【導(dǎo)讀】獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或。未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在。文中以明確方式標(biāo)明。溫度的控制方法也開(kāi)始多種多樣，從而使溫度控制更加智能化。統(tǒng)以微處理器為核心，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。PLC本身優(yōu)異的性能使得該系統(tǒng)經(jīng)。濟(jì)、高效、穩(wěn)定且維護(hù)方便，對(duì)現(xiàn)代溫度控制有巨大的意義。本設(shè)計(jì)是基于西門(mén)子S7-200的多路溫度控制系統(tǒng)。主要介紹了可編程控制器。工作原理、硬件知識(shí)及PLC控制系統(tǒng)等相關(guān)知識(shí)。系統(tǒng)以PLC控制為核心，用熱。制，通過(guò)外圍設(shè)備實(shí)施對(duì)檢測(cè)溫度的反饋控制。關(guān)鍵詞：PLC；S7-200；溫度控制；EM235；

　　

【正文】 可控硅加熱裝置 對(duì)于要求保持恒溫控制 的電阻爐 ， 輸出 0～ 10mA 作為直流信號(hào)輸入 ， 控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板 ，通過(guò) 改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，完全可以滿足要求， 且 投入成本低，操作方便直觀并易維護(hù)。溫度測(cè)量與控制是 熱電偶 采集信號(hào) ， 通過(guò) PID 溫度調(diào)節(jié)器 測(cè)量和輸出 0～ 10mA 或 4～ 20mA 控制可控硅導(dǎo)通角的大小，從而控制主回 路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設(shè)定的溫度工作狀態(tài)。 可控硅溫度控制器 由主回路和控制回路組成。主回路是由可控硅，過(guò)電流保護(hù)快速熔斷器、過(guò)電壓保護(hù) RC 和電阻爐的加熱元件等部分組成。 PLC 系統(tǒng)接線圖 硬件接線圖原理：首先， PT100 型熱電阻檢測(cè)實(shí)際溫度，然后將實(shí)際溫度經(jīng)過(guò)溫度變送器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，西門(mén)子 EM235 模塊對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的 16位數(shù)字信號(hào)并將其存放在 PLC的寄存器 中， PLC程序讀取該溫度值，并經(jīng)過(guò)標(biāo)度轉(zhuǎn)換送入 PID 模塊，在 PID 控制中，被實(shí)際溫度與預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比較并進(jìn)行 PID 運(yùn)算，將運(yùn)算后的結(jié)果轉(zhuǎn)換成 PLC 的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，經(jīng)模擬量輸入輸出模塊 EM235 進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換并送至可控硅加熱裝置，從而改變實(shí)時(shí)溫度。若實(shí)際溫度高于預(yù)設(shè)溫度，在冷卻風(fēng)扇的作用下，可以使溫度對(duì)象介于預(yù)設(shè)值溫度范圍之間，從而達(dá)到溫度控制的效果。 榆林學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 PLC 控制系統(tǒng)接線圖如圖 31： 圖 31 PLC 溫度控制系統(tǒng)接線圖 熱電阻A +A 24 V+24 VMOIOBA C+ 可控硅加熱裝置加熱器加熱器加熱器控制加熱器控制24V +24V 加熱管M電機(jī) + 電機(jī) 風(fēng)機(jī)+風(fēng)機(jī)控制單元控制單元風(fēng)機(jī)控制 +風(fēng)機(jī)控制 24V +24V 可變負(fù)載基于 PLC 的多路溫度控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 榆林學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 4 PLC 控制系統(tǒng)及軟 件的設(shè)計(jì) PLC 控制器的設(shè)計(jì) 控制器的設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對(duì)象的連接方式。最后根據(jù)所要求的性能指標(biāo)確定控制器的參數(shù)值。 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 在本控制系統(tǒng)中， TT1(出口溫度傳感器 )將檢測(cè)到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)送入 EM235 模塊的 A 路， TT2(爐膛溫度傳感器 )將檢測(cè)到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)送入 EM235 模塊的 B 路。兩路模擬信號(hào)經(jīng)過(guò) EM235 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入 PLC， PLC 再通過(guò) PID 模塊進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)控制 [7]。 下圖是 PLC 的 兩路溫度 控制系統(tǒng)框圖： 圖 41 PLC 串級(jí)系統(tǒng)的框圖 系統(tǒng)方案已經(jīng)確定，接下來(lái)就是軟件的設(shè)計(jì)及編程，在編程之前，首先介紹PID 控制。 PID 控制及參數(shù)整定 （ 1） PID 控制器的形成 PID 控制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： ]dtd e ( t )Tde ( t ) d tTi1K c [ e ( t )u ( t ) t0? ??? （ 41） 主調(diào)節(jié) 副調(diào)節(jié) 器 爐膛 可控硅 鍋爐出口 副變送器 主變送器 基于 PLC 的多路溫度控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22 a. 比例系數(shù) KC對(duì)系統(tǒng)性能的影響： 比例數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。 KC 偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。 KC太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。 KC太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。 KC 可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。如果 KC的符號(hào)選擇不當(dāng)，對(duì)象狀態(tài) (pv 值 )就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài) (sv 值 )越來(lái)越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況 KC的符號(hào)就一定要取反。 b. 積分控制 Ti 對(duì)系統(tǒng)性能的影響： 積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降， Ti 小（積分作用強(qiáng) ）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 c. 微分控制 Td 對(duì)系統(tǒng)性能的影響： 微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性， Td 偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。 Td 偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。只有 Td 合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。 （ 2） 主、副回路控制規(guī)律的選擇 采用串級(jí)控制，所以有主副調(diào)節(jié)器之分。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。主參數(shù)是工藝操作的重要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍較小，一般要求無(wú)余差。因此，主調(diào)節(jié)器一般選 PI 或 PID 控制，副參數(shù)的設(shè)置是為了 保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選 P 控制規(guī)律就可以。 所以，在本控制系統(tǒng)中，我們將鍋爐出口水溫度作為主參數(shù)，爐膛溫度為副參數(shù)。主控制采用 PI 控制，副控制器采用 P 控制。 （ 3） 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定 副調(diào)節(jié)器作用方式的確定： 首先確定調(diào)節(jié)閥，出于生產(chǎn)工藝安全考慮，可控硅輸出電壓應(yīng)選用氣開(kāi)式，這樣保證當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的 Kv 0 。然后確定副被控過(guò)程的 K02，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大時(shí)，電壓增大，爐膛水溫度 上升，所以 K02 0 。最后確定副調(diào)節(jié)器，為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù) (即增益 )乘積必須為負(fù)，所以副調(diào)節(jié)器 K20 ，副調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。 主調(diào)節(jié)器作用方式的確定： 爐膛水溫度升高，出口水溫度也升高，主被控過(guò)程 K010。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為負(fù)，所以主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) K10，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。 （ 4） 采樣周期的分析 榆林學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 采樣周期 Ts 越小，采樣值就越能反應(yīng)溫度的變化情況。但是， Ts 太小就會(huì)增加 CPU 的運(yùn)算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒(méi)什么變化，將 使 PID 控制器輸出的微分部分接近于 0，所以不應(yīng)使采樣時(shí)間太小。確定采樣周期時(shí)，應(yīng)保證被控量迅速變化時(shí)，能用足夠多的采樣點(diǎn)，以保證不會(huì)因采樣點(diǎn)過(guò)稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。 因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是溫度控制系統(tǒng)，溫度具有延遲特性的慣性環(huán)節(jié)，所以采樣時(shí)間不能太短，一般是 15s～ 20s，本系統(tǒng)采樣 17s。 經(jīng)過(guò)上述的分析，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)基本確定了，在系統(tǒng)投運(yùn)之前還要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。常用的整定方法可歸納為兩大類(lèi)，即理論計(jì)算整定法和工程整定法。 理論計(jì)算整定法是在已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量 指標(biāo)，經(jīng)過(guò)理論的計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等），求得最佳的整定參數(shù)。這類(lèi)方法比較復(fù)雜，工作量大，而且用于分析法或?qū)嶒?yàn)測(cè)定法求得的對(duì)象數(shù)學(xué)模型只能近似的反映過(guò)程的動(dòng)態(tài)特征，整定的結(jié)果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應(yīng)用。 對(duì)于工程整定法，工程人員無(wú)需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無(wú)需具備理論計(jì)算所學(xué)的理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛的應(yīng)用常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法整定控制器的參數(shù)值。整定步驟為 “ 先比 例，再積分，最后微分 ” 。 a. 整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。 b. 整定積分環(huán)節(jié) 若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（ 1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的 50～ 80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。 c. 整定微分環(huán)節(jié) 若經(jīng)過(guò)上一步驟 PI 控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程卻不滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成 PID 控制。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)。 PID 控制， P、 I、 D 各有自己的長(zhǎng)處和缺點(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。 基于 PLC 的多路溫度控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24 下面我們開(kāi)始對(duì)軟件進(jìn)行編程，在編程之前，首先簡(jiǎn)要介紹西門(mén)子 S7200 編程軟件 ——STEP7—Micro/WIN。 編程軟件 STEP7Micro/WIN 概述 STEP7Micro/WIN 編程軟件是基于 Windows 的應(yīng)用軟件，由西門(mén)子公司 專(zhuān)為S7200系列可編程控制器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開(kāi)發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。 STEP7Micro/WIN 簡(jiǎn)單介紹 要想進(jìn)行編程，首先我們要 創(chuàng)建 一個(gè)新的 程序，雙擊 STEP7 Micro/WIN 的圖標(biāo)，其項(xiàng)目窗口將提供創(chuàng)建程序的工作空間。其界面如圖 41所示。 圖 41 STEP7Micro/WIN 界面 窗口 計(jì)算機(jī)與 PLC 的通信 在上圖所展示的界面中，找到“ 通信 ” 圖標(biāo)， 雙擊， 將出現(xiàn) “ 通信 ” 對(duì)話框 ,見(jiàn)圖 42。 榆林學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖42 PLC 與計(jì)算機(jī)的通信設(shè)置 新的設(shè)置下載到 S7200之前，應(yīng)設(shè)置遠(yuǎn)程站的地址，是它與 S7200的地址。雙擊 “ 通信 ” 對(duì)話框中 “ 雙擊刷新 ” 旁邊的藍(lán)色箭頭組成的圖標(biāo)，編程軟件將會(huì)自動(dòng)搜索連接在網(wǎng)絡(luò)上的 S7200，并用圖標(biāo)顯示搜索到的 S7200。 程序設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)思路 PLC 運(yùn)行時(shí)，通過(guò)特殊繼電器 ，將溫度設(shè)定值， PID 參數(shù)值等存入數(shù)據(jù)寄存器，隨后系統(tǒng)開(kāi)始溫度采樣，采樣周期是 17秒，TT1(出口水溫溫度傳感器 )將采集到的 出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)在通過(guò) AIW0進(jìn)入 PLC，作為主回路的反饋值，經(jīng)過(guò)主控制器（ PID0）的 PI 運(yùn)算產(chǎn)生輸出信號(hào)，作為副回路的給定值。 TT2(爐膛水溫傳感器 )將采集到的爐膛水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)在通過(guò) AIW2進(jìn)入 PLC，作為副回路的反饋值， 經(jīng)過(guò)副控制器（ PID1）的 P 運(yùn)算產(chǎn)生輸出的信號(hào) ， 由 AQW0輸出，輸出的 420mA電流信號(hào)控制可控硅的導(dǎo)通角，從而控制電熱絲的電壓，完成對(duì)溫度的控制。 PID 指令向?qū)? 編寫(xiě) PID 控制程序時(shí)，首先要把過(guò)程變量（ PV）轉(zhuǎn)化為 之間的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)數(shù)。 PID 運(yùn)算結(jié)束之后，需要把回路輸出（ 之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)）轉(zhuǎn)基于 PLC 的多路溫度控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 26 換為可以送給模擬量輸出模塊的整數(shù)。 圖 43 PID 初始化指令 如圖 43， PV_I 是模擬量輸入模塊提供的反饋值的地址。 Setpoint_R 是實(shí)數(shù)給定值（ SP），它以百分比為單位。 Output是 PID控制器的 int型的輸出地址。 High Alarm和 Low Alarm 分別是超過(guò)上限和下限的報(bào)警信號(hào)輸出， Module Error 是模擬量模塊的故障輸出信號(hào) [8]。 主回路 PID 指令向?qū)В鐖D 44： 圖 44 主回 路 PID 指令向?qū)? PID 指令的參數(shù)表占用的 V 存儲(chǔ)區(qū)的起始 地址， 如圖 45： 榆林學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 圖 45 地址設(shè)置 向?qū)瓿?，如圖 46 圖 46 向?qū)瓿? 副回路 PID 指令向?qū)?： 副回路采用 1 號(hào) PID 回路，如圖 47： 基于 PLC 的多路溫度控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28 圖 47 副回路 PID 指令向?qū)? 新建 PID 配置，如圖 48： 圖 48 PID 配置新建 設(shè)置 PID 參數(shù)，如圖 49 榆林學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 圖 49 副回路 PID 設(shè)置 因?yàn)楦被芈分饕鸬?“ 粗調(diào) ” 、 “ 快調(diào) ” 的作用，所以我們采用 P 調(diào)節(jié)作用，比例增益 Kc= ， Ti無(wú)窮大， Td=0； [9] 副回路 輸入輸出設(shè)置 ，如圖 410： 圖 410 副回路輸入輸出設(shè)置 PID 指令的參數(shù)表占用的 V 存儲(chǔ)區(qū)的起始地址，如圖 411： 基于 PLC 的多路溫度控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30 圖 411 副回路存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置 向?qū)瓿?，如圖 412： 圖 412 副回路 指令 向?qū)?設(shè)