电加热器控制系统毕业设计

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PLCPID可控硅ABSTRACTIntheautomaticcontrolsystem,thetemperaturecontrolsystemisanimportantpartofthesystem.Itisgenerallycomposedofthecontrolledobject,sensor,regulatorandactuator.Differenttemperaturecontrolsystemshavethedifferentcontrolschemeandthedifferenttemperaturecontrolsystemisbasedonthedifferenttechnologyandproductionsituation.Forexample,petroleum,metallurgy,machinery,food,chemicaletc.Allkindsofindustrialproductioniswidelyusedinvariousreactionfurnace,heatingfurnaceandotherheatingequipment,thefueltheyusediscoalgas,naturalgas,electricityandotherdifferentheatingmaterials.Therefore,theselectionofcontrolschemeisdifferent.Thetemperaturecontrolsystemoftheprocessisverycomplexandisaffectedbyvariousfactors,soithasalotofuncertainty,thecontrolsystemmustusethemoreadvancedcontroltechnologyandthemorereasonablecontroltheory.ThissystemiscomposedofPLCandPC,whichconstitutesatypicaltemperaturedistributingcontrolsystem.PLCisusedasthebrainofthecontrolsystem,PCisusedasasurveillancesystem.Thesystemisbycollectingthedatafromthetemperaturesensor,andthenthePLCworksoutthroughthePIDoperation,theresultsbymeansofphaseshifttriggermoduletosendatriggersignaltoacontrollablesilicon,andsiliconcontrolledrectifiercontroltheelectricheatingfurnacetoaccomplishthetemperaturecontrol.Firstly,thispaperexpoundsthebackgroundandsignificanceofthesystem;Secondly,thecompositionofthesystemwillbebrieflyintroduced;thenthepaperexplainsthedesignofthehardwareofthesystem.Finally,ialsodesignsthesoftwareofthesystem.Keywords:temperaturecontrolsystem;distributedcontrolsystem;PID;PLC;SCRII目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 IABSTRACT II1绪论 1\o"CurrentDocument"系统设计背景 1\o"CurrentDocument"系统工作原理 1\o"CurrentDocument"系统设计目标及技术要求 1\o"CurrentDocument"技术综述 2\o"CurrentDocument"本章小结 3\o"CurrentDocument"2系统设计 4\o"CurrentDocument"PID控制原理 4\o"CurrentDocument"比例（P）控制 4\o"CurrentDocument"积分（I）控制 4\o"CurrentDocument"微分（D）控制 4\o"CurrentDocument"编址表和系统结构 4\o"CurrentDocument"编址表 4\o"CurrentDocument"系统结构 5\o"CurrentDocument"系统设计思路 6\o"CurrentDocument"本章小结 6\o"CurrentDocument"3硬件设计 7\o"CurrentDocument"PLC的基本概念 7\o"CurrentDocument"PLC的基本结构组成 7\o"CurrentDocument"PLC的特点 7\o"CurrentDocument"PLC的工作原理 7\o"CurrentDocument"输入采样阶段 7\o"CurrentDocument"用户程序执行阶段 8\o"CurrentDocument"输出刷新阶段 8\o"CurrentDocument"S7-200PLC简介 8\o"CurrentDocument"CPU224主要技术性能 9\o"CurrentDocument"数字量输入模块 9\o"CurrentDocument"数字量输出模块 9\o"CurrentDocument"模拟量输入模块 10\o"CurrentDocument"模拟量输出模块 10\o"CurrentDocument"模拟量输入和输出混合扩展模板 10\o"CurrentDocument"其他硬件 11\o"CurrentDocument"周波控制器 11\o"CurrentDocument"周波控制器的特点 12\o"CurrentDocument"温度传感器 12\o"CurrentDocument"电加热炉 15\o"CurrentDocument"硬件接线图 16\o"CurrentDocument"本章小结 17\o"CurrentDocument"4软件设计 18\o"CurrentDocument"PLC控制软件设计 18\o"CurrentDocument"STEP7编程软件简介 18\o"CurrentDocument"PLC程序设计流程图 19\o"CurrentDocument"PID控制程序设计 20\o"CurrentDocument"回路输入输出的数值转换方法 23\o"CurrentDocument"PLC程序设计梯形图 23\o"CurrentDocument"PLC程序调试 29\o"CurrentDocument"上位机软件设计 29组态王6.53简介[14] 29\o"CurrentDocument"PLC通信配置与通讯PPI协议 30\o"CurrentDocument"组态王定义外部设备和数据变量 30\o"CurrentDocument"组态王界面 31\o"CurrentDocument"本章小结 34\o"CurrentDocument"5结论 35\o"CurrentDocument"参考文献 36致谢 错误!未定义书签。附录一：PLC程序 错误!未定义书签。附录二：电气原理图 错误!未定义书签。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］。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］。系统设计目标及技术要求本系统由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S7-200PLC，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：①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；②确定PLC电控系统的结构方案、基于S7-200PLC和上位机确定系统设备配置；③确定基于S7-200PLC的控制程序结构，设计和调试PLC应用程序。④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。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。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。2系统设计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。比例口）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。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。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。编址表和系统结构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s7-200PLC的扩展模块EM235输入进PLC或输出到外部电路。三个数

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I0.3SCR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报警蜂鸣器系统结构本系统的结构框图如图2.1所示。上位机温度传感器SCR箭嘴俞如s7-200PLC温度传感器SCR箭嘴俞如电加熟炉图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。

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。3硬件设计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。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］。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。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。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。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。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。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CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226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CPU224如图3.1所示：图3.1CPU224实物图

CPU224主要技术性能CPU224的一般性能如表3.1所示。表3.1S7-200PLCCPU224一般性能电源电压DC24V，AC100~230V输出给传感器的电压DC24V(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（1~255ms）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0.37口s内部标志位256,可保持:EEPROM中0~112计数器0~256,可保持：256,6个高速计数器定时器可保持：256；4个定时器，1ms~30s16个定时器，10ms~5min236个定时器，100ms~54min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。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0.5〜2A，9负载电源由外部现场电源提供。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25空，转换精度为12位。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100W，转换精度为12位。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3.2EM235选择模拟量输出范围和分辨率的开关表单极性）壮工口满里程分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0-50mV12.5uVOFFONOFFONOFFON0-100mV25uVONOFFOFFOFFONON0-500mV125uVOFFONOFFOFFONON0-1V250uVONOFFOFFOFFOFFON0-5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0-20mA5uAOFFONOFFOFFOFFON0-10V2.5mV10

图3.2EM235图3.2EM235实物图其他硬件周波控制器周波控制器（又名可控硅调功器）并联可控硅组成先进的温度控制系统。触发、手动控温、接受外来信号控温、提示等功能。如图3.3周波控制器（又名可控硅调功器）并联可控硅组成先进的温度控制系统。触发、手动控温、接受外来信号控温、提示等功能。如图3.3所示。可与各种控温仪表、双向可控硅或反内装控制触发器，可实现可控硅过零加温功率大小指示、关断保护、故障TG-GP•淋装式周波谏制器・克宁恒神捶在■心小TG4；.］架装式周一控制器TG-GP•淋装式周波谏制器・克宁恒神捶在■心小TG4；.］架装式周一控制器图3.3周波控制器示意图11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。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⑹。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。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。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12能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的。伯电阻的工作原理是，在温度作用下，伯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100Q,目前使用的一般都是这种铂热电阻。此外还有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等伯热电阻［7］。本设计选用Pt100伯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3.4Pt100实物图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。图3.5Pt100接线图13

Pt100温度传感器的部分分度表如表3.3所示:表3.3Pt100温度传感器的部分分度表0123456789温度℃电阻值（Q）0100.00100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.5110103.90104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.4020107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.51110.90111.2930111.67112.06112.45112.83113.22113.61114.00114.38114.77115.1540115.54115.93116.31116.70117.08117.47117.86118.24118.63119.0150119.40119.78120.17120.55120.94121.32121.71122.09122.47122.8660123.24123.63124.01124.39124.78125.16125.54125.93126.31126.6970127.08127.46127.84128.22128.61128.99129.37129.75130.13130.5280130.90131.28131.66132.04132.42132.80133.18133.57133.95134.3390134.71135.09135.47135.85136.23136.61136.99137.37137.75138.13100138.51138.88139.26139.64140.02140.40140.78141.16141.54141.91110142.29142.67143.05143.43143.80144.18144.56144.94145.31145.69120146.07146.44146.82147.20147.57147.95148.33148.70149.08149.46130149.83150.21150.58150.96151.33151.71152.08152.46152.83153.21140153.58153.96154.33154.71155.08155.46155.83156.20156.58156.95150157.33157.70158.07158.45158.82159.19159.56159.94160.31160.68160161.05161.43161.80162.17162.54162.91163.29163.66164.03164.40170164.77165.14165.51165.89166.26166.63167.00167.37167.74168.11180168.48168.85169.22169.59169.96170.33170.70171.07171.43171.80190172.17172.54172.91173.28173.65174.02174.38174.75175.12175.49200175.86176.22176.59176.96177.33177.69178.06178.43178.79179.16210179.53179.89180.26180.63180.99181.36181.72182.09182.46182.82220183.19183.55183.92184.28184.65185.01185.38185.74186.11186.47230186.84187.20187.56187.93188.29188.66189.02189.38189.75190.11240190.47190.84191.20191.56191.92192.29192.65193.01193.37193.74250194.10194.46194.82195.18195.55195.91196.27196.63196.99197.35260197.71198.07198.43198.79199.15199.51199.87200.23200.59200.95270201.31201.67202.03202.39202.75203.11203.47203.83204.19204.55280204.90205.26205.62205.98206.34206.70207.05207.41207.77208.13290208.48208.84209.20209.56209.91210.27210.63210.98211.34211.7014

300212.05212.41212.76213.12213.48213.83214.19214.54214.90215.25310215.61215.96216.32216.67217.03217.38217.74218.09218.44218.80320219.15219.51219.86220.21220.57220.92221.27221.63221.98222.33330222.68223.04223.39223.74224.09224.45224.80225.15225.50225.85340226.21226.56226.91227.26227.61227.96228.31228.66229.02229.37350229.72230.07230.42230.77231.12231.47231.82232.17232.52232.87360233.21233.56233.91234.26234.61234.96235.31235.66236.00236.35370236.70237.05237.40237.74238.09238.44238.79239.13239.48239.83380240.18240.52240.87241.22241.56241.91242.26242.60242.95243.29390243.64243.99244.33244.68245.02245.37245.71246.06246.40246.75400247.09247.44247.78248.13248.47248.81249.16249.50245.85250.19410250.53250.88251.22251.56251.91252.25252.59252.93253.28253.62420253.96254.30254.65254.99255.33255.67256.01256.35256.70257.04430257.38257.72258.06258.40258.74259.08259.42259.76260.10260.44440260.78261.12261.46261.80262.14262.48262.82263.16263.50263.84450264.18264.52264.86265.20265.53265.87266.21266.55266.89267.22460267.56267.90268.24268.57268.91269.25269.59269.92270.26270.60470270.93271.27271.61271.94272.28272.61272.95273.29273.62273.96480274.29274.63274.96275.30275.63275.97276.30276.64276.97277.31490277.64277.98278.31278.64278.98279.31279.64279.98280.31280.64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。要求的温度控制范围是0—100℃。温度控制的精度是正负1℃。其实物图如图3.6所示：15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:图3.7PLC的硬件接线图16EM235的接线如图3.8所示:电流曳送器ririri门口口电流便载

I---——

电压值载电流曳送器ririri门口口电流便载

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电压值载图3.8EM235的接线图3.6本章小结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。174软件设计PLC控制软件设计STEP7编程软件简介STEP7-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。STEP7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STEP7-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STEP7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STEP7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STEP7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，STEP7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⑻。18

g£TEP7-M<cr*,WIN-项n1-[5IMAT1CLARJSi立相FjKeimmPtotPi调向即Tamnow幅曲时白叮叮后皂：r弟■•：5E二1V1KebbET^V注程 1HEhfTEhPTEW31EKP7KebbET^V注程 1HEhfTEhPTEW31EKP7,•»Sa••!31•'10*।*11*•!12,।a13'•a14a•8154।-IG8।d?1।*1S'....ujd1好端钟信K推赧班衿的照K丽行讲cpBjn状酸系交通同工中lib位时盘ft*计百螫中遏传香移字*:"信导耳WCY1*七*NwmR|_|项®曰理旬©号仔尹mqqJJ,刃正必聿山包好必2用LIEH3■由中国由"&EH3ttLIEH5.3.中国由中申团由甲H-3,中一ITF躅普曲E亍正在翱砌林•至猩南I0ET15凡口矮刖叫一01网聊旃 画］ 一行2.角金 h咽N图4.1STEP7-MicroWIN编程界面PLC程序设计流程图图4.2主程序图4.2主程序19设定温度图4.3子程序0图4.3子程序0图4.4中断服务程序PID控制程序设计PID控制算法图4.5PID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：(4-1)e(t)=r(t)-c(t)(4-1)20

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：U(k)=Kp|e(k)+/?^^e(/)+y[e(k)-e(k-l)]Lfl式中fl式中F|e(k)|<f|e(k)|>Z（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］。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：①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。②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；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21

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/Tr1.05PI0.030.530.88 PID0.0140.630.490.141.20PI0.050.490.91 PID0.0430.470.470.161.50PI0.140.420.99-PID0.090.340.430.202.00PI0.220.361.05 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=16,1=2.0，D=0.5。PID回路指令S7-200PLC使用的PID回路指令，如表4.2所示:表4.2PID回路指令名称PID运算指令格式PID指令表格式PIDTBL，LOOP梯形图V8100-0-PIDEN ENOTBLLOUP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0［11］。22

表4.3PID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0.0-1.0之间4给定值（SPn）实数必须在0.0-1.0之间8输出值（Mn）实数必须在0.0-1.0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$，必须为正数20积分时间（Ti）实数单位为1^^，必须为正数24微分时间（Td）实数单位为1^^，必须为正数28积分项前值（Mx）实数必须在0.0-1.0之间32过程变量前值（PVn-1）实数必须在0.0-1.0之间回路输入输出的数值转换方法本次设计的控制变量是加热炉的温度。它不完全是过程变量PV,因为过程变量PV与PID的输出有关。经过传感器测量的温度信号必须转换标准信号才是过程变量PV，因此，我们必须把数据做一下转换。温度信号经过传感器输入的电压信号在EM235输入后，是一个整数信号，由于PID指令执行的数据必须是实数，所以我们使用梯形图编程实现数据转换。程序图如图4.6所示：图4.6转换程序［12］PLC程序设计梯形图初次上电①清除寄存器M和输出寄存器Q的数据。②调用PID初始化子程序，初始PID参数［13］。23网密1网络标题涧络江释WMD.1HL1:QO1I i-Hr)-3：MQOTR)E"moTT~ l <ENENO 讨0:3HINHlJIrSet.JVVDSO24

图4.7上电程序启动/停止程序通过一个按钮实现系统的启动和停止。是运用跟斗开关实现的，根据输出Q0.0的状态不同，按下I0.0就能改变Q0.0当前状态。如果Q0.0当前为0，当按下I0.0后，Q0.0状态变为1，反之，Q0.0状态为0。网络3SB_1:IO,O M0.0<I 1pI—pC )M1.0符号地址注释'品」I0.0启动，停止按钮网络4MO.OKA1:QU.O I、1 KA1:Q0,0 /、MO.O■/■高高报警:MU4 KA1:Q0.a I、1 1 1 LJ符居地址注释KA1Q0.0加热炉运行高高报警M0.4图4.8启动/停止程序25

报警程序温度报警程序：当温度达到温度的90℃时，发出高温报警信号，并使AQW0的输出为0；当温度达到最高温度的95℃时，系统发出高高温报警信号，系统停机，并使AQW0的输出为0。温度低于温度的10℃时，系统发出低温报警信号，温度低于温度的5℃时，系统发出低低温报警信号，系统停机，检查系统故障。26

网络610.2HLkQO/lL)10.3抵位抵粤:MCHKA2:Q0.2Cs)1网络610.2HLkQO/lL)10.3抵位抵粤:MCHKA2:Q0.2Cs)1KA1:QO.O(E)1忘位报警MO.2M0V_WEN ENDD-IN网络9温度报警2低低报警MD.3低低报警MD.3T)II 1 l<=Rl0.05高高报警川口.4甲D4口高高报警川口.4符号地址注释低低报萼M0；3福高报警痂.4图4.9报警程序中断服务程序首先模拟信号AIW0的采样处理，并导入PID回路，然后根据PID参数进行PID运算，最后把PID输出变换成可以输出的模拟信号。27图4.10中断服务程序28PLC程序调试PLC程序的调试是设计一个PLC控制系统的重要环节，由于S7-200系列PLC的仿真软件模拟出的结果不满足电加热器的实际功能，所在此设计中PLC程序的调试我们采用实验室提供的加热模块进行模拟调试。在进行调试之前要对整个模拟环境进行检查，首先，我们要设置PLC与PC机的通信协议为PPI，在实现计算机和PLC的通讯后，编写一个点动程序测试PLC的数字量模块是正常；然后，编写一个模拟量的采集程序，通过状态监控，观察模拟量采集模块能'否正常工作；最后编写一个模拟量的输出程序，通过状态热模块是否正常。：的监控，检查模拟量在进行完以上勺工作且簪个模块均能正常工作的前提下，将已经编写好的空热模块是否正常。：的监控，检查模拟量在进行完以上勺工作且簪个模块均能正常工作的前提下，将已经编写好的空I培？5. IJI II二H I I121制系统程序下载到黑中，并运行僦。在进通过S7编程软件提供的程序监控和状态监控系统，对程序进行实时的监控,观察程序运在进行P盘蠹序调试时遇到的最大问题是模拟量输出过程变量很不连续，一会为福一会为"完全不在可控制的范围内。经过多方面的上网查阅资料和一会为福咨询指导老师，麒终发现了问题；是由于使用咨询指导老师，麒终发现了问题；是由于使用PID指令时，使用Q0.0作为触发指令。受PLC的CPU工作方式影响，Q0.0不能作为PID指令的触发指令，最发指令后把Q0.0MO0，系统模拟量输出变正常了，PLC后把Q0.0上位机软件设计4.2组态慰6；53简介[14]及“程且界组态应履王5434.2组态慰6；53简介[14]及“程且界组态应履王543是根据当前的自动化技术以实现企业一体化为目标开发的的发展趋势，面向高端自动化市场

一套产品。该软件集成了对亚控科实时数据库的支持，可以为用户提供一个对整体的生产流数,据汨管汕以及管理平台，使用户能够及时有效的获取生产信息，并：■■,ESI&山」画面及日面，时的做出反应声以获得最让人满意的结果。该软件的特点有可视化操作：S?发布历史信息真彩显示图形、丰富的图库、动画连接以及变量导入导出功能。被籍图4.11软件界面强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据的分布式保存，强大的脚本语言处理，能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理。全新的Webserver架构，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布。丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块。29PLC通信配置与通讯PPI协议PLC数据传送方式常见的数据传送方式有：串行和并行方式。大多数PLC选用的都是串行方式，这是因为串行方式的速度快且成本较低，只需要一根数据线就可以传数据。异步工作方式与同步工作方式异步工作方式就是在它发送数据的同时必须先要发送数据的起始位，然后才发送数据，最后发生结束位。同时在数据发送之后，会跟着一个奇偶校验位。异步传送是根据起始位和波特率来判断是否同步的。同步工作方式是在数据传送的同时，也传送了同步时钟信号，并且按照给你时钟采集数据。虽然同步工作方式传输速率快，但是它对系统的通信性能要求很高。因此，PLC选择了用异步工作方式传输数据。通讯PPI协议PPI协议是一种主-从协议。主站设备发送要求到从站设备，从站设备响应，从站设备不能主动发出信息。其通信过程是主站设备按照通信任务用一定格式的数据向PLC发送通信命令。PLC收到命令后,进行命令校验。如命令数据格式准确无误，则PLC向主站设备发出表示命令正确的初步应答信号,主站设备在收到初步应答信号后，再向PLC发送确认命令。PLC收到确认命令后,执行命令响应［15］。组态王定义外部设备和数据变量设备的定义由于组态王在编写的程序在运行时需要与外部设备进行数据交换，因此，我们必须在程序编写之初，把外部设备与程序连接起来。本设计中的设备PLCS7-200。可以使用组态王中工程浏览器的