基于PLC的PID恒溫控制系統(tǒng)

1、四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計基于S7-200型PLC的PID恒溫箱控制 學(xué)生姓名范永林學(xué) 號2008103054所 在 系電子工程系專業(yè)名稱自動化班 級2008級1班指導(dǎo)教師程 誠 段純爽成 績 四川師范大學(xué)成都學(xué)院二一一年六月摘要：本論文闡述了利用PLC模塊通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和溫度檢測模塊等，并運(yùn)用梯形圖編寫程序，實(shí)現(xiàn)對液體加熱及對溫度的保持。本系統(tǒng)的適用性很強(qiáng)，穩(wěn)定性、精確性良好，程序開發(fā)通俗易懂，可以適應(yīng)農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)中恒溫系統(tǒng)的需求。本文主要介紹了恒溫系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計方案。關(guān)鍵字：PLC，數(shù)模轉(zhuǎn)換，恒溫系統(tǒng)Abstract: This paper discusses how

2、 to use the PLC module through the analog-to-digital conversion module and temperature detection module, and used the ladder-diagram programming, realize the liquid heating and temperature is maintained. This system applicability is very strong, stability, accuracy, good program development understa

3、ndable, can adapt to the agricultural production constant temperature that required by the system. This article mainly introduced the constant temperature and the hardware and software of the system design. Key words: PLC、Analog-to-digital、The constant temperature目錄前言11PLC簡介22PID指令與模擬量控制32.1 PID算法32

4、.2 PID控制回路選項32.3 回路輸入量轉(zhuǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化42.4 PID回路輸出轉(zhuǎn)換成比例的整數(shù)43控制方案設(shè)計53.1 任務(wù)及器件選型53.1.1 任務(wù)要求53.1.2 PLC選型53.1.3 加熱器件選型53.1.4 溫度傳感器選擇53.1.5 繼電器選型63.2具體方案63.2.1 方案簡介6地址分配及符號表73.3 放大電路圖83.4 流程圖83.5 程序梯形圖94系統(tǒng)功能115設(shè)計總結(jié)126參考文獻(xiàn)12前言恒溫系統(tǒng)裝置是一個模擬生產(chǎn)使用恒溫系統(tǒng)。他使用了PLC，數(shù)模轉(zhuǎn)換功能模塊，溫度傳感器，電熱棒等。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的加熱，以及恒溫保持。使用PID算法可以精確的控制系統(tǒng)溫度。該模擬系統(tǒng)可用于

5、對室溫的加熱，以及保溫。外面雖然可以買到類似的商品，但是卻不如該系統(tǒng)靈活。隨著經(jīng)濟(jì)的增長，有些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對溫度的要求相當(dāng)嚴(yán)格，例如，農(nóng)場的養(yǎng)殖場就對溫度非常講究。據(jù)研究表明禽類不僅對光照有嚴(yán)格要求,對溫度更有嚴(yán)格要求，溫度會下降到15度左右,禽類的產(chǎn)蛋率成明顯下降趨勢,而溫度高于30度左右，禽類的產(chǎn)蛋率同樣受到影響，此時我們就得嚴(yán)格控制室溫在20-25攝氏度為最佳溫度，才能提高養(yǎng)殖場的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)主要劃分為PLC主模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換功能模塊，溫度監(jiān)控模塊，加熱模塊。主要功能有：PLC模塊將數(shù)據(jù)信號傳送到功能模塊使之轉(zhuǎn)換成模擬信號使溫度傳感器工作，溫度傳感器檢測當(dāng)前系統(tǒng)溫度，轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號，然

6、后通過EM235CN模塊將溫度信號轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)信號，從而達(dá)到控制溫度的目的。1PLC簡介PLC英文全稱Programmable Logic Controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是: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)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程.PLC是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語言，在半導(dǎo)體方面有很重要的應(yīng)用，可以說有半導(dǎo)體的地方就有PLC。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置

7、。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。國際電工委員會(IEC)在其標(biāo)準(zhǔn)中將PLC定義為: 可程式邏輯控制器是一種數(shù)位運(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)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？沙淌竭壿嬁刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工

8、業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。2PID指令與模擬量控制2.1 PID算法典型PID算法包括三項：比例項、積分項和微分項。即：輸出=比例項+積分項+微分項計算機(jī)在周期性地采樣并離散化后進(jìn)行PID運(yùn)算，算法如下：Mn=Kc*(SPn-PVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPn-PVn）+Mx+Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVn)比例項：Kc*（SPn-PVn）積分項：Kc*(Ts/Ti)* （SPn-PVn）+Mx微分項：Mx+Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVn)2.2 PID控制回路選項常用的控制回路有PI、PID。（1）如果不需要積分回路（即在PID算法中無“

9、I”），則應(yīng)將積分時間Ti設(shè)為無窮大。由于積分項Mx的初始值，雖然沒有積分運(yùn)算，積分項的數(shù)值也可能不為零。（2）如果不需要微分運(yùn)算，則應(yīng)將微分時間Td設(shè)定為0.02.3 回路輸入量轉(zhuǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化在PLC進(jìn)行PID控制之前，必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化浮點(diǎn)表示法。（1）將回路輸入量數(shù)值從16位整數(shù)轉(zhuǎn)換成32位浮點(diǎn)數(shù)或?qū)崝?shù)。如下：ITD AIW0 , AC0 /將輸入數(shù)值轉(zhuǎn)化成雙字DTR AC0 ，AC0 /將32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)（2）將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成0.0-1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。/R 32000.0，AC0 /是累加器中數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化+R 0， AC0 /加偏移量0 MOVR AC0， VD100 /將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)

10、值寫入PID回路參數(shù)表中2.4 PID回路輸出轉(zhuǎn)換成比例的整數(shù)程序執(zhí)行后，PID回路輸出0.0-1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值，必須被轉(zhuǎn)換成16位成比例整數(shù)數(shù)值，才能驅(qū)動模擬輸出。PID回路輸出成比例實(shí)數(shù)數(shù)值=（PID回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值-偏移量）*取值范圍MOVR VD108，AC0 /將PID回路輸出送入AC0*R 32000.0， AC0 /將實(shí)數(shù)四舍五入取整，變?yōu)?2位整數(shù)DTI AC0，AC0 /32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成16位整數(shù)MOVW AC0,AQW0 /16位整數(shù)寫入AQW03控制方案設(shè)計3.1 任務(wù)及器件選型 任務(wù)要求對恒溫箱進(jìn)行恒溫控制，對溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID運(yùn)算結(jié)果去控制接通電加

11、熱器或者制冷風(fēng)扇，但由于電加熱器或制冷風(fēng)扇只能為OFF和ON，為開關(guān)量，不能接受模擬量調(diào)節(jié)，故采用“占空比”的調(diào)節(jié)方法。溫度傳感器檢測到的溫度值送入PLC后，若經(jīng)過PID指令運(yùn)算得到一個0-1的實(shí)數(shù)，把該實(shí)數(shù)按比例換算成一個0100的整數(shù)，把該整數(shù)作為一個范圍為1-10S的時間。設(shè)計一個時間周期為10S的脈沖，脈沖寬度為，把該脈沖加給電加熱器或制冷風(fēng)扇，即可控制溫度。3.1.2 PLC選型 選用實(shí)驗室具備的SIEMENS S7-200 CN(CPU 226)型PLC及EM235CN模塊。 加熱器件選型電熱棒的功率考慮到繼電器的成本隨負(fù)載功率的增大而增大應(yīng)盡量選擇小功率的電熱棒 溫度傳感器選擇使

12、用Pt100熱敏電阻傳感器。用高純度鉑做電阻導(dǎo)體，具有非常好的線性、高溫穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中具有十分廣泛的應(yīng)用。測量范圍：-200°C+850°C允許偏差0.15°C 繼電器選型選擇驅(qū)動電壓為24V的繼電器，負(fù)載考慮到使用電熱棒功率較大，選擇使用10A的負(fù)載避免繼電器被燒壞。3.2具體方案3.2.1 方案簡介在恒溫箱內(nèi)有一個加熱元件和一個制冷風(fēng)扇，電加熱元件和風(fēng)扇的工作狀態(tài)只有OFF和ON，即不能自行調(diào)節(jié)，現(xiàn)要使恒溫箱的溫度恒定，且能在25100攝氏度范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，如圖所示：3.2.2地址分配及符號表（1）地址分配：Q1.0：控制接通加熱器；Q1.

13、1：控制接通制冷風(fēng)扇；AIW0：接收溫度傳感器的溫度檢測值（2）符號表：符號地址符號地址設(shè)定值VD 204微分時間VD224回路增益VD212控制量輸出VD208采樣時間VD216檢測值VD200積分時間VD2203.3 放大電路圖3.4 流程圖給點(diǎn)溫度T1溫度檢測T2=T1？T2>T1啟動制冷風(fēng)扇T2<T1啟動加熱裝置溫度恒定在T1相等3.5 程序梯形圖 4系統(tǒng)功能系統(tǒng)開始運(yùn)行時，在編程軟件上修改初始設(shè)定溫度T1，T1應(yīng)該比常溫高，例如取T1=50度，電熱棒開始加熱，當(dāng)室溫別加熱到50度時，電熱棒停止加熱。若檢測溫度高于50度時，啟動制冷風(fēng)扇，使溫度下降，保持在T1附近不變；具體

14、過程是：溫度傳感器檢測到的溫度值送入PLC后，若經(jīng)過PID指令運(yùn)算得到一個0-1的實(shí)數(shù)，把該實(shí)數(shù)按比例換算成一個0100的整數(shù)，把該整數(shù)作為一個范圍為1-10S的時間。設(shè)計一個時間周期為10S的脈沖，脈沖寬度為，把該脈沖加給電加熱器或制冷風(fēng)扇，即可控制溫度。5設(shè)計總結(jié)完成本次課程設(shè)計過程中遇到很多實(shí)際問題，如放大電路的設(shè)計，溫度傳感器的信號采集電路設(shè)計，都遇到不小問題，但在老師的指導(dǎo)下，以及同學(xué)的配合下，這些問題都逐一解決，最終使恒溫系統(tǒng)，達(dá)到一個讓大家滿意的效果。通過本次課程設(shè)計，讓我在實(shí)踐當(dāng)中運(yùn)用了PLC和PID調(diào)節(jié)，對PLC的編程方面，也有所提升；熟悉掌握了溫度傳感器的工作原理，并對一些電路的設(shè)計有所了解，相信在以后的學(xué)習(xí)中，這次的經(jīng)驗會帶給我很多啟迪，且為以后工作奠定一定實(shí)踐基礎(chǔ)。6參考文獻(xiàn)1 吳建強(qiáng),可編程序控制器原理及其應(yīng)用M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004