【正文】 術參數，并根據課題性質對學生提出具體要求 ）： 如圖 1 所示的加熱爐，它是由溫度內膽、夾套、加熱器、溫度檢測變送器組成。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 是公認的最佳選擇。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 ， 控制參數大多靠人工經驗及現場調試確定。 總體方案是采用 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膽溫度信號；兩個數顯儀表分別對夾套溫度和內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)；模擬量擴展模塊承擔兩個模擬量輸入和一個模擬量輸出的任務；調功器根據 PLC 的控制信號對加熱器進行控制，來實現對溫度的控制。 本文先從課題研究背景說起，通過幾個溫控 系統(tǒng)簡單介紹了國內外發(fā)展現狀。隨著生產力的發(fā)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發(fā)展。 通過本設計可以熟悉并掌握西門子 S7200PLC 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)生產及生活中溫度控制問題。 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。過去工業(yè)鍋爐大多用人工結合常規(guī)儀表監(jiān)控，一般較難達到滿意的結果，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)。 DCS 的關鍵是通信。而且它可以對現場裝置 (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)無法達到的?？刂茀荡蠖嗫咳斯そ涷灱艾F場調試確定。 第五章，總結。 其 基本工作原理：首先 計算出兩個控制器 PID 的有關參數，進行PID 初始化，把夾套溫度變送器和內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)?0~320xx 的數字量，然后進行變換變?yōu)?0~1 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 與內膽溫度過程量 PV0 傳送給副控制器 PID 運算， 得到的結果 OUT0 經過標度變換和模擬量輸出模塊 EM235 的 A/D 轉換變?yōu)?0~5V 的控制信號 傳送給溫度調功器，對爐內加熱器進行控制，同時對內膽溫度和夾套溫度進行檢測，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，不能快速對誤差進行有效的控制。其離散化的規(guī)律如表 21 所示 。 LOOP 是回路號，可以是 0~7，不可以重復使用。 3) 回路輸出變量的數據轉換 本設計中，利用回路的輸出值來設定下一個周期內的加熱時間。 表 24 溫度控制器參數經驗數據 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 20~60 20~40 0~3 實驗湊試法的整定步驟為 “ 先比例，再積分，最后微分 ” 。 （ 2）數顯表：根據 PLC 的輸出實時顯示內膽溫度和夾套溫度的實際溫度值，便于控制和觀察。 (2)配套齊全，功能完善，適用性強 PLC 發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品。 (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。西門子 PLC 的種類分為 S7200PLC， S7300PLC， S7400PLC等， S7300PLC， S7400PLC 與 S7200PLC 相比功能更為強大，為 S7200 的升級產品，但由于本系統(tǒng)所需功能和技術要求 S7200 完全能夠解決 ，所以從經濟方面考慮選用西門子 S7200PLC 系列產品。③ CUP224 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，有內置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數的處理能力，是使用得最多 S7200 產品。 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 數據字格式 電壓 電流 320xx～ +320xx 0～ +320xx EM235 輸入數據字格式如圖 31 所示。所有的輸入設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 同而產生電動勢的現象稱為 塞江西理工大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 19 貝克效應 。它的主 要特性如下： 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，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?！?。 由于我們測 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 電力調節(jié)器可叫做調功器，也叫周波控制器。其控制輸入信號位 0~5V電壓信號。 江西理工大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 21 表 34 控制模式優(yōu)劣比較 控制模式 優(yōu)點 缺點 相位控制 1. 控制精度高 2. 任何負載皆可控制 3. 可做各種控制變化 1. 控制不當易造成電磁干擾須加裝各種防制措施 2. 費用較高 時間比例零位控制 1. 無電磁干擾 2. 構造較簡單 3. 費用較低 1. 只能控制純阻性負載 2. 負載較易受沖擊 3. 控制精度低 分配式零為控制 1. 無電磁干擾 2. 構造較 簡單 3. 費用較低 4. 控制效果比時間比例零為控制優(yōu)異 1. 只能控制純阻性負載 2. 負載較易受沖擊 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，由此達到調節(jié)電壓或功率的目的。江西理工大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 20 如此反復調整多次，直至 0℃ 時， VO=0mV， 100℃ 時 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被損壞。接觸電勢是指兩種不同的導體或半導體在接觸處產生的電勢，此電勢與兩種導體或半導體的性質及在接觸點的溫度有關。 表 33 HLP2 數據對應表 HLP239 型數顯表 送入 PLC 顯示寄存器內容 備注 0 0 顯示相應數字 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 江西理工大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 18 續(xù) 表 33 HLP2 數據對應表 6 6 7 7 8 8 9 9 E A 也可由用戶根據需要 自行設計該對應關系，提 交我廠后，可為客戶特殊 加工生產，如 AbcdEF 等。 圖 33 DIP 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據為 320xx~+320xx，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，所以我將其數據輸出范圍定在 0~16000。 EM235 輸出數據字格式如下圖圖 32 所示。 江西理工大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 15 表 31 EM235 輸入 /輸出特性 模擬量輸 入特性： 模擬量輸入點數 4 輸入范圍 電壓 (單極性 ) 電壓 (雙極性 ) 電流 0～ 10V， 0～ 5V， 177。 在本設計中由數字量 2 輸入 /4 輸出，需要一個模擬量擴展，而 CUP222本機數字量 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 CUP222 DC/DC/DC。 西門子 S7200 主要功能模塊介紹 （ 1） CPU 模塊： S7200 的 CPU 模塊包括一個中央處理單元，電源及數字 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，輸入部分從現場設備中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，驅動外部負載。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。 (3)易學易用，深受工程技術人員歡迎 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。 可編程控制器 可編程控制器 (Programmable Controller)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邏輯控制。 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 。程序如下： ROUND AC1, AC1 DTI AC1, VW34 PID 參數整定 PID 參數整定方法就是確定調節(jié)器的比例 系數 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)的過渡過程達到最為滿意的質量指標要求 。 2) 實數的歸一化處理 因為 PID 中除了采樣時間和 PID 的三個參數外，其他幾個參數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 現在很多 PLC 已經具備了 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量 。 比例控制 (P)是一種最簡單的控制方式。 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水溫和夾套溫度，產生 0~100mV 電壓 信號，傳送給 S7200PLC 的模擬量擴展模塊 EM235，由 PLC 主控系統(tǒng)部分進行運算和處理后再由 模擬量擴展模塊 EM235 產生 0~5V 的控制信號傳送給調功器，調功器根據不同的控制信號輸出不同的電壓 來控制加熱爐內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，從而產生 了一個閉環(huán)回路控制，因此達到平衡控制水溫的目的。 本文的 研 究內容 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，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 內膽溫度值與夾套 溫度值。 成熟產品主要以“點位”控制及常規(guī)的 PID控制器為主。但 DCS 在設備配置上要求網絡、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 成本太高。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， 提高了平均熱效率。因此， PLC 占領著很大的市場份額，其前景也很有前途。當前比較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），現場總線控制系統(tǒng)（ FCS）等。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。 關鍵字 ： 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