电子信息工程毕业论文-基于Plc加热炉温度控制系统设计

龙岩学院龙岩学院 毕业设计毕业设计 题目 基于 PLC 加热炉温度控制系统的设计 专业 电子信息工程 学号 作者 指导教师 职称 二 0 一五 年 一 月 十九 日 基于 PLC 加热炉温度控制系统设计 摘 要 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛 但从国 内生产的温度控制器来讲 总体发展水平仍然不高 同国外的日本 美国 德国等 先进国家相比 仍然有着较大的差距 加热炉的温度控制系统具有较大的容量滞 后 采用单回路控制往往会出现较大的动态偏差 很难达到好的控制效果 为提高 系统对负荷变化较大或其他扰动比较剧烈时的控制质量 采用基于 PLC 的加热炉温 度控制系统来提高加热炉的燃烧效率 可编程序控制器 PLC 是一种新型的通用 的自动控制装置 它将传统的继电器控制技术 计算机技术和通讯技术融为一体 是功能加强 编程简单 使用方便以及体积小 重量轻 功耗低等一系列优点 PLC 的应用领域已经拓宽到了各个领域 PLC 的发展历程在工业生产过程中 大量 的开关量顺序控制 它按照逻辑条件进行顺序动作 并按照逻辑关系进行连锁保护 动作的控制 及大量离散量的数据采集 在传统上 这些功能是通过气动或电气控 制系统来实现的 PLC 最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制 它取代传统的继电 器电路 实现逻辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控 及自动化流水线 如注塑机 印刷机 订书机 组合抢答器 磨床 包装等 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 使用广泛 本设计将以 PLC 为核心设计了系统结构图 程序指令 梯形图以及输入输出端 子的分配方案 在保留了原始加热炉温度控制系统的基本功能的同时又增加了一系 列的实用功能并简化其电路结构 其将以控制方便 灵活 只要改变输入 PLC 的控 制程序 就能够实现对加热炉温度的控制 关键词 加热炉温度控制系统 可编程控制器 燃烧效率 System design of heating furnace temperature control based on PLC Abstract Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation and can work in dangerous working environments to protect the personal safety Therefore widely used in machine building metallurgy electronics light industry and atomic energy sectors This article is mainly of the PLC manipulator the overall design and pneumatic design This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts it can move according to the due track on the movement of grabbing carrying and unloading The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop by controlling and regulating pressure flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation and can work in dangerous working environments to protect the personal safety Therefore widely used in machine building metallurgy electronics light industry and atomic The principle technical pare maters transmiting system and main parts structure of mincing ma chine were introduced The PLC was analysed Keywords Mincing machine Holds plate Cutting blade Transfer auger Keywords pneumatic manipulator PLC pneumatic loop Four degrees of freedom 目录 第一章 绪论 5 1 1 本课题的发展概况 6 1 2 加热炉温控系统的实现过程概述 6 1 3 本课题研究的内容和意义 7 1 4 PLC 简介 7 1 4 1 PLC 的定义 9 1 4 2 PLC 的基础知识 11 1 4 3 PLC 的用途 12 1 5 PLC 的组成 13 1 5 1 中央处理单元 13 1 5 2 存储器 15 1 5 3 输入输出单元 15 1 5 4 通讯接口 16 1 5 5 智能接口模块 16 1 5 6 编程装置 16 1 5 7 电源 16 第二章 加热炉温度控制系统总体方案与 PID 算法的设计 17 2 1 总体方案的设计 17 2 1 1 硬件模块的设计 17 2 1 2 软件模块的设计 17 2 2 PID 控制算法的介绍 17 2 2 1 PID 控制算法的设计 17 2 2 2 PID 控制器参数的整定 17 第三章 加热炉温度控制系统的 PLC 设计 17 3 1 输入输出点分配 18 3 2 PLC 的选择 19 3 3 加热炉温度控制系统 PLC 控制系统接线图 20 3 4 加热炉温度控制系统主程序流程图的确定 20 3 5 加热炉温度控制系统温度控制系统图的确定 20 第四章 加热炉温度控制系统 PLC 控制程序 21 4 1 西门子 S7 200 的介绍 22 4 2 加热炉温度控制系统西门子 S7 200 程序的实现 24 结论 25 致谢 26 参考文献 27 第一章 绪论 1 1 本课题的发展概况 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 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 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 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 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 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 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 1 2 加热炉温控系统的实现过程概述 加热炉温的控制系统实现过程是 首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压 信号 PLC 的扩展模块 EM235 将送过来的电压信号转化为西门子 S7 200PLC 可识别 的数字量 夹套温度主给定量 SV1 与夹套温度主反馈量 PV1 比较后得到误差信号 e1 然后 PLC 将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过 PID 运算处 理 输出控制量 OUT1 作为副控制器的给定 并与内胆温度副反馈量 PV0 进行比较 得到误差信号 e0 经福控制器进行 PID 运算输出控制量 OUT0 作为晶闸管调功器的 输入信号 来控制输出电压的变化 从而控制内胆加热器上电压的高低 实时控制 内胆温度副被控量和夹套温度主被控量 构成双闭环温度控制系统 其结构如图 1 所示 1 3 本课题研究的内容和意义 本论文主要是利用 PLCS7 200 作为可编程控制器 系统采用串级控制方案 主 副控制器采用 PID 控制算法 手动整定或自整定 PID 参数 实时计算控制量 控制加热装置 使加热炉温度为 80 左右 并能实现手动启动和停止 运行指示灯 监控实时控制系统的运行 实时显示当前内胆温度值与夹套温度值 在保留了原始 加热炉温度控制系统的基本功能的同时又增加了一系列的实用功能并简化其电路结 构 其将以控制方便 灵活 只要改变输入 PLC 的控制程序 就能够实现对加热炉 温度的控制 1 4 PLC 简介 1 4 1 PLC 的定义 PLC 即可编程控制器 Programmable Logic Controller 是指以计算机 技术为基础的新型工业控制装置 在 1987 年国际电工委员会 International Electrical Committee 颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义 PLC 英文全 称 Programmable Logic Controller 中文全称为可编程逻辑控制器 定义是 一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类可编 程的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算 术操作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或 生产过程 PLC 是可编程逻辑控制电路 也是一种和硬件结合很紧密的语言 在半 导体方面有很重要的应用 可以说有半导体的地方就有 PLC PLC 的发展历程在工业生产过程中 大量的开关量顺序控制 它按照逻辑条 件进行顺序动作 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制 及大量离散量的数 据采集 在传统上 这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的 PLC 最基本 最广泛的用于开关量的逻辑控制 它取代传统的继电器电路 实现逻辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动化流水线 如注塑 机 印刷机 订书机 抢答器 磨床 包装等 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 使用广泛 随着应用领域的日益扩大 PLC 技术及其产品 仍在继续发展 主要朝着以下的方面发展 微型化 网络化 开放性 2 智能模块化 3 编程语言的标准化和高级化 网络通信功能标准化 5 7PLC 的选型及硬件配备 根据上述控制特点 采用小型 PLC 即可满足功能要求 由于西门子 S7 200 系列属于小型 PLC 其许多功能达到大 中型 PLC 的水平 而价格却和小型 PLC 的 一样 特别是 S7 2000PU22 系列 PLC 由于它具有多种功能模块和人机界面可供选 择 所以系统的集成非常方便 并且可以很容易地组成 PLC 网络 可用梯形图 语 句表和功能图三种语言来编程 且指令功能强 易于掌握 操作方便 近年来 S7 200PLC 已在工业各领域得到了广泛的应用 S7 200 CPU22 系列 PLC 共有五种 CPU 模块其 各自的技术指标见表 3 2 由于存在模拟量输入输出 需要增加模拟量输入输出 模块 在西门子 S7 200 系列 PLC 中有专门的模拟量 I O 扩展模块 1 4 2 PLC 的用途 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 使用情况大致可归纳 为如下几类 1 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电器电路 实现逻辑控 制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动化流水线 如注塑 2 模拟量控制 在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液位和速 度等都是模拟量 为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量 Analog 和 数字量 Digital 之间的 A D 转换及 D A 转换 PLC 厂家都生产配套的 A D 和 D A 转换模块 使可编程控制器用于模拟量控制 3 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早期直接用于 开关量 I O 模块连接位置传感器和执行机构 现在一般使用 16 路的运动控制模 块 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 抢答器 机器人 电梯等 场合 4 过程控制 过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业控制计算机 PLC 能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制 PID 调节是一般闭环控制系 统中用得较多的调节方法 大中型 PLC 都有 PID 模块 目前许多小型 PLC 也具有此 功能模块 PID 处理一般是运行 16 路的 PID 子程序 过程控制在冶金 化工 热处 理 锅炉控制等场合有非常广泛的应用 1 5 PLC 的组成 PLC 的硬件主要由中央处理器 CPU 存储器 输入单元 输出单元 通信接 口 扩展接口电源等部分组成 其中 CPU 是 PLC 的核心 输入单元与输出单元是 连接现场输入 输出设备与 CPU 之间的接口电路 通信接口用于与编程器 上位计 算机等外设连接 对于整体式 PLC 所有部件都装在同一机壳内 其组成框图如图 1 所示 对于模 块式 PLC 各部件独立封装成模块 各模块通过总线连接 安装在机架或导轨上 其组成框图如图所示 无论是哪种结构类型的 PLC 都可根据用户需要进行配置与 组合 尽管整体式与模块式 PLC 的结构不太一样 但各部分的功能作用是相同的 下面对 PLC 主要组成各部分进行简单介绍 1 5 1 中央处理单元 CPU 同一般的微机一样 CPU 是 PLC 的核心 PLC 中所配置的 CPU 随机型不同而不 同 常用有三类 通用微处理器 如 Z80 8086 80286 等 单片微处理器 如 8031 8096 等 和位片式微处理器 如 AMD29W 等 小型 PLC 大多采用 8 位通用微 处理器和单片微处理器 中型 PLC 大多采用 16 位通用微处理器或单片微处理器 大型 PLC 大多采用高速位片式微处理器 目前 小型 PLC 为单 CPU 系统 而中 大型 PLC 则大多为双 CPU 系统 甚至有 些 PLC 中多达 8 个 CPU 对于双 CPU 系统 一般一个为字处理器 一般采用 8 位或 16 位处理器 另一个为位处理器 采用由各厂家设计制造的专用芯片 字处理器为 主处理器 用于执行编程器接口功能 监视内部定时器 监视扫描时间 处理字节 指令以及对系统总线和位处理器进行控制等 位处理器为从处理器 主要用于处理 位操作指令和实现 PLC 编程语言向机器语言的转换 位处理器的采用 提高了 PLC 的速度 使 PLC 更好地满足实时控制要求 在 PLC 中 CPU 按系统程序赋予的功能 指挥 PLC 有条不紊地进行工作 归纳起 来主要有以下几个方面 1 接收从编程器输入的用户程序和数据 2 诊断电源 PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等 3 通过输入接口接收现场的状态或数据 并存入输入映象寄有器或数据寄存器 中 4 从存储器逐条读取用户程序 经过解释后执行 5 根据执行的结果 更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容 通过输出 单元实现输出控制 有些 PLC 还具有制表打印或数据通信等功能 1 5 2 存储器 存储器主要有两种 一种是可读 写操作的随机存储器 RAM 另一种是只读存 储器 ROM PROM EPROM 和 EEPROM 在 PLC 中 存储器主要用于存放系统程序 用 户程序及工作数据 系统程序是由 PLC 的制造厂家编写的 和 PLC 的硬件组成有关 完成系统诊 断 命令解释 功能子程序调用管理 逻辑运算 通信及各种参数设定等功能 提 供 PLC 运行的平台 系统程序关系到 PLC 的性能 而且在 PLC 使用过程中不会变 动 所以是由制造厂家直接固化在只读存储器 ROM PROM 或 EPROM 中 用户不能访 问和修改 编程装置的作用是编辑 调试 输入用户程序 也可在线监控 PLC 内部 状态和参数 与 PLC 进行人机对话 它是开发 应用 维护 PLC 不可缺少的工具 编程装置可以是专用编程器 也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统 专 用编程器是由 PLC 厂家生产 专供该厂家生产的某些 PLC 产品使用 它主要由键 盘 显示器和外存储器接插口等部件组成 专用编程器有简易编程器和智能编程器 两类 简易型编程器只能联机编程 而且不能直接输入和编辑梯形图程序 需将梯 形图程序转化为指令表程序才能输入 简易编程器体积小 价格便宜 它可以直接 插在 PLC 的编程插座上 或者用专用电缆与 PLC 相连 以方便编程和调试 有些简 易编程器带有存储盒 可用来储存用户程序 如三菱的 FX 20P E 简易编程器 智 能编程器又称图形编程器 本质上它是一台专用便携式计算机 如三菱的 GP 80FX E 智能型编程器 它既可联机编程 又可脱机编程 可直接输入和编辑梯形图程 序 使用更加直观 方便 但价格较高 操作也比较复杂 大多数智能编程器带有 磁盘驱动器 提供录音机接口和打印机接口 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 为了便于读出 检查和修改 用户程序一般存于 CMOS 静态 RAM 中 用锂电池作为后备电源 以保证掉电时不会丢失信息 为了防止干扰对 RAM 中 程序的破坏 当用户程序经过运行正常 不需要改变 可将其固化在只读存储器 EPROM 中 现在有许多 PLC 直接采用 EEPROM 作为用户存储器 工作数据是 PLC 运行 过程中经常变化 经常存取的一些数据 存放在 RAM 中 以适应随机存取的要求 在 PLC 的工作数据存储器中 设有存放输入输出继电器 辅助继电器 定时器 计 数器等逻辑器件的存储区 这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况 而确定的 根据需要 部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态 这部分在 掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区 由于系统程序及工作数据与用户无 直接联系 所以在 PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程 序存储器 当 PLC 提供的用户存储器容量不够用 许多 PLC 还提供有存储器扩展功 能 1 5 3 输入 输出单元 输入 输出单元通常也称 I O 单元或 I O 模块 是 PLC 与工业生产现场之间的 连接部件 PLC 通过输入接口可以检测被控对象的各种数据 以这些数据作为 PLC 对被控制对象进行控制的依据 同时 PLC 又通过输出接口将处理结果送给被控制对 象 以实现控制目的 由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的 而 PLC 内部 CPU 的处 理的信息只能是标准电平 所以 I O 接口要实现这种转换 I O 接口一般都具有光 电隔离和滤波功能 以提高 PLC 的抗干扰能力 另外 I O 接口上通常还有状态指 示 工作状况直观 便于维护 PLC 提供了多种操作电平和驱动能力的 I O 接口 有各种各样功能的 I O 接口供用 户选用 I O 接口的主要类型有 数字量 开关量 输入 数字量 开关量 输 出 模拟量输入 模拟量输出等 常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型 直流输入接口 交流输入 接口和交 直流输入接口 其基本原理电路如图 3 所示 1 5 4 通信接口 PLC 配有各种通信接口 这些通信接口一般都带有通信处理器 PLC 通过这些 通信接口可与监视器 打印机 其它 PLC 计算机等设备实现通信 PLC 与打印机 连接 可将过程信息 系统参数等输出打印 与监视器连接 可将控制过程图像显 示出来 与其它 PLC 连接 可组成多机系统或连成网络 实现更大规模控制 与计 算机连接 可组成多级分布式控制系统 实现控制与管理相结合 远程 I O 系统也必须配备相应的通信接口模块 1 5 5 智能接口模块 智能接口模块是一独立的计算机系统 它有自己的 CPU 系统程序 存储器以 及与 PLC 系统总线相连的接口 它作为 PLC 系统的一个模块 通过总线与 PLC 相 连 进行数据交换 并在 PLC 的协调管理下独立地进行工作 PLC 的智能接口模块种类很多 如 高速计数模块 闭环控制模块 运动控制模 块 中断控制模块等 1 5 6 编程装置 编程装置的作用是编辑 调试 输入用户程序 也可在线监控 PLC 内部状态和 参数 与 PLC 进行人机对话 它是开发 应用 维护 PLC 不可缺少的工具 编程装 置可以是专用编程器 也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统 专用编程 器是由 PLC 厂家生产 专供该厂家生产的某些 PLC 产品使用 它主要由键盘 显示 器和外存储器接插口等部件组成 专用编程器有简易编程器和智能编程器两类 简易型编程器只能联机编程 而且不能直接输入和编辑梯形图程序 需将梯形图程 序转化为指令表程序才能输入 简易编程器体积小 价格便宜 它可以直接插在 PLC 的编程插座上 或者用专用电缆与 PLC 相连 以方便编程和调试 有些简易编 程器带有存储盒 可用来储存用户程序 如三菱的 FX 20P E 简易编程器 智能编程器又称图形编程器 本质上它是一台专用便携式计算机 如三菱的 GP 80FX E 智能型编程器 它既可联机编程 又可脱机编程 可直接输入和编辑梯形图 程序 使用更加直观 方便 但价格较高 操作也比较复杂 大多数智能编程器带 有磁盘驱动器 提供录音机接口和打印机接口 专用编程器只能对指定厂家的几种 PLC 进行编程 使用范围有限 价格较高 同 时 由于 PLC 产品不断更新换代 所以专用编程器的生命周期也十分有限 因此 现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置 用户只要购买 PLC 厂家提供的 编程软件和相应的硬件接口装置 这样 用户只用较少的投资即可得到高性能的 PLC 程序开发系统 基于个人计算机的程序开发系统功能强大 它既可以编制 修改 PLC 的梯形图程 序 又可以监视系统运行 打印文件 系统仿真等 配上相应的软件还可实现数据 采集和分析等许多功能 1 5 7 电源 PLC 配有开关电源 以供内部电路使用 与普通电源相比 PLC 电源的稳定性 好 抗干扰能力强 对电网提供的电源稳定度要求不高 一般允许电源电压在其额 定值 15 的范围内波动 许多 PLC 还向外提供直流 24V 稳压电源 用于对外部传 感器供电 第二章 加热炉温度控制系统总体方案与 PID 算法的设计 2 1 总体方案的设计 加热炉温度控制系统的系统组成主要分为两个部分 一个是硬件部分 另 一个是软件部分 硬件部分包括一些功能硬件组成 软件部分主要是有 PLC 以及一些相关的控制电路等等组成 2 1 1 硬件模块的设计 加热炉温度控制系统主要有几大部分构成 其硬件模块基本构成有 PLC 主控系 统部分 调功器 加热炉 加热器 启动 停止开关按钮 数显表与温度变送器五 部分组成 硬件部分构成图如下图所示 2 1 2 软件模块的设计 软件基本结构由主 副控器 PID 控制对象温度调功器 检测元件温度变送器等 部分组成 其基本工作原理 首先计算出两个控制器 PID 的有关参数 进行 PID 初 始化 把夹套温度变送器和内胆温度变送器传送回来 0 100mV 的电压信号通过模拟 量输入模块 EM235 的 A D 转换变为 0 32000 的数字量 然后进行变换变为 0 1 的过 程量形参 然后给定一个夹套温度给定量 SV 和夹套温度过程量 PV1 传送给主控制 器 PID 运算 得到的结果 OUT1 作为副控制器的给定量 SV 与内胆温度过程量 PV0 传 送给副控制器 PID 运算 得到的结果 OUT0 经过标度变换和模拟量输出模块 EM235 的 A D 转换变为 0 5V 的控制信号传送给温度调功器 对炉内加热器进行控制 同 时对内胆温度和夹套温度进行检测 形成双闭环回路控制 2 2 PID 控制算法的介绍 工程实际中 应用最为广泛调节器控制规律为比例 积分 微分控制 简称 PID 控制 又称 PID 调节 PID 控制器问世至今已有近 70 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主要技术之一 当被控对象结 构和参数不能完全掌握 或不到精确数学模型时 控制理论其它技术难以采用时 系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定 这时应用 PID 控制技术最 为方便 即当我们不完全了解一个系统和被控对象 或不能有效测量手段来获系统 参数时 最适合用 PID 控制技术 PID 控制 实际中也有 PI 和 PD 控制 PID 控制 器就是系统误差 利用比例 积分 微分计算出控制量进行控制 2 2 1 PID 控制算法的设计 PID 控制算法广泛应用于各种行业 通过对目标对象的模糊计算 通过 合理取值 可以获得较高的质量数据 其闭环控制系统框图如下 控制点目前包含三种比较简单的 控制算法 分别是 增量式算法 位置 式算法 微分先行 这三种是最简单的基本算法 各有其特点 一般能满足控制的 大部份要求 1 PID 增量式算法 离散化公式 注 各符号含义如下 u t 控制器的输出值 e t 控制器输入与设定值之间的误差 Kp 比例系数 Ti 积分时间常数 Td 微分时间常数 T 调节周期 2 积分分离法 离散化公式 u t q0e t q1e t 1 q2e t 2 当 e t 时 q0 Kp 1 T Ti Td T q1 Kp 1 2Td T q2 Kp Td T 当 e t 时 q0 Kp 1 Td T q1 Kp 1 2Td T q2 Kp Td T u t u t 1 u t 注 各符号含义如下 u t 控制器的输出值 e t 控制器输入与设定值之间的误差 Kp 比例系数 Ti 积分时间常数 Td 微分时间常数 有的地方用 Kd 表示 T 调节周期 积分分离阈值 3 微分先行 PID 算法 离散化公式 u t 控制器的输出值 e t 控制器输入与设定值之间的误差 Kp 比例系数 Ti 积分时间常数 Td 微分时间常数 有的地方用 Kd 表示 T 调节周期 积分分离阈值 PID 控制 因为 PI 系统中的 I 的存在会使整个控制系统的响应速度受到影响 为了解决 这个问题 我们在控制中增加了 D 微分项 微分项主要用来解决系统的响应速度问 题 其完整的公式如下 u t Kp e t Ki e t Kd e t e t 1 u0 在 PID 的调试过程中 我们应注意以下步骤 1 关闭 I 和 D 也就是设为 0 加大 P 使其产生振荡 2 减小 P 找到临界振荡点 3 加大 I 使其达到目标值 4 重新上电看超调 振荡和稳定时间是否吻合要求 5 针对超调和振荡的情况适当的增加一些微分项 6 注意所有调试均应在最大争载的情况下调试 这样才能保证调试完的结果可以 在全工作范围内均有效 2 2 1 PID 控制器参数的整定 PID 控制器参数整定是控制系统设计核心内容 它是被控过程特性确定 PID 控 制器比例系数 积分时间和微分时间大小 PID 控制器参数整定方法很多 概括起 来有两大类 一是理论计算整定法 它主依据系统数学模型 理论计算确定控制器 参数 这种方法所到计算数据未必可以直接用 还必须工程实际进行调整和修改 二是工程整定方法 它主要依赖工程经验 直接控制系统试验中进行 且方法简 单 易于掌握 工程实际中被广泛采用 PID 控制器参数工程整定方法 主要有临 界比例法 反应曲线法和衰减法 三种方法各有其特点 其共同点都是试验 然后 工程经验公式对控制器参数进行整定 但采用哪一种方法所到控制器参数 都需要 实际运行中进行最后调整与完善 现一般采用是临界比例法 利用该方法进行 PID 控制器参数整定步骤如下 1 首先预选择一个足够短采样周期让系统工作 2 仅加入比例控制环节 直到系统对输入阶跃响应出现临界振荡 记下这时比 例放大系数和临界振荡周期 3 一定控制度下公式计算到 PID 控制器参数 第三章 加热炉温度控制系统的 PLC 设计 3 1 输入输出点分配 加热炉温度控制系统的输入输出点的分配由以上条件可知 14 个输入点 12 个输出点 根据电压的不同选用输入有 2 个点的输入模块 分别为 M0 i1 i2 i3 Q 输出有 4 个点的模块分别为 Q0 Q1 Q2 Q3 等等 其具体地址分配表如下 3 2 PLC 的选择 根据课题要求 我们选择西门子 S7 200 来实现加热炉温度控制系统 其 因为逻辑回路简单 易用 且能够实现很多功能 3 3 加热炉温度控制系统 PLC 控制系统接线图 根据如上所述 画出加热炉温度控制系统 PLC 控制接线图如下图 所示 3 4 加热炉温度控制系统主程序流程图的确定 加热炉温的控制系统实现过程是 首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压 信号 PLC 的扩展模块 EM235 将送过来的电压信号转化为西门子 S7 200PLC 可识别 的数字量 夹套温度主给定量 SV1 与夹套温度主反馈量 PV1 比较后得到误差信号 e1 然后 PLC 将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过 PID 运算处 理 输出控制量 OUT1 作为副控制器的给定 并与内胆温度副反馈量 PV0 进行比较 得到误差信号 e0 经福控制器进行 PID 运算输出控制量 OUT0 作为晶闸管调功器的 输入信号 来控制输出电压的变化 从而控制内胆加热器上电压的高低 实时控制 内胆温度副被控量和夹套温度主被控量 其主程序流程图如下 3 5 加热炉温度控制系统温度控制系统图的确定 根据如上所述 画出加热炉温度控制系统温度控制系统框图如下图 所示 第四章 加热炉温度控制系统 PLC 控制程序 4 1 西门子 S7 200 的介绍 西门子公司推出的是 S5 系列 PLC 2 1996 年 西门子公司推出 S7 200 21X 系列 PLC 它有 CPU212 CPU214 CPU215 CPU216 3 1999 年 西门子公司推出 S7 200 22X 系列 PLC 4 另外 西门子公司推出了 S7 300 S7 400 等大型 PLC 4 2 加热炉温度控制系统西门子 S7 200 程序的实现 根据加热炉温度控制系统的各个功