【正文】 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目 基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng) 系 別 電氣工程系 專(zhuān) 業(yè) 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 班 級(jí) 計(jì)控0801班 學(xué) 生 張海琳 學(xué) 號(hào) 03030623080106 指 導(dǎo) 教 師 都鑫 2011年 6 月摘要溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機(jī)的溫度控制系統(tǒng)等。加熱爐溫度控制在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行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, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長(zhǎng)處, PLC 在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。加熱爐溫度是一個(gè)大慣性系統(tǒng)，一般采用PID調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。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。本設(shè)計(jì)是利用西門(mén)子S7300PLC控制加熱爐溫度的控制系統(tǒng)。首先介紹了溫度控制系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)的組成，然后介紹了西門(mén)子S7300PLC和系統(tǒng)硬件及軟件的具體設(shè)計(jì)過(guò)程。關(guān)鍵詞：西門(mén)子S7300PLC，PID，溫度傳感器，固態(tài)繼電器I河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院AbstractTemperature control system has been widely used in the industry controlled field，as the temperature control system of boilers and welding machines in steel works、chemical plant、heatengine plant etc. Heatingstove temperature control has also been applied widely in all kinds of fields .The application of this aspect is based on SCM which is making the PID control, yet the hardware and software design of DDC system controlled by SCM is somewhat plicated , it’s not an advantage especially related to logic control, however it is accepted as the best choice when mentioned to PLC. The furnace temperature of heatingstove is a large inertia system，so generally using PID adjusting to control. With the expanding of PLC function, the control function in many PLC controllers has been expanded. Therefore it is more reasonable to apply PLC controlling in the applicable fields where logical control and PID control blend together. The design has utilized the control system with which Siemens S7300 PLC control the temperature heatingstove. In the first place this paper presents the working principles of the temperature control system and the elements of this system. Then it introduces Siemens S7300 PLC and the specific design procedures of the hardware and the software.Key words：Siemens S7300 PLC，PID，temperature pickup, solid state relay II目 錄摘要 IAbstract II第一章 引言 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景 1 系統(tǒng)工作原理 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)要求 2 技術(shù)綜述 2第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 控制原理與數(shù)學(xué)模型 3 PID控制原理 3 PID指令的使用注意事項(xiàng) 6 采樣信號(hào)和控制量分析 7 系統(tǒng)組成 8第三章 硬件設(shè)計(jì) 9 PLC的基本概念 9 模塊式PLC的基本結(jié)構(gòu) 9 PLC的特點(diǎn) 11 PLC的工作原理 12 PLC的循環(huán)處理過(guò)程 12 用戶程序的執(zhí)行過(guò)程 14 S7300 簡(jiǎn)介 14 數(shù)字量輸入模塊 14 數(shù)字量輸出模塊 15 數(shù)字量輸入/輸出模塊 15 模擬量輸入模塊 15 模擬量輸出模塊 15 溫度傳感器 16 熱電偶..............................................16 熱電阻..............................................17 固態(tài)繼電器 18 概述................................................18 固態(tài)繼電器的組成....................................18 固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點(diǎn)...................................19第四章 軟件設(shè)計(jì) 20 STEP7編程軟件簡(jiǎn)介 20 STEP7概述 20 STEP7的硬件接口 ........20 STEP7的編程功能 20 STEP7的硬件組態(tài)與診斷功能 21 STEP7項(xiàng)目的創(chuàng)建 22 使用向?qū)?chuàng)建項(xiàng)目 22 直接創(chuàng)建項(xiàng)目 22 硬件組態(tài)與參數(shù)設(shè)置 22 用變量表調(diào)試程序 24 系統(tǒng)調(diào)試的基本步驟 24 變量表的基本功能 25 變量表的生成 26 變量表的使用 26 S7300的編程語(yǔ)言 27 PLC編程語(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 27 STEP7中的編程技術(shù) 28結(jié)束語(yǔ) 32 致謝...............................................................33參考文獻(xiàn) 34附錄 3537第一章 引言近年來(lái)，加熱爐溫度控制系統(tǒng)是比較常見(jiàn)和典型的過(guò)程控制系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的被控參數(shù)之一，冶金﹑機(jī)械﹑食品﹑化工等各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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)和家居生活過(guò)程中常需對(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，傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù)，由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的PLC控制技術(shù)所取代。而PLC本身優(yōu)異的性能使基于 PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)方便。這種溫度控制系統(tǒng)對(duì)改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。通過(guò)本設(shè)計(jì)可以熟悉并掌握西門(mén)子S7300PLC的原理與功能以及它的編程語(yǔ)言，以自動(dòng)控制理論為指導(dǎo)思想，解決工業(yè)生產(chǎn)及生活中溫度控制的問(wèn)題。 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖11所示，它由PLC主控系統(tǒng)、固態(tài)繼電器、加熱爐、溫度傳感器等4個(gè)部分組成。圖11 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本組成加熱爐溫度控制實(shí)現(xiàn)過(guò)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主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為西門(mén)子S7300PLC可識(shí)別的數(shù)字量，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(guò)PID運(yùn)算處理后，給固態(tài)繼電器輸入端一個(gè)控制信號(hào)控制固態(tài)繼電器的輸出端導(dǎo)通與否從而使加熱爐開(kāi)始加熱或停止加熱。既加熱爐溫度控制得到實(shí)現(xiàn)。其中PLC主控系統(tǒng)為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分起著重要作用。本系統(tǒng)應(yīng)能夠控制在設(shè)定值的177。5℃的誤差范圍內(nèi)并且具有溫度上下限報(bào)警功能和故障報(bào)警功能。自70年代以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是在電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，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。在這方面以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(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，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)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。目前，我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平。成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(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，而且適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少?，F(xiàn)在，我國(guó)在溫度等控制儀表業(yè)與國(guó)外還有著一定的差距。 溫度控制系統(tǒng)大致可分別用3種方式實(shí)現(xiàn)，一種是用儀器儀表來(lái)控制溫度，這種方法控制的精度不高。另一種是基于單片機(jī)進(jìn)行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, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長(zhǎng)處, 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。因此本設(shè)計(jì)選用西門(mén)子S7300PLC來(lái)控制加熱爐的溫度。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) PID控制原理 PID控制器基本概念PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量來(lái)進(jìn)行控制。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)、控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí),最適合采用PID控制技術(shù)。（1）比例（P）控制比例控制是一種最簡(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，當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error）。（2）積分（I）控制在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的運(yùn)算取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，采用比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分（D）控制在微分控制中,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。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大的慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn) 控制系統(tǒng)一般包括開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(Openloop Control System)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響，在這種控制系統(tǒng)中,不依賴(lài)將被控制量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)(Closedloop Control S