基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文.doc

鄭州華信學院畢業(yè)設計（論文） 基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設計基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文目 錄1 緒論11.1課題背景及設計目的和意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3項目設計內(nèi)容22 PLC和組態(tài)軟件基礎32.1 plc基礎32.1.1 plc的產(chǎn)生和應用32.1.2 plc的組成和工作原理32.1.3 plc的分類及特點52.2組態(tài)軟件的基礎52.2.1組態(tài)的定義52.2.2組態(tài)王軟件的特點52.2.3組態(tài)王軟件仿真的基本方法63 PLC控制系統(tǒng)的硬件設計73.1 PLC控制系統(tǒng)設計的原則和步驟73.1.1 PLC控制系統(tǒng)設計的原則73.1.2 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟73.1.3 PLC程序設計的一般步驟73.2 PLC的選型和硬件配置83.2.1 PLC型號的選擇83.2.2 S7-200CPU的選擇93.2.3 EM235模擬量輸入/輸出模塊93.2.4 熱電式傳感器93.2.5 可控硅加熱裝置簡介93.3 系統(tǒng)整體設計方案和電氣連接圖103.4 PLC控制器的設計103.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立113.4.2 PID控制及參數(shù)整定114 PLC控制系統(tǒng)的軟件設計144.1 PLC程序設計的方法144.2 編程軟件STEP7-Micro/WIN 概述 144.2.1 STEP7-Micro/WIN 簡單介紹144.2.2 計算機與PLC的通信154.3 程序設計154.3.1程序設計思路154.3.2 PID指令向導164.3.3 控制程序及分析205 組態(tài)畫面的設計245.1組態(tài)變量的建立及設備連接245.1.1新建項目245.2創(chuàng)建組態(tài)畫面275.2.1新建主畫面275.2.2新建PID參數(shù)設定窗口275.2.3新建數(shù)據(jù)報表 285.2.4新建實時曲線285.2.5新建歷史曲線295.2.6新建報警窗口296 系統(tǒng)測試316.1啟動組態(tài)王 316.2實時曲線觀察 316.3分析歷史趨勢曲線326.4查看數(shù)據(jù)報表346.5系統(tǒng)穩(wěn)定性測試34結論 36致謝37參考文獻38附錄43III1 緒論1.1 課題背景及設計目的和意義電鍋爐廣泛應用,電熱鍋爐的性能決定了產(chǎn)品的質(zhì)量。電熱鍋爐控制系統(tǒng)目前使用的微處理器為核心的計算機控制技術,提高了自動化設備的控制精度。PLC的快速發(fā)展發(fā)生在上個世紀80年到90年代中期的，在此期間,PLC已得到在處理模擬、數(shù)字運算能力、人機界面功能和網(wǎng)絡功能的改進和發(fā)展的能力。PLC逐漸進入過程控制領域,取代了DCS系統(tǒng)在一些應用程序過程控制領域的主導地位。PLC具有較強的通用性,使用方便,適應性廣,可靠性高,抵抗干擾的能力強,還有簡單的編程功能等等。電鍋爐是機電一體化產(chǎn)品，可以直接轉化為熱能，效率高，體積小，無污染，操作安全可靠，熱穩(wěn)定性，優(yōu)勢自動化程度高，是理想的節(jié)能加熱設備。加上環(huán)保的電流提高人們的意識，在工業(yè)生產(chǎn)和生活用水的民用電熱鍋爐越來越多的關注正變得越來越流行。電鍋爐主要用于家用熱水和優(yōu)惠。主要是控制水的溫度，以確保穩(wěn)定的水供應。PID控制是迄今為止最通用的控制方法之一。因為其可靠性高、算法簡單、魯棒性好，所以被廣泛應用于過程控制中,尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性系統(tǒng)。PID控制的效果完全取決于其四個參數(shù),即采樣周期ts、比例系數(shù) Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd。因而,PID參數(shù)的整定與優(yōu)化一直是自動控制領域研究的重要課題。PID在工業(yè)過程控制中的應用已有近百年的歷史，在此期間雖然有許多控制算法問世,但由于PID算法以它自身的特點，再加上人們在長期使用中積累了豐富經(jīng)驗，使之在工業(yè)控制中得到廣泛應用。在PID算法中，針對P、I、D三個參數(shù)的整定和優(yōu)化的問題成為關鍵問題。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于的需要， 70年代以來，特別是促進微電子和計算機技術，自動控制理論和設計方法，溫度控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展迅速，智能化，自適應成就的迅速發(fā)展，參數(shù)設置等方面，在這方面，日本，美國，德國，瑞典等國家的先進技術，生產(chǎn)的溫度控制器和儀器的性能，一批商業(yè)化，并且被廣泛應用于各行各業(yè)。它們具有以下特點：（1）適應大慣性，大滯后的復雜的溫度控制系統(tǒng)的控制；（2）可根據(jù)控制系統(tǒng)要建立的數(shù)學模型適應的溫度控制系統(tǒng)；（3）可以是適合于被控系統(tǒng)的過程是復雜的，隨時間變化的溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)；（3）溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于自適應控制，自適應控制，模糊控制，人工智能理論和計算機技術，采用先進的算法，適應范圍廣；（4）溫度控制器具有普遍的參數(shù)整定功能。隨著計算機軟件技術的幫助下，溫度控制器具有控制參數(shù)和自調(diào)諧功能的特性。有的還具有自學習功能。在國內(nèi)行業(yè)的應用溫度控制系統(tǒng)得到廣泛應用，但在國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器整體發(fā)展水平還有些不高，與一些先進的發(fā)達國家，美國，德國，日本等還是有不小的差距。目前，中國仍處于20世紀后期的水平。成熟的產(chǎn)品主要以“點”控制和常規(guī)PID控制器，它只能適用于溫度控制系統(tǒng)在一般情況下，很難控制延遲，復雜的，隨時間變化的溫度控制系統(tǒng)。控制應用程序可以適應高智能化，自適應控制儀器都不是很成熟3。隨著科學技術的進步，人們的要求越來越高，因此，高精度溫度控制系統(tǒng)，在家庭智能化，人性化的發(fā)展和國外的發(fā)展就成為必然趨勢。1.3 項目設計內(nèi)容以鍋爐為對象，對鍋爐出口水溫為主要被控參數(shù)的，爐內(nèi)溫度為仲控制的參數(shù)時，加熱電阻絲的電壓作為控制參數(shù)，采用PLC作為控制器，構成了一系列鍋爐控制系統(tǒng);采用PID算法，利用PLC梯形圖編程語言編程，實現(xiàn)了鍋爐溫度自動控制。 PLC是集計算機技術、通信技術，以及自動控制技術為一體的新型自動控制裝置。因為性能強大，所以工業(yè)控制的各大領域已經(jīng)廣泛應用，而且已經(jīng)是工業(yè)自動化的三大支柱（PLC、工業(yè)機器人、CAD/CAM）之一。PLC技術在從整體分析和控制系統(tǒng)，電路設計，程序設計，選擇和參數(shù)的硬件配置的研究的溫度監(jiān)測系統(tǒng)中的應用建立，控制對象的設置，設計的數(shù)學模型的控制算法人機界面等基于S7-200系列PLC控制器，德國西門子公司，實際溫度的溫度傳感器將檢測到的電壓信號，通過模擬量輸入模塊轉換成數(shù)字信號。發(fā)送到PID調(diào)節(jié)器的PLC時，PID控制器和輸出成0-10mA的電流信號輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導通角來調(diào)節(jié)輸出功率的大小1。顯示器屏幕，使用組態(tài)軟件“組態(tài)王”。級聯(lián)系統(tǒng)是由一個調(diào)節(jié)器被串聯(lián)連接，其中，作為另一個調(diào)節(jié)器的設定點調(diào)節(jié)器的輸出。整個系統(tǒng)包括兩個控制電路，主電路和輔助電路。副循環(huán)變量測量和傳輸，調(diào)節(jié)閥和主環(huán)路檢測端；主變速傳動，主調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥，副過程和主要工藝。一個干擾：在初級控制過程中的作用，并且不包括的范圍內(nèi)的副回路的擾動。這兩個障礙，在二次控制的過程中，它包括的范圍內(nèi)的副回路的擾動。串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個小圈，不僅可以克服早期的干擾進入副回路，同時也可以提高程序的性能。隨著“粗”副省長的作用，主調(diào)節(jié)器有一個“精”，從而進一步提高他所控制的質(zhì)量6。2 PLC軟件和組態(tài)軟件基礎2.1 PLC基礎2.1.1 PLC的產(chǎn)生和應用1969年美國數(shù)字設備公司已經(jīng)成功開發(fā)出世界上第一臺可編程控制器PDP-14，和通用汽車公司的汽車生產(chǎn)線用于第一次成功的運用。美國在1971年從日本引進了這項技術，很快發(fā)達出DSC第一可編程控制器。1973年，西歐國家也開發(fā)了他們的第一個可編程控制器。中國從1974年開始研制，1977年工業(yè)應用。進入二十世紀的70年代，隨著電子技術的發(fā)展，特別是在PLC微處理器控制器的通訊手段，功能進一步加強。進入二十世紀的80年代，大型和超大型規(guī)模的迅速發(fā)展，集成電路和微電子技術，基于微機PLC的16位和32位微處理器，提高PLC的功能，工作速度快，體積小，可靠性好，降低成本，編程和故障檢測更靈活、方便。目前，PLC已廣泛用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、紡織、交通、環(huán)境保護、文化娛樂產(chǎn)業(yè)2。2.1.2 PLC的組成和工作原理PLC包括：CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架。以下對主要模塊進行介紹：（1）CPUCPU是PLC的核心,根據(jù)系統(tǒng)的PLC程序功能委托給接收和存儲用戶程序和數(shù)據(jù),使用掃描方法收集狀態(tài)或輸入設備發(fā)送的數(shù)據(jù),并存儲在指定的寄存器,同時,工作狀態(tài)和編程過程的診斷能力和PLC內(nèi)部電路在一個語法錯誤等。CPU主要由操作員、控制器、注冊并實現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)鏈路,控制和狀態(tài)的巴士,CPU單元還包括一個外圍芯片、總線接口電路。內(nèi)存主要是用來存儲程序和數(shù)據(jù),是不可或缺的組合單元PLC。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù),它決定了PLC的速度工作,IO數(shù)量和軟件能力,限制大小的控制。（2）I/O模塊PLC的接口和電氣回路，輸入和輸出部分（I / O）完成。在I / O模塊集成了I / O的PLC電路，輸入寄存器反映了輸入信號的狀態(tài)下，輸出反映輸出鎖存狀態(tài)。輸入模塊將信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，相反到輸出模塊。 I / O開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬輸入（AI），模擬輸出量（AO）模塊。PLC的工作原理4:PLC的工作原理是一個連續(xù)的循環(huán)順序掃描模式。每次通過掃描周期或循環(huán)掃描調(diào)用。 CPU從所述第一指令的開始，以便執(zhí)行用戶程序逐個直到用戶程序的結束，然后返回到新一輪掃描的開始的第一條指令。PLC工作的全過程可用圖2.1.2所示的運行框圖來表示: 圖2.1.2 可編程控制器運行框圖2.1.3 可編程控制器的分類及特點(1) 小型PLC小型PLC的I / O點數(shù)一般在128點，體積小，結構緊湊，整個硬件融為一體的特點，除了開關I / O，也可以連接到模擬I / O以及其他各種特殊功能模塊。它可以執(zhí)行邏輯運算，包括計時，計數(shù)，算術運算，數(shù)據(jù)處理和通信網(wǎng)絡和各種應用。(2)中型PLC中型PLC模塊化結構，I / O點數(shù)一般在2561024的I / O的方式除了一般的PLC通用的掃描處理方法，而且在掃描用戶程序的過程中使用的直接方法之間的直接讀取輸入刷新輸出，也可連接各種特殊功能模塊，通信聯(lián)網(wǎng)功能強大的指令系統(tǒng)，更豐富，內(nèi)存容量更大，更快的掃描速度。(3)大型PLC上面的1024點被稱為大型PLC的大型PLC，硬件和軟件功能通用I / O點是非常強大的，具有很強的自診斷功能，通訊功能，有各種通訊模塊可實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化構成三級通信網(wǎng)絡，大型PLC還可以使用冗余或三CPU票型系統(tǒng)，使機器更可靠。2.2 組態(tài)軟件的基礎2.2.1 組態(tài)的定義配置工具提供應用軟件，方法，完成工程特定任務的過程。組態(tài)軟件是一個專業(yè)，一個組態(tài)軟件僅適用于某些地區(qū)。這個概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計算機控制的配置，如DCS （集散控制系統(tǒng)）的配置， PLC梯形圖配置。人機界面生成軟件稱為控制組態(tài)軟件。配置的結果，在工業(yè)控制的形成中使用的實時監(jiān)控。從表面上看，配置工具正在運行的程序執(zhí)行自己特定的任務。工業(yè)控制組態(tài)軟件還提供了編程工具一般都是內(nèi)置編譯系統(tǒng)，提供類BASIC語言，并為VB的一些支持，現(xiàn)在有些組態(tài)軟件甚至支持高級語言。在當今的工業(yè)領域，大量常用的組態(tài)軟件主要有： ABB ，特光電， WinCC中的iFix ， InTouch中，組態(tài)王，力控制，易于控制， MCGS等。本設計采用分控組態(tài)軟件組態(tài)王設計。2.2.2 組態(tài)王軟件的特點 組態(tài)軟件具有很強的適應性，開放性，易于擴展，經(jīng)濟，開發(fā)周期短等特點。這樣的系統(tǒng)通常可分為控制層，控制層，三個層次的管理結構。據(jù)此，監(jiān)控層連接控制層，連接管理，不僅具有現(xiàn)場實時監(jiān)測和控制，并且在自動控制系統(tǒng)中，在發(fā)展中配置的重要作用，完成上傳發(fā)布。特別是考慮到三個方面：圖片，數(shù)據(jù)，動畫。通過監(jiān)控系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)功能分析，采用組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)軟件為試驗提供了可視化監(jiān)控畫面，幫忙測試，實時現(xiàn)場監(jiān)控。此外，它可以充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面和動畫顯示控制設備的狀態(tài)，報警窗口，實時趨勢曲線，可以方便的各種報表的生成。它也有一個豐富而靈活的設備驅動程序配置，數(shù)據(jù)鏈路功能。2.2.3 組態(tài)王軟件仿真的基本方法（1）圖形界面設計 圖形與抽象圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應的工業(yè)設備。（2）數(shù)據(jù)庫構造數(shù)據(jù)，是創(chuàng)建一個特定的數(shù)據(jù)庫，使用該數(shù)據(jù)庫的變量描述的工業(yè)對象的各種屬性，如水位，流量等。（3）建立動畫連接 連接，是在什么動畫模擬現(xiàn)場設備的操作的屏幕元素的數(shù)字，以及如何將允許操作者輸入控制設備指令。（4）調(diào)試和運行3 PLC控制系統(tǒng)的硬件設計 本章從系統(tǒng)設計架構和硬件設計的角度，引入PLC控制系統(tǒng)項目的設計步驟，PLC硬件配置，外圍電路設計和PLC控制器的設計參數(shù)整定。3.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟 3.1.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則（1）全PLC功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求；（2）滿足控制要求的前提下，力爭使控制系統(tǒng)簡單，便捷，經(jīng)濟，使用和維護；（3）控制系統(tǒng)，確保安全可靠；（4）應考慮生產(chǎn)工藝的發(fā)展和改進， PLC型號的選擇， I / O點數(shù)和內(nèi)存容量等，應留有適當?shù)挠嗔浚岳谙到y(tǒng)的調(diào)整和擴展。3.1.2 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟 該系統(tǒng)的第一應用進行的PLC功能設計，根據(jù)控制對象的功能和過程的要求，系統(tǒng)必須清楚要做的工作，然后PLC功能的應用系統(tǒng)的分析，通過在PLC控制系統(tǒng)中，控制信號的類型的結構形式呈現(xiàn)的分析系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)尺寸的數(shù)量，布局。最后，根據(jù)系統(tǒng)的分析結果，確定具體的PLC模塊和系統(tǒng)的具體結構。 PLC控制系統(tǒng)的設計，可以按照下列步驟進行： （1）熟悉被控對象，被控對象的控制程序分析過程和工作特點的發(fā)展，明白被控被控對象之間的機械，電氣，流體，以確定plc控制系統(tǒng)的要求控制的對象；（2）確定根據(jù)該系統(tǒng)的控制要求的I / O裝置，用戶需要確定輸入（如按鈕，限位開關，選擇器開關等）和輸出設備（如接觸器，電磁閥，信號燈等），從而確定PLC的I / O點；（3）當選擇包括選擇PLC可編程序控制器型號，容量，I / O模塊，選擇的權力； （4）根據(jù)生產(chǎn)設備現(xiàn)場，以確定控制按鈕來選擇不同的模式開關，接觸器，電磁閥，信號指示燈，規(guī)格，數(shù)量的輸入和輸出設備的PLC的I/ O地址的需求分布; PLC的基于模型的選定行的輸入/輸出設備和工作臺的PLC的輸入，輸出端子上，為了吸引外部plc的i/o接線圖和編程；（5）設計的軟件和硬件PLC編程，櫥柜的設計和現(xiàn)場施工控制（臺灣）和其他硬件。由于程序與硬件設計可同時進行，因此，PLC控制系統(tǒng)可大大縮短設計周期，并為保護系統(tǒng)的設計必須進行整個建筑電氣控制電路設計；（6）聯(lián)機調(diào)試 聯(lián)機調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進行在線統(tǒng)調(diào)。3.1.3 PLC程序設計的一般步驟（1）繪制系統(tǒng)的功能圖；（2）設計梯形圖程序；（3）根據(jù)梯形圖編寫指令表程序；（4）對程序進行模擬調(diào)試及修改，直到滿足控制要求為止。調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。PLC控制系統(tǒng)的設計步驟可參考圖3.1.3：圖 3.1.3 控制系統(tǒng)的設計步驟3.2 PLC的選型和硬件配置3.2.1 PLC型號的選擇采用西門子S7-200 PLC的溫度控制系統(tǒng)。 S7-200是一種小型可編程控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測，監(jiān)測及控制的自動化。 S7-200系列的強大功能使其無論在獨立，或連接到網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列的強大功能使其無論在獨立，或者鏈接到網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。3.2.2 S7-200 CPU的選擇S7-200系列PLC cpu221，CPU222，CPU224，CPU226其他類型。該系統(tǒng)采用S7-200 CPU226，CPU 226集成的24輸入/ 16輸出40個數(shù)字I / O點。7個擴展模塊可以連接，248通道數(shù)字I / O點，或35個模擬I / O點的最大擴張。1萬3千字節(jié)的程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz的高速計數(shù)器，2個獨立的20kHz的高速脈沖輸出，PID控制器。兩個RS485通信/編程口，與PPI協(xié)議，MPI通信協(xié)議和溝通能力。I/O端子塊作為一個整體，可以很容易地刪除。3.2.3 EM235 模擬量輸入/輸出模塊在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉換成4-20mA電流信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊將電流信號轉換成數(shù)字信號，然后送入PLC處理。在這里，我們選擇了西門子EM235模擬輸入/輸出模塊。EM235模塊有4個模擬輸入/輸出模擬方法。它允許S7-200連接微小的模擬信號，80mV范圍。用戶必須使用DIP開關選擇熱電偶，打破檢驗，計量單位，冷端補償和開路故障的方向：SW1 SW3用于選擇熱電偶的類型，SW4不使用，SW5斷線檢測是用來確定方向，SW6是用來選擇是否斷線檢測，SW7是用來選擇測量的方向，sw8用于選擇冷端補償。連接到模塊的所有熱電偶的類型必須相同。3.2.4 熱電式傳感器熱電式傳感器是電力變換裝置中的溫度變化。在不同的熱電傳感器，轉換電位和最常用的方法的耐溫性。一個最常用的測量的熱電偶和熱電阻溫度，熱電偶溫度轉化為潛在的變化，而熱電阻的電阻變化為溫度變化。目前，兩個熱釋電傳感器廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)。該傳感器系統(tǒng)需要為當前溫度和最高溫度為100，所以我選擇Pt100鉑電阻傳感器。P100鉑熱電阻，簡稱：PT100鉑電阻，電阻隨溫度的變化而變化。100是在0100歐姆的電阻在100，大約是138.5歐姆電阻后PT。它的工作原理：當PT100在攝氏0度，當他的100歐姆的電阻，其電阻隨著溫度的升高，其電阻均勻生長。3.2.5 可控硅加熱裝置簡介溫度控制和不需要保持與數(shù)字溫度顯示的電阻爐溫度記錄顯示，帶有一個可調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)溫度，輸出0 10mA的直流信號作為輸入控制電壓調(diào)節(jié)器的晶閘管觸發(fā)板改變導通角來調(diào)整輸出功率的大小，完全滿足投資成本低的要求，操作方便、直觀和易于維護。熱電偶溫度測量和控制是通過采集和輸出信號調(diào)節(jié)器PID溫度測量0 10mA或4 20mA控制觸發(fā)器控制可控硅的導通角板的大小，從而控制加熱元件的主電路電流的大小，使電阻爐的溫度保持在設定工況?？煽毓铚囟瓤刂破鞯闹麟娐泛涂刂齐娐吩Ｖ骰芈肥怯煽煽毓?，快速熔斷器過電流保護，鋼筋混凝土和電阻爐加熱元件和其他元件的過電壓保護的部分。3.3 系統(tǒng)整體設計方案和電氣連接圖系統(tǒng)選用了PLC CPU 226為控制器，PT100型熱電阻將檢測到的實際鍋爐水溫轉化為電流信號，經(jīng)過EM231模擬量輸入模塊轉化成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出轉化為010mA的電流信號輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，從而調(diào)節(jié)電熱絲的加熱5。整體設計方案如圖3.3-1:EM235 鍋 爐PT100 P L C計算機 可控硅圖3.3-1 整體設計方案TT1TT2 24V :RA A+ A- RB B+ B- RC C+ C- RD D+ D- EM235 輸入M 1L+ Q0.0-Q0.7 2M 2L+ Q1.0-Q1.7 M L +DC CPU 226 COM1 COM2 輸出 MO VO IOM L+ 1M I0.0 - I1.4 2M I1.5-I2.7 M L+電源 負 載 載 圖 3.3-2 系統(tǒng)硬件連線圖3.4 PLC控制器的設計控制器的設計是整個控制系統(tǒng)中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對象的數(shù)學模型和它的特性以及設計要求，確定控制器的結構以及和受控對象的連接方式。最后根據(jù)所要求的性能指標確定控制器的參數(shù)值。3.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立在本控制系統(tǒng)中，TT1(出口溫度傳感器)將檢測到的出口水溫度信號轉化為電流信號送入EM235模塊的A路，TT2(爐膛溫度傳感器)將檢測到的出口水溫度信號轉化為電流信號送入EM235模塊的B路。兩路模擬信號經(jīng)過EM235轉化為數(shù)字信號送入PLC，PLC再通過PID模塊進行PID調(diào)節(jié)控制。具體流程在第四章程序編寫的時候具體論述。3.4.2 PID控制及參數(shù)整定(1)PID控制器的組成PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其數(shù)學表達式為： （3.1）比例系數(shù)KC對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。c偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。c太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。c太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。c可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。如果c的符號選擇不當對象狀態(tài)(pv值)就會離控制目標的狀態(tài)(sv值)越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況c的符號就一定要取反。 積分控制i對系統(tǒng)性能的影響： 在下降的穩(wěn)定不可或缺的作用，德州儀器（積分作用）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但它可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。微分控制對系統(tǒng)性能的影響微分作用可以提高動態(tài)特性，當TD太大，大量的超調(diào)量，沉降時間短。當TD小，超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時間長。只有TD適當做一個小的超調(diào)，縮短調(diào)節(jié)時間（2）主副回路控制規(guī)律的選擇主副回路控制律采用串級控制，所以有點一級和二級調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器的設定值的控制作用的副調(diào)節(jié)器的伺服控制的作用，這是基本的出發(fā)點選擇法。主要參數(shù)是過程運行的重要指標，其允許的波動范圍較小，它表現(xiàn)不佳的一般要求，因此，這次大選組PI或PID控制主副參數(shù)調(diào)節(jié)，以確保質(zhì)量控制是主要的參數(shù)，允許一定的范圍內(nèi)變化，允許更多的比差，只要選P副調(diào)節(jié)器控制律可以。在這個控制系統(tǒng)中，我們將鍋爐出水溫度為主要參數(shù)，爐內(nèi)溫度為副參數(shù)。采用PI控制，主要的控制，采用P控制副控制器。（3）主副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定副調(diào)節(jié)器作用方式的確定： 首先，確定控制閥，出于安全原因，生產(chǎn)過程中，可控硅輸出電壓應該用開放的空氣，從而保證當系統(tǒng)發(fā)生故障損壞閥門處于完全關閉狀態(tài)以防止燃料入爐，以確保設備的安全閥，調(diào)節(jié)Kv 0。然后確定sub-k02充電過程中，當閥門開度的增加，電壓增加，在水室的溫度上升，在K02 0。副調(diào)節(jié)器完成，確保負反饋環(huán)副各方面的放大因子（IE，增益）的產(chǎn)品必須是否定的，因此副調(diào)節(jié)器K 20，副調(diào)節(jié)器作用方式反作用的方式。主調(diào)節(jié)器作用方式的確定：爐膛水溫度升高，出口水溫度也升高，主被控過程 K01 0。為保證主回路為負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為負，所以主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) K1 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式7。（4）采樣周期的分析較小的采樣周期Ts，反應的溫度變化的樣品。然而，TS太小會增加CPU的計算工作量，相鄰的兩個樣品中的PID控制器的輸出衍生部分幾乎沒有變化，接近0，這不應該太小，采樣時間。確定采樣周期時，應確保快速變化的帶電量，采樣點的數(shù)量足以確保采樣點不會丟太薄量模擬收集重要信息。由于本系統(tǒng)是一個溫度控制系統(tǒng)，溫度特性具有慣性的相位延遲，使采樣時間不能太短，一般15s 20多歲，17的采樣系統(tǒng)經(jīng)過以上分析，溫度控制系統(tǒng)已基本建立，該控制器的參數(shù)整定是投產(chǎn)前的系統(tǒng)。常見的調(diào)優(yōu)方法可歸納為兩類，即，在整個滴定理論計算和工程。理論計算是基于整個滴定控制對象的數(shù)學模型，根據(jù)所選擇的質(zhì)量指標，計算了（微分方程，根軌跡，頻率，等）的理論，確定最佳整定參數(shù)。這種方法比較復雜，工作量大，和一個對象的分析或實驗測定得到的唯一的近似反映過程的動態(tài)特性數(shù)學模型，優(yōu)化結果準確度不是很高，因此沒有得到廣泛的工程應用。在工程的整個滴定，工程師需要知道被控對象的數(shù)學模型，不需要有理論知識理論計算所學到的，你可以調(diào)諧直接在控制系統(tǒng)中，具有簡單，實用，在實際工程中得到了廣泛使用的常見的工程經(jīng)歷了整個滴定，該法的關鍵比，衰減曲線法，因為整個滴定等。在這里，我們使用整個滴定參數(shù)整定控制器的經(jīng)驗。調(diào)諧步驟“先比例，再點上的差。”調(diào)整比例控制從大到小的比例控制作用，觀察到的響應時間，響應快，超調(diào)量小的響應曲線。調(diào)整的組成部分如果比例控制的穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需要加積分控制。第一步（一）規(guī)模縮減因子被選擇從原來的50至80%，然后積分時間設置為較大的值，所觀察到的響應曲線。然后減小積分時間，提高整體的行動和相應的縮放因子，反復的試驗和錯誤，得到令人滿意的響應，確定的比例和積分參數(shù)。微調(diào)鏈接如果在步驟，PI控制消除穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)過程，是不能令人滿意的，它應該被添加到微分控制，構成PID控制。首先把微分時間Td = 0，逐步增加TD，與量表因子相應的變化和積分時間，反復的試驗和錯誤，取得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。4 PLC控制系統(tǒng)的軟件設計 PLC控制系統(tǒng)設計包括硬件設計和基于硬件的詳細的軟件工程的設計，包括軟件設計，方法和編程軟件STEP7-Micro/WIN引進項目方案的基本步驟兩部分的軟件設計.4.1 PLC程序設計的方法常用的PLC編程方法：經(jīng)驗設計的主要方法，繼電器控制電路將梯法，順序控制設計，邏輯設計法。1經(jīng)驗設計方法：設計是基于一些典型控制電路程序的經(jīng)驗，根據(jù)對象的具體要求進行控制，選擇組合和反復調(diào)試和修改的階梯，有時需要增加輔助觸點、中間程序鏈接的數(shù)量，以達到控制的要求。在這種方式?jīng)]有規(guī)律可循，時間和應用于設計人員的經(jīng)驗有很大的關系設計的質(zhì)量，它被稱為經(jīng)驗設計法。2梯形圖方法：使用PLC梯形外部硬件接線和繼電控制軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。3順序控制設計方法：根據(jù)功能流程步驟的核心，從一開始就下臺設計，一步一步，直到完成。該方法的主要特點是繪制流程圖。4邏輯設計方法：通過對輸入和輸出鏈路數(shù)量的中間。真正發(fā)現(xiàn)的輸出和輸入之間的關系，完成設計任務。4.2 編程軟件STEP7-Micro/WIN 概述 STEP7-Micro/WIN編程軟件是一個基于Windows的應用軟件設計的西門子S7-200系列PLC的設計和開發(fā)，它功能強大，主要是為用戶開發(fā)控制程序，以及用戶程序的實時監(jiān)控執(zhí)行狀態(tài)。4.2.1 STEP7-Micro/WIN 簡單介紹 在STEP7-Micro/WIN創(chuàng)造轉折STEP7-Micro/WIN程序，STEP7微/贏得可以雙擊如圖4.2.1所示的圖標，STEP7-Micro/WIN項目將創(chuàng)建程序的工作空間提供了一個窗口。讀文章訪問STEP7微/贏得不同的編程功能的多個按鈕。指令樹顯示所有項目對象創(chuàng)建控制程序指令。包括程序邏輯程序編輯器和局部變量表，你可以在其中指定符號名稱臨時本地變量。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的的底部按標簽顯示。圖 4.2.1 STEP7-Micro/WIN項目窗口本項目中我們利用 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP5編程軟件，其界面如圖4.2-1所示。項目包括的基本組件：程序塊、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊、符號表、狀態(tài)表、交叉引用表。 4.2.2 計算機與PLC的通信 在STEP7-Micro/WIN命令樹中，雙擊“通信”圖標，或執(zhí)行菜單命令“視圖”/“組件”/“溝通”，“通信”對話框，圖4.2.2所示。在新設置在您下載到S7-200，你應該設置遠程工作站的地址，它是CPU的地址。雙擊“溝通”對話框的“雙擊刷新”組成的藍色圖標旁的箭頭，編程軟件會自動搜索連接在網(wǎng)絡上的S7-200，并用圖標顯示搜索到的S7-200。圖4.2.2 PLC通信窗口4.3 程序設計4.3.1 程序設計思路PLC運行時，通過特殊繼電器SM0.0產(chǎn)生初始化脈沖進行初始化，將溫度設定值，PID參數(shù)值等存入數(shù)據(jù)寄存器，隨后系統(tǒng)開始溫度采樣，采樣周期是17秒，TT1(出口水溫溫度傳感器)將采集到的出口水溫度信號轉換為電流信號，電流信號在通過AIW0進入PLC，作為主回路的反饋值，經(jīng)過主控制器（PID0）的PI運算產(chǎn)生輸出信號，作為副回路的給定值。TT2(爐膛水溫傳感器)將采集到的爐膛水溫度信號轉換為電流信號，電流信號在通過AIW2進入PLC，作為副回路的反饋值，經(jīng)過副控制器（PID1）的P運算產(chǎn)生輸出的信號,由AQW0輸出，輸出的4-20mA電流信號控制可控硅的導通角，從而控制電熱絲的電壓，完成對溫度的控制。4.3.2 PID指令向導編寫PID控制程序時，首先要把過程變量（PV）轉化為0.00-1.00之間的標準實數(shù)。PID運算結束之后，需要把回路輸出（0.00-1.00之間的標準化實數(shù)）轉換為可以送給模擬量輸出模塊的整數(shù)。圖4.3.2-1 PID初始化指令如圖4.3.2-1,PV_I是模擬量輸入模塊提供的反饋值的地址，Setpoint_R是以百分比為單位的實數(shù)給定值（SP）,Output是PID控制器的INT型的輸出地址。HighAlarm和LowAlarm分別是超過上限和下限的報警信號輸出，ModuleErr 是模擬量模塊的故障輸出信號。主回路PID指令向導，如圖4.3.2-2圖 4.3.2-2 主回路用0號PID回路設置PID參數(shù)，如圖4.3.2-3：圖4.3.2-3 設置PID參數(shù)給定值的范圍是0.0-100.0，比例增益Kc為-3.0，積分時間Ti=7 min ，因為主控制器采用PI控制，所以微分時間Td=0?；芈份斎肓康臉O性與范圍，如圖 4.3.2-4： 圖4.3.2-4 輸入輸出量的設置PID指令的參數(shù)表占用的V存儲區(qū)的起始地址如圖 4.3.2-5：圖 4.3.2-5 地址設置向導完成，如圖4.3.2-6圖 4.3.2-6 向導完成副回路PID指令向導：副回路采用1號PID回路，如圖 4.3.2-7：圖4.3.2-7 副回路PID回路設置新建PID配置，如圖 4.3.2-8：圖4.3.2-8 PID配置新建 設置PID參數(shù)，如圖4.3.2-9圖4.3.2-9 副回路PID設置副回路輸入量的極性與范圍，如圖4.3.2-10如圖4.3.2-10 副回路輸入輸出設置PID指令的參數(shù)表占用的V存儲區(qū)的起始地址，如圖4.3.2-11：圖4.3-11 副回路存儲區(qū)設置向導完成，如圖4.3.2-12圖4.3.2-12 副回路向導完成4.3.3 控制程序及分析因為由AIW0和AIW2輸入的是6400-32000的數(shù)字量，所以要轉換為實際的溫度要進行運算，運算公式為： (4.3)其中，T為實際溫度，D為AIWO和AIW2輸入的數(shù)字量PLC的內(nèi)存地址分配見 表4.3.3-1表 4.3.3-1 內(nèi)存地址分配地址說明VD250鍋爐出口水溫度存放地址VD260爐膛水溫存放地址VD270主控制器PID輸出存放地址VD300目標設定溫度存放地址VD304主控制器Kc存放地址VD308主控制器Ti存放地址VD312主控制器Td存放地址VD320副調(diào)節(jié)器Kc存放地址PID指令表見表4.3.3-2： 表4.3.3-2 PID指令回路表地址名稱說明VD0主調(diào)節(jié)器過程變量（PVn）必須在0.01.0之間VD4主調(diào)節(jié)器給定值（SPn）必須在0.01.0之間VD8主調(diào)節(jié)器輸出值（Mn）必須在0.01.0之間VD12主調(diào)節(jié)器增益（Kc）比例常數(shù)，可正可負VD16主調(diào)節(jié)器采樣時間（Ts）單位為s，必須是正數(shù)VD20主調(diào)節(jié)器積分時間（Ti）單位為min，必須是正數(shù)VD24主調(diào)節(jié)器微分時間（Td）單位為min，必須是正數(shù)VD120副調(diào)節(jié)器過程變量（PVn）必須在0.01.0之間VD124副調(diào)節(jié)器給定值（SPn）必須在0.01.0之間VD128副調(diào)節(jié)器輸出值（Mn）必須在0.01.0之間VD132副調(diào)節(jié)器增益（Kc）比例常數(shù)，可正可負VD136副調(diào)節(jié)器采樣時間（Ts）單位為s，必須是正數(shù)VD140副調(diào)節(jié)器積分時間（Ti）單位為min，必須是正數(shù)VD144副調(diào)節(jié)器微分時間（Td）單位為min，必須是正數(shù)控制程序圖如圖4.3.3-1-圖4.3.3-7 所示圖4.3.3-1 控制程序1主調(diào)節(jié)器程序：圖4.3.3-2 控制程序2圖4.3.3-3 控制程序3圖4.3.3-4 控制程序4圖4.3.3-4 控制程序4副調(diào)節(jié)器程序如圖4.3.3-5-圖4.3.3-圖4.3.3-5 控制程序5圖4.3.3-6 控制程序6圖4.3.3-7控制程序75 組態(tài)畫面的設計這一章中詳細說明了構建和設計系統(tǒng)的結構。5.1 組態(tài)變量的建立及設備連接5.1.1 新建項目雙擊該組態(tài)王快捷方式出現(xiàn)項目管理器窗口，雙擊新建按鈕，按照彈出的向導，填寫項目名稱。然后打開新創(chuàng)建的項目。進入配置界面設計，如圖5.1.1-1：圖5.1.1-1 新建工程（1）新建畫面進入工程管理器以后，在畫面右方雙擊“先建“圖標新建畫面，并設置畫面的屬性，圖5.1.1-2所示：圖5.1.1-2 畫面新建（2）新建設備 因為組態(tài)畫面要與西門子S7-200 PLC連接之后才可以使用，所以要新建S7-200的連接，具體步驟如圖5.1.1-3：圖5.1.1-3 步驟1圖5.1.1-4 步驟2圖5.1.1-5 步驟3圖5.1.1-6 步驟4（3）新建變量要實現(xiàn)組態(tài)王在線監(jiān)測S7-200，你首先需要建立兩者之間的聯(lián)系，這就需要建立兩者之間的數(shù)據(jù)變量。變量的基本類型可分為“內(nèi)存變量”和I / O變量類型。內(nèi)存配置的變量是在國王，不與被監(jiān)視的交換裝置。I / O變量相互之間數(shù)據(jù)交換的橋梁，S7-200和數(shù)據(jù)交換的配置是雙向的。圖5.1.1-7所示：圖5.1.1-7 新建變量5.2 創(chuàng)建組態(tài)畫面5.2.1 新建主畫面 如圖5.2.1-1所示，高溫報警顯示，當溫度高于95攝氏度時，等會就用來表示爐加熱的狀態(tài)下爐子閃爍紅色的燈光。 圖5.2.1-1 控制系統(tǒng)主畫面5.2.2 新建PID參數(shù)設定窗口如圖5.2-2所示，PID參數(shù)設定窗口，用來設定主控制器和副控制器的PID參數(shù)值，可與PID參數(shù)的整定。 圖5.2.2-2 PID參數(shù)設定窗口5.2.3 新建數(shù)據(jù)報表 數(shù)據(jù)報表是反應數(shù)據(jù)，狀態(tài)，等過程中產(chǎn)生的，和數(shù)據(jù)記錄的一種重要形式。數(shù)據(jù)報表有實時數(shù)據(jù)報表、歷史數(shù)據(jù)報表，實時操作系統(tǒng)的反應，而且監(jiān)測圖5.2.3所示的系統(tǒng)的長期健康： 圖5.2.3數(shù)據(jù)報表窗口5.2.4 新建實時曲線實時趨勢曲線可以通過雙擊屏幕上的工具箱來直接獲得。自動滾動的實時趨勢曲線隨時間改變，新的變化可以快速響應變量。如圖5.2.4所示： 圖5.2.4實時曲線窗口5.2.5 新建歷史曲線 歷史趨勢曲線可以在過去的查詢情況查詢。歷史趨勢曲線有兩個內(nèi)存變量建立子表之前，是調(diào)整跨度和移動一百分比。 圖5.2.5 歷史曲線窗口5.2.6 新建報警窗口在工具箱中選擇報警窗口工具，在面板中畫出報警窗口，添加文本等就完成了。如圖5.2.6-1所示。由于前面已經(jīng)設置了報警變量，所以當變量值超過所設置的溫度85度時，那就會在報警畫面中被記錄。如圖5.2.6-1所示:圖5.2.6-1 歷史報警窗口其制作過程和歷史報警窗口有些相似，不同的是，實時報警畫面需要彈出，所以畫面在新建的時候就必須把大小調(diào)好，并選擇是“覆蓋式”。畫面的自動彈出，在事件命令語言中，輸入showpicture(實時報警窗口);這樣每次新報警有產(chǎn)生，就會立刻出報警畫面。如圖5.2.6-2所示。圖5.2.6-2實時報警窗口6 系統(tǒng)測試PLC編程軟件和組態(tài)王不能同時運行，因為他們都使用相同的端口開始，為了利用組態(tài)王在線監(jiān)控程序，它首先必須在關閉配置國王的情況下，第一個PLC程序下載到PLC，并運行該程序，然后關閉編程軟件之前你可以開始配置的王，使你可以利用的組態(tài)王在線監(jiān)測。6.1 啟動組態(tài)王開放式組態(tài)項目經(jīng)理，在窗口欄中的“看”或右鍵單擊并選擇“切換到視圖”點擊屏幕，啟動組態(tài)王，到主屏幕。這段時間，系統(tǒng)會自動打開一個消息窗口，你可以通過窗口的認識，以及運用PLC連接組態(tài)王成功。如果連接不成功，將有一個通訊故障提示語言，就必須找出原因，或無法監(jiān)控。如果提示連接成功的裝置，該窗口將顯示開始記錄數(shù)據(jù)，這味著該系統(tǒng)可以開始運行。組態(tài)監(jiān)控啟動之后，會自動顯示組態(tài)畫面，如圖 6.1 所示：圖 6.1監(jiān)控主畫面6.2 實時曲線觀察點擊組態(tài)畫面的實時曲線按鈕，可以看到，在自PID參數(shù)的作用下，效果被控制的情況。如圖圖 6.2所示： 圖 6.2溫度實時曲線6.3