【正文】 通過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證得到很多有用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是我進(jìn)一步體會(huì)到過程控制這門學(xué)科知識(shí)的重要性，及其在工程上的應(yīng)用和重要性。采用 PLC 進(jìn)行控制，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度高、控制效果好等特點(diǎn)，對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要現(xiàn)實(shí)意義。保持其他參數(shù)不變，增大輸出值得到的響應(yīng)曲線如圖 圖 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 如圖 所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知： 傳遞函數(shù)為 )()(1sQsH= 1?TSK = ?S 由以上結(jié)果分析可知： 當(dāng)比例度為 、積分時(shí)間為 、微分時(shí)間為 時(shí)，當(dāng)參數(shù)整定的輸出值為 80%， 50%， 70%，其測(cè)量值依次為 131mm、 38mm、 105mm，因而系統(tǒng)放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)也隨之改變，其傳遞函數(shù)也相應(yīng)的改變。 點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)界面下邊的“實(shí)時(shí) 曲線”鍵，在界面的右下方將顯示液位的變化曲線。 “歷史曲線”鍵：系統(tǒng)進(jìn)入正常 測(cè)試狀態(tài)時(shí)，歷史曲線是不顯示的，如果需要觀察歷史曲線，點(diǎn)擊“歷史曲線”鍵，即可在實(shí)驗(yàn)界面左邊顯示歷史曲線。 打開作上位控制的 PC 機(jī)，點(diǎn)擊“開始”菜單，選擇彈出菜單中的“ SIMATIC”選項(xiàng)，再點(diǎn) 擊彈出菜單中的“ WINCC” ，再選擇彈出菜單中的“ WINCC CONTROL CENTER ” ,進(jìn)入 WINCC 資源管理器，打開組態(tài)好的上位監(jiān)控程序，點(diǎn)擊管理器工具欄上的“激活（運(yùn)行）”按鈕，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)主界面如圖 所示。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 本實(shí)驗(yàn)選擇上水箱作為被測(cè)對(duì)象（也可選擇中水箱或下水箱）。 圖 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線 如果對(duì) 象的階躍響應(yīng)曲線為圖 ，則在此曲線的拐點(diǎn) D處作一切線，它與時(shí)間軸交于 B點(diǎn)，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于 A 點(diǎn)。 式（ ）就是單容水箱的傳遞函數(shù)。根據(jù)實(shí) 驗(yàn)得到的液位階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法確定被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù) T和傳遞函數(shù)。 WINCC 的顯著特性就是全面開放，它很容易結(jié)合用戶的下位機(jī)程序建立人機(jī)界面，精確的滿足控制系統(tǒng)的要求。 本套控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件采用 SIEMENS 公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟件SIMATIC WINCC。 控制屏設(shè)有服務(wù)管理器（即定時(shí)器兼報(bào)警記錄儀），為指導(dǎo)老師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的考核提供一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?？傠娫丛O(shè)有通電指示燈和三相指示表。 能進(jìn)行單變量到多變量控制系統(tǒng)及復(fù)雜過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。 真實(shí)性、直觀性、綜合性強(qiáng)，控制對(duì)象組件全部來源于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。 控制站：控制站主要包含 CPU、以太網(wǎng)通訊模塊、 DP 鏈路、分布式 I/O DP 從站和 變頻器 DP 從站構(gòu)成。 空壓機(jī)設(shè)有氣量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣壓超過額定排氣壓力時(shí)，壓力開關(guān)會(huì)自動(dòng)切斷電源使空壓機(jī)自動(dòng)停止工作，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體壓力因外部設(shè)備的使用而下降到額定排壓以下 時(shí)，氣壓開關(guān)自動(dòng)復(fù)位，空壓機(jī)又重新工作，使儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮空氣壓力保持在一定范圍內(nèi)。 電磁閥： 在本裝置中作為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。 泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、耗氣量少、可靠性高、操 作方便等優(yōu)點(diǎn)。其中儲(chǔ)水箱底有一個(gè)出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí) ，將球閥打開讓水直接排出。儲(chǔ)水箱尺寸為：長(zhǎng) 寬 高 =68cm52 ㎝ 43 ㎝ 。 被控對(duì)象 被控對(duì)象由 不銹鋼儲(chǔ)水箱、圓筒形有機(jī)玻璃水箱和敷塑不銹鋼管路組成。因此數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器，表達(dá)式如下： ? ? ??( ) ( ) / ( ) / ( ) ( )u kT K p e kT T T i e j T T d T e K d e K t T? ? ? ? ?? 式 由控制理論可知：離散化采樣頻率越高，采樣后失去的信息越少，相應(yīng)的控制性能也越好。進(jìn)入 PLC 的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，必須 經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入存儲(chǔ)器和寄存器，而在PLC 中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。進(jìn)行溫度控制程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下幾個(gè)問題：實(shí)時(shí)采集溫度、溫度顯示、與上位 PLC 通信程序、警告和處理。當(dāng)系統(tǒng)處于過溫度狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)風(fēng)扇，控制吹風(fēng)冷卻裝置，從而使?fàn)t溫下降，知道重新等于給定值為止。由于電壓輸出波形的不完整，含有高次諧波分量，對(duì)電網(wǎng)有一定的干擾。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。 主控模塊 PLC S7200 cup 224 集成 14 輸入 /10 輸出共 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。 5 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。所以，爐溫控制系統(tǒng)是一個(gè)按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)。 u(t)隨之加大，使得 ( ) ( ) 0u u r u t? ? ? ?。 比較以上三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案二簡(jiǎn)單、靈活、可擴(kuò)展性好，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精確度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，能達(dá)到題目設(shè)計(jì)要求，因此采用方案二實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì) . 圖 PLC 的組成框圖 本系統(tǒng)的基本工作原理： 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 假定實(shí)際爐溫等于給定爐溫，這時(shí) ( ) ( ) 0u u r u t? ? ? ?，反饋值與給定值相同，電爐處于規(guī)定的恒溫狀態(tài)。對(duì)于過溫度，控制吹風(fēng)冷卻裝置。本方案的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易容易實(shí)現(xiàn)，但系 統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)靜差大，不穩(wěn)定。當(dāng)與監(jiān)視器相連時(shí) .可將過程圖像顯示出來 。 擴(kuò)展接口 擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使 PLC 的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。運(yùn)行時(shí) CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。 I/0 單元 I/0 單元也稱為 I/0 模塊。數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標(biāo)準(zhǔn)格式是每一個(gè)數(shù)據(jù)占一個(gè)字。 ③ 工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 :工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲(chǔ)器為只讀存儲(chǔ)器ROM 或 EPROM. ② 用戶程序存儲(chǔ)器 :用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲(chǔ)器中。 基于數(shù)字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 ③ 用掃描的方式接收輸入信號(hào)，送入 PLC 的數(shù)據(jù)寄存器保存起來 。裝有 CPU單元的底板稱為 CPU底板，其它稱為擴(kuò)展底板。 整體式 PLC 是將中央處理單元 (CPU)、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。論文通過對(duì)德國(guó)西門子公司的 S7200 系列 PLC 控制器，溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到 PLC 中進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)， PID 控制器輸出轉(zhuǎn)化為 010mA 的電流信號(hào) 輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率。 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容 以爐為被控對(duì)象，以爐溫為主被控參數(shù)，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數(shù)，以 PLC 為控制器，構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)；采用 PID 算法，運(yùn)用 PLC 梯形圖編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)溫度的 自 動(dòng)控制。 隨溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然應(yīng)用很廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，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)家相比仍然有著較大的差距。因而 ,PID 參數(shù)的整定與優(yōu)化一直是自動(dòng)控制領(lǐng)域研究的重要課題。加上目前人們的環(huán)保意識(shí)的提高，電阻爐越來越受人們的重視，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越普及。 在這時(shí)期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到 了很大的提高和發(fā)展。 temperature control。 1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué) 院 專業(yè) 學(xué)生姓名 班級(jí)學(xué)號(hào) 課程設(shè)計(jì)題目 基于數(shù)字 PID 的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù) : 構(gòu)成數(shù)字 PID 的電阻爐溫度控制系統(tǒng) 硬軟件設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)調(diào)試 THFCS1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告 工作計(jì)劃與進(jìn)度安排 : 第 1～ 2 天，查閱文獻(xiàn)，構(gòu)成數(shù)字 PID 的電阻爐溫度控制系統(tǒng) 第 3～ 4 天，硬軟件設(shè)計(jì) 第 5～ 6 天，實(shí)驗(yàn)調(diào)試 第 7～ 9 天， THFCS1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 第 10 天，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告 指導(dǎo)教師： 201 年 月 日 專業(yè)負(fù)責(zé) 人： 201 年 月 日 學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)： 201 年 月 日 I 摘 要 溫度是工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一，本文通過設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)，體現(xiàn)PLC 在模擬量信號(hào)檢測(cè)與控制中應(yīng)用的優(yōu)越性。 ratio adjustment III 目錄 1 緒論 ................................................................................................................................................................ 1 課題背景及研究目的和意義 ............................................................................. 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ................................................................................................. 1 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容 ..................................................................................................... 2 2 可編程控制器（ PLC）概況 ................................................................................................................ 3 可編程控制器的概述 ......................................................................................... 3 PLC 的基本組成及各部分作用 .......................................................................... 3 中央處理單元 (CPU)