毕业设计（论文）-立推式加热炉温度自动控制.doc

XX 大 学本科生毕业论文(设计)题 目 立推式加热炉温度自动控制 学生姓名 X X X 指导老师 X X 学 院 电 气 工 程 专业班级 电气自动化一班 完成时间 2 0 1 6 年 6 月 摘 要随着控制技术的发展和工厂自动化程度的提高，由于PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点，PLC广泛应用于各个领域。在铝加工的热轧生产过程中，立推式加热炉是该生产线的关键设备，电加热炉的性能优劣决定了产品热处理的质量好坏。本论文根据立推式电加热炉温控控制要求，以加热炉为被控对象，以加热炉炉膛炉气温度为主被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成加热炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现加热炉温度的自动控制。该立推式加热炉温度控制系统由可编程控制器、温度传感器、PID、工控机等构成。 本文分别就电加热炉的控制系统工作原理，温度传感器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过技术设计改造电加热炉的控制系统，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：电加热炉的控制系统 温度控制 PLC PID ABSTRACTWith the development of control technology and improvement of factory automation, because the PLC has strong commonality, easy to use, adaptation of wide, high reliability, strong anti-interference ability, simple programming and so on, PLC is widely applied in various fields. In the hot rolling process of aluminum processing, pusher heating furnace is the key to the production line equipment, electric furnace performance determines the quality of the products of heat treatment.In this paper according to the control requirements, set push type electric heating furnace temperature control in heating furnace for controlled object, give priority to with heating furnace hearth furnace temperature was accused of parameters, with heating resistance wire voltage as control parameter, PLC as the controller, a heating furnace temperature cascade control system; The PID algorithm, using PLC ladder diagram programming language programming, the automatic control of furnace temperature is realized. The vertical furnace temperature control system by programmable controller, temperature sensor, PID, industrial control, etc. This paper is electric heating furnace control system working principle of temperature sensor selection, configuration of PLC and configuration software program design and so on. Through technical modification of electric heating furnace control system design, has quick response, good stability, high reliability, good control precision, has practical significance in industrial control.Key words: The control system of electric heating furnace temperature control PLC PID目 录中文摘要 ABSTRACT 第1章 绪论 51.1课题提出51.2国内外研究现状61.3项目研究内容 6第2章 PLC和组态软件基础 82.1可编程控制器基础 82.1.1可编程控制器的产生和应用92.1.2可编程控制器的组成和工作原理92.1.3可编程控制器的分类及特点102.2组态软件的基础112.2.1组态的定义 112.2.2组态王软件的特点 112.2.3组态王软件仿真的基本方法12第3章 PLC控制系统的硬件设计 133.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 133.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 133.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤 133.1.3 PLC程序设计的一般步骤143.2 PLC的选型和硬件配置143.2.1 PLC型号的选择 143.2.2 S7-300CPU的选择153.2.3 SM331模拟量输入 153.2.4 热电式传感器 153.2.5 可控硅加热装置简介163.3 系统整体设计方案和电气连接图163.4 PLC控制器的设计 173.4.1 控制系统数学模型的建立 173.4.2 PID控制及参数整定 17第4章 软件设计 194.1 STEP7编程软件简介 19 4.1.1 STEP7概述 19 4.1.2 STEP7的硬件接口 19 4.1.3 STEP7的编程功能 19 4.1.4 STEP7的硬件组态与诊断功能 204.2 STEP7项目的创建 214.2.1使用向导创建项目 214.2.2直接创建项目 214.2.3硬件组态与参数设置 224.3用变量表调试程序 244.3.1系统调试的基本步骤 244.3.2变量表的基本功能 244.3.3变量表的生成 254.3.4变量表的使用 26 4.4 S7-300的编程语言 27 4.4.1 PLC编程语言的国际标准 27 4.4.2 STEP7中的编程技术 29第5章 结论 31第6章 致谢 32参考文献 325第一章 绪论1.1 课题的提出近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金机械热能等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉退火炉、燃气锅炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，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。PLC的快速发展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。4 PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期ts、比例系数 Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。5通过本设计可以熟悉并掌握西门子S7-300PLC的原理与功能以及它的编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产中温度控制的问题。1.2 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的发展迅速，并在智能化，自适应、参数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。它们主要有以下特点：1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。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）能适用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、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。5）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。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、智能化、小型化等方向发展。随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，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年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。 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。1.3 项目研究内容以电加热炉为被控对象，以炉膛炉气温度为主被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现电加热炉温度的自动控制。可编程逻辑控制器（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，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC技术在温度监控系统上的应用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。论文通过对德国西门子公司的S7-300系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为0-10mA的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率。对于监控画面，利用亚控公司的组态软件“组态王” 7第二章 PLC和组态软件基础2.1可编程控制器基础2.1.1可编程控制器的产生和应用1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。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。2.1.2可编程控制器的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。1CPUCPU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.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）。6 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 2-1 可编程控制器运行框图2.1.3可编程控制器的分类及特点(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2.2组态软件的基础2.2.1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。2.2.2组态王软件的特点 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8。2.2.3组态王软件仿真的基本方法(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）运行和调试第三章 PLC控制系统的硬件设计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。3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则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。3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤 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。3.1.3 PLC程序设计的一般步骤1绘制系统的功能图。2设计梯形图程序。3根据梯形图编写指令表程序。4对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。PLC控制系统的设计步骤可参考图 3-1 ： 图 3-1 PLC控制系统的设计步骤3.2 PLC的选型和硬件配置3.2.1 PLC型号的选择本温度控制系统采用德国西门子S7-300 PLC（CPU315-2DP）。S7-300 是一种中型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-300系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-300系列具有极高的性能/价格比，使用领域广泛。3.2.2 S7-300 CPU的选择S7-300 系列的PLC有CPU312、CPU314、CPU315-2DP等类型。此系统选用的S7-300 CPU315-2DP,CPU315-2DP是一个带有大中型程序存储器和 PROFIBUS DP 主/从接口的 CPU。除了集中式 I/O 结构外，它还可用于分布式自动化结构。它在 SIMATIC S7-300 中经常被用作标准 PROFIBUS DP 主站。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。3.2.3 SM331 模拟量输入模块在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成4-20mA的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里我们选择西门子的SM331 模拟量输入模块。SM331模块中4 个通道组中 8 点输入在每个通道组，测量类型可编程（电压、电流、电阻、温度），可为 2 个通道设定限值监视。用户必须用DIP开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向：SW1SW3用于选择热电偶的类型，SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量方向，SW8用于选择是否进行冷端补偿。所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。3.2.4 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。P100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摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长3。3.2.5 可控硅加热装置简介对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉采用带PID调节的数字式温度显示调节仪显示和调节温度，输出010mA作为直流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。温度测量与控制是热电偶采集信号通过PID温度调节器测量和输出010mA或420mA控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护RC和电阻炉的加热元件等部分组成。3.3 系统整体设计方案和电气连接图系统选用了PLC CPU 226为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转化为电流信号，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010mA的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，从而调节电热丝的加热。PLC和组态王连接，实现了系统的实时监控。整体设计方案如图3-3:SM331 电加热 炉PT100 P L C计算机TP27 可控硅图3-3 整体设计方案TT1 24V 系统硬件连线图如图 3-4:RA A+ A- RB B+ B- RC C+ C- RD D+ D- SM331/SM321 输入M 1L+ Q0.0-Q0.7 2M 2L+ Q1.0-Q1.7 M L +DC CPU 315-2DP COM1 COM2 输出 MO VO IOM L+ 1M I0.0 - I1.4 2M I1.5-I2.7 M L+电源 负 载 载 图 3-4 系统硬件连线图3.4 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。3.4.1 控制系统数学模型的建立 在本控制系统中，TT1(出口温度传感器)将检测到的炉膛炉气温度信号转化为电流信号送入SM331模块。模拟信号经过SM331转化为数字信号送入PLC，PLC再通过PID模块进行PID调节控制。由PLC的串级控制系统框图如图 3-5： 炉膛炉气温度主调节器可控硅主变送器如图3-5 串级控制系统框图 3.4.2 PID控制及参数整定 1.PID控制器的组成PID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： 公式（3-1）(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。c偏大，振荡次数加多，调节时间加长。c太大时，系统会趋于不稳定。c太小，又会使系统的动作缓慢。c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c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c的符号就一定要取反。 Error! No bookmark name given.(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。 Error! No bookmark name given.(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.采样周期的分析确定采样周期时，应保证被控量迅速变化时，能用足够多的采样点，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。 经过上述的分析，该温度控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器的参数整定。常用的整定方法可归纳为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。 理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，经过理论的计算（微分方程、根轨迹、频率法等），求得最佳的整定参数。这类方法比较复杂，工作量大，而且用于分析法或实验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动态特征，整定的结果精度不是很高，因此未在工程上受到广泛的应用。 对于工程整定法，工程人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所学的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛的应用常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法整定控制器的参数值。整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。（1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。（2）整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。（3）整定微分环节若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。 第四章 软件设计4.1 STEP7编程软件简介4.1.1 STEP7概述STEP7编程软件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。4.1.2 STEP7的硬件接口PC/MPI适配器用于连接安装了STEP 7的计算机的RS-232C接口和PLC的MPI接口。计算机一侧的通信速率为19.2 kbit/s或38.4 kbit/s，PLC一侧的通信速率为19.2 kbit/s1.5Mbit/s。除了PC适配器，还需要一根标准的RS-232C通信电缆。使用计算机的通信卡CP 5611、CP 5511或CP 5512，可以将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络，通过网络实现计算机与PLC的通信。也可以使用计算机的工业以太网通信卡CP 1512或CP 1612，通过工业以太网实现计算机与PLC通信。在计算机上安装好STEP7后，在管理器中执行菜单命令“Option”“Setting the PG/PC Interface”,打开“Install/Remove Interfaces”对话框。在中间的选择框中，选择实际使用的硬件接口。点击【Select】按钮，打开“Install/Remove Interfaces”对话框，可以安装选择框中没有列出的硬件接口的驱动程序。点击【Properties】按钮，可以设置计算机与PLC通信的参数。4.1.3 STEP7的编程功能STEP7的标准版只配置了3种基本的编程语言，梯形图（LAD）、功能块图（FDB）和语句表（STL），有鼠标拖放、复制和粘贴功能。语句表是一种文本编程语言，使用户能节省输入时间和存储区域，并且“更接近硬件”。STEP 7专业版的编程语言包括S7-SCL（结构化控制语言）、S7-GRAPH（顺序功能图语言）、S7 HiGraph和CFC，这四种语言对于标准版是可选的。STEP 7用符号表编辑器工具管理所有的全局变量，用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。使用这一工具生成的符号表可供所有应用程序使用，所有工具自动识别系统参数的变化。测试功能和服务功能包括设置断点、强制输入和输出、重新布线、显示交叉参考表、状态功能、直接下载和调试块、同时监测几个块的状态等。程序中的特殊点可以通过输入符号名或地址快速查找STEP7的帮助功能：选定想要得到的在线帮助的菜单目录，或打开对话框，按F1键便可得到与它们有关的在线帮助。执行菜单命令“Help”“Contents”进入帮助窗口，借助目录浏览器寻找需要的帮助主题，窗口中的检索部分提供了按字母顺序排列的主题关键词，可以查找与某一关键词有关的帮助。4.1.4 STEP7的硬件组态与诊断功能硬件组态工具用于对自动化工程中使用的硬件进行配置和参数设置。主要包括：（1）系统组态：从目录中选择硬件机架，并将所选模块分配给机架中希望的插槽。（2）CPU的参数设置：可以设置CPU模块的多种属性，例如启动属性、扫描监视时间等，输入的数据存储在CPU的系统数据块中。（3）模块的参数设置：用户可以在屏幕上定义所有硬件模块的的可调整参数，包括功能模块与通信处理器，不必通过DIP开关来设置。在参数设置屏幕中，有的参数由系统提供若干个选项，有的参数只能在允许的范围输入，因此可以防止输入错误的数据。通信的组态包括：（1）连接的组态和显示。（2）设置用MPI或PROFIBUS-DP连接的设备之间的周期性数据传送的参数，选择通信的参与者，在表中输入数据源和数据目的地后，通信过程中数据的生成和传送均是自动完成的。（3）设置用MPI、PROFIBUS或工业以太网实现的事件驱动的数据传输，包括定义通信链路。从集成块库中选择通信模块（CFB），用通用的编程语言（例如梯形图）对所选的通信模块进行参数设置。STEP7系统诊断：系统诊断为用户提供自动化系统的状态，可以通过2种方式显示；（1）快速浏览CPU的数据和用户编写的程序在运行中的故障原因。（2）用显示模块的一般信息和模块的图形方式显示硬件配置，例如状态：显示模块故障，例如集中I/O和DP子站的通道故障；显示诊断缓冲区的信息等。4.2 STEP7项目的创建在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便的浏览SIMATIC S7、C7、和WinAC的数据。因此，掌握项目创建的方法就非常重要。4.2.1使用向导创建项目首先双击桌面上的STEP7图标，进入SIMATIC Manager窗口，进入主菜单【File】，选择【New Project Wizard】,弹出标题为“STEP 7 Wizard：New Project”(新项目向导)的小窗口。点击【NEXT】按钮，在新项目中选择CPU模块的型号为CPU 315-2DP。点击【NEXT】按钮，选择需要生成的逻辑块，至少需要生成作为主程序的组织块OB1。点击【NEXT】按钮，输入项目的名称，按【Finish】生成的项目。生成项目后，可以先组态硬件，然后生成软件程序。也可以在没有组态硬件的情况下，首先生成软件。4.2.2直接创建项目进入主菜单【File】，选择【New】,出现一个对话框，在该对话框中分别输入“文件名”、“目录路径”等内容，并确定，完成一个空项目的创建工作。4.2.3硬件组态与参数设置4.2.3.1 硬件的组态硬件组态的任务就是在STEP 7种生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统，例如要生成网络、网络中各个站的导轨和模块，以及设置各硬件组成部分的参数，即给参数赋值。所有模块的参数都是用编程软件来设置的，完全取消了过去用来设置参数的硬件DIP开关。硬件组态确定了PLC输入/输出变量的地址，为设计用户程序打下了基础。组态时设置的CPU的参数保存在系统数据块SDB中，其他模块的参数保存在CPU中 。在PLC启动时CPU自动的向其他模块传送设置的参数，因此在更换CPU之外的模块后不需要重新对它们赋值。PLC在启动时，将STEP 7中生成的硬件设置与实际的硬件配置进行比较，如果二者不符，将立即产生错误报告。4.2.3.2 硬件组态的步骤（1）生成站，双击Hardware图标，进入硬件组态窗口；（2）生成导轨，在导轨中放置模块；（3）双击模块，在打开的对话框中设置模块的参数，包括模块的属性和DP主站、从站的参数；（4）保存编译硬件设置，并将它下载到PLC中去。如图4.3所示为本设计的组态。4.2.3.3 参数设置（1）CPU模块的参数设置S7-300各种模块的参数用STEP7编程软件来设置。在STEP7的的SIMATIC管理器中点击“Hardware”(硬件)图标，进入“HW Config”(硬件组态)画面后，双击CPU模块所在的行，在弹出的“Properties”(属性)窗口中点击某一选项卡，便可也设置相应的属性。下面以S7 315-2DP为例，简绍CPU主要参数的设置方法。用鼠标点击某小正方形的检查框，框中出现一个“”，表示选中了该选项，再点击一下，“”消失，表示没有选中该选项，该选项被禁止。“Setup”（启动）选项卡用于设置启动特性，S7-300只能执行暖启动（warm restart）