基于PLC的模糊算法温度控制系统

成都大学学士学位论文（设计）基于PLC的模糊算法温度控制系统设计摘要：介绍了基于SIEMENS公司S7200系列可编程序控制器的模糊算法温度控制系统的设计过程首先简要介绍了PLC可编程控制器的概念，结构和工作原理，其次简单介绍了本系统采用的模糊算法的基本内容，接下来讲解系统的组成和运行流程，最后给出了温度控制系统的硬件组成和软件设计，包括温度控制系统的硬件选择、输入输出地址分配及外部接线图、内存变量分配表和系统的主控制程序及子控制程序本系统通过PLC可编程控制器实现了生产一线的实际生产需求，达到了作为工业控制器的目的。关键词：PLC控制系统；模糊经验算法；温度控制 PLC-based fuzzy algorithm for temperature control systemAbstract: the company SIEMENS S7-200 Based Series Programmable Logic Controller Fuzzy algorithm temperature control system design process. First introduces the concept of programmable logic controller PLC, structure and working principle, followed by a brief introduction system adopts the basic Neirong a fuzzy algorithm, the next to explain the composition and operation of the system process, given the temperature control system hardware composition and software design, including temperature control system hardware selection, input / output address assignment and external wiring diagram, the memory allocation table variables and the main control program and sub-control procedures. The PLC programmable controller system through the production line of the actual production needs, to achieve the purpose as industrial controllers.Key words: PLC control system; fuzzy experience algorithm; temperature control目 录绪论11. PLC可编程控制器介绍21.1 PLC的基本概念21.2 PLC的基本结构21.3 PLC的工作原理31.4 PLC的应用领域42. 模糊算法控制的简要介绍52.1 模糊控制理52.2 经典模糊算法52.3 模糊算法与PID算法62.3.1 PID控制的特点62.3.2 模糊控制的特点63. 油桶温度控制系统的总体介绍73.1系统介绍73.2系统组成73.2.1 锅炉蒸汽部分73.2.2 被控对象油桶93.2.3 控制部分PLC94. 基于PLC的模糊算法温度控制系统运行原理104.1 系统控制算法104.2 系统运行流程105. 系统的硬件设计125.1 硬件选择125.1.1 CPU224模块125.1.2 模拟量输入模块EM231135.1.3 PT100温度传感器145.1.4 送风电机155.1.5 电磁阀175.2 硬件连接185.3 输入输出点地址分配195.4 内存变量分配表206. 系统程序设计226.1 主控制程序设计 OB1226.2 一号油桶子程序设计SBR0236.3 二号油桶子程序设计SBR1257. 系统仿真27结论30致谢31参考文献3231绪论论文题目为基于PLC模糊算法的温度控制系统设计。在当代工业体系中，对温度进行控制的方法很多，其中利用PLC可编程控制器进行控制占有很大的比例。在PLC控制中，可以分为以PID算法进行精确控制的PID控制，以及以经典模糊算法进行控制的模糊控制。也有将PID控制与模糊控制结合的PID自适应模糊控制。在本系统中采用经典模糊算法中的经验模糊算法作为系统的控制规则。论文题目来源于工业体系中至关重要的温度控制，如锅炉温度控制，窑温控制，大鹏温度控制，室内温度控制等等。而在本系统中，采用某食品生产厂的储油桶作为被控对象，通过控制流经环绕油桶内壁的蒸汽管道内的蒸汽量的多少达到控制油桶温度的目的。 在现代工业体系中，温度的变化对生产生活的影响日渐增大。在生活中需要调节温度以使人们生活舒适，在生产中需要调节温度以使生产效率提高，产品质量得到保证，在科学研究中需要调节温度以使实验条件得到满足。总之对温度的有效控制已经成为现代社会的一个不可缺少的工作。在冶金工业，化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等到许多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行监测和控制。因此，温度控制系统是工业控制中比较典型的控制系统，它是一个一阶纯滞后惯性系统，它具有明显的滞后特性，对于需要快速准确的获取和控制事实温度的场合（如制药、化工、石油、食品加工等）采用一般的控制方法很难获得满意的控制效果。采用可编程序控制器对它们进行控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够 大大提高产品的质量和数量。另外，可编程序控制器具有温度范围宽、抗干扰能力强的特点，故在强电场、强磁场的工业环境中有良好的工作性能，在温度变化范围大的恶劣条件下仍能可靠工作。通常，温控制采用模糊控制法。模糊控制的原理是检测到的温度与设定的温度进行比较，经模糊控制计算后输出控制信号给调功器调节温度，以实现对温度的控制。在工业上，偏差控制又称为“PID控制”，这是工业过程控制中应用最广泛的一种控制形式，一般都能收到令人满意的效果。最近几年快速发展模糊控制、以及神经网络在温度控制中的应用已经非常普遍。所以本课题以PLC为基础，结合模糊控制理论，设计温度控制系统。其必然会有积极的现实意义及广泛的应用前景。第1章 PLC可编程控制器介绍1.1 PLC的基本概念 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。1.2 PLC的基本结构 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图1-1所示：图1-1 PLC控制系统示意图a. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 b、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 C、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2、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，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。1.3 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一)输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相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描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二)用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三)输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。 1.4 PLC的应用领域 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。 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。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 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。 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，现在一般使用专用的运动控制模块。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、机床、机器人、电梯等场合。 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处理一般是运行专用的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。 数据处理：现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 通信及联网：PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。第2章 模糊算法控制的简要介绍2.1 模糊控制理模糊控制的基本原理如图2-1所示，它的核心部分为模糊控制器。模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现，实现模糊控制算法的过程是：微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号。一般选误差信号作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差E的的模糊量可用相应的模糊语言表示。至此，得到了误差E的模糊语言集合的一个子集E。再有E和模糊控制规则R（模糊关系）根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量U。A/D计算控制变量模糊量化处理模糊控制规则模糊决策非模糊化处理 D/A传感器被控对象执行机构图2-1 模糊控制原理为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量U转换为精确量u，得到了精确的数字控制量后，经数/模转换变为精确的模拟量传送给执行机构，对被控对象进行下一步控制。然后，中断等待第二次采样，进行第二次控制.这样循环下去，就实现了被控对象的模糊控制。一般来说，模糊控制器有3个主要的功能模块1.模糊化：模糊化是将模糊控制器输入量的确定值转换为相应模糊语言变量值的过程，此变量值均由对应的隶属度来定义。2.模糊推理：模糊推理包括3个组成部分大前提、小前提和结论。大前提是多个多维模糊条件语句，构成规则库；小前提是一个模糊判断句，又称事实。以已知的规则库和输入变量为依据，基于模糊变换推出新的模糊命题作为结论的过程叫模糊推理。3.清晰化：清晰化是将模糊推理后得到的模糊集转换为用作控制的数字值的过程。2.2 经典模糊算法从广义上讲，模糊控制室基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对实施的一种控制策略。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也是智能控制的重要组成部分。模糊控制的突出特点在于：1.控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，值需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。2.控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及大纯滞后等问题。3.以语言变量代替常规的数学变量，易于形成专家的“知识”。4.控制理论采用不精确推理。推理过程模仿人的思维过程。由于介入了人类的经验，因而能够处理复杂甚至病态系统。经典的模糊控制器利用模糊集合理论将专家知识或操作人员经验形成的语言规则直接转化为自动控制策略，其设计不依靠对象精确数学模型，而是利用其语言知识模型进行设计和修正控制算法。到目前为止，经典模糊控制系统所控制的对象通常是SISO（单输入单输出）系统，因为操作者大多数只能给出一组如下式的2维模糊控制规则： If(偏差is E，偏差变化率is Er) then（控制量is Ut）2.3 模糊算法与PID算法2.3.1 PID控制的特点在PID控制算法中，存在着比例、积分、微分3种控制作用。这3种控制作用的特点如下：（1）比例控制作用的特点 系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，是被PID控制的对象朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。缺点是对于具有自平衡能力的被控对象存在静差。加大Kp课减小静差，但Kp过大，会导致系统超调增大，是系统的动态性能变坏。 （2）积分控制作用的特点 能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会是被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统不稳定。 （3）微分控制作用的特点 通过对误差进行微分，能够感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，是超调减小。缺点是对干扰同样敏感，使系统对干扰抑制能力降低。根据被控对象的不同，适当的调整PID参数，可以获得比较满意的控制效果。因为其算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，因此它已成为当前最为普遍采用的控制算法。PID控制算法也有它的局限性和不足，由于PID算法只有在系统模型参数为非时变的情况下，才能获得理想的效果。当一个调好参数的PID控制器被应用到模型参数时变系统时，系统的性能会变差，甚至不稳定。另外，在对PID参数进行整定的过程中，PID参数的整定值是具有一定局域性的优化值，而不是全局性的最优质，因此这种控制作用无法ongoing根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。2.3.2 模糊控制的特点模糊控制器和常规的控制器相比具有无须建立被控对象的数学模型，对被控对象的时滞、非线性和时变性具有一定的适应能力等优点，同时对噪声也具有将强的抑制能力，即鲁棒性建好。但它也有一些需要进一步改进和提高的地方。模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。第3章 油桶温度控制系统的总体介绍3.1系统介绍为了保证在食品生产过程中重要原料之一的牛油不至于因温度过低而凝固以及因温度过高而提前变质，需要设计一套温度控制系统，对储存牛油的油桶进行恒温控制，以保证油桶温度不低于牛油凝固温度以及不高于最佳温度范围。结合锅炉蒸汽和蒸汽阀门的开通情况，该系统通过安装于油桶内的温度传感器检测被控对象温度，再通过PLC控制器根据所检测的数据发出指令，控制进气管道电磁阀的开阖度，最终控制由锅炉提供的蒸汽的输入量以改变油桶的温度。3.2系统组成本系统由厂内锅炉房提供蒸汽，通过输气管道传输到被控油桶桶壁，于内壁环绕，通过热传递将蒸汽温度传送到桶内储存的牛油中，使其不凝固。而控制蒸汽输入多少的阀门则用PLC可编程控制器对其进行控制。3.2.1 锅炉蒸汽部分在整个系统中所使用到的蒸汽均由厂内的锅炉房提供。锅炉是利用燃料或其他能源的热能把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。 炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。 炉膛设计需要充分考虑使用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用特性差别较大的燃料时锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低。 锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。 锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。 锅炉按不同的方式可以分为不同的种类，其中按锅筒放置的方式分为立式锅炉和卧式锅炉，按用途分：生活锅炉、工业锅炉、电站锅炉、车船用锅炉。而为本系统提供蒸汽的锅炉为卧式工业锅炉。锅炉的工作过程如下：在水汽系统方面，给水在加热器中加热到一定温度后，经给水管道进入省煤器，进一步加热以后送入锅筒，与锅水混合后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁管内吸收炉膛辐射热形成汽水混合物经上升管到达锅筒中，由汽水分离装置使水、汽分离。分离出来的饱和蒸汽由锅筒上部流往过热器，继续吸热成为一定温度的过热蒸汽（目前大多300MW、600MW机组主汽温度约为540左右），然后送往汽轮机；在燃烧和烟风系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由来自空气预热器的一部分热空气携带经燃烧器喷入炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合燃烧，放出大量热量。燃烧后的热烟气顺序流经炉膛、凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，最后由引风机送往烟囱排向大气。3.2.2 被控对象油桶 在本系统中所用储油桶为室外大型油桶，容量分别为150吨和70吨。在其内壁环绕蒸汽管道。在油桶下方安装有一个蒸汽进气阀门，用于控制蒸汽进气量。另设置一路出气管道，以供蒸汽排出。在桶壁上安装一个温度传感器，使其温度探头置于桶内以检测桶内实际温度，使其尾部接线端置于桶外，通过外部连线与PLC可编程控制器模拟量输入模块连接以读取所测数据。3.2.3 控制部分PLC 在本系统中所用控制器为西门子S7-200系列PLC可编程控制器及其辅助模块，通过模拟量输入模块将输入的模拟量转换为数字量传送到CPU模块进行处理，再通过CPU模块的开关量输出端子将控制指令传送到电磁阀及送风电机等执行机构以进行温度控制。第4章 基于PLC的模糊算法温度控制系统运行原理4.1 系统控制算法综合控制系统的成本以及在生产过程中被控对象对系统控制精度的要求，本系统采用PLC模糊控制中的经典模糊算法来实施控制。其中略去温度变化率的因素，即仅考虑实际温度值与设定温度值的比值关系来确定控制规则。可归纳为一维的模糊控制规则：if.then.。具体控制规则由现场经验确定如下：如果检测温度低于设定值的50%，则进气阀门打开的占空比为l00%。如果检测温度高于设定值的50%且低于设定值的80%，则进气阀门打开的占空比为70%。如果检测温度高于设定值的80%且低于设定值的90%，则进气阀门打开的占空比为50%。如果检测温度高于设定值的90%且低于设定值的100%，则进气阀门打开的占空比为30%。如果检测温度高于设定值的100%且低于设定值的102%，则进气阀门打开的占空比为10%。如果检测温度高于设定值的102%，则进气阀门打开的占空比为0%。4.2 系统运行流程图4-1油桶温度控制系统结构图如图4-1所示为油桶温度控制系统。本系统控制2个油桶。每个油桶有一个测温输入点（模拟量输入），一个进气电磁阀控制输入蒸汽（开关量），一个送风电机（开关量），共两个开关量输出。一个启动按钮，一个停止按钮一个急停按钮。一个油桶需要3个开关量输入，2个开关量输出和一个模拟量输入。整个系统还需要设置一个总启动开关，一个总停止开关（共2个开关量输入点）。一个总进气电磁阀，（共1个开关量输出点）。合计整个控制系统需要开关量输入8点，开关量输出5点，模拟量输入2点。本系统中由于只采用了子程序调用而没有采用中断，因此结构比较简单。在系统总启动之后，主程序只要不断查询各个子程序的启动条件并根据启动条件去决定是否调用温控程序即可。图4.2 系统流程图系统流程如图4-2所示：首先运行PLC控制器，CPU模块开始对主程序进行周期性扫描，当总启动按钮按下后总进气阀打开，系统开始检测一号和二号储油桶的启动情况，若一号启动按钮和二号启动按钮都按下后，系统开始按控制规则分别对其进行温度控制，当指令发出后系统开始检测总停止情况，若总停止按钮为按下，则系统开始进行下一轮扫描，下一轮控制，依次进行，直到总停止按钮按下，系统结束运行。当需要运行系统时，应先开启1号、2号风机，启动电机供风循环热气流；与此同时开启总进气阀，根据事先设置好的程序对1号、2号油桶进行温度控制，也可任意开启其中一个油桶。当系统结束运行时，关闭总进气阀，按下停止按钮关闭风机。 连锁要求只有总进气阀打开，才能启动各油桶进气阀。控制过程应该满足如下要求。总启动按钮按下以后整个系统允许运行。按下总停止按钮整个系统停止运行。每个油桶都可以自行控制。按下各油桶的启动按钮后各油桶开始运行，按下其停止按钮各油桶停止运行，按下急停按钮禁止各油桶的输出控制。第5章 系统的硬件设计5.1 硬件选择5.1.1 CPU224模块在S7-200的第二代PLC产品中，Siemens为其提供了5种不同配置的CPU模块，各模块的主要技术性能如表5-1所示。表5-1 CPU22X的主要技术性能CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM外形尺寸90*80*62120*80*62190*80*62程序存储区/bit 4096 8192 16384数据存储区/bit 2048 5120 10240用户存储器类型 EEPROM调电保护时间/h50190本机I/O点数6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出扩展模拟块数无 2 7数字量I/O映像/bit 256（128入/128出）模拟量I/O映像/bit无3264内部通用继电器/bit 256内部定时器/计数器 256/256顺序控制继电器/bit 256累加寄存器 AC0-AC3高速计数器单相30（4）个30（6）个双相20（2）个20（4）个脉冲输出/KHz 20（2路）模拟量调节电位器 1 2 通信口RS485 1 2通信中断发送/接收 1/2定时器中断 2（1255ms）硬件输入中断 4实时时钟需配时钟卡 内置口令保护 有布尔指令执行速度 0.37其中，CPU221模块有6输入/4输出的共10个数字量I/O点，务I/O扩展能力，程序和数据存储容量较小；4个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出；1个RS485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力，非常适合于点数少的控制系统。CPU222模块有8输入/6输出的共14个数字量I/O点，能进行2个外部功能模块的扩展，它包括6KB程序和数据存储器；4个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出；1个RS485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力，适合于小点数的为型控制系统。CPU224模块有14输入/10输出的共24个数字量I/O点，程序和数据存储容量达13KB，并能最多扩展7个外部功能模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O；内置时钟，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；1个RS485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力；其I/O端子排可很容易地整体拆卸，具有较强的控制能力，因此它是S7-200系列中应用最广的产品。CPU226模块有24输入/16输出的共40个数字量I/O点，程序和数据存储容量达13KB，并能最多扩展7个外部功能模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O；内置时钟，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通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力；其I/O端子排可很容易地整体拆卸，适用于控制要求较高、点数多的小型或中型控制系统。CPU226XM是在CPU226的基础上进一步增大了程序和数据存储空间，其他指标与CPU226相同。在本系统中由于总计有开关量输入信号8个，开关量输出信号5个，因此可选用CPU222、CPU224或CPU226.由于是在实际生产线上运用，但由于另外还有两路模拟量信号输入，且在生产实际中需要考虑到系统的维修、改善及升级等需求，可预留一些I/O端子以备使用，因此可排除CPU222.另外从成本考虑，CPU224完全能满足系统的各项指标，而使用CPU226则降低了使用率，导致多数端子处于闲置状态，因此为节约成本，选用CPU224为最佳选择。5.1.2 模拟量输入模块EM231在工业控制中，某些输入量（如压力、温度、流量、转速等）是模拟量，某些执行机构（例如电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压，例如420mA，15V,010V，PLC用A/D转换器将它们转换成数字量。D/A转换器将PLC中的数字量转换为模拟量电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I/O模块的主要任务就是实现A/D转换（模拟量输入）和D/A转换（模拟量输出）。例如在温度闭环控制系统中，油桶温度用热电偶或热电阻检测，温度变送器将weudu转换为标准量程的电流或电压后送给模拟量输入模块，经A/D转换后得到与温度成正比的数字量，CPU将它与温度设定值比较，并按某种控制规律对差值进行运算，将运算结果（数字量）送给模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流信号或电压信号，用来控制电动调节阀的开度，通过它控制加热用的天然气的流量，实现对温度的闭环控制。A/D转换器和D/A转换器的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越高。模拟量输入/输出模块的另一个重要指标是转换时间。S7200有5种模拟量扩展模块，如表5-2所示：表5-2 模拟量扩展模块 型号 点数 EM231 CN4路模拟量输入 EM231 CN 2路热电阻输入 EM231 CN 4路热电偶输入 EM232 CN 2路模拟量输出 EM235 CN 4路模拟量输入/1路模拟量输出模拟量输入模块有多种量程，可以用模块上的DIP开关来设置。EM231 CN 模拟量输入模块有5档量程（DC 0-10V、0-5V、0-20mA、-2.5V+2.5V、-5V+5V）。EM235 CN模块的输入信号有16档量程。模拟量输入模块的分辨率为12位，单极性全量程输入范围对应的数字量输出为032000.双极性全量程输入范围对应的数字量输出为-32000+32000.模拟量输出模块EM232 CN的量程有-10V+10和020mA两种，对应的数字量分别为-32000+32000和032000.满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为12位和11位。EM231热电偶、热电阻模块具有冷端补偿电路，如果环境温度迅速变化，则会产生额外的误差。热电偶输出的电压范围为-80mV+80mV，模块输出的15位加符号位的二进制数。4路输入热电偶模块EM231可以与J、K、E、N、S、T和R型热电偶配套使用，用模块上的DIP开关来选择热电偶的类型。热电阻的接线方式有2线、3线和4线3种，其中4线方式的精度最高，2线方式的精度最低。2路输入热电阻模块EM231可以通过DIP开关来选择热电阻的类型、接线方式、测量单位和开路故障的方向。连接到同一个扩展模块上的热电阻必须是相同类型的。改变DIP开关后必须将PLC短点后再通电，新的设置才能起作用。在本系统中，由于有两路模拟量信号输入，且为由热电阻检测的温度值，因此综合生产运行和设备成本考虑，选用EM231模块。5.1.3 PT100温度传感器温度是表征物体冷热程度的物理量,它可以通过物体随温度变化的某些特性（如电阻、电压变化等特性）来间接测量，通过研究发现，金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100，电阻变化率为0.3851/。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200650）最常用的一种温度检测器。按IEC751国际标准， 温度系数TCR=0.，Pt100（R0=100）、Pt1000（R0=1000）为统一设计型铂电阻。其中 （5-1）温度/电阻特性如下： （5-2） （5-3）其中Rt为 在t时的电阻值，R0为 在0时的电阻值。当TCR=0.时，A=3.908310-3-1,B= -5.77510-7-2,C= -4.18310-12-4。 根据铂热电阻接线方式的不同，所测值的精度不同。下面分别介绍3种接线方式的特点：两线制传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值，由于导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高，用于测量精度要求不高的场合，并且导线的长度不宜过长。三线制要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，通过计算可知，Rt=R1R3/R2+R1r/R2-r,当R1=R2时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响，但分析可见，采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。图5-1 热电阻三线制接线图四线制当测量电阻数值很小时，测试线的电阻可能引入明显误差，四线测量用两条附加测试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过电压表，这样就可以精确测量未知电阻上的压降，通过计算得出电阻值。图5-2铂热电阻实物图在本系统中由于连接热电阻与模拟量模块输入端的导向距离较长，因此排除两线制接线方式，而由于所测量温度对应的电阻值不是很小，因此不必采用成本较高的4线制接线方式。最终经过综合考虑采用三线制接线方式。5.1.4 送风电机电动机分类：1按工作电源分类:根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。 2按结构及工作原理分类:根据电动机按结构及工作原理的不同，可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 3按起动与运行方式分类:根据电动机按起动与运行方式不同，可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。 4按用途分类:可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。 5按转子的结构分类:根据电动机按转子的结构不同，可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。 6按运转速度分类:根据电动机按运转速度不同，可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的同步转速。同步电动机的转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速。在本系统中的送风电机采用三相异步电机，通过接触器KM控制其通断情况.三相异步电机(Triple-phase asynchronous motor)是靠同时接入380V三相交流电源(相位差120度)供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。其基本工作过程如下：(1)当三相异步电机接入三相交流电源(各相差120度电角度)时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场，该磁场以同步转速n0沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转。 (2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体(转子绕组是闭合通路)产生感应电动势并产生感应电流（感应电动势的方向用右手定则判定）。 (3)根据电磁力定律，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。载流的转子导体在定子产生的磁场磁场中受到电磁力作用(力的方向用左手定则判定)，电磁力对电机转子轴形成电磁转矩，驱动电机转子沿着旋转磁场方向旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。由于没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先，电机转动方向与旋转磁场方向相同。在选择送风电机后，还需选择合适的接触器控制其电源的接通与断开。接触器(Contactor)是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。其原理见图5-3。在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制(某些型别可达800安培)电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象也可用作控制工厂设备电热器工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。是自动控制系统中的重要元件之一。图5-3 接触器原理图5.1.5 电磁阀电磁阀是用来控制流体方向的自动化基础元件，属于执行器；通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。其工作原理如下：电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管