【正文】 12 可編程控制器 12 12 13 14 17 17 18 20 23第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 24 24 25 26 29 31 35第五章 總結(jié) 42致 謝 43參考文獻(xiàn) 44附錄 4546江西理工大學(xué)2011屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章緒論溫度與人們的生存生活生產(chǎn)息息相關(guān)。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越來高，溫度控制的技術(shù)也得到迅速發(fā)展。近年來，加熱爐的溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(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，無法滿足現(xiàn)代的控制要求。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。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)展國民經(jīng)濟(jì)的重要熱工設(shè)備之一。通過本設(shè)計(jì)可以熟悉并掌握西門子S7200PLC的原理與功能及它的編程語言，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題。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)來源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。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)已經(jīng)由開始的4位機(jī)發(fā)展到32位機(jī)，其性能進(jìn)一步得到改善。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。因此，PLC占領(lǐng)著很大的市場(chǎng)份額，其前景也很有前途。IPC的性能可靠、軟件豐富、價(jià)格低廉，應(yīng)用日趨廣泛。過去工業(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)。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。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。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)。DCS的關(guān)鍵是通信。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。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。其優(yōu)勢(shì)在于網(wǎng)絡(luò)化、分散化控制。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)無法達(dá)到的。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)長短。成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。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，國外已有較多的成熟產(chǎn)品?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。日本、美國、德國、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。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。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。第五章，總結(jié)。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)/停止開關(guān)按鈕、數(shù)顯表與溫度變送器五部分組成。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)采用自來水作為加熱對(duì)象）的容器，通過溫度變送器檢測(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)輸出不同的電壓來控制加熱爐內(nèi)的加熱器來對(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。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℃。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0~100mV的電壓信號(hào)通過模擬量輸入模塊EM235的A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)?~32000的數(shù)字量，然后進(jìn)行變換變?yōu)?~1的過程量形參，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)膽溫度過程量PV0傳送給副控制器 PID運(yùn)算，得到的結(jié)果OUT0經(jīng)過標(biāo)度變換和模擬量輸出模塊EM235的A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)?~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。圖22 加熱爐軟件控制部分組成圖圖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。比例控制(P)是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其特點(diǎn)是具有快速反應(yīng)，控制及時(shí)，但不能消除余差。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。微分控制具有超前作用，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。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。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系： (21)控制器的輸出為： (22)上式中, ——PID回路的輸出；——比例系數(shù)P； ——積分系數(shù)I；——微分系數(shù)D。其離散化的規(guī)律如表21所示。計(jì)算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種思想?，F(xiàn)在很多PLC已經(jīng)具備了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是專用模塊，有些是指令形式。表22 PID回路指令名稱PID運(yùn)算指令格式PID指令表格式PID TBL，LOOP梯形圖使用方法：當(dāng)EN端口執(zhí)行條件存在時(shí)候，就可進(jìn)行PID運(yùn)算。LOOP是回路號(hào)，可以是0~7，不可以重復(fù)使用。表23 PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據(jù)類型說明0過程變量（PVn）實(shí)數(shù)~4給定值（SPn）實(shí)數(shù)~8輸出值（Mn）實(shí)數(shù)~12增益（Kc）實(shí)數(shù)比例常數(shù)，可正可負(fù)16采樣時(shí)間（Ts）實(shí)數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20采樣時(shí)間（Ti）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時(shí)間（Td）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項(xiàng)前值（MX）實(shí)數(shù)~32過程變量前值（PVn1）實(shí)數(shù)~1) 回路輸入輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法 本設(shè)計(jì)中回路的輸入為兩個(gè)溫度模擬量輸入，夾套和內(nèi)膽溫度經(jīng)過溫度檢測(cè)模塊，傳送給EM235經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到的是16為整數(shù)，而設(shè)計(jì)中所需要的過程變量為實(shí)數(shù)，所以我們需要將整數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)，這里就要用到I_DI，DI_R指令，就如在標(biāo)度變換中的轉(zhuǎn)換一樣，得到實(shí)際的溫度值。2) 實(shí)數(shù)的歸一化處理因?yàn)镻ID中除了采樣時(shí)間和PID的三個(gè)參數(shù)外，~，所以，在執(zhí)行PID指令之前，必須把PV和SP的值作歸一化處理。歸一化的公式為： （25）式中, ——標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值； ——未標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值；——補(bǔ)償值或偏置，； ——值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32000，雙極性為6400。3) 回路輸出變量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換本設(shè)計(jì)中，利用回路的輸出值來設(shè)定下一個(gè)周期內(nèi)的加熱時(shí)間。這一過程是實(shí)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化過程。程序如下：ROUND AC1, AC1DTI AC1, VW34 PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時(shí)間Ti和和微分時(shí)間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。表 24溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時(shí)間（分鐘）微分時(shí)間（分鐘）溫度滯后較大20~6020~400~3實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。2）整定積分環(huán)節(jié)先將步驟1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。 3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)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)。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件組成溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括一臺(tái)可編程控制器、一臺(tái)調(diào)功器、兩個(gè)溫度檢測(cè)回路、一個(gè)加熱器、一個(gè)模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊EM23兩個(gè)數(shù)顯表、兩個(gè)啟動(dòng)/停止按鈕，一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行指示燈。（2）數(shù)顯表：根據(jù)PLC的輸出實(shí)時(shí)顯示內(nèi)膽溫度和夾套溫度的實(shí)際溫度值，便于控制和觀察。（4）調(diào)功器和加熱器：是PLC的控制對(duì)象，根據(jù)PLC模擬量輸出模塊輸出的0~5V電壓信號(hào)，來控制調(diào)功器的輸出功率電壓，對(duì)加熱器進(jìn)行控制，來加熱爐內(nèi)溫度。 可編程控制器可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。(2)配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。(3)易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。(4)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。西門子PLC相對(duì)于其他的PLC價(jià)錢比較高，但是性能相對(duì)強(qiáng)大，可操作性強(qiáng)，有相配套的伺服系統(tǒng)和組態(tài)軟件。西門子PLC的種類分為S7200PLC，S7300PLC，S7400PLC等，S7300PLC，S7400PLC與S7200PLC相比功能更為強(qiáng)大，為S7200的升級(jí)產(chǎn)品，但由于本系統(tǒng)所需功能和技術(shù)要求S7200完全能夠解決，所以從經(jīng)濟(jì)方面考慮選用西門子S7200PLC系列產(chǎn)品。由于具有極強(qiáng)的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。（1）CPU模塊：S7200的CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元，電源及數(shù)字I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊，獨(dú)立的設(shè)備中，CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào)，輸出部分則輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。無擴(kuò)展能力，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量較小，有一定的高速計(jì)數(shù)處理能力，非常適合于少點(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。③CUP224它有14輸入/10輸出，I/O共計(jì)24點(diǎn)，和前兩者相比，存儲(chǔ)容量擴(kuò)大了一倍，它可以有7個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力，是使用得最多S7200產(chǎn)品。它可用于點(diǎn)數(shù)較多，要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中由數(shù)字量2輸入/4輸出，需要一個(gè)模擬量擴(kuò)展，而CUP222本機(jī)數(shù)字量8輸入/6輸出，和兩個(gè)模擬量，可完成設(shè)計(jì)所需的技術(shù)要求，所以本設(shè)計(jì)選用CUP222 DC/DC/DC。（2）模擬量擴(kuò)展模塊： 溫度傳感器檢測(cè)到溫度轉(zhuǎn)換成0～100mV的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入PLC中進(jìn)行處理，得到的控制信號(hào)也要通過模擬量輸出模塊把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)成0~5V的電壓信號(hào)對(duì)調(diào)功器進(jìn)行控制。EM231有4路模擬量輸入，EM232有2路模擬量輸出，EM235有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出。訂