【正文】 ... 12 統(tǒng)各個(gè)組成部分完成的任務(wù) ...................................................................... 12 可編程控制器 ................................................................................................... 12 的特點(diǎn) ............................................................................................... 12 的選型 ............................................................................................... 13 西門子 S7200 主要功能模塊介紹 ............................................................. 14 系統(tǒng)其他硬件選型及配置 ................................................................................... 17 顯示模塊 .................................................................................................. 17 溫度傳感器 .............................................................................................. 18 調(diào)功器 ..................................................................................................... 20 系統(tǒng)硬件連接 .................................................................................................... 23 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ................................................................................................... 24 系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件 .................................................................................................... 24 方案設(shè)計(jì)思路 .................................................................................................... 25 主程序部分 ........................................................................................................ 26 標(biāo)度變換子程序 ................................................................................................. 29 顯示模塊子程序 ................................................................................................. 31 初始化子程序及中斷程序 ............................................................................. 35 第五章 總結(jié) ............................................................................................................. 42 致 謝 ........................................................................................................................... 43 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 44 附錄 ............................................................................................................................... 45 11 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景 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(zhǎng)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。 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 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)?0~320xx 的數(shù)字量，然后進(jìn)行變換變?yōu)?0~1 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)?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。 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。 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 ： 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。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。 在 PLC 中的回路指令 現(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。 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 表