【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，到今天的工業(yè)溫度控制，處處都體現(xiàn)了溫度控制。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。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(luò)算法，遺傳算法等都應(yīng)用在溫度控制系統(tǒng)中。 近年 來(lái)，加熱爐 的溫度 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)中重要的被控參數(shù)之一，冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(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)中和家居生活過(guò)程中對(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， 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(diǎn)的使用壽命有限，故障率偏高，穩(wěn)定性差，無(wú)法滿足現(xiàn)代的控制要求。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式微型計(jì)算機(jī)在工業(yè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。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。隨著國(guó)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)約成本這一優(yōu)點(diǎn)使得其擁有更加廣闊的市場(chǎng)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(yīng)用于社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，適用于家電、汽車、材料、電力電子等行業(yè)，成為發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的 重要熱工設(shè)備之一。在現(xiàn)代化的建設(shè)中，能源的需求非常大，然而我國(guó)的能源利用率極低，所以實(shí)現(xiàn)溫度控制的智能化，有著極重要的實(shí)際意義。 通過(guò)本設(shè)計(jì)可以熟悉并掌握西門(mén)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。 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研以及日常生活等領(lǐng)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(shè)備的驅(qū)動(dòng)來(lái)源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。期間，從低級(jí)到高級(jí)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對(duì)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(shù)得到迅速發(fā)展。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。 單片機(jī)的發(fā)展歷史雖不長(zhǎng)，但它憑著體積小，成本低，功能強(qiáng)大和可靠性高江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 等特點(diǎn)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 單片 機(jī)已經(jīng)由開(kāi)始的 4 位機(jī)發(fā)展到32 位機(jī)，其性能進(jìn)一步得到改善。 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作精度高。 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。 PLC 是一種數(shù)字控制專用電子計(jì)算機(jī)，它使用了可編程序存儲(chǔ)器儲(chǔ)存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過(guò)模擬和 數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機(jī)械或工作程序。 PLC 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、 編程簡(jiǎn)單，易于被工程人員掌握和使用，目前在工業(yè)領(lǐng)域上被廣泛應(yīng)用。相對(duì)于 IPC， DCS，F(xiàn)SC 等系統(tǒng)而言， PLC 是具有成本上的優(yōu)勢(shì)。因此， PLC 占領(lǐng)著很大的市場(chǎng)份額，其前景也很有前途。 工控機(jī)（ IPC）即工業(yè)用個(gè)人計(jì)算機(jī)。 IPC 的性能可靠、軟件豐富、價(jià)格低廉，應(yīng)用日趨廣泛 。它能夠適應(yīng)多種工業(yè)惡劣環(huán)境，抗振動(dòng)、抗高溫、防灰塵，防電磁輻射。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)。影響燃燒的因素十分復(fù)雜，較正確的數(shù)學(xué)模型不易建立，以經(jīng)典的 PID 為基礎(chǔ)的常規(guī)儀表控制，已很難達(dá)到最佳狀態(tài)。而計(jì)算機(jī)提供了諸如數(shù)字濾波，積分分離 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(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。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。但如果 單獨(dú)采用工控機(jī)作為控制系統(tǒng)，又有易干擾和可靠性差的缺點(diǎn)。 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(diǎn)。 DCS 的關(guān)鍵是通信。也可以說(shuō)數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng) DCS 的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計(jì)就決定了總體的靈活性和安全性?；?DCS 的溫度控制系統(tǒng)提供了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和管理水平，能減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有助于提高系統(tǒng)的效率。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。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（ FCS）綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段的系統(tǒng)。其優(yōu)勢(shì)在于網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)， FCS 系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，能直接執(zhí)行傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能。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。但是， FCS 還沒(méi)有完全成熟，它才剛剛進(jìn)入實(shí)用化的現(xiàn)階段，另一方面，目前現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)共有 12 種之多，這給 FSC 的廣泛江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 應(yīng)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(diǎn)，用戶需要根據(jù)實(shí)際需要選擇系統(tǒng)配置，當(dāng)然 ，在實(shí)際運(yùn)用中，為了達(dá)到更好的控制系統(tǒng)，可以采取多個(gè)系統(tǒng)的集成，做到互補(bǔ)長(zhǎng)短。 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，但從生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著較大差距 。 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，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開(kāi)發(fā)工作的滯后 ，還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。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。日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等技術(shù)領(lǐng)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(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。 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。 具體有以下幾方面的內(nèi)容： 第一章 緒論：對(duì)課題研究背景國(guó)內(nèi)外發(fā)展前景 進(jìn)行了闡述， 并分別從 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 介紹當(dāng)前溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 。 第二章 設(shè)計(jì)總體方案：簡(jiǎn)單的從硬件部分和軟件部分介紹了系統(tǒng)的工作原理，并對(duì) PID 控制算法做了基本介紹，簡(jiǎn)單闡述了 PID 運(yùn)算在本設(shè)計(jì)中的用法，和對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了確定 第三 章， 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組成和連線圖，對(duì)系統(tǒng)所用到的硬件進(jìn)行了介紹和選型。 第 四 章， 系統(tǒng)軟件編程：對(duì)編程的思路和各個(gè)編程部分的任務(wù)、組成、流程圖和梯形圖進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)編程用軟件的安裝進(jìn)行了說(shuō)明。 第五章，總結(jié)。 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第二章 設(shè)計(jì)總體方案 及控制算法描述 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部分組成。 硬件 方案 設(shè)計(jì) 硬件基本構(gòu)成有 PLC 主控系統(tǒng)部分、調(diào)功器、加熱爐、加熱器 、啟動(dòng) /停止開(kāi)關(guān)按鈕、數(shù)顯表 與溫度變送器五部 分組成。 其結(jié)構(gòu)硬件部分組成及其關(guān)系如圖 21 所示。 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。 通過(guò)啟動(dòng)和停止產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)量數(shù)字信號(hào)來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行于停止，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制的功能。兩個(gè)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℃。 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 軟件 方案設(shè)計(jì) 軟件基本結(jié)構(gòu) 由 主 /副控器 PID， 控制對(duì)象 溫度調(diào)功器、 檢測(cè)元件 溫度變送器等部分組成。 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。 其組成圖如圖 22 所示，流程圖如圖 23 所示。 圖 22 加熱爐軟件控制部分組成圖 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 23 系統(tǒng)流程框圖 PID 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(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有60 多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。人們?cè)趹?yīng)用的過(guò)程中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)， PID的研究已經(jīng)到達(dá)一個(gè)比較高的程度。 比例控制 (P)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。其特點(diǎn)是具有快速反應(yīng)，控制及時(shí)，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(hào)的積分成正比關(guān)系。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。 在微分控制 (D)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。微分控制具有超前作用，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 避免較大的誤差出現(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(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 。 PID 算法 圖 24 帶 PID 控制器的閉控制系統(tǒng)框圖 如圖 24 所示， PID 控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差 e 和輸入量 r、輸出量 c 的關(guān)系 ： c (t)r(t)=e(t) (21) 控制器的輸出為 ： ?????? ??? ?tdiP dttdeTdtteTteKtu0)()(1)()( (22) 上式中 , )(tu —— PID 回路的輸出 ； Kp —— 比例系數(shù) P； iT —— 積分系數(shù) I；dT —— 微分系數(shù) D。PID 調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為： ?????? ???? STSTKSE SUSD diP 11)( )()( (23) 數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對(duì)偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)輸出值。其離散化的規(guī)律如表 21 所示 。 表 21 模擬與離散形式 模擬形式 離散化形式 )()()( tctrte ?? )()()( nrne ?? dTtde)( T nene )1()( ?? ?t dtte0 )( ?? ?? ? nini ieTTie 00 )()( 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 所以 PID 輸出經(jīng)過(guò)離散化后，它的輸出方程為 ； ? ?000)()()()1()()()()(unununuuneneTTieTTneKnudiPnidiP??????????? ????? ?? (24) 式 24 中， )()( neKnu PP ? 稱為比例項(xiàng)； ???niipi ieTTKnu0 )()( 稱為積分項(xiàng)； ? ?)1()()( ??? ne