毕业论文---砂布生产线温度控制系统的设计

1、毕业论文（设计）毕业论文（设计） 题题目：目：砂布生产线温度控制系统的设计砂布生产线温度控制系统的设计 、 2012012 2 年年 5 5 月月 2828 日日 摘摘要要 从上世纪 80 年代至 90 年代中期，PLC 得到了快速的发展，在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位 的 DCS 系统。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力 强、编程简单等特点。PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预 见的将来，是无法取代的。 在砂布生产

2、过程中，从坯布开卷，涂底胶，静电植砂，复胶到烘干固化成为 成品，整个生产流水线，对各个点的温度控制要求较严格，是产品质量的关键， 必须保证各种型号砂布在生产过程中，温度在生产工艺设定范围之内，采用网络 技术在产品生产过程中自动测控工艺流程参数，在生产过程实时测量、控制。通 过改造生产线的温度控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等 特点，对工业控制有现实意义。 关键词关键词：砂布生产线的控制系统温度控制 PLC ABSTRACTABSTRACT From the last century to 90 in the mid 80s, PLC has been rapid develo

3、pment in this period, PLC gradually entering the field of process control, ease of use, wide adaptation, high reliability and strong anti-interference,simple to program and so on.PLC control, especially in the industrial automation sequence control the position, in the foreseeable future, is no subs

4、titute. this paper introduces the drying room as the charged object to the production line temperature of the main accused of the export parameters to station temperature as deputy accused of parameters to control the heating resistancewirevoltage parameterstoPLC,the useof PLCladder programming lang

5、uage, programming, production line temperature control. Automated production line a wide range of applications, in a considerable number of field .The quality of the product.automated production line control systems currently used mostly for computer control microprocessor core technology, both to i

6、mprove the automation equipment have improved the control precision equipment.this paper on the abrasive cloth production line control system works, selection of temperature transmitter, PLC configurations, the configuration software design aspects were described.Through the transformation of automa

7、ted production line control system has fast response,good stability, high reliability, control accuracy and good features, practical significance for industrial control. Key words:Key words: Abrasive Cloth Production Line Control SystemControl System Temperature ControlPLC 1 1绪论绪论 1.11.1 课题背景及研究目的和意

8、义课题背景及研究目的和意义 基于 PLC 温度控制系统的应用领域相当广泛， 温度控制系统的性能优劣决定 了产品的质量好坏。 目前砂布生产线温度控制系统大都采用以微处理器为核心的 计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。 PLC 的快速发展发生在上世纪 80 年代至 90 年代中期。在这时期，PLC 在处 理模拟量能力、 数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发 展。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程 简单等特点。4 PID 控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁 棒性好，所以被广泛应用于过程控制中

9、,尤其适用于可建立精确数学模型的确定 性系统。PID 控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期 t s、比例系数 K、 积分系数 K i、 微分系数 D。 因而,PID 参数的整定与优化一直是自动控制领域研究 的重要课题。PID 在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有 许多控制算法问世,但由于 PID 算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中 积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID 算法中，针对 P、I、 D 三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计

10、算机技 术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下， 国内外温度控制系统 的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日 本、美国、德国、瑞典等国技术领先，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，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点： 1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。 2）能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 3）能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工 智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。 5）温度控

11、制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制 器 具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。 6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。目前， 国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。 随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛， 但从国内生产的温 度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍 然有着较大的差距。目前， 我国在这方面总体水平处于 20 世纪 80 年代中后期的 水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID 控制器为主，它只能适用于一 般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、

12、时变温度系统控制。能适应于较高 的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。 随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高 精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。 1.31.3 项目研究内容项目研究内容 以生产线为被控对象，以烫平工位温度为主被控参数，以烘房温度为副被 控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以 PLC 为控制器，构成生产线温度串 级控制系统；采用 PID 算法，运用 PLC 梯形图编程语言进行编程，实现生产线温 度的自动控制。 可编程逻辑控制器（PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一 体的新型自动控制装置。其性能优

13、越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域， 并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。 PLC 技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、 电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的 整定、人机界面的设计等。论文通过对德国西门子公司的 S7-200 系列 PLC 控制 器， 温度传感器将检测到的实际温度参数转化为电压信号，经过模拟量输入模块 转换成数字信号送到 PLC 中进行 PID 调节，PID 控制器输出转化为 0-10mA 的电 流信号输入晶体管 （控制可控硅电压调整器） 或触发板改变可控硅管导通角的大 小

14、来调节输出功率。 串级系统是由调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一 个调节器的给定值的系统。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。 副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主 变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一 次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次 扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。在串级控 制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动， 而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细 调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。 1.41

15、.4砂布生产线温度控制系统的要求砂布生产线温度控制系统的要求 砂布自动生产线是以低温快速固化的树脂为粘接剂的砂布自动生产设备，生 产线长 31.5 米，宽 4.6 米，高 4 米。 1.烘房：总长 17m分为三段，长期工作温度分别为65 度、75 度、 65 度，误差为正负 2 度。 加热元器件为电热远红外，90 块电热远红外，每块的功率为 1.2KW，每 10 块串 联为一起。运用PLC 中的 PID 回路控制晶闸管的星型连接的触发来控制加 热元器件 2.烫平：温度 65 度误差为正负 2 度功率 15KW。 运用温度自动调节仪来控制晶闸管的星型连接的触发，来控制加热元 器件的工作。 3.头

16、胶：温度 65 度误差为正负 2 度功率 18KW。 运用温度自动调节仪来控制晶闸管的星型连接的触发，来控制加热元 器件的工作。 4.复胶：温度 65 度误差为正负 2 度功率 18KW。 运用温度自动调节仪来控制晶闸管的星型连接的触发，来控制加热元 器件的工作。 2 2晶闸管供电系统的设计晶闸管供电系统的设计 随着电力电子技术的发展，高压换流设备在工业应用中日益广泛。其核心 元件晶闸管（SCR）的电压与电流越来越高（已达到 10KV10KA 以上），应用场 合要求也越来越高 在国际上， 晶闸管的光控技术发展日益成熟。根据对国内晶闸管技术发展前景和 需求的展望， 本文采用自供电驱动技术与光控技

17、术相结合，研发光控自供电晶闸 管驱动控制板， 然后与晶闸管本体相结合即形成光控晶闸管工程化实现模型，其 可作为光控晶闸管的替代技术。 在工程应用中，光控晶闸管的典型应用场合为四象限高压变频器和国家大 型直流输变电系统等。随着国家节能工程的实施，高压变频器的应用范围越来越 广泛，已成为工业节能中的重要环节。高压直流换流系统难度大，技术复杂，要 求高，本论文研究的光控晶闸管替代技术只作为其储备技术之一。 国外对相关内容已经有了深入研究，并将其应用在高压变频器产品中。在 国内， 目前还没有查到相关文献。本文为基于晶闸管的电流源型高压变频器设计 了一种高压晶闸管自供电驱动系统，填补了国内空白，为自供电

18、驱动系统的推广 应用和其他高压开关器件自供电驱动系统的研制提供了参考。 晶闸管是硅晶体闸流管的简称， 原名为可控硅整流器， 也叫可控硅 （Siliconilicon Controlled RectifierControlled Rectifier）其特点是：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量 大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏），使半导体从弱电进入强电领域。 晶闸管主要用于整流、逆变、调压、开关四个方面。晶闸管可分下列种类： 1.按关断、导通及控制方式：单向晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管、温 控晶闸管、光控晶闸管等多种。 2.按引脚和极性分：二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。 3.

19、按封装形式分： 金属封装晶闸管、 塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。 4.按电流容量分：大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。 通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶 闸 管,则多采用塑封或陶瓷封装 5.按关断速度分：普通晶闸管、高频（快速）晶闸管 本书介绍单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管。 2.12.1 单向晶闸管的结构、符号单向晶闸管的结构、符号 单向晶闸管由四层半导体材料组成的，有三个 PN 结，对外有三个电极：第 一层 P 型半导体引出的电极叫阳极 A（anode），第三层 P 型半导体引出的电极 叫控制极 G（gate pole），第四层N 型半导体引出的

20、电极叫阴极 K（kathode）。 晶闸管有螺旋型和平板型等几种。 单向晶闸管和二极管一样是一种单向导电的器 件，关键是多了一个控制极 G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。晶 闸管的文字符号为“V”。普通晶闸管外形、结构和符号见图。 2.22.2 普通晶闸管工作特性普通晶闸管工作特性 1晶闸管阳、阴极间加正向电压而门极不加正向电压时，晶闸管不导通。 2晶闸管阳、阴极间加正向电压而门极也加正向电压时，晶闸管导通。 3晶闸管导通后，打开开关 S 去掉门极上的正向电压，晶闸管仍然导通。 4晶闸管阳、阴极间加加反向电压，无论门极加电压与否，晶闸管不导通。 2.3 2.3晶闸管导通的条件晶闸管导

21、通的条件 1 晶闸管阳极电路加足够的正向电压 （要足以在去掉触发电压后仍能产生 足够的维持电流）； 2晶闸管门极与阴极之间必须加足够的正向电压。 3.晶闸管导通后和晶体管一样具有单向导电性。晶闸管一旦导通，门极便 失去控制作用。 2.4 2.4通过晶闸管供电对生产线加热通过晶闸管供电对生产线加热 加热系统主回路采用两只晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管 就可以控制交流电力已达到控制温度的目的。晶闸管的触发电路属于过零触发 型， 即晶闸管导通的时刻总是在电压和电流的时刻，每次过零触发导通输出正弦 波的数量是被控制的， 由此连续调节输出加热功率来实现温度的控制。由于输出 的是完整的正弦波，

22、其辐射小，传导干扰及负载的态浪涌电流也最小。 温度加热系统主电路如图所示: 图 2-2加热系统主电路 3 3温度控制仪表及元器件选型原理分析温度控制仪表及元器件选型原理分析 3.13.1 温度传感器的分类与应用温度传感器的分类与应用 温度传感器即利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量 的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，其品种繁多。按测量方式可 分为接触式和非接触式两大类， 按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热 电偶两类。按照温度传感器输出信号的模式，可分为模拟式温度传感器、数字式 温度传感器和逻辑输出型温度传感器。 3.23.2 温度传感器按材料及电子元件特性分

23、类温度传感器按材料及电子元件特性分类 （1）热电偶 热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，他的主要特点就是测温范围 宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能够远传 4-20mA 电信号， 便于自动控制和集中控制。热电偶的测温原理是基于热电效应，将两种不同的导 体或半导体连接成闭合回路， 当两个接点处的温度不同时， 回路中将产生热电势， 这种现象称为热电效应，又称为塞贝克效应。闭合回路中产生的热电势有两种电 势组成： 温差电势和接触电势。 温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生 的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以他们产生的电势也不相同；而接 触电势顾名思义就是指两种不同的导

24、体相接触时， 因为他们的电子密度不同所以 产生一定的电子扩散，当他们达到一定的平衡后所形成的电势，接触电势的大小 取决于两种不同导体的材料性质以及他们接触点的温度。热电偶的结构有两种， 普通型和铠装型。热电偶的电信号需要一种特殊的导线来进行传递，这种导线我 们称为补偿导线。不同的热电偶需要不同的补偿导线，其主要作用就是与热电偶 连接，使热电偶的参比端远离电源，从而使参比端温度稳定。 （2）热电阻 热电阻虽然在工业中应用也比较广泛，但是由于他的测温范围使他的应用 受到了一定的限制， 热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的 变化而变化的特性。其优点也很多，也可以远传电信号，灵敏度高，

25、稳定性强， 互换性以及准确性都比较好，但是需要电源激励，不能够瞬时测量温度的变化。 工业用热电阻一般采用 Pt100，Pt10，Cu50，Cu100，铂热电阻的测温的范围一 般为零下 200-800 摄氏度，铜热电阻为零下 40 到 140 摄氏度。热电阻和热电偶 一样的区分类型，但是他却不需要补偿导线，而且比热电偶便宜。 3.2.13.2.1 热电式传感器热电式传感器 热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式 传感器中， 以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量 温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度 变化转化为电阻的

26、变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。所 以本系统选择热电偶温度传感器。 该系统需要的传感器是将温度转化为电势，且生产线上的温度最高是 75，所以选择 STTTB 热电偶传感器。 STTTB 热电偶传感器简称为 STTT B 热电偶，其电势会随着温度的变化而改变。 STTTB 热电偶温度传感器采用 不锈钢外壳封装，顶部为铝制防水接线盒，广泛应用于电力、石化、烘炉、 塑料化纤等大型机械设备的温度测量。 3.33.3电热远红外加热装置简介电热远红外加热装置简介 远红外加热器又称： 远红外线加热器、 远红外线加热板、 远红外电加热器、 红外线电加热板、红外线电加热器等。 红外线的物理性

27、质:在光谱中波长自 0.76 至 400 微米的一段称为红外线， 红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（273）的物质都可以产生红外线。 现代物理学称之为热射线。 红外线可分为两类：近红外线与远红外线。近红外线或称短波红外线，波 长 0.761.5 微米，穿入人体组织较深,约 510 毫米；远红外线或称长波红外 线，波长 1.5400 微米，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于 2 毫米。红外 线的物理特性 1.有热效应 2.穿透云雾的能力强(波长较长,易于衍射) 红外线的传热学基本理论 1.不同特性的物体发射的红外线特性（波长）不同，不同特性的红外线易为 特性相同的物体所接收-即固体物质发射的

28、红外线易被固体吸收，不易被气体吸 收。 2.热能传递的形式：辐射、传导、对流。 3.热能在高温下主要（90%）以辐射的形式传递，其辐射强度与温度的四次 方成正比。 4.辐射热能的吸收能力与受热物体的表面黑度成正比。 5.受热物体的热能传导强度与 （该物体表面和内部）温度梯度成正比与热阻 成反比 远红外线加热器的节能原理 远红外线加热器的节能是由电热涂料在加热器辐射面形成固化涂层， 该涂层 因其表面黑度高，故能吸收大量的辐射热能，又因其发射率高，故能将吸收的辐 射热能转换成物体易吸收的远红外热能以电磁波的形式传递.微米级电热涂料的 涂层厚、热阻大、反射率高，用于烘箱板表面，将散失的热能转换成远红

29、外热能 以电磁波的形式辐射烘箱内， 为烘箱内的被加热物体所吸收， 而不易被潮气吸收， 从而将热能留在烘箱内，不仅降低了排潮温度，而且使烘箱内的温度升高，使烘 箱内的温度得到了充分的利用.纳米级电热涂料的涂层薄、热阻小，用于烘箱中 受热导温的金属材料表面，在传热过程中， 该涂料层不仅将吸收的辐射热能转换 成远红外热能传递，其自身变成远红外辐射热源，而且也因其表面温度的提高， 导致温度梯度增大，使被加热物体的热能传导强度增强，吸热能力大大提高。总 之， 通过电热涂料将辐射热能转换成远红外热能产生的直接作用：提高了烘箱的 温度，降低了排潮损失的温度，增强了被加热物体的热能吸收速度；减少了热能 损失，

30、达到节能的目的。 远红外线加热器的技术性能 电压、功率：单相 220V/1-3Kw 或单相 380V/1-3Kw。 控温范围：30300。 外形尺寸：300150 300200 300400 300500 抗电强度：1000V/1 分钟 绝缘电阻：1.5 加热元器件为电热远红外，90 块电热远红外，每块的功率为 1.2KW，每 10 块串联为一起。 运用 PLC 中的 PID 回路控制晶闸管的星型连接的触发来控制加热 元器件。 对于要求保持恒温控制而不要温度记录的砂布生产线采用带 PID 调节的 数字式温度显示调节仪显示和调节温度， 输出 010mA 作为直流信号输入控制可 控硅电压调整器或触

31、发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率， 完全可以 满足要求。温度测量与控制是热电偶采集信号通过 PID 温度调节器测量和输出 010mA 或 420mA 控制触发板控制晶闸管导通角的大小，从而控制主回路加热 元件电流大小， 使砂布生产线保持在设定的温度工作状态。电热远红外温度控制 器由主回路和控制回路组成。主回路是由电热远红外，过电流保护快速熔断器、 过电压保护 RC 和生产线的加热元件等部分组成。砂布生产线温度控制系统的设 计，要求烘房温度由用 PLC 通过 PID 调节控制晶闸管的导通角来实现烘房温度， 头胶加热、复胶加热、沙箱加热、烫平温度的控制。 4 PLC4 PLC 温度控制系

32、统的硬件设计温度控制系统的硬件设计 4.14.1控制系统结构图控制系统结构图 温度控制系统的结构图如图4.1 所示，该结构包括一台计算机、一台 S7-200 PLC、一个输出电压控制电路、一个温度检测电路、一个加热器、一个模 拟量输入输出模块等组成。 图 4.1 控制系统结构 本章主要从系统设计结构和硬件设计的角度，介绍该项目的 PLC 控制 系统的设计步骤、 PLC 的硬件配置、外部电路设计以及PLC 控制器的设计参 数的整定。 4.24.2 可编程控制器的分类及特点可编程控制器的分类及特点 (一)小型 PLC 小型 PLC 的 I/O 点数一般在 128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，

33、整 个硬件融为一体，除了开关量 I/O 以外，还可以连接模拟量 I/O 以及其他各种 特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传 送通讯联网以及各种应用指令。 (二)中型 PLC 中型 PLC 采用模块化结构，其 I/O 点数一般在 2561024 点之间，I/O 的 处理方式除了采用一般 PLC 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即 在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通 讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。 (三)大型 PLC 一般 I/O 点数在 1024 点以上的称为大型 PLC， 大型 PLC

34、 的软硬件功能极强， 具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强， 有各种通讯联网的模块可以构成三级 通讯网实现工厂生产管理自动化，大型 PLC 还可以采用冗余或三 CPU 构成表决 式系统使机器的可靠性更高。 4.3 PLC 控制系统设计的步骤 4.3.1 PLC .3.1 PLC 控制系统设计的一般步骤控制系统设计的一般步骤 设计 PLC 应用系统时，首先是进行PLC 应用系统的功能设计，即根据被控对 象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行 PLC 应用系统的功能分析， 即通过分析系统功能， 提出 PLC 控制系统的结构形式， 控制信号的种类、数量，系统的规模、布

35、局。最后根据系统分析的结果，具体的 确定 PLC 的机型和系统的具体配置。PLC 控制系统设计可以按以下步骤进行： 1熟悉被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了 解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC 控制系统的控制要求。 2确定 IO 设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行 程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定 PLC 的 IO 点数。 3选择 PLC 选择时主要包括 PLC 机型、容量、IO 模块、电源的选择。 4分配 PLC 的 IO 地址根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开 关、接触器、电

36、磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根 据所选的 PLC 的型号列出输入输出设备与 PLC 输入输出端子的对照表， 以便绘 制 PLC 外部 IO 接线图和编制程序。 5设计软件及硬件进行 PLC 程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及 现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC 控制系统的设计周期可 大大缩短， 而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工 设计。 6联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。 4,44,4可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理 PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用

37、的 时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用 户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是 这样周而复始地重复上述循环扫描的。 4.4.1 S7-200 CPU4.4.1 S7-200 CPU 的选择的选择 S7-200 系列的 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU226 等类型。此系 统选用的 S7-200 CPU226,CPU 226 集成 24 输入/16 输出共 40 个数字量 I/O 点。 可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。 13K 字

38、节程序和数据存储空间。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。 4.4.2 CPU4.4.2 CPU 扩展模块扩展模块 在温度控制系统中， 传感器将检测到的温度转换成电势信号，系统需要 配置模拟量的输入模块把电势信号转换成数字信号再送入 PLC 中进行处理。 选用 主机 CPU226PLC,扩展单元选择模拟量输入单元 EM231 热电偶模块，EM231 有 4 路热电偶输入。模拟量输出单元选择 EM232 模块，EM232 具有 2 路模拟量输出。 整个 PLC 硬件控制系统如图 4-2 所示 图 4-2 PLC 温度控制系统图 4

39、.5 系统整体设计方案和电气连接图 系统选用了 PLC CPU 226 为控制器，STTTB 热电偶传感器将检测到的实 际生产线上的温度转化为电信号， 经过 EM235 模拟量输入模块转化成数字量信号 并送到 PLC 中进行 PID 调节，PID 控制器输出转化为 010mA 的电流信号输入控 制可控硅电压调整器或触发板改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率， 从而调 节电热丝的加热。 整体设计方案如图 3-3 图 3-3整体设计方案 4.64.6温度控制系统数学模型的建立温度控制系统数学模型的建立 在本控制系统中，STTT-B1(烘房温度传感器)将检测到的烘房温度信号转 化为电势信号送入 EM

40、231 模块的 A 路，STTT-B2(烫平工位温度传感器)将检测到 的温度信号转化为电势信号送入 EM231 模块的 B 路。 具体流程在第五章程序编写 的时候具体论述。由 PLC 的串级控制系统框图如图 4-5 如图 4-5 串级控制系统框图 4.7 PID4.7 PID 控制及参数整定控制及参数整定 1.PID 控制器的组成 PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学 表达式为 (1) 比例系数 K C 对系统性能的影响： 公式（4-1） 比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。 c 偏大， 振荡次数加多，调节时间加长。 c 太大时，系统会

41、趋于不稳定。 c 太小， 又会使系统的动作缓慢。 c 可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以 控制对象的特性决定的。 如果 c 的符号选择不当对象状态 (av 值)就会离控 制目标的状态 (av 值)越来越远，如果出现这样的情况 c 的符号就一定要取 反。 (2) 积分控制 i 对系统性能的影响： 积分作用使系统的稳定性下降， i 小（积分作用强）会使系统不稳定， 但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。 (3) 微分控制 d 对系统性能的影响： 微分作用可以改善动态特性， d 偏大时，超调量较大，调节时间较短。 d 偏小时，超调量也较大 (小)，调节时间也较长。只有 d 合适，才能使超 调量

42、较小，减短调节时间。 2. 主、副回路控制规律的选择 采用串级控制，所以有主副调节器之分。主调节器起定值控制作用， 副调节器起随动控制作用，这是选择规律的基本出发点。主参数是工艺操 作的重要指标，允许波动的范围较小，一般要求无余差，因此，主调节器 一般选 PI 或 PID 控制，副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可允 许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P 控制规律就可 以。在本控制系统中，我们将工位温度作为主参数，烘房温度为副参数。 主控制器采用 PI 控制，副控制器采用P 控制。 3.主、副调节器正、反作用方式的确定 副调节器作用方式的确定： 首先确定调节阀，出于生产工

43、艺安全考虑，可控硅输出电压应选用气开式， 这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，确保设备安全，调节阀 的 A v 0 。然后确定副被控过程的 K02，当调节阀开度增大，电压增大，工位温 度上升，所以 K 02 0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放 大系数(即增益)乘积必须为负，所以副调节器 K 2 0 ，副调节器作用方式为反 作用方式。 （1）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 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1） 中选择的比例系数减小为原来的 5080，再将

44、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 若经过步骤（2），PI 控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意， 则应加入微分控制，构成 PID 控制。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。 5 PLC5 PLC 温度控制系统程序的设计温度控制系统程序的设计 PLC 控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分本在硬件基础上， 详细介绍本项目的软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方

45、法、编程软件 STEP7-Micro/WIN 的介绍以及本项目的程序设计。 5 5.1 PLC .1 PLC 程序设计的方法程序设计的方法 PLC 程序设计常用的方法：主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形 图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。 1.经验设计法： 经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被 控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增 加一些辅助触点和中间编程环节， 才能达到控制要求。 这种方法没有规律可遵循， 设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。 2.继电器控制电路转换为梯形图法： 用 PLC 的外部硬

46、件接线和梯形图软件来 实现继电器控制系统的功能。 3.顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步 地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。 4. 逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。实际上就找到输出和 输入的关系，完成设计任务。 5 5.2 .2编程软件编程软件 STEP7-Micro/WINSTEP7-Micro/WIN 概述概述 STEP7-Micro/WIN 编程软件是基于 Windows 的应用软件，由西门子公司 专为 S7-200 系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程 序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。 5.3

47、程序设计 5.3.15.3.1 程序设计思路程序设计思路 PLC 运行时，通过特殊继电器 SM0.0 产生初始化脉冲，进行脉冲初始化， 将温度设定值，PID 参数值等存入数据寄存器，随后系统开始温度采样，采样周 期是 17 秒， STTT-B1(热电偶温度传感器)将采集到的烫平工位温度信号转换为电 信号， 电信号在通过 AIW0 进入 PLC， 作为主回路的反馈值， 经过主控制器 （PID0） 的 PI 运算产生输出信号， 作为副回路的给定值。STTT-B2(热电偶温传感器)将采 集到的烘房温度信号转换为电信号，电信号在通过 AIW2 进入 PLC，作为副回路 的反馈值，经过副控制器（PID1

48、）的P 运算产生输出的信号,由 AQW0 输出，输出 的 4-20mA 电流信号控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的电压，完成对温度 的控制。 5.3.2 PLC5.3.2 PLC 程序设计的一般步骤程序设计的一般步骤 1绘制系统的功能图。 2设计梯形图程序。 3根据梯形图编写指令表程序。 4对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可 采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。 PLC 控制系统的设计步骤可参考图 3-1 ： 图 3-1 PLC 控制系统的设计步骤 5.3.3 PLC5.3.3 PLC 控制软件控制软件 砂布生产线温度控制系统是一个时变和迟延的系统。生产过

49、程中，反馈信 号若不能及时地反映输入信号对控制系统的影响，将产生超调和持续的震荡。控 制回路采用 PLC 实现 PID 闭环控制，以消除静态误差。较好地满足静态和动态指 标要求。 晶闸管调功控温具有不冲击电网、对用电设备不产生干扰等优点，是一种 应用广泛的控温方式。系统采用热电偶测温元件、将温度信号输入 EM231 热电偶 模块、 当温度低于设定温度时， 其偏差经过 PLC 调节和隔离变送器变成为 010mA 的直流 PID 调节信号， 通过控制晶闸管电力控制器控制晶闸管的导通周波数达到 控温目的。由于系统设置了 PID 控制，使系统加热过程反应速度加快，超调量小 的特点，实现对温度的高精度控

50、制。其控制流程如图所示。 5.3.4 PID5.3.4 PID 指令向导指令向导 编写 PID 控制程序时，首先要把过程变量（PV）转化为 0.00-1.00 之间 的标准实数。PID 运算结束之后，需要把回路输出（0.00-1.00 之间的标准化实 数）转换为可以送给模拟量输出模块的整数。 5.3.55.3.5 控制程序及分析控制程序及分析 因为由 AIW0 和 AIW2 输入的是 6400-32000 的数字量， 所以要转换为实际的 温度要进行运算，运算公式为： 公式（4-1） 其中，T 为实际温度，D 为 AIWO 和 AIW2 输入的数字量。 PLC 的内存地址分配见 表 4-1 VD

51、270 VD300 VD304 VD308 VD312 VD320 主控制器 PID 输出存放地址 目标设定温度存放地址 主控制器 Kc 存放地址 主控制器 Ti 存放地址 主控制器 Td 存放地址 副调节器 Kc 存放地址 表 4-1 内存地址分配 PID 指令表见表 4-2： 地址 VD0 VD4 VD8 VD12 VD16 VD20 VD24 VD120 VD124 VD128 VD132 VD136 VD140 VD144 名称 主调节器过程变量（PVn） 主调节器给定值（SPn） 主调节器输出值（Mn） 主调节器增益（Kc） 主调节器采样时间（Ts） 主调节器积分时间（Ti） 主调节

52、器微分时间（Td） 副调节器过程变量（PVn） 副调节器给定值（SPn） 副调节器输出值（Mn） 副调节器增益（Kc） 副调节器采样时间（Ts） 副调节器积分时间（Ti） 副调节器微分时间（Td） 说明 必须在 0.01.0 之间 必须在 0.01.0 之间 必须在 0.01.0 之间 比例常数，可正可负 单位为 s，必须是正数 单位为 min，必须是正数 单位为 min，必须是正数 必须在 0.01.0 之间 必须在 0.01.0 之间 必须在 0.01.0 之间 比例常数，可正可负 单位为 s，必须是正数 单位为 min，必须是正数 单位为 min，必须是正数 表 4-2 PID 指令回路

53、表 结结论论 本文成功的运用了西门子 S7-200PLC 设计了一个人机监控的温度控制系统。 系统采用串级 PID 控制，利用粗调和细调，得到了一个反应比较迅速，控制精度 比较高的温度控制系统。 温度控制一直是工业控制中的一个最重要最常见的被控变量，随着PLC、单 片机等嵌入式系统的发展，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域 的应用，使用 PID 来设计控制系统的方法得到广泛的应用，以适应温控系统非 线性，干扰多，大时延，时变和分布变化的特点。在实际应用中，应该根据具体 的应用场合、 不同的加热对象和所要求的控制曲线和控制精度，选择不同的系统 方法。本文通过使用西门子的 S7-200 P

54、LC 设计出了温度控制系统，通过使用组 态软件设计的上位机实现了数据采集与处理、画面显示、报警处理以及流程控制 等功能，对整个温度控制系统进行实时动态监控。 当然，本控制系统还有很多不足的地方。例如，系统的自适应能力不强，因 为是利用散热来降温的，所以与外界温度环境密接相关，在不同的温度环境下控 制精度和控制能力是不同的。通过对本系统的设计和调试，我们认识到，对于复 杂系统的控制，如果采用继电控制，不仅系统繁琐，调试困难，故障概率大，而 且对以后的维护也带来困难。用 PLC 控制除了能解决以上问题以外，还具有以下 特点： 控制条理清楚，接线简单明了。 用软件代替传统的继电控制，减少了设计上的困难，减少了系统的故障。 模块化程序设计，便于调试，并且方便功能的改进。 编程图形化，使之一目了然。 通过本次设计， 使我的专业知识得到了综合应用， 理