24秦景宇基于PLC控制的加热炉温度控制系统毕业论文Word格式文档下载.docx
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一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。
可见，闭环控制系统性能远优于开环控制系统。
PID就是应用最广泛的闭环控制器。
如图2-1所示系统是用于电加热炉温度控制系统的闭环控制系统的PID闭环控制系统，系统目标设定值为期望的加热炉温度，闭环控制器的反馈值通过温度传感器测得，并经AD变换转换为数字量；
目标设定值与温度传感器的反馈信号相减，其差送入PID控制器，经比例、积分、微分运算，得到叠加的一个数字量；
该数字量经过上限、下限限位处理后进行DA变换，输出一个电压信号去控制固态继电器，以控制加热炉的温度。
该系统的PID控制器一般采用PLC提供的专用模块（本系统采用FB58模块），也可以采用编程的方法（如PLC编程、高级语言编程或组态软件编程等）生成一个数字PID控制器。
同时，其它功能如AD、DA都由PLC实现，加热炉的反馈信号直接送PLC采集，控制固态继电器的电压信号也由PLC送出，从而控制加热炉的温度。
图2-1电加热炉温度控制系统的闭环控制系统应用实例
2.1.1.3PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性，确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有如下两大类：
（1）理论计算整定法。
它主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用,还必须通过工程实际进行调整和修改。
（2）工程整定法。
它主要依赖于工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
这三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后的调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
2.1.1.4PID控制器的主要优点
PID控制器成为应用最广泛的控制器，它具有以下优点：
（1）PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在、将来的主要信息，而且其配置几乎最优。
其中，比例（P）代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速。
微分（D）在信号变化时有超前控制作用，代表将来的信息。
在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。
积分（I）代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统的静态特性。
此三种作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、准确，收到良好的效果。
（2）PID控制适应性好，有较强的鲁棒性，对各种工业应用场合，都可在不同的程度上应用。
特别适于“一阶惯性环节+纯滞后”和“二阶惯性环节+纯滞后”的过程控制对象。
（3）PID算法简单明了，各个控制参数相对较为独立，参数的选定较为简单，形成了完整的设计和参数调整方法，很容易为工程技术人员所掌握。
（4）PID控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一系列改进的PID算法。
例如，为了克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制，为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制，为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制，等。
这些改进算法在一些应用场合取得了很好的效果。
同时当今智能控制理论的发展，又形成了许多智能PID控制方法。
2.1.2PID指令的使用注意事项
2.1.2.1PID控制器的选取
PID控制器的性能和处理速度只与所采用的CPU的性能有关。
对于任意给定的CPU，控制器的数量和每个控制器被调用的频率是相互矛盾的。
控制环执行的速度，也即在每个时间单元内操作值必须被更新的频率决定了可以安装的控制器的数量。
对要控制的过程类型没有限制，迟延系统（温度、液位等）和快速系统（流量、电机转速等）都可以作为被控对象。
过程分析时应注意：
控制过程的静态性能（比例）和动态性能（时间延迟、死区和重设时间等）对被控过程控制器的构造和设计以及静态（比例）和动态参量（积分和微分）的维数选取有着很大的影响。
准确地了解控制过程的类型和特性数据是非常必要的。
控制器选取时应注意：
控制环的特性由被控过程或被控机械的物理特性决定，并且设计中可以改变的程度不是很大。
只有选用了最适合被控对象的控制器并使其适应过程的响应时间，才能得到较高的控制质量。
不用通过编程就可以生成控制器的大部分功能（构造、参数设置和在程序中的调用等），前提是必须已经掌握STEP7的编程基础知识。
2.1.2.2PID参数的设定
PID调节器参数是根据控制对象的惯量来确定的。
大惯量如大烘房的温度控制，一般P可在10以上，I=3-10，D=1左右。
小惯量如一个小电机带一个水泵进行压力闭环控制，一般只用PI控制，P=1-10，I=0.1-1，D=0，这些要在现场调试时进行修正，主要是靠经验及对生产工艺的熟悉，参考对测量值的跟踪与设定值的曲线，从而调整P、I、D的大小。
下面具体说明经验法的整定步骤：
（1）让调节器参数的积分系数I=0，微分系数D=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数P，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。
（2）取比例系数P为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数I，同样让扰动信号作阶跃变化，直至得到满意的控制过程。
（3）积分系数I保持不变，改变比例系数P，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。
否则，将原比例系数P增大一些，再调整积分系数I，力求改善控制过程。
如此反复试凑，直到找到满意的比例系数P和积分系数I为止。
（4）引入适当的微分系数D，此时可适当增大比例系数P和积分系数I。
和前述步骤相同，微分系数的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。
需要注意的是：
仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业PID调节器有所不同，其各个参数之间是相互隔离的，因而互不影响，用其观察调节规律十分方便。
经验法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。
经验法简单可靠，但需要有一定的现场运行经验，整定时易带有主观片面性。
当采用PID调节器时，由于有多个整定参数，反复试凑的次数增多，因此增加了得到最佳整定参数的难度。
2.2采样信号和控制量分析
本系统共有一个模拟量（温度）信号，从模拟量地址的288读入PLC。
三个数字量控制固态继电器。
其余变量如表2-2所示。
表2-2变量表
序号
采样信号名称
性质（开关、模拟）
传感器
占用硬件资源
说明
1
AI0
模拟量
热电偶
I288
从外界读入的温度信号
2
DI0
开关量
I0.0
启动信号
3
DI1
I0.1
停止信号
4
DI2
I0.2
温度继电器高温信号
5
DI3
I0.3
温度继电器低温信号
6
DI5
I1.3
缺相报警输入
7
DI6
I1.4
过载保护信号
8
DO0
Q0.0
A相固态继电器控制信号
9
DO1
Q0.1
B相固态继电器控制信号
10
DO2
Q0.2
C相固态继电器控制信号
11
DO3
Q1.1
缺相报警
12
DO4
Q1.2
高温指示灯
13
DO5
Q1.3
低温指示灯
14
DO6
Q1.5
KA线圈
2.3系统组成
本系统的结构框图如图2-3所示。
图2-3系统结构框图
由图2-3可知，温度传感器采集到数据后送给S7-300PLC，S7-300PLC通过运算后给固态继电器一个控制信号从而控制加热炉的导通与否。
上位机是编写PLC程序以及监控温度的变化。
第三章硬件设计
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域。
现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、高质量的产品。
为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。
可编程序控制器（ProgrammableLogicController）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置。
本章主要介绍西门子S7-300系列PLC以及其它硬件的组成与选型。
3.1PLC的基本概念
可编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。
3.1.1模块式PLC的基本结构
这里我们主要介绍的是西门子S7-300，S7-300属于模块式PLC。
西门子的PLC以其极高的性价比，在国内占有很大的市场份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。
S7-300模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装的机架上。
通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC或其它设备通信。
图3-1是PLC控制系统的示意图。
图3-1PLC控制系统示意图
CPU模块：
CPU模块主要由微处理器和存储器组成，S7-300将CPU模块简称为CPU。
在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，模块中的存储器用来存储程序和数据。
信号模块：
输入（Input）模块和输出（Output）模块一般简称为IO模块，开关量输入输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入输出模块简称为AI模块和AO模块，在S7-300中统称为信号模块。
信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关等来的开关量输入信号；
模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。
开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。
在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。
功能模块：
为了增强PLC的功能，扩大应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块。
主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。
接口模块：
CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。
接口模块用来实现中央机架和扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。
通信处理器：
通信处理器用于PLC之间、PLC与远程IO之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者用于点对点通信。
电源模块：
PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC24V和背板总线上的DC5V电压，供其他模块使用。
编程设备：
S7-300使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。
程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。
程序可以存盘或打印，通过网络，可以实现远程编程。
编程软件还具有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。
3.1.2PLC的特点
编程方法简单易学：
梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
功能强，性能价格比高：
一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。
PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。
可靠性高，抗干扰能力强：
PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。
S7-300有极强的故障诊断能力。
PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被公认为最可靠的工业控制设备之一。
系统的设计、安装、调试工作量少：
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。
这种设计方法很有规律，容易掌握。
可以在实验室模拟调试PLC的用户程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少的多。
维修工作量小，维修方便：
PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
体积小，能耗低：
对于复杂的控制系统，使用PLC后，由于减少了大量的中间继电器和时间继电器，开关柜的体积比继电器控制系统小的多。
3.2PLC的工作原理
3.2.1PLC的循环处理过程
CPU中的程序分为操作系统和用户程序。
操作系统用来处理PLC的起动、刷新输入输出过程映像区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和通信等任务。
用户程序由用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。
STEP7将用户程序和程序所需的数据放置在块中，功能块FB和功能FC相当于用户编写的子程序，系统功能SFC和系统功能块SFB是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块统称为逻辑块。
PLC采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。
OB1是用于循环处理的组织块，相当于用户程序中的主程序，它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。
PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器、定时器和计数器，清除中断堆栈和块堆栈的内容，复位保存的硬件中断等。
此外还要执行一次用户编写的“系统启动组织块”OB100，完成用户指定的初始化操作。
以后进入周期性的循环运行。
图3-2是扫描过程。
结合图简要介绍下扫描过程：
（1）操作系统启动循环时间监控；
（2）CPU将输出过程映像区的数据写到输出模块；
（3）CPU读输入模块的输入状态，并存入输入过程映像区；
（4）CPU处理用户程序，执行用户程序中的指令；
（5）在循环结束时，操作系统执行所有挂起的任务；
（6）CPU返回第一阶段，重新启动循环时间监控。
图3-2扫描过程
在启动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1中可以调用其他逻辑块（FB、SFB、FC、SFC）。
循环程序处理过程可以被某些事件中断。
如果有中断事件出现，当前正在执行的块被暂停执行，并调用分配给该事件的组织块。
该组织块被执行完后，被暂停执行的块将从被中断的地方开始继续执行。
在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入过程映像区和输出过程映像区。
PLC梯形图中的其他编程元件也有对应的映像存储区。
在循环程序处理过程中，CPU并不直接访问IO模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU内部的过程映像区。
在写输出模块阶段，CPU将输出过程映像区的状态传送到输出模块。
梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像位为1状态。
信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。
若梯形图中的线圈“断电”，对应的输出过程映像位为0状态，在写输出模块阶段之后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。
在读输入模块阶段，PLC把所有外部输入电路的接通断开状态读入输入过程映像区。
外部输入电路接通时，对应的输入过程映像位为1状态，梯形图中对应的输入位的常开触点接通，常闭触点断开。
外部输入触点电路断开时，对应的输入过程映像位为0状态，梯形图中对应的输入位的常开触点断开，常闭触点通。
在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了改变，输入过程映像位的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个循环扫描周期的读输入模块阶段被读入。
3.2.2用户程序的执行过程
PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。
在没有跳转指令和块调用指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。
在执行指令时，从输入过程映像区或别的存储区中将有关编程元件的0、1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的存储区中，因此，各编程元件的存储区（输入过程映像区除外）的内容随着程序的执行而变化。
循环时间是指操作系统执行一次如图3.3所示的循环操作所需的时间，包括执行OB1中的程序段和中断该循环的系统操作的时间，也称扫描循环时间或扫描周期。
循环时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。
3.3S7-300简介
S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。
品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。
S7-300有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力，有350多条指令，其编程软件STEP7功能强大，可以使用多种编程语言。
S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，各个模块都安装在导轨上，用螺栓锁紧即可。
3.3.1数字量输入模块
数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开关等。
数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。
输入电路中一般设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电流一般为数毫安。
3.3.2数字量输出模块
SM322数字量输出模块将S7-300的内部电平信号转化为控制过程所需的外部信号电平，同时具有隔离和功率放大的作用。
输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。
输出电流典型值为0.5~2A，负载电源由外部现场提供。
3.3.3数字量输入输出模块
SM323是S7-300的数字量输入输出模块，它由两种型号可供选择。
一种是8点的输入和8点输出的模块，输入点和输出点均只有一个公共端。
另外一种有16点
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