PLC温度控制系统的设计【图纸丢失、只有论文】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘  要  传统的加热炉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 制技术所取代。  而 身优异的性能使基于种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有相当的意义。  在以 热炉为基础的温度自动控制系统中， 经 算后得到的信号控制输出电压的大小，从而调节加热器加热，实现温度自动控制的目的。文章介绍了基于  关键词： 温度控制   节器   温度传感器  买文档就 送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目录  1 温度控制对象 1 能特点与技术参数   1 制手段   1 2 方案设计   1 场总线概述 1 7 4 3  7 6 7 7 度控制算法 9 4  制程序的设计   14 制程序的组成   14 度采集程序设计   14 字滤波程序设计   15 17 5 态   18 量组态   18 面组态   18 量连接   19 6 程序调试   21 21 21 7 数的整定   22 定方法   22 定结果及分析   23 8 技术小结   24 参考文献   25 附录   26 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 温度控制对象  温度控制对象，在工业控制过程中，是相当重要的控制对象，因为温度直接的影响到了燃烧、化学反应、发酵、烘烤、蒸馏、浓度， 结晶以及空气流动等物理的和化学的变化过程。温度控制的不好很有可能引起严重的安全事故，产品质量和产量等一系列的问题。 温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。  能特点与技术参数  实践证明温度对象的特点是 :时间常数大，滞后现象严重，反应在控制系统上，就是被控温度的变化滞后于调节器的输出。我们知道热量的传递 是需要一定时间的，温度上升的快慢与其热容量的大小有关，通常温度的上升与下降和时间的关系是一个指数曲线关系。而产生滞后则与热量的传递过程有关，再者测温元件也有一定的惯性，这些都会产生滞后现象。  本次设计选用的是 2 型温度控制器，该温度控制器同样的具有滞后大和惯性大的特点。该加热器用的是 0V 的电压加热，  制手段  通过以上的分析，系统的总的滞后时间比较大，升温的滞后时间相对降温来说是比较小的。因此，在 使系统的品质变好，除了加入适当的积分以消除静态误差外，还应该加强比例作用 使调节更加灵敏，减小调节时间，同时还应该加入适当的微分作用，使系统的超调量减小。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 2 方案设计  主要是通过实验的需要选择硬件。然后将选择的硬件组成控制系统，根据任务的要求选择西门子的  加热炉等硬件，硬件选择完成后，跟据所选择的硬件选择合适的软件进行程序设计，只有拥有完整的硬件和软件的系统才能所需要的功能。下面就仔细的介绍在设计中运用到的硬件和软件。  场总线概述  目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的 国的 国西门子公司  威的 司的 丹麦 司的 司的 及 、 际标准组织 F： 国的 等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有 80左右的市场。 下面仔细的介绍九种比较常用的现场总线。  金会现场总线  这是以美国 门子、英维斯等 80家公司制定的 50余家公司制定的 议于 1994 年 9 月合并的。该总线在过程自动化领域 得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。  基金会现场总线采用国际标准化组织 开放化系统互联 简化模型（ 1， 2， 7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。 2两种通信速率，前者传输速率为 ，通信距离可达 1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为 1和 ，通信距离为 75000m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号  线  它由美国 司推出，并由 司共同倡导。它采用 型的全部 7 层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从 300s 至 s 不等，直接通信距离可达 2700m（ 78s），被誉为通用控制网络。 术采用的 经元）的芯片中，并得以实现。采用 品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 线  欧洲标准（ 现场总线标准。由 列组成。 于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。 用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。 从 2标准。 从系统、纯 主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。 传输速率为 s 至 12s，最大传输距离在 s 下为 1200m，在1200m，可采用中继器延长至 10输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接 127个站点。  线  最早由德国 司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被 到了 理层和数据链路层。 输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。 采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10s，通讯速率最高可达 40M /1s，网络节点数实际可达 110个。目前已有多家公司开发了符合  线  缩写，最早由 特点是在现有模拟信号传输线上实现数 字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。 利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。  线   制与通信链路系统）的缩写，在 1996 年 11 月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚 洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同是以 10s 高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。 时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。 2005年 7月  线  北美部分与 并为 后， 欧洲部分仍保持独立，总部 设在法国。其在欧洲市场占有重要地位，特别是在法国占有率大约为 60%。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求，而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。  以实现“透明联接”，并对  行了技术拓展，如速率等。在与 在世界前列。  线  2000年 2 月成为国际标准 用国际标准化组织 1， 2， 7 层），即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性；该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。 泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业，成为国际现场总线的领先者。  线  有着开放的网络标准。 有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。 于 术，传输率为 125s 至500s,每个网络的最大节点为 64 个，其通信模式为：生产者 /客户（ 采用多信道广播信息发送方式。位于 络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。 线的组织结构是 放式设备网络供应商协会，简称“ 。 1 线  本次设计使用的是西门子的  点对点接口）  是一种专为 77而，其它  7控制器（例如  操作员面板均可与 7 一种主站 过该协议主站设备可向从站设备发送请求。从站设备并不启动消息，而是一直等到主站设备发送请求或轮询响应。通 讯将通过常用的 站设备包括：带有  摸面板、文本显示或操作员面板），从站设备包括： 如 可以通过编程将  准（ 并支持以下总线拓扑：总线型星型使用 以建立最多包括 32 个主站的多主站网络：可以与任何从站进行通讯的主站数量不受限制。可以为主站分配从站。可以使用 继器扩展可以 将调制解调器连接至 以为 主买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 站 络、多主站 络、复杂 络、带有   络。  7度控制系统的硬件组成  温度控制系统的主要硬件组成：带有 有 件的计算机、 据线、 加热炉。下面是本次系统的硬件组成图， 成了加热炉驱动模块和加热炉变送器。 这样使硬件系统的组成更简单、更容易。该系统是通过简单的闭环控制系统实现的。由 制的加热炉温度控制系统构成如图 统工作过程：一是给定值（ 0100 ）通过键盘输入 机，再由 机传递给数字量输出模块，控制固态继电器的开关状态，从而控制电阻炉的加热情况；二是通过温度检测装置热电偶检测到的变换为电流信号的炉温值通过模拟量输入模块读入 机，由 机内部数字量输出模块进行下一度的控制。其中  7选型  列  司新推出的一种小型 以紧凑的结构、良好的扩展性、强大的指令功能、低廉的价格，已经成为当代各种小型控制工程的理想控制器。 7以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点上到几百点。以方便地组成 络和微机 络，从而完成规模更大的工程。 机  计算机  节  执行机构  温度检测装置  图 电阻炉温度控制系统图    实际温度  电阻炉  上位机  7加热炉  图  统硬件图  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 编程、调试、监控，使得 编程更加方便、快捷。可以说， 以完美地满足各种小规模控制系统的要求。 四种 性能差异很大。这些性能直接影响到 控制规模和  目前 种。档次最低的是 数字量输入点数有 6 点，数字量输出点数有 4 点，是控制规模最小的 次最高的应属 成了 24 点输入 16 点输出，共有 40 个数字量 I/O。可连接七个扩展模块，最大扩展至 248 点数字量 I/O 点或35路模拟量 I/O。本次设计选用的是  开关量 I/,就要进行 I/I/。 通常开关量I/种类型 :输入模块 ,输出模块以及输入 /输出模块 。 为了保证 在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施 。 如光电隔离 ,输入保护 (浪涌吸收器 ,旁路二极管 ,限流电阻 ),高频滤波 ,输入数据缓冲器等 。 由于 制的对象有多种 ,因此输出模块也应根据负载进行选择 ,有直流输出块 ,交流输出模块和交直流输出模块 。 按照输出开关器件种类不同又分为 3种 ： 继电器输出型 ,晶体管输出型和双向晶闸管输出型 。 这三种输出方式中 ,从输出响应速度来看 ， 晶体管输出型最快 ， 继电器输出型最差 ， 晶闸管输出型居中 ； 若从与外部电路安全隔离角度看 ,继电器输出型最好 。 在实际使用时 ， 亦应仔细查看开关量  I/O 模块的技术特性 ， 按照实际情况进行选择 。在 极性模拟量的输入 /输出信号的数值范围是 0极性模拟信号的数值范围是 320002。  热炉的选型  本次实验选用的加热炉为 。这种加热炉集成有驱动模块和温度变送器使用简单，只需将输入端和输出端分别接到 输出模块和输入模块就可以了。免去了硬件设计的麻烦。  具有惯性大，滞后大的特点，在实际控制过程的过程中会比较麻烦，而且该加热炉是靠周边环境自然降温，所以降温过程比较长。不过通过改良 节的参数，能勉强控制好加热炉的温度，使得稳态误差和动态误差都能达到任务的要求。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 3  7度控制系统的软件配置  本次设计使用的软件  及 PC 过写 过 组态实现对控制过程的控制和监视。 间通过 时的监控加热炉的工作状态。  介绍  西门子公司专为 7列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于 应用软件，功能强大，既可 用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。  程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能 ：  1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。在脱机方式时，计算机与 开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。  2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的 上载、下载用户程序和组态数据等。  3）在编辑程序的过程中进行 语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。  4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。  5）设置 数和运行监控等。  介绍  西门子公司的 窗控制中心 )的简称。  它集成了 态、脚本 (言和 先进技术，为用户提供了 P)环境下使 用各种通用软件的功能。 承了西门子公司的全集成自动化 (品的技术先进和无缝集成的特点。 行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。 另一个特点在于其整体开放性，它可以方 便地与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。用户也可将 为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。  C 介绍  西门子最新推出的 件是专用于   买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 务器）软件，它向 户端提供数据信息，可以与任何标准的 户端）通讯。 件自带 户可以方便的检测其项目的通讯及配置的正确性。  供了工业环境中信 息交换的统一标准软件接口，数据用户不用再为不同厂家的数据源开发驱动或服务程序。 于进程控制的 一种开放式系统接口标准，可允许在自动化 /场设备和基于 如  间进行简单的标准化数据交换。  定义工业环境中各种不同应用程序的信息交换，它工作于应用程序的下方。您可以在 上监控、调用和处理可编程控制器的数据和事件。 以用于连接西门子，或者第三方的支持 。  7过 接 7过 缆）连接  过西门子通讯处理器（ 和  过 上安装的调制解调器（ 接 的 过以太网连接   述 讯口，也可以是  过     过相关的   过  太网）、 部的或外部的，使用 动器）。所有协议允许同时有 8 个 接，一个  个 的连接，其中一个连接预留给 持  7度控制系统的网络结构  7网络连接，只要是通过 据传输速率在 1.2   115.2 间。  网络连接是点对点的连接，遵循 通信协议，网络结构主要有 3 种：单主站 络、多主站 杂 面就将各种网络结构进行详细的介绍。  主站 络  通常，单主站 络由以下组件组成：带有 板），作为从站设备的一个或多个 主站所示。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 主站 络  由多台主站计算机或者 备组成的网络连接结构。利用这种网络结构我们可以组态一个包含多个主站设备的 络，这些设备可以作为从站设备与一个或多个 行通讯。每个主站（编程设备 /面板）均可以与网络中的每个从站交换数据。 杂 络  在复杂 络中，还可以对 等通讯表示通讯伙伴都具有同等权限，既可以提供服务，也可以使用服务。在一个 网络读取” (“写入网络” (令可以访问其它杂网络原理如图 示。  虽然 次根据设计的要求，我们只需控制一台 以我使用了单主站网络结构。  图 主站网络原理图  图 主站 图 杂网络原理图  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 度控制算法  在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 制，又称 节。 制器问世至今已有近 80 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 5。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 际中也有  制。 制器就是根据系统的误差，利用比例、  积分、微分计算出控制量进行控制的。  比例（ P）控制：比例控制是一种最简单 ,最常用的控制方式 4。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。   积分（ I）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。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的  或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进 一步减小，直到等于零。因此，比例 +积分 (制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。   微分（ D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。  自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (件，具有抑制误差的作用，  其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入  “比例”项往往是不够的，比例项的作用 仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例 +微分 (制器能改善系统在调节过程中的动态特性。  法的种类  基本算式有：位置型、增量型和速度型三种形式，其中最常用的事增量型式。设 u(n)为本周期 制器的输出（控制量）， e(n)为本周期的 入偏差信号， e(上一个周期的偏差信号， e(上上个周期的偏差信号。 比例增益， 积分时间 ， 微分时间，则 本算式的公式如下：  1）位置型 式  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 )1()()()()(0 根据微分方程和差分方程的对应关系可知，如果微分方程中的积分运算对应差分方程  的累加运算，微分方程对应一个周期的增量变化，则能很容易的推导出表达式  2）增量型 式  ) 1()()()()(   （  由增量型  )()1()(                                （  3）速度型 式  速度型 调节阀的开度变化率、直流伺服电机的转动速度等）相对应，它是由增量型 得到：  ) 1()()()()(     （ 3 路定义表  从在 始地址为回路表分配八十（ 80个字节。表起初的 长度为 36个字节。在增加了 路表现已扩展到 80个字节。如果使用 谐控制面板，与 路表的全部相互作用将由此控制面板代您完成。如果需要由操作员板提供自动调谐能力，您的程序必须提供操作员和 发起和监视此自动调谐进程，以及随后套用建议的调谐数值。  表 路定义表  偏移量  域  格式  类型  说明  0 程变量  双字 实数  入  包含进程变量，必须在 围内。  4 定值  双字 实数  入  包含设定值，必须在 围内。  8 出  双字 实数  入 /出  包含计算输出，在  12 益  双字 实数  入  包含增益，此为比例常数，可为正数或负数。  16 样时间  双字 实数  入  包含采样时间，以秒为单位，必须为正数。  20 分时间或复原  双字 实数  入  包含积分时间或复原，以分钟为单位，必须为正数。  24 分时间或速率  双字 实数  入  包含微分时间或速率，以分钟为单位，必须为正数。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 28 差  双字 实数  入 /出  包含  间的偏差或积分和数值。  32 前的进程变量  双字 实数  入 /出  包含最后一次执行 令存储的进程变量以前的数值。  路计算方法  例、积分、微分回路），执行 算。 6 个字节回路表中的 9 个参数。在稳定状态操作中， 便将错误（ e）驱动为零。错误测量由设定值（所需的操作点）和进程变量（实际操作点）之间的差别决定。 中将输出 M(t)表示为比例项、积分项和微分项的函数：   t in le d  *)(                 （  其中：  M(t)作为时间函数的回路输出   定值和进程变量之间的差别）  为了在数字计算机中运行该控制函数，必须将连续函数量化为错误值的定期样本，并随后计算输出。数字计算机运算以下列相应的公式为基础：  )(* 11         （  其中：  样时间 路增益  样时间 路错误的前一个数值（在采样时间 n  分项的比例常数  在该公式中，积分项被显示为全部错误项的函数，从第一个样本至当前样本。微分项是当前样本和前一个样本的函数，而比例项仅是当前样本的函数。在数字计算机中，既不可能也没有必要存储所有的错误项样本。因为从第一个样本开始，每次对错误采样时数字计算机都必须计算输出值，因此仅需存储前一个错误值和前一个积分项数值。由于数字计算机计算结果的重复性，可在任何采样时 间对公式进行简化。简化后的公式为：  )(* 1        (买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 其中：  样时间 路增益  样时间 路错误的前一个数值（采样时间 n 1）  分项的比例常数  分项的前一个数值（采样时间 n 1）  分项的比例常数  计算回路输出值时， 改后的公式为：  M D                           (其中：  样时间 样时间 样时间 样时间 比例项 偏差（ e）的乘积。其中 差（ e）是给定值（ 过程变量值（ 差，  )(* P V  n                              （  其中：  第     增益   第  第 积分项值     n )(/*                    （  其中： 第   增益   采样时间间隔   积分时间  第 第 程变量的值   第 分项前值）   积分和（ 所有积分项前值之和，在每次计算出 ，都要用 更新 中 以被调整或限制， 值）。积分项还包括其他几个常数：增益（ 采样时间（ 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 和积分时间（ 其中采样时间是重新计算输出的时间间隔，而积分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小。  微分项值 用下列算式来求解微分项：  )()(*/* 11 d n       （  为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变，假定给定值不变 样可以用过程变量的变化替代偏差的变化，计算算式可改进为：  )(*/* 1 d n                          （  其中：   第    回路增益     回路采样时间     微分时间    第 第   第 第 为了下一次计算微分项值，必须保存过程变量，而不是偏差，在第一采样时刻，初始化为  在许多控制系统中，只需要一两种回路控制类型。例如只需要比例回路或者比例积分回路，通过设置常量参数，可以选择需要的回路控制类型。  如果不想要积分动作（ 算中没有“ I”），可以吧积分时间（复位）置为无穷大“ 即使没有积分作用，积分项还是不为零，因为有 初值