PLC課程設(shè)計(jì) PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要 溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋 爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機(jī)的溫度控制系統(tǒng)等。加熱爐溫度控制在許多領(lǐng)域中 得到廣泛的應(yīng)用。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行PID 控制, 然而單片機(jī) 控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長(zhǎng) 處, 然而PLC 在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。加熱爐溫度是一個(gè)大慣性系統(tǒng)， 一般采用PID調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。隨著PLC功能的擴(kuò)充在許多PLC 控制器中都擴(kuò)充了 PID 控制功能, 因此在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場(chǎng)所中采用PLC控制是較 為合理的。 可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是繼承計(jì)算機(jī)，自動(dòng)控制

2、技術(shù)和通 信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)裝置。它具有抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜，可靠性強(qiáng)， 編程簡(jiǎn)單，易學(xué)易用等特點(diǎn)。在工業(yè)路領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜愛。國(guó)際 電工委員會(huì)對(duì) PLC 的正式定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系 統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ) 程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算數(shù)操作等面向用戶的指令， 并通過(guò)數(shù)字或模擬或輸入輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破?及有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的 原則設(shè)計(jì)。因此 PLC 已經(jīng)在工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛地應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：可編程控制器，PID

3、，溫度控制系統(tǒng) 目 錄 第一章 概述.3 1.1 應(yīng)用背景.3 1.2 可編程控制器簡(jiǎn)介.3 第二章 硬件設(shè)計(jì).6 2.1、控制要求.6 2.1.1 本實(shí)驗(yàn)說(shuō)明.6 2.1.2 循環(huán)表工作過(guò)程.6 2.2、選擇 PLC 型號(hào).6 2.3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程示意圖.6 2.4、I/O 分配表.7 2.5、I/O 接線圖.8 第三章 軟件設(shè)計(jì).9 3.1、設(shè)計(jì)梯形圖.9 3.2、設(shè)計(jì)指令表.13 第四章 調(diào)試.16 結(jié)束語(yǔ).17 參考文獻(xiàn).18 第一章 概述 1.1 應(yīng)用背景 現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、 低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一需求，生產(chǎn)設(shè)備的控制系

4、統(tǒng)必須具有極高的 靈活性和可靠性，可編程控制器就順應(yīng)而生。隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技 術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已擴(kuò)展到所有的控制領(lǐng)域。在建材，化工，食品，機(jī)械， 鋼鐵，煤礦等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用帶式運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送原料物品。 1.2 可編程控制器簡(jiǎn)介 1)、P可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,簡(jiǎn)稱 PLC) 根 據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)在1987年的可編程控制器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)第三稿中，對(duì)其作了 如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境 應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算， 順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算

5、術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸 入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備， 都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。”可 編程控制器作為目前工業(yè)自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)設(shè)備，被稱為“工業(yè)自動(dòng)化三大支 柱性產(chǎn)業(yè)之一”，在各工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著愈來(lái)愈大的作用。PLC是可編程邏輯 電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語(yǔ)言，在半導(dǎo)體方面有很重要的應(yīng)用，可 以說(shuō)有半導(dǎo)體的地方就有PLC 將 PLC 用于對(duì)交通信號(hào)燈的控制，主要是考慮其具有對(duì)使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) 的特性，同時(shí)其內(nèi)部定時(shí)器資源十分豐富，可對(duì)目前普遍使用的“漸進(jìn)式”信 號(hào)燈進(jìn)行精確控制，特別對(duì)多

6、岔路口的控制可方便的實(shí)現(xiàn)。目前大多品牌的 PLC 內(nèi)部均配有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，通過(guò)編程控制可對(duì)信號(hào)燈實(shí)施全天候無(wú)人化管理。 由于 PLC 本身具有通訊聯(lián)網(wǎng)功能，將同一條道路上的信號(hào)燈組成一局域網(wǎng)進(jìn)行 統(tǒng)一調(diào)度管理，可縮短車輛通行等候時(shí)間，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理。 2)、PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 主要由 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊、和編程模塊組成。 圖 1.1 plc 基本組成圖 PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算 機(jī)相同，基本構(gòu)成為： a、電源 PLC 的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)良好的、可 靠的電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此 PLC 的制造商對(duì)

7、電源的設(shè)計(jì)和制造也十 分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將 PLC 直接連接到交流電網(wǎng)上去 b. 中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接 收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O 以及警戒 定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它 以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然 后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行 邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等

8、所有的用戶程序執(zhí) 行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相 應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高 PLC 的可靠性，近年來(lái)對(duì)大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余 系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng) 仍能正常運(yùn)行。 c、存儲(chǔ)器 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。 d、輸入輸出接口電路 1、現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是 PLC 與 現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道。 2、現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求

9、電路集成， 作用 PLC 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。 e、功能模塊 如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。 f、通信模塊 3)、PLC 的工作原理: 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程 序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn) 行期間，PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 (一) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸 入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后， 轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā) 生

10、變化，I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入 是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情 況下，該輸入均能被讀入。 (二) 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯 形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控 制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn) 算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的 狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí) 行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。在程序執(zhí)

11、行的過(guò)程中如果使用立即 I/O 指 令則可以直接存取 I/O 點(diǎn)。即使用 I/O 指令的話，輸入過(guò)程影像寄存器的值不 會(huì)被更新，程序直接從 I/O 模塊取值，輸出過(guò)程影像寄存器會(huì)被立即更新，這 跟立即輸入有些區(qū)別。 (三) 輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng) 相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是 PLC 的真正輸出。 第二章 硬件設(shè)計(jì) 2.1、控制要求 2.1.1 本實(shí)驗(yàn)說(shuō)明 本實(shí)驗(yàn)的給定值（目標(biāo)值）可以預(yù)先設(shè)定后直接輸入到回路中；過(guò)程變量 由在受熱體中的Pt100 測(cè)量并經(jīng)溫度變送

12、器給出，為單極性電壓模擬量；輸出 值是送至加熱器的電壓，其允許變化范圍為最大值的0% 至 100%。 2.1.2 循環(huán)表工作過(guò)程 循環(huán)表存儲(chǔ)九個(gè)參數(shù)，用于控制和監(jiān)控循環(huán)運(yùn)算，包括程序變量、設(shè)置點(diǎn)、 輸出、增益、樣本時(shí)間、整數(shù)時(shí)間（重設(shè)） 、導(dǎo)出時(shí)間（速率）以及整數(shù)和（偏 差）的當(dāng)前值及先前值。 如果循環(huán)表起始地址或指令中指定的 PID 循環(huán)號(hào)碼操作數(shù)超出范圍，CPU 編譯 器將生成一則錯(cuò)誤（范圍錯(cuò)誤） ，編譯將會(huì)失敗。PID 指令不對(duì)某些循環(huán)表輸入 值進(jìn)行范圍檢查。您必須保證程序變量和設(shè)置點(diǎn)（以及作為輸入的偏差和先前 程序變量）是 0.0 和 1.0 之間的實(shí)數(shù)。如果進(jìn)行 PID 計(jì)算的數(shù)學(xué)運(yùn)

13、算時(shí)遇到錯(cuò) 誤，將設(shè)置 SM1.1（溢出或非法數(shù)值）并終止 PID 指令的執(zhí)行。 （對(duì)循環(huán)表中的 輸出數(shù)值的更新可能不完整，因此您應(yīng)當(dāng)忽略這些數(shù)值，并在執(zhí)行下一個(gè)循環(huán) PID 指令之前糾正引起數(shù)學(xué)錯(cuò)誤的輸入值。 ） 2.2、選擇 PLC 型號(hào) 在這里我們采用德國(guó)西門子公司的 S7-200 可編程控制器，它是積木式結(jié)構(gòu)， 安裝比較方便，中央處理單元和信號(hào)模板有多種類型，另外還具有如位控單元、 PD 調(diào)節(jié)等特殊功能模塊。根據(jù)本系統(tǒng)輸入點(diǎn)數(shù)及控制要求，中央處理單元可選 用 CPU224，該 CPU 板上本身具有 14 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，10 個(gè)非隔離數(shù)字量輸出 點(diǎn)。 2.3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程示意圖 本系統(tǒng)

14、的應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成。主程序的任務(wù) 是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制電加熱爐的正常運(yùn)行。主程序流 程圖如圖 2.3 所示。 圖 2-3 系統(tǒng)主程序 2.4、I/O 分配表 模塊端子 05 + 05 - + - 模擬量端 子 V0M0 A+ A- OUT測(cè)溫 開始 系統(tǒng)的初始化 溫度數(shù)據(jù)采集及處理 溫度值顯示 計(jì)算溫差 e（k）和溫差變化率 智能控制算法程序 控制輸出 求出輸出控制量 ？）（0ke 結(jié)束 N Y 圖 2-3 輸入輸出表 存儲(chǔ)地址數(shù)值說(shuō)明 VD104 50 度目標(biāo)值 VD1160.1s 采樣時(shí)間 VD1120.15 回路增益 VD12030min

15、 積分時(shí)間 VD1240.0 關(guān)閉微分作用 SMB34100 設(shè)定定時(shí)中斷 0 的時(shí)間間 隔 INT-010 設(shè)置定時(shí)中斷 圖 2-4 輸入輸出分配 2.5、I/O 接線圖 圖 2-5 輸入輸出接線 第三章 軟件設(shè)計(jì) 3.1、設(shè)計(jì)梯形圖 MAIN SBR_0 INT_0 3.2、設(shè)計(jì)指令表 LD SM0.1 CALL SBR_0:SBR0 LD SM0.0 MOVR 0.1815, VD104 MOVR 0.15, VD112 MOVR 0.1, VD116 MOVR 30.0, VD120 MOVR 0.0, VD124 MOVB 100, SMB34 ATCH INT_0:INT0, 10

16、 ENI LD SM0.0 ITD AIW0, AC0 DTR AC0, AC0 DIVR 32000.0, AC0 MOVR AC0, VD100 LD SM0.0 PID VB100, 0 LD SM0.0 LPS MOVR VD108, AC0 MULR 16000.0, AC0 ROUND AC0, AC0 DTI AC0, AC0 MOVW AC0, MW0 MOVR VD100, AC1 -R VD104, AC1 AR AC1, 0.0015 MOVW +0, AQW0 AENO = M0.0 LRD AR= AC1, -0.005 AR= AC1, 0.0015 MOVW MW

17、0, AQW0 AENO 第四章 調(diào)試 本程序分為三部分：主程序，子程序，中斷程序。 子程序主要是將各個(gè) PID 運(yùn)算所需的參數(shù)變量輸入寄存器中。 中斷程序主要是將模擬量輸入到寄存器中，并將運(yùn)算完畢的整數(shù)值寫到模擬輸 出寄存器中。 輸入的數(shù)據(jù)時(shí)，裝入設(shè)定值 0.1815，回路増溢 0.15，采樣時(shí)間 0.1 秒，積分時(shí) 間 30 分鐘，關(guān)閉微分作用。設(shè)定定時(shí)中斷 0 的時(shí)間間隔是 100 ms 設(shè)定定時(shí)中 斷，以定時(shí)執(zhí)行 PID 指令。 檢查程序有無(wú)錯(cuò)誤，檢查無(wú)誤后接通電源 ，將程序下載到運(yùn)行模擬平臺(tái)上并運(yùn) 行該程序，并檢查運(yùn)行情況看看是否運(yùn)行正常。運(yùn)行正常停止運(yùn)行，關(guān)閉計(jì)算 機(jī)關(guān)閉電源，結(jié)束

18、。 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，使我加深了對(duì) PLC 梯形圖、指令表、外部接線圖的理 解，還有經(jīng)過(guò)在網(wǎng)上查找資料以及到圖書館學(xué)習(xí)，也使我更好的理解和認(rèn)識(shí)了 關(guān)于 PLC 設(shè)計(jì)原理和實(shí)際中的應(yīng)用過(guò)程。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中我們互相討論，請(qǐng) 教老師，在不斷的調(diào)試各自的程序中，發(fā)現(xiàn)了很多各自的問(wèn)題并進(jìn)行研究解決。 我們?cè)囍貌煌脑O(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的課題，這樣不僅可以拓寬我們的思路， 還可以使我們的設(shè)計(jì)成果更加嚴(yán)謹(jǐn)。本次課程設(shè)計(jì)可以為我以后工作打下一定 的基礎(chǔ)，感謝本次課程設(shè)計(jì)，感謝我的指導(dǎo)老師！ 通過(guò)各方面的努力，最終設(shè)計(jì)出了自己較為滿意的系統(tǒng)。雖然這一周過(guò)得 很辛苦，但是自己付出的努力得到了回報(bào)，那種成

19、就感是任何事物都無(wú)法代替 的。還有在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我們以后的學(xué)習(xí)和工作會(huì)有莫大 的幫助。 參考文獻(xiàn) 1 康華光編著.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）.高等教育出版社，2000 2 于海生編著.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2003 3 李曉瑩編著.傳感器與測(cè)設(shè)技術(shù).高等教育出版社，2002 4 付家才編著.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐.高等教育出版社，2004 5 譚浩強(qiáng)編著.MCS-51 單片機(jī)應(yīng)用教程.清華大學(xué)出版社，2001 6 廖常初編著.大中型 PLC 應(yīng)用教程.機(jī)械工業(yè)出版社，2005 7 秦益霖編著.西門子 S7-300PLC 應(yīng)用技術(shù).電子工業(yè)出版社，2007 tgKQcWA3P

20、tGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGh