过程实验装置的反应釜温度控制系统设计.doc

毕业设计(论文)任务书课题名称 过程实验装置的反应釜温度控制系统设计 学 院 专业班级姓 名学 号指导教师毕业设计(论文)的主要内容及要求：内容：1、学习并了解反应釜的相关原理和技术发展现状；2、了解反应釜温度控制系统的总体流程，及其中关键性技术的实现方法；3、熟练使用亚控组态王软件，并能够实现系统组态；4、收集在完成课题过程中遇到的问题和对问题的解决方法以及新的心得体会要求：1、收集、整理与该课题相关的内容资料；2、根据课题工作内容罗列课题章节安排，根据各章各节要求有针对性整理资料，算法设计等工作；3、在完成课题过程中，进一步提高计算机应用能力，能够熟练地运用组态、step7软件进行系统设计；4、能够熟练地运用英语知识查阅与本课题相关的外文资料，要求准确地翻译出5000字左右的与课题相关的英文资料。 指导教师签字： 摘 要反应釜是化工生产过程中的重要设备，反应过程中伴随有大量的吸、放热现象，具有大滞后、时变、非线性、反应机理复杂等特点。在工业领域，随着自动化程度的迅速提高，用户对温度控制系统的过程监控要求越来越高，可编程控制器和组态王的釜温控制系统正好满足了这一需求。具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度的控制。本文以反应釜为被控对象，反应釜出口水温为主被控参数，以釜内水温为副被控参数，以PLC为控制器，构成反应釜温度控制系统,采用PID算法，运用PLC编程语言梯形图进行编程，实现反应釜温度的自动控制。反应釜的应用领域相当广泛，在相当多的领域里，反应釜的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前反应釜的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。本文分别就反应釜的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造反应釜的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。关键词： 温度控制 可编程控制器 人机界面 组态王ABSTRACT Reactor is the important equipment in the process of chemical production，the chemical reaction accompanied by phenomenon whereby heat is liberated or absorbed，having characteristics of large time delay，time-varying，nonlinear，and the complicated reaction mechanism. In the industrial field, with the rapid increase in the degree of automation, it is more and more important to monitor the process of control system for the users. PLC and the emergence of human-machine interface meets the needs of users. This paper introduces the reactor as the charged object to the reactor temperature of the main accused of the export parameters to furnace temperature as deputy accused of parameters to control the heating resistance wire voltage parameters to PLC, controller, constitutes a series of reactor temperature level control system; using PID algorithm, the use of PLC ladder programming language, programming, reactor temperature control. Reactor a wide range of applications, in a considerable number of field, the reactor performance advantages and disadvantages of the decision The quality of the product. Reactor control systems currently used mostly for computer control microprocessor core technology, both to improve the automation equipment have improved the control precision equipment. This paper on the reactor control system works, selection of temperature transmitter, PLC configurations, the configuration software design aspects were described. Through the transformation of reactor control system has fast response, good stability, high reliability, control accuracy and good features, practical significance for industrial control.Key words: Temperature Control PLC HMI Kingview目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1反应釜总体结构及工艺流程11.2课题背景及研究目的和意义21.3国内外研究现状41.4项目研究内容5第二章 系统总体控制方案62.1控制方案设计62.2预期成果7第三章PLC和Kingview基础83.1可编程控制器的描述83.1.1产生和应用83.1.2特点及分类93.1.3应用范围103.1.4组成和工作原理113.2组态软件的描述133.2.1组态的定义133.2.2软件的特点143.2.3仿真的基本方法143.2.4开发系统编制应用程序注意事项15第四章 控制系统的硬件设计164.1 PLC控制系统的设计164.1.1 设计的基本原则164.1.2 设计的一般步骤164.2 PLC的选型和硬件配置174.2.1 PLC型号的选择174.2.2 S7-300 CPU的选择184.2.3数字量I/O模块SM323184.2.4模拟量I/O模块SM334184.2.5热电式传感器194.2.6 三相交流一体化移相调压模块194.3系统整体设计方案204.4 PLC控制器的设计204.4.1 PID控制及参数整定21第五章 控制系统STEP7软件的设计245.1 PLC程序设计的方法245.2编程软件STEP7概述245.2.1 STEP7的硬件接口245.2.2 STEP7的编程功能255.2.3 STEP7项目的创建255.2.4 硬件的组态265.2.5用变量表调试程序275.3程序设计305.3.1设计思路305.3.2 PID指令向导305.3.2 控制程序36第六章 上位机组态画面的设计376.1 组态变量的建立376.1.1 新建项目376.2 创建组态画面396.2.1 新建主画面396.2.2 PID参数设定窗口406.3 实验组态画面406.3.1历史曲线观察406.3.2实时曲线观察416.3.3 PID参数整定416.3.4查看数据报表446.3.5系统稳定性测试44结束语46参考文献47致 谢48附 录49第一章 绪论1.1反应釜总体结构及工艺流程1.反应釜的工作原理及总体结构8： 反应釜是一种常用的化学反应容器，其内部反应机理较为复杂。研究通过控制器过程参数而控制化学反应过程，以提高产品的收率和质量的方法，对化工生产和生物制药等工业很有实用价值。 反应釜有间歇式和连续式之分。间歇反应釜通常用于液相反应，如多品种、小批量的制药、燃料等反应。连续反应釜用于均相和非均相的液相反应，如聚合反应等，本文研究的对象为连续式反应釜。反应釜的基本结构如下图所示，由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。釜体为一钢制罐形容器，可以在罐内装入物料，是物料在其内部进行化学反应。为了测量釜内的各项参数，在罐内装有钢制的套管，可将各种传感器放入其中。 图1.1 反应釜结构示意图2.反应釜的温度控制9：反应釜温度控制是通过控制两个阀门即加热水阀门和冷却水阀门来实现的，通过搅拌机的搅拌使物料均匀、提高导热速度，并使其温度均匀。在升温阶段，打开加热水阀门，对釜内的蛇管通以热水，使釜温升高，通过控制阀门开度来控制温度升高的速率，当加热到预定反应温度后就停止加热，反应过程中在夹套中通以冷却水，将反应产生的多余热量移走，控制温度保持恒定。导热介质的选择根据各厂产品的工艺温度要求确定的，常见的导热介质有过热蒸汽和导热油。温度测量常用热电阻或热电偶及其变送器组成。通过反应釜的导热介质要求保持温度恒定，通过调节流入反应釜夹套的导热介质的流量，来控制反应釜内物料的温度符合工艺要求。反应釜采用外围夹套，内部蛇形盘管，并具有搅拌功能的设计方式。外围夹套中存有导热油，导热油采用4组共12支电加热棒加热，每组加热棒均匀的分布在夹套的四周。搅拌器由一个小型电机带动按一定的转速连续搅拌。由此可见，其温度控制回路包括加热回路和冷却回路两部分。（1）加热控制回路由加热棒加热导热油为反应釜内提供恒定温度的热源，加热棒加热量由PLC调整晶闸管的导通角实现控制，晶闸管采用调压工作方式，根据PLC送过来的信号调整输出电压，进而调整加热棒的加热功率，控制油浴温度。当空开闭合，数字量接通时接触器闭合，输出功率从下位机PLC给出至晶闸管，晶闸管将电流输出给加热棒实现釜温加热。 图1.2 加热控制回路（2）冷却水控制回路该回路主要有电动调节阀、流量检测仪表、动力泵和温度变送器组成。电动调节阀接受PLC的420mA的标准电流信号，通过调整冷却水的流量来控制反应釜内部的反应温度。其控制原理类似于加热回路。1.2课题背景及研究目的和意义在工业生产过程中，温度是最常见的过程参数之一。在冶金、化工、电力、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应釜和釜内的温度进行检测和控制。由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。目前,仍有相当部分工业企业在用窑、炉等烘干生产线，存在着控制精度不高、炉内温度均匀性差等问题,达不到工艺要求，造成装备运行成本费用高，产出品品质低下，严重影响企业经济效益，急需技术改造10。传统的反应釜电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。近年来，国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得了巨大的发展，形成了一批商品化的温度调节器，如:职能化PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。在工业自动化领域内,可编程控制器(PLC)是一种应用非常广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有可靠性高、控制能力、抗干扰能力强，编程简单、功能强大、操作灵活方便、适宜长期连续工作、体积小、能耗低等显著特点，非常适合温度控制的要求。PLC 不仅具有传统继电器控制系统的控制功能，而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些智能控制模块，构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制。现代PLC 以集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定受到普遍欢迎，在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用,尤其适合温度控制的要求。目前的工业控制中,常常选用PLC作为现场的控制设备,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用HMI软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示,实现监控、管理、分析和存储等功能。这种监控系统充分利用了PLC和计算机各自的特点,得到了广泛的应用。在这种方式的基础上设计了一套温度控制系统。以基于PLC的下位机和完成HMI功能的上位机相结合,构建成分布式控制系统,实现了温度自动控制。此外，随着工业自动化水平的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面（HMI）的出现正好满足了用户这一需求。人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括参数监测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得简单易懂、操作人性化，深受广大用户的喜欢。人机界面（HMI）在自动控制领域的作用日益显著。HMI正在成为引导工业生产制造走向成功的重要因素，因为这些系统越来越多的用于监控生产过程，让过程变得更加准确、简洁和快速，使控制系统变得简单易懂、操作人性化。1.3 国内外研究现状 自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统发展迅速，并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行各业广泛应用。它们主要具有如下特点:（1)适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；（2)能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；（3)能适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；（4)这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工职能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；（5)温度控制器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；（6)温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能话、小型化等方面快速发展。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前,我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期水平,成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主,它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟。形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。这些差距，是我们必须努力克服的。随着我国加入WTO，我国政府及企业对此非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度仪表等工业得到迅速的发展。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。1.4 项目研究内容 可编程控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。PLC的应用已成为一个世界潮流，在不久的将来PLC技术在我国将得到更全面的推广和应用。 本论文研究的是PLC技术在温度监控系统上的应用。系统设计使用了PLC的热电阻温度采集模块，在上位机的控制下，对工业现场的温度进行实时的采集和监控。从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。 本论文通过德国西门子公司的S7-300系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际釜温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过三相交流一体化移相调压模块控制釜内加热的功率来实现对反应釜温度的控制。同时利用亚控公司的组态软件“组态王”设计一个人机界面（HMI），通过串行口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。总体上包括的技术路线：硬件设计，软件编程，参数整定等。第二章 系统总体控制方案2.1 控制方案设计本系统是在实验室原有的常规温控仪表控制的部分硬件基础上建立和完善的。本温度控制系统的具体指标要求是：对反应釜温度调整范围为20100（20表示为常温），温度控制精度小于等于1，系统的超调量须小于15%。软件设计须能进行人机对话。本PLC温度控制系统，是利用PLC作为系统的主控制器，测量电路中的温度反馈信号经A/D变换后，送入PLC中进行处理，经过一定的算法后，PLC再输出信号来控制交流接触器的通断，控制反应釜加热器得到的功率，从而实现对温度的控制。具体控制算法是将测量元件测得的模拟釜内水温与设定值进行比较，采用PID调节加热。当PID调节完成一个周期震荡后，若出现测得的水温超过设定水温1以上，PLC控制执行元件放热水进冷水进行自动调节。当水位低于下限值或高于上限值时均停止加热，内部从新调节并通过组态监控界面实时显示报警信号。模拟反应釜内的水是通过水泵将贮水箱中的水抽出，通过电磁阀将水放到贮水箱中。使水形成循环。当设定某一温度后，启动水泵向模拟反应釜内进水，水位上升到下限液位后，自动启动PID调节加热。若出现测得的水温超过设定水温1以上，PLC控制执行元件电磁阀放热水，同时水泵进冷水以进行自动调节9。图2.1 方案流程图2.2预期成果通过西门子PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制反应釜加热的通断来实现对釜内温度的控制。同时利用组态软件组态王设计一个人机界面（HMI），通过串行口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。第三章PLC和Kingview基础3.1可编程控制器的描述 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。 3.1.1产生和应用PLC发展过程大致可分为三个阶段：PLC早期阶段（60年代末70年代中期），这时的PLC实际上可称为可编程逻辑控制器，主要执行逻辑运算、定时、计数和顺序控制，硬件上采用准计算机的结构形式，主要采用小规模集成电路和分立元件电路，其可靠性、方便性高于传统的继电器控制系统。PLC中期阶段（70年代中期80年代中期），微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化，PLC功能大大增强，软件方面在初期基础上增加了算术运算、数据处理、通信、自诊断功能；硬件方面增加了模拟量及各种特殊功能模板，可靠性进一步提高。PLC近代发展阶段（80年代中期），超大规模集成电路的采用使PLC的CPU档次大幅度提高，与此同时各厂商还开发了专用逻辑处理芯片（ASIC芯片），使PLC软硬件发生了巨大变化，这个阶段即使是小型PLC，其功能也大大提高，大型机具有强大的网络功能。1969年美国数字设备公司（DEC）成功研制出世界上第一台可编程序控制器（PDP-14型），并成功地在美国通用汽车公司（GM）自动装配线上应用。PC产生到现在还不到30年，便以其功能强、应用灵活、结构简单、编程简易、使用方便、可靠性高等一系列优点很快在美国的其它工业领域获得推广和应用，并迅速应用到世界各国的军、民用等各个领域。1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，随着电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器功能得到更进一步增强。进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。3.1.2特点及分类主要特点：（1）设计上考虑了工业环境、抗干扰能力强和可靠性高。 抗干扰性能好、可靠性高是PLC 最突出的特点之一。PLC采用大规模集成电路，器件数量大大减少，输入/输出接口电路均采用光电隔离，各输入端都采用RC滤波，高速输入端采用数字滤波，各模块采取了可防辐射的屏蔽措施，且PLC本身具有完备的自诊断功能，可迅速判断故障。（2）编程及操作简便易学PLC编程采用类似于继电控制系统的梯形图（LAD），控制系统流程（CSF），语句表（STL）等进行，这种语言简单直观，一些大型PLC还允许用高级语言编程，如VASIC，C+等，使用十分方便。（3）采用模块化结构由于PLC采用模块化结构，用户可根据工业控制的实际要求选择各种功能模块自行组合系统，维护十分方便，当系统某部分发生故障，只需要更换该模块系统即可正常工作。（4）具有功能很强的I/O模块及智能接口模块 对于不同的工业控制信号，交、直流电压和电流，以及数字、模拟、脉冲等信号都有相应的I/O模板。此外，还有各种有独立处理器和存储器的智能模块，它们可以完成许多特殊功能，如闭环调节、温度控制、位置控制等，还可用于打印机、终端显示器等。（5）网络化PLC可联成很强的网络系统，高速网一般采用令牌通信方式，传输速度可达110MB/s，距离可达5001000m，网络节点可达1024个；低速网一般采用主从方式通信，传输速度可达103以至104B/s，距离可达50015000m。（6）产品系列化、成本低国外PLC每隔几年便推出一个新系列，许多公司已经具有多个系列的产品，一般可分为大、中、小三种类型，由于采用模块化结构，PLC功能得到充分利用，不仅体积小（仅为继电系统1/5）、耗电少，而且价格便宜。分类：(一)小型PLC小型PLC 的I/O 点数一般在128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。(二)中型PLC中型PLC 采用模块化结构，其I/O 点数一般在2561024 点之间，I/O 的处理方式除了采用一般PLC 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。(三)大型PLC一般I/O 点数在1024 点以上的称为大型PLC，大型PLC 的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化，大型PLC 还可以采用冗余或三CPU 构成表决式系统使机器的可靠性更高3.1.3应用范围 经过30年的发展，PLC具有许多优越的性能和特点，很快被应用到工业控制的各个领域： （1）开关逻辑控制及顺序控制。这是PLC最基本的控制功能，可用之取代继电器控制及顺序控制。 （2）计数控制。PLC具有计数功能，具有几个至几千个计数器，并有用于计数的高速计数模块。（3）PID控制。中、大型PLC都有PID控制功能。（4）用于机械数字控制。PLC可与机械加工的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）联成一体实现数值控制；可用于配置柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（SIMS）等。（5）机器人控制。随着机器人和PLC技术的不断成熟和发展，许多机器人厂家开始采用PLC控制机器人动作。（6）组成多级控制系统。新一代PLC均有通信网络功能，能对远程I/O进行控制，既能实现PLC之间的通信，又能完成PLC与上位机之间的通信，能方便地构成分散控制，集中管理的分布式控制系统。3.1.4组成和工作原理可编程控制器的组成:PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。1-电源模块； 2-后备电池；3-24V DC 连接器；4-模式开关；5-状态和故障指示灯；6-存储器卡(CPU 313 以上)；7-MPI 多点接口；8-前连接器；9-前盖图3.1 组装式PLC(西门子S7-300)1CPU CPU是PLC的核心，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2.I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3.编程器 编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。4.存储器 存储器（内存）主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序存储器用于存储整个系统的监控程序，一般采用只读存储器（ROM），具有掉电不丢失信息的特性。用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或者控制功能设计的控制程序，早期一般采用随机读写存储器（RAM），需要后备电池在掉电后保存程序。目前则倾向于采用电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存(Flash Memory)，免去了后备电池的麻烦。5.电源 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 可编程控制器的工作原理:PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。PLC工作的全过程可用图 2-1 所示的运行框图来表示。图 3.2 可编程控制器运行框图3.2组态软件的描述3.2.1组态的定义组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。组态软件是有专业性的，一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如DCS(集散控制系统)组态，PLC梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。 工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，组态王，力控，易控，MCGS等。本设计采用亚控的组态王软件进行组态的设计1。3.2.2软件的特点 组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。组态王软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。3.2.3仿真的基本方法(1)图形界面的设计 图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 (2) 构造数据库 数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。 (3)建立动画连接 连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。 (4)运行和调试3.2.4开发系统编制应用程序注意事项（1）图形是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。（2）数据，就是创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如水位、流量等。(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。第四章 控制系统的硬件设计硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。本章主要从系统设计结构和硬件设计的角度，介绍该项目的PLC控制系统的设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计参数的整定。4.1 PLC控制系统的设计 4.1.1 设计的基本原则1充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。2在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。3保证控制系统安全可靠。4应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、IO点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充4。 4.1.2 设计的一般步骤 设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：1熟悉被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。2确定IO设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的IO点数。3选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、IO模块、电源的选择。4分配PLC的IO地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部IO接线图和编制程序。5设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。6联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。4.2 PLC的选型和硬件配置4.2.1 PLC型号的选择本温度控制系统采用德国SIEMENS公司S7-300 PLC。S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。S7-300有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力，有350多条指令，其编程软件STEP7功能强大，可以使用多种编程语言。S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，各个模块都安装在导轨上，用螺栓锁紧即可。 电源模块（PS）、 接口模块（IM）、 信号模块（SM）、 功能模块（FM）、 编程器（PG）、 操作员面板（OP）图 4.1 S7-300系列PLC系统构成框图4.2.2 S7-300 CPU的选择S7-300 系列的PLC有CPU312 IFM、CPU313、CPU314、CPU314 IFM、CPU315/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等多种不同的中央处理器单元可供选择。此系统选用的S7-300 CPU315-2DP, CPU315-2DP是具有中到大容量程序存储器和PROFIBUS-DP主/从接口的CPU，它用于包括分布式及集中式I/O的任务中。CPU315-2DP具有64KB，内置96KB的装载存储器（RAM），可用存储卡扩充装载存储器，最大容量为512KB，指令执行速度为300ns/二进制指令，最大可扩展2048点数字量或256个模拟量通道。4.2.3 数字量I/O模块SM323 SM323模块有两种类型，一种是带有8个共地输入端和8个共地输出端，另一种是带有16个共地输入端和16个共地输出端，两种特性相同。I/O额定负载电压24V DC，输入电压“1”信号电平为1130V，“0” 信号电平为-3+5V，I/O通过光耦与背板总线隔离。在额定输入电压下，输入延迟为1.24.8ms.输出具有电子短路保护功能。4.2.4 模拟量I/O模块SM334图 4.2 模拟量I/O模块SM334模拟量I/O模块SM334有两种规格，一种是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为8位，另一种也是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为12位。SM334模块输入测量范围为010V或020mA,输出范围为010V或020mA。它的I/O测量范围的选择是通过恰当的接线而不是通过组态软件编程设定的。4.2.5 热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100，所以选择PT100铂热电阻传感器。PT100是广泛应用的测温元件，在-50600范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。PT100铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，其阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候它的阻值为100欧姆，阻值会随着温度上升成匀速增长。4.2.6 三相交流一体化移相调压模块图 4.3 三相交流一体化移相调压模块结构图三相交流一体化移相调压模块是一种使用简单、可靠性高的新型智能模块，它可直接带动变压器等感性负载或电动加热等阻性负载工作，可采用它实现功率调节的温度控制系统。系统外部接线简单、运行稳定，维护和维修方便。一体化三相交流移相调压模块如图 3-3所示，1、3、5为模块进线端，2、4、6为模块出线端，分别连接电源和负载。左侧6个接线端为控制功能端，分别为420mA信号输入端、010V信号输入端、05V信号输入端、010mA信号输入端及手动控制输入端。当某控制端（如420mA功能端）输入信号由小（4mA）连续的变化到最大（20mA）时，模块的输出线电压由0V连续的变化到电网电压380V。4.3 系统整体设计方案系统选用了PLC CPU315-2DP为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际反应釜水温经变送器转化为电流信号，经过SM331模拟量输入模块转化成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为020mA的电流信号输入控制三相交流一体化移相调压模块来调节输出功率，从而调节反应釜电热丝的加热。PLC和组态王连接，实现了系统的实时监控。图 4.4 系统整体设计方案图4.4 PLC控制器的设计控制器的设计是整个控制系统设计中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。最后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。 图 4.5 各回路反应釜温度自动控制系统原理方框图74.4.1 PID控制及参数整定图3-6 串级控制系统框图21.PID控制器的组成3PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为： (1) 比例系数KC对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。KC偏大，振荡次数加多，调节时间加长。KC太大时，系统会趋于不稳定。KC太小，又会使系统的动作缓慢。KC可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果KC的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况KC的符号就一定要取反。(2)积分控制i对系统性能的影响： 积分作用使系统的稳定性下降，i小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。(3) 微分控制d对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，d偏大时，超调量较大，调节时间较短。d偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有d合适，才能使超调量较小，减短调节时间。2.主、副回路控制规律的选择 采用串级控制，所以有主副调节器之分。主调节器起定值控制