基于S7200的自制溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)心得

1、 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)報(bào)告題 目: 基于S7200的自制溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 別: 自動(dòng)化系 _ 專 業(yè): 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名: 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)教師: 目 錄一、概述2二、溫度控制原理3三、自制溫度控制方案設(shè)計(jì)4四、自制溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6實(shí)訓(xùn)心得參考書(shū)籍一、 概述這周實(shí)訓(xùn)任務(wù)是設(shè)計(jì)一種基于S7200的自制溫度控制系統(tǒng)，并利用組態(tài)王軟件組態(tài)較人性化的人機(jī)畫(huà)面，組態(tài)軟件采用組態(tài)王或者M(jìn)CGS。闡述該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。采用模塊化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)EM235采集到的參數(shù)，利用西門子PLC200內(nèi)部集成PID算法使被控對(duì)象的溫度值趨于給定值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的檢測(cè)和自動(dòng)控制功能。二、 溫

2、度控制原理本系統(tǒng)是采用模塊控制，原理框圖如下圖所示。通過(guò)EM235的AI口對(duì)溫度變送器使出端進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、量化和工程標(biāo)度變換，將采集的參數(shù)傳到PLC的PID控制器中，通過(guò)和設(shè)定值的對(duì)比，然后將PLC中PID控制器輸出通過(guò)EM235 得AO輸出0-5V電壓，作為驅(qū)動(dòng)模塊的輸入信號(hào)，該模塊將接收的0-5V可調(diào)電壓變換成0-24V可調(diào)電壓給電加熱絲，從而控制電加熱絲的加熱強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制。三、 自制溫度控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)有兩種控制方案：模塊控制；繼電器控制。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)方案中控制器采用西門子PLC200，IO模版采用工控室與西門子配套的5套EM235(其中4個(gè)AI，1個(gè)AO)，被控

3、對(duì)象為溫度對(duì)象。方案實(shí)現(xiàn)如圖1和圖2所示 方案1：模擬量輸出控制，將PLC中PID控制器輸出通過(guò)EM235 AO輸出0-5V電壓，該0-5V電壓作為方案1中驅(qū)動(dòng)模塊的輸入信號(hào)，該模塊將接收的0-5V可調(diào)電壓變換成0-24V可調(diào)電壓給電加熱絲，從而控制電加熱絲的加熱強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制。 方案2：繼電器輸出控制，將PLC中PID運(yùn)算得到的變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為占空比可調(diào)的脈沖信號(hào)輸出，該脈沖信號(hào)的占空比與模擬信號(hào)大小成比例，從而控制電加熱絲的加熱功率實(shí)現(xiàn)溫度可控的目標(biāo)。四、 自制溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)該自制溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用第一種方案，使用模塊控制，硬件如下所示： 控制器：西門子PLC200。 IO

4、模版：EM235，接收4-20mA或0-5V模擬信號(hào)，輸出4-20mA或0-5V信號(hào)。 被控對(duì)象：箱內(nèi)溫度。 傳感變送：熱電偶+溫度變送器，變送出標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或者電流信號(hào)都可。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：驅(qū)動(dòng)模塊，開(kāi)關(guān)電源。硬件接線的圖：PID算法在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，PID控制器管理輸出數(shù)值，以便將錯(cuò)誤（e）驅(qū)動(dòng)為零。錯(cuò)誤測(cè)量由定點(diǎn)（所需的操作點(diǎn)）和進(jìn)程變量（實(shí)際操作點(diǎn)）之間的差別決定。PID控制原則基于以下公式，其中將輸出M(t)表示為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)：其中：M(t) 作為時(shí)間函數(shù)的環(huán)路輸出TD 環(huán)路增益E 環(huán)路錯(cuò)誤（定點(diǎn)和進(jìn)程變量之間的差別）Minitial 環(huán)路輸出的初始值為了在數(shù)字計(jì)算機(jī)中運(yùn)

5、行該控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)量化為錯(cuò)誤值的定期樣本，并隨后計(jì)算輸出。數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算以下列相應(yīng)的公式為基礎(chǔ)：其中：Mn 采樣時(shí)間n的環(huán)路輸出計(jì)算值Kc 環(huán)路增益En 采樣時(shí)間n的環(huán)路錯(cuò)誤值En-1 環(huán)路錯(cuò)誤的前一個(gè)數(shù)值（在采樣時(shí)間n ?1）Ki 積分項(xiàng)的比例常量Minitial 微分項(xiàng)的比例常量KD 微分項(xiàng)的比例常量在該公式中，積分項(xiàng)被顯示為全部錯(cuò)誤項(xiàng)的函數(shù)，從第一個(gè)樣本至當(dāng)前樣本。微分項(xiàng)是當(dāng)前樣本和前一個(gè)樣本的函數(shù)，而比例項(xiàng)僅是當(dāng)前樣本的函數(shù)。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，既不可能也沒(méi)有必要存儲(chǔ)所有的錯(cuò)誤項(xiàng)樣本。因?yàn)閺牡谝粋€(gè)樣本開(kāi)始，每次對(duì)錯(cuò)誤采樣時(shí)數(shù)字計(jì)算機(jī)都必須計(jì)算輸出值，因此僅需存儲(chǔ)前一個(gè)錯(cuò)誤值和前一

6、個(gè)積分項(xiàng)數(shù)值。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果的重復(fù)性，可在任何采樣時(shí)間對(duì)公式進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的公式為：其中：Mn 采樣時(shí)間n的環(huán)路輸出計(jì)算值Kc 環(huán)路增益En 采樣時(shí)間n的環(huán)路錯(cuò)誤值En-1 環(huán)路錯(cuò)誤的前一個(gè)數(shù)值（采樣時(shí)間n ?1）Ki 積分項(xiàng)的比例常量MX 積分項(xiàng)的前一個(gè)數(shù)值（采樣時(shí)間n ?1）KD 微分項(xiàng)的比例常量計(jì)算環(huán)路輸出值時(shí)，CPU使用對(duì)上述簡(jiǎn)化公式的修改格式。修改后的公式為：其中：Mn 采樣時(shí)間n的環(huán)路輸出計(jì)算值MPn 采樣時(shí)間n的環(huán)路輸出比例項(xiàng)數(shù)值MIn 采樣時(shí)間n的環(huán)路輸出積分項(xiàng)數(shù)值MDn 采樣時(shí)間n的環(huán)路輸出微分項(xiàng)數(shù)值比例項(xiàng)比例項(xiàng)MP是增益和錯(cuò)誤（e）的乘積，其中增益控制輸出計(jì)算的敏

7、感度，錯(cuò)誤是在某一特定采樣時(shí)間定點(diǎn)（SP）和進(jìn)程變量（PV）之間的差別。CPU采用的計(jì)算比例項(xiàng)的公式為：其中： MPn 采樣時(shí)間n的環(huán)路輸出比例項(xiàng)數(shù)值Kc 環(huán)路增益SPn 采樣時(shí)間n的定點(diǎn)數(shù)值PVn 采樣時(shí)間n的進(jìn)程變量數(shù)值積分項(xiàng)積分項(xiàng)MI在時(shí)間上與錯(cuò)誤（e）和成比例。CPU采用的積分項(xiàng)公式為：其中： MIn 采樣時(shí)間n的環(huán)路輸出積分項(xiàng)數(shù)值Kc 環(huán)路增益Ts 環(huán)路采樣時(shí)間Ti 積分時(shí)間（亦稱為積分時(shí)間或重設(shè)）SPn 采樣時(shí)間n的定點(diǎn)數(shù)值PVn 采樣時(shí)間n的進(jìn)程變量數(shù)值MX 采樣時(shí)間n - 1的積分項(xiàng)數(shù)值（亦稱為積分和或偏差）積分和或偏差（MX）是積分項(xiàng)所有先前數(shù)值的運(yùn)行和。每次MIn計(jì)算后，根

8、據(jù)MIn的數(shù)值更新偏差，該數(shù)值可能被調(diào)節(jié)或截取（詳情請(qǐng)參閱“變量和范圍”一節(jié)）。偏差的初始值通常被設(shè)為第一次環(huán)路輸出計(jì)算之前的輸出值Minitial。其他幾個(gè)常量也是積分項(xiàng)的一部分，例如增益Kc、采樣時(shí)間Ts（即PID環(huán)路重新計(jì)算輸出值的循環(huán)時(shí)間）以及積分時(shí)間或重設(shè)Ti（即用于控制積分項(xiàng)對(duì)輸出計(jì)算影響的時(shí)間）。微分項(xiàng)微分項(xiàng)MD與錯(cuò)誤變化成比例。計(jì)算微分項(xiàng)的公式為：為了避免步驟改變或由于對(duì)定點(diǎn)變化求導(dǎo)帶來(lái)的輸出變化，對(duì)該公式進(jìn)行修改，假定定點(diǎn)為常量 = 。如下所示，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算進(jìn)程變量的變化，而不計(jì)算錯(cuò)誤的變化：或：其中： MDn 采樣時(shí)間n的環(huán)路輸出微分項(xiàng)數(shù)值Kc 環(huán)路增益Ts 環(huán)路采樣時(shí)間TD

9、 環(huán)路微分階段（亦稱為導(dǎo)數(shù)時(shí)間或速率） SPn 采樣時(shí)間n的定點(diǎn)數(shù)值SPn-1 采樣時(shí)間n - 1的定點(diǎn)數(shù)值PVn 采樣時(shí)間n - 1的進(jìn)程變量數(shù)值PVn-1 采樣時(shí)間n - 1的進(jìn)程變量數(shù)值必須保存進(jìn)程變量，而不必保存錯(cuò)誤，用于下一次微分項(xiàng)計(jì)算。第一次采樣時(shí)，數(shù)值PVn-1被初始化，等于PVn。PLC程序主程序子程序SBR_0子程序SBR_1中斷程序工程轉(zhuǎn)換實(shí)訓(xùn)編程過(guò)程中涉及到大量工程標(biāo)度變換，現(xiàn)總結(jié)如以下所示： 輸入部分：溫度變送器參數(shù)為：0-300度4-20mAEM235輸入AI接收電流范圍0-20mA，為12位A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換后數(shù)字量范圍為：0-32000，故對(duì)應(yīng)范圍為：0-20m

10、A0-32000。故編程時(shí)：0-300度-6400-32000PID子程序中檢測(cè)值PV=AIW0, 歸一化得 PV/32000=VD100 輸出部分：實(shí)際中，驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)壓范圍為：1.3V-3.2V0-24VPLC的EM235中AO輸出為0-10V0-32000實(shí)驗(yàn)中我們只需要0-5V電壓給驅(qū)動(dòng)模塊，即數(shù)字量為0-16000PID運(yùn)算輸出范圍為0-1之間小數(shù)，實(shí)訓(xùn)中我們需要將該0-1對(duì)應(yīng)到1.3-3.2V因此PID運(yùn)算輸出對(duì)應(yīng)數(shù)字量范圍為：4160-10240因此， D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量D對(duì)應(yīng)PID程序輸出x之間關(guān)系為：D=f(x)= 4160+6080x驅(qū)動(dòng)模塊輸入電壓V與PID輸出x之間關(guān)系

11、為：V=x*（3.2-1.3）+1.3 PID子程序設(shè)定值VD104為歸一化0-1之間的值0-300度-6400-320000-32000-0-1綜合得0-300度-0.2-1X=T*(1-0.2)/300+0.2PID參數(shù)整定 PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過(guò)理論計(jì)算確定，但是誤差太大。目前，應(yīng)用工程做多的還是工程整定法：如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。 經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法，它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，利用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線

12、的效果不斷地改變參數(shù)，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，工程上有大量的經(jīng)驗(yàn)，其規(guī)律如下表所示： 實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“現(xiàn)比例，再積分，最后微分”。整定比例控制 將比例控制作用由下變大，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。整定積分環(huán)節(jié)先將步驟 中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的5080%，再將積分時(shí)間置一較大值，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果，確定比例和積分參數(shù)。整定微分環(huán)節(jié) 先置微分時(shí)間Td=0，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，微分環(huán)節(jié)一般都置為0，可以不調(diào)的盡量不要調(diào)。 根據(jù)反復(fù)的試湊，調(diào)出比較好的結(jié)果是P=30;I=0.5;D=0。人機(jī)界面實(shí)

13、時(shí)曲線如下圖所示：過(guò)程控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線把單個(gè)分散的測(cè)量、控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)的一各個(gè)節(jié)點(diǎn)，并以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，把他們連接成可以互相溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。它不但克服了DCS那種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、浪費(fèi)大量銅線等缺點(diǎn)，而且是自控系統(tǒng)與設(shè)備具有了通信能力，把它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線將工業(yè)過(guò)程控制引入一個(gè)新的時(shí)代。實(shí)訓(xùn)心得（重點(diǎn)）這周實(shí)訓(xùn)為期雖然很短，但我在老師和同學(xué)的幫助下成功運(yùn)用了組態(tài)王和S7-200設(shè)計(jì)了一個(gè)人機(jī)監(jiān)控的溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用位置式PID控制，得到了一個(gè)反應(yīng)迅速，控制精度高、穩(wěn)定可靠的溫度控制系統(tǒng)。熟悉硬件電路，把理論和實(shí)踐相結(jié)合，把各個(gè)部分對(duì)應(yīng)起來(lái)，加深對(duì)PID控制器的了解和作用，尤其是在調(diào)試PID三個(gè)參數(shù)：比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，花了很多時(shí)間才能調(diào)試出令這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更快、更穩(wěn)定的參數(shù)，并加深每個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影