毕业设计（论文）-基于s7-200一拖四恒温系统.doc

沈阳理工大学学士学位论文I摘 要温度控制的模式多样，而PLC可靠性高，抗干扰能力强，易学易用，采用PLC控制是其中一种比较优越的控制。本文介绍了基于西门子可编程控制器(PLC)S7-200 一拖四的液温监控系统的设计方案。硬件方面采用了 CPU 型号为 224 的 S7-200 、K 型热电偶和温度模块 EM231。热电阻作为温度的采集元件，采集的信号经过 EM231 的处理后就可把数据送入 PLC 中进行处理。PLC 的程序中采用了位置式 PID 算法，运用了粗调和细调的思想，程序在不同的温度段使用不同的 PID 参数，实现温度的自动控制。本系统采用一拖四方案，一台变频器控制四台水泵，根据温度设定采用“先启先停”的原则。软件方面分别用 CAD 画出电路连接图和 STEP 7 Micro/WIN32 画出梯形图。实验结果表明，采用了粗调和细调思想的程序的PLC系统，具有反应速度快，超调量小，调节迅速，精度高等特点。关键词： 温度控制；可编程控制器；PID沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractThe mode of temperature control is various. The PLC has high reliability, strong anti-interference ability, easy to learn and easy to use, adopting PLC control is one of the more superior control.Introduced in this paper, based on the Siemens programmable controller (PLC) S7-200 yituo four liquid temperature control system design scheme. Hardware CPU model is adopted for 224 S7-200 and K type thermocouple module EM231 and temperature. Thermal resistor as temperature gathering element, signal acquisition after EM231 processing can be sent to PLC for processing the data. Position type PID algorithm is adopted in the PLC program, based on the idea of the coarse and fine tune the program segment using different PID parameters in different temperature, to realize the automatic control of temperature. Yituo four scheme is applied in this system, a frequency converter to control four pumps, according to the temperature set based on the principle of inception to stop. Software aspects respectively use CAD draw a circuit connection diagram and STEP 7 Micro/WIN32 draw the ladder diagram. Experimental results show that the idea of the coarse and fine tune the program of PLC system, and has quick response speed, overshoot small and adjust quickly, high accuracy etc.Keywords：Temperature Control；PLC；PID沈阳理工大学学士学位论文III目 录第第 1 章章 引引 言言 I1.1 课题研究背景31.2 PLC 与其他控制系统的比较1第第 2 章章 可编程控制器的概述可编程控制器的概述42.1 可编程控制器的产生42.2 可编程控制器的基本组成4第第 3 章章 硬件配置和软件环境硬件配置和软件环境73.1 硬件配置73.1.1 西门子 S7-20073.1.2 传感器73.2 STEP 7 MICRO/WIN32 软件介绍93.2.1 安装 STEP 7-MWIN32 V4.093.2.2 系统参数设置11第第 4 章章 控制算法描述控制算法描述124.1 DO 输出 4-20MA 电流124.2 PID 控制程序设计124.2.1 PID 控制算法134.2.2 PID 在 PLC 中的回路指令 144.2.3 PID 参数整定17第第 5 章章 系统设计系统设计195.1 概述195.2 总体方案设计错误！未定义书签。错误！未定义书签。5.3 硬件设计错误！未定义书签。错误！未定义书签。5.4 森兰 BT12S 系列变频器错误！未定义书签。错误！未定义书签。5.5 变频器速度给定方法错误！未定义书签。错误！未定义书签。5.6 变频循环泵电气原理305.7控制系统305.8 软件设计32第第 6 章章 结结 论论35参考文献参考文献36致致 谢谢37沈阳理工大学学士学位论文IV附附 录录38沈阳理工大学学士学位论文1第 1 章 前 言1.1 课题研究背景温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等1。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC 已在工业控制的各个领域中被广泛地使用2。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作变频器。目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS） 。但就其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的 PID 控制。PID 结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型3。PID 的使用已经有 60 多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。1.2 PLC 与其他控制系统的比较温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于 PLC 的温沈阳理工大学学士学位论文2度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS） ，现场总线控制系统（FCS）等。单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的 4 位机发展到 32 位机，其性能进一步得到改善5。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。PLC 是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。PLC 可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用6。相对于 IPC，DCS，FSC 等系统而言，PLC 是具有成本上的优势。因此，PLC 占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。工控机（IPC）即工业用个人计算机。IPC 的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电磁辐射。过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。影响燃烧的因素十分复杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的 PID 为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离 PID，选择性 PID。参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的7。在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的监控品质，提高了平均热效率。但如果单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。DCS 的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统 DCS 的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。基本DCS 的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率8。但 DCS 在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致 DCS 成本太高。现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网沈阳理工大学学士学位论文3络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基于总线控制系统（FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点，FCS 系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而且它可以对现场装置(含变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的9。但是，FCS 还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，另一方面， 目前现场总线的国际标准共有 12 种之多，这给 FSC 的广泛应用添加了很大的阻力。各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。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有着较大差距。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，还没有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现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，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，并在各行业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展10。沈阳理工大学学士学位论文4第 2 章 可编程控制器的概述2.1 可编程控制器的产生可编程控制器是一种工业控制计算机，英文全称： Programmable Controller，为了和个人计算机 (PC)区分，一般称其为 PLC。可编程控制器 (PLC)是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域。20 世纪 60 年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大，未能在工业领域中获得推广。1968 年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备十大条件，立即引起了开发热潮。1969 年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。1971 年日本开始生产可编程控制器，而欧洲是 1973 开始的。如今，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器11。可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代，见表 1-1。 表 1-1 可编程控制器功能表代次器件功能第一代1 位处理器逻辑控制功能第二代8 位处理器及存储器产品系列化第三代高性能 8 位微处理器及位片式微处理器处理速度提高，向多功能及联网通信发展第四代16 位、32 位微处理器及高性能位片式微处理器逻辑、运动、数据处理、联网功能的多功能2.2 可编程控制器的基本组成PLC 从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。整体式 PLC 一般由 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存和电源组成。模块式 PLC 一般由 CPU 模块、I/O 模块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。本论文实物采用的是模块式的 PLC，不管哪种沈阳理工大学学士学位论文5PLC，都是属于总线式的开发结构，其构成如图 2-1 所示12。图 2-1 PLC 的组成 1) CPU（中央处理器）和一般的微机一样，CPU 是微机 PLC 的核心，主要由运算器、控制器、寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。CPU 在很大程度上决定了 PLC 的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量。CPU 控制着 PLC 工作，通过读取、解释指令，指导 PLC 有条不紊的工作。2) 存储器 存储器（内存）主要用语存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成部分。PLC 中的存储器一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序一般由厂家编写的，用户不能修改；而用户程序是随 PLC 的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。3) 输入输出模块 输入模块和输出模块通常称为 I/O 模块或 I/O 单元。PLC 提供了各种工作电平、连接形式和驱动能力的 I/O 模块，有各种功能的 I/O 模块供拥护选用。按 I/O 点数确定模块的规格和数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 PLC 所能管理的配置能力，即底版的限制。 PLC 还提供了各种各样的特殊的 I/O 模块，如热电阻、热电偶、高速计算器、位置控制、以太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打印机等专用型或智能型模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。智能接口模块是一独立的计算机系统，沈阳理工大学学士学位论文6它有自己的 CPU、系统程序、存储器及与 PLC 系统总线相连接的接口。4) 编程装置编程器作用是将用户编写的程序下载至 PLC 的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示 PLC 状态、内部器件及系统的参数等。常见的编程器有简易手持编程器、智能图形编程器和基于 PC 的专用编程软件。目前 PLC 制造厂家大都开发了计算机辅助 PLC 编程支持软件，当个人计算机安装了 PLC 编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和 PLC 之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控 PLC 运行状态等。 5）电源 PLC 的电源将外部供给的交流电转换成供 CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC 的能源供给中心。PLC 大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多 PLC 电源还可向外部提供直流 24V 稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。沈阳理工大学学士学位论文7第 3 章 硬件配置和软件环境3.1 硬件配置3.1.1 西门子 S7-200S7-200 系列 PLC 可提供 4 种不同的基本单元和 6 种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。本论文采用的是 CUP224。它具有 24 个输入点和 16 个输出点。S7-200 系列的基本单元如表 3-1 所示13。表 3-1 S7-200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本单元型 号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221640S7-200CPU222862 个扩展模块S7-200CPU22414107 个扩展模块S7-200CPU224XP14107 个扩展模块S7-200CPU22624167 个扩展模块3.1.2 传感器热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从 1988 年 1 月 1 日起，热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准生产，并指定 S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。本论文才用的是 K 型热电阻14。沈阳理工大学学士学位论文83.1.3 EM231 模拟量输入模块传感器检测到温度转换成 041mv 的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入 PLC 中进行处理。在这里，我们选用了西门子 EM231 4TC 模拟量输入模块。EM231 热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T 和 R 型，它也允许连接微小的模拟量信号(80mV 范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM231 模块需要用户通过 DIP 开关进行选择的有：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，用户可以很方便地通过位于模块下部的组态 DIP开关进行以上选择，如图 3-2 所示。本设计采用的是 K 型热电偶，结合其他的需要，我们设置 DIP 开关为 00100000。对于 EM231 4TC 模块，SW1SW3 用于选择热电偶类型，见表 3-3 。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 用于选择测量单位，SW8 用于选择是否进行冷端补偿，见表 3-415。为了使 DIP 开关设置起作用，用户需要给 PLC 的电源断电再通电。图 3-2 EM231 模块 DIP 开关表 3-3 热电偶类型选择热电偶类型SWISW2SW3J（默认）000K001T010E011R100S101沈阳理工大学学士学位论文9N110+/-80mv111表 3-4 热电偶其他设置DIP 开关功能开/关状态正向标定0SW5熔断方向负定方向1启动断线测量电流0SW6断线禁止断线测量电流1摄氏0SW7测量单位华氏1冷端补偿启用0SW8冷端启用冷端补偿禁止13.2 STEP 7 Micro/WIN32 软件介绍 STEP 7-MWIN32 编程软件是基于 Windows 的应用软件，是西门子公司专门为SIMTIC S7-200 系列 PLC 设计开发的。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机功能。用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状态，该软件是 SIMATIC S7-200 拥护不可缺少的开发工具3.2.1 安装 STEP 7-MWIN32 V4.0在开始安装的时候是选择语言界面，对于版本 4.0 来说，这时候没有选择中文的，但可以先选择其他语言，见图 3-5。等软件安装好之后再进行语言的切换。图 3-5 语言选择界面沈阳理工大学学士学位论文10在安装的最后，会出现一个界面，按照硬件的配置，我们需要用 232 通信电缆，采用 PPI 的通信方式，所以要选择 PPI/PC Cable(PPI)，这个时候在弹出来的窗口中选择端口地址，通信模式，一般选择默认就可以了，见图 3-6。图 3-6 通信设置界面 如果想改变编程界面的语言，可在软件的主界面的工具栏中选择 tools 目录下选择option 选项，在出现的界面中选择 general,然后在右下角就可以选择中文了。见图 3-7 所示。沈阳理工大学学士学位论文11图 3-7 语言重设界面3.2.2 系统参数设置系统块用来设置 S7-200 CPU 的系统选项和参数等。系统块更改后需要下载到 CPU中，新的设置才能生效。系统块的设置如下，需要注意的是，PLC 的地址默认是 2，但本设计中需要用到的地址是 1，如图 3-8。通信端口的设置，同样的，我们用到的地址是 1，如图 3-9 所示。沈阳理工大学学士学位论文12图 3-8 “系统块对话框”图 3-9 通信端口设置第 4 章 控制算法描述4.1 DO 输出 4-20MA数字量输出 4-20mA 电流。工业控制中，要对这些模拟量进行采集并送给 PLC的 CPU，必须先对这些模拟量进行模/数（A/D）转换。模拟量输入模块就是用来将模沈阳理工大学学士学位论文13拟信号转换成 PLC 所能接受的数字信号的。一般先用现场信号变送器把它们转换成统一的标准信号（如 420mA 的直流电流信号，15V 的直流电压信号等） 。然后再送入模拟量输入模块模拟量信号转换成数字量信号，以便 PLC 的 CPU 进行处理。模拟量输入模块（EM231）具有 4 个模拟量输入通道。每个通道占有存储器 AI 区域 2 个字节。该模块模拟量的输入值为只读数据。电压输入范围：单极性010V，05V；双极性-5+5V,-2.5+2.5V，电流输入范围：020mA。模拟量到数字量的最大转换时间为 250s。该模块需要 24V 直流供电。可由 CPU 模块的传感器电源DC24V/400mA 供电，也可由用户提供外部电源。4.2 PID 控制程序设计模拟量闭环控制较好的方法之一是 PID 控制，PID 在工业领域的应用已经有 60 多年，现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID 的研究已经到达一个比较高的程度。比例控制(P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。在积分控制(I)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。在微分控制(D)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。微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势。避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。PID 控制，P、I、D 各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取 PID 值，就可以获得较高的控制质量17。沈阳理工大学学士学位论文144.2.1 PID 控制算法图 4-1 带 PID 控制器的闭控制系统框图 如图 4-1 所示，PID 控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差e和输入量 r、输出量 c 的关系: (4.2) c(t)-r(t)=e(t) 控制器的输出为 : (4.3)tdiPdttdeTdtteTteKtu0)()(1)()(上式中, PID 回路的输出;)(tu 比例系数 P;Kp 积分系数 I; iT 微分系数 D;dTPID 调节器的传输函数为： (4.4)STSTKSESUSDdiP11)()()(数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。其离散化的规律如表 4-5 所示：沈阳理工大学学士学位论文15表 4-5 模拟与离散形式模拟形式离散化形式)()()(tctrte)()()(ncnrnedTtde )(Tnene) 1()(tdtte0)(niniieTTie00)()(所以 PID 输出经过离散化后，它的输出方程为: (4.6)000)()()() 1()()()()(unununuuneneTTieTTneKnudiPnidiP式 4.8 中， 称为比例项；)()(neKnuPP 称为积分项； niipiieTTKnu0)()( 称为微分项；) 1()()(neneTTKnudpd上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积nie1i)(值。计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。故可利用 PLC 中的 PID 指令实现位置式 PID 控制算法量18。4.2.2 PID 在 PLC 中的回路指令现在很多 PLC 已经具备了 PID 功能，STEP 7 Micro/WIN 就是其中之一有的是专用模块，有些是指令形式。西门子 S7-200 系列 PLC 中使用的是 PID 回路指令。见表 4-7。沈阳理工大学学士学位论文16表 4-7 PID 回路指令名称PID 运算指令格式PID指令表格式PID TBL，LOOP梯形图使用方法：当 EN 端口执行条件存在时候，就可进行 PID 运算。指令的两个操作数 TBL 和 LOOP，TBL 是回路表的起始地址，本文采用的是 VB100，因为一个 PID 回路占用了 32 个字节，所以 VD100 到 VD132 都被占用了。LOOP 是回路号，可以是07，不可以重复使用。PID 回路在 PLC 中的地址分配情况如表 4-8 所示。表 4-8 PID 指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程变量（PVn）实数必须在 0.01.0 之间4给定值（SPn）实数必须在 0.01.0 之间8输出值（Mn）实数必须在 0.01.0 之间12增益（Kc）实数比例常数，可正可负16采样时间（Ts）实数单位为 s，必须是正数20采样时间（Ti）实数单位为 min，必须是正数24微分时间（Td）实数单位为 min，必须是正数28积分项前值（MX）实数必须在 0.01.0 之间32过程变量前值（PVn-1）实数必须在 0.01.0 之间1)回路输入输出变量的数值转换方法 本文中，设定的温度是给定值 SP，需要控制的变量是炉子的温度。但它不完全是过程变量 PV，过程变量 PV 和 PID 回路输出有关。在本文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。温度输入变量的数 10 倍据转化。传感器输入的沈阳理工大学学士学位论文17电压信号经过 EM231 转换后，是一个整数值，他的值大小是实际温度的把 A/D 模拟量单元输出的整数值的 10 倍。但 PID 指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。使用指令 DTR 就可以了。如本设计中，是从 AIW0 读入温度被传感器转换后的数字量。其转换程序如下:MOVW AIW0, AC1DTR AC1, AC1MOVR AC1, VD1002) 实数的归一化处理因为 PID 中除了采样时间和 PID 的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值 0.01.0 之间，所以，在执行 PID 指令之前，必须把 PV 和 SP 的值作归一化处理。使它们的值都在 0.01.0 之间。归一化的公式如 4.9: （4.9）estpanrawnoumOffSRR/式中, 标准化的实数值；noumR 未标准化的实数值;rawR 补偿值或偏置，单极性为 0.0，双极性为 0.5;panS 值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为 32000.双极性estOff为 6400。本文中采用的是单极性，故转换公式为: （4.10）)32000/(rawnoumRR因为温度经过检测和转换后，得到的值是实际温度的 10 倍，所以为了 SP 值和PV 值在同一个数量值，我们输入 SP 值的时候应该是填写一个是实际温度 10 倍的数，即想要设定目标控制温度为 100时，需要输入一个 1000。另外一种实现方法就是，沈阳理工大学学士学位论文18在归一化的时候，值域大小可以缩小 10 倍，那么，填写目标温度的时候就可以把实际值直接写进去19。3) 回路输出变量的数据转换本设计中，利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。回路的输出值是在 0.01.0 之间，是一个标准化了的实数，在输出变量传送给 D/A 模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。这一过程是实数值标准化过程。 （4.11）SpanOffMRestnscal)( S7-200 不提供直接将实数一步转化成整数的指令，必须先将实数转化成双整数，再将双整数转化成整数。程序如下：ROUND AC1, AC1DTI AC1, VW344.2.3 PID 参数整定PID 参数整定方法就是确定调节器的比例系数 P、积分时间 Ti 和和微分时间 Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表 4-12 所示。 表 4-12 温度控制器参数经验数据被控变量规律的选择比例度积分时间（分钟）微分时间（分钟）温度滞后较大20603100.53实验凑试法的整定步骤为先比例，再积分，最后微分。 沈阳理工大学学士学位论文191）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）整定微分环节环节先置微分时间 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20。根据反复的试凑，调出比较好的结果是 P=120. I=3.0 D=1.0。沈阳理工大学学士学位论文20第 5 章 系统设计5.1 概述采用西门子 PLC 及变频器为主控单元，配合接触器、继电器实现恒温变量供水系统的智能控制。本设计在供水系统中得到了成功的应用，不仅供水温度稳定，满足用水需要，而且具有很好的节能节水效果，极具推广价值。提出了供水系统的总体设计方案，并论述了硬件电路的设计和软件的实现方法。PLC 采用的是的 S7-200，CPU 是 224 系列，采用了 5 个灯来显示过程的状态，分别是运行灯，停止灯，温度正常灯，温度过高（警示灯）灯，和加热灯，可以通过 5个灯的开关状况判断加热炉内的大概情况。K 型传感器负责检测加热炉中的温度，把温度信号转化成对应的电压信号，经过 PLC 模数转换后进行 PID 调节。根据 PID 输出值来控制下一个周期内（10s）内的加热时间和非加热时间。在加热时间内使得继电器接通，那加热炉就可处于加热状态，反之则停止加热21。1) 硬件连线如图 5.0 所示。沈阳理工大学学士学位论文21 图 5.0 硬件连线图2) I/O 点地址分配如表 5.1 所示。 表 5.1 I/O 点地址分配地址名称功能I0.1启动按扭按下开关，设备开始运行I0.2开关按钮按下开关，设备停止运行I0.3保护按钮按下开关，终止加热Q0.0运行灯灯亮表示设备处于运行状态Q0.1停止灯灯亮表示设备处于停止状态Q0.3温度状态指示灯（正常灯亮表示炉温在正常范围内Q0.4温度状态指示灯（危险）灯两表示炉温过高，处于危险状态Q0.5固态继电器灯亮表示加热炉正处于加热阶段3）程序地址分配如表 5.2 所示。 表 5.2 内存地址分配地址说明VD0用户设定比例常数 P 存放地址VD4用户设定积分常数 I 存放地址VD8用户设定微分常数 D 存放地址VD12目标设定温度存放地址VD16系统运行时间秒存放地址VD20系统运行时间分钟存放地址VD30当前实际温度存放地址VW34一个周期内加热时间存放地址VW36一个周期内非加热时间存放地址4） PID 指令回路表如表 5.3 所示。 表 5.3 PID 指令回路表地址名称说明VD100过程变量（PVn）必须在 0.01.0 之间VD104给定值（SPn）必须在 0.01.0 之间VD108输出值（Mn）必须在 0.01.0 之间VD112增益（Kc）比例常数，可正可负VD116采样时间（Ts）单位为 s，必须是正数沈阳理工大学学士学位论文22VD120采样时间（Ti）单位为 min，必须是正数VD124微分时间（Td）单位为 min，必须是正数VD128积分项前值（MX）必须在 0.01.0 之间VD132过程变量前值（PVn-1）必须在 0.01.0 之间5.2 总体方案设计为了保证稳定供水，建一贮水池，采用 4 台 45kW 水泵和变频调速装置构成一个完整的微机控制恒温供水系统，如图 5.1 所示。系统通过调节供水量，保证管网温度恒定（允许误差） ，实现恒温变量控制供水方式，从而达到节能、节水的目的，满足用水需要图 5.1 恒温变频供水系统结构图5.2.1 供水系统的工艺要求1）供水温度要求恒定，波动一定要小。尤其是在换泵时2）4 台水泵自动变频软起动，并根据用水量大小自动调节开泵台数。根据温度设定采用“先启先停”的原则。3）电控自动状态时，4 台水泵自动轮换变频运行，工作泵故障时备用泵自动投人，可转换自动或人工手动开、停机。4）设备具有缺相、短路、过载等多种电气保护功能，具有相序保护防止水泵反转抽空，并具有缺水保护及水位恢复开机功能。沈阳理工大学学士学位论文235）有设备工作、停机、报警指示。5.2.2 总体设计方法考虑恒温系统主要在高峰期投入使用，宜采用一台变频器控制 4 台水泵的“一控四”切换方案。以西门子 S7-200（CPU224）的 PLC 和森兰 BT12S 变频器为控制核心，采用变频率控制的闭环控制系统，通过对用户管网温度进行实时采样，并与设定温度值比较，根据温度偏差来控制变频泵的速度变频器频率由 PLC 通过模拟量输出端输出 0-5 (10) V 信号控制及定量 PLC 通过开关量输出控制泵的起、停，实现恒温变量的供水方式，从而更好地达到节能、节水的效果。当用户管网温度低于设定温度时，控制器通过温度传感器检测，输出控制信号起动其中一台水泵作变频运行，通过控制变频泵使用户管网温度与设定温度值相等。如用户用水量较大，变频器输出频率为 50 Hz，变频泵转速达到最高，用户管网温度低于设定温度，控制器将变频泵切换成工频运行，待变频器输出频率下降至最低值时再接通另一台水泵，由一台工频泵和一台变频泵同时供水。经过变频泵的调节，如管网温度仍低于设定值，控制器以同样的方式将运行频率为 50 Hz 的变频泵切换成工频运行，而后继续起动另外一台水泵作变频运行，直至满足用户用水要求。当用户用水量较少，变频泵转速降到一定程度时，控制器自动停止最先运行的定量泵，并根据管网温度调整变频泵转速，使管网温度始终保持恒定。这样每台水泵的起动均经变频器控制，全部机组实现循环软起动，即每台泵的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升，并遵循“先开的泵先停，先停的泵先开”的原则。当外来管网温度达到设定温度值时，则控制器完全停止各泵工作，由外界管网直接向用户供水。5.3 硬件设计 本系统的硬件电路如图 5.2 所示，它由 4 台 45kW 离心水泵，一台智能型电控柜（包括森兰变频器、西门子 PLC、交流接触器、继电器等） ，一套温度传感器、缺水保护器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。该系统的核心是 S7-200（CPU224）和 BT12S。BT12S 是水泵专用变频器，扩展功能强CPU224 集成了 14 点输入/10 点输出，共有 24 点数字量 I/0，其模拟量扩展模块具有较大的适应性和灵活性，且安装方便，满足设计需要。沈阳理工大学学士学位论文24图 5.2 系统硬件电路示意图5.3.1 系统主电路如图 5.3 所示，该系统有 4 台巧 45kW 电动机，分别拖动 4 台水泵。合上空气开关后，当交流接触器 KM1、KM3、KM5、KM7 主触点闭合时，水泵为工频运行；当KM2、KM4、KM6、KM8 主触点闭合时，水泵为变频运行。4 个热继电器 KR1KR4分别对 4 台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。图 5.3 系统主回路沈阳理工大学学士学位论文255.3.2 系统控制电路如图 5.4 所示，Q0.0Q0.7 为 PLC 输出软继电器触点，其中 Q0.0, Q0.2, Q0.4, Q0.6 控制变频运行电路；Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7 控制工频运行电路。SA 为转换开关，实现手动、自动控制切换。当 SAC 切在手动位时，通过 SF1SF4 按钮分别起动4 台水泵工频运行当 SA 在自动位时，由 PLC 控制水泵进行变频或工频状态的起动、切换、停止运行。KA 为缺水保护电路的中间继电器触点，当水池缺水或水位不足时，配合缺水保护装置断开控制电路，切断主电路，实现缺水保护作用。 图 5.4 供水系统控制电路5.3.3 PLC 及变频器控制模块电路PLC 及变频器控制模块是本系统的核心，它包括缺水保护电路、断相相序保护电路。1）缺水保护电路当水池缺水或水位不足时，若不及时切断电源就会损坏水泵，甚至发生事故。本沈阳理工大学学士学位论文26系统设置了缺水自动保护电路，如图 5.5 所示。利用液位继电器等装置时刻检测水池里的水位，经电路转换及处理后对控制回路电源进行控制。水池水位正常时，控制回路电源接通，系统正常工作。水池缺水或水位不足时，液位继电器 1K 释放，系统报警、指示灯亮并通过 KA 切断系统控制电路及主电路，水泵停止。待排除故障，水位正常后，液位继电器 1K 吸合，重新起动系统图 5.5 缺水保护电路2）断相相序保护电路水泵工作在三相交流电，电源发生缺相时，电动机中某一相无电流，而另外两相电流会增大，容易烧坏电动机；另外，为了避免电源相序相反，电动机反转水泵抽空的现象，设置了缺相相序保护电路，如图 5.6 所示。采用缺相相序保护继电器 KP 接在主电路电源进线空气开关之后，三相正常时，KP 得电吸合，控制电路中 KP 的 1-2 触点吸合，接通 PLC 控制电路。反之，缺相或反相时，KP 的 1-2 触点断开，会切断 PLC控制电路，系统停止工作，缺相相序保护指示灯亮。图 5.6 缺相相序保护电路沈阳理工大学学士学位论文275.4 森兰 BT12S 系列变频器5.4.1 森兰 BT12S 系列变频器型号说明图 5.7 型号说明图5.4.2 森兰 BT12S 系列作水泵专用变频器的接法图 5.8 BT12S 作水泵专用变频器接法沈阳理工大学学士学位论文285.4.3 主电路端子1） 、主电路端子排列见图 5.9图 5.9 主电路端子排2） 、主电路端子说明表 5.4 主电路端子说明符号端子功能说明R、S、T主电路电源端子、连接三相电源U、V、W变频器输出端子、连接三相电动机P1、P+连接改善功率因数的直流电抗器P+、DB连接外部制动电阻P+、N连接外部制动单元PE变频器的安全接地端子5.4.4 控制电路端子1） 、 控制电路端子排列表 5.5 主控制板端子30PA30PB30PCVRFIRFVPFIPFY2REVFARESETLA230A30B30C+5VGNDFMA+24VY1FWDCMTHRLA1沈阳理工大学学士学位论文29表 5.6 扩展控制板端子7KM26KM25KM24KM23KM22KM21KM27KM16KM15KM14KM13KM12KM11KM1C2205.5 变频器速度给定方法5.5.1 利用变频器本身的多段速度设定法许多变频器本身就带有自动调速功能。现以三菱 FR-A540 变频器为例说明。三菱FR-A540 变频器本身有多段速度的设定功能，以七段速度为例，七段调速如附表所示表 5.7 操作模式：Pr.79=3速度段1234567运行频率15HZ25HZ30HZ30HZ35HZ45HZ45HZ变频器设定Pr.4=15Pr.5=20Pr.6=25Pr.24=30Pr.25=35Pr.26=40Pr.27=45接点RHRMRLRM.RLRM.RLRH.RMRH.RM.RL相应PLCI/0分配Y11Y12Y13Y12.Y13Y11.Y13Y11.Y12Y11.Y12.Y13这种控制方式下，当前水位若在下限则 PLC 输出高一级的变频信号给变频器，当七段速度均启动工作但仍未达到上限，则启动工频。若已达到高水位，则 PLC 输出低一级的变频信号给变频器。沈阳理工大学学士学位论文305.5.2 PLC 运算给出变频器运行频率设定信号利用变频器本身的多段速度控制仅需要水温上限和下限两个信号，控制方式简单，编程方便。但控制精度不高。通过安装在出水管网上的温度变送器，将温度信号转换成标准的 DC420mA 的模拟量信号送入 PLC 的扩展 A/D 单元，经过 A/D 变换，利用PLC 采用经验数据方法计算出此时变频器应运行的频率，将相应的数字量信号再通过PLC 扩展 D/A 转换单元，转换成电压信号，此时变频器工作在 F001=2 外部操作模式，由 VRF、GND 端子之间的电压值决定其频率输出。硬件原理图见图 5.10。图 5.10 变频器频率由 PLC 给定硬件原理图由于涉及到 PLC 的 A/D、D/A 单元，其软件编程需注意这两个单元初始化的方法及数据传输的方式。5.5.3 PID 调节器进行频率设定的方法除了 5.5.2 中的方法外，目前应用较广泛的是通过传感器将温度信号转换成标准的DC420mA 的模拟量信号后，将该信号送入 PID 调节器，经过 PID 仪表将温度设定值与传感器的反馈值进行比较计算后，给出一个变频器的频率给定值。经过试验比较发现，由于供水系统管道长、管径大、管网的充温比较慢，故系统沈阳理工大学学士学位论文31属于一个大滞后系统，仅采用 PID 调节器进行控制并不是最佳选择，实际运用中采用5.5.1 与 5.5.3 相配合的方式将更有利于理想控制的实现。其硬件如图 13 所示。5.6 变频循环泵电气原理通过对变频器、PLC、温度传感器等硬件的选型和系统控制方案的设计与论述。设计出变频循环泵电气原理图如大图所示，系统由西门子 S7200 的 CPU224,森兰BT12S 变频器西门子的 EM231 模拟量扩展模块组成。系