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基于plc的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-文庫(kù)吧資料

2025-07-20 14:32本頁(yè)面
  

【正文】 模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器(ADC)的12位讀數(shù),其數(shù)據(jù)格式是左端對(duì)齊的。 0~20mA數(shù)據(jù)字格式 單極性,全量程范圍 32000~+32000 雙極性,全量程范圍 0~3200032000~+320000 0~32000模擬量輸出特性:模擬量輸出點(diǎn)數(shù)1信號(hào)范圍 電壓輸出 電注輸出177。10V,177。其輸入/輸出特性如表31所示。本設(shè)計(jì)中需要檢測(cè)兩個(gè)溫度信號(hào),和輸出一個(gè)電壓控制信號(hào),所以需要2路模擬量輸入/1路模擬量輸出,所以我們選擇EM235模擬量輸入/輸出模塊,其功耗為2W。S7200PLC的模擬量模塊有EM231,EM232和EM235三種類(lèi)型的模擬量擴(kuò)展模塊。CUP用24V DC電源,24V DC輸入,24V DC輸出,其功率為5W,訂貨號(hào)為6ES7 2121AB230XB0。⑤CUP226XM 它在用戶(hù)程序存儲(chǔ)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量上進(jìn)行了擴(kuò)展,其他指標(biāo)和CUP226相同。④CUP226 它有24輸入/16輸出,I/O共計(jì)40點(diǎn),和CUP224相比,增加了通信口數(shù)量,通信能力大大增強(qiáng)。②CUP222它有8輸入/6輸出,I/O共計(jì)14點(diǎn),和221相比,它可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個(gè)模擬量擴(kuò)展,因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。從CPU模塊功能來(lái)看,CUP模塊為CUP22*,它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置CPU單元:①CPU221它有6輸入/4輸出,I/O共計(jì)10點(diǎn)。S7200系列可以根據(jù)對(duì)象不同,可以選用不同的型號(hào)和不同數(shù)量的模塊,并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上。S7200系列PLC是由德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器,它能滿(mǎn)足多種自動(dòng)化控制的需求,其設(shè)計(jì)緊湊,價(jià)格低廉,并且具有良好的可擴(kuò)展性以及強(qiáng)大的指令功能,可代替繼電器在簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合,也可以用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。而且在大學(xué)期間我所接觸的也大多數(shù)是西門(mén)子公司的PLC。全球PLC有二百多種,國(guó)內(nèi)常用PLC也就二三十種,常用的有德國(guó)西門(mén)子,法國(guó)施耐德,美國(guó)AB,ABB,GE日本歐母龍,三菱,松下,韓國(guó),三星,國(guó)產(chǎn)和利時(shí),科創(chuàng)思等。(5)體積小,重量輕,能耗低以超小型PLC為例,新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗僅數(shù)瓦。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。它接口容易,編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn),使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中,加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展,使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù),采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造,內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù),具有很高的可靠性。隨著技術(shù)的發(fā)展,這種裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍,因此,今天這種裝置稱(chēng)作可編程控制器,簡(jiǎn)稱(chēng)PLC。(5)可編程控制器和模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊:可編程控制器對(duì)采集來(lái)的溫度信號(hào)進(jìn)行標(biāo)度變換處理后得到實(shí)際的溫度值,將數(shù)據(jù)傳送給兩個(gè)數(shù)顯表對(duì)內(nèi)膽溫度和夾套溫度分別顯示;另一方面,根據(jù)采集到得溫度值,和給定的溫度值進(jìn)行計(jì)算處理,采用PID控制算法處理后通過(guò)模擬量輸入輸出擴(kuò)展對(duì)調(diào)功器進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器的控制。(3)溫度變送器:用來(lái)檢測(cè)夾套和內(nèi)膽溫度,將溫度值轉(zhuǎn)換為PLC可以讀取的電壓模擬量信號(hào),同時(shí)傳送給PLC模擬量輸入模塊EM235。(1)運(yùn)行指示燈和啟動(dòng)按鈕/停止按鈕實(shí)現(xiàn)運(yùn)行監(jiān)控和啟動(dòng)和停止系統(tǒng)的控制:按下啟動(dòng)按鈕,系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行,運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮;按下停止按鈕,系統(tǒng)停止運(yùn)行系統(tǒng)指示燈熄滅。經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)得出本設(shè)計(jì)的PID參數(shù)如下,積分時(shí)間為30min,; ,積分時(shí)間位27min,微分之間為0min。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(mǎn)意的響應(yīng),確定比例和積分的參數(shù)。 1) 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。經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法,它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn),而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),利用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù),根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù),對(duì)于溫度控制系統(tǒng),工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn),其規(guī)律如表24所示。一般可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)確定,但誤差太大。 (27)S7200不提供直接將實(shí)數(shù)一步轉(zhuǎn)化成整數(shù)的指令,必須先將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化成雙整數(shù),再將雙整數(shù)轉(zhuǎn)化成整數(shù)。~,是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù),在輸出變量傳送給D/A模擬量單元之前,必須把回路輸出變量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù)。本文中采用的是單極性,故轉(zhuǎn)換公式為: (26)因?yàn)闇囟冉?jīng)過(guò)檢測(cè)和標(biāo)度變換后,得到的值是實(shí)際溫度值,所以為了SP值和PV值在同一個(gè)數(shù)量值0~~100℃,所以輸入SP值的時(shí)候應(yīng)該是填寫(xiě)一個(gè)是實(shí)際溫度1/100的數(shù),即想要設(shè)定目標(biāo)控制溫度為80℃時(shí)。~。輸出為0~5V的電壓信號(hào),所以我們輸入到EM235的數(shù)值也為16位整數(shù)類(lèi)型,而經(jīng)過(guò)PID回路運(yùn)算后得到的數(shù)據(jù)為32為實(shí)數(shù),這里我就要用到ROUND,DI_I指令,就如在副控制器中斷程序一樣,得到的數(shù)據(jù)從模擬量輸出端口輸出。PID回路在PLC中的地址分配情況如表23所示。指令的兩個(gè)操作數(shù)TBL和LOOP,TBL是回路表的起始地址,本文采用的是VB100,因?yàn)橐粋€(gè)PID回路占用了32個(gè)字節(jié),所以VD100到VD132都被占用了。西門(mén)子S7200系列PLC中使用的是PID回路指令見(jiàn)表22。故可利用PLC中的PID指令實(shí)現(xiàn)位置式PID控制算法量。表 21 模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以PID輸出經(jīng)過(guò)離散化后,它的輸出方程為; (24)式24中, 稱(chēng)為比例項(xiàng); 稱(chēng)為積分項(xiàng); 稱(chēng)為微分項(xiàng);上式中,積分項(xiàng)是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值。PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為: (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。 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)。避免較大的誤差出現(xiàn),微分控制不能消除余差。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。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。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。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。其組成圖如圖22所示,流程圖如圖23所示。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。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。其結(jié)構(gòu)硬件部分組成及其關(guān)系如圖21所示。第二章 設(shè)計(jì)總體方案及控制算法描述加熱爐溫控制系統(tǒng)主要有軟件與硬件兩部分組成。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。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。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。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。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。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。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。但是,F(xiàn)CS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的廣泛應(yīng)用添加了很大的阻力?;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),F(xiàn)CS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?,F(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)?;綝CS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。也可以說(shuō)數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。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)。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)。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。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)。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。工控機(jī)(IPC)即工業(yè)用個(gè)人計(jì)算機(jī)。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)。PLC是一種數(shù)字控制專(zhuān)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。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。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)大和可靠性高等特點(diǎn),已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。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。 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。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。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。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。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。從古人類(lèi)的燒火取暖,到今天的工業(yè)溫度控制,處處都體現(xiàn)了溫度控制。 EM235。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。然后主要通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì),硬件的選擇、設(shè)計(jì)、使用,軟件程序的思路、流程圖、編寫(xiě)等方面詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊的原理、設(shè)計(jì)和使用,并對(duì)程序中所使用的控制算法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。設(shè)計(jì)(論文)提綱及進(jìn)度安排: . 8 認(rèn)真收集有關(guān)資料,完成開(kāi)題報(bào)告 提出總體方案并進(jìn)行論證 論文主體設(shè)計(jì) 論文撰寫(xiě),完成初稿 程序調(diào)試和修改論文. 7 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū),準(zhǔn)備答辯提綱,進(jìn)行答辯主要參考文獻(xiàn)和書(shū)目:[1] [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.[2] 吳中俊,[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,,4.[3][M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008[4]馬秀坤,史云濤,[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009[5][M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003[6] 張志杰 加熱爐控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].工業(yè)爐,2000,22(3):2627.[7] 王浩宇,張?jiān)粕?[J].自動(dòng)化儀表,30(4):5154[8] 樓順天、姚若玉、沈俊霞,西安電子科技大學(xué)出版社,2008[9] 黃友銳、曲立國(guó),PID控制器參數(shù)整定與實(shí)現(xiàn),科學(xué)出版社,2010[10] 盧京潮,自動(dòng)化控制原理,西北工業(yè)大學(xué)出版社,2009[11] 周美蘭、周封、王岳宇,PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì),科學(xué)出版社,2009[12] 李科,溫控系統(tǒng)的智能PID控制算法研究,[碩士論文],中華科技大學(xué),2006[13] 吳長(zhǎng)勝,基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),[學(xué)士論文],貴州師范大學(xué),2006[14] 李世斌、李宏偉,PLC在鍋爐控制中的應(yīng)用、自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2003年第22卷第1期 [15] 歐祖鴻,基于Wincc和S7200的溫度測(cè)控系統(tǒng),[學(xué)士論文],重慶科技學(xué)院,2010[16] 廖常初,PLC 編程及應(yīng)用,機(jī)械工業(yè)出版社,2005[17] 顧占松、陳鐵年,可編程控制器原理與應(yīng)用,北京國(guó)防工業(yè)出版社,1996[18] 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