电加热器控制系统毕业设计论文.doc

I 摘 要 在自动控制系统里，温度控制系统是其重要的组成部分。它一般由被控对 象、传感器、调节器和执行器等部分构成。不同的领域温度控制系统都有与其 相互配合的控制方案，根据不同共工艺和生产情况，采用不同的温度控制系统。 例如石油、冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种反应炉、 加热炉等加热设备，它们使用的燃料有煤气、天然气、电等不同加热材料，因 此选用的控制方案就不同。由于温度控制系统的工艺过程比较复杂，且受到各 种因素影响，具有很大不确定性，这些控制系统必须使用更先进的控制技术和 更合理的控制理论。 本系统由PLC、上位机构成了一个典型的 温度集散控制系统。 PLC作 为控制系统的大脑，上位机作为系统的监视系统。 系统通过采集温度 传感 器数据，再由PLC进行PID运算，结果通过 移相触发模块发送触发信号 给可 控硅，从而可控硅控制电 加热炉完成温度控制，本文首先阐述 系统的背景 与意义；其次简述了系统的组成； 然后介绍了系统的硬件；最后设计了系 统的软件部分。 关键词：温度控制系统 集散控制系统 PLC PID 可控硅 重庆科技学院本科生毕业论文 ABSTRACT II ABSTRACT In the automatic control system, the temperature control system is an important part of the system. It is generally composed of the controlled object, sensor, regulator and actuator. Different temperature control systems have the different control scheme and the different temperature control system is based on the different technology and production situation. For example, petroleum, metallurgy, machinery, food, chemical etc. All kinds of industrial production is widely used in various reaction furnace, heating furnace and other heating equipment,the fuel they used is coal gas, natural gas, electricity and other different heating materials. Therefore, the selection of control scheme is different. The temperature control system of the process is very complex and is affected by various factors,so it has a lot of uncertainty, the control system must use the more advanced control technology and the more reasonable control theory. This system is composed of PLC and PC, which constitutes a typical temperature distributing control system. PLC is used as the brain of the control system, PC is used as a surveillance system. The system is by collecting the data from the temperature sensor , and then the PLC works out through the PID operation, the results by means of phase shift trigger module to send a trigger signal to a controllable silicon, and silicon controlled rectifier control the electric heating furnace to accomplish the temperature control. Firstly,this paper expounds the background and significance of the system; Secondly, the composition of the system will be briefly introduced;then the paper explains the design of the hardware of the system. Finally, i also designs the software of the system. Keywords：temperature control system; distributed control system ; PID; PLC; SCR 目录 摘 要I ABSTRACT.II 1 绪 论 1 1.1 系统设计背景 1 1.2 系统工作原理 .1 1.3 系统设计目标及技术要求 1 1.4 技术综述 2 1.5 本章小结 3 2 系统设计.4 2.1 PID 控制原理.4 2.1.1 比例（P）控制4 2.1.2 积分（I）控制4 2.1.3 微分（D）控制4 2.2 编址表和系统结构 4 2.2.1 编址表.4 2.2.2 系统结构.5 2.2.3 系统设计思路.6 2.3 本章小结 6 3 硬件设计.7 3.1 PLC 的基本概念.7 3.1.1 PLC 的基本结构组成 .7 3.1.2 PLC 的特点 .7 3.2 PLC 的工作原理.7 3.2.1 输入采样阶段.7 3.2.2 用户程序执行阶段.8 3.2.3 输出刷新阶段.8 3.3 S7-200PLC 简介 .8 3.3.1 CPU224 主要技术性能 9 3.3.2 数字量输入模块.9 3.3.3 数字量输出模块.9 3.3.4 模拟量输入模块10 3.3.5 模拟量输出模块10 3.3.6 模拟量输入和输出混合扩展模板10 3.4 其他硬件 .11 3.4.1 周波控制器 11 3.4.2 周波控制器的特点12 3.4.3 温度传感器12 3.4.4 电加热炉15 3.5 硬件接线图 .16 3.6 本章小结17 4 软件设计18 4.1 PLC 控制软件设计18 4.1.1 STEP7 编程软件简介 18 4.1.2 PLC 程序设计流程图 19 4.1.3 PID 控制程序设计 20 4.1.4 回路输入输出的数值转换方法23 4.1.5 PLC 程序设计梯形图 23 4.1.6 PLC 程序调试 29 4.2 上位机软件设计 .29 4.2.1 组态王 6.53 简介1429 4.2.2 PLC 通信配置与通讯 PPI 协议 30 4.2.3 组态王定义外部设备和数据变量30 4.2.4 组态王界面31 4.3 本章小结 .34 5 结论35 参考文献.36 致谢.37 附录一：PLC 程序 .38 附录二：电气原理图.43 1 1 绪绪 论论 1.1 系统设计背景 早期应用加热炉控制系统的时候，它多采用传统的继电器控制方式，这种 方式是利用大量的接线完成对加热炉进行逻辑控制，这样就使系统变大，从而 增加系统发生故障的概率，难以保证工业生产的可靠性。随着电子技术与计算 机技术的高速发展，传统的继电器控制方式逐渐被 PLC 控制技术取代。因为 PLC 具有独特的功能和性能，所以 PLC 控制的温度控制系统更加经济、稳定性 更高和维护更方便。这种温度控制系统对优化与改进传统的继电器控制的温度 控制系统具有相当深远的意义1。 1.2 系统工作原理 本系统主要的温度控制系统构造如图 1 所示， PLC 作为控制系统的 控制器，同时还需要移相触发模块、 周波控制器(SCR)、加热炉、温度传 感器等多个部分组成 。 图 1.1 加热炉温度控制系统基本原理 加热炉的温度控制系统进行控制的过程是 : 首先通过温度传感器感受 炉内的温度变化，并将其转换成 标准的电压信号或标准的电流信号传递给 西门子 S7-200PLC，经过 PLC 内部的 A/D 转换装置的处理后，将此电信号 变成能够被 PLC 识别的数字信号 ，与此同时 PLC 还将此数字信号与已经 设定好的温度信息进行比对， 经过比较之后，再由 PLC 发出输出信号，并 传递给 PLC 的输出电路，输出电路将此信号发送给 移相触发模块 ，移相触 发模块根据输出信号产生相应的 触发脉冲给 可控硅(SCR)电路，从而控制了 通过电热炉电阻两端 大电流，即控制了电加热炉的温度， 在加热炉温度控 制系统中，PLC 控制器作为的系统核心部分起重要作用2。 1.3 系统设计目标及技术要求 2 本系统由 PLC、上位机构成了一个典型的集散控制系统。 PLC 进行实 时的控制，完成温度的采集和转换，人工智能PID 算法处理和对炉子直接 控制，PLC 输出的 0-20mA 控制电流通过移相触发模块触发可控硅 (SCR)， 控制电加热炉所需大电流 。PLC 与上位机通过 PPI 通讯接口相互 通讯和数 据交换。上位机采用工业计算机实现系统的监控管理，完成加热炉温度控制 系统中升温曲线的画面动态显示和参数的设定，修改。其中，PLC 可以脱 离上位机独立进行工作。该集散系统实现了集中监视，分散控制，具有丰富 的操作和监视功能，增强了系统的可靠性和实用性。 本系统针对实验室电加热炉的工作特点及工艺要求，采用分布式控制方 案以实现对加热炉的运行和故障检测控制。下位机采用西门子公司的S7- 200 PLC，编写加热炉的电气控制 程序，重点解决加热炉的起、停控制，加 热温度的自动调节，故障检测及控制等。上位机采用PC 机，使用组态王 6.53 组态软件编写组态程序，实现对加热炉的远程实时控制，重点解决上位 机与下位机的通讯程序设计，监控画面的设计，报警程序设计等。 本次设计的 技术要求如下： 理解实验室的电加热炉装置的工作原理和控制要求，设计系统总 体方案； 确定 PLC 电控系统的结构方案、基于 S7-200 PLC 和上位机确 定系统设备配置； 确定基于 S7-200 PLC 的控制程序结构，设计和调试 PLC 应用 程序。 确定基于组态王 6.53 组态软件的上位机控制系统，设计和调试 上位机监控程序。 1.4 技术综述 在 20 世纪 70 年代，我国的电加热炉控制系统 诞生了。受到当时技术 等因素的限制，其发展比较缓慢。但进入 21 世纪后，由于工业过程控制的 需求越来越高 ，尤其是在计算机技术和电子技术，以及先进的自动控制理 论和合理的设计方法的推动下，我国 温度控制系统得到 了飞速发展，在其 的自适应、参数 自整定等方面取得 丰硕成果。 在我国温度控制系统应用十分广泛，但是温度控制器与其他发达国家相 比还是要比较差一些的。目前，我国生产的控制器还是以 简单的顺序 控制 以及常规 PID 控制器为主，由于性能 与可靠性的影响，它适应不了现在复 杂的控制要求。对于复杂的控制系统 选用控制器时， 我国还需要依靠国外 3 先进的智能化程度高的和自适应能力强的成熟的 控制器产品 。 随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的控制要求也是会越来 越高，因此，温度控制系统必定会越来越智能化，越来越人性化，精度越 来越高。 1.5 本章小结 本章通过对电加热炉电控技术的国内外现状的深入了解与分析，阐述了电 加热炉温度控制系统的系统结构的重大意义。 4 2 系统设计 2.1 PID 控制原理 在工业控制中，输入与输出偏差的比例（P） 、积分（I） 、微分（D）组成了 PID 控制。它具有原理简单、鲁棒性强、容易实现和适用面广等优点。当被控 对象的结构和参数没有清晰明了，或者我们得不到精确的数学模型的时候，依 靠经验和现场调试来确定系统控制器的结构和参数是一种不错的选择，使用 PID 控制技术控制未知的控制系统是非常适宜的。 2.1.1 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输入与输出偏差信号成 比例关系。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。单独 使用比例控制不能消除系统余差，那么在系统稳态后系统稳定值与设定值 有一定的误差。 2.1.2 积分（I）控制 积分控制器的输入与输出偏差信号积分成正比关系。在一个自动控制系 统中,如果系统在进入稳态后存在稳态误差,就称这个控制系统是有稳态误差 的系统。积分控制器的作用是消除残余误差，提高系统的无差度，但却具 有一定的滞后，也不能快速地对误差进行控制。积分的时间 Ti 的大小决定 了控制器积分能力的强弱，随着时间的增加，积分项的作用会增大。它驱 动控制器的输出也会增加，使系统的稳态误差进一步减小，直到等于零。 2.1.3 微分（D）控制 微分控制器的输入与输出偏差信号的微分（即偏差的变化率）成正比关 系。微分控制器的优点是动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控 对象有较大时间滞后的控制品质；并能在偏差信号值变得太大之前，引入 一个有效的早期修正量，从而加快系统的响应，减少调节时间，但是单独 的微分控制器不能消除余差 3。比例和微分作用结合，比单纯的比例作用 更快。在面对滞后较大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间， 明显改善控制质量。 2.2 编址表和系统结构编址表和系统结构 2.2.1 编址表 本系统共有一个模拟量（温度）输入信号和一个模拟量输出信号，模 拟量从 s7-200 PLC 的扩展模块 EM235 输入进 PLC 或输出到外部电路。三 5 个数字量由控制继电器输出和四个数字量输入信号。如表 2.2 所示。 表 2.2 编址表 序 号 采样信号名 称 性质（开关、模拟）传感 器 占用硬件资源说明 1AI0 模拟量 热电 偶 AIW0 从外界读入的温度信 号 2AQ0 模拟量 AQW0 控制输出 3DI0 开关量 I0.0 启动/停止按钮 4DI1 开关量 I0.1 报警解除按钮 5DI2 开关量 I0.2 加热炉故障 6DI3 开关量 I0.3 SCR 故障 7DO0 开关量 Q0.0 加热炉运行 8DO1 开关量 Q0.1 报警指示灯 9DO2 开关量 Q0.2 报警蜂鸣器 2.2.2 系统结构 本系统的结构框图如图 2.1 所示。 图 2.1 系统结构框图 由图 2.1 可知，温度传感器采集到数据后送给 PLC， PLC 通过运算后 给 SCR 一个控制信号从而控制通过加热炉的电流大小，从而达到控制温度 的目的。上位机是编写 PLC 程序以及监控软件对系统的运行情况进行监控。 6 2.2.3 系统设计思路 系统设计思路如图 2.2 所示： 图 2.2 系统设计思路 2.3 本章小结 本章介绍了控制系统的的控制原理，简要的分析了系统结构和系统设计思 测出炉温与设定值比较（SV-PV） 可控硅调功器（SCR） 电加热炉 测出炉温 PID 调节 启动电加热炉 开始 初始化 判断模块是 否正确 N 温度设定值 7 路，最终得出了温度控制系统的整体控制方案，以及控制系统的结构规划。 8 3 硬件设计 3.1 PLC 的基本概念 可编程逻辑控制器简称 PLC，其内部存储程序一般被可编程存储器存储。 PLC 执行顺序控制、逻辑运算、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并 通过数字信号或模拟信号输入/输出控制各种类型的控制过程。 3.1.1 PLC 的基本结构组成 PLC 一般由中央处理单元(CPU)、电源、存储器、输入输出接口电路、 功能模块和通信模块组成。中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制 核心。用户程序与用户数据是被 CPU 以一定周期从编程器写入并存储到可 编程逻辑控制器系统里，同时 CPU 还有检查电源、存储器、I/O 以及警戒 定时器的状态的功能；电源在整个 PLC 中扮演着重要角色，它保证着系统 的稳定运行；存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器；在输入输出 接口电路中，光耦合隔离电路和微机的输入接口电路组成了输入接口电路， 它的作用是实现 PLC 与现场控制的接口界面的相互联系，且相互补不产生 干扰。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集 成，其作用是 PLC 通过输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信 号4。 3.1.2 PLC 的特点 PLC 使用方便，编程容易上手；硬件配套比较齐全方便；功能强，性价 比高，适应性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工 作量少。 3.2 PLC 的工作原理 PLC 的工作过程一般分为三个阶段，即输入采样阶段、用户程序执行阶段 和输出刷新阶段三个阶段。完成上述三个阶段被称作一个扫描周期。在整个运 行期间，可编程逻辑控制器的 CPU 以一定的扫描速度重复运行上述三个阶段。 3.2.1 输入采样阶段 在输入采样阶段中，PLC 以循环扫描方式按次序地读入所有输入状态和 数据，并将它们存入输入/输出储存区中的对应的单元内。输入采样结束后， PLC 转入用户程序执行阶段和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入 状态和数据发生变化，输入/输出储存区中的对应单元的状态和数据也不会 改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫 9 描周期，才能保证在任何情况下，该输入状态均能被读入可编程逻辑控制 器中去。 3.2.2 用户程序执行阶段 在用户程序执行过程中，输出点和软设备在输入/输出储存区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而只有储存在输入/输出储 存区内的状态和数据不会发生变化，由于 CPU 是由上而下依次执行程序， 因此，排在上面的梯形图先执行，排在下面的梯形图后执行，其造成结果 是排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图都会本次扫描周期内被刷 新，而排在下面的梯形图，其的逻辑线圈的状态或数据只能等到下一次扫 描周期才能刷新排在其上面能用到这些线圈或数据的梯形图。 3.2.3 输出刷新阶段 当用户程序执行阶段结束后，PLC 就进入了输出刷新阶段。在此阶段， CPU 按照输入/输出储存区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存器电路， 再由输出电路驱动相应的外设工作。这时，才是可编程逻辑控制器的真正 输出。 3.3 s7-200PLC 简介 S7-200 是模块化的小型 PLC，它适用于对控制性能要求不严格的场合。它 有 CPU 221、CPU 222、CPU 224、CPU 224XP 和 CPU 226 等多种 CPU 型号。 配合使用各种信号模块和扩展功能模块能适用于各种领域的自动控制任务，用 户还可以根据系统的具体情况选择符合其设计的模块。本次设计选用 CPU 224 如图 3.1 所示: 10 图 3.1 CPU224 实物图 3.3.1 CPU224 主要技术性能 CPU224 的一般性能如表 3.1 所示。 表 3.1 S7-200PLC CPU224 一般性能 电源电压DC 24V，AC 100230V 输出给传感器的电压DC 24V （20.4-28.8V） 输出给传感器的电流280mA，电子式短路保护（600mA） 为扩展模块提供的输出电流 660mA 程序存储器8K 字节/典型值为 2.6K 条指令 数据存储器2.5K 字 编程语言LAD，FBD，STL 程序结构一个主程序块（可以包括子程序） 程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1255ms） 子程序级8 级 用户程序保护3 级口令保护 指令集逻辑运算、应用功能 位操作执行时间 0.37s 内部标志位256，可保持：EEPROM 中 0112 计数器0256，可保持：256，6 个高速计数器 定时器 可保持：256；4 个定时器，1ms30s 16 个定时器，10ms5min 236 个定时器，100ms54min 接口一个 RS485 通信接口 本机 I/O 数字量输入：14，其中 4 个可用作硬件中断，14 个用于 高速功能 11 数字量输出：10，其中 2 个可用作本机功能， 模拟电位器：2 个 可连接的 I/O 数字量输入/输出：最多 94/74 模拟量输入/输出：最多 28/7（或 14） AS 接口输入/输出：496 最多可接扩展模块7 个 3.3.2 数字量输入模块 数字量输入扩展板 EM221 拥有 8 路 DI。它将从现场传来的外部数字信 号的电平转换为 PLC 内部的信号电平。在输入电路中，一般设有 RC 滤波 电路，是为了消除输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号。 3.3.3 数字量输出模块 数字量输出扩展板 EM222 拥有 8 路 DO。它将 PLC 的内部电平信号转 化为控制过程所需的外部信号，同时具有隔离和功率放大的作用。不管是 直流负载，还是交流负载都能被输出模块的功率放大元件驱动。如：大功 率晶体管、场效应晶体管、双向晶闸管和固态继电器。输出电流典型值为 0.52A，负载电源由外部现场电源提供。 3.3.4 模拟量输入模块 模拟量输入模块 EM231 是将模拟量信号通过 A/D 转换器转换为 CPU 内部能处理用的数字信号。传感器可以不通过变送电路直接连接 EM231， 这样可以省去温度变送器，不但减少了购买硬花费，而且使控制系统的结 构变得更加简单。EM231 每个 EM231 可扩展 4 路模拟量输入通道，A/D 转 换时间为 25s，转换精度为 12 位。 3.3.5 模拟量输出模块 模拟量输出模块 EM232 用于将 CPU 送给的数字信号通过 D/A 转换器 按一定比例转换为标准的电压信号或标准的电流信号，对执行机构进行调 节或控制。EM232 扩展了 2 路模拟量输出通道，它的 D/A 转换时间 100s，转换精度为 12 位。 3.3.6 模拟量输入和输出混合扩展模板 S7-200PLC 的模拟量输入和输出混合扩展模板 EM235 是采用大功率精 密线性的电流互感器、意法半导体集成变送器 ASIC 芯片于一体的新一代交 流隔离变送器模块。每个 EM235 可同时扩展 4 路模拟输入和 1 路模拟量输 出通道，根据不同的开关设置输出的量程和分辨率不同。本次设计采用的 输出信号为 0-10V 电压信号，即 6 个开关依次设置为： OFF、ON、OFF、OFF、OFF 和 ON。 表 3.2 EM235 选择模拟量输出范围和分辨率的开关表 单极性 12 SW1SW2SW3SW4SW5SW6 满量程分辨率 ONOFFOFFONOFFON0-50mV12.5uV OFFONOFFONOFFON0-100mV25 uV ONOFFOFFOFFONON0-500mV125 uV OFFONOFFOFFONON0-1V250 uV ONOFFOFFOFFOFFON0-5V1.25mV ONOFFOFFOFFOFFON0-20mA5uA OFFONOFFOFFOFFON0-10V2.5mV 图 3.2 EM235 实物图 3.4 其他硬件 3.4.1 周波控制器 周波控制器（又名可控硅调功器）可与各种控温仪表、双向可控硅或 反并联可控硅组成先进的温度控制系统。内装控制触发器，可实现可控硅 过零触发、手动控温、接受外来信号控温、加温功率大小指示、关断保护、 故障提示等功能。如图 3.3 所示。 13 图 3.3 周波控制器示意图 周波控制器接受温控仪（或上位机）送来的信号，信号转换电路将这 个输入信号转换成统一的数字量。脉冲宽度调制器根据这个数字量确定可 控硅的“导通率”，根据这个“导通率”再确定一个较小的“相对运行周期”和在 这个周期内可控硅需要导通的时间。周波控制器让可控硅在一个“相对运行 周期”里需要导通的时间导通。过零触发器总是在“需要导通”的时间里，主 电路电压过零时去触发可控硅，达到导通“完整周波”或“完整半个波”的效果 5。本次设计选用南京宁恒科技有限公司生产的 TG-GP3 型周波控制器。 3.4.2 周波控制器的特点 控制可控硅的导通周波，进而控制可控硅在相对运行周期内的导通率。 达到连续调节可控硅负载功率之目的；相对运行周期为不大于 1 秒的变周 期。在相同导通率的情况下，以较短相对运行周期工作；控制分辨率达 1，控制温度时，精度高、温度波动小；手动/自动切换方便， “来电”或切 换到“自动”时有 16 秒钟的软过渡；既有直接驱动大电流可控硅（或可控硅 组）的触发输出端，又有驱动“过零触发固态继电器”（SSR）的输出信号。 可视实际情况选择不同的触发大电流可控硅（或可控硅组）的方式；带有 保护用输入端，以便在主电路可控硅出现温度过高、过载等保护信号到来 时，及时切断控制器的输出信号，阻止主电路大可控硅导通，同时光柱闪 烁报警 6。 3.4.3 温度传感器 温度传感器大致可以分为两大类: 接触式和非接触式。接触式主要有热 电偶和热电阻；非接触式有声学温度传感器、红外传感器和微波传感器等。 它们都是把温度转化为 PLC 或其他控制设备可以使用的标准电压信号或标 准电流信号。这里我们主要介绍热电偶和热电阻。 14 3.4.3.1 热电偶 热电偶是一种常用工业测温器件，它是有源传感器，测量时不需外加电 源，使用十分方便。其工作原理是两种不同成份的导体,两端经处理，形成 回路，直接用于测量端叫工作端（热端） ，接线端子端叫冷端（自由端） ， 当热端和冷端存在温差时，就会在回路里产生热电动势，这种现象称为热 电效应；热电偶回路中热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两 接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定 后，热电动势便是两接点温度 t 和 t0 的函数差也同时确定。 3.4.3.2 热电阻 热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件。热电阻是基于金属导体 的电阻值随温度的增加而增加的特性来进行温度测量的。当电阻值变化时， 二次仪表便显示出电阻值所对应的温度值。它的主要特点是测量精度高， 性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的。 铂电阻的工作原理是，在温度作用下，铂热电阻丝的电阻值随温度变化 而变化，且电阻与温度的关系即分度特性符合 IEC 标准。分度号 Pt100 的 含义为在 0时的名义电阻值为 100，目前使用的一般都是这种铂热电阻。 此外还有 Pt10、Pt200、Pt500 和 Pt1000 等铂热电阻 7。本设计选用 Pt100 铂热电阻作为温度传感器检测元件。本次设计选用由北京赛亿凌科技有限 公司生产的 STT-BP-A1-B6-C500-D1-E3-N2G1/2 型温度传感器。 图 3.4 Pt100 实物图 3.4.3.3 热电阻的接线方式 热电阻的接线方式主要有三种方式：2 线制、3 线制和 4 线制。选用何 种线制是根据所接的二次仪表决定的。PLC 一般为 3 线，每端出两颗线， 一颗接 PLC 输出恒流源，PLC 通过另两颗测量 Pt100 上的电压，也是为了 抵消导线电阻。 15 图 3.5 Pt100 接线图 Pt100 温度传感器的部分分度表如表 3.3 所示: 表 3.3 Pt100 温度传感器的部分分度表 0123456789 温度 电阻值( () ) 0 10 20 30 40 100.00 103.90 107.79 111.67 115.54 100.39 104.29 108.18 112.06 115.93 100.78 104.68 108.57 112.45 116.31 101.17 105.07 108.96 112.83 116.70 101.56 105.46 109.35 113.22 117.08 101.95 105.85 109.73 113.61 117.47 102.34 106.24 110.12 114.00 117.86 102.73 106.63 110.51 114.38 118.24 103.12 107.02 110.90 114.77 118.63 103.51 107.40 111.29 115.15 119.01 50 60 70 80 90 119.40 123.24 127.08 130.90 134.71 119.78 123.63 127.46 131.28 135.09 120.17 124.01 127.84 131.66 135.47 120.55 124.39 128.22 132.04 135.85 120.94 124.78 128.61 132.42 136.23 121.32 125.16 128.99 132.80 136.61 121.71 125.54 129.37 133.18 136.99 122.09 125.93 129.75 133.57 137.37 122.47 126.31 130.13 133.95 137.75 122.86 126.69 130.52 134.33 138.13 100 110 120 130 140 138.51 142.29 146.07 149.83 153.58 138.88 142.67 146.44 150.21 153.96 139.26 143.05 146.82 150.58 154.33 139.64 143.43 147.20 150.96 154.71 140.02 143.80 147.57 151.33 155.08 140.40 144.18 147.95 151.71 155.46 140.78 144.56 148.33 152.08 155.83 141.16 144.94 148.70 152.46 156.20 141.54 145.31 149.08 152.83 156.58 141.91 145.69 149.46 153.21 156.95 150 160 170 157.33 161.05 164.77 157.70 161.43 165.14 158.07 161.80 165.51 158.45 162.17 165.89 158.82 162.54 166.26 159.19 162.91 166.63 159.56 163.29 167.00 159.94 163.66 167.37 160.31 164.03 167.74 160.68 164.40 168.11 16 180 190 168.48 172.17 168.85 172.54 169.22 172.91 169.59 173.28 169.96 173.65 170.33 174.02 170.70 174.38 171.07 174.75 171.43 175.12 171.80 175.49 200 210 220 230 240 175.86 179.53 183.19 186.84 190.47 176.22 179.89 183.55 187.20 190.84 176.59 180.26 183.92 187.56 191.20 176.96 180.63 184.28 187.93 191.56 177.33 180.99 184.65 188.29 191.92 177.69 181.36 185.01 188.66 192.29 178.06 181.72 185.38 189.02 192.65 178.43 182.09 185.74 189.38 193.01 178.79 182.46 186.11 189.75 193.37 179.16 182.82 186.47 190.11 193.74 250 260 270 280 290 194.10 197.71 201.31 204.90 208.48 194.46 198.07 201.67 205.26 208.84 194.82 198.43 202.03 205.62 209.20 195.18 198.79 202.39 205.98 209.56 195.55 199.15 202.75 206.34 209.91 195.91 199.51 203.11 206.70 210.27 196.27 199.87 203.47 207.05 210.63 196.63 200.23 203.83 207.41 210.98 196.99 200.59 204.19 207.77 211.34 197.35 200.95 204.55 208.13 211.70 300 310 320 330 340 212.05 215.61 219.15 222.68 226.21 212.41 215.96 219.51 223.04 226.56 212.76 216.32 219.86 223.39 226.91 213.12 216.67 220.21 223.74 227.26 213.48 217.03 220.57 224.09 227.61 213.83 217.38 220.92 224.45 227.96 214.19 217.74 221.27 224.80 228.31 214.54 218.09 221.63 225.15 228.66 214.90 218.44 221.98 225.50 229.02 215.25 218.80 222.33 225.85 229.37 350 360 370 380 390 229.72 233.21 236.70 240.18 243.64 230.07 233.56 237.05 240.52 243.99 230.42 233.91 237.40 240.87 244.33 230.77 234.26 237.74 241.22 244.68 231.12 234.61 238.09 241.56 245.02 231.47 234.96 238.44 241.91 245.37 231.82 235.31 238.79 242.26 245.71 232.17 235.66 239.13 242.60 246.06 232.52 236.00 239.48 242.95 246.40 232.87 236.35 239.83 243.29 246.75 400 410 420 430 440 247.09 250.53 253.96 257.38 260.78 247.44 250.88 254.30 257.72 261.12 247.78 251.22 254.65 258.06 261.46 248.13 251.56 254.99 258.40 261.80 248.47 251.91 255.33 258.74 262.14 248.81 252.25 255.67 259.08 262.48 249.16 252.59 256.01 259.42 262.82 249.50 252.93 256.35 259.76 263.16 245.85 253.28 256.70 260.10 263.50 250.19 253.62 257.04 260.44 263.84 450 460 470 480 490 264.18 267.56 270.93 274.29 277.64 264.52 267.90 271.27 274.63 277.98 264.86 268.24 271.61 274.96 278.31 265.20 268.57 271.94 275.30 278.64 265.53 268.91 272.28 275.63 278.98 265.87 269.25 272.61 275.97 279.31 266.21 269.59 272.95 276.30 279.64 266.55 269.92 273.29 276.64 279.98 266.89 270.26 273.62 276.97 280.31 267.22 270.60 273.96 277.31 280.64 3.4.4 电加热炉 本系统使用实验室的电加热器模拟工业上使用的电加热炉。实验室使用 的电加热器的功率大约为 50W，工作电源为 220V 交流电。要求的温度控 17 制范围是 0100。温度控制的精度是正负 1。其实物图如图 3.6 所示： 图 3.6 电加热器实物图 3.5 硬件接线图 PLC 的硬件接线如图 3.7 所示： 18 图 3.7 PLC 的硬件接线图 EM235 的接线如图 3.8 所示： 图 3.8 EM235 的接线图 3.6 本章小结 19 本章详细介绍了温度控制系统的硬件系统设计，主要包括整个系统的选型 与电气接线图的设计，以及PLC的整体配置，给出了详细的端子接线图。 20 4 软件设计 4.1 PLC 控制软件设计 4.1.1 STEP7 编程软件简介 STEP 7-MicroWIN 编程软件是一个用于西门子 PLC 的编程和组态的标 准软件包。STEP 7 标准软件包中提供一系列的应用工具，如：SIMATIC 管 理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态和网络组态等。STEP7 编程软件可以对硬件和网络实现组态，具有简单、直观、修改方便等特点。 利用 STEP 7-MicroWIN 可以方便快捷地创建一个自动化解决方法。 用于 S7-200 的编程语言有：梯形图(LAD)、语句表(STL)和功能块(FBD)。 梯形图是 STEP 7 编程语言的图形表达方式。它的指令语法是从继电器梯形 逻辑图衍生出来的。当有信号通过各个触点的复合元件以及输出的线圈时， 梯形图就可以追踪到信号在电源示意线之间的流动情况。语句表是 STEP 7 编程语言的文本表达方式，与机器码非常相似，这样就能直观地显示 CPU 执行程序的过程，它是按每一条指令一步一步地执行的。功能块是 STEP 7 编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达各元件 之间的逻辑。 除此之外，STEP 7 编程软件允许用户使用结构化程序，通过这种方式 可以将程序分解为单个的自成体系的子程序部分。从而使大规模的程序变 得更容易理解，而且还可以对单个的子程序部分进行标准化，简化了程序 组织，使程序更容易修改和系统的调试更简便8。 21 图 4.1 STEP 7-MicroWIN 编程界面 4.1.2 PLC 程序设计流程图 图 4.2 主程序 系统参数复位 调用 PID 初始化子程序 调用中断服务程序 运行 PLC 22 图 4.3 子程序 0 图 4.4 中断服务程序 4.1.3 PID 控制程序设计 4.1.3.1 PID 控制算法 图 4.5 PID 控制框图 如图 4.5 所示，PID 调节器的输出改变，就能是系统的输出达到稳 定状态。系统的输入 r(t)、输出 c(t)和偏差 e(t)的关系如下: 设定 PID 值 设定定时中断时间 100ms 返回 设定温度 把测出温度值存入 VD100 调用 PID 指令 输出 PID 值 读入温度并转换 23 e(t)=r(t)-c(t) (4-1) 由于温度控制本身有一定的滞后性和惯性,这使系统控制出现误差。 为了减小误差提高系统控制精度。另外考虑到系统的控制对象,我们采 用位置型 PID 算法。经离散后，控制器的输出为： （4-2） 式中，积分项是包括第一采样周期到当前周期的所有偏差的积累值。 计算中，我们不必保留采样周期的偏差项，只要保留积分项前值9。 4.1.3.2 PID 控制器的参数整定 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的主要任务。它是根据被控 过程的特性，确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控制器参数整定的方法很多种,概括起来有如下两大类： 理论计算整定法。 它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。 通过这种方法所得到的只是理论上的数据不一定可能被系统直接使 用,还必须通过实际工程进行调整和进一步的完善。 工程整定法。 这主要取决于实际工程的经验，其参数是直接从测试控制系统 中获得的，其方法相对简单，容易掌握，这种方法在实际工程中得 到了广泛的应用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比 例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点，临界比例法 适用于具有自平衡型的被控对象，且需要系统闭环运行；反应曲线 法不需要系统闭环运行，只需要在开环状态下测定系统的阶跃响应 曲线；衰减法需要系统闭环运行，抗干扰能力较强。其共同点都是 通过试验获得相关参数，然后按照相应工程经验公式对控制器参数 进行整定。但无论从哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实 际运行中进行最后的调整与完善。 现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参 数的整定方法。步骤如下： a)选择一个合适的采样周期 T0，控制器选择纯比例控制; 24 b)渐渐改变比例系数,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振 荡,记下这时的比例放大系数 Kr 和临界振荡周期 Tr； c)选择控制度 Q。在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数10。 表 4.1 临界比例法确定采样周期和控制器参数 控制度 Q控制规律 T/TrKp/KrTi/TrTd/Tr PI0.030.530.88- 1.05 PID0.0140.630.490.14 PI0.050.490.91- 1.20 PID0.0430.470.470.16 PI0.140.420.99- 1.50 PID0.090.340.430.20 PI0.220.361.05- 2.00 PID0.160.270.400.22 根据反复的调试，一组调试结果比较好的 PID 参数是 P=16，I=2.0，D=0.5。 4.1.3.3 PID 回路指令 S7-200PLC 使用的 PID 回路指令，如表 4.2 所示： 表 4.2 PID 回路指令 名称PID 运算 指令格式 PID 指令表格式PID TBL，LOOP 梯形图 在 PID 指令中，每个 PID 回路指令都会被分配一个 32 个字节储存空间， 其中 PID 指令中还有两个操作数 TBL 和 LOOP，TBL 是表示当前储存空间 的起始地址，LOOP 表示 PID 回路号，s7-200PLC 的 CPU224 只能搭载 8 个 PID 回路，可用 0-7 表示。本次设计是选用的 TBL 为 VB100 和 LOOP 为 011。 25 表 4.3 PID 指令回