)生和應用PLC發(fā)展過程大致可分為三個階段：PLC早期階段（60年代末70年代中期），這時的PLC實際上可稱為可編程邏輯控制器，主要執(zhí)行邏輯運算、定時、計數(shù)和順序控制，硬件上采用準計算機的結構形式，主要采用小規(guī)模集成電路和分立元件電路，其可靠性、方便性高于傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。PLC中期階段（70年代中期80年代中期），微處理器的出現(xiàn)使PLC發(fā)生了巨大的變化，PLC功能大大增強，軟件方面在初期基礎上增加了算術運算、數(shù)據(jù)處理、通信、自診斷功能；硬件方面增加了模擬量及各種特殊功能模板，可靠性進一步提高。PLC近代發(fā)展階段（80年代中期），超大規(guī)模集成電路的采用使PLC的CPU檔次大幅度提高，與此同時各廠商還開發(fā)了專用邏輯處理芯片（ASIC芯片），使PLC軟硬件發(fā)生了巨大變化，這個階段即使是小型PLC，其功能也大大提高，大型機具有強大的網(wǎng)絡功能。1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）成功研制出世界上第一臺可編程序控制器（PDP-14型），并成功地在美國通用汽車公司（GM）自動裝配線上應用。PC產(chǎn)生到現(xiàn)在還不到30年，便以其功能強、應用靈活、結構簡單、編程簡易、使用方便、可靠性高等一系列優(yōu)點很快在美國的其它工業(yè)領域獲得推廣和應用，并迅速應用到世界各國的軍、民用等各個領域。1971年日本從美國引進這項技術，很快研制出第一臺可編程序控制器DSC-18。1973年西歐國家也研制出他們的第一臺可編程控制器。我國從1974年開始研制，1977年開始工業(yè)推廣應用。進入20世紀70年代，隨著電子技術的發(fā)展，尤其是PLC采用通訊微處理器之后，這種控制器功能得到更進一步增強。進入20世紀80年代，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術的迅猛發(fā)展，以16位和少數(shù)32位微處理器構成的微機化PLC，使PLC的功能增強，工作速度快，體積減小，可靠性提高，成本下降，編程和故障檢測更為靈活，方便。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。3.1.2特點及分類主要特點：（1）設計上考慮了工業(yè)環(huán)境、抗干擾能力強和可靠性高。 抗干擾性能好、可靠性高是PLC 最突出的特點之一。PLC采用大規(guī)模集成電路，器件數(shù)量大大減少，輸入/輸出接口電路均采用光電隔離，各輸入端都采用RC濾波，高速輸入端采用數(shù)字濾波，各模塊采取了可防輻射的屏蔽措施，且PLC本身具有完備的自診斷功能，可迅速判斷故障。（2）編程及操作簡便易學PLC編程采用類似于繼電控制系統(tǒng)的梯形圖（LAD），控制系統(tǒng)流程（CSF），語句表（STL）等進行，這種語言簡單直觀，一些大型PLC還允許用高級語言編程，如VASIC，C+等，使用十分方便。（3）采用模塊化結構由于PLC采用模塊化結構，用戶可根據(jù)工業(yè)控制的實際要求選擇各種功能模塊自行組合系統(tǒng)，維護十分方便，當系統(tǒng)某部分發(fā)生故障，只需要更換該模塊系統(tǒng)即可正常工作。（4）具有功能很強的I/O模塊及智能接口模塊 對于不同的工業(yè)控制信號，交、直流電壓和電流，以及數(shù)字、模擬、脈沖等信號都有相應的I/O模板。此外，還有各種有獨立處理器和存儲器的智能模塊，它們可以完成許多特殊功能，如閉環(huán)調(diào)節(jié)、溫度控制、位置控制等，還可用于打印機、終端顯示器等。（5）網(wǎng)絡化PLC可聯(lián)成很強的網(wǎng)絡系統(tǒng)，高速網(wǎng)一般采用令牌通信方式，傳輸速度可達110MB/s，距離可達5001000m，網(wǎng)絡節(jié)點可達1024個；低速網(wǎng)一般采用主從方式通信，傳輸速度可達103以至104B/s，距離可達50015000m。（6）產(chǎn)品系列化、成本低國外PLC每隔幾年便推出一個新系列，許多公司已經(jīng)具有多個系列的產(chǎn)品，一般可分為大、中、小三種類型，由于采用模塊化結構，PLC功能得到充分利用，不僅體積小（僅為繼電系統(tǒng)1/5）、耗電少，而且價格便宜。分類：(一)小型PLC小型PLC 的I/O 點數(shù)一般在128 點以下，其特點是體積小、結構緊湊，整個硬件融為一體，除了開關量I/O以外，還可以連接模擬量I/O 以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運算、計時、計數(shù)、算術、運算數(shù)據(jù)處理和傳送通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應用指令。(二)中型PLC中型PLC 采用模塊化結構，其I/O 點數(shù)一般在2561024 點之間，I/O 的處理方式除了采用一般PLC 通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式即在掃描用戶程序的過程中直接讀輸入刷新輸出，它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。(三)大型PLC一般I/O 點數(shù)在1024 點以上的稱為大型PLC，大型PLC 的軟硬件功能極強，具有極強的自診斷功能、通訊聯(lián)網(wǎng)功能強，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊可以構成三級通訊網(wǎng)實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化，大型PLC 還可以采用冗余或三CPU 構成表決式系統(tǒng)使機器的可靠性更高3.1.3應用范圍 經(jīng)過30年的發(fā)展，PLC具有許多優(yōu)越的性能和特點，很快被應用到工業(yè)控制的各個領域： （1）開關邏輯控制及順序控制。這是PLC最基本的控制功能，可用之取代繼電器控制及順序控制。 （2）計數(shù)控制。PLC具有計數(shù)功能，具有幾個至幾千個計數(shù)器，并有用于計數(shù)的高速計數(shù)模塊。（3）PID控制。中、大型PLC都有PID控制功能。（4）用于機械數(shù)字控制。PLC可與機械加工的數(shù)字控制（NC）及計算機控制（CNC）聯(lián)成一體實現(xiàn)數(shù)值控制；可用于配置柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（SIMS）等。（5）機器人控制。隨著機器人和PLC技術的不斷成熟和發(fā)展，許多機器人廠家開始采用PLC控制機器人動作。（6）組成多級控制系統(tǒng)。新一代PLC均有通信網(wǎng)絡功能，能對遠程I/O進行控制，既能實現(xiàn)PLC之間的通信，又能完成PLC與上位機之間的通信，能方便地構成分散控制，集中管理的分布式控制系統(tǒng)。3.1.4組成和工作原理可編程控制器的組成:PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架。1-電源模塊； 2-后備電池；3-24V DC 連接器；4-模式開關；5-狀態(tài)和故障指示燈；6-存儲器卡(CPU 313 以上)；7-MPI 多點接口；8-前連接器；9-前蓋圖3.1 組裝式PLC(西門子S7-300)1CPU CPU是PLC的核心，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。2.I/O模塊 PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。常用的I/O分類如下：開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。3.編程器 編程器的作用是用來供用戶進行程序的輸入、編輯、調(diào)試和監(jiān)視的。編程器一般分為簡易型和智能型兩類。簡易型只能聯(lián)機編程，且往往需要將梯形圖轉化為機器語言助記符后才能送入。而智能型編程器（又稱圖形編程器），不但可以連機編程，而且還可以脫機編程。操作方便且功能強大。4.存儲器 存儲器（內(nèi)存）主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。系統(tǒng)程序存儲器用于存儲整個系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲器（ROM），具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲器用于存儲用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設計的控制程序，早期一般采用隨機讀寫存儲器（RAM），需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲器（EEPROM）或閃存(Flash Memory)，免去了后備電池的麻煩。5.電源 PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。 可編程控制器的工作原理:PLC的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。 CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。 PLC 就是這樣周而復始地重復上述循環(huán)掃描的。PLC工作的全過程可用圖 2-1 所示的運行框圖來表示。圖 3.2 可編程控制器運行框圖3.2組態(tài)軟件的描述3.2.1組態(tài)的定義組態(tài)就是用應用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務的過程。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的，一種組態(tài)軟件只能適合某種領域的應用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計算機控制中，如DCS(集散控制系統(tǒng))組態(tài)，PLC梯形圖組態(tài)。人機界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。工業(yè)控制中形成的組態(tài)結果是用在實時監(jiān)控的。從表面上看，組態(tài)工具的運行程序就是執(zhí)行自己特定的任務。 工控組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都是內(nèi)置編譯系統(tǒng)，提供類BASIC語言，有的支持VB，現(xiàn)在有的組態(tài)軟件甚至支持C#高級語言。在當今工控領域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，組態(tài)王，力控，易控，MCGS等。本設計采用亞控的組態(tài)王軟件進行組態(tài)的設計1。3.2.2軟件的特點 組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。組態(tài)王軟件具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。3.2.3仿真的基本方法(1)圖形界面的設計 圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應的工控設備。 (2) 構造數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù),就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性,比如水位、流量等。 (3)建立動畫連接 連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。 (4)運行和調(diào)試3.2.4開發(fā)系統(tǒng)編制應用程序注意事項（1）圖形是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應的工控設備。（2）數(shù)據(jù)，就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫，并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性，比如水位、流量等。(3)連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。第四章 控制系統(tǒng)的硬件設計硬件設計是PLC控制系統(tǒng)的至關重要的一個環(huán)節(jié)，這關系著PLC控制系統(tǒng)運行的可靠性、安全性、穩(wěn)定性。本章主要從系統(tǒng)設計結構和硬件設計的角度，介紹該項目的PLC控制系統(tǒng)的設計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設計以及PLC控制器的設計參數(shù)的整定。4.1 PLC控制系統(tǒng)的設計 4.1.1 設計的基本原則1充分發(fā)揮PLC功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求。2在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便。3保證控制系統(tǒng)安全可靠。4應考慮生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進，在選擇PLC的型號、IO點數(shù)和存儲器容量等內(nèi)容時，應留有適當?shù)挠嗔?，以利于系統(tǒng)的調(diào)整和擴充4。 4.1.2 設計的一般步驟 設計PLC應用系統(tǒng)時，首先是進行PLC應用系統(tǒng)的功能設計，即根據(jù)被控對象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行PLC應用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出PLC控制系統(tǒng)的結構形式，控制信號的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結果，具體的確定PLC的機型和系統(tǒng)的具體配置。PLC控制系統(tǒng)設計可以按以下步驟進行：1熟悉被控對象，制定控制方案 分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對 PLC控制系統(tǒng)的控制要求。2確定IO設備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關、選擇開關等)和輸出設備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定PLC的IO點數(shù)。3選擇PLC 選擇時主要包括PLC機型、容量、IO模塊、電源的選擇。4分配PLC的IO地址 根據(jù)生產(chǎn)設備現(xiàn)場需要，確定控制按鈕，選擇開關、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的PLC的型號列出輸入輸出設備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部IO接線圖和編制程序。5設計軟件及硬件進行PLC程序設計，進行控制柜（臺）等硬件的設計及現(xiàn)場施工。由于程序與硬件設計可同時進行，因此，PLC控制系統(tǒng)的設計周期可大大縮短，而對于繼電器系統(tǒng)必須先設計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設計。6聯(lián)機調(diào)試 聯(lián)機調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進行在線統(tǒng)調(diào)。4.2 PLC的選型和硬件配置4.2.1 PLC型號的選擇本溫度控制系統(tǒng)采用德國SIEMENS公司S7-300 PLC。S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。品種繁多的CPU模塊、信號模塊和功能模塊能滿足各種領域的自動控制任務，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時更換模塊也很方便。當系統(tǒng)規(guī)模擴大和更為復雜時，可以增加模塊，對PLC進行擴展。S7-300有很高的電磁兼容性和抗振動抗沖擊能力，有350多條指令，其編程軟件STEP7功能強大，可以使用多種編程語言。S7-300采用緊湊的、無槽位限制的模塊結構，各個模塊都安裝在導軌上，用螺栓鎖緊即可。 電源模塊（PS）、 接口模塊（IM）、 信號模塊（SM）、 功能模塊（FM）、 編程器（PG）、 操作員面板（OP）圖 4.1 S7-300系列PLC系統(tǒng)構成框圖4.2.2 S7-300 CPU的選擇S7-300 系列的PLC有CPU312 IFM、CPU313、CPU314、CPU314 IFM、CPU315/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等多種不同的中央處理器單元可供選擇。此系統(tǒng)選用的S7-300 CPU315-2DP, CPU315-2DP是具有中到大容量程序存儲器和PROFIBUS-DP主/從接口的CPU，它用于包括分布式及集中式I/O的任務中。CPU315-2DP具有64KB，內(nèi)置96KB的裝載存儲器（RAM），可用存儲卡擴充裝載存儲器，最大容量為512KB，指令執(zhí)行速度為300ns/二進制指令，最大可擴展2048點數(shù)字量或256個模擬量通道。4.2.3 數(shù)字量I/O模塊SM323 SM323模塊有兩種類型，一種是帶有8個共地輸入端和8個共地輸出端，另一種是帶有16個共地輸入端和16個共地輸出端，兩種特性相同。I/O額定負載電壓24V DC，輸入電壓“1”信號電平為1130V，“0” 信號電平為-3+5V，I/O通過光耦與背板總線隔離。在額定輸入電壓下，輸入延遲為1.24.8ms.輸出具有電子短路保護功能。4.2.4 模擬量I/O模塊SM334圖 4.2 模擬量I/O模塊SM334模擬量I/O模塊SM334有兩種規(guī)格，一種是有4模入/2模出的模擬量模塊，其輸入、輸出精度為8位，另一種也是有4模入/2模出的模擬量模塊，其輸入、輸出精度為12位。SM334模塊輸入測量范圍為010V或020mA,輸出范圍為010V或020mA。它的I/O測量范圍的選擇是通過恰當?shù)慕泳€而不是通過組態(tài)軟件編程設定的。4.2.5 熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉化為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉換為電勢和電阻的方法最為普遍。其中最為常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度轉化為電勢變化，而熱電阻是將溫度變化轉化為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應用。該系統(tǒng)需要的傳感器是將溫度轉化為電流，且水溫最高是100，所以選擇PT100鉑熱電阻傳感器。PT100是廣泛應用的測溫元件，在-50600范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等。PT100鉑熱電阻，簡稱為：PT100鉑電阻，其阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為138.5歐姆。它的工作原理：當PT100在0攝氏度的時候它的阻值為100歐姆，阻值會隨著溫度上升成勻速增長。4.2.6 三相交流一體化移相調(diào)壓模塊圖 4.3 三相交流一體化移相調(diào)壓模塊結構圖三相交流一體化移相調(diào)壓模塊是一種使用簡單、可靠性高的新型智能模塊，它可直接帶動變壓器等感性負載或電動加熱等阻性負載工作，可采用它實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)外部接線簡單、運行穩(wěn)定，維護和維修方便。一體化三相交流移相調(diào)壓模塊如圖 3-3所示，1、3、5為模塊進線端，2、4、6為模塊出線端，分別連接電源和負載。左側6個接線端為控制功能端，分別為420mA信號輸入端、010V信號輸入端、05V信號輸入端、010mA信號輸入端及手動控制輸入端。當某控制端（如420mA功能端）輸入信號由?。?mA）連續(xù)的變化到最大（20mA）時，模塊的輸出線電壓由0V連續(xù)的變化到電網(wǎng)電壓380V。4.3 系統(tǒng)整體設計方案系統(tǒng)選用了PLC CPU315-2DP為控制器，PT100型熱電阻將檢測到的實際反應釜水溫經(jīng)變送器轉化為電流信號，經(jīng)過SM331模擬量輸入模塊轉化成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出轉化為020mA的電流信號輸入控制三相交流一體化移相調(diào)壓模塊來調(diào)節(jié)輸出功率，從而調(diào)節(jié)反應釜電熱絲的加熱。PLC和組態(tài)王連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控。圖 4.4 系統(tǒng)整體設計方案圖4.4 PLC控制器的設計控制器的設計是整個控制系統(tǒng)設計中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對象的數(shù)學模型和它的各特性以及設計要求，確定控制器的結構以及和受控對象的連接方式。最后根據(jù)所要求的性能指標確定控制器的參數(shù)值。 圖 4.5 各回路反應釜溫度自動控制系統(tǒng)原理方框圖74.4.1 PID控制及參數(shù)整定圖3-6 串級控制系統(tǒng)框圖21.PID控制器的組成3PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其數(shù)學表達式為： (1) 比例系數(shù)KC對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。KC偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。KC太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。KC太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。KC可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。如果KC的符號選擇不當對象狀態(tài)(pv值)就會離控制目標的狀態(tài)(sv值)越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況KC的符號就一定要取反。(2)積分控制i對系統(tǒng)性能的影響： 積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性