基于西門子s7-300PLC的恒溫控制的課程設計

1、大連民族學院機電信息工程學院大連民族學院機電信息工程學院自動化系自動化系電氣控制技術課程設計報告電氣控制技術課程設計報告題題 目：目：恒溫控制恒溫控制課程設計任務書題目： 恒溫控制課程設計時間： 2013.6.172013.7.5一、設計任務 采用西門子 S7-300 系列 PLC，使用 Step-7 編寫并調試 PLC 控制程序，控制電爐絲加熱，實現(xiàn)手動調溫、自動恒溫、超溫報警、顯示溫度等功能。二、設計內容及要求1. 掌握溫度變送器的工作原理；2. 掌握固態(tài)繼電器的工作原理；3. 恒溫控制裝置的總體方案設計；4. PLC 控制系統(tǒng)的硬件設計；5. PLC 控制系統(tǒng)的軟件設計和調試；6. 撰寫

2、課程設計報告。三、設計重點PLC 控制系統(tǒng)的軟件設計與現(xiàn)場調試。四、課程設計進度要求 2013.6.172012.6.18 學習溫度變送器和固態(tài)繼電器的工作原理； 2013.6.192013.6.21 總體方案及 PLC 硬件設計； 2013.6.222013.6.26 PLC 控制系統(tǒng)的軟件設計和仿真調試； 2013.6.272013.7.1 PLC 控制系統(tǒng)的現(xiàn)場調試； 2013.7.22013.7.3 撰寫設計報告； 2013.7.4 驗收答辯。五、參閱書目1 SIEMENS SIMATIC 溫度控制手冊，2003 年 12 月版2 SIEMENS SIMATIC 使用 STEP7 編程

3、手冊，2007 年 8 月版目目 錄錄1 任務分析和性能指標任務分析和性能指標.11.1 任務分析 .11.2 性能指標 .12 總體方案設計總體方案設計.22.1 硬件方案.22.2 軟件方案.33 硬件設計與實現(xiàn)硬件設計與實現(xiàn).43.1 檢測電路 .43.2 控制電路 .44 軟件設計與實現(xiàn)軟件設計與實現(xiàn).64.1 主程序.64.2 中斷程序 .75 調試及性能分析調試及性能分析.85.1 調試分析.85.1.1 軟件調試.85.1.2 硬件調試.85.1.3 系統(tǒng)功能調試.8總總 結結.9參考文獻 .10附錄 1 調試系統(tǒng)照片.1111 任務分析和性能指標任務分析和性能指標1.1 任務分

4、析隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機械加工和食品加工等許多領域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐的溫度進行控制。這方面的應用大多是基于單片機進行 PID 控制,然而單片機控制的 DDC 系統(tǒng)軟硬件設計較為復雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處,然而 PLC 在這方面卻是公認的最佳選擇。隨著電子技術的發(fā)展，可編程序控制器（PLC）已經(jīng)由原來簡單的邏輯量控制，逐步具有了計算機控制系統(tǒng)的功能。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，PLC 占有了很重要的地位，它可以和計算機一起組成控

5、制功能完善的控制系統(tǒng)。在許多行業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，溫度控制都是要解決的問題之一。1.2 性能指標本 PLC 溫度控制系統(tǒng)的具體指標要求是：對加熱器加熱溫度調整范圍為40200，溫度控制精度小于 2，系統(tǒng)的超調量須小于 15%?？紤]到本系統(tǒng)控制對象為電爐，是一個大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調節(jié)范圍較寬，所以本系統(tǒng)對過渡過程時間不予要求。對給定值（目標值）可以預先設定后直接輸入到回路中；過程變量由在受熱體中的 Pt100 測量并經(jīng)溫度變送器給出，為單極性電壓模擬量；輸出值是送至固態(tài)繼電器的 PWM，其允許變化范圍為最大值的 0% 至 100% 22 總體方案設計總體方案設計 根據(jù)系統(tǒng)具體指標要求，可以對每一

6、個具體部分進行分析設計。整個控制系統(tǒng)分為硬件電路設計和軟件程序設計兩部分。 系統(tǒng)硬件框圖結構如圖所示: PWM 生成SSR爐絲子Pt100給定溫度S7-300 PLCCPU運算處理溫 度變送器圖 2.1 系統(tǒng)硬件框圖 被控對象為爐內溫度，溫度傳感器檢測爐內的溫度信號，經(jīng)溫度變送器將溫度值轉換成 420mA 的電流信號送入 PLC AI 模塊。PLC 把這個測量信號經(jīng)過標度變換與設定值比較得到偏差，經(jīng) PID 運算后，發(fā)出 PWM 控制信號，經(jīng)PWM 來控制固態(tài)繼電器，來調節(jié)爐絲兩端的電壓，從而實現(xiàn)爐絲溫度的連續(xù)控制。2.1 硬件方案硬件方案經(jīng)過資料查找，并觀看了課程設計設備，確定了以下硬件方案

7、，由西門子s7-300 PLC 做控制器，通過 PWM 控制固態(tài)繼電器來調節(jié)爐絲電壓，檢測變送環(huán)節(jié)由 Pt100 檢測，并由變送器變送給 PLC。電流信號在 PLC 內經(jīng)標度變換后給 PID 模塊進行調節(jié)。-32.2 軟件方案軟件方案經(jīng)過考慮，選擇了順序控制作為軟件設計的模板，并在 OB35 模塊中對采樣和偏差計算部分進行調用。并對 PID 參數(shù)進行初步調節(jié)。從 AI 端口讀取變送器變送的溫度信號并進行標度變換將標度變換后的測量值與給定值進行比較，PID 模塊通過偏差值計算控制量，并輸出 PWM 信號。讀取按鍵返回開始程序初始化43 硬件設計硬件設計與實現(xiàn)與實現(xiàn)3.1 檢測電路這里的檢測電路主

8、要由 Pt100 測量電路和變送器的變送電路組成。除了 用于測量溫度的熱電偶，實際生產(chǎn)中經(jīng)常使用熱電阻。 這些設備的直流電阻變化（幾乎）作為線性溫度的函數(shù)。 或許其中最常見的是 PT100，鉑為基礎的傳感器，其電阻在 0，正是 100 歐姆。 由于傳感器的溫度升高其電阻也是如此，在一個合理的線性方式。 顯示了一個 PT100 傳感器的電阻隨溫度的變化。 而溫度系數(shù)略有不同在一個很寬的溫度范圍內，（通常為 0.0036 至0.0042 歐姆/ C），它可以被認為是合理恒定在 50 或 100 C 范圍內。 普遍接受的平均溫度系數(shù)為 0.00385 歐姆每 C。 據(jù)此，PT100 往往可以在不超過

9、這個范圍線性化使用提供相應的系數(shù)進行評估。 這個裝置也能承受的溫度范圍很廣，從-200 到 800 C 的能力，以及一些應用中的溫度系數(shù)的變化可以容忍的。 此外，PT100 提供了穩(wěn)定和可重復的溫度特性。儀器儀表應用經(jīng)常使用可編程邏輯控制器（PLC）來存儲和處理數(shù)據(jù)，因此在檢測設備模擬輸出信號必須為 AD 轉換器縮放的 PLC 輸入卡適當關注。 這通常是由傳感器來完成驅動電路。 有幾個標準電壓由制造商使用的范圍 ，這些包括 0 至 1，0 至 5 和 0 至 10 伏3.2 控制電路控制電路則由 PLC 的 DO 端口輸出的 PWM 對固態(tài)繼電器進行連續(xù)控制。固態(tài)繼電器(Solid State

10、 Relays,縮寫 SSR)是一種無觸點電子開關，由分立元器件、膜固定電阻網(wǎng)絡和芯片，采用混合工藝組裝來實現(xiàn)控制回路(輸入電路)與負載回路(輸出電路)的電隔離及信號耦合，由固態(tài)器件實現(xiàn)負載的通斷切換功能，內部無任何可動部件。盡管市場上的固態(tài)繼電器型號規(guī)格繁多，但它們5的工作原理基本上是相似的。主要由輸入(控制)電路，驅動電路和輸出(負載)電路三部分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號提供一個回路，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號源。固態(tài)繼電器的輸入電路多為直流輸入，個別的為交流輸入。直流輸入電路又分為阻性輸入和恒流輸入。阻性輸入電路的輸入控制電流隨輸入電壓呈線性的正向變化。恒流輸入電路，在

11、輸入電壓達到一定值時，電流不再隨電壓的升高而明顯增大，這種繼電器可適用于相當寬的輸入電壓范圍。64 軟件設計軟件設計與實現(xiàn)與實現(xiàn)4.1 主程序74.2 中斷程序85 調試及性能分析調試及性能分析5.1 調試分析調試分析5.1.1 軟件調試軟件調試在最開始，軟件沒有使用 OB35 中斷模塊，并且沒用使用背景數(shù)據(jù)塊與共享數(shù)據(jù)塊，在一些參數(shù)的調用上會出現(xiàn)錯誤，并且 PID 模塊 FB58 也無法正常工作，后來查找了一些資料，并詢問了后知道了并不能這么調用。需要另外建立一個共享數(shù)據(jù)塊對設定值進行存儲，這樣 OB1 與 OB35 都可以調用這個變量且不會產(chǎn)生錯誤。至于背景數(shù)據(jù)塊則是在運行過程中對 PID

12、 的參數(shù)進行存儲，不至于產(chǎn)生別的影響，使程序正常運行。5.1.2 硬件調試硬件調試在最開始的時候，硬件問題主要集中在程序無法下載中，后來使用下載線進行程序下載。在使用了下載線后，程序能夠下載了，但是 FC105 模塊的使能信號一經(jīng)觸發(fā)便會產(chǎn)生錯誤，經(jīng)過老師的檢查發(fā)現(xiàn)是 AI 接口的錯誤，AI 接口無法采集數(shù)據(jù)，在多次調試無效后換了一臺實驗臺，這個現(xiàn)象就消失了。5.1.3 系統(tǒng)功能調試系統(tǒng)功能調試進過調試后，系統(tǒng)平穩(wěn)運行，雖然還有 2以內的誤差，但是基本符合了系統(tǒng)的設計要求，PID 參數(shù)也進行了人工整定，控制狀態(tài)良好9總總 結結 本設計研究了電爐的溫度控制，系統(tǒng)采用西門子的 S7-300PLC 為控制器，運用了 PID 算法對爐絲溫度進行控制，最后可在監(jiān)控的電壓表上觀測到溫度變送器的實時變化。該系統(tǒng)采用 S7-300PLC 對電爐絲溫度進行控制，雖說之前有學過該類PLC，但 S7-300PLC 的軟硬件學習還不是很熟悉，雖說通過實際操作很容易掌握。但是對于操作該類 PLC 配套的人來說還是有些地方有混淆，但是可以通過人機界面方便的監(jiān)控 PLC 的運行狀態(tài)。本設計的系統(tǒng)雖說成功的實現(xiàn)了電爐絲的恒溫控制，但在系統(tǒng)的設計中也存在一些問題，如：PID 參數(shù)的整定，利用 PLC 內部功能模塊對 PID 參數(shù)進行整定的時，并不是每次都會