毕业设计（论文）-基于S7-200温度控制系统设计.doc

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题目:

基于S7-200温度控制系统设计

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学号:

指导教师:

职称:

３０

目录

摘要 １

关键字 １

Abstract. １

Keywords １

1绪论 ２

1.1课题研究的背景及意义 ２

1.2国内外研究概况 ２

1.2.1控制理论的发展状况 ２

1.2.2温度控制发展现状 ３

1.3PID控制与智能控制 ３

1.3.1传统PID控制 ３

1.3.2智能控制 ３

1.4论文的总体结构 ４

2温度控制系统的理论分析与研究 ４

2.1温度对象控制特点 ４

2.2温度控制的数学模型 ４

2.2.1温度控制的简化数学模型 ４

2.2.2温度控制各动态参数的确定 ５

2.3PID算法介绍 ５

2.3.1模拟PID控制介绍 ５

2.3.2数字PID控制介绍 ７

2.4PID参数整定 ８

2.4.1经验法 ８

2.4.2Z-N法 ８

2.5PID参数自整定 ９

3温度控制系统的软硬件设计 ９

3.1温度控制系统的硬件设计 ９

3.1.1总体设计 ９

3.1.2温度传感器 １０

3.1.3西门子S7-200PLC介绍 １０

3.1.3.1可编程逻辑控制器介绍 １０

3.1.3.2西门子S7-200型PLC １０

3.1.4模拟量输入模块EM231 １０

3.1.5电气原理图与接线实物图 １０

3.2系统的软件程序设计 １３

3.2.1PLC的程序设计语言 １３

3.2.2STEP7Micro/WIN32V4.0软件介绍 １３

3.2.3控制算法描述 １３

3.2.4PLC编程 １４

3.3组态软件设计 ２０

3.3.1组态软件概述 ２１

3.3.2MCGS组态软件介绍 ２１

3.3.3组态软件的具体设计 ２１

4系统的调试 ２４

4.1系统调试的总体过程 ２４

4.2电阻炉的实验过程 ２５

4.2.1对温度传感器进行标定 ２５

4.2.2测量控对象飞升曲线 ２５

4.2.3开关型温度控制 ２５

4.2.4确定PID的参数 ２５

4.2.5实验调整PID参数 ２５

4.3水壶的实验过程 ２６

4.3.1水壶的飞升曲线 ２６

4.3.2开关型温度控制 ２６

4.3.3确定PID的参数 ２７

4.3.4实验调整PID参数 ２７

5结果分析与结论 ２９

致谢 ３０

参考文献 ３０

基于S7-200温度控制系统设计

机械设计制造及其自动化专业学生任航

指导教师杨勇

摘要：

温度控制被广泛地应用在工业生产和生活中，温度控制效果也直接影响到生产效率和产品质量，因而对温度控制系统的控制要求很高。

但是温度具有升温单向性、非线性、大惯性、大滞后时变性等特点。

热量的传递是需要一定时间的，降温则需要与外界的热交换来进行，温度上升的快慢与载体热容量的大小有关系，而产生滞后性则与热量的传递过程有关，再者测温元件也有一定的惯性，这些都会产生滞后现象。

因此，设计一个控制精度高、运行稳定的温度控制系统具有很高的应用价值和经济价值。

本系统的温度检测电路中采用西门子S7-200型PLC并使用其扩展模块EM231，运用PLC配套的STEP7Micro/Win编程软件设计温度控制的软件程序，使用PID控制器对温度进行控制。

监控软件使用MCGS工控软件，在输出控制中主要采用固态继电器电路实现，简化了系统的软硬件设计，提高了温度检测的精度，降低了硬件电路的复杂性。

在控制中运用PID调节功能，对其PID参数进行整定。

控制实验结果表明，该控制系统的控制效果其具有超调小、控制精度较高、运行稳定等优点。

本文以电阻炉为控制对象，在论文中详细阐述了控制系统的硬件设计、软件设计、和PID控制方法。

关键字：

温度控制；PLC；PID控制；参数整定

temperaturecontrolsystemdesignbasedonS7-200

StudentmajoringinMechanicalDesign,ManufacturingandAutomationRenHang

TutorYangYong

Abstract：

Temperaturecontroliswidelyusedinindustrialproductionandlife,temperaturecontrolresultshaveadirectimpactonproductionefficiencyandproductsquality,andThusthecontrolofthetemperaturecontrolsystemrequirementsarehigh.Butthetemperatureiswarming,nonlinear,largeinertiaandlargedelaytime-varyingcharacteristics.Heattransmissionisneededaperiodoftime.itisrequiredcooltheheatexchangewiththeoutsideworld.Thespeedoftemperatureincreasesisrelationshipbetweenthesizeoftheheatcapacity.resultinglagisrelatedwiththeheattransferprocess,elementalsohasanadditiontemperatureacertaininertia,whichwillhavealag.Therefore,thedesignofahighprecisionandstabletemperaturecontrolsystemhasahighapplicationvalueandeconomicvalue.

ThetemperaturedetectioncircuitofthesystemusedinSiemensPLCS7-200typeusingtheextensionmoduleEM231,theusingofSTEP7Micro/WinprogrammingsoftwaresupportingPLCdesignsoftwareprogramoftemperaturecontrol,andusePIDcontrollerfortemperaturecontrol.IndustrialcontrolsoftwaremonitoringisusingsoftwareMCGS,solidstaterelaysisusingintheoutputcontrolcircuits,Itsimplifiesthesystemhardwareandsoftwaredesigntoimprovetemperaturemeasurementaccuracyandreducethecomplexityofthehardwarecircuit.PIDRegulatoryfunctionisusingofcontrolandtuningofitsPIDparameter.Controlexperimentsshowedthattheeffectofthecontrolsystemtocontrolhasasmallovershoot,thecontrolprecisionishigh,stableoperationandsoon.Inthispaper,resistancefurnaceistheobject,itdescribeddetaillythecontrolsystemhardwaredesign,softwaredesign,andPIDcontrolmethodsinthepaper.

Keywords:

Temperaturecontrol;PLC;PIDcontrol;parametertuning

1绪论

1.1课题研究的背景及意义

温度是定量描述物体冷热程度很重要的物理量，几乎所有的科研、生产、生活过程都和温度密切相关。

温度作为一项热工参数，在工业现场和过程控制中起着举足轻重的作用。

许多工业生产都必须在一定的温度条件下才会按照预定的方向进行，所以温度控制是保证生产过程正常进行的必须条件。

温度控制在我国电子、冶金、机械、化工、电力等工业领域得到了非常广泛的应用。

由于其具有工况复杂、参数多变、运动惯性大、控制滞后等特点，所以对控制调节系统的设计要求非常高。

在很多生产过程中，温度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。

温度控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。

在机械行业，金属材料是机械工业中应用最广泛的材料，它在机器设备所用材料中居首位。

热处理是提高金属材料及其制品性能的工艺。

根据不同的目的，将材料加热到适宜的温度，保温，随后用不同的方法冷却，改变其内部组织，以获得所要求的性能，提高制件的使用效能或寿命。

金属加热是热处理操作一个重要环节，而且又是能源消耗最大的一个工序。

为了更好的满足机械零件所要求的性能，必须通过金属热处理进行材料材质的改变，提高材料的使用性能。

因此，在使用金属材料制造机械零件时通常需要对材料进行热处理。

由于热处理是在特定的温度范围内改变金属的金相组织，因此在整个过程中，对温度的变化和保温的时间要求极为严格，这使得热处理材料或金属工件的温度及其温度变化成为热处理的关键因素，它直接对热处理质量产生影响

（1）。

近年来随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、环保方向发展，而电阻炉是热处理生产中常用的加热设备，加热温度常可在较大范围内调节。

目前电阻炉是热处理中用途较广的加热设备，具有加热速度快、热能利用效率高等优点在我国应用广泛。

电阻炉的温度是一种典型的工业过程控制对象，由于其具有工况复杂、参数多变、升温单向性、运动惯性大、控制滞后、时变性等特点（1,2），难以保证加热工艺要求，其升温、保温是依靠电源加热，降温则是依靠环境自然冷却，当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温