基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計

本科畢業(yè)設計〔論文〕任務書題目:基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計原始依據(jù)(包括設計〔論文〕的工作根底、研究條件、應用環(huán)境、工作目的等)：溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體開展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，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出現(xiàn)較大的動態(tài)偏差，很難到達好的控制效果，為提高系統(tǒng)對負荷變化較大或其他擾動比擬劇烈時的控制質(zhì)量，采用基于PLC的雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)來提高加熱爐的燃燒效率。通過本畢業(yè)設計培養(yǎng)學生綜合運用所學的根底理論、根底知識、根本技能進行分析和解決實際問題的能力，使學生受到PLC系統(tǒng)開發(fā)的綜合訓練，到達能夠進行PLC系統(tǒng)設計和實施的目的。主要內(nèi)容和要求〔包括設計〔研究〕內(nèi)容、主要指標與技術參數(shù)，并根據(jù)課題性質(zhì)對學生提出具體要求〕：如圖1所示的加熱爐，它是由溫度內(nèi)膽、夾套、加熱器、溫度檢測變送器組成。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。通過檢測內(nèi)膽和夾套的溫度來控制電阻板兩端的電壓變化，使爐溫到達設定值。為提高系統(tǒng)對負荷變化較大或其他擾動比擬劇烈時的控制質(zhì)量，采用串級控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手動整定或自整定PID參數(shù)，實時計算控制量，控制加熱裝置，使加熱爐溫度為80℃左右，并能實時顯示當前溫度值。畢業(yè)論文中需有與本課題有關的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)總體方案設計，硬件的工程設計與實現(xiàn)，PLC控制程序設計〔I/O地址分配，程序流程圖〕，總結。日程安排：-2023.4.8認真收集有關資料，完成開題報告提出總體方案并進行論證論文主體設計論文撰寫，完成初稿程序調(diào)試和修改論文2023.5.29-2023.6.7編寫設計說明書，準備辯論提綱，進行辯論主要參考文獻和書目：[1]樓順天、姚假設玉、沈俊霞，MATLAB7.x程序設計語言，西安電子科技大學出版社，2023[2]黃友銳、曲立國，PID控制器參數(shù)整定與實現(xiàn)，科學出版社，2023[4]盧京潮，自動化控制原理，西北工業(yè)大學出版社，2023[5]周美蘭、周封、王岳宇，PLC電氣控制與組態(tài)設計，科學出版社，2023[6]李科，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，2006[7]吳長勝，基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計，[學士論文]，貴州師范大學，2006[8]李世斌、李宏偉，PLC在鍋爐控制中的應用、自動化技術與應用，2003年第22卷第1期[9]歐祖鴻，基于Wincc和S7-200的溫度測控系統(tǒng)，[學士論文]，重慶科技學院，2023[10]廖常初，PLC編程及應用，機械工業(yè)出版社，2005[11]顧占松、陳鐵年，可編程控制器原理與應用，北京國防工業(yè)出版社，1996[12]王偉、張晶逃、柴天佑，PID參數(shù)先進整定方法綜述，自動化學報，2000,5〔26〕347~355[13]胡學林，可編程控制器教程，電子工業(yè)出版社，2005[14]張揚、蔡春偉、孫明健，S7-200PLC原理與應用系統(tǒng)技術，機械工業(yè)出版社，2007[15]JurgenMuiler、張懷勇，西門子自動化系統(tǒng)實戰(zhàn)，人民郵電出版社，2007指導教師簽字：年月日教研室主任簽字：年月日本科畢業(yè)設計〔論文〕開題報告〔綜述〕題目：基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計本課題來源及研究現(xiàn)狀：隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步開展，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、反響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的PID控制，然而單片機控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設計較為復雜，特別是設計到邏輯方面更不是其長處，然而PLC在這方面卻是公認的最正確選擇。隨著PLC功能的擴充，在許多PLC控制器中都擴充了PID控制功能，因此在邏輯控制與PID控制混合的應用場所中采用PLC控制是較為合理的，通過采用PLC來對它們進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)先，而且可以大幅度提高被測溫度的技術指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，PLC對溫度的控制是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。這也是本次畢業(yè)設計所重點研究的內(nèi)容。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從溫度控制來講，總體開展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比有著較大的差距。目前我國在這方面總體技術水平處于20實際50年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以‘點位’控制及常規(guī)的PID控制為主。它只能適應一般的溫度控制，難以控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國外技術保密及我國開發(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)驗及現(xiàn)場調(diào)試確定。國外溫度控制系統(tǒng)開展迅速，并在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國、德國、瑞典等技術領先的國家，都生產(chǎn)出了一批商品化得，性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。它們主要具有如下的特點：①是適應于大慣性、大滯后等復雜溫度控制系統(tǒng)的控制；②是能夠適應于受控數(shù)學模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制；③是能夠適應于受控系統(tǒng)過程復雜、參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)的控制；④是溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機技術，運用先進的算法，適應的范圍廣泛；⑤是溫度控制器普遍具有參數(shù)自整定功能。有的還具有自學習功能，能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調(diào)整相關參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化；⑥是具有控制精度高、抗干擾力強、魯棒性好的特點。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速開展。課題研究目標、內(nèi)容、方法和手段：本課題研究的主要目標是采用串級控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手動整定或自整定PID參數(shù)，實時計算控制量，控制加熱裝置，使加熱爐溫度為80℃左右，并能實時顯示當前溫度值，其總體結構如圖1所示。圖1調(diào)溫總體結構系統(tǒng)硬件組成由PC機、PLC控制器、晶閘管調(diào)功器、加熱爐對象等組成；加熱爐對象由溫度內(nèi)膽、夾套、加熱器、溫度檢測變送器等組成?？傮w方案是采用PLC控制器來對系統(tǒng)進行總體控制，溫度變送器采集夾套和內(nèi)膽溫度信號；兩個數(shù)顯儀表分別對夾套溫度和內(nèi)膽溫度的實際值進行實時顯示；兩個啟動按鈕對系統(tǒng)的運行與停止進行手動控制；指示燈來顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)；模擬量擴展模塊承當兩個模擬量輸入和一個模擬量輸出的任務；調(diào)功器根據(jù)PLC的控制信號對加熱器進行控制，來實現(xiàn)對溫度的控制。其各個局部的組成連接如圖2所示。圖2設計總體方案連接圖加熱爐溫的控制系統(tǒng)實現(xiàn)過程是：首先溫度傳感器將加熱爐的溫度轉化為電壓信號，PLC的擴展模塊EM235將送過來的電壓信號轉化為西門子S7-200PLC可識別的數(shù)字量，夾套溫度主給定量SV1與夾套溫度主反響量PV1比擬后得到誤差信號e1，然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反響回來的溫度值進行比擬并經(jīng)過PID運算處理，輸出控制量OUT1作為副控制器的給定，并與內(nèi)膽溫度副反響量PV0進行比擬得到誤差信號e0，經(jīng)?？刂破鬟M行PID運算輸出控制量OUT0作為晶閘管調(diào)功器的輸入信號，來控制輸出電壓的變化，從而控制內(nèi)膽加熱器上電壓的上下，實時控制內(nèi)膽溫度副被控量和夾套溫度主被控量，構成雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，其結構如圖3所示。圖3串級控制系統(tǒng)方框圖設計〔論文〕提綱安排：第一章緒論：對課題研究背景國內(nèi)外開展前景進行了闡述，并分別從基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機〔IPC〕的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)〔DCS〕，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)〔FCS〕等介紹當前溫度控制系統(tǒng)的開展狀況。第二章設計總體方案：簡單的從硬件局部和軟件局部介紹了系統(tǒng)的工作原理，并對PID控制算法做了根本介紹，簡單闡述了PID運算在本設計中的用法，和對相關參數(shù)進行了確定第三章，系統(tǒng)硬件設計：介紹了硬件系統(tǒng)設計的組成和連線圖，對系統(tǒng)所用到的硬件進行了介紹和選型。第四章，系統(tǒng)軟件編程：對編程的思路和各個編程局部的任務、組成、流程圖和梯形圖進行了詳細介紹，并對編程用軟件的安裝進行了說明。第五章，總結。設計〔論文〕提綱及進度安排：-2023.4.8認真收集有關資料，完成開題報告提出總體方案并進行論證論文主體設計論文撰寫，完成初稿程序調(diào)試和修改論文2023.5.29-2023.6.7編寫設計說明書，準備辯論提綱，進行辯論主要參考文獻和書目：[1]廖常初.S7-200PLC編程及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2006.[2]吳中俊，黃永紅主編.可編程序控制器原理及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，北京.2004,4.[3]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2023[4]馬秀坤，史云濤，馬學軍.S7-200PLC與數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的原理及應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2023[5]陳伯時主編.電力系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2003[6]張志杰加熱爐控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計與應用[J].工業(yè)爐,2000,22(3):26-27.[7]王浩宇,張云生,張果.管式加熱爐PID算法改良及其在虛擬儀器中的應用[J].自動化儀表,30(4):51-54[8]樓順天、姚假設玉、沈俊霞，MATLAB7.x程序設計語言，西安電子科技大學出版社，2023[9]黃友銳、曲立國，PID控制器參數(shù)整定與實現(xiàn)，科學出版社，2023[10]盧京潮，自動化控制原理，西北工業(yè)大學出版社，2023[11]周美蘭、周封、王岳宇，PLC電氣控制與組態(tài)設計，科學出版社，2023[12]李科，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，2006[13]吳長勝，基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計，[學士論文]，貴州師范大學，2006[14]李世斌、李宏偉，PLC在鍋爐控制中的應用、自動化技術與應用，2003年第22卷第1期[15]歐祖鴻，基于Wincc和S7-200的溫度測控系統(tǒng)，[學士論文]，重慶科技學院，2023[16]廖常初，PLC編程及應用，機械工業(yè)出版社，2005[17]顧占松、陳鐵年，可編程控制器原理與應用，北京國防工業(yè)出版社，1996[18]王偉、張晶逃、柴天佑，PID參數(shù)先進整定方法綜述，自動化學報，2000,5〔26〕347~355[19]胡學林，可編程控制器教程，電子工業(yè)出版社，2005[20]張揚、蔡春偉、孫明健，S7-200PLC原理與應用系統(tǒng)技術，機械工業(yè)出版社，2007[21]JurgenMuiler、張懷勇，西門子自動化系統(tǒng)實戰(zhàn)，人民郵電出版社，2007[22]劉迎春，葉湘濱.傳感器原理.，國防科技大學出版社，2002[23]付家才，PLC實驗與實踐.，北京高等教育出版社，2006[24]袁寶歧，加熱爐原理與設計，航空工業(yè)出版社1989[25]Tracton.K.、時光譯，顯示電子學，人們郵電出版社，2002指導教師審核意見：教研室主任簽字：年月日摘要可編程控制器是一種應用很廣泛的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術，計算機技術，通訊技術融為一體，具有控制力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合溫度控制的要求。本文先從課題研究背景說起，通過幾個溫控系統(tǒng)簡單介紹了國內(nèi)外開展現(xiàn)狀。然后主要通過對系統(tǒng)的總體方案設計，硬件的選擇、設計、使用，軟件程序的思路、流程圖、編寫等方面詳細介紹了各個模塊的原理、設計和使用，并對程序中所使用的控制算法進行詳細的介紹。實驗證明，以PLC作為控制核心，在通過PLC編程控制溫度對象，這種設計方式可以方便快捷的設計出符合要求的溫度控制系統(tǒng)。通過本設計可以熟悉并掌握西門子S7-200PLC的原理與功能及它的編程語言，以自動控制理論為指導思想，解決工業(yè)生產(chǎn)及生活中溫度控制問題。關鍵字：S7-200PLC；EM235；溫度控制系統(tǒng)AbstractWiththecontinuousdevelopmentoftheindustrialautomatization,people’srequirementsforautomaticsbecomehigherandhigher.Inrecentyears,rapidgrowingcomputertechnologyhasbeenwidelyused,butinthemeantime,traditionalindustrialcontrolsoftwarehascriticalshortcomingssuchaslongdevelopmentcycle,lowreusability,highpriceandcostlymodifications.Asmoreandmoreautomaticequipmentsareappliedandtherequirementsforindustrialcontrolsoftwarearehigherandhigher,thetraditionalindustrialcontrolsoftwarecannotmeetthedemandofconsumersanymore.Howtodesignaflexibleandeffectiveautomaticcontrolsystemspeedilyandconvenientlybyusingindustrialcontrolsoftwarehasbecomeaveryimportanttask.PLC(programmablelogiccontroller)isakindofwildlyusedautomaticcontroldevice,anditcombinestraditionalrelaycontroltechnology,computertechniqueandcommunicationtechnology,anditcharacterizedbystrongcontrolability,flexibleoperation,highreliabilityandsuitableforcontinuousworking.Thisthesisintroducestheprinciples,designandapplicationofeachmodulefromtheselection,design,andapplicationofhardware,andselection,compileofsoftwareindetails.ExperimentsprovethatusePLCasthecontrolcentreandcontroltemperatureobjectthroughprogrammingbyPLC,wecandesigndesirabletemperaturecontrolsystemconvenientlyandflexiblely.Keywords:S7-200PLC;EM235;temperaturecontrolsystem.目錄第一章緒論11.1系統(tǒng)設計背景11.2溫度控制系統(tǒng)的開展狀況11.3本文的研究內(nèi)容3第二章設計總體方案及控制算法描述42.1系統(tǒng)總體方案4硬件方案設計4軟件方案設計52.2PID控制算法62.2.1PID算法7PID在PLC中的回路指令82.2.3PID參數(shù)整定10第三章系統(tǒng)硬件設計123.1系統(tǒng)的硬件組成12系統(tǒng)結構組成12統(tǒng)各個組成局部完成的任務123.2可編程控制器12的特點12的選型13西門子S7-200主要功能模塊介紹143.3系統(tǒng)其他硬件選型及配置17顯示模塊17溫度傳感器18調(diào)功器204.4系統(tǒng)硬件連接23第四章系統(tǒng)軟件設計244.1系統(tǒng)設計軟件244.2方案設計思路254.2主程序局部264.3標度變換子程序294.4顯示模塊子程序314.5PID初始化子程序及中斷程序35第五章總結42致謝43參考文獻44附錄45第一章緒論1.1系統(tǒng)設計背景溫度與人們的生存生活生產(chǎn)息息相關。從古人類的燒火取暖，到今天的工業(yè)溫度控制，處處都表達了溫度控制。隨著生產(chǎn)力的開展，人們對溫度控制精確度要求也越來越來高，溫度控制的技術也得到迅速開展。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)絡算法，遺傳算法等都應用在溫度控制系統(tǒng)中。近年來，加熱爐的溫度控制系統(tǒng)是比擬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、機械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反響爐，對工件的處理均需要對溫度進行控制，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中和家居生活過程中對溫度進行檢測和監(jiān)控，由于許多實踐現(xiàn)場對溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比擬復雜，而傳統(tǒng)的溫度控制器多由繼電器組成的，但是繼電器的觸點的使用壽命有限，故障率偏高，穩(wěn)定性差，無法滿足現(xiàn)代的控制要求。而隨著計算機技術的開展，嵌入式微型計算機在工業(yè)中得到越來越多的應用。將嵌入式系統(tǒng)應用在溫度控制系統(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)約本錢這一優(yōu)點使得其擁有更加廣闊的市場前景，而PLC就是最具代表性的一員。目前智能溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于社會生活、工業(yè)生產(chǎn)的各個領域，適用于家電、汽車、材料、電力電子等行業(yè)，成為開展國民經(jīng)濟的重要熱工設備之一。在現(xiàn)代化的建設中，能源的需求非常大，然而我國的能源利用率極低，所以實現(xiàn)溫度控制的智能化，有著極重要的實際意義。通過本設計可以熟悉并掌握西門子S7-200PLC的原理與功能及它的編程語言，以自動控制理論為指導思想，解決工業(yè)生產(chǎn)及生活中溫度控制問題。1.2溫度控制系統(tǒng)的開展狀況溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研以及日常生活等領域占有重要的地位。溫度控制系統(tǒng)是人類供熱、取暖的主要設備的驅(qū)動來源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。期間，從低級到高級，從簡單到復雜，隨著生產(chǎn)力的開展和對溫度控制精度要求的不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術得到迅速開展。當前比擬流行的溫度控制系統(tǒng)有基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機〔IPC〕的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)〔DCS〕，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)〔FCS〕等。單片機的開展歷史雖不長，但它憑著體積小，本錢低，功能強大和可靠性高等特點，已經(jīng)在許多領域得到了廣泛的應用。單片機已經(jīng)由開始的4位機開展到32位機，其性能進一步得到改善?；趩纹瑱C的溫度控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，工作精度高。但相對其他溫度系統(tǒng)而言，單片機響應速度慢、中斷源少，不利于在復雜的，高要求的系統(tǒng)中使用。PLC是一種數(shù)字控制專用電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)與演算等功能，并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程序。PLC可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單，易于被工程人員掌握和使用，目前在工業(yè)領域上被廣泛應用。相對于IPC，DCS，F(xiàn)SC等系統(tǒng)而言，PLC是具有本錢上的優(yōu)勢。因此，PLC占領著很大的市場份額，其前景也很有前途。工控機〔IPC〕即工業(yè)用個人計算機。IPC的性能可靠、軟件豐富、價格低廉，應用日趨廣泛。它能夠適應多種工業(yè)惡劣環(huán)境，抗振動、抗高溫、防灰塵，防電磁輻射。過去工業(yè)鍋爐大多用人工結合常規(guī)儀表監(jiān)控，一般較難到達滿意的結果，原因是工業(yè)鍋爐的燃燒系統(tǒng)是一個多變量輸入的復雜系統(tǒng)。影響燃燒的因素十分復雜，較正確的數(shù)學模型不易建立，以經(jīng)典的PID為根底的常規(guī)儀表控制，已很難到達最正確狀態(tài)。而計算機提供了諸如數(shù)字濾波，積分別離PID，選擇性PID。參數(shù)自整定等各種靈活算法，以及“模糊判斷〞功能，是常規(guī)儀表和人力難以實現(xiàn)或無法實現(xiàn)的。在工業(yè)鍋爐溫度檢測控制系統(tǒng)中采用控機工可大大改善了對鍋爐的監(jiān)控品質(zhì)，提高了平均熱效率。但如果單獨采用工控機作為控制系統(tǒng)，又有易干擾和可靠性差的缺點。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。DCS的關鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設計就決定了總體的靈活性和平安性。根本DCS的溫度控制系統(tǒng)提供了生產(chǎn)的自動化水平和管理水平，能減少操作人員的勞動強度，有助于提高系統(tǒng)的效率。但DCS在設備配置上要求網(wǎng)絡、控制器、電源甚至模件等都為冗余結構，支持無擾切換和帶電插拔，由于設計上的高要求，導致DCS本錢太高?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)〔FCS〕綜合了數(shù)字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網(wǎng)絡技術和智能儀表等多種技術手段的系統(tǒng)。其優(yōu)勢在于網(wǎng)絡化、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，F(xiàn)CS系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場化，能直接執(zhí)行傳感、控制、報警和計算功能。而且它可以對現(xiàn)場裝置(含變送器、執(zhí)行器等)進行遠程診斷、維護和組態(tài)，這是其他系統(tǒng)無法到達的。但是，F(xiàn)CS還沒有完全成熟，它才剛剛進入實用化的現(xiàn)階段，另一方面，目前現(xiàn)場總線的國際標準共有12種之多，這給FSC的廣泛應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，用戶需要根據(jù)實際需要選擇系統(tǒng)配置，當然，在實際運用中，為了到達更好的控制系統(tǒng)，可以采取多個系統(tǒng)的集成，做到互補長短。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體開展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比有著較大差距。成熟產(chǎn)品主要以“點位〞控制及常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國外技術保密及我國開發(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)驗及現(xiàn)場調(diào)試確定。國外溫度控制系統(tǒng)開展迅速，并在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國、德國、瑞典等技術領先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速開展。1.3本文的研究內(nèi)容本論文主要是利用PLCS7-200作為可編程控制器，系統(tǒng)采用串級控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手動整定或自整定PID參數(shù)，實時計算控制量，控制加熱裝置，使加熱爐溫度為80℃左右，并能實現(xiàn)手動啟動和停止，運行指示燈監(jiān)控實時控制系統(tǒng)的運行，實時顯示當前內(nèi)膽溫度值與夾套溫度值。具體有以下幾方面的內(nèi)容：第一章緒論：對課題研究背景國內(nèi)外開展前景進行了闡述，并分別從基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機〔IPC〕的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)〔DCS〕，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)〔FCS〕等介紹當前溫度控制系統(tǒng)的開展狀況。第二章設計總體方案：簡單的從硬件局部和軟件局部介紹了系統(tǒng)的工作原理，并對PID控制算法做了根本介紹，簡單闡述了PID運算在本設計中的用法，和對相關參數(shù)進行了確定第三章，系統(tǒng)硬件設計：介紹了硬件系統(tǒng)設計的組成和連線圖，對系統(tǒng)所用到的硬件進行了介紹和選型。第四章，系統(tǒng)軟件編程：對編程的思路和各個編程局部的任務、組成、流程圖和梯形圖進行了詳細介紹，并對編程用軟件的安裝進行了說明。第五章，總結。第二章設計總體方案及控制算法描述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局部組成。硬件方案設計硬件根本構成有PLC主控系統(tǒng)局部、調(diào)功器、加熱爐、加熱器、啟動/停止開關按鈕、數(shù)顯表與溫度變送器五局部組成。其結構硬件局部組成及其關系如圖2-1所示。圖2-1加熱爐硬件局部組成圖根本工作原理：加熱爐是加熱對象〔本設計采用自來水作為加熱對象〕的容器，通過溫度變送器檢測爐內(nèi)水溫和夾套溫度，產(chǎn)生0~100mV電壓信號，傳送給S7-200PLC的模擬量擴展模塊EM235，由PLC主控系統(tǒng)局部進行運算和處理后再由模擬量擴展模塊EM235產(chǎn)生0~5V的控制信號傳送給調(diào)功器，調(diào)功器根據(jù)不同的控制信號輸出不同的電壓來控制加熱爐內(nèi)的加熱器來對水溫進行加熱和控制，由此水溫升高或降低會影響溫度檢測元件，從而產(chǎn)生了一個閉環(huán)回路控制，因此到達平衡控制水溫的目的。通過啟動和停止產(chǎn)生的開關量數(shù)字信號來控制系統(tǒng)運行于停止，實現(xiàn)手動控制的功能。兩個數(shù)顯表分別用于顯示夾套溫度和內(nèi)膽溫度，其分辨率為1℃。軟件方案設計軟件根本結構由主/副控器PID，控制對象溫度調(diào)功器、檢測元件溫度變送器等局部組成。其根本工作原理：首先計算出兩個控制器PID的有關參數(shù)，進行PID初始化，把夾套溫度變送器和內(nèi)膽溫度變送器傳送回來0~100mV的電壓信號通過模擬量輸入模塊EM235的A/D轉換變?yōu)?~32000的數(shù)字量，然后進行變換變?yōu)?~1的過程量形參，然后給定一個夾套溫度給定量SV和夾套溫度過程量PV1傳送給主控制器PID運算，得到的結果OUT1作為副控制器的給定量SV與內(nèi)膽溫度過程量PV0傳送給副控制器PID運算，得到的結果OUT0經(jīng)過標度變換和模擬量輸出模塊EM235的A/D轉換變?yōu)?~5V的控制信號傳送給溫度調(diào)功器，對爐內(nèi)加熱器進行控制，同時對內(nèi)膽溫度和夾套溫度進行檢測，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加熱爐軟件控制局部組成圖圖2-3系統(tǒng)流程框圖2.2PID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)領域的應用已經(jīng)有60多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應用。人們在應用的過程中積累了許多的經(jīng)驗，PID的研究已經(jīng)到達一個比擬高的程度。比例控制(P)是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。其特點是具有快速反響，控制及時，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的積分成正比關系。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點，不能快速對誤差進行有效的控制。在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分〔即誤差的變化率〕成正比關系。微分控制具有超前作用，它能預測誤差變化的趨勢。防止較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的優(yōu)點和缺點，它們一起使用的時候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量。2.2.1PID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)到達穩(wěn)定狀態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關系：(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；——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)字計算機處理這個函數(shù)關系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對偏差周期采樣后，計算機輸出值。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；稱為積分項；稱為微分項；上式中，積分項是包括第一個采樣周期到當前采樣周期的所有誤差的累積值。計算中，沒有必要保存所有的采樣周期的誤差項，只需要保存積分項前值，計算機的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的PID指令實現(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)具備了PID功能，STEP7Micro/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2-2PID回路指令名稱PID運算指令格式PID指令表格式PIDTBL，LOOP梯形圖使用方法：當EN端口執(zhí)行條件存在時候，就可進行PID運算。指令的兩個操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因為一個PID回路占用了32個字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號，可以是0~7，不可以重復使用。PID回路在PLC中的地址分配情況如表2-3所示。表2-3PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據(jù)類型說明0過程變量〔PVn〕實數(shù)必須在0.0~1.0之間4給定值〔SPn〕實數(shù)必須在0.0~1.0之間8輸出值〔Mn〕實數(shù)必須在0.0~1.0之間12增益〔Kc〕實數(shù)比例常數(shù)，可正可負16采樣時間〔Ts〕實數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20采樣時間〔Ti〕實數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時間〔Td〕實數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項前值〔MX〕實數(shù)必須在0.0~1.0之間32過程變量前值〔PVn-1〕實數(shù)必須在0.0~1.0之間回路輸入輸出變量的數(shù)值轉換方法本設計中回路的輸入為兩個溫度模擬量輸入，夾套和內(nèi)膽溫度經(jīng)過溫度檢測模塊，傳送給EM235經(jīng)過A/D轉換后得到的是16為整數(shù)，而設計中所需要的過程變量為實數(shù)，所以我們需要將整數(shù)轉換為實數(shù)，這里就要用到I_DI，DI_R指令，就如在標度變換中的轉換一樣，得到實際的溫度值。輸出為0~5V的電壓信號，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回路運算后得到的數(shù)據(jù)為32為實數(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)實數(shù)的歸一化處理因為PID中除了采樣時間和PID的三個參數(shù)外，其他幾個參數(shù)都要求輸入或輸出值0.0~1.0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0.0~1.0之間。歸一化的公式為：〔2-5〕式中,——標準化的實數(shù)值；——未標準化的實數(shù)值；——補償值或偏置，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，故轉換公式為：〔2-6〕因為溫度經(jīng)過檢測和標度變換后，得到的值是實際溫度值，所以為了SP值和PV值在同一個數(shù)量值0~1.0對應0~100℃，所以輸入SP值的時候應該是填寫一個是實際溫度1/100的數(shù)，即想要設定目標控制溫度為80℃時，需要輸入一個0.8。回路輸出變量的數(shù)據(jù)轉換本設計中，利用回路的輸出值來設定下一個周期內(nèi)的加熱時間。回路的輸出值是在0.0~1.0之間，是一個標準化了的實數(shù)，在輸出變量傳送給D/A模擬量單元之前，必須把回路輸出變量轉換成相應的整數(shù)。這一過程是實數(shù)值標準化過程?！?-7〕S7-200不提供直接將實數(shù)一步轉化成整數(shù)的指令，必須先將實數(shù)轉化成雙整數(shù)，再將雙整數(shù)轉化成整數(shù)。程序如下：ROUNDAC1,AC1DTIAC1,VW342.2.3PID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、積分時間Ti和和微分時間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程到達最為滿意的質(zhì)量指標要求。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反響曲線法。經(jīng)驗法又叫現(xiàn)場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，利用一組經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)反響曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗，其規(guī)律如表2-4所示。表2-4溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時間〔分鐘〕微分時間〔分鐘〕溫度滯后較大20~6020~400~3實驗湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分〞。整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反響快、超調(diào)小的響應曲線。2〕整定積分環(huán)節(jié)先將步驟1〕中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調(diào)整比例系數(shù)，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數(shù)。

3〕整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。經(jīng)過經(jīng)驗得出本設計的PID參數(shù)如下，主控制器的增益為0.15，采樣時間為0.2S，積分時間為30min，微分時間為3.0min；副控制器的增益位2.0，采樣時間為0.2S，積分時間位27min，微分之間為0min。第三章系統(tǒng)硬件設計3.1系統(tǒng)的硬件組成3.1.1系統(tǒng)結構組成溫度控制系統(tǒng)的結構包括一臺可編程控制器、一臺調(diào)功器、兩個溫度檢測回路、一個加熱器、一個模擬量輸入輸出擴展模塊EM235、兩個數(shù)顯表、兩個啟動/停止按鈕，一個系統(tǒng)運行指示燈。統(tǒng)各個組成局部完成的任務〔1〕運行指示燈和啟動按鈕/停止按鈕實現(xiàn)運行監(jiān)控和啟動和停止系統(tǒng)的控制：按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始運行，運行指示燈點亮；按下停止按鈕，系統(tǒng)停止運行系統(tǒng)指示燈熄滅?！?〕數(shù)顯表：根據(jù)PLC的輸出實時顯示內(nèi)膽溫度和夾套溫度的實際溫度值，便于控制和觀察?！?〕溫度變送器：用來檢測夾套和內(nèi)膽溫度，將溫度值轉換為PLC可以讀取的電壓模擬量信號，同時傳送給PLC模擬量輸入模塊EM235?！?〕調(diào)功器和加熱器：是PLC的控制對象，根據(jù)PLC模擬量輸出模塊輸出的0~5V電壓信號，來控制調(diào)功器的輸出功率電壓，對加熱器進行控制，來加熱爐內(nèi)溫度?！?〕可編程控制器和模擬量輸入/輸出擴展模塊：可編程控制器對采集來的溫度信號進行標度變換處理后得到實際的溫度值，將數(shù)據(jù)傳送給兩個數(shù)顯表對內(nèi)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，和給定的溫度值進行計算處理，采用PID控制算法處理后通過模擬量輸入輸出擴展對調(diào)功器進行控制來實現(xiàn)對加熱器的控制。3.2可編程控制器可編程控制器(ProgrammableController)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的開展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PLC。LC的特點〔1〕可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。(2)配套齊全，功能完善，適用性強PLC開展到今天，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)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來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通信能力的增強及人機界面技術的開展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。(3)易學易用，深受工程技術人員歡送PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制翻開了方便之門。(4)系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(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。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。LC的選型全球PLC有二百多種，國內(nèi)常用PLC也就二三十種，常用的有德國西門子，法國施耐德，美國AB，ABB，GE日本歐母龍，三菱，松下，韓國，三星，國產(chǎn)和利時，科創(chuàng)思等。西門子PLC相對于其他的PLC價錢比擬高，但是性能相對強大，可操作性強，有相配套的伺服系統(tǒng)和組態(tài)軟件。而且在大學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相比功能更為強大，為S7-200的升級產(chǎn)品，但由于本系統(tǒng)所需功能和技術要求S7-200完全能夠解決，所以從經(jīng)濟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，它能滿足多種自動化控制的需求，其設計緊湊，價格低廉，并且具有良好的可擴展性以及強大的指令功能，可代替繼電器在簡單的控制場合，也可以用于復雜的自動化控制系統(tǒng)。由于具有極強的通信功能，在大型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。S7-200系列可以根據(jù)對象不同，可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊，并可以將這些模塊安裝在同一機架上。西門子S7-200主要功能模塊介紹〔1〕CPU模塊：S7-200的CPU模塊包括一個中央處理單元，電源及數(shù)字I/O點，這些都被集成在一個緊湊，獨立的設備中，CPU負責執(zhí)行程序，輸入局部從現(xiàn)場設備中采集信號，輸出局部那么輸出控制信號，驅(qū)動外部負載。從CPU模塊功能來看，CUP模塊為CUP22*，它具有如下五種不同的結構配置CPU單元：①CPU221它有6輸入/4輸出，I/O共計10點。無擴展能力，程序和數(shù)據(jù)存儲容量較小，有一定的高速計數(shù)處理能力，非常適合于少點數(shù)的控制系統(tǒng)。②CUP222它有8輸入/6輸出，I/O共計14點，和221相比，它可以進行一定的模擬量控制和2個模擬量擴展，因此是應用更廣泛的全功能控制器。③CUP224它有14輸入/10輸出，I/O共計24點，和前兩者相比，存儲容量擴大了一倍，它可以有7個擴展模塊，有內(nèi)置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力，是使用得最多S7-200產(chǎn)品。④CUP226它有24輸入/16輸出，I/O共計40點，和CUP224相比，增加了通信口數(shù)量，通信能力大大增強。它可用于點數(shù)較多，要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。⑤CUP226XM它在用戶程序存儲量和數(shù)據(jù)存儲量上進行了擴展，其他指標和CUP226相同。在本設計中由數(shù)字量2輸入/4輸出，需要一個模擬量擴展，而CUP222本機數(shù)字量8輸入/6輸出，和兩個模擬量，可完成設計所需的技術要求，所以本設計選用CUP222DC/DC/DC。CUP用24VDC電源，24VDC輸入，24VDC輸出，其功率為5W，訂貨號為6ES7212-1AB23-0XB0?！?〕模擬量擴展模塊：溫度傳感器檢測到溫度轉換成0～100mV的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉換成數(shù)字信號再送入PLC中進行處理，得到的控制信號也要通過模擬量輸出模塊把數(shù)字信號轉成0~5V的電壓信號對調(diào)功器進行控制。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。本設計中需要檢測兩個溫度信號，和輸出一個電壓控制信號，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。訂貨號為6ES7235-0KD22-0XA0。其輸入/輸出特性如表3-1所示。表3-1EM235輸入/輸出特性模擬量輸入特性：模擬量輸入點數(shù)4輸入范圍

電壓(單極性)

電壓(雙極性)

電流

0～10V，0～5V，

±10V，±5V，±2.5V，

0～20mA數(shù)據(jù)字格式

單極性，全量程范圍-32000～+32000

雙極性，全量程范圍0～32000

-32000～+320000

0～32000模擬量輸出特性：模擬量輸出點數(shù)1信號范圍

電壓輸出

電注輸出±10V

0到20mA數(shù)據(jù)字格式

電壓

電流

-32000～+32000

0～+32000EM235輸入數(shù)據(jù)字格式如圖3-1所示。圖3-1CPU中模擬量輸入字中12位數(shù)據(jù)值的存放位置模擬量到數(shù)字量轉換器(ADC)的12位讀數(shù)，其數(shù)據(jù)格式是左端對齊的。最高有效位是符號位：0表示是正值數(shù)據(jù)字，對單極性格式，3個連續(xù)的0使得ADC計數(shù)數(shù)值每變化1個單位那么數(shù)據(jù)字的變化是以8為單位變化的。對雙極性格式，4個連續(xù)的0使得ADC計數(shù)數(shù)值每變化1個單位，那么數(shù)據(jù)字的變化是以16為單位變化的。EM235輸出數(shù)據(jù)字格式如下列圖圖3-2所示。圖3-2CPU中模擬量輸出字中12位數(shù)據(jù)值的存放位置模數(shù)字量到模擬量轉換器〔DAC〕的12位讀數(shù)，其輸出數(shù)據(jù)格式是左端對齊的，最高有效位：0表示是正值數(shù)據(jù)字，數(shù)據(jù)在裝載到DAC存放器之前，4個連續(xù)的0是被裁斷的，這些位不影響輸出信號值。EM235配置：表3-2所示為如何用DIP開關設置EM235模塊。開關1到6可選擇模擬量輸入范圍和分辨率。所有的輸入設置成相同的模擬量輸入范圍和格式。表3-2DIP開關設置單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5μVOFFONOFFONOFFON0到100mV25μVONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250μVONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5μAOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV本設計中溫度檢測模塊輸入信號為0~100mV的電壓信號，為單極性，所以DIP開關設置為：SW1,OFF；SW2，ON；SW3，OFF；SW4，ON；SW5，OFF；SW6，ON。得到其滿量程輸入位0~100mV。DIP開關實物如圖3-3所示。圖3-3DIP設定實物圖輸出設置：本設計中輸出為0~5V的電壓信號，而EM235可以輸出-10V~+10V的電壓信號和0~20mA的電流信號，所以我們選擇電壓信號的輸出接線方法，其電壓滿量程輸出數(shù)據(jù)為-32000~+32000，滿量程輸出電壓為-10V~+10V，而本設計所需要的輸出為0~5V的控制電壓信號，所以我將其數(shù)據(jù)輸出范圍定在0~16000。3.3系統(tǒng)其他硬件選型及配置3.3.2顯示模塊HLP2型兩線PLC專用數(shù)顯表可以通過兩個PLC輸出端口接收所有PLC發(fā)出的數(shù)據(jù)。PLC程序中任意指定的數(shù)據(jù),如數(shù)量、時間、溫度、壓力等通過計數(shù)器、計時器、數(shù)據(jù)存放器等數(shù)據(jù)送入指定的顯示緩沖區(qū)內(nèi)，經(jīng)子程序通過兩個輸出端口送出編碼至PLC外部的數(shù)顯表上。由于顯示模塊只需顯示2位數(shù)字，所以選用HLP2系列型號為HLP2B-39的數(shù)顯表。外形為80*43小外殼。HLP2B-39型號數(shù)顯表有兩個輸入端口，一個時鐘輸入端口SCK，一個數(shù)據(jù)輸入端口SDA，可以顯示4為LED數(shù)碼。工作電源為24VDC，所以可以并聯(lián)PLC的工作電源。HLP2型PLC數(shù)顯表的顯示數(shù)據(jù)與PLC數(shù)據(jù)的對應關系如下表3-3。表3-3HLP2數(shù)據(jù)對應表HLP2-39型數(shù)顯表送入PLC顯示存放器內(nèi)容備注00顯示相應數(shù)字1122334455續(xù)表3-3HLP2數(shù)據(jù)對應表66778899EA也可由用戶根據(jù)需要自行設計該對應關系，提交我廠后，可為客戶特殊加工生產(chǎn)，如AbcdEF等。-BRC全黑DΠEFF設計中要用到兩個數(shù)顯表，一個主表一個從表，主表SDA連接PLC數(shù)字量輸出端口Q0.3，用于實時顯示夾套實際溫度值，從表SDA連接PLC數(shù)字量輸出端口Q0.2，用于實時顯示內(nèi)膽實際溫度值，主表和從表的SDA端口接PLC數(shù)字輸出端口Q0.4，用于接收時鐘信號溫度傳感器溫度傳感器就是利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉換為電量的傳感器。其工作原理如圖3-5所示。圖3-5溫度傳感器原理圖當有兩種不同的導體和半導體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為TO，稱為自由端(也稱參考端)或冷端，那么回路中就有電流產(chǎn)生，如圖2-8所示，即回路中存在的電動勢稱為熱電動勢。這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為塞貝克效應。與塞貝克有關的效應有兩個：其一，當有電流流過兩個不同導體的連接處時此處便吸收或放出熱量(取決于電流的方向)，稱為珀爾帖效應；其二，當有電流流過存在溫度梯度的導體時，導體吸收或放出熱量(取決于電流相對于溫度梯度的方向)，稱為湯姆遜效應。兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶。熱電偶的熱電勢EAB(T，T0)是由接觸電勢和溫差電勢合成的。接觸電勢是指兩種不同的導體或半導體在接觸處產(chǎn)生的電勢，此電勢與兩種導體或半導體的性質(zhì)及在接觸點的溫度有關。利用此現(xiàn)象可以做成能夠檢測溫度的傳感器。在本設計中采用集成溫度傳感器AD590。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：1、流過器件的電流〔mA〕等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度〔開爾文〕度數(shù)，即：Ir/T=1mA/K式中：Ir—流過器件〔AD590〕的電流，單位為mA；T—熱力學溫度，單位為K。2、AD590的測溫范圍為-55℃～+150℃。3、AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可在4V～6V范圍變化，電流變化1mA，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。4、輸出電阻為710MW。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。攝氏溫度測量電路如圖3-6所示。圖3-6用于測量攝氏溫度的電路如圖3-6所示，電位器R2用于調(diào)整零點，R4用于調(diào)整運放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0℃時調(diào)整R2，使輸出VO=0，然后在100℃時調(diào)整R4使VO=100mV。如此反復調(diào)整屢次，直至0℃時，VO=0mV，100℃時VO=100mV為止。最后在室溫下進行校驗。例如，假設室溫為25℃，那么VO應為25mV。冰水混合物是0℃環(huán)境，沸水為100℃環(huán)境。由于我們測量的溫度在0℃-100℃之間，所以輸出電壓在0mV-100mV之間。其實物如圖3-7所示。圖3-7AD590集成溫度傳感器調(diào)功器調(diào)功器又稱電力控制器，本設計采用SCR電力控制器。SCR電力控制器，目前在工業(yè)中已被廣泛應用于各種電力設備中，諸如窯爐、熱處理爐、電氣高溫爐、高周波機械、電鍍設備、印染設備、涂裝設備、射出機、押出機等等，然而因為負載的不同，使用環(huán)境的限制，而又有各種不同的控制模式及各種追加配備，如相位控制，分配式零位控制,時間比例零位控制。原理介紹：SCR電力控制器的根本原理是通過控制信號輸入，去控制串在主回路中的SCR〔晶閘管〕模塊，改變主回路中電壓的導通與關斷，由此到達調(diào)節(jié)電壓或功率的目的?？刂破饕话闶怯煽刂瓢寮由现鳈C〔主回路〕組成。SCR電力控制器又可分為調(diào)壓器和調(diào)功器。采用相位控制模式的SCR電力控制器可叫做調(diào)壓器，它可以方便地調(diào)節(jié)電壓有效值，可用于電爐溫度控制，燈光調(diào)節(jié)，異步電動機降壓軟啟動和調(diào)壓調(diào)速等，也可用做調(diào)節(jié)變壓器一次側電壓，代替效率低下的調(diào)壓變壓器。采用零位控制模式的SCR電力調(diào)節(jié)器可叫做調(diào)功器，也叫周波控制器。它對交流電壓的周波進行控制，通過控制負載電壓的周波通斷比來控制負載的功率，多用于大慣性的加熱器負載。采用這種控制，即實現(xiàn)了溫度控制，又消除了相位控制時帶來的高次諧波污染電網(wǎng)，不過控制精度有所降低。控制模式優(yōu)劣比擬如表3-4所示。表3-4控制模式優(yōu)劣比擬控制模式優(yōu)點缺點相位控制控制精度高任何負載皆可控制可做各種控制變化控制不當易造成電磁干擾須加裝各種防制措施費用較高時間比例零位控制無電磁干擾構造較簡單費用較低只能控制純阻性負載負載較易受沖擊控制精度低分配式零為控制無電磁干擾構造較簡單費用較低控制效果比時間比例零為控制優(yōu)異只能控制純阻性負載負載較易受沖擊控制精度較低P系列SCR電力控制器功能簡介：目前P系列SCR電力控制器分為三相和單相兩類。產(chǎn)品完全采用SCRPOWERMODULE密封的IC化電路板，抗干擾能力強，可用于變壓器負載和高頻裝置前級調(diào)壓器，具有電流回饋適用于負阻性負載如硅鉬棒，白金加熱器。過流保護采用高速電子開關，過流時自動切斷觸發(fā)裝置到達保護SCR模塊的作用。本設計采用P系列單相電力控制器。其控制輸入信號位0~5V電壓信號。型號識別如圖3-8。圖3-8型號識別A—電源種類1：單相(1Ф)3：三相(3Ф)B—控制模式P：相位控制D：分配式零位控制C—電源電壓110V220V380V440VD—電流種類40A～1200A按客戶具體電流要求定制E—保護方式0：無1：快速熔斷保險管〔選配〕2：高速電子開關保護F—回饋控制0：無1：定電流2：定電壓根據(jù)設計要求，我們對型號進行選擇：首先擬采用發(fā)熱絲為鎳鉻合金〔恒阻性負載〕，功率為21KVA，額定電壓為220V單相電源?？刂破鞯碾娏饔嬎愎綖椋骸鲉蜗嚯娏?負載KVA×1000/線電壓，計算出單相電流為95A左右，那么取100A。電源種類選擇單相；控制模式選擇相位控制；電源電壓選擇220V；電流種類選擇100A；保護方式選擇高速電子開關保護；回饋控制選擇無。那么選用的控制器型號為P-1P-220V100A-20?？刂平泳€圖如圖3-9所示。圖3-9DC0—5V輸入自動控制接線圖PLC通過模擬量輸出模塊輸出0~5V的電壓信號作為SCR的控制信號。從PLC模擬量模塊出來的0~5V的控制信號輸入到SCR后，SCR電力控制器就根據(jù)此信號改變爐內(nèi)發(fā)熱絲的電壓，從而改變發(fā)熱絲的輸出功率，維持爐內(nèi)溫度。此種接法屬于自動控制接法，還有手動控制，手動調(diào)節(jié)等接法，在本設計中就不做詳述。各端子接線說明：端子1、2、3為手動控制輸入，電位器兩端接在2、3端，抽頭接在端子1。端子3、4為0~5V自動控制輸入端，4端接信號負端，同時也接到端子1，不然就不能觸發(fā)，3端接信號正極。本產(chǎn)品現(xiàn)在不需要用戶外接互感器，在控制器內(nèi)部主電路中各相已經(jīng)裝有互感器，故此2端子不用接線。端子11、12為控制板電源輸入端。SCR電力控制器的實物圖如圖3-10。圖3-10SCR電力控制器實物圖4.4系統(tǒng)硬件連接數(shù)顯表接線：由于系統(tǒng)用到兩個數(shù)顯表，所以采用多表接線的方法。兩表型號相同，并且采用為24VDC的電源，所以兩表的電源和S7-200PLC的電源并聯(lián)。兩表的時鐘信號可以采用同一個時鐘信號，用Q0.4產(chǎn)生。數(shù)據(jù)輸入端口分別有Q0.2和Q0.3輸出。溫度傳變送器接線：由于溫度變送器產(chǎn)生的信號位0~100mV的電壓信號，接入EM235的模擬量輸入模塊AIW0和AIW2，接線采用電壓輸入接線方式。調(diào)功器輸出接線：由于調(diào)功器的輸入控制信號位0~5VDC，所以接入EM235的模擬量輸出端口AQW0，接線采用電壓輸出方式。接線如下列圖3-11所示。圖3-11硬件接線圖PLC的數(shù)字量輸出I/0端口Q0.0接運行指示燈，Q0.2和Q0.3分別接內(nèi)膽溫度數(shù)顯表數(shù)據(jù)輸入端口，Q0.4接兩個數(shù)顯表的時鐘輸入端口。PLC的數(shù)字量輸入端口I0.0位系統(tǒng)啟動按鈕，I0.1位系統(tǒng)停止按鈕。PLC模擬量擴展模塊EM235的模擬量輸入端口AIW0接內(nèi)膽溫度變送器信號，AIW2接夾套溫度變送器信號，AQW0接調(diào)功器信號輸入端口。第四章系統(tǒng)軟件設計4.1系統(tǒng)設計軟件STEP7-MWIN32編程軟件是基于Windows的應用軟件，是西門子公司專門為SIMTICS7-200系列PLC設計開發(fā)的。該軟件功能強大，界面友好，并有方便的聯(lián)機功能。用戶可以利用該軟件開發(fā)程序，也可以實現(xiàn)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該軟件是SIMATICS7-200擁護不可缺少的開發(fā)工具。在開始安裝的時候是選擇語言界面，對于版本4.0來說，這時候沒有選擇中文的，但可以先選擇其他語言。等軟件安裝好之后再進行語言的切換。在安裝的最后，會出現(xiàn)一個界面，按照硬件的配置，我們需要用232通信電纜，采用PPI的通信方式，所以要選擇PPI/PCCable(PPI)，這個時候在彈出來的窗口中選擇端口地址，通信模式，一般選擇默認就可以了。如果想改變編程界面的語言，可在軟件的主界面的工具欄中選擇tools目錄下選擇option選項，在出現(xiàn)的界面中選擇general,然后在右下角就可以選擇中文了。見圖4-1所示。圖4-1語言重設界面系統(tǒng)塊用來設置S7-200CPU的系統(tǒng)選項和參數(shù)等。系統(tǒng)塊更改后需要下載到CPU中，新的設置才能生效。系統(tǒng)塊的設置如下，需要注意的是，PLC的地址默認是2，但本設計中需要用到的地址是1，通信端口的設置，同樣的，我們用到的地址是1。4.2方案設計思路PLC采用的是的S7-200，CPU是222系列，采用了2個按鈕和1個系統(tǒng)運行燈來控制和顯示系統(tǒng)運行的狀態(tài)，兩個數(shù)顯表來顯示夾套溫度和內(nèi)膽的實時溫度。溫度傳感器負責檢測加熱爐中夾套和內(nèi)膽的溫度，把溫度信號轉化成0~100mV的電壓信號，經(jīng)過PLC模數(shù)轉換后進行標度變換，變成實際的溫度值，然進行PID雙閉環(huán)串級控制運算，根據(jù)PID輸出值來控制調(diào)功器的輸出電功率來控制爐內(nèi)加熱器，實現(xiàn)對爐溫控制調(diào)節(jié)的目的。所以軟件設計大致分為四個局部：一、主程序局部，用來實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動與停止的手動控制和系統(tǒng)運行的指示，并實現(xiàn)對其他子程序的有效調(diào)用。二、標度變換局部，用來實現(xiàn)將模數(shù)轉換后的數(shù)字量轉換成實際的溫度值。三、顯示局部，用來實時顯示夾套和內(nèi)膽溫度的實際值。四、PID運算調(diào)節(jié)局部，這一局部為系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)局部，實現(xiàn)實時控制溫度的目的。分配地址如表4-1所示。表4-1地址分配表主程序地址分配I0.0啟動按鈕SB1I0.1停止按鈕SB2Q0.0系統(tǒng)運行指示燈M0.0系統(tǒng)運行控制存放器M0.1顯示子程序定時器輔助存放器AIW0夾套溫度模擬量輸入值16位字〔W〕AIW2內(nèi)膽溫度模擬量輸入值16位字〔W〕VD300夾套溫度實際參數(shù)32位實數(shù)〔R〕VD304內(nèi)膽溫度實際參數(shù)32位實數(shù)〔R〕VD104主控制器給定量SPn32位實數(shù)〔R)VD112主控制器增益Kc32位實數(shù)〔R)VD116主控制器采樣時間Ts〔S〕32位實數(shù)〔R)VD120主控制器幾分時間〔min)32位實數(shù)〔R)VD124主控制器微分時間32位實數(shù)〔R)SBM34主控制器中斷定時器〔ms〕16位字〔W〕VD204副控制器給定量SPn32位實數(shù)〔R)續(xù)表4-1地址分配表VD212副控制器增益Kc33位實數(shù)〔R)VD216副控制器采樣時間Ts〔S〕34位實數(shù)〔R)VD220副控制器幾分時間〔min)35位實數(shù)〔R)VD224副控制器微分時間36位實數(shù)〔R)SBM35副控制器中斷定時器〔ms〕16位字〔W〕VD300夾套溫度實際參數(shù)32位實數(shù)〔R〕VD100主控制器的過程變量PV32位實數(shù)〔R〕VB100主控制器PID的起始地址16位字〔W〕VD108主控制器的輸入值32位實數(shù)〔R〕VD306輸出值存放地址33位實數(shù)〔R〕VD304內(nèi)膽溫度實際參數(shù)32位實數(shù)〔R〕VD200副控制器的過程變量PV32位實數(shù)〔R〕VB200副控制器PID的起始地址16位字〔W〕VD208副控制器PID的輸出值32位實數(shù)〔R〕AQW0EM235模擬量輸出值16位字〔W〕VW2034將BL3〔夾套溫度〕轉為BCD碼16位字〔W〕VW2023將BL4(內(nèi)膽溫度〕轉為BCD碼16位字〔W〕VW2042夾套溫度待顯數(shù)存放地址16位字〔W〕VW2022內(nèi)膽溫度待顯數(shù)存放地址16位字〔W〕VD2044控制字32位雙子〔DW〕V2041.0夾套溫度顯示輸入數(shù)據(jù)位位〔B〕V2021.0內(nèi)膽溫度顯示輸入數(shù)據(jù)位位〔B〕V2045.0控制位位〔B〕Q0.3夾套溫度輸出SDAQ0.2內(nèi)膽溫度輸出SDAQ0.4兩個數(shù)顯表輸出時鐘SCK4.2主程序局部主程序主要完成系統(tǒng)的啟動與停止的手動控制和系統(tǒng)運行的指示，并實現(xiàn)對其他子程序的有效調(diào)用的任務。在主程序中沒有用到局部變量。主程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2主程序流程圖主程序梯形圖如圖4-3所示。圖4-3主程序梯形圖4.3標度變換子程序標度變換子程序的主要任務：由于溫度傳感器將溫度信號轉換為0~100mV的電壓信號，并傳送給模擬量輸入擴展模塊，而輸入擴展模塊將模擬量0~mV的電壓信號轉換為0~32000的數(shù)字量信號傳送給CPU，所以標度變換子程序的主要任務是將0~32000的參數(shù)轉換為0~100的實際溫度參數(shù)，以便于后面計算和顯示。模擬量擴展模塊傳送給CPU的數(shù)字量0~32000所代表的是實際溫度的0~100℃，如果用P表示傳送的數(shù)字量信號，N表示實際的溫度值那么其關系如圖4-4所示。圖4-4檢測值與實際值的線性關系用公式表示，可以表示為N/P=(100-0)/(32000-0)，即N=P/320。得知這個公式那么可進行程序編輯。局部變量在程序中的定義如下列圖4-5所示。圖4-5標度變換子程序中局部變量定義標度變換子程序流程圖如圖4-6所示。圖4-6標度變換子程序流程圖標度變換子程序梯形圖如圖4-7所示。圖4-7標度變換子程序4.4顯示模塊子程序顯示模塊子程序的主要任務：溫度變送器將從夾套和內(nèi)膽中采集的溫度信號轉換為電信號后傳入PLC模擬量擴展輸入模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)過標度變換后得到實際的溫度值，由顯示模塊顯示。本設計中用到兩個數(shù)顯表，每個數(shù)顯表都有兩個端口，一個位數(shù)據(jù)傳送端口SDA，分別接入PLC的數(shù)字量輸出端口Q0.2(內(nèi)膽溫度顯示表)和Q0.3〔夾套溫度數(shù)顯表〕，還有一個時鐘輸入端口SCK，由于兩個表所需的時鐘信號相同，所以可以同時由Q0.4提供。局部變量在程序中的定義如下列圖4-8所示。圖4-8顯示模塊子程序中局部變量定義顯示模塊子程序中要顯示兩個溫度值，但顯示原理相同，這里為簡化說明，就選用夾套溫度做為說明對象，內(nèi)膽溫度顯示過程相同。由于標度變換得到的實際溫度為32位實數(shù)類型，所以先將實數(shù)類型轉換位16位整數(shù)類型，存入局部變量中，做BCD碼轉換，這樣我們就可以得到的數(shù)據(jù)就是4個4位BCD碼數(shù)據(jù)，為了尋址方便，存入存放器VW2042中；而溫度值是實時變換的，所以采用脈沖信號控制數(shù)據(jù)的傳送，這樣就可以保證顯示數(shù)據(jù)的溫度性。然后給控制字置1，判斷控制位V2045.0是否為0，假設不為0說明數(shù)據(jù)沒有傳送完畢，將數(shù)據(jù)左移一位，V2041.0作為數(shù)據(jù)輸出位，繼續(xù)輸出數(shù)據(jù)給數(shù)顯表。假設控制位為0，那么說明數(shù)據(jù)傳送完畢，那么停止輸出，讀取最新數(shù)據(jù)。這樣就可以準確的實時顯示溫度值。但任有缺乏之處，本設計需要顯示的數(shù)據(jù)只有2位0~100之間的溫度值，但PLC專用數(shù)顯表所顯示的數(shù)據(jù)為4位，所以在數(shù)據(jù)傳送過程中前兩位浪費的數(shù)據(jù)位為0。顯示模塊子程序的流程圖如圖4-9所示，程序梯形圖如圖4-10所示。圖4-9顯示模塊子程序流程圖4-10顯示模塊子程序梯形圖續(xù)圖4-10顯示模塊子程序梯形圖4.5PID初始化子程序及中斷程序PID初始化子程序的主要任務是，對兩個控制器的參數(shù)進行初始化，并調(diào)用PID運算中斷程序，其中主控制器中的給定量為0.8〔對應80由于PLC中輸出數(shù)據(jù)滿量程為-32000~32000，對應的模擬量輸出信號位-10V~+10V，而本設計中調(diào)功器的輸入控制信號位0~5V，所以我們這里所需的輸出數(shù)據(jù)為0~16000，才可以對應0~5V的輸出電壓，如果輸出數(shù)據(jù)位P，所對應的輸出模擬量電壓信號位NV，那么其對應的關系如圖4-11所示：圖4-11輸出數(shù)據(jù)和輸出電壓關系圖其關系可以用如下公式表示：N/P=5/1600，在本設計中副控制器得到的輸出值位0~1.0之間的數(shù)值，所對應的輸出數(shù)據(jù)為0~16000，如果我們的輸出數(shù)據(jù)位P，而得到的控制器輸出值為M，那么其關系為M/P=1/16000，即P=M×16000。可用來作為輸出的標度變換。經(jīng)過經(jīng)驗得出PID參數(shù)如下：主控制器的增益為0.15，采樣時間為0.2S，積分時間為30min，微分時間為3.0min；副控制器的增益位2.0，采樣時間為0.2S，積分時間位27min，微分之間為0min。PID初始化和調(diào)用子程序及中斷程序流程圖如圖4-12所示：圖4-12PID初始化和調(diào)用子程序及中斷程序流程圖局部變量在中斷程序中的定義如下列圖4-13所示。圖4-13局部變量在中斷程序中的定義 PID初始化子程序梯形圖如圖4-14所示，主控制器中斷程序INT_0梯形圖如圖4-15所示，副控制器中斷程序INT_1梯形圖如圖4-16所示。圖4-14PID初始化子程序梯形圖續(xù)圖4-14PID初始化子程序梯形圖續(xù)圖4-