基于S7200的自制溫度控制系統(tǒng)設計心得

1、 計算機控制技術(shù)實訓報告題 目: 基于S7200的自制溫度控制系統(tǒng)設計 系 別: 自動化系 _ 專 業(yè): 電氣工程及其自動化 姓 名: 學 號: 指導教師: 目 錄一、概述2二、溫度控制原理3三、自制溫度控制方案設計4四、自制溫度控制系統(tǒng)設計6實訓心得參考書籍一、 概述這周實訓任務是設計一種基于S7200的自制溫度控制系統(tǒng)，并利用組態(tài)王軟件組態(tài)較人性化的人機畫面，組態(tài)軟件采用組態(tài)王或者MCGS。闡述該系統(tǒng)的軟硬件設計方案。采用模塊化設計方法，通過EM235采集到的參數(shù)，利用西門子PLC200內(nèi)部集成PID算法使被控對象的溫度值趨于給定值。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的檢測和自動控制功能。二、 溫

2、度控制原理本系統(tǒng)是采用模塊控制，原理框圖如下圖所示。通過EM235的AI口對溫度變送器使出端進行數(shù)據(jù)采樣、量化和工程標度變換，將采集的參數(shù)傳到PLC的PID控制器中，通過和設定值的對比，然后將PLC中PID控制器輸出通過EM235 得AO輸出0-5V電壓，作為驅(qū)動模塊的輸入信號，該模塊將接收的0-5V可調(diào)電壓變換成0-24V可調(diào)電壓給電加熱絲，從而控制電加熱絲的加熱強度，從而實現(xiàn)溫度控制。三、 自制溫度控制系統(tǒng)方案設計 本系統(tǒng)有兩種控制方案：模塊控制；繼電器控制。計算機控制技術(shù)實訓方案中控制器采用西門子PLC200，IO模版采用工控室與西門子配套的5套EM235(其中4個AI，1個AO)，被控

3、對象為溫度對象。方案實現(xiàn)如圖1和圖2所示Ø 方案1：模擬量輸出控制，將PLC中PID控制器輸出通過EM235 AO輸出0-5V電壓，該0-5V電壓作為方案1中驅(qū)動模塊的輸入信號，該模塊將接收的0-5V可調(diào)電壓變換成0-24V可調(diào)電壓給電加熱絲，從而控制電加熱絲的加熱強度，從而實現(xiàn)溫度控制。Ø 方案2：繼電器輸出控制，將PLC中PID運算得到的變化的模擬信號轉(zhuǎn)化為占空比可調(diào)的脈沖信號輸出，該脈沖信號的占空比與模擬信號大小成比例，從而控制電加熱絲的加熱功率實現(xiàn)溫度可控的目標。四、 自制溫度控制系統(tǒng)設計該自制溫度控制系統(tǒng)設計采用第一種方案，使用模塊控制，硬件如下所示：Ø

4、 控制器：西門子PLC200。Ø IO模版：EM235，接收4-20mA或0-5V模擬信號，輸出4-20mA或0-5V信號。Ø 被控對象：箱內(nèi)溫度。Ø 傳感變送：熱電偶+溫度變送器，變送出標準電壓信號或者電流信號都可。Ø 執(zhí)行機構(gòu)：驅(qū)動模塊，開關電源。硬件接線的圖：PID算法在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，PID控制器管理輸出數(shù)值，以便將錯誤（e）驅(qū)動為零。錯誤測量由定點（所需的操作點）和進程變量（實際操作點）之間的差別決定。PID控制原則基于以下公式，其中將輸出M(t)表示為比例項、積分項和微分項的函數(shù)：其中：M(t) 作為時間函數(shù)的環(huán)路輸出TD 環(huán)路增益E 環(huán)路錯

5、誤（定點和進程變量之間的差別）Minitial 環(huán)路輸出的初始值為了在數(shù)字計算機中運行該控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)量化為錯誤值的定期樣本，并隨后計算輸出。數(shù)字計算機運算以下列相應的公式為基礎：其中：Mn 采樣時間n的環(huán)路輸出計算值Kc 環(huán)路增益En 采樣時間n的環(huán)路錯誤值En-1 環(huán)路錯誤的前一個數(shù)值（在采樣時間n ?1）Ki 積分項的比例常量Minitial 微分項的比例常量KD 微分項的比例常量在該公式中，積分項被顯示為全部錯誤項的函數(shù)，從第一個樣本至當前樣本。微分項是當前樣本和前一個樣本的函數(shù)，而比例項僅是當前樣本的函數(shù)。在數(shù)字計算機中，既不可能也沒有必要存儲所有的錯誤項樣本。因為從第一個

6、樣本開始，每次對錯誤采樣時數(shù)字計算機都必須計算輸出值，因此僅需存儲前一個錯誤值和前一個積分項數(shù)值。由于數(shù)字計算機計算結(jié)果的重復性，可在任何采樣時間對公式進行簡化。簡化后的公式為：其中：Mn 采樣時間n的環(huán)路輸出計算值Kc 環(huán)路增益En 采樣時間n的環(huán)路錯誤值En-1 環(huán)路錯誤的前一個數(shù)值（采樣時間n ?1）Ki 積分項的比例常量MX 積分項的前一個數(shù)值（采樣時間n ?1）KD 微分項的比例常量計算環(huán)路輸出值時，CPU使用對上述簡化公式的修改格式。修改后的公式為：其中：Mn 采樣時間n的環(huán)路輸出計算值MPn 采樣時間n的環(huán)路輸出比例項數(shù)值MIn 采樣時間n的環(huán)路輸出積分項數(shù)值MDn 采樣時間n的

7、環(huán)路輸出微分項數(shù)值比例項比例項MP是增益和錯誤（e）的乘積，其中增益控制輸出計算的敏感度，錯誤是在某一特定采樣時間定點（SP）和進程變量（PV）之間的差別。CPU采用的計算比例項的公式為：其中： MPn 采樣時間n的環(huán)路輸出比例項數(shù)值Kc 環(huán)路增益SPn 采樣時間n的定點數(shù)值PVn 采樣時間n的進程變量數(shù)值積分項積分項MI在時間上與錯誤（e）和成比例。CPU采用的積分項公式為：其中： MIn 采樣時間n的環(huán)路輸出積分項數(shù)值Kc 環(huán)路增益Ts 環(huán)路采樣時間Ti 積分時間（亦稱為積分時間或重設）SPn 采樣時間n的定點數(shù)值PVn 采樣時間n的進程變量數(shù)值MX 采樣時間n - 1的積分項數(shù)值（亦稱為

8、積分和或偏差）積分和或偏差（MX）是積分項所有先前數(shù)值的運行和。每次MIn計算后，根據(jù)MIn的數(shù)值更新偏差，該數(shù)值可能被調(diào)節(jié)或截取（詳情請參閱“變量和范圍”一節(jié)）。偏差的初始值通常被設為第一次環(huán)路輸出計算之前的輸出值Minitial。其他幾個常量也是積分項的一部分，例如增益Kc、采樣時間Ts（即PID環(huán)路重新計算輸出值的循環(huán)時間）以及積分時間或重設Ti（即用于控制積分項對輸出計算影響的時間）。微分項微分項MD與錯誤變化成比例。計算微分項的公式為：為了避免步驟改變或由于對定點變化求導帶來的輸出變化，對該公式進行修改，假定定點為常量 = 。如下所示，會導致計算進程變量的變化，而不計算錯誤的變化：或

9、：其中： MDn 采樣時間n的環(huán)路輸出微分項數(shù)值Kc 環(huán)路增益Ts 環(huán)路采樣時間TD 環(huán)路微分階段（亦稱為導數(shù)時間或速率） SPn 采樣時間n的定點數(shù)值SPn-1 采樣時間n - 1的定點數(shù)值PVn 采樣時間n - 1的進程變量數(shù)值PVn-1 采樣時間n - 1的進程變量數(shù)值必須保存進程變量，而不必保存錯誤，用于下一次微分項計算。第一次采樣時，數(shù)值PVn-1被初始化，等于PVn。PLC程序主程序子程序SBR_0子程序SBR_1中斷程序工程轉(zhuǎn)換實訓編程過程中涉及到大量工程標度變換，現(xiàn)總結(jié)如以下所示：Ø 輸入部分：溫度變送器參數(shù)為：0-300度4-20mAEM235輸入AI接收電流范圍0

10、-20mA，為12位A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換后數(shù)字量范圍為：0-32000，故對應范圍為：0-20mA0-32000。故編程時：0-300度-6400-32000PID子程序中檢測值PV=AIW0, 歸一化得 PV/32000=VD100Ø 輸出部分：實際中，驅(qū)動模塊調(diào)壓范圍為：1.3V-3.2V0-24VPLC的EM235中AO輸出為0-10V0-32000實驗中我們只需要0-5V電壓給驅(qū)動模塊，即數(shù)字量為0-16000PID運算輸出范圍為0-1之間小數(shù)，實訓中我們需要將該0-1對應到1.3-3.2V因此PID運算輸出對應數(shù)字量范圍為：4160-10240因此， D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量D

11、對應PID程序輸出x之間關系為：D=f(x)= 4160+6080x驅(qū)動模塊輸入電壓V與PID輸出x之間關系為：V=x*（3.2-1.3）+1.3Ø PID子程序設定值VD104為歸一化0-1之間的值0-300度-6400-320000-32000-0-1綜合得0-300度-0.2-1X=T*(1-0.2)/300+0.2PID參數(shù)整定 PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時間Ti和微分時間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標要求。一般可以通過理論計算確定，但是誤差太大。目前，應用工程做多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例

12、帶法和反應曲線法。 經(jīng)驗法又叫現(xiàn)場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，利用一組經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)反應曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對于溫度控制系統(tǒng)，工程上有大量的經(jīng)驗，其規(guī)律如下表所示： 實驗湊試法的整定步驟為“現(xiàn)比例，再積分，最后微分”。整定比例控制 將比例控制作用由下變大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。整定積分環(huán)節(jié)先將步驟 中選擇的比例系數(shù)減小為原來的5080%，再將積分時間置一較大值，反復試湊至獲得滿意的控制效果，確定比例和積分參數(shù)。整定微分環(huán)節(jié) 先置微分時間Td=0，同時相應的改變比例系數(shù)和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗，

13、微分環(huán)節(jié)一般都置為0，可以不調(diào)的盡量不要調(diào)。 根據(jù)反復的試湊，調(diào)出比較好的結(jié)果是P=30;I=0.5;D=0。人機界面實時曲線如下圖所示：過程控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線把單個分散的測量、控制設備變成網(wǎng)絡的一各個節(jié)點，并以現(xiàn)場總線為紐帶，把他們連接成可以互相溝通信息、共同完成自控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。它不但克服了DCS那種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、造價昂貴、浪費大量銅線等缺點，而且是自控系統(tǒng)與設備具有了通信能力，把它們連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡的行列。因此，現(xiàn)場總線將工業(yè)過程控制引入一個新的時代。實訓心得（重點）這周實訓為期雖然很短，但我在老師和同學的幫助下成功運用了組態(tài)王和S7-200設計了一個人機監(jiān)控的溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用位置式PID控制，得到了一個反應迅速，控制精度高、穩(wěn)定可靠的溫度控制系統(tǒng)。熟悉硬件電路，把理論和實踐相結(jié)合，把各個部分對應起來，加深對PID控制器的了解和作用，尤其是在調(diào)試PID三個參數(shù)：比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，花了很多時間才能調(diào)試出令這個系統(tǒng)運行更快、更穩(wěn)定的參數(shù)，并加深每個參數(shù)對