【《恒温系统PID控制实验装置硬件和软件系统设计案例》5700字】

恒温系统PID控制实验装置硬件和软件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2448恒温系统PID控制实验装置硬件和软件系统设计案例 118352一、恒温系统PID控制实验装置硬件系统设计 2154491.1恒温系统PID控制实验装置总体方案设计 2136771.2恒温系统PID控制实验装置硬件组成 2226481.2.1PLC 2189981.2.2温度变送器 349421.2.3固态继电器 341581.2.5铝块 4141371.2.6触摸屏 4137181.2.7热电阻 5149801.2.8其他附件 5240241.3主电路设计 717851.1.1主电路组成 756131.1.2测温电路设计 8161191.1.3控温电路设计 990461.4系统搭建 10297471.5本章小结 1029277第二章恒温系统PID控制实验装置软件系统设计 1096162.1人机交互界面设计 11171672.1.1监控界面设计 11175912.2PLC程序开发与设计 12294422.2.1测温程序 12187622.2.2加热程序 13292202.2.3风冷程序 15181622.3本章小结 15一、恒温系统PID控制实验装置硬件系统设计第二章详细介绍了恒温系统PID控制技术实验装置设计主要工作原理发展以及各个功能模块组成，本章将对其硬件信息系统数据进行简单介绍，包括可编程逻辑控制器（PLC）、温度变送器、固态继电器、触摸屏以及一系列附件。然后介绍实验装置硬件系统的电路设计，包括主电路设计、加热电路、散热电路和温度控制电路。完成对整个系统的最终构建，最终可以实现相应的硬件功能。1.1恒温系统PID控制实验装置总体方案设计系统采用西门子SP-200系列PLC控制系统，通过PT100热电阻进行铝块温度采集，温度变送器将模拟量传输给PLC；威纶触摸屏显示界面，通过触摸屏进行互动与温度监视；PLC通过相应控制算法对其实现温度控制，其中电加热器作为控制对象，如图3-1是温度控制系统方案设计示意图。图3-1温度控制系统总体方案设计图1.2恒温系统PID控制实验装置硬件组成1.2.1PLCPLC通常是工业自动化控制系统的主要内容组成的一部分。它们在制造业、化学工业和过程工业中涉及过程和辅助部件的顺序控制和同步的应用中非常有效和可靠。在本控制系统中，作为核心控制器选择的是西门子SP-200系列PLC控制系统，如图3-2所示。图3-2西门子SP-200系列PLC1.2.2温度变送器温度变送器是将温度控制变量转换为可传送的标准化数据输出一个信号的仪表，如图3-3所示。温度变送器的测温元件通常使用热电偶、热电阻，首先通过将信号传导到测温元件，然后再传输到温度变送器，中间通过对信号进行相应的处理，包括放大信号、矫正信号、稳压滤波、反向保护以及V/I转换等电路处理。将输入其中的包含0-5V/0-10V电压信号以及4～20mA电流信号，通过一定关系转化成为电流与温度成线性关系或者电压与温度成线性关系的模拟量信号。最终，在本设备中，温度变送器输出的模拟量信号将会输送到PLC中。图3-3温度变送器1.2.3固态继电器固态继电器本质上是一种无触点开关，其内部机构由电力电子电力器件、微电子电路和分立电子器件组成。其输入端采用微小的控制系统信号，就可以进行驱动发展较大的电流负载。见图3-4。加利福尼亚大学圣地亚哥分校的高级科学家说，由于这种继电器具有隔离、非接触式开关控制，在开关的开启和关闭过程中没有机械触点或电火花，因此它不仅具有与电磁继电器相同的功能，而且还具有优异的防潮和防腐特性，在爆炸性和臭氧污染环境中工作得很好，输入功率低，灵敏度高，功率低，具有良好的电磁兼容性和抗干扰能力REF_Ref6659\r\h[25]。图3-4固态继电器1.2.5铝块作为本次温控实验的控制对象，铝合金不仅比铜便宜，而且导热能力弱，适合温控，如图3-5所示，是安装在实验装置上的铝块，插有PT100热电阻和加热器。在控温过程中，铝块被插入其中的加热棒加热。随着铝块温度的升高，PT100的电阻值发生变化，从而达到控温测温的目的。图3-5铝块1.2.6触摸屏为了搭建一个人机交互平台，希望触摸屏既能将铝块的温度变化信息与给定的目标温度同步，又能掌握铝块的温度。还可以简化操作，降低操作门槛。通过对比选择威纶触摸屏作为人机交互平台，触摸屏通过通讯电缆（DVI）与PLC相连接，触摸屏内需要提前编译人机交互界面程序，用来控制PLC使用PID算法从而控制铝块温度。在其实际运行时，显示温度实际值、温度设定值、比例（P）、积分（I）、微分（D）、加热按钮、加热停止以及事实的温度变化曲线，并且可以对温度设定值、以及比例（P）、积分（I）、微分（D）值进行分别设定。如图3-6为威纶触摸屏。图3-6威纶触摸屏本实验装置进行选择威纶触摸屏作为一个人机交互技术平台，下表3-1即为威纶触摸屏详细各项工作性能参数。表3-1威纶TK6071iQ1触摸屏性能参数表名称参数核心处理器ARMRISC528MHzSDRAM128MBNANDFLASH128MB串口COM1:RS-232,COM2:RS-4852W/4W输入电源10.5~28VDC工作温度-20°~60°C(-4°~140°F)工作湿度10%~90%(非冷凝)防护等级IP65屏幕分辨率800x4801.2.7热电阻金属热电阻是根据不同金属在其工作温度发生发展变化的同时，其自身的电阻阻值也同时发生了一些相应的变化进行制作而成。同时电阻变化与温度变化有一定的函数关系。通过测量电阻变化和温度变化，可以确定相关函数表达式的常数，这就是金属热阻的测温原理REF_Ref31940\r\h[19]。本文所采用的测温元件即PT100热电阻，当其温度发生变化时，其对应的阻值也随之发生线性变化。具体来说，当PT100热电阻温度从0摄氏度增长至100℃时，其所对应的阻值也会从100欧姆增长到138.5Ω。PT100铂电阻如图3-7所示。图3-7PT100热电阻当温度在0℃~200℃时：R其中A、B为实验室测得常数：A=0.00396847Ω/℃，B=-5.847×10-7Ω/℃，Rt为t℃时的电阻值，R0为0℃时的电阻值。1.2.8其他附件断路器为了对电源管理以及相关线路信息进行环境保护，当其发生发展严重的过载或者短路情况以及欠压等故障时能够实现自动切断电路，在电路中加入断路器，如图3-8所示。同时，在电路中，断路器还起着分配电能的作用。图3-8断路器开关电源切换电源是电压或电流，通过不同形式的架构将有点精确的电压转换为用户方所需的电压或电流，如图3-9所示。通过上文介绍的断路器将220V交流电输送给开关电源，然后输出直流DC24V，从而满足PLC、触摸屏、温度变送器以及下文将介绍的用于系统散热的小风扇。图3-9开关电源风扇本文研究旨在通过设计一款基于PID算法需要进行工作温度控制的实验装置，当目标物体被加热后仅仅依靠自然散热降温过于缓慢，为了能够提高实验效率，引入小风扇进行散热。同时，在系统的参数整定完成后，也可以利用小风扇的散热作为外部扰动来观察系统的整体运行状态。小风扇的实物图示如图3-10所示。小风扇由上述开关电源供电。图3-10风扇交流接触器由于实验中要频繁地接通断开线路，引入一个中间控制系统元件交流接触器，如图3-11所示。其原理是利用电磁力和弹簧力的组合来实现触头的接通和断开，对负载设备起到过载保护作用。主要有两种工作状态:断电状态和通电状态。当交流接触器中通电时，此时吸引线圈会流过电流，从而产生磁力，静铁芯则会被线圈产生的磁力吸引，此时衔铁也被吸引，从而整个交流接触器通电。而当吸引线圈断电，吸引线圈产生的磁力也会消失，衔铁则不会被吸引，在弹簧的作用下电路断开，交流接触器也处于断路。图3-11交流接触器加热棒为满足本实验对铝块的加热要求，引入了加热棒。其原理的核心是能量进行转换：将电能可以转换成一种热能。图3-12加热棒启动、停止、急停按钮最后通过按钮来控制交流接触器，如图3-13为启动、停止以及急停按钮。图3-13启动、停止、急停按钮1.3主电路设计1.1.1主电路组成下图3-14为主电路图，其中主电路由220V供电，并联出一条支路线路通过开关电源转换成直流24V，从而达到给西门子PLC、触摸屏、风扇以及温度变送器的供电的目的。图3-14主电路图1.1.2测温电路设计根据第二章测温分析表明，温度采集主要由温度传感器和测温装置组成，该测温装置适用于PT100铂电阻的动态测量，采用三线制测量补偿方式对电路中由于电阻产生的误差进行补偿，即将测量电阻的信号转化为电压信号，然后将模拟量传递给PLC。其主要结构图如图3-15所示：图3-15测温模块主要结构图测量铝块温度时，将表面涂有导热硅脂的PT100铂电阻插入铝块最中间，可以较为准确客观地反映铝块温度的变化，同时PT100铂电阻的阻值也会发生变化，通过三线制补偿电路与温度变送器将电阻的变化转变成电压变化，再通过PLC转换成数字量，计算得到相应的温度值，将其与威纶触摸屏连接，然后将其温度值显示在触摸屏上，如图3-16是测温电路图：图3-16测温电路图1.1.3控温电路设计当铝块温度发生变化时，铂电阻的阻值也随之不断发生发展变化，导致工作温度压力变送器输出给PLC的电压值也会发生变化。然后PLC采集模拟量的变化，通过预编的程序转换成温度值，在触摸屏上反映出来。然后根据PLC中预先编制的程序，决定如何控制铝块的温度，主要分为加热和散热。加热电路图如图3-17所示，散热电路图如图3-18所示：图3-17加热电路图图3-18散热电路图1.4系统搭建根据以上系统方案设计以及电路设计搭建系统，最终恒温系统PID控制实验装置如图3-19所示。图3-19恒温系统PID控制实验装置1.5本章小结本章主要阐述了恒温系统PID控制实验装置的硬件系统电路组成和单元电路设计。在控制管理系统设计温度时主要可以使用制冷与加热两种温控方式，信号由触摸屏上人工操作指令下达，然后根据指令需要通过触摸屏与PLC通讯电缆传递，再通过PLC对制冷与加热时间进行有效控制。恒温系统PID控制实验装置软件系统设计在恒温系统PID控制实验装置的硬件系统设计完成后，为了实现更好的处理，人机交互模块是必要的。在一般的智能控制系统中，硬件部分仅局限于硬件控制功能的实现，而不能根据现场的工业条件实时进行参数修改。将触摸屏幕引入控制管理系统，可以通过提供具有以下主要功能：实时输入温度控制企业相关参数，实时读取并且显示被控物体的温度信息，实时监测控制系统设计工作生活状态等等。与触摸屏实时通信的PLC也需要预先设置内置的软件，以便按照触摸屏的指示完成温度控制系统。2.1人机交互界面设计2.1.1监控界面设计为了满足温度控制的实用性，监控界面可以随意启动和停止系统是否对铝块进行加热和散热，实时监测铝块温度值的数值变化和期间的温度变化曲线。同时可以随时调整预期目标值、比例、积分、微分，实现更深层次的温度控制。考虑到人机界面和数据处理的友好特性，监控界面需要满足以下功能要求：在触摸屏幕上可以设置目标温度，并且需要设置的同时将不同目标温度转化成相应的指令发送给PLC。基于PLC的温度控制实验装置可以对PID参数进行修改。在整个温控系统实验装置运行中，实时接受采集并且同步显示铝块的实时温度。它可以随意开启和关闭加热和冷却。在整个温度控制系统运行过程中，铝块的实时温度采集并同步显示。根据上述功能和要求，设计了系统触摸屏监控界面，其界面渲染如下图4-1所示：图4-1监控界面设计图其中温度实际值对应的PLC中的地址为VD354，温度设定值以及PID算法中比例、积分以及微分的参数所对应的地址为VD324、VD344、以及VD334，加热启动按钮和散热启动按钮所对应的地址为M0.1以及M0.2，能够反映加热状态与散热状态的指示灯对应PLC的Q0.6以及Q0.7通道是否对外输出。为了我们更能直观地反映温度的变化曲线，同时可以加入温度发展趋势图。为了方便整体控制，引入总开关，其地址为M0.0。2.2PLC程序开发与设计其中PLC工作流程图如图4-2所示，随着PLC通电后，系统开始运行。当总开关打开后，测温模块会开始工作，实时同步铝块温度值到PLC中。触摸屏输入的比例、微分、积分目标温度值等参数会直接进入PLC中的PID算法中，倘若加热开关打开，PID算法将会通过控制固态继电器对铝块进行加热,。而测量温度也会实时与目标温度进行比较，当测量温度高于目标温度，并且同时散热开关打开时，风扇将会运转，对铝块进行散热。如果总开关关闭，则整个PLC会停止运转。图4-2PLC工作流程图2.2.1测温程序温度测量程序是本控制实验装置的核心，它是由PT100热阻随被测对象温度的变化而产生的，然后通过温度变送器将相应的电压变化值传送给PLC，变送器的相应电压变化值为0~10V。PLC接收到模拟量输入，将其电压值转化为实际温度值，其中的转化程序如图4-3所示，最终温度实际值地址为VD354。具体过程：首先获得模拟输入量（地址Alw0），然后将其由整数转为双整数（地址AC0），然后将整数转为实数（地址仍为AC0），随后通过实数相除，将输入其中的模拟量分为32000份（温度测量范围0-100℃，PLC中模数转换器（A/D）为15位，所以对应PLC里面的值为0-32000，输出地址仍为AC0），随后将AC0中的数据传送给VD100（PID算法中过程变量的当前值的地址），然后通过实数相乘，乘以100得到实际温度值（地址为VD290），最终通过取整得到显示在触摸屏上的整数温度值（地址为VD354）。最后，在温度实际值的基础上减少1℃使散热达到较好的效果（由于实际温度具有滞后性），即当实际温度大于目标温度1℃时，风扇才会运行。图4-3模拟量转化程序图2.2.2加热程序为了实现对铝块温度的控制，同时要在PLC中引入PID控制算法，如图4-4是导入触摸屏输入的比例、积分、微分以及温度设定值，其中采样时间设定为0.1s。图4-4触摸屏数值导入程序图如图4-5为PID算法程序图，如图表4-1为PID各参数地址。图4-5PID算法程序图表4-1PID各参数地址地址实际意义VD100过程变量当前值VD104给定值VD108输出值VD112增益VD116采样时间VD120积分时间VD124微分时间控制温度过程由闪烁电路完成，如图4-6所示。闪烁电路：随着总开关打开，SM0.0始终接通，然后T37开始计时，（VW2*0.1）秒后T37接通，同时T38开始计时，（VW0*0.1）秒后T37断开，同时T37、T38复位，以此循环