基于SMART200的温度PID控制系统设计与调试毕业设计.doc

苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计学号 127301116 苏州市职业大学毕业设计题目 基于smart200的温度pid 控制系统设计与调试学生姓名： 专业班级： 12电气自动化技术(1)班 学院 (部)： 电子信息工程学院 校内指导教师： （副教授） 校外指导教师： 完成日期： 2015年 5月 1 摘 要：温度是工业和科学实验中最常见和最重要的热工参数之一了。现在产品对于温度控制的精度要求越来越高。无论是在科学领域还是我们的生产实践中，温度控制都是极其重要的，特别是像冶金、化工、石油、机械、建材等大型工业中，都占有着极大的比重。而温度控制的系统也有很多种，plc凭借着它较高的可靠性，较强的抗干扰能力，已经成为许多用户信赖的产品，而且他的操作也较为简单。本文介绍了西门子s7-200smart设计硬件与smart700ie 7寸触摸屏。plc是数字控制型的电子计算机，他运用了可编程存储器的储存指令，具有顺序、逻辑、计数、计时等一些功能。可以通过模拟输入、输出和数字输入输出等组件，进行控制各种程序和设备。关键词：plc 温度控制 pid 触摸屏 abstract temperature industrial and scientific experiments, the most common and the most important thermal parameters of. now products are increasingly high requirements for precision temperature control. whether in science or our production practices, the temperature control is extremely important, especially as the metallurgical, chemical, petroleum, machinery, building materials and other large industry, has played a significant proportion. the temperature control system there are many, plc with its high reliability, strong anti-jamming capability, many users have become reliable products, and his operation is relatively simple. this paper introduces the design of hardware and siemens s7-200smart smart700ie 7-inch touch screen. plc is a computer numeric control type, he used a programmable memory to store instructions, with order, logic, counting, timing and some other functions. via analog input, output, and digital input and output components, control procedures and equipment.keywords: plc temperature control pid touch screen2目录1 引言11.1 应用背景11.2 温度控制的技术现状11.3 设计方案32 硬件系统设计52.1 西门子smart20052.2 触摸屏62.3 温度传感器82.4 模拟量模块93 软件系统设计与调试113.1 pid基本机理113.2 系统程序流程143.3 软件设计183.4温度的控制界面及调试分析19结 论24致 谢25参考文献26271 引言1.1 应用背景 据我们所了解，温度作为工业中重要的参数，基本所有的物理变化或者化学反应都和温度有所关联。无论是在科学领域还是我们的生产实践中，温度控制都是极其重要的，特别是像冶金、化工、石油、机械、建材等大型工业中，都占有着极大的比重。但是他们所使用的加热方法、燃料，还有控制方法都是有所差别的，毕竟它们的生产情况和精度要求都是不同的。比如化工、冶金这类工业大都采用加热炉，或者反应炉；而燃料则有天然气、煤气、电等。总之，温度控制的过程很复杂而且多变，所以我们对系统要求更为先进的控制技术和理论。 可编程控制器（plc）作为工业控制计算机的一种，是集合了计算机、自动控制技术和通信技术的优点的一种新型自动化装置。它不仅抗干扰能力极强，而且价格更合理，更加可靠，最主要的是编程简单，易于上手。现如今plc已经深入到工业控制的各个领域中，并得到很高的评价。 现阶段的控制领域， 电子计算机已经逐渐成为主流，像石油化工这类企业基本都是使用的分散控制系统（dcs）。但如果从控制的策略方面考虑，pid控制仍然是龙头。因为pid不仅结构简单，稳定性也不错，而且我们在使用的时候不用担心系统的数学模型。虽然pid已经有60多年的历史了，但它还是这么的炙手可热。组态软件作为数据采集和过程控制的专用软件，他们对监控层的开发环境和软件平台的创建都有着一定的作用。在过去，我们要完成一些任务，必须通过编程才能实现，这样不仅会有很大的工作过量，而且会花费我们大量的时间，而且我们还不能保证正确度。但现在有了组态软件之后，我们的工作就很简单了，我们只需花费比以前小十几倍的精力就可以完成了。现如今组态软件已经在很多领域使用了。1.2 温度控制的技术现状温度控制不仅在工业领域得到广泛使用，在农业方面、科研领域，平常的生活中甚至国防领域都占有一定的比重。距今为止温度控制已经发展了200多年，经历了从低级阶段到高级阶段，从简单工艺到复杂过程的发展阶段，伴随着我们对温度控制的精度要求越来越高，温度控制技术得到了极大的发展。目前比较常见的的几种温度控制系统分别是：基于plc的温度控制系统、基于单片机的温度控/基于工控机的温度控制、集散型温度控制系统（dcs）和现场总线控制系统（fcs）。（1）plc是数字控制型的电子计算机，他运用了可编程存储器的储存指令，具有顺序、逻辑、计数、计时等一些功能。可以通过模拟输入、输出和数字输入输出等组件，进行控制各种程序和设备。上文已经提到过，plc不仅抗干扰性强，有很高的可靠性，而且编程简单，容易掌握，和工控机，dcs，fcs等系统相比，plc更加便宜，应用更广泛。所以plc还是有很广阔的发展前景的。（2）单片机虽然发展时间不长，但已经在很多领域得到了使用，因为他不仅价格低，体积小，而且有很强大的功能和很高的可靠性。现在，单片机已经从刚开始的4位机发展成现在的32位机，这是一个巨大的进步，无论是功能还是硬件都是极大的提升。它的温控系统还是很稳定的，工作精度也很高。但单片机也是有缺点的，它的响应速度较慢，而且中断源较少，所以在要求很高，工程比较复杂的系统中一般不会使用。（3） 工控机（ipc）就是工业方面使用的个人计算机。它凭借着可靠地性能、较低的成本，丰富的软件，已经在许多领域得到应用。它具有其他温控系统所不具备的优点，它能够适应许多恶劣的工业环境，能够抗高温、抗震动，还能防灰尘和电磁辐射。以往的锅炉一般使用人工结合的仪表进行监控，很难达到要求，因为工业锅炉的燃烧系统是多变量输入的系统。有着极其复杂的影响因素，很难建立正确的数学模型。而计算机可以提供比如滤波、用积分来分离pid、参数自行整定等各种算法，这些都是常规仪表难以达到的。可以这么说，工控机大大的改善了对锅炉的监控品质，极大的提高了热效率。 （4） 集散型温度控制系统（dcs），它是功能上分散，管理上集中的一种新型控制系统。集散型温控系统最主要的还是他的通信功能，他的主要工作是为系统的各个部分提供通信网络，而数据公路作为dcs的核心部分，它的设计关系到整个系统的灵活性和安全性。集散型温度控制系统极大的减少了使用人员的工作量，而且还提高了系统的工作效率。（5）现场总线控制系统（fcs）集合了多种系统的优点，包括：数字通信技术、计算机技术、自动化技术、智能仪表和网络技术等。fcs能现场直接处理信息，可以直接进行传感、控制、报警和计算。它还有其他系统所不能比的一点就是，他可以对现场装置进行远程诊断和维护。目前现场总线控制系统还不完善，处于刚刚起步的阶段，而且现场总线的国标有12种多，这都阻碍了fcs的发展。 我们要根据温度控制系统各自的优缺点，结合实际的需要去选择配置，有时也可以将多个系统组合起来使用，以达到更好的控制。在国内温度控制系统已经得到了很大的发展，但和欧洲、美国等发达国家相比我们还存在很大的差距。成品主要是“点位”控制和常规pid控制器为主，它只适用一般的温控系统，一些复杂的系统就难于控制了。我国的技术还不是很成熟，而国外在仪表控制参数的自整定方面已经有了比较成熟的产品了。1.3 设计方案电炉主要应用在厂房、宾馆、学校、宿舍、商场等各种需要取暖供热的场合，用plc控制电炉的温度取代用电控制炉子的温度，这样可以使炉子更加的安全和环保，效率也提高了很多。（1） 课题分析以往的电加热锅炉的控制一般使用继电器和接触器进行控制，这就导致控制功能比较简单，而且电加热管也容易损坏，系统的可靠性和优化控制都存在各种各样的问题，面对这些问题，我们可以通过使用可编程序控制器（plc）对它的控制部分进行改善。首先，将继电器硬件的布线控制换成plc软件，这样系统的应用范围就更加广了，其次，就像上文提到的除了plc的抗干扰能力强，可靠性高，操作简单等优点外，plc还采用了一种面向可管制过程的梯形图语言，比微机控制中的汇编语言要简单易学的多。随着现代工艺的改变，接口功能变的更加完善，也更易于和计算机接口连接，也本课题设计了一个电炉温度控制系统，根据炉温对给定温度的偏差值，自动改变热源能量的大小，使炉温稳定在给定温度范围内。温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构框图如图1.1所示。被控对象给定值温度调节仪执行装置被控对象温度传感器图1.1 温控系统结构框图（2） 论文的内容及工作安排按要求做一些调查和研究，通过网络以及书籍来搜集些资料；整理好资料，在立意时要注意记得以下一些方面的要求：1.要简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义，列出主要参考文献，参考文献的格式参见各类教材的参考文献，最好在说明书正文的相关位置予以标注；2.符合现实需要，体现时代精神；反映客观事物本质；要有独到的见解；3.图注和表注要规范；图形要清晰，不可出现网页背景；4.结构是文章的骨架，在考虑和安排文章的整体结构时要围绕主题安排结构，一定的逻辑性，有详有略，重点突出；所研究的课题主要有以下几，方面的要求：1.smart200的国内研究现状及其发展趋势2.温度pid控制系统设计与调试方案的确定3触摸屏的设计方案4.设计设备接线5.连接线路6.运行和调试，生成报表2 硬件系统设计2.1 西门子smart200本次论文我选择的是plc是西门子s7-200smart。西门子s7-200smart 具有两种不同类型的cpu 模块，非别是标准型和经济型，可以满足大多数行业、客户或设备的各种需求。标准型是可扩展cpu 模块，可满足对i/o 规模有较大需求，逻辑控制较为复杂的应用；而经济型cpu 模块可以直接通过单机本体满足相对简单的控制需求。 图2.1西门子smart200西门子s7-200smartplc有许多让我选择它的理由。（1）smart200的机型更丰富，我们可以有许多不同的选择 首先它可以提供不同的类型，i/o 点数丰富的cpu 模块，而且它的单体i/o 点数最高可达60 点，基本满足了大部分小型自动化设备的控制需求。同时，用户可以根据自己的需求，更加灵活的去选择产品的配置，这样可以极大的的控制成本。（2）连接方式为以太网连接，更加经济和便捷cpu 模块具有以太网接口，集成了强大的以太网通信功能。通过网线就将程序下载到plc 中，这样就省去了编程专用的电缆，节约了成本。不仅如此，通过以太网接口你还可与通过它与其它cpu 模块、触摸屏或者计算机进行通信，更加便于我们建立连接。（3）具有卓越性能的高速芯片 smart200配有西门子专用的高速处理器芯片，所以它基本指令执行时间只需0.15 s ，这在其他plc里是找不到的。即使是再繁琐的程序逻辑，我们也可以很快速的解决它。（4） 人性化软件，使编程更高效除了西门子编程软件所具有的其他所有功能外，还融入了许多人性化的设计，增加了带状式菜单、可移动的界面窗口，同时还有程序注释功能和更强的密码保护功能。大大的提高了我们的使用效率，节约了许多时间。（5）信号板包括通信端口、数字量通道和模拟量通道。它不仅不占用电控柜空间，而且更加适合用户的实际配置需要，提高产品的使用率，同时还降低了成本。（6） 多个设备结合，更全面满足要求西门子s7-200smart可编程控制器，smart700ie触摸屏和sinamics v20 变频器结合起来，更高效的解决了用户的自动化问题，同时对于用户对于人机交互、控制、驱动等功能的需求也得到了满足。 2.2 触摸屏本次论文采用的是smart700ie 7寸触摸屏，它属于电阻式触摸屏，具有极高的可靠性，操作也相对简单，便于我们掌控，同时，它具有强劲的通讯能力和丰富的扩展模块。 图-2.2 smart700ie 触摸屏也被叫做“触摸屏”或“触摸面板”，它是一种液晶显示装置，用来接收触摸式的输入信号，屏幕上一般设置一个按钮，当触碰按钮时，屏幕上的触觉反馈系统就会工作，他将根据预先编好的程序去驱动各种连接装置。这种装置可以取代机械按钮面板，并通过液晶显示屏来创建生动的视频效果。据目前的技术来看，触摸屏已经是最简洁、方便的电脑输入设备之一了。触摸屏的工作原理：当触摸屏被其他物体触碰时，所触碰的位置会被触摸屏的控制器检测到，然后他会将接收到的信息已坐标的形式通过串行口发送到cpu中。这样就可以知道它所输入的信息了。触摸屏系统的主体部分是触摸屏控制器和触摸检测装置。触摸屏控制卡主要用来接收从检测装置上检测到的触摸信息，再将它转换成触点坐标，然后发送到cpu，同时它也可以接收来自cpu的命令，并加以执行。按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质来分，又可以把触摸屏分为四种，分别是电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。我们要充分了解每一类触摸屏的工作原理及其特点，这样我们就可以知道它们能适用于哪种场合。 电阻式触摸屏电阻式触摸屏是由一块多层的复合薄膜构成的，它以一层玻璃（或者有机玻璃）作为它的基层部分，然后在它的表面涂上一层透明的导电层，最后再在导电层的上面盖上一层经过硬化处理，可以防刮的塑料层。塑料层的内部也会涂上一层导电层，这样两层导电层之间就会有许多细小的透明隔离点，可以将它们绝缘开来。当触碰到触摸屏是，两层彼此绝缘的导电层就会接触到一起，其中一层导电层通有y轴方向的5v均匀电压场，这样会使侦测层的电压从原来的零变成非零，这这种连接状态会被控制器侦测到，然后进行a / d转换，将所得的值与5v电压相比较就可以得到y轴的坐标，用同样的方法我们也可以得到x轴的坐标，这基本就是电阻技术触摸屏共有的原理了。2.3 温度传感器金属的电阻随着温度的变化会变化，而铂电阻就是用这种特性来测量温度的。铂电阻的测温范围是-200600，本设计选用的就是铂电阻，因为他的电阻温度系数比较稳定，电阻率也较高，已经广泛应用到一些工业行业中了。铂电阻与温度的关系根据国际温标规定，在-259.34630.74温域内，以铂电阻的阻值作基准器。铂电阻与温度的关系，在不同温度的算法也是不同的温度在0630.74时 （2-1）温度在-1900时 （2-2）式中，rt表示温度为t时的电阻； r0表示温度为0时的电阻； t 表示任意温度； a，b，c分度系数：a=3.94010-2/，b=-5.8410-7/2； c=-4.2210-12/4。温度变送器温度变送器的作用是把像热电偶这样的温度敏感元件所产生的微弱的电压信号，变换成工业控制系统中通用的电压(或电流信号）。本次设计温度变送器采用的是两线制，就是将热电阻的微弱电压信号，变换成变送器直流馈电电源中电流的变化。在工业控制系统中，电流的变化一般规定在420ma内。2.3.2 制温度变送器的优点1.对馈电电源的稳压精度要求较低。电源电压在-30%+15%之间波动时一般都不会影响输出电流的精度。2.温度变送器具有体积小的优点，可以和温度敏感元件组合起来使用，安装在现场作为电流输出。3.它的干扰能力很强，可以进行远距离传输。4.温度变送器采用两线制，降低了设备的成本。2.4 模拟量模块 本设计使用的模拟量模块为四输入两输出（4ai/2ao）。型号为ew am06,。模拟量指的是在一定范围内可以连续变化的任意值，是和数字量相反的一种表示。模拟量一般是用来采集和表示事物的电压、电流或者频率等参数的。 图2.4 em am06 其电压范围为-10v-10v。电流范围为0-20ma3 软件系统设计与调试3.1 pid基本机理随着计算机等技术的不断发展，自动化技术已经成为衡量工业现代化的一个重要指标。控制理论的发展也有一定的历史了，主要经历了三个重要的阶段，为别是：古典控制理论阶段、现代控制理论阶段和智能控制理论阶段。控制系统由五个部分组成，分别是：控制器、传感器、变送器、执行机构和输入输出接口。控制系统的控制器要先经过输出接口和执行机构，然后再通过传感器和变送器，最后经由输入接口送到控制器。自动控制系统主要分为开环控制系统和闭环控制系统两类。（1） 开环控制系统开环控制系统是指被控对象的输出（被控制量）对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。（2） 闭环控制系统闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控 制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。（3） pid控制的原理和特点pid控制器从使用到现在已经有将近70多年的历史了，现在更是已经成为了工业控制中主流技术之一，原因无他，因为他结构简单、稳定性高，还有就是方便调整。在实际的应用中，使用最多控制规律就是比例、积分和微分控制了，也就是我们将所说的pid控制。在被控对象的结构和参数不能完全掌握的时候，其他的控制理论都不能使用，我们只能凭借着以往的经验去确定，这是我们就可以采用pid控制技术。-一、比例控制和其他控制方式相比较，比例控制是其中最简单的，它的控制器的输出和输入的误差信号成正比。如果系统只有比例控制是，系统就会存在稳态误差。二、积分控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对于进入稳态后就出现稳态误差的这类自动化系统，我们成为有差系统（system with steady-stateerror）。我们可以通过在控制器中增加积分项来消除稳态误差。积分项对于误差的消除作用取决于时间的积分，也就是说，随着时间的增加，积分项也会增大，所以即使是误差很小的系统，积分项也会随时间越来越大，可以这么说，拥有比例项和积分项的控制器，可以使系统在进入稳态后没有稳态误差。三、微分控制由于自动化系统存在有大惯性组件（或滞后组件)，它可以起到抑制误差的作用，所以在调节误差的过程中有时会出现振荡甚至失稳的现象。可以通过使抑制误差的作用“超前”，就是在误差接近零时，抑制误差的作用也应该为零。所以，不仅要在控制器中加入比例项，还应该加入微分项，比例项主要是放大误差的幅值，而微分项则能预测到误差变化的趋势。这种拥有比例项和微分项的控制器，就可以提前抑制误差的控制作用，使之等于零，甚至为负值，这样就可以避免被控量的严重超调。所以那些有较大惯性或滞后的被控对象，可以用拥有比例项和微分项的控制器去改善系统在调节时的动态特性。（4）pid控制器参数的整定要做好控制系统的设计，我们就要把握好它的核心部分pid参数的整定，一般我们根据被控过程的特性来确定pid控制器的比例系数、积分和微分时间的大小。虽然pid控制器参数整定的方法有很多，但概括起来一共分为两类：一类是理论计算整定法，它主要是根据从系统中得到的数学模型，通过计算得到控制器的参数。但有时通过这种方法得到的数据无法直接使用，必须根据实际需要再去修改。另一类是工程整定方法，这种方法特别考验使用者的经验，有经验的操作人员可以直接在控制系统中进行整定，它凭借着简单、易于操作的特性，已经得到了人们的认可。工程整定方法要是再划分的话，可以分为三种，分别是临界比例法、反 应曲线法和衰减法。现在使用较多的是临界比例法，其方法步骤如下：（1） 确定采样的周期，保证系统可以正常工作。（2） 加入比例控制环节，等到输入的阶跃响应出现临界振荡时，我们就记下此时的比例放大系数以及临界振荡周期。（3）在一定的控制度下，我们就可以通过计算得出pid控制器的参数。（5） pid调节比例调节、积分调节、微分调节是闭环控制中常用的调节规则。它的目的旨在完善控制系统，保证系统的偏差值e可以达到给定的指标。让系统变得更加稳定。pid调节控制的原理用下面的方程式可以表示。 （3-1） 输出 = 比例项 + 积分项 + 微分项式中m(t) 表示pid回路的输出值（是时间的函数）； kc表示pid回路的增益，也可称为比例常数； e 表示给定值与过程变量之间的差值； minitial 表示pid回路输出的初始值。pid调节器的基本框图下图3.1所示。u+dpi-+kpkp/tiskptds测量电路对象x y 图3.1 pid调节器从实际情况去考虑，用pid来控制温度的方法，可以运用到许多生产实践中。3.2 系统程序流程为了完成任务，本次设计采用用2个加热管对电炉进行加热。根据上述分析及硬件的规格（s7-200smart ），下面给出了本系统的程序流程图，见图3.2所示。开始系统初始化模拟量采集电炉温度是否超限加热管停止加热电炉是否需要急停系统急停统计加热管加热时间返回nnyy图3.2 系统流程图程序分5个网络：网络1：设置定时中断； 网络2：系统的停止控制； 网络3：加热管的控制； 网络4：记录1号加热管加热时间； 网络5：记录2号加热管加热时间。下图是主程序的梯形图图3.3 程序梯形图图3.5 程序梯形图图3.7 程序梯形图图3.9 程序梯形图3.3 软件设计3.3.1 pid控制算法的程序设计pid控制器的输出是标准化的0.01.0之间的实数。将pid控制器的输出送给d/a转换器之前，必须将它转换成16位二进制整数。这一过程就是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。下面的公式就是将pid控制器的输出转换为实数： （3-2）式中，rscal表示pid控制器的输出对应的实数值 mn表示控制器的输出的实数值 （offset与span与上述的定义相同）下图为本系统的pid控制算法的梯形图及其对应的stl语句。图3.11 系统程序图上述梯形图对应的stl语句为：图3.12 stl解释图说明：（1）sm0.5 表示此位提供高低电平各30s，周期为1s的时钟脉冲。（2）movw in，out 表示字之间的传送。（3）round in，out 表示实数截位取整为双整数。（4）dti in，out 表示双整数转换成整数。3.4温度的控制界面及调试分析任何一个设计过程，系统调试都是极其重要的，同时也是最难的。系统设计出来就是为了进行一定的工作的，而调试就是检验设计能不能行的通，而一些我们在设计的时候没有发现的问题，在调试时我们也可以找到，从而进行改进完善。 （1）调试设备 一台电脑 一个万用表 ps207电源2.5a 西门子s7-200smart smart700ie触摸屏 模拟量模块（4ai/2ao）（2）调试界面（3） 系统配置在模拟量模块在接入电路工作之前，我们首先要完成配置及校准，配置指的是将接入的信号类型与实际相匹配。而校准指的是仪器仪表使用前的调零及调满度。计算方程式：满量程输入衰减增益=模拟量输入字中数据所对应的模拟量图3.13 接线端子图3.14 输入格式图3.15 输出格式3.4.3 软、硬件连通调试1.上位机部分：（1）表3.1列出了主程序中各个网络错误的现象、原因和解决方法。表3.4.1 主程序中各个网络错误现象、原因和解决方法（2） 表3.4.2列出了子程序中各个网络错误的现象、原因和解决方法。表3.4.2 子程序中各个网络错误现象、原因和解决方法（3） 表3.4.3列出了中断程序中各个网络错误的现象、原因和解决方法。表3.4.3 中断程序中各个网络错误现象、原因和解决方法2.下载部分：（1）错误：电脑主机不能与plc正常通信。原因：plc没有上电，没有外接220v的交流电源。改正：接上220v的交流电源。（2）错误：提示端口错误。原因：plc的端口要选择到“com1”才可以正常通信。改正：选择到“com1”接口。3.下位机部分：（1）错误：运行之后，看不到现象。 原因：程序与硬件中的cpu型号不一致。 改正：更换型号，重新编译下载。（2）错误：手动开关没有反应。 原因：没有正把开关接到电路中去。 改正：将各个端子接好。3.3.4 调试结果在调试的过程中我也遇到了很多问题，刚开始做有很多地方不是很懂，所以我查阅了大量的资料，还有老师也给了我一些指导，这些问题慢慢的解决掉了。但主要的原因还是自己不够细心，经常犯一些小错误，比如在输入程序时丢三落四，接线时粗心大意等，以后在此方面还应该加强注意。本次设计在经过多次模拟调试后，还是比较完善地实现了要求的基本功能，完成率指定的任务。加热管可以正常加热