基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)論文

1、. . . . 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）任 務(wù) 書基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目:基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原始依據(jù)(包括設(shè)計(jì)（論文）的工作基礎(chǔ)、研究條件、應(yīng)用環(huán)境、工作目的等)：溫度控制系統(tǒng)在國(guó)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距。加熱爐的溫度控制系統(tǒng)具有較大的容量滯后，采用單回路控制往往會(huì)出現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)偏差，很難達(dá)到好的控制效果，為提高系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化較大或其他擾動(dòng)比較劇烈時(shí)的控制質(zhì)量，采用基于PLC的雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)來(lái)提高加熱爐的燃燒效率。通過本畢

2、業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能進(jìn)行分析和解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生受到PLC系統(tǒng)開發(fā)的綜合訓(xùn)練，達(dá)到能夠進(jìn)行PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施的目的。主要容和要求（包括設(shè)計(jì)（研究）容、主要指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)課題性質(zhì)對(duì)學(xué)生提出具體要求）：如圖1所示的加熱爐，它是由溫度膽、夾套、加熱器、溫度檢測(cè)變送器組成。圖1加熱爐溫度系統(tǒng)加熱器采用傳統(tǒng)的價(jià)格較低的電阻板加熱，水系統(tǒng)是加速加熱爐溫度恒定。通過檢測(cè)膽和夾套的溫度來(lái)控制電阻板兩端的電壓變化，使?fàn)t溫達(dá)到設(shè)定值。為提高系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化較大或其他擾動(dòng)比較劇烈時(shí)的控制質(zhì)量，采用串級(jí)控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手動(dòng)整定或自整定PID

3、參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，控制加熱裝置，使加熱爐溫度為80左右，并能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值。畢業(yè)論文中需有與本課題有關(guān)的國(guó)外的研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，硬件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)， PLC控制程序設(shè)計(jì)（I/O地址分配，程序流程圖），總結(jié)。日程安排：2010.12 -2011.4. 8 認(rèn)真收集有關(guān)資料，完成開題報(bào)告2011.4.9-2011.4.20 提出總體方案并進(jìn)行論證2011.4.20-2011.5.10 論文主體設(shè)計(jì)2011.5.11-2011.5.20 論文撰寫，完成初稿2011.5.21-2011.5.28 程序調(diào)試和修改論文2011.5.29-2011.6. 7 編寫設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備答辯提綱

4、，進(jìn)行答辯主要參考文獻(xiàn)和書目：1 樓順天、若玉、俊霞，MATLAB7.x程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，電子科技大學(xué)，20082 黃友銳、曲立國(guó)，PID控制器參數(shù)整定與實(shí)現(xiàn)，科學(xué)，20104 盧京潮，自動(dòng)化控制原理，西北工業(yè)大學(xué)，20095 周美蘭、周封、王岳宇，PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)，科學(xué)，20096 科，溫控系統(tǒng)的智能PID控制算法研究，碩士論文，中華科技大學(xué)，20067 吳長(zhǎng)勝，基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，學(xué)士論文，師大學(xué)，20068 世斌、宏偉，PLC在鍋爐控制中的應(yīng)用、自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2003年第22卷第1期 9 歐祖鴻，基于Wincc和S7-200的溫度測(cè)控系統(tǒng)，學(xué)士論文，科技學(xué)院，

5、201010 廖常初，PLC 編程與應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)，200511 顧占松、鐵年，可編程控制器原理與應(yīng)用，國(guó)防工業(yè)，199612 王偉、晶逃、柴天佑，PID參數(shù)先進(jìn)整定方法綜述，自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000,5（26）34735513 胡學(xué)林，可編程控制器教程，電子工業(yè)，200514 揚(yáng)、蔡春偉、明健，S7-200PLC原理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)，機(jī)械工業(yè)，200715 Jurgen Muiler、懷勇，西門子自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)，人民郵電，2007指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日教研室主任簽字： 年 月 日本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告（綜述）題 目：基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本課題來(lái)源與研究現(xiàn)狀：隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐

6、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(gè)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(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行的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，特別是設(shè)計(jì)到邏輯方面更不是其長(zhǎng)處，然而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。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，通過采用PLC來(lái)對(duì)它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大的優(yōu)先，

7、而且可以大幅度提高被測(cè)溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，PLC對(duì)溫度的控制是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問題。這也是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所重點(diǎn)研究的容。溫度控制系統(tǒng)在國(guó)各行業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從溫度控制來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著較大的差距。目前我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于20實(shí)際50年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以點(diǎn)位控制與常規(guī)的PID控制為主。它只能適應(yīng)一般的溫度控制，難以控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品。但

8、由于國(guó)外技術(shù)與我國(guó)開發(fā)工作的滯后還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件，控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家，都生產(chǎn)出了一批商品化得，性能優(yōu)異的溫度控制器與儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下的特點(diǎn)：是適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制；是能夠適應(yīng)于受控?cái)?shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制；是能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制；是溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的圍廣泛；是溫度控

9、制器普遍具有參數(shù)自整定功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)與控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化；是具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)與儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。課題研究目標(biāo)、容、方法和手段：本課題研究的主要目標(biāo)是采用串級(jí)控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手動(dòng)整定或自整定PID參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，控制加熱裝置，使加熱爐溫度為80左右，并能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 調(diào)溫總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件組成由PC機(jī)、PLC控制器、晶閘管調(diào)功器、加熱爐對(duì)象等組成；加熱爐對(duì)象由溫度膽、夾套、加熱器、溫

10、度檢測(cè)變送器等組成?？傮w方案是采用PLC控制器來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體控制，溫度變送器采集夾套和膽溫度信號(hào)；兩個(gè)數(shù)顯儀表分別對(duì)夾套溫度和膽溫度的實(shí)際值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；兩個(gè)啟動(dòng)按鈕對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行與停止進(jìn)行手動(dòng)控制；指示燈來(lái)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；模擬量擴(kuò)展模塊承擔(dān)兩個(gè)模擬量輸入和一個(gè)模擬量輸出的任務(wù)；調(diào)功器根據(jù)PLC的控制信號(hào)對(duì)加熱器進(jìn)行控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。其各個(gè)部分的組成連接如圖2所示。圖2 設(shè)計(jì)總體方案連接圖加熱爐溫的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程是：首先溫度傳感器將加熱爐的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，PLC的擴(kuò)展模塊EM235將送過來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為西門子S7-200PLC可識(shí)別的數(shù)字量，夾套溫度主給定量SV1與夾套溫度

11、主反饋量PV1比較后得到誤差信號(hào)e1，然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來(lái)的溫度值進(jìn)行比較并經(jīng)過PID運(yùn)算處理，輸出控制量OUT1作為副控制器的給定，并與膽溫度副反饋量PV0進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)e0，經(jīng)?？刂破鬟M(jìn)行PID運(yùn)算輸出控制量OUT0作為晶閘管調(diào)功器的輸入信號(hào)，來(lái)控制輸出電壓的變化，從而控制膽加熱器上電壓的高低，實(shí)時(shí)控制膽溫度副被控量和夾套溫度主被控量，構(gòu)成雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖設(shè)計(jì)（論文）提綱安排：第一章 緒論：對(duì)課題研究背景國(guó)外發(fā)展前景進(jìn)行了闡述，并分別從基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機(jī)（IPC）的溫度控制系統(tǒng)

12、，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）等介紹當(dāng)前溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。第二章 設(shè)計(jì)總體方案：簡(jiǎn)單的從硬件部分和軟件部分介紹了系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)PID控制算法做了基本介紹，簡(jiǎn)單闡述了PID運(yùn)算在本設(shè)計(jì)中的用法，和對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了確定第三章，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組成和連線圖，對(duì)系統(tǒng)所用到的硬件進(jìn)行了介紹和選型。第四章，系統(tǒng)軟件編程：對(duì)編程的思路和各個(gè)編程部分的任務(wù)、組成、流程圖和梯形圖進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)編程用軟件的安裝進(jìn)行了說明。第五章，總結(jié)。設(shè)計(jì)（論文）提綱與進(jìn)度安排：2010.13 -2011.4. 8 認(rèn)真收集有關(guān)資料，完成開題報(bào)告2011.4.9-2

13、011.4.21 提出總體方案并進(jìn)行論證2011.4.20-2011.5.11 論文主體設(shè)計(jì)2011.5.11-2011.5.21 論文撰寫，完成初稿2011.5.21-2011.5.29 程序調(diào)試和修改論文2011.5.29-2011.6. 7 編寫設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備答辯提綱，進(jìn)行答辯主要參考文獻(xiàn)和書目：1 廖常初.S7-200PLC編程與應(yīng)用M.：機(jī)械工業(yè),2006.2 吳中俊，黃永紅主編.可編程序控制器原理與應(yīng)用M. ：機(jī)械工業(yè)，.2004,4.3王永華.現(xiàn)代電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)M.：航空航天大學(xué)，20084馬秀坤，史云濤，馬學(xué)軍.S7-200PLC與數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的原理與應(yīng)用M.：國(guó)防

14、工業(yè)，20095伯時(shí)主編.電力系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M.：機(jī)械工業(yè),20036 志杰加熱爐控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用J.工業(yè)爐,2000,22(3):26-27.7 王浩宇,云生,果.管式加熱爐PID算法改進(jìn)與其在虛擬儀器中的應(yīng)用J.自動(dòng)化儀表,30(4):51-548 樓順天、若玉、俊霞，MATLAB7.x程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，電子科技大學(xué)，20089 黃友銳、曲立國(guó)，PID控制器參數(shù)整定與實(shí)現(xiàn)，科學(xué)，201010 盧京潮，自動(dòng)化控制原理，西北工業(yè)大學(xué)，200911 周美蘭、周封、王岳宇，PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)，科學(xué)，200912 科，溫控系統(tǒng)的智能PID控制算法研究，碩士論文，中華科技大學(xué)，200613

15、 吳長(zhǎng)勝，基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，學(xué)士論文，師大學(xué)，200614 世斌、宏偉，PLC在鍋爐控制中的應(yīng)用、自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2003年第22卷第1期 15 歐祖鴻，基于Wincc和S7-200的溫度測(cè)控系統(tǒng)，學(xué)士論文，科技學(xué)院，201016 廖常初，PLC 編程與應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)，200517 顧占松、鐵年，可編程控制器原理與應(yīng)用，國(guó)防工業(yè)，199618 王偉、晶逃、柴天佑，PID參數(shù)先進(jìn)整定方法綜述，自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000,5（26）34735519 胡學(xué)林，可編程控制器教程，電子工業(yè)，200520 揚(yáng)、蔡春偉、明健，S7-200PLC原理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)，機(jī)械工業(yè)，200721 J

16、urgen Muiler、懷勇，西門子自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)，人民郵電，200722 迎春，葉湘濱.傳感器原理.，國(guó)防科技大學(xué)，200223 付家才，PLC實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐.，高等教育，200624 袁寶歧，加熱爐原理與設(shè)計(jì)，航空工業(yè)198925 Tracton.K.、時(shí)光譯，顯示電子學(xué)，人們郵電，2002指導(dǎo)教師審核意見：教研室主任簽字： 年 月 日摘 要可編程控制器是一種應(yīng)用很廣泛的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)融為一體，具有控制力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合溫度控制的要求。本文先從課題研究背景說起，通過幾個(gè)溫控系統(tǒng)簡(jiǎn)單介紹了國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀。然

17、后主要通過對(duì)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，硬件的選擇、設(shè)計(jì)、使用，軟件程序的思路、流程圖、編寫等方面詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊的原理、設(shè)計(jì)和使用，并對(duì)程序中所使用的控制算法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。實(shí)驗(yàn)證明，以PLC作為控制核心，在通過PLC編程控制溫度對(duì)象，這種設(shè)計(jì)方式可以方便快捷的設(shè)計(jì)出符合要求的溫度控制系統(tǒng)。通過本設(shè)計(jì)可以熟悉并掌握西門子S7-200PLC的原理與功能與它的編程語(yǔ)言，以自動(dòng)控制理論為指導(dǎo)思想，解決工業(yè)生產(chǎn)與生活中溫度控制問題。關(guān)鍵字： S7-200PLC；EM235；溫度控制系統(tǒng)AbstractWith the continuous development of the industrial aut

18、omatization, peoples requirements for automatics become higher and higher. In recent years, rapid growing computer technology has been widely used, but in the meantime, traditional industrial control software has critical shortcomings such as long development cycle, low reusability, high price and c

19、ostly modifications. As more and more automatic equipments are applied and the requirements for industrial control software are higher and higher, the traditional industrial control software can not meet the demand of consumers any more. How to design a flexible and effective automatic control syste

20、m speedily and conveniently by using industrial control software has become a very important task. PLC (programmable logic controller) is a kind of wildly used automatic control device, and it combines traditional relay control technology, computer technique and communication technology, and it char

21、acterizedby strong control ability, flexible operation, high reliability and suitable for continuous working.This thesis introduces the principles, design and application of each module from the selection, design, and application of hardware, and selection, compile of software in details. Experiment

22、s prove that use PLC as the control centre and control temperature object through programmingby PLC, we can design desirable temperature control system conveniently and flexiblely. Key words: S7-200PLC; EM235; temperature control system.目 錄第一章緒論11.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景11.2 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r11.3本文的研究容3第二章設(shè)計(jì)總體方案與控制算法描述42

23、.1系統(tǒng)總體方案42.1.1硬件方案設(shè)計(jì)42.1.2軟件方案設(shè)計(jì)52.2 PID控制算法62.2.1 PID算法72.2.2PID在PLC中的回路指令82.2.3 PID參數(shù)整定10第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)123.1 系統(tǒng)的硬件組成123.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成123.1.2統(tǒng)各個(gè)組成部分完成的任務(wù)123.2 可編程控制器123.2.1PLC的特點(diǎn)123.2.2PLC的選型133.2.3西門子S7-200主要功能模塊介紹143.3系統(tǒng)其他硬件選型與配置173.3.2顯示模塊173.3.3溫度傳感器183.3.4調(diào)功器204.4系統(tǒng)硬件連接23第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)244.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件244.2方案設(shè)計(jì)思路

24、254.2主程序部分264.3標(biāo)度變換子程序294.4顯示模塊子程序314.5PID初始化子程序與中斷程序35第五章總結(jié)42致43參考文獻(xiàn)44附錄4546 / 57第一章緒論1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景溫度與人們的生存生活生產(chǎn)息息相關(guān)。從古人類的燒火取暖，到今天的工業(yè)溫度控制，處處都體現(xiàn)了溫度控制。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，人們對(duì)溫度控制精確度要求也越來(lái)越來(lái)高，溫度控制的技術(shù)也得到迅速發(fā)展。各種溫度控制算法如：PID溫度控制，模糊控制算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，遺傳算法等都應(yīng)用在溫度控制系統(tǒng)中。近年來(lái)，加熱爐的溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)中重要的被控參數(shù)之一，冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工

25、業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐，對(duì)工件的處理均需要對(duì)溫度進(jìn)行控制，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中和家居生活過程中對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，由于許多實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比較復(fù)雜，而傳統(tǒng)的溫度控制器多由繼電器組成的，但是繼電器的觸點(diǎn)的使用壽命有限，故障率偏高，穩(wěn)定性差，無(wú)法滿足現(xiàn)代的控制要求。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式微型計(jì)算機(jī)在工業(yè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在溫度控制系統(tǒng)中，使得溫度控制系統(tǒng)變得更小型，更智能。隨著國(guó)家的“節(jié)能減排”政策的提出，嵌入式溫度控制系統(tǒng)能夠降低能耗，節(jié)約成本這一優(yōu)點(diǎn)使得其擁有更加廣闊的市場(chǎng)前景，而PLC就是最具代表性的一員。

26、目前智能溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，適用于家電、汽車、材料、電力電子等行業(yè)，成為發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要熱工設(shè)備之一。在現(xiàn)代化的建設(shè)中，能源的需求非常大，然而我國(guó)的能源利用率極低，所以實(shí)現(xiàn)溫度控制的智能化，有著極重要的實(shí)際意義。通過本設(shè)計(jì)可以熟悉并掌握西門子S7-200PLC的原理與功能與它的編程語(yǔ)言，以自動(dòng)控制理論為指導(dǎo)思想，解決工業(yè)生產(chǎn)與生活中溫度控制問題。1.2 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研以與日常生活等領(lǐng)域占有重要的地位。溫度控制系統(tǒng)是人類供熱、取暖的主要設(shè)備的驅(qū)動(dòng)來(lái)源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。期間，

27、從低級(jí)到高級(jí)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對(duì)溫度控制精度要求的不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術(shù)得到迅速發(fā)展。當(dāng)前比較流行的溫度控制系統(tǒng)有基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機(jī)（IPC）的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）等。單片機(jī)的發(fā)展歷史雖不長(zhǎng)，但它憑著體積小，成本低，功能強(qiáng)大和可靠性高等特點(diǎn)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)已經(jīng)由開始的4位機(jī)發(fā)展到32位機(jī)，其性能進(jìn)一步得到改善?；趩纹瑱C(jī)的溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作精度高。但相對(duì)其他溫度系統(tǒng)而言，單片機(jī)響應(yīng)速度慢、中斷源少，不利于在復(fù)雜的，高要求的系統(tǒng)中使用。PLC是

28、一種數(shù)字控制專用電子計(jì)算機(jī)，它使用了可編程序存儲(chǔ)器儲(chǔ)存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機(jī)械或工作程序。PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單，易于被工程人員掌握和使用，目前在工業(yè)領(lǐng)域上被廣泛應(yīng)用。相對(duì)于IPC，DCS，F(xiàn)SC等系統(tǒng)而言，PLC是具有成本上的優(yōu)勢(shì)。因此，PLC占領(lǐng)著很大的市場(chǎng)份額，其前景也很有前途。工控機(jī)（IPC）即工業(yè)用個(gè)人計(jì)算機(jī)。IPC的性能可靠、軟件豐富、價(jià)格低廉，應(yīng)用日趨廣泛。它能夠適應(yīng)多種工業(yè)惡劣環(huán)境，抗振動(dòng)、抗高溫、防灰塵，防電磁輻射。過去工業(yè)鍋爐大多用人工結(jié)合常規(guī)儀表監(jiān)控，一般較難達(dá)到滿意的結(jié)果，原因是工業(yè)

29、鍋爐的燃燒系統(tǒng)是一個(gè)多變量輸入的復(fù)雜系統(tǒng)。影響燃燒的因素十分復(fù)雜，較正確的數(shù)學(xué)模型不易建立，以經(jīng)典的PID為基礎(chǔ)的常規(guī)儀表控制，已很難達(dá)到最佳狀態(tài)。而計(jì)算機(jī)提供了諸如數(shù)字濾波，積分分離PID，選擇性PID。參數(shù)自整定等各種靈活算法，以與“模糊判斷”功能，是常規(guī)儀表和人力難以實(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在工業(yè)鍋爐溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)中采用控機(jī)工可大大改善了對(duì)鍋爐的監(jiān)控品質(zhì)，提高了平均熱效率。但如果單獨(dú)采用工控機(jī)作為控制系統(tǒng)，又有易干擾和可靠性差的缺點(diǎn)。集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS）是一種功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系統(tǒng)。與常規(guī)儀表相比具有豐富的監(jiān)控、協(xié)調(diào)管理功能等特點(diǎn)。DCS的關(guān)鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)

30、公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計(jì)就決定了總體的靈活性和安全性?；綝CS的溫度控制系統(tǒng)提供了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和管理水平，能減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有助于提高系統(tǒng)的效率。但DCS在設(shè)備配置上要求網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源甚至模件等都為冗余結(jié)構(gòu)，支持無(wú)擾切換和帶電插拔，由于設(shè)計(jì)上的高要求，導(dǎo)致DCS成本太高?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段的系統(tǒng)。其優(yōu)勢(shì)在于網(wǎng)絡(luò)化、分散化控制?；诳偩€控制系統(tǒng)（FCS）的溫度控制系統(tǒng)具有高精度，高智能，便于管理等特點(diǎn)，F(xiàn)CS系統(tǒng)由于

31、信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，能直接執(zhí)行傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能。而且它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置(含變送器、執(zhí)行器等)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)和組態(tài)，這是其他系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的。但是，F(xiàn)CS還沒有完全成熟，它才剛剛進(jìn)入實(shí)用化的現(xiàn)階段，另一方面，目前現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)共有12種之多，這給FSC的廣泛應(yīng)用添加了很大的阻力。各種溫度系統(tǒng)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，用戶需要根據(jù)實(shí)際需要選擇系統(tǒng)配置，當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)用中，為了達(dá)到更好的控制系統(tǒng)，可以采取多個(gè)系統(tǒng)的集成，做到互補(bǔ)長(zhǎng)短。溫度控制系統(tǒng)在國(guó)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著較大差距。成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控

32、制與常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國(guó)外技術(shù)與我國(guó)開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器與儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)與儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。1.3本文的研

33、究容本論文主要是利用PLC S7-200作為可編程控制器，系統(tǒng)采用串級(jí)控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手動(dòng)整定或自整定PID參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，控制加熱裝置，使加熱爐溫度為80左右，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和停止，運(yùn)行指示燈監(jiān)控實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前膽溫度值與夾套溫度值。具體有以下幾方面的容：第一章 緒論：對(duì)課題研究背景國(guó)外發(fā)展前景進(jìn)行了闡述，并分別從基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機(jī)（IPC）的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）等介紹當(dāng)前溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。第二章 設(shè)計(jì)總體方案：簡(jiǎn)單的從硬件部分和軟件部分介紹

34、了系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)PID控制算法做了基本介紹，簡(jiǎn)單闡述了PID運(yùn)算在本設(shè)計(jì)中的用法，和對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了確定第三章，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組成和連線圖，對(duì)系統(tǒng)所用到的硬件進(jìn)行了介紹和選型。第四章，系統(tǒng)軟件編程：對(duì)編程的思路和各個(gè)編程部分的任務(wù)、組成、流程圖和梯形圖進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)編程用軟件的安裝進(jìn)行了說明。第五章，總結(jié)。第二章 設(shè)計(jì)總體方案與控制算法描述2.1系統(tǒng)總體方案加熱爐溫控制系統(tǒng)主要有軟件與硬件兩部分組成。2.1.1硬件方案設(shè)計(jì)硬件基本構(gòu)成有PLC主控系統(tǒng)部分、調(diào)功器、加熱爐、加熱器、啟動(dòng)/停止開關(guān)按鈕、數(shù)顯表與溫度變送器五部分組成。其結(jié)構(gòu)硬件部分組成與其關(guān)系如圖2-

35、1所示。圖2-1 加熱爐硬件部分組成圖基本工作原理：加熱爐是加熱對(duì)象（本設(shè)計(jì)采用自來(lái)水作為加熱對(duì)象）的容器，通過溫度變送器檢測(cè)爐水溫和夾套溫度，產(chǎn)生0100mV電壓信號(hào)，傳送給S7-200PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235，由PLC主控系統(tǒng)部分進(jìn)行運(yùn)算和處理后再由模擬量擴(kuò)展模塊EM235產(chǎn)生05V的控制信號(hào)傳送給調(diào)功器，調(diào)功器根據(jù)不同的控制信號(hào)輸出不同的電壓來(lái)控制加熱爐的加熱器來(lái)對(duì)水溫進(jìn)行加熱和控制，由此水溫升高或降低會(huì)影響溫度檢測(cè)元件，從而產(chǎn)生了一個(gè)閉環(huán)回路控制，因此達(dá)到平衡控制水溫的目的。通過啟動(dòng)和停止產(chǎn)生的開關(guān)量數(shù)字信號(hào)來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行于停止，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制的功能。兩個(gè)數(shù)顯表分別用于顯示夾套溫

36、度和膽溫度，其分辨率為1。2.1.2軟件方案設(shè)計(jì)軟件基本結(jié)構(gòu)由主/副控器PID，控制對(duì)象溫度調(diào)功器、檢測(cè)元件溫度變送器等部分組成。其基本工作原理：首先計(jì)算出兩個(gè)控制器PID的有關(guān)參數(shù)，進(jìn)行PID初始化，把夾套溫度變送器和膽溫度變送器傳送回來(lái)0100mV的電壓信號(hào)通過模擬量輸入模塊EM235的A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)?32000的數(shù)字量，然后進(jìn)行變換變?yōu)?1的過程量形參，然后給定一個(gè)夾套溫度給定量SV和夾套溫度過程量PV1傳送給主控制器PID運(yùn)算，得到的結(jié)果OUT1作為副控制器的給定量SV與膽溫度過程量PV0傳送給副控制器 PID運(yùn)算，得到的結(jié)果OUT0經(jīng)過標(biāo)度變換和模擬量輸出模塊EM235的A/D轉(zhuǎn)換變

37、為05V的控制信號(hào)傳送給溫度調(diào)功器，對(duì)爐加熱器進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)膽溫度和夾套溫度進(jìn)行檢測(cè)，形成雙閉環(huán)回路控制。其組成圖如圖2-2所示，流程圖如圖2-3所示。圖2-2 加熱爐軟件控制部分組成圖圖2-3 系統(tǒng)流程框圖2.2 PID控制算法模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是PID控制，PID在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有60多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。人們?cè)趹?yīng)用的過程中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)，PID的研究已經(jīng)到達(dá)一個(gè)比較高的程度。比例控制(P)是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。其特點(diǎn)是具有快速反應(yīng)，控制與時(shí)，但不能消除余差。在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。積

38、分控制可以消除余差，但具有滯后特點(diǎn)，不能快速對(duì)誤差進(jìn)行有效的控制。在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。微分控制具有超前作用，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。避免較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，它們一起使用的時(shí)候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量。2.2.1 PID算法圖 2-4 帶PID控制器的閉控制系統(tǒng)框圖如圖2-4所示，PID控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系：(2-1)控制器的輸出為：(2-2)上式中,PID回路的輸出；比例系數(shù)P；

39、積分系數(shù)I；微分系數(shù)D;PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為：(2-3)數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對(duì)偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)輸出值。其離散化的規(guī)律如表2-1所示。表 2-1 模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以PID輸出經(jīng)過離散化后，它的輸出方程為；(2-4)式2-4中， 稱為比例項(xiàng)； 稱為積分項(xiàng)； 稱為微分項(xiàng)；上式中，積分項(xiàng)是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值。計(jì)算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的PID指令實(shí)現(xiàn)位置式PID控制算法量。2.2.2PID在PLC中的回路指令現(xiàn)在很多PLC已經(jīng)

40、具備了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是專用模塊，有些是指令形式。西門子S7-200系列PLC中使用的是PID回路指令見表2-2。表2-2 PID回路指令名稱PID運(yùn)算指令格式PID指令表格式PID TBL，LOOP梯形圖使用方法：當(dāng)EN端口執(zhí)行條件存在時(shí)候，就可進(jìn)行PID運(yùn)算。指令的兩個(gè)操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因?yàn)橐粋€(gè)PID回路占用了32個(gè)字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號(hào)，可以是07，不可以重復(fù)使用。PID回路在PLC中的地址分配情況如表2-3所示。表2-3 PID指令回路表偏移地址名稱

41、數(shù)據(jù)類型說明0過程變量（PVn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間4給定值（SPn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間8輸出值（Mn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間12增益（Kc）實(shí)數(shù)比例常數(shù)，可正可負(fù)16采樣時(shí)間（Ts）實(shí)數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20采樣時(shí)間（Ti）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時(shí)間（Td）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項(xiàng)前值（MX）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間32過程變量前值（PVn-1）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間1) 回路輸入輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法 本設(shè)計(jì)中回路的輸入為兩個(gè)溫度模擬量輸入，夾套和膽溫度經(jīng)過溫度檢測(cè)模塊，傳送給EM235經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到的是16為整數(shù)，而設(shè)計(jì)中所需要

42、的過程變量為實(shí)數(shù)，所以我們需要將整數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)，這里就要用到I_DI，DI_R指令，就如在標(biāo)度變換中的轉(zhuǎn)換一樣，得到實(shí)際的溫度值。輸出為05V的電壓信號(hào)，所以我們輸入到EM235的數(shù)值也為16位整數(shù)類型，而經(jīng)過PID回路運(yùn)算后得到的數(shù)據(jù)為32為實(shí)數(shù)，這里我就要用到ROUND,DI_I指令，就如在副控制器中斷程序一樣，得到的數(shù)據(jù)從模擬量輸出端口輸出。2) 實(shí)數(shù)的歸一化處理因?yàn)镻ID中除了采樣時(shí)間和PID的三個(gè)參數(shù)外，其他幾個(gè)參數(shù)都要求輸入或輸出值0.01.0之間，所以，在執(zhí)行PID指令之前，必須把PV和SP的值作歸一化處理。使它們的值都在0.01.0之間。歸一化的公式為：（2-5）式中, 標(biāo)準(zhǔn)化

43、的實(shí)數(shù)值；未標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值；補(bǔ)償值或偏置，單極性為0.0，雙極性為0.5；值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32000，雙極性為6400。本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為：（2-6）因?yàn)闇囟冉?jīng)過檢測(cè)和標(biāo)度變換后，得到的值是實(shí)際溫度值，所以為了SP值和PV值在同一個(gè)數(shù)量值01.0對(duì)應(yīng)0100，所以輸入SP值的時(shí)候應(yīng)該是填寫一個(gè)是實(shí)際溫度1/100的數(shù)，即想要設(shè)定目標(biāo)控制溫度為80時(shí)，需要輸入一個(gè)0.8。3) 回路輸出變量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換本設(shè)計(jì)中，利用回路的輸出值來(lái)設(shè)定下一個(gè)周期的加熱時(shí)間。回路的輸出值是在0.01.0之間，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)，在輸出變量傳送給D/A模擬量單元之前，必須把

44、回路輸出變量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù)。這一過程是實(shí)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化過程。（2-7）S7-200不提供直接將實(shí)數(shù)一步轉(zhuǎn)化成整數(shù)的指令，必須先將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化成雙整數(shù)，再將雙整數(shù)轉(zhuǎn)化成整數(shù)。程序如下：ROUND AC1, AC1DTI AC1, VW342.2.3 PID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)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過理論計(jì)算來(lái)確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最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

45、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn)，其規(guī)律如表2-4所示。表 2-4溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時(shí)間（分鐘）微分時(shí)間（分鐘）溫度滯后較大2060204003實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。 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)先將步驟1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的5080，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)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)

46、節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(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)。經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)得出本設(shè)計(jì)的PID參數(shù)如下，主控制器的增益為0.15，采樣時(shí)間為0.2S，積分時(shí)間為30min，微分時(shí)間為3.0min；副控制器的增益位2.0 ，采樣時(shí)間為0.2S，積分時(shí)間位27min，微分之間為0min。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)的硬件組成3.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括一臺(tái)可編程控制器、一臺(tái)調(diào)功器、兩個(gè)溫度檢測(cè)回路、一個(gè)加熱器、一個(gè)模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊EM235、兩個(gè)數(shù)顯表、兩個(gè)啟動(dòng)/停止按鈕，一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行指示燈。3.1.2統(tǒng)各個(gè)組成部分完

47、成的任務(wù)（1）運(yùn)行指示燈和啟動(dòng)按鈕/停止按鈕實(shí)現(xiàn)運(yùn)行監(jiān)控和啟動(dòng)和停止系統(tǒng)的控制：按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)行，運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮；按下停止按鈕，系統(tǒng)停止運(yùn)行系統(tǒng)指示燈熄滅。（2）數(shù)顯表：根據(jù)PLC的輸出實(shí)時(shí)顯示膽溫度和夾套溫度的實(shí)際溫度值，便于控制和觀察。（3）溫度變送器：用來(lái)檢測(cè)夾套和膽溫度，將溫度值轉(zhuǎn)換為PLC可以讀取的電壓模擬量信號(hào)，同時(shí)傳送給PLC模擬量輸入模塊EM235。（4）調(diào)功器和加熱器：是PLC的控制對(duì)象，根據(jù)PLC模擬量輸出模塊輸出的05V電壓信號(hào)，來(lái)控制調(diào)功器的輸出功率電壓，對(duì)加熱器進(jìn)行控制，來(lái)加熱爐溫度。（5）可編程控制器和模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊：可編程控制器對(duì)采集來(lái)的溫度信

48、號(hào)進(jìn)行標(biāo)度變換處理后得到實(shí)際的溫度值，將數(shù)據(jù)傳送給兩個(gè)數(shù)顯表對(duì)膽溫度和夾套溫度分別顯示；另一方面，根據(jù)采集到得溫度值，和給定的溫度值進(jìn)行計(jì)算處理，采用PID控制算法處理后通過模擬量輸入輸出擴(kuò)展對(duì)調(diào)功器進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器的控制。3.2 可編程控制器可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱PLC。3.2.1PLC的特點(diǎn)（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采

49、用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。(2)配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中，加上PLC通信能力的增強(qiáng)與人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。(3)易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易

50、于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。(4)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。(5)體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦

51、。由于體積小很容易裝入機(jī)械部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。3.2.2PLC的選型全球PLC有二百多種，國(guó)常用PLC也就二三十種，常用的有德國(guó)西門子，法國(guó)施耐德，美國(guó)AB，ABB，GE日本歐母龍，三菱，松下，國(guó)，三星，國(guó)產(chǎn)和利時(shí)，科創(chuàng)思等。西門子PLC相對(duì)于其他的PLC價(jià)錢比較高，但是性能相對(duì)強(qiáng)大，可操作性強(qiáng)，有相配套的伺服系統(tǒng)和組態(tài)軟件。而且在大學(xué)期間我所接觸的也大多數(shù)是西門子公司的PLC。西門子PLC的種類分為S7-200PLC，S7-300PLC，S7-400PLC等，S7-300PLC，S7-400PLC與S7-200PLC相比功能更為強(qiáng)大，為S7-200的升級(jí)產(chǎn)品，但由于本系統(tǒng)所需

52、功能和技術(shù)要求S7-200完全能夠解決，所以從經(jīng)濟(jì)方面考慮選用西門子S7-200PLC系列產(chǎn)品。S7-200系列PLC是由德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能滿足多種自動(dòng)化控制的需求，其設(shè)計(jì)緊湊，價(jià)格低廉，并且具有良好的可擴(kuò)展性以與強(qiáng)大的指令功能，可代替繼電器在簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合，也可以用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于具有極強(qiáng)的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。S7-200系列可以根據(jù)對(duì)象不同，可以選用不同的型號(hào)和不同數(shù)量的模塊，并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上。3.2.3西門子S7-200主要功能模塊介紹（1）CPU模塊：S7-200的CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元，

53、電源與數(shù)字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，輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào)，輸出部分則輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。從CPU模塊功能來(lái)看，CUP模塊為CUP22*，它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置CPU單元：CPU221它有6輸入/4輸出，I/O共計(jì)10點(diǎn)。無(wú)擴(kuò)展能力，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量較小，有一定的高速計(jì)數(shù)處理能力，非常適合于少點(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。CUP222它有8輸入/6輸出，I/O共計(jì)14點(diǎn)，和221相比，它可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個(gè)模擬量擴(kuò)展，因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。CUP224它有14輸入/10輸出，I/O共計(jì)24點(diǎn)，和前兩者相比，存儲(chǔ)容量擴(kuò)大了一倍

54、，它可以有7個(gè)擴(kuò)展模塊，有置時(shí)鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力，是使用得最多S7-200產(chǎn)品。CUP226 它有24輸入/16輸出，I/O共計(jì)40點(diǎn)，和CUP224相比，增加了通信口數(shù)量，通信能力大大增強(qiáng)。它可用于點(diǎn)數(shù)較多，要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。CUP226XM 它在用戶程序存儲(chǔ)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量上進(jìn)行了擴(kuò)展，其他指標(biāo)和CUP226一樣。在本設(shè)計(jì)中由數(shù)字量2輸入/4輸出，需要一個(gè)模擬量擴(kuò)展，而CUP222本機(jī)數(shù)字量8輸入/6輸出，和兩個(gè)模擬量，可完成設(shè)計(jì)所需的技術(shù)要求，所以本設(shè)計(jì)選用CUP222 DC/DC/DC。CUP用24V DC電源，24V DC輸入，24V DC輸出，其功率

55、為5W，訂貨號(hào)為6ES7 212-1AB23-0XB0。（2）模擬量擴(kuò)展模塊： 溫度傳感器檢測(cè)到溫度轉(zhuǎn)換成0100mV的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入PLC中進(jìn)行處理，得到的控制信號(hào)也要通過模擬量輸出模塊把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)成05V的電壓信號(hào)對(duì)調(diào)功器進(jìn)行控制。S7-200PLC的模擬量模塊有EM231，EM232和EM235三種類型的模擬量擴(kuò)展模塊。EM231有4路模擬量輸入，EM232有2路模擬量輸出，EM235有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出。本設(shè)計(jì)中需要檢測(cè)兩個(gè)溫度信號(hào)，和輸出一個(gè)電壓控制信號(hào)，所以需要2路模擬量輸入/1路模擬量輸出，所以我們選擇EM235模擬量輸入/輸出模塊，其功耗為2W。訂貨號(hào)為6ES7 235-0KD22-0XA0。其輸入/輸出特性如表3-1所示。表3-1 EM235輸入