【正文】 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例 S7300 程序設(shè)計(jì)流程圖 控制下限 D/A 固態(tài)繼電器 加熱爐 溫度傳感器 控制上限 比例 積分 微分 目標(biāo)設(shè)定值 A/D Error 運(yùn)行 PLC 初始化指示燈 初始化 PID 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 14 頁 共 52 頁 圖 32 設(shè)計(jì)流程圖 基于 PLC 的軟件設(shè)計(jì) FB41 是 S7300 系統(tǒng)自帶的 PID 運(yùn)算控制模塊。不用通過編程就可以生成控制器 的大部 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 13 頁 共 52 頁 分功能（構(gòu)造、參數(shù)設(shè)置和在程序中的調(diào)用等），前提是必須已經(jīng)掌握 STEP 7 的編程基礎(chǔ)知識(shí)。 PID 控制器的選取 PID 控制器的性能和處理速度只與所采用的 CPU 的性能有關(guān)。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 12 頁 共 52 頁 本設(shè)計(jì)選用 臨界比例法 ， 利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié) ,直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩 ,記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期 ； (3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。 圖 24 電源模塊 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 9 頁 共 52 頁 圖 25 數(shù)字量輸入模塊 圖 26 數(shù)字量輸出模塊 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 10 頁 共 52 頁 圖 27 脈沖信號(hào)設(shè)置 （ 5） 如圖 26，選中 5 槽，選擇 “SM300DO300SM 322 DO16DC24V/”并雙擊，完成數(shù)字量輸出模塊的配置。 編程設(shè)備： S7300 使用安裝了編程軟件 STEP7 的個(gè)人計(jì)算機(jī)作為編程設(shè)備，在計(jì)算機(jī)屏幕上直接生成和編輯各種文本程序或圖形程序，可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言之間的相互轉(zhuǎn)換。開關(guān)量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。 S7300 模塊式 PLC，主要由機(jī)架、 CPU 模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成，各種模塊安裝的機(jī)架上。 2． 3 PLC 的基本概念 可編程序控制器簡(jiǎn)稱為 PLC，它的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。 熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號(hào)的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測(cè)量微小的溫度變化。若配接輸出 420mA、 010V等標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓信號(hào)的溫度變送器，使用更加方便、可靠。若做成一體化溫度變送器，可輸出 420mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或 010V 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，使用起來更為方便。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。 SB1 SB2 SB3 SB5 SB4 SB6 SQ1 SQ2 24V CPU3142DP PLC COM1 COM2 COM3 PQW305 PIW288 傳感器 加熱管 ~220V FU1 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 4 頁 共 52 頁 圖 21 硬件接線圖 2． 2 傳感器 溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。輸出的模擬信號(hào)也是 0～ 10V，鍋爐外接 24V 直流電源。既 加熱 爐 溫度 控制 得到實(shí)現(xiàn)。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。 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。因此本設(shè)計(jì)選用西門子 S7300PLC 來控制加熱爐的溫度。 1． 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)要求 本系統(tǒng)應(yīng)能夠控制在設(shè)定值的 177。 本 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)分為 PLC 的軟件和工控機(jī)的軟件設(shè)計(jì)兩部分，其中下位機(jī)使用的軟件為 siemens 公司的 step7。 50 年以后，另一位德國(guó)人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。其中鉑熱電阻的測(cè)量精度是最高的。分度號(hào) Pt100 的含義為在 0℃ 時(shí)的名義電阻值為 100Ω，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。裝配式熱電偶由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護(hù)管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成。有的把它的自由端放在不變的溫度場(chǎng)中，有的使用冷端補(bǔ)償器抵消這種影響。 S7300 采用緊湊的、無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，各個(gè)模塊都安裝在導(dǎo)軌上，用螺栓鎖緊即可。 信號(hào)模塊：輸入（ Input）模塊和輸出（ Output）模塊一般簡(jiǎn)稱為 I/O 模塊，開關(guān)量輸入 /輸出模塊簡(jiǎn)稱為 DI 模塊和 DO 模塊，模擬量輸入 /輸出模塊簡(jiǎn)稱為 AI 模塊和接觸器 電磁閥 指示燈 電源 接口模塊 其他設(shè)備 其他 PLC 計(jì)算機(jī) 通信網(wǎng)絡(luò) 擴(kuò)展機(jī)架 CPU 模塊 通信模塊 輸出模塊 電源模塊 輸入模塊 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 7 頁 共 52 頁 AO 模塊，在 S7300 中統(tǒng)稱為信號(hào)模塊。接口模塊用來實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴(kuò)展機(jī)架供電。 （ 2） 2號(hào)槽為 CPU 模塊，選用 CPU314C2DP。 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。 （ 4） PID 控制根據(jù)不同的要求，針對(duì)自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn)，形成了一系列改進(jìn)的 PID 算法。準(zhǔn)確地了解控制過程的類型和特性數(shù)據(jù)是非常必要的。如圖 31 所示系統(tǒng)是用于電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定值為期望的加熱爐溫度，閉環(huán)控制器的反饋值通過溫度傳感器測(cè)得，并經(jīng) A/D 變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；目標(biāo)設(shè)定值與溫度傳感器的反饋信號(hào)相減，其差送入 PID 控制器，經(jīng)比例、積分、微分運(yùn)算，得到疊加的一個(gè)數(shù)字量；該數(shù)字量經(jīng)過上限、下限限位處理后進(jìn)行 D/A 變換，輸出一個(gè)電壓信號(hào)去控制固態(tài)繼電器，以控制加熱爐的溫度。 積分時(shí)間常數(shù)增大時(shí)，積分作用減弱，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（穩(wěn)定性）可能有所改善，但是，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 17 頁 共 52 頁 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 18 頁 共 52 頁 (3) 輸出限幅：因?yàn)?PLC 模擬量輸出電壓范圍為 010V(0600)，而加熱驅(qū)動(dòng)器輸入電壓范圍為 05V。系統(tǒng)集成商可應(yīng)用WINCC作為其系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過開放接口開發(fā)自己的應(yīng)用軟件。 WINCC內(nèi)部提供了很多標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)和內(nèi)部函數(shù)，編程人員可直接調(diào)用這些函數(shù)，另外 WINCC提供 C腳本編輯器，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)任務(wù)自行設(shè)計(jì)項(xiàng)目函數(shù)，或修改標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)和內(nèi)部函數(shù)。和 ActiveX控件的對(duì)象和文檔的鏈接。人機(jī)界面 )的組態(tài)工具。 4．報(bào)警記錄：系統(tǒng)中采集到的模擬量信號(hào)都必須設(shè)定上下限，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中模擬量發(fā)生超限報(bào)警時(shí)，報(bào)警記錄編輯器記錄報(bào)警時(shí)間，并提示報(bào)警信息。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的任務(wù)，本系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)很多圖形界面，下面是具體實(shí)現(xiàn)步驟： WINCC,建立新的 WINCC 項(xiàng)目，如圖 41 所示： 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 21 頁 共 52 頁 圖 41 建立 WINCC 項(xiàng)目 PLC 驅(qū)動(dòng)程序，選擇支持 S7 協(xié)議的通信驅(qū)動(dòng)程序 添加到變量管理器如圖 42所示： 圖 42 添加 S7 協(xié)議的通信驅(qū)動(dòng)程序 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 22 頁 共 52 頁 WINCC瀏覽器窗口，打開“圖形編輯器”，如圖 43，創(chuàng)建鍋爐供熱控制系統(tǒng)過程畫面。 （ 3）積分系數(shù) I 保持不變，改變比例系數(shù) P，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。當(dāng)采用 PID 調(diào)節(jié)器時(shí)，由于有多個(gè)整定參數(shù)，反復(fù)試湊的次數(shù) 增多，因此增加了得到最佳整定參數(shù)的難 。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論文） 第 26 頁 共 52 頁 WINCC與 S7PLCSIM的通訊連接。 圖 51 運(yùn)行界面 按下停止按鈕后，如圖 52 所示。組 態(tài)軟件組態(tài)王因其簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，在 HMI 設(shè)計(jì)中深受用戶的喜歡而得到廣泛的使用。 X=GetTagWord(x1)。 a=GetTagWord(x1)。 a=GetTagWord(x1_1)。 a=GetTagWord(x1_2)。 a=GetTagWord(x1_3)。 a=GetTagWord(x1_4)。 X=GetTagWord(x)。 a=GetTagWord(x1)。 a=GetTagWord(x1_1)。 a=GetTagWord(x1_2)。 X=GetTagWord(xa)。 a=GetTagWord(xa)。 a=GetTagWord(xa_1)。 a=GetTagWord(xa_2)。 a=GetTagWord(xa_3)。 a=GetTagWord(xa_4)。 a=GetTagWord(xa_6)。 X=GetTagWord(ya)。 a=GetTagWord(xa)。 a=GetTagWord(xa_2)。 a=GetTagWord(xa_3)。 X=GetTagWord(ya_6)。 a=GetTagBit(出水閥 B)。 a=GetTagBit(出水閥 B)。 a=GetTagWord(yewei)。 i=GetTagWord(x1_5)。 if(a30) a=30。} {SetTagBit(b,0)。 BOOL b,c,d,e,f,g,h,i。 h=GetTagWord(xa_5)。 if(a210) a=210。a=210) {SetTagBit(超水位限位開關(guān) ,1)。 } 。} if(a=210amp。 if(a=240amp。 if(e) {if (h==30 ) a=a2。 b=GetTagBit(低水位限位開關(guān) )。amp。amp。} if(d) { if (i==30 ) {if(b) a=a+3。 //ReturnType: BOOL c=GetTagBit(超水位限位開關(guān) )。 //ReturnType: WORD if (a) {b=b+5。 //ReturnType: WORD if (a) {b=b+5。 //ReturnType: BOOL if (a) {X=X5。 //ReturnType: WORD if (a==370) {b=b5。 //ReturnType: WORD if (a==230) {b=b5。 //ReturnType: WORD if (a==60) {b=b5。 //ReturnType: BOOL if (a) {X=X5。 //ReturnType: WORD if (b) {a=a+5。 //ReturnType: WORD if (a==110) {b=b+5。 //ReturnType: WORD