基于溫控器計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計實驗研究課程設(shè)計任務(wù)書

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 院專 業(yè)學(xué)生姓名班級學(xué)號課程設(shè)計題目基于溫控器計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計-實驗研究實踐教學(xué)要求與任務(wù):1） 構(gòu)成計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)2） 熟悉溫控器3） 實驗調(diào)試4） thfcs-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗5） 撰寫實驗報告工作計劃與進(jìn)度安排:1） 第12天，查閱文獻(xiàn)，構(gòu)成計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)2） 第34天，熟悉溫控器3） 第56天，實驗調(diào)試4） 第79天，thfcs-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗5） 第10天，撰寫實驗報告指導(dǎo)教師： 201 年 月 日專業(yè)負(fù)責(zé)人：201 年 月 日學(xué)院教學(xué)副院長：201 年 月 日目 錄1 摘要12 溫度控制器簡介22.1 溫度控制器原理22,2溫度控制器的硬件

2、選擇22.3 pid控制的原理33系統(tǒng)組成53.1計算機(jī)控制系統(tǒng)簡介53.2plc簡介53.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)簡介63.4系統(tǒng)組成64實驗過程84.1實驗裝置說明84.2控制手段114.3系統(tǒng)組態(tài)分析124.4pid 參數(shù)的選擇144.5實驗步驟155實驗調(diào)試166實驗結(jié)果與總結(jié)177參考文獻(xiàn)191 摘要隨著生產(chǎn)生活的需要，自動化控制越來越起到至關(guān)重要的作用。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中很普遍的過程控制，人們需要對各種加熱爐，熱處理爐，反應(yīng)爐等鍋爐中溫度進(jìn)行測量與控制。特別是冶金，化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用，其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計一種較為理想的

3、溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的，工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制具有單向性、時滯性、大慣性和時變性的特征，同時要實現(xiàn)溫度控制的快速性和準(zhǔn)確性，對于對于提高產(chǎn)品質(zhì)量具有很重要的意義。對于不同的場所、不同的工藝、不同的產(chǎn)品所需要的溫度范圍不同、精度也不同，則采用的溫度測量元件以及溫度測量方法和控制方法都有所不同；產(chǎn)品工藝不同、溫度控制的精度不同、時效不同，則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同。因此對溫度的控制方法要多種多樣。隨著電子技術(shù)和微型計算的迅速發(fā)展，微機(jī)測量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用微機(jī)對溫度進(jìn)行測控的技術(shù)也隨之而產(chǎn)生。溫度控制對象，在工業(yè)控制過程中，是相當(dāng)重要的控制對象，因為溫度直

4、接的影響到了燃燒、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、蒸餾、濃度，結(jié)晶以及空氣流動等物理的和化學(xué)的變化過程。溫度控制的不好很有可能引起嚴(yán)重的安全事故，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列的問題。溫度控制是許多設(shè)備的重要的構(gòu)成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內(nèi)，以利于進(jìn)行工件的加工與處理。不論是在生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度的變化對生活、生產(chǎn)的某些細(xì)節(jié)環(huán)節(jié)都會造成不同程度的影響，所以適時地對溫度進(jìn)行控制具有重要的意義。本次計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計是基于溫度控制器的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計，實驗要求是通過溫度控制器和現(xiàn)場總線實驗裝置構(gòu)成計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，進(jìn)行實驗研究。通過實驗了解單回路溫度控制系統(tǒng)的組成與工作原理，溫度控

5、制器和pid控制規(guī)律，并通過溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行對被控對象的溫度控制?，F(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集控制(即溫度控制器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計算機(jī)技術(shù))。溫度控制器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度控制器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量日漸上升。了解國內(nèi)外電子溫度控制器生產(chǎn)核心技術(shù)的研發(fā)動向、工藝設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用及趨勢對于企業(yè)提升產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格，提高市場競爭力十分關(guān)鍵。2 溫度控制器簡介2.1 溫度控制器原理溫度控制器是基于單片機(jī)開發(fā)的溫度控制裝置。其主要功能是，根據(jù)用戶設(shè)定溫度與實際溫度的差值來控制加熱器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而改變溫度至用戶所需。近些年來，因為溫度控

6、制器環(huán)節(jié)已經(jīng)被納入為分布式控制系統(tǒng)（dcs），個人電腦（pc）和可編程邏輯控制器（plc），全球工業(yè)電子溫度控制器市場增長緩慢。隨著我國電子溫度控制器市場的迅猛發(fā)展，與之相關(guān)的核心生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點。溫度控制技術(shù)無論在工業(yè)生產(chǎn)還是日常生活中都起著重要的作用，已成為工業(yè)生產(chǎn)、科研活動中很重要的一個環(huán)節(jié), 能否成功地將溫度控制在所需的范圍內(nèi)關(guān)系到整個活動的成敗。由于控制對象的多樣性和復(fù)雜性, 導(dǎo)致溫度的控制方法多種多樣，諸如plc控制，和數(shù)字pid調(diào)節(jié)等等。常規(guī)的溫度控制方法以設(shè)定溫度為零節(jié)點，超出設(shè)定允許范圍就進(jìn)行溫度調(diào)控，低于設(shè)定值就加熱，反之就停止或降溫。這種方法實

7、現(xiàn)簡單，成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不夠高，容易引起振蕩，達(dá)到穩(wěn)定的時間也長。因此，只能用于精度要求不高的場合。采用pid算法進(jìn)行溫度控制，它具有控制精度高，能夠克服容量滯后的特點，特別適用于精度要求不高的場合。2,2溫度控制器的硬件選擇溫度控制器的硬件選擇通常有兩種方案方案一：利用單片機(jī)實現(xiàn)溫度控制本設(shè)計主要圍繞單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，從實際應(yīng)用出發(fā)，選取了體積小、精度相對較高的數(shù)字式溫度傳感器件ds18b20作為溫度采集裝置，以單片機(jī)89c51作為主控芯片，lcd 1602作為顯示輸出。ds18b20直接采集數(shù)據(jù)并以數(shù)字的形式傳到處理器，處理器會檢查現(xiàn)場溫度并將其與用戶設(shè)定的溫度進(jìn)行比對

8、，實現(xiàn)了對溫度的實時測量，當(dāng)溫度超出設(shè)定范圍系統(tǒng)將會自動調(diào)節(jié)加熱或者降溫系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了實時恒溫控制。方案二：利用plc實現(xiàn)溫度控制利用plc實現(xiàn)恒溫控制，采用plc控制實現(xiàn)電熱絲加熱全通、間斷導(dǎo)通和全斷加熱的自控方式，來保持溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測對象中，熱電偶的傳感信號與恒定溫度的給定電壓進(jìn)行比較，生成溫差，自適應(yīng)恒溫控制電路根據(jù)差值大小控制電路的通斷。方案一采用單片機(jī)實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為自動化領(lǐng)域和其他測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)更是起到了不可替代的核心作用。綜上

9、所訴采用單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制成本低，而且具有較高的可靠性，保證系統(tǒng)工作在最佳工作狀態(tài)提高系統(tǒng)控制精度，有利于提高系統(tǒng)工作效率。對于系統(tǒng)動態(tài)性能與穩(wěn)定要求不是很高的場合非常的合適，采用ds18b20作為溫度傳感器，直接得到數(shù)字信號，通過單片機(jī)對偏差進(jìn)行運算。隨著微機(jī)測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機(jī)為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對溫度的控制水平。方案二采用plc進(jìn)行控制，plc的成本比單片機(jī)高出太多，而且還要提供良好的工作環(huán)境，對周邊設(shè)備的要求也很高。:所以大多數(shù)溫度控制器采用單片機(jī)作為控制器2.3 pid控制的原理在溫度控制技術(shù)當(dāng)中，pid

10、控制技術(shù)應(yīng)用相對來說比較廣泛，pid控制器算法簡單，計算量少，恒溫效果穩(wěn)定。所以溫度控制器通常采用pid算法進(jìn)行溫度控制。下面介紹pid控制比例、積分、微分控制是應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，簡稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用

11、pid控制技術(shù)。pid控制，實際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。比例（p）控制：比例控制是一種最簡單,最常用的控制方式4。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 積分（i）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大

12、，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（d）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能

13、預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。pid的基本算式有：位置型、增量型和速度型三種形式，其中最常用的事增量型式。設(shè)u(n)為本周期pid控制器的輸出（控制量），e(n)為本周期的pid輸入偏差信號，e(n-1)為上一個周期的偏差信號，e(n-2)為上上個周期的偏差信號。kp 為比例增益，ti為積分時間，td為微分時間，則pid基本算式的公式如下：1）位置型pid算式 （3.1）根據(jù)微分方程和差分方程的對應(yīng)關(guān)系可知

14、，如果微分方程中的積分運算對應(yīng)差分方程 的累加運算，微分方程對應(yīng)一個周期的增量變化，則能很容易的推導(dǎo)出表達(dá)式3.1。2）增量型pid算式 （3.2）由增量型pid算式也可以得到pid控制器的位置輸出： （3.3）3）pid一般算式及模擬控制規(guī)律u（t）=kce(t)+ (3.4)pid算法的原理即調(diào)節(jié)kc,ti,td三個參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到平衡。pid 控制原理的優(yōu)點在于能夠在控制過程中根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律不停地自動調(diào)節(jié)控制量以使被控系統(tǒng)朝著設(shè)定的平衡狀態(tài)過度, 最后達(dá)到控制范圍精度內(nèi)的穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)。要使用好pid 控制原理, 關(guān)鍵在于根據(jù)實際情況確定pid 的各種參數(shù)，可以調(diào)整pid控制

15、參數(shù)，滿足不同控制對象與控制品質(zhì)要求。它是根據(jù)被控過程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間大小。這項工作可能是費時的, 但做好了, 將會提高控制器的使用效果, 達(dá)到較高的控制精度, 是值得的。3系統(tǒng)組成3.1計算機(jī)控制系統(tǒng)簡介所謂計算機(jī)控制系統(tǒng)，就是有計算機(jī)去取代傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中控制器的相關(guān)功能。計算機(jī)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)主要包括計算機(jī)、過程輸入/輸出通道和檢測與執(zhí)行裝置。對于大部分計算機(jī)控制系統(tǒng)，其被控過程通常為連續(xù)時間系統(tǒng)，因此需要經(jīng)過對連續(xù)信號的采樣過程，將連續(xù)信號離散化，以便計算機(jī)對其進(jìn)行處理。由于引入計算機(jī)與數(shù)字信號，計算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可以歸納為以下三個步驟：實時

16、數(shù)據(jù)采集，實時決策，實時控制。以上三個步驟按順序執(zhí)行，從而使整個系統(tǒng)按照一定性能指標(biāo)的要求進(jìn)行工作、工業(yè)控制是計算機(jī)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，計算機(jī)控制系統(tǒng)正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來的一門專業(yè)技術(shù)，它主要研究如何將計算機(jī)技術(shù)、通過信息技術(shù)和自動控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計出所需要的計算機(jī)控制系統(tǒng)。3.2plc簡介可編程控制器(programmable controller)是集計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，并已經(jīng)成為工業(yè)自動化的三大支柱（plc、工業(yè)機(jī)器人、cad/cam）之一。plc的工作方式是一個不斷循

17、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(jié)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(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù),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(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的plc控制技術(shù)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(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)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

18、相當(dāng)?shù)囊饬x。3.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)簡介現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)為計算機(jī)控制系統(tǒng)典型應(yīng)用形式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（fcs）是在分布式控制系統(tǒng)（dcs）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高級形式，其核心是引入現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線是連接過程控制現(xiàn)場各種智能設(shè)備與中央監(jiān)控之間的全數(shù)字，雙向通訊網(wǎng)絡(luò)，是一種專門面向工業(yè)控制現(xiàn)場的實時，高可靠性數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。fcs中的現(xiàn)場智能設(shè)備為具有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議現(xiàn)場總線接口的數(shù)字化多功能儀表，采用總線供電，具有本質(zhì)安全性，一般具有良好的互換性與互操作性。與傳統(tǒng)的dcs相比，fcs主要改變了現(xiàn)場控制層的結(jié)構(gòu)，摒棄了傳統(tǒng)dcs中的相對集中現(xiàn)場控制，而將其化整為零，分散于各種現(xiàn)場儀表與設(shè)備，并通過現(xiàn)場總線構(gòu)

19、成相應(yīng)的控制回路，實現(xiàn)了真正的分散控制。3.4系統(tǒng)組成溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是通過實驗的需要選擇硬件，然后將選擇的硬件組成控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和方框圖如圖3-1所示。在以plc控制為核心，加熱爐為基礎(chǔ)的溫度自動控制系統(tǒng)中，plc將加熱爐溫度設(shè)定值與溫度傳感器的測量值之間的偏差經(jīng)pid運算后得到的信號控制輸出電壓的大小，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實現(xiàn)溫度自動控制的目的。文章介紹了基于s7-300溫度控制系統(tǒng)的pid調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)。本系統(tǒng)是一個典型的檢測、信號處理、輸入運算到輸出控制電爐加熱功率以實現(xiàn)水溫控制的全過程。因此，應(yīng)以plc為核心組成一個專用計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足檢測、控制應(yīng)用類型的功能要求。

20、另外，plc的使用也為實現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)界面及多機(jī)通信皆空提供了可能。本次課程設(shè)計用thfcs-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗設(shè)備構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。以plc為控制器，鍋爐內(nèi)膽作為被控對象，內(nèi)膽的水溫為系統(tǒng)的被控制量。試驗中鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定至給定量，將鉑電阻tt1檢測到的鍋爐內(nèi)膽溫度信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制三相調(diào)壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達(dá)到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。thfcs-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗裝置是由實驗控制對象、實驗控制柜及上位監(jiān)控pc機(jī)三部分組成。本實驗裝置控制柜中的cpu模塊采用cp5611網(wǎng)卡進(jìn)行通訊通訊方式。通訊協(xié)議

21、為profibus-dp。圖3-1 鍋爐內(nèi)膽溫度特性測試系統(tǒng)a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖本實驗控制系統(tǒng)流程圖如圖3-2所示。圖3-2 實驗控制系統(tǒng)流程圖本實驗主要涉及兩路信號，一路是現(xiàn)場測量信號鍋爐內(nèi)膽溫度，另外一路是控制移項調(diào)壓模塊輸出的控制信號。鍋爐內(nèi)膽溫度的檢測裝置為pt100熱電阻，pt100熱電阻檢測到的信號傳送給溫度變送器，本系統(tǒng)采用帶profibus-pa通訊接口的溫度變送器，掛接在profibus-pa總線上，profibus-pa總線通過link和coupler組成的dp鏈路與profibus-dp總線交換數(shù)據(jù)，profibus-dp總線上掛接有控制器cpu315-2 dp，這樣

22、就完成了現(xiàn)場測量信號到cpu的傳送。本實驗的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為移項調(diào)壓塊，移項調(diào)壓模塊所需的控制信號是4到20ma電流信號?？刂菩盘栍煽刂破鱟pu315-2 dp發(fā)出，經(jīng)由profibus-dp總線到達(dá)分布式i/o模塊et200m，模擬量輸出模塊sm332和分布式i/o模塊et200m直接相連，最后模擬量輸出4到20ma電流信號控制移項調(diào)壓模塊的輸出電壓。4實驗過程本實驗是通過thfcs-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗裝置構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)，使其鍋爐內(nèi)膽水溫保持在給定值。該系統(tǒng)由水箱、閥門、變頻器、磁力泵、鍋爐內(nèi)膽、三相調(diào)壓裝置、電加熱管、溫度傳感器、可編程邏輯控制器等組成。pid控制器通過檢測溫度信號實時控制

23、調(diào)節(jié)閥的開度以及可控硅的電壓，使鍋爐內(nèi)膽水溫保持在給定值左右的一定范圍之內(nèi)。本系統(tǒng)可以通過外部端子的開關(guān)或者遠(yuǎn)程監(jiān)控，使系統(tǒng)自動進(jìn)行pid運算，保證最后鍋爐內(nèi)的水溫。4.1實驗裝置說明實驗對象總貌圖如圖4-1所示：一、本實驗裝置對象主要由水箱、鍋爐和盤管三大部分組成。供水系統(tǒng)有兩路：一路由三相（380v恒壓供水）磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、電磁閥、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動泵、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成。被控對象由不銹鋼儲水箱、（上、中、下）三個串接有機(jī)玻璃水箱、4.5kw三相電加熱模擬鍋爐(由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構(gòu)成)、盤管和敷塑不銹鋼管道等組成。1

24、水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。2模擬鍋爐：是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐。3盤管：模擬工業(yè)現(xiàn)場的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)，4管道及閥門：整個系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，圖4-1 實驗對象總貌圖檢測裝置1壓力傳感器、變送器：三個壓力傳感器分別用來對上、中、下三個水箱的液位進(jìn)行檢測，其量程為05kp，2溫度傳感器：裝置中采用了六個pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來檢測鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套、盤管（有3個測試點）以及上水箱出口的水溫。3模擬轉(zhuǎn)換器：三個模擬轉(zhuǎn)換器（渦輪流量計）分別用來對由電動調(diào)節(jié)閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進(jìn)行檢測。執(zhí)行機(jī)構(gòu)1電動調(diào)節(jié)閥：采用智能

25、直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。2水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為16cq-8p，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180w。3電磁閥：在本裝置中作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。4三相電加熱管：由三根1.5kw電加熱管星形連接而成，用來對鍋爐內(nèi)膽內(nèi)的水進(jìn)行加溫，每根加熱管的電阻值約為50左右。二、“thj-3型 西門子plc過程控制系統(tǒng)”的控制柜主要由電源控制組件、西門子plc控制組件、變頻器控制組件等幾部分組成。1、電源控制組件充分考慮人身安全保護(hù)，裝有漏電保護(hù)空氣開關(guān)。接上三相四線電源，打開總電源開關(guān)，此時三只電壓表均指示380v左右，控制柜后面的插座帶電；打

26、開風(fēng)扇開關(guān)，可以給控制柜散熱；打開控制站電源，西門子s7-300plc既可上電。打開三相電源開關(guān)后，打開三相磁力泵和三相電加熱管開關(guān)既可各自上電。打開單相電源開關(guān)后，打開電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、電磁閥開關(guān)既可各自上電。2、西門子plc控制組件在本裝置中采用了s7-300plc控制系統(tǒng)。s7-300plc控制系統(tǒng)：本實驗裝置采用了的中小型plc（cpu315-2dp主機(jī)模塊，sm323：8路數(shù)字量輸入輸出模塊，sm331：8路模擬量輸入模塊，sm332：4路模擬量輸出模塊，cp343-1以太網(wǎng)模塊。）以及一塊西門子cp5611專用網(wǎng)卡和一根mpi網(wǎng)線。3、交流變頻器采用日本三菱公司的fr-d720s

27、-0.4k-cht型變頻器，控制信號輸入為420madc，交流220v變頻輸出用來驅(qū)動三相磁力驅(qū)動泵。4、三相移相scr調(diào)壓裝置采用三相可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為420ma標(biāo)準(zhǔn)電流信號，其移相觸發(fā)角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電壓，從而實現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制。三、本裝置中plc控制方案采用了德國西門子公司的s7-300plc，采用的是step 7編程軟件。利用這個軟件可以對plc進(jìn)行編程、調(diào)試、下裝、診斷。s7-300plc控制方案采用wincc軟件作為上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件，西門子公司的wincc是wlndowscontroiconter(視窗控制中心)的簡稱。

28、 wincc是結(jié)合西門子在過程自動化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和microsoft的強(qiáng)大功能的產(chǎn)物。作為一個國際先進(jìn)的人機(jī)界面(hmi)軟件和scada系統(tǒng)，wincc提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板；并具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)；wincc還為用戶解決方案提供了開放的界面，使得將wincc集成入復(fù)雜、廣泛的自動化項目成為可能。4.2控制手段實踐證明溫度對象的特點是:時間常數(shù)大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，反應(yīng)在控制系統(tǒng)上，就是被控溫度的變化滯后于調(diào)節(jié)器的輸出。我們知道熱量的傳遞是需要一定時間的，溫度上升的快慢與其熱容量的大小有關(guān)，通常溫度的上升與下降和時間的關(guān)系是一

29、個指數(shù)曲線關(guān)系。而產(chǎn)生滯后則與熱量的傳遞過程有關(guān)，再者測溫元件也有一定的慣性，這些都會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱儲存能力大，慣性也較大的特點，水在容器內(nèi)的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，因為可以將它歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來說，熱過程大多具有較大的滯后，它對于任何信號的響應(yīng)都會推遲一些時間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。對于這樣存在大的滯后特性的過度過程控制，一般可以采用以下幾種控制方案。1）、輸出開關(guān)量控制2）、比例控制（p控制）3）、比例積分控制（ip控制）4）、比例積分加微分控制（ipd控制）結(jié)合本例題設(shè)計任務(wù)與我們采用比例積分加微分（pid）控制。其特點是微分的

30、作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，它對克服對象的容量滯后有顯著地效果。在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，同時積分作用可以消除余差。采用pid的控制方式，可以最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度，調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。通過以上的分析，系統(tǒng)的總的滯后時間比較大，升溫的滯后時間相對降溫來說是比較小的。因此，在pid調(diào)節(jié)中，要使系統(tǒng)的品質(zhì)變好，除了加入適當(dāng)?shù)姆e分以消除靜態(tài)誤差外，還應(yīng)該加強(qiáng)比例作用使調(diào)節(jié)更加靈敏，減小調(diào)節(jié)時間，同時還應(yīng)該加入適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔茫瓜到y(tǒng)的超調(diào)量減小。在本次課程設(shè)計中，pid控制器通過檢測溫度信號實時控制調(diào)節(jié)閥的開度以及三相調(diào)壓模塊的輸出電壓，使鍋爐內(nèi)膽水

31、溫保持在給定值左右的一定范圍之內(nèi)。該系統(tǒng)不僅采用自動控制原理，而且采用控制調(diào)節(jié)閥流量的開度的可變量來精確的控制鍋爐內(nèi)膽的水溫。4.3系統(tǒng)組態(tài)分析組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務(wù)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(lǐng)域的應(yīng)用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計算機(jī)控制中，如dcs(集散控制系統(tǒng))組態(tài)，plc梯形圖組態(tài)。人機(jī)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(jié)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(wù)。wincc是西門子公司開發(fā)的上位機(jī)組態(tài)軟件，通過wincc可以與step7通訊，對控制對象進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測和控制。監(jiān)控

32、設(shè)計畫面如圖4-2所示。 圖4-2 實驗界面wincc指的是windows control center，它是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)交換使其具有高度的實用性。wincc 是基于windows nt 32位操作系統(tǒng)的，在windows nt或windows 2000標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中，wincc具有控制自動化過程的強(qiáng)大功能 ，它是基于個人計算機(jī)，同時具有極高性價比的操作監(jiān)視系統(tǒng)。wincc的顯著特性就是全面開放，它很容易結(jié)合用戶的下位機(jī)程序建立人機(jī)界面，精確的滿足控制系

33、統(tǒng)的要求。不僅如此，wincc還建立了像dde、ole等在windonws程序間交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)接口，因此能毫無困難的集成activex控制和opc服務(wù)器、客戶端功能。wincc的通訊連接和畫面組態(tài)方法wincc的通訊連接是組態(tài)上位機(jī)監(jiān)控界面的第一步。在wincc的變量管理器里添加新的驅(qū)動程序之后，你就會看到wincc有很多種通訊連接方式，根據(jù)你的通訊硬件配置選取正確的通訊連接方式。wincc比較常用的的通訊方式有mpi、profibus和工業(yè)以態(tài)網(wǎng)，本系統(tǒng)在上位監(jiān)控機(jī)和控制器之間采用工業(yè)以太網(wǎng)方式通訊，在控制器和現(xiàn)場裝置之間采用profibus方式通訊。wincc中建立和plc通訊連接所必須的

34、組態(tài)步驟。1、通訊驅(qū)動程序wincc中的通訊通過使用各種通訊驅(qū)動程序來完成，對于不同總線系統(tǒng)上不同plc的連接，會有相應(yīng)的通訊驅(qū)動程序可用。2、通道單元變量管理器中的通訊驅(qū)動程序條目包含一些子條目，這就是通常所說的通訊驅(qū)動程序的通道單元，每個通道單元構(gòu)成一個確定的從屬硬件驅(qū)動程序,pc通訊模塊的接口必須對通道單元尋址的通訊模塊進(jìn)行定義。3、連接通道單元要讀寫plc的過程值，必須建立與該plc的連接。通過右鍵單擊相應(yīng)的通道單元條目，并從彈出式菜單中選擇“新建驅(qū)動程序連接”來建立wincc與plc之間的連接。4、wincc變量要獲得plc中的某個數(shù)據(jù)，必須組態(tài)wincc變量，相對于沒有過程驅(qū)動程序

35、連接的內(nèi)部變量，我們稱這些變量為外部變量。在wincc中建立了通訊連接和wincc變量之后，接下來重要的一步就是畫面組態(tài)了。用鼠標(biāo)左鍵單擊wincc變量管理器窗口中的“圖形編輯器”條目，再在右邊窗口空白處右鍵單擊，選擇“新建畫面”條目，右邊窗口就會出現(xiàn)新建的畫面，鼠標(biāo)左鍵雙擊，進(jìn)入圖形編輯器。組態(tài)界面設(shè)計完畢，保存并激活wincc，運行工程，可以查看變量曲線的變化，通過對pid相應(yīng)控制參數(shù)的設(shè)定，就可以讓測量值跟蹤設(shè)定值，達(dá)到pid控制的目的，實現(xiàn)在計算機(jī)上對控制對象的監(jiān)控。本實驗中組態(tài)是通過通訊協(xié)議使上位機(jī)監(jiān)視工藝流程的各個環(huán)節(jié)的情況，并根據(jù)要求隨時提供控制信號。其主要功能有實時處理、繪出實

36、時溫度曲線、記錄溫度歷史曲線、記錄及顯示報警和參數(shù)修改。4.4pid 參數(shù)的選擇pid控制算法結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的pid調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種pid的變型，如pi、pd控制及改進(jìn)的pid控制等。它具有許多特點，如不需要求出數(shù)學(xué)模型、控制效果好等，本課程設(shè)計選用pid控制規(guī)律控制溫度。如前所述, pid 的主要參數(shù)是kp、ti 及td。其選擇方法是: 首先根據(jù)控制系統(tǒng)的特性確定k p 的極性。在本文中, 其極性應(yīng)為負(fù), 而不是正極性; 并且實驗發(fā)現(xiàn), 本系統(tǒng)雖然屬于具有延遲效應(yīng)的溫度控制系統(tǒng), 但kp 不能選擇過大, 否則將不穩(wěn)定。其次, ti 及td 的選擇相對而言就不是

37、很嚴(yán)格了, 可根據(jù)設(shè)計者的要求(如希望積分作用明顯還是微分作用明顯) 而定。關(guān)于采樣周期則可以根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)的延遲時間而定, 一般可選擇比系統(tǒng)響應(yīng)稍快些即可, 選擇過小的采樣周期反而不好。本文選擇的是與系統(tǒng)響應(yīng)時間相當(dāng)?shù)牟蓸又芷? 約0.3 0.5s。pid 參數(shù)的選擇不是唯一的, 但一定要選擇好關(guān)鍵參數(shù)。在本文中則應(yīng)仔細(xì)選擇kp ,然后再選擇其它參數(shù)。只要一組pid 參數(shù)能夠較好地用于控制系統(tǒng), 并且控制效果也是較好的, 則說明這樣一組參數(shù)是合適的。經(jīng)過上述的分析，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)基本確定了，在系統(tǒng)投運之前還要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法

38、。理論計算整定法是在已知被控對象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，經(jīng)過理論的計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），求得最佳的整定參數(shù)。這類方法比較復(fù)雜，工作量大，而且用于分析法或?qū)嶒灉y定法求得的對象數(shù)學(xué)模型只能近似的反映過程的動態(tài)特征，整定的結(jié)果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應(yīng)用。對于工程整定法，工程人員無需知道對象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計算所學(xué)的理論知識，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡單、實用，在實際工程中被廣泛的應(yīng)用常用的工程整定法有經(jīng)驗整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗整定法整定控制器的參數(shù)值。整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。

39、（1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié) 若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過步驟（2），pi控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成pid控制。先置微分時間td=0，逐漸加大td，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和pid控制參數(shù)。采樣

40、周期的分析采樣周期ts越小，采樣值就越能反應(yīng)溫度的變化情況。但是，ts太小就會增加cpu的運算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒什么變化，將是pid控制器輸出的微分部分接近于0，所以不應(yīng)使采樣時間太小。，確定采樣周期時，應(yīng)保證被控量迅速變化時，能用足夠多的采樣點，以保證不會因采樣點過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。因為本系統(tǒng)是溫度控制系統(tǒng)，溫度具有延遲特性的慣性環(huán)節(jié)，所以采樣時間不能太短，一般是15s20s，本系統(tǒng)采樣17s4.5實驗步驟本實驗選擇鍋爐內(nèi)膽水溫作為被控對象，實驗之前將儲水箱中貯足水量，然后將閥門f2-1、f2-6、f1-13全開，將鍋爐出水閥門f2-12關(guān)閉，其余閥門也關(guān)閉。打

41、開變頻磁力泵電源給鍋爐內(nèi)膽貯一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的紅線位置），然后關(guān)閉閥f1-13，打開閥f1-12，為給鍋爐夾套供冷水做好準(zhǔn)備。具體實驗內(nèi)容與步驟如下。1.弱電連線：將“tt1 鍋爐溫度”（pt100電阻信號）對應(yīng)接至模擬量輸入通道e1、s1、c1；將模擬量輸出通道ao0接至scr移相調(diào)控輸入，模擬量輸出通道ao1接至變頻器控制信號。2接通總電源空氣開關(guān)，閉合三相電源和單向電源，打開變頻器和控制站電源，給變頻器、s7-300plc上電。3打開step 7軟件，打開“s7-300plc”程序進(jìn)行下載，然后將s7-300plc置于運行狀態(tài)，然后運行wincc組態(tài)軟件，打開“s7

42、-300plc控制系統(tǒng)”工程，然后激活wincc運行環(huán)境，在主菜單中點擊“實驗六、鍋爐內(nèi)膽水溫pid控制”，進(jìn)入“實驗六”的監(jiān)控界面。4將wincc設(shè)置為“手動”，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值（50%70%）。5打開三相電加熱管開關(guān)，三相電加熱管通電加熱，適當(dāng)增加/減少輸出量，使鍋爐內(nèi)膽的水溫平衡于設(shè)定值。6按經(jīng)驗法或動態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇pid控制規(guī)律，并按整定后的pid參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。7待鍋爐內(nèi)膽水溫穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待水溫平衡后，突增（或突減）設(shè)定值的大小，使其有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化（即階躍干擾，此增量不宜過大，一般為設(shè)定值的515%

43、為宜），于是鍋爐內(nèi)膽的水溫便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水溫穩(wěn)定至新的設(shè)定值，記錄此時的設(shè)定值、輸出值和參數(shù)。8適量改變pid參數(shù)，重復(fù)步驟6，用計算機(jī)記錄不同參數(shù)時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。9打開變頻器電源開關(guān)，給變頻器上電，將變頻器設(shè)置在適當(dāng)?shù)念l率（25hz左右對應(yīng)wincc開度為50%），變頻器支路開始往鍋爐夾套打冷水，重復(fù)步驟48，觀察實驗的過程曲線與前面不加冷水的過程有何不同。10分別采用p、pi、pd控制規(guī)律重復(fù)實驗，觀察在不同的pid參數(shù)值下，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。5實驗調(diào)試實驗調(diào)試分為plc程序調(diào)試和wincc調(diào)試plc程序的調(diào)試分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試兩個調(diào)試過程，在此之前首先對p

44、lc外部接線作仔細(xì)檢查，外部接線一定要準(zhǔn)確無誤。也可以用事先編寫好的試驗程序?qū)ν獠拷泳€做掃描通電檢查來查找接線故障。為了安全考慮，最好將主電路斷開。將編寫完成的程序逐條仔細(xì)檢查，并改正寫入時出現(xiàn)的錯誤。當(dāng)我寫完程序過后，首先編譯檢查錯誤，看使用的語句中是否有違反plc規(guī)定的用法，發(fā)現(xiàn)了語句錯誤過后馬上進(jìn)行修改，通過多次的修改，最后程序沒有語言錯誤，下面就是檢查是否有邏輯錯誤，看整個程序的運行狀況怎么樣，能否達(dá)到預(yù)期的效果。wincc的調(diào)試也是主要檢查各個變量是否準(zhǔn)確無誤的連接上了，是否能正常的通訊。(1) 在“參數(shù)設(shè)置”窗口上，分別設(shè)置六個參數(shù)，然后將窗口切換“系統(tǒng)運行”窗口，點擊啟動和自動控制，觀察“實時曲線”窗口，五分鐘后，在實時曲線中記錄的曲線為給定和實際溫度值，符合參數(shù)設(shè)置中的給定值，