【正文】 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，它是由溫度內(nèi)膽、夾套、加熱器、溫度檢測(cè)變送器組成。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。但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(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)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。 總體方案是采用 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內(nèi)膽溫度信號(hào)；兩個(gè)數(shù)顯儀表分別對(duì)夾套溫度和內(nèi)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。 本文先從課題研究背景說(shuō)起，通過(guò)幾個(gè)溫控 系統(tǒng)簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。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。 通過(guò)本設(shè)計(jì)可以熟悉并掌握西門子 S7200PLC 的原理 與功能及它的編程語(yǔ)言，以自動(dòng)控制理論為指導(dǎo)思想，解決工業(yè)生產(chǎn)及生活中溫度控制問(wèn)題。 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。過(guò)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)鍋爐的燃燒系統(tǒng)是一個(gè)多變量 輸入的復(fù)雜系統(tǒng)。 DCS 的關(guān)鍵是通信。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?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。 第五章，總結(jié)。 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內(nèi)膽溫度變送器傳送回來(lái) 0~100mV 的電壓信號(hào)通過(guò)模擬量輸入模塊 EM235 的 A/D 轉(zhuǎn)換變?yōu)?0~320xx 的數(shù)字量，然后進(jìn)行變換變?yōu)?0~1 的過(guò)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(guò)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 與內(nèi)膽溫度過(guò)程量 PV0 傳送給副控制器 PID 運(yùn)算， 得到的結(jié)果 OUT0 經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換和模擬量輸出模塊 EM235 的 A/D 轉(zhuǎn)換變?yōu)?0~5V 的控制信號(hào) 傳送給溫度調(diào)功器，對(duì)爐內(nèi)加熱器進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)內(nèi)膽溫度和夾套溫度進(jìn)行檢測(cè)，形成雙閉環(huán)回路控制。積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。其離散化的規(guī)律如表 21 所示 。 LOOP 是回路號(hào)，可以是 0~7，不可以重復(fù)使用。 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)周期內(nèi)的加熱時(shí)間。 表 24 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 20~60 20~40 0~3 實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為 “ 先比例，再積分，最后微分 ” 。 （ 2）數(shù)顯表：根據(jù) PLC 的輸出實(shí)時(shí)顯示內(nèi)膽溫度和夾套溫度的實(shí)際溫度值，便于控制和觀察。 (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。 (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)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。西門子 PLC 的種類分為 S7200PLC， S7300PLC， S7400PLC等， S7300PLC， S7400PLC 與 S7200PLC 相比功能更為強(qiáng)大，為 S7200 的升級(jí)產(chǎn)品，但由于本系統(tǒng)所需功能和技術(shù)要求 S7200 完全能夠解決 ，所以從經(jīng)濟(jì)方面考慮選用西門子 S7200PLC 系列產(chǎn)品。③ 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，它可以有 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)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 S7200 產(chǎn)品。 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。10V 0 到 20mA 數(shù)據(jù)字格式 電壓 電流 320xx～ +320xx 0～ +320xx EM235 輸入數(shù)據(jù)字格式如圖 31 所示。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍和格式。外形為 80*43 小外殼。這種由于溫度不 同而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為 塞江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 貝克效應(yīng) 。它的主 要特性如下： 流過(guò)器件的電流（ mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即： Ir /T=1mA/K 式中： Ir— 流過(guò)器件（ AD590）的電流，單位為 mA； T— 熱力學(xué)溫度，單位為 K?！?。 由于我們測(cè) 量的溫度在 0℃ 100℃之間，所以輸出電壓在0mV100mV 之間。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。其控制輸入信號(hào)位 0~5V電壓信號(hào)。 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 表 34 控制模式優(yōu)劣比較 控制模式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 相位控制 1. 控制精度高 2. 任何負(fù)載皆可控制 3. 可做各種控制變化 1. 控制不當(dāng)易造成電磁干擾須加裝各種防制措施 2. 費(fèi)用較高 時(shí)間比例零位控制 1. 無(wú)電磁干擾 2. 構(gòu)造較簡(jiǎn)單 3. 費(fèi)用較低 1. 只能控制純阻性負(fù)載 2. 負(fù)載較易受沖擊 3. 控制精度低 分配式零為控制 1. 無(wú)電磁干擾 2. 構(gòu)造較 簡(jiǎn)單 3. 費(fèi)用較低 4. 控制效果比時(shí)間比例零為控制優(yōu)異 1. 只能控制純阻性負(fù)載 2. 負(fù)載較易受沖擊 3. 控制精度較低 P系列 SCR電力控制器功能簡(jiǎn)介： 目前 P 系列 SCR 電力控制器分為三相和單相兩類。 原理介紹： SCR 電力控 制器的基本原理是通過(guò)控制信號(hào)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(dǎo)通與關(guān)斷，由此達(dá)到調(diào)節(jié)電壓或功率的目的。江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 如此反復(fù)調(diào)整多次，直至 0℃ 時(shí)， VO=0mV， 100℃ 時(shí) VO=100mV 為止。 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(huì)被損壞。接觸電勢(shì)是指兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體在接觸處產(chǎn)生的電勢(shì)，此電勢(shì)與兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)及在接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。 表 33 HLP2 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表 HLP239 型數(shù)顯表 送入 PLC 顯示寄存器內(nèi)容 備注 0 0 顯示相應(yīng)數(shù)字 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 續(xù) 表 33 HLP2 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表 6 6 7 7 8 8 9 9 E A 也可由用戶根據(jù)需要 自行設(shè)計(jì)該對(duì)應(yīng)關(guān)系，提 交我廠后，可為客戶特殊 加工生產(chǎn)，如 AbcdEF 等。 圖 33 DIP 設(shè)定實(shí)物圖 輸出設(shè)置：本設(shè)計(jì)中輸出為 0~5V 的電壓信號(hào)，而 EM235 可以輸出10V~+10V 的電壓信號(hào)和 0~20mA 的電流信號(hào)，所以我們選擇電壓信號(hào)的輸出接線方法 ， 其電壓滿量程輸出數(shù)據(jù)為 320xx~+320xx，滿量程輸出電壓為10V~+10V，而本設(shè)計(jì)所需要的輸出為 0~5V 的控制電壓信號(hào)，所以我將其數(shù)據(jù)輸出范圍定在 0~16000。 EM235 輸出數(shù)據(jù)字格式如下圖圖 32 所示。 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 表 31 EM235 輸入 /輸出特性 模擬量輸 入特性： 模擬量輸入點(diǎn)數(shù) 4 輸入范圍 電壓 (單極性 ) 電壓 (雙極性 ) 電流 0～ 10V， 0～ 5V， 177。 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。 西門子 S7200 主要功能模塊介紹 （ 1） CPU 模塊： S7200 的 CPU 模塊包括一個(gè)中央處理單元，電源及數(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。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 (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。 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。 3）整定微分環(huán)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) 。程序如下： ROUND AC1, AC1 DTI AC1, VW34 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(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求 。 2) 實(shí)數(shù)的歸一化處理 因?yàn)?PID 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 ~ 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。 在 PLC 中的回路指令 現(xiàn)在很多 PLC 已經(jīng)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。 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 。 比例控制 (P)是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。 圖 21 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(guò)溫度變送器檢測(cè)爐內(nèi)水溫和夾套溫度，產(chǎn)生 0~100mV 電壓 信號(hào)，傳送給 S7200PLC 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 0~5V 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)控制加熱爐內(nèi)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。 本文的 研 究?jī)?nèi)容 本論文主要是利用 PLC S7200 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 內(nèi)膽溫度值與夾套 溫度值。 成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的 PID控制器為主。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。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。因此， PLC 占領(lǐng)著很大的市場(chǎng)份額，其前景也很有前途。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。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。 關(guān)鍵字 ： S7200PLC； EM235；溫度控制 系統(tǒng) 9 Abstract With the continuous development of the industrial automatization, people’s requirements for automatics bee higher and higher. In recent years, rapid growing puter technology has been widely used, but in the meantime, traditional industrial control software has critical shortings such as long development cycle, low reusability, high price and costly modifications. As more and more automatic equipme