課程設(shè)計(jì)（論文）基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、一概述1.1 plc簡(jiǎn)介隨著微處理器，計(jì)算機(jī)的和數(shù)字通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)滲透到所有工業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)前用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)可分為:可編程控制器,基于pc總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī),基與單片機(jī)的測(cè)控裝置,用于模擬量閉環(huán)控制的可編程調(diào)節(jié)器,集散控制系統(tǒng)(dcs)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(fcs)等?？删幊炭刂破魇菓?yīng)用廣泛,功能強(qiáng)大,使用方便的通用工業(yè)控制裝置,已成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的重要支柱.近幾年來(lái)，在國(guó)內(nèi)已得到迅速推廣普及。正改變著工廠自動(dòng)控制的面貌，對(duì)傳統(tǒng)的技術(shù)改造、發(fā)展新型工業(yè)具有重大的實(shí)際意義?？删幊炭刂破鲗?duì)用戶來(lái)說(shuō)，是一種無(wú)觸點(diǎn)設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設(shè)計(jì)階段選用可編

2、程控制器，在實(shí)施階段再確定工藝過(guò)程。另一方面，從制造生產(chǎn)可編程控制器的廠商角度看，在制造階段不需要根據(jù)用戶的要求專門(mén)設(shè)計(jì)控制器，適合批量生產(chǎn)。由于這些特點(diǎn)，可編程控制器問(wèn)世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。可編程序控制器，英文稱programmable controller，簡(jiǎn)稱pc。但由于pc容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer）混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用plc作為可編程序控制器的縮寫(xiě)。它是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)

3、數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。plc是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是plc的程序編制，不需要專門(mén)的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言知識(shí)，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。用戶在購(gòu)到所需的plc后，只需按說(shuō)明書(shū)的提示，做少量的接線和簡(jiǎn)易的用戶程序的編制工作，就可靈活方便地將plc應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。1.2 plc原理現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)

4、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?？删幊炭刂破鞯陌l(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易?？删幊坛绦蚩刂破魇且环N數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可

5、編程程序存儲(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)、和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令。并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。plc及其有關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)該易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。plc是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。即在plc運(yùn)行時(shí)，cpu根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按指令步序號(hào)（或地址號(hào)）作周期性循環(huán)掃描，如無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開(kāi)始下一輪新的掃描。在每次掃描過(guò)程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采樣和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作。plc的掃描

6、一個(gè)周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。plc在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫(xiě)入各對(duì)應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。plc在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運(yùn)算和處理后，其結(jié)果再寫(xiě)入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。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。二硬

7、件設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求本實(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%2.2選擇plc型號(hào)s7-200plc系列是西門(mén)子公司的可編程控制器,這一系列產(chǎn)品可以滿足多種多樣的自動(dòng)化控制要求，由于具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格以及強(qiáng)大的指令，使得s7-200plc可以滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的cpu類(lèi)型和電壓等級(jí)使其在解決用戶的工業(yè)自動(dòng)化問(wèn)題時(shí)，具有很強(qiáng)的是適用性。1臺(tái)s7-200plc包括一個(gè)單獨(dú)的s7-200cpu，或者帶有各種各樣

8、的可選擴(kuò)展模塊。s7-200cpu模塊包括一個(gè)中央處理單元（cpu）、電源以及數(shù)字量i/o點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。cpu負(fù)責(zé)執(zhí)行程序和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制任務(wù)或過(guò)程進(jìn)行控制;輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點(diǎn):輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào)，輸出部分則控制泵、電機(jī)、以及控也過(guò)程中的其他設(shè)備;電源向cpu及其所連接的任何設(shè)備提供電力;通訊端口允許將s7-200cpu同編程器或其他一些設(shè)備連起來(lái);狀態(tài)信號(hào)燈顯示了cpu的工作模式（運(yùn)行或停止），本機(jī)i/o的當(dāng)前狀態(tài)，以及檢查出來(lái)的系統(tǒng)錯(cuò)誤;通過(guò)擴(kuò)展模塊可提供其通訊性能;通過(guò)擴(kuò)展模塊可增加cpu的i/o點(diǎn)數(shù)（cpu221不擴(kuò)展）;一些

9、cpu有內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，或添加實(shí)時(shí)時(shí)鐘卡;eeprom卡可以存儲(chǔ)cpu程序，也可以將一個(gè)cpu中的程序送到另一個(gè)cpu中;通過(guò)可選的插入式電池盒可延長(zhǎng)ram中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間;最大i/o配置。2.3輸入輸出接線圖圖2.3輸入輸出接線圖此面板中的pt100為熱電偶,用來(lái)監(jiān)測(cè)受熱體的溫度，并將采集到的溫度信號(hào)送入變送器，再由變送器輸出單極性模擬電壓信號(hào)，到模擬量模塊，經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算處理后，輸出模擬量電流信號(hào)到調(diào)壓模塊輸入端，調(diào)壓模塊根據(jù)輸入電流的大小，改變輸出電壓的大小，并送至加熱器。為了使溫度變送器正常工作,還要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。2.4輸入輸出接線列表表2.4輸入輸出接線列表模塊端子05 +05 -+

10、-out測(cè)溫模擬量端子v0m0a+a-2.5實(shí)驗(yàn)說(shuō)明(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)理解s7系列的pid功能指令pid循環(huán)（pid）指令根據(jù)表格(tbl)中的輸入和配置信息對(duì)引用loop執(zhí)行pid循環(huán)計(jì)算。提供pid循環(huán)指令（成比例、整數(shù)、導(dǎo)出循環(huán)）進(jìn)行pid計(jì)算。邏輯堆棧（tos）頂值必須是“打開(kāi)”（功率流）狀態(tài)，才能啟用pid計(jì)算。本指令有兩個(gè)操作數(shù)：表示循環(huán)表起始地址的tbl地址和0至7常量的“循環(huán)”

11、號(hào)碼。程序中可使用八條pid指令。如果兩條或多條pid指令使用相同的循環(huán)號(hào)碼（即使它們的表格地址不同），pid計(jì)算會(huì)互相干擾，結(jié)果難以預(yù)料。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)算時(shí)遇到錯(cuò)誤，將設(shè)置sm1

12、.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。）在pid指令框中輸入的表格（tbl）起始地址為循環(huán)表分配三十六（36）個(gè)字節(jié)。表2.5 起始地址表格偏移量域格式類(lèi)型說(shuō)明0pvn進(jìn)程變量雙字-實(shí)數(shù)入包含進(jìn)程變量，必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。4spn定點(diǎn)雙字-實(shí)數(shù)入包含定點(diǎn)，必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。8mn輸出雙字-實(shí)數(shù)入/出包含計(jì)算輸出，在0.0至1.0范圍內(nèi)12kc增益雙字-實(shí)數(shù)入包含增益，此為比例常量，可為正數(shù)或負(fù)數(shù)。16ts樣本時(shí)間雙字-實(shí)數(shù)入包含樣本時(shí)間，以秒為單位

13、，必須為正數(shù)。20ti積分時(shí)間或重設(shè)雙字-實(shí)數(shù)入包含積分時(shí)間或重設(shè)，以分鐘為單位，必須為正數(shù)。24td微分時(shí)間或速率雙字-實(shí)數(shù)入包含微分時(shí)間或速率，以分鐘為單位，必須為正數(shù)。28mx偏差雙字-實(shí)數(shù)入/出包含0.0和1.0之間的偏差或積分和數(shù)值。32pvn-1以前的進(jìn)程變量雙字-實(shí)數(shù)入/出包含最后一次執(zhí)行pid指令存儲(chǔ)的進(jìn)程變量以前的數(shù)值。在p,i,d這三種控制作用中，比例部分與誤差部分信號(hào)在時(shí)間上時(shí)一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時(shí)地產(chǎn)生與誤差成正比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。比例系數(shù)越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高；但是對(duì)于大多數(shù)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，比例系數(shù)過(guò)大，會(huì)使系統(tǒng)的輸出

14、振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。調(diào)節(jié)器中的積分作用與當(dāng)前誤差的大小和誤差的歷史情況都有關(guān)系，只要誤差不為零，控制器的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，一直要到誤差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，積分部分才不再變化，因此，積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。2.6程序簡(jiǎn)單流程圖三軟件設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)梯形圖3.2設(shè)計(jì)指令表ld sm0.1call sbr_0:sbr0ld sm0.0movr 0.1985, vd104movr 0.15, vd112movr 35.0, vd116movr 30.0, vd120movr 0.0, vd124movb 100, smb34atch int_0:int0, 10eni

15、ld sm0.0itd aiw0, ac0dtr ac0, ac0/r 32000.0, ac0movr ac0, vd100ld sm0.0pid vb100, 0ld sm0.0lpsmovr vd108, ac0*r 16000.0, ac0round ac0, ac0dti ac0, ac0movw ac0, mw0movr vd100, ac1-r vd104, ac1ar ac1, 0.0015movw +0, aqw0aeno= m0.0lrdar= ac1, -0.005ar= ac1, 0.0015movw mw0, aqw0aeno= m0.2ld m0.0= q0.0ld

16、 m0.1= q0.1ld m0.2= q0.2四程序調(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(xiě)到模擬輸出寄存器中。輸入的數(shù)據(jù)時(shí)，裝入設(shè)定值0.193，回路増溢0.15，采樣時(shí)間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. 五結(jié)束語(yǔ)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，使我加

17、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(shū)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！在這次課設(shè)中，我以前關(guān)于plc的知識(shí)面得到了拓展，知道的得到了鞏固，不知道的，借助于圖書(shū)館和網(wǎng)絡(luò)得到解決，在相關(guān)的資料的查詢中，我對(duì)信息的篩選能力又得到了提升。再次感謝老師不惜浪費(fèi)自己的時(shí)間來(lái)幫助我決絕問(wèn)題。為以后的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。 而且，這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)進(jìn)行了鞏固，加深了理解，提高了應(yīng)用的能力，提高了我們的發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題的能力。 六參考文獻(xiàn)1.tvt99系列教學(xué)實(shí)物模型使用說(shuō)明書(shū). 天津： 天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院源峰