【正文】 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 1 第一章 緒論 系統(tǒng)設(shè)計背景 近年來， 加熱 爐溫度控制系統(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)過程中重要的被控參數(shù)之一，冶金﹑機械﹑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，對工件的處理均需要對溫度進行控制。本設(shè)計是 用電烤箱來模擬加熱爐， 利用西門子 S7200 PLC 控制 電烤箱 溫度的控制系統(tǒng)。加熱爐溫度是一個大慣性系統(tǒng)，一般采用 PID調(diào)節(jié)進行控制。一般來說 ,單片機在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等方面占據(jù)優(yōu)勢 ,其通用性和適應(yīng)性較強。 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 題 目： 基于 PLC 的 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專 業(yè)：自動化 班 級：自 063 班 指導(dǎo)教師： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) I 基于 PLC的 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要 溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機的溫度控制系統(tǒng)等。加熱爐溫度控制在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。 然而單片機控制的 DDC系統(tǒng)軟硬件 設(shè)計較為復(fù)雜 , 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處 , 而 PLC 在這方面卻是公認的最佳選擇。隨著 PLC 功能的擴充在許多 PLC 控制器中都擴充了 PID 控制功能 , 因此在邏輯控制與 PID控制混合的應(yīng)用場所中采用 PLC控制是較為合理的。首先介紹了溫度控制系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)的組成，然后介紹了西門子 S7200 PLC 和系統(tǒng)硬件及軟件的具體設(shè)計過程。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和家居生活過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控。隨著計算機 控制 技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器 控制 技術(shù)必然被基于計算機技術(shù)而產(chǎn)生的 PLC 控制 技術(shù)所取代。這種 溫度 控制 系統(tǒng) 對改造傳統(tǒng)的繼電器 控制 系統(tǒng) 有普遍性意義。 系統(tǒng)工作原理 電烤箱 溫度 控制 系統(tǒng) 基本構(gòu)成 如 圖 所示，它由 PLC主控 系統(tǒng) 、 固態(tài)繼電器、溫度 傳感器 、電烤箱 等 4個部分組成。其中 PLC 主控 系統(tǒng) 為 電烤箱 溫度 控制 系統(tǒng) 的核心部分起 著 重要作用。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國 的 技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(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，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫 度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。成熟產(chǎn)品主要以 “ 點位 ” 控制及常規(guī)的 PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復(fù)雜時變溫度系統(tǒng)控制，而且適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。 溫度控制系統(tǒng)大致可分別用 3種方式實現(xiàn)，一種是用儀器儀表來控制溫度，這種方法控制的精 度不高。隨著 PLC功能的擴充在許多 PLC控制器中都擴充了 PID 控制功能。 本章小結(jié)：本章從總體上介紹了本設(shè)計的設(shè)計背景以及系統(tǒng)的工作原理，并且簡單介紹了目前國內(nèi)外本領(lǐng)域的技術(shù)水平。開環(huán)控制系統(tǒng) (Openloop Control System)是指被控對象的輸出 (被控制量 )對控制器 (controller)的輸出沒有影響，在這種控制系統(tǒng)中 ,不依賴將被控制量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋 ,若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反 ,則稱為負反饋 ( Negative Feedback)；若極性相同，則稱為正反饋?？梢?，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠優(yōu)于開環(huán)控制系統(tǒng)。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)選定比較簡單，調(diào)整方便等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象── “ 一階滯后＋純滯后 ” 與 “ 二階滯后＋純滯后 ” 的控制對象， PID 控制器是一種最優(yōu)控制。長期以來， PID 控制器被廣大科技人員及現(xiàn)場操作人員所采用，并積累了大量的經(jīng)驗。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時、控制理論的其它技術(shù)難以采用時 ,系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID 控制技術(shù)最為方便。 （ 1）比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。對一個自動控制系統(tǒng) ,如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差 ,則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng) 。積分項對誤差的運算取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。因此，采用比例 +積分 (PI)控制器 ,可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中 可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以對有較大慣性或滯后的被控對象 ,比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。它是根據(jù)被控過程的特性，確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。它主要依據(jù) 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。 二是工程整定法。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后的調(diào)整與完善。利用該方法進 行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 5 (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié) ,直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩 ,記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù)。 比例調(diào)節(jié)器對于偏 差是及時反應(yīng)的，一旦偏差產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但過大的比例系數(shù)可能導(dǎo)致系統(tǒng)動蕩而處于閉環(huán)不穩(wěn)定狀態(tài)。積分時間大，則積分作用弱，反之積分作用強。但它的不足之處在于積分作用存在滯后特性，積分控制作用太強會使控制的動態(tài)性能變 差，以至于使系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入微分環(huán)節(jié)，能敏感出誤差的變化趨勢，將有助于減小超調(diào)，克服系統(tǒng)震蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。根據(jù)不同的控制對象適當?shù)卣?PID 的三個參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果。但是， PID本質(zhì)上是一種線性控制器，并且上面討論時是忽略了純滯后時間的，實際系統(tǒng)中，如果（是純滯后時間，是系統(tǒng)總 的慣性時間常數(shù)），用 PID 控制器的效果就不理想了。 一般來說，要獲得滿意的控制性能，單純采用線性控制方式還是不夠的，還必須引進一些非線性控制方式，采取靈活有效的手段，如變增益、智能積分、智能采樣等多種途徑，主要依靠專家經(jīng)驗、啟發(fā)式直觀判斷、直覺推理等智能控制方法，有利于解決系統(tǒng)控制中的穩(wěn)定性和準確性的矛盾。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 6 PID 控制器的主要優(yōu)點 PID 控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器，它具有以下優(yōu)點： （ 1） PID 算法蘊涵了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在、將來的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。積分（ I）代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。在過程開始時強迫過程進行，過程結(jié)束時減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡過程。 （ 2） PID 控制適應(yīng)性好 ，有較強的魯棒性，對各種工業(yè)應(yīng)用場合，都可在不同的程度上應(yīng)用。 （ 3） PID 算法簡單明了，各個控制參數(shù)相對較為獨立，參數(shù)的選定較為簡單，形成了完整的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。例如，為了克服微分帶來的高頻干擾的濾波 PID 控制，為克服大偏差時出現(xiàn)飽和超調(diào)的 PID積分分離控制，為補償控制對象非線性因素的可變增益 PID控制 等。同時當今智能控制理論的發(fā)展，又形成了許多智能 PID控制方法。 PID 控制器是比例積分微分控制 ( Proportional Integral Derivative) 的簡稱 ,其優(yōu)點是不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 ,有較強的靈活性 和適應(yīng)性 ,而且 PID 控制器的結(jié)構(gòu)典型、程序設(shè)計簡單、工程上易于實現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整方便。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 7 PLC 實現(xiàn) PID 控制的方式 用 PLC 對模擬量進行 PID 控制大致有如下幾種方法 ： (1)使用 PID 過程控制模塊 :這種模塊的 PID 控制程序是 PLC 廠家設(shè)計的 ,并放在模塊中 ,用戶使用時只需要設(shè)置一些參數(shù) ,使用起來非常方便。如 S7200 的 PID 指令。 下面 以西門子 S7200 PLC 為例 ,說明 PID 控制的原理及 PLC 的 PID 功能指令的使用及控制功能的實現(xiàn)。 在連續(xù)系統(tǒng)中 ,典型的 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 。 pv(t)為反饋量 。 Mo 為輸出的初始值 。 KC為比例系數(shù) 。等號右邊前三項分別是 比例、積分、微分部分 ,它們分別與誤差、誤差的積分和微分成正比。 P I D 控 制 器 執(zhí) 行 機 構(gòu) 被 控 對 象檢 測 元 件c ( t )M ( t )e ( t )s p ( t )p v ( t ) 圖 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 8 假設(shè)采樣周期為 TS , 系統(tǒng)開始運行的時刻為 t =0 ,用矩形積分來近似精確積分 , 用差分近似精確微分 ,將式 1 離散化 , 第 n 次采樣時控制器的輸出如式 (23)所示 : MonnKjKnKcMn eeee DI nj?????? ??)( 11 (23) 式中 : en 1 為第 n 1 次采樣時的誤差值 ； KI 為積分系數(shù) ； KD 為微分系數(shù)。在許多控制系統(tǒng)中 ,可能只需要 P,I,D 中的 1 種或者 2 種控制類型。 P I D 控 制 器 執(zhí) 行 機 構(gòu) 被 控 對 象檢 測 元 件c ( t )M ( t )e nS P nP V nD / AA / DM np v ( t ) 圖 PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 (2)輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換 PID 控制有輸入量 2 個 ： 給 定值 sp 和過程變量 pv。給定值和過程變量都是和被控對象有關(guān)的值 ,對于不同的系統(tǒng) ,它們的大小、范圍與工程單位有很大的不同。同樣 ,對于 PID指令的輸出 ,在將其送給 D/A 轉(zhuǎn)換器之前 ,也需要進行轉(zhuǎn)換。RRaw 為標準化前的值 。Span為取值范圍 ,等于變量的最大值減去最小值 ,單極性變量的典型值為 32 000,雙極性變量的典型值為 64 000。將回路輸出送給 D/A 轉(zhuǎn)換器之前 ,必須轉(zhuǎn)換成 16 位二進制數(shù) ,這一過程是將 pv 與 sp 轉(zhuǎn)換成標準化數(shù)值的逆過程。Mn 是回路輸出標準化的實數(shù)值。 指令中 TBL 是回路表的起始地址 ,LOOP 是回路編號。 PID 指令對回路表中的某些輸入值不進行范圍檢查 ,應(yīng)保證過程變量、給定值等不超限。每次完 成 PID 運算后 ,都要更新回路表內(nèi)的輸入值 Mn ,它被限制在 ～ 之間。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 11 系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 由圖 可知，溫度傳感器采集到數(shù)據(jù)后送給 S7200 PLC， S7200 PLC 通過運 算后給固態(tài)繼電器一個控制信號從而控制 電烤箱 的導(dǎo)通與否。 本章小結(jié)：本章簡單介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計以及支持該系統(tǒng)的理論依據(jù)。 上位機 S7200 PLC 控制器 溫度傳感器 固態(tài)繼電器 電烤箱 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 12 第三章 硬件設(shè)計 隨著微處理器、計算機和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機控 制已經(jīng)廣泛地 應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性。本章主要介紹西門子 S7200 系列 PLC 以及其它硬件的選型。它采用了可編 程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字化或模擬式的輸入 /輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破饔捎诰哂幸韵碌奶攸c而深受工廠工程技術(shù)人員和工人歡迎。 S7200有極強的故障診斷能力。 ，用戶使用方便，適應(yīng)性強： PLC 產(chǎn)品已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。硬件配置確定后，通過修改用戶程序，就可以方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 13 、安裝、調(diào)試工作量少： PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計、安裝、接線工作量大大減少。這種設(shè)計方法很有規(guī)律，容易掌握。 ，性能價格比高：一臺小型的 PLC 內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。 PLC 可