工控网课设Word格式.docx
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（1）包括温度采集程序，标度换算、数字滤波程序、PID程序、D/A输出程序设计等；
（2）温度PID控制参数整定包括：
整定PID参数，分析不同PID对温度控制精度的影响。
2、网络功能：
（1）ControllogixPLC为主控制器，上位机采用计算机作为监控器，下位机采用PLC作为控制器，上下位机通过Ethernet通信；
（2）在上位机上完成系统的组态界面设计，包括通信连接、硬件组态、变量组态、画面组态（温度控制回路相关参数的显示）。
设计任务及要求
1、分析系统功能，确定系统方案。
2、在上位机上进行硬件组态和编写梯形图。
3、画出系统的Ethernet网络结构图。
4、根据本地加热炉的温度控制要求，编写程序，实现系统功能。
5、要求认真独立完成所规定的全部内容；
所设计的内容要求正确、合理。
6、按学校规定的格式，撰写、打印设计说明书一份；
设计说明书应在4000字以上。
技术参数
1、Ethernet网络传输速率：
10Mbps；
2、温度范围0~350度3、温度控制精度：
1%。
进度计划
1、布置任务，查阅资料，确定系统设计方案（1天）
2、对系统功能进行分析，构建Ethernet/IP网络（1天）
3、系统硬件组态及参数设置（3天）
4、系统软件组态及编写功能程序并模拟调试（3天）
5、撰写、打印设计说明书（1天）
6、验收及答辩。
（1天）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
随着国民经济的发展，加热炉的发展和工业生产水平提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位，人们需要对各种加热炉中温度进行监测和控制。
本课程设计介绍了ControllogixPLC控制器在加热炉温度控制系统中的应用，对系统选型、工作原理、设计步骤、控制流程图和接线图做了详细阐述。
加热炉温度控制系统由以下几部分组成：
上位机监控器（计算机），下位机控制器（PLC），加热炉加热装置及温度采集装置。
通过温度采集器进行信号采集，传送给PLC，下位机PLC与上位机（PC）之间通过Ethernet通信，PLC控制加热装置来控制加热炉的温度。
本系统设计选择PLC的ControllogixPLC型号，其适合顺序、过程、传动、运动控制的模块化高性能控制平台，可以在一个机架上使用多个处理器、通讯模块和输入输出模块。
（达到目的，优缺点、好处）
关键词:
Controllogix；
Ethernet；
加热炉
目录
第1章绪论1
1.1加热炉温度控制系统的现实意义1
1.2加热炉温度控制系统的发展技术和控制技术1
第2章课程设计方案3
2.1概述3
2.2系统组成的总体结构3
第3章硬件设计5
3.1Controllogix控制系统设计5
3.1.1PLC的I/O统计5
3.1.2PLC的选型5
3.1.3输入输出点数分配6
3.2温度采集装置设计7
3.3加热装置设计7
3.4系统的电气接线9
第4章软件设计10
4.1PID控制回路设计10
4.2程序设计11
4.2.1主程序设计11
4.2.2PID算法12
4.2.3标度变换程序设计13
4.3PC组态界面设计14
第5章课程设计总结15
参考文献16
第1章绪论
1.1加热炉温度控制系统的现实意义
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都和温度密切相关。
因此温度控制是生产自动化的重要任务。
对于不同的生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式、燃料，控制方案也有所不同。
无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。
自18世纪工业革命以来，工业发展对是否掌握温度有着绝对的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、衣药等等行业，可以说几乎任意的工业部门都不得不考虑着温度因素。
在现代化的工业生产中，冶金工业、化工生产、电力工业、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
从市场角度看，如果我国的大中型企业将温度控制系统引入生产，可降低消耗，控制成本。
从而提高生产率嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排”的要求，符合国家经济发展政策，具有十分广泛的市场前景。
现今，应用比较成熟的如电力脱硫设备中，主控制器在主蒸汽温度控制系统中的应用，已达到世界先进水平。
如今，温度控制系统越来越重要，温度控制系统的前景非常广泛，我国的高新精尖行业研究其应用的意义更是重大。
本课程设计题目是基于Controllogix系统的加热炉温度控制系统。
主要介绍运用ControllogixPLC为主控制器来实现对远程电加热炉的温度控制系统的开发和研究，所有产品的开发都要讲究实用，本课题开发的产品对许多的场合都能适用，不论对于产品开发商还有使用者来说，都是最好的。
他们需要的是一个廉价的又是一个实用的产品。
此系统的设计正好具备了这样的一个要求，能够在大多数的地方应用。
因此，本课程设计就是解决了这样一个问题，还可以保证控制系统的稳定性。
1.2加热炉温度控制系统的发展技术和控制技术
传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，不能满足高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率低。
近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：
PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。
这些技术大大提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率，。
国内外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。
目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度低，温度控制效果不是很理想，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度高，但价格较贵。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各种行业中应用。
他们主要具有以下优点：
一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；
二是能够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；
三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制，四是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，适应的范围广泛；
五是控制器普遍具有参数自整定功能。
借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。
有的还具有学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；
六是高精度、抗干扰能力强的特点。
目前，国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。
第2章课程设计方案
2.1概述
本课程设计的主要任务是：
（1）分析系统功能，确定系统方案。
（2）在上位机上进行硬件组态和编写梯形图。
（3）画出系统的Ethernet网络结构图。
（4）根据本地加热炉的温度控制要求，编写程序，实现系统功能。
（5）要求认真独立完成所规定的全部内容；
（6）技术参数：
1%
本课程设计实现的功能
本地电加热炉的温度控制：
网络功能：
本课程设计的应用场合
现代化的工业生产中，冶金工业、化工生产、电力工业、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
本课程设计应用于各种加热炉的温度控制。
2.2系统组成的总体结构
本课程设计主要面向加热炉的温度控制系统设计，应具有高精度，可靠性等特点。
总体结构包括：
上位机（PC），下位机（ControllogixPLC），加热装置，温度采集装置和加热炉等。
由温度采集装置采集加热炉的温度样本，由电热偶测量并转换成电压信号，通过温度变换器桥路，经过运算放大器放大到0—5V，通过滤波器后，由AD转换成数字量，经过数字滤波、标度变换，供给PLC，再由PLC通过Ethernet/IP与PC通信，PC机组态界面显示温度，PLC连接加热装置控制加热炉的温度。
将该温度值与被控温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制，控制加热装置中加热炉丝导通时间，就可以控制加热炉丝功率大小，从而控制加热炉温度及升温速度，使其逐渐趋于给定值且达到平衡。
总体结构框图如图2.1所示。
图2.1控制系统总体框图
第3章硬件设计
3.1Controllogix控制系统设计
3.1.1PLC的I/O统计
根据课程设计要求，PLC的输入接口为温度采集信号输入，输出接口为加热装置系统，采用输入模块1756-IT61和输出模块1756-OF8，I/O统计表如表3.1所示。
表3.1I/O统计表
1756-IT61输入模块
1756-OF8输出模块
名称
符号
功能
输入信号
F
温度采集信号输入
接触器
KM
加热炉加热
3.1.2PLC的选型
可编程控制器，简称PLC，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，本课程设计选择ControlLogixPLC。
ControlLogix结构体系是一个技术先进的控制平台，它集成了顺序控制、运动控制、传动及过程控制等多个控制功能。
与传统可编程控制器不同，ControlLogix系统在任意尺寸上都是模块化的。
可以根据具体应用来选择合适的内存量、控制器个数和网络类型，这种柔性结构允许在同一机架内使用多个控制器、网络及I/O模块。
与此同时，ControlLogix系统具有优良的性能品质，主要特点如下：
（1）无缝连接。
易于和其它网络上的程序控制器透明地收发信息，兼容性好。
（2）快速。
ControlLogix结构在背板上提供了高速数据传输总线。
（3）可组态。
可根据工业生产的需要增减控制器和通信模板的个数，可在
一个机架内使用多个控制器。
（4）工业化。
ControlLogix提供了高强度平台，可耐受振动、高温及各种工业环境下的电气干扰。
除此之外，其结构紧凑，可有效减少配电盘的空间；
可无需控制器而在网络间实现桥接；
多个控制器、I/O模板及通信模扳可任意组合；
可带电拔插一个模块而无需断开系统的其他模块，并提供可拆卸接线端子排，使用方便，易于维护。
ControllogixPLC的实物图如图3.1所示。
图3.1Controllogix控制器的实物图
3.1.3输入输出点数分配
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%~20%的可扩展。
余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入输出各需1点。
I/O分配表如表3.2所示
表3.2控制系统的I/O分配表输入
地址
Local：
1：
I.Data.1
2：
O.Data.3
I.Data.2
O.Data.4
3.2温度采集装置设计
温度是一种基本物理量，自然界中的一切过程无不与温度有关，温度传感器是最早开发，应用最广泛的一类传感器。
热电偶是温度测量传感器，对它的选择将直接影响检测误差的大小。
本课程设计要求温度范围0~350度，温度控制精度：
1%，低于400度一般采用E型热电偶。
E型热电偶是一种廉金属的热电偶，正极（EP）为：
镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为：
55%的铜，45%的镍以及少量的锰，钴，铁等元素。
该热电偶的使用温度为-200~900℃。
E型热电偶的特点:
热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。
对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。
E热电偶还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点。
热电偶实物图如图3.2所示。
图3.2热电偶实物图
3.3加热装置设计
加热炉内设有加热丝，它主要由电热体和绝热材料两部分组成，电热体是将电能转换成热能，绝热材料起保温作用。
使炉膛达到要求的温度并有合适的温度分布。
电阻炉是一个将电能转化成热能的装置，当电流I流过电阻R的导体时，经过时间t变可产生热量Q：
Q=0.24I2Rt（3-1）
可见，通过控制I、R、t即可达到控制发热体的目的。
为此要合理的使用电热体，另一方面，即使电热体能发出足够的热量，加热炉能否达到足够的高温，这很大程度上取决于加热炉的散热情况。
实际上，加热炉的温度取决于供热和散热。
因此，加热炉的保温性能非常重要，采用保温材料减少热量损失。
电热体一般分为金属和非金属两大类。
在金属电热体中常用的有铁铬铝合金和镍铬合金、铂—铑、钨、钽电热体。
非金属的有石墨电热体和碳化硅电热体。
本课程设计采用镍铬合金，与普通元件相比，在相同的功率条件下，其具有加热装置体积小，升温快、发热均匀、散热性能好、热效率高、使用寿命长、成本低等优点。
镍铬合金加热丝的实物图如图3.3所示。
图3.3加热丝实物图
加热丝主电路控制图如图3.4所示。
图3.4加热丝主电路控制图
3.4系统的电气接线
本课题设计的加热炉温度控系统的控制连接电路主要是ControllogixPLC的I/O接线电路，详细的接线方式如图3.5所示。
图3.5PLC的接线电路
第4章软件设计
4.1PID控制回路设计
软件基本结构由主控制器PID，控制对象加热装置，检测元件温度采集装置等部分组成。
其工作原理：
首先计算出PID的参数，进行PID初始化，把温度采集装置传送回来的数据传送给主控制器PID运算，得到结果经过标度变换的控制信号送给加热装置，对炉内加热丝进行控制，同时对加热炉温度进行检测，形成闭环回路控制。
流程图如图4.1所示。
图4.1PID控制流程图
PID控制回路如图4.2所示。
图4.2PID控制回路图
4.2程序设计
4.2.1主程序设计
主程序完成系统自动启动和停止运行，并实现对其他子程序的调用任务，主程序没有用到局部变量。
主程序梯形图如图4.3所示。
图4.3主程序梯形图
4.2.2PID算法
PID控制在工业领域已被广泛使用。
比例控制（P）是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除静差。
积分控制（I）中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，积分控制可以消除静差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效控制。
微分控制（D）中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系，微分控制具有超前作用，它能预测误差变换的趋势，避免较大误差出现。
PID控制，P、I、D各有自己的优点和缺点，它们一起使用时相互制约，可获得较高的控制质量。
PID控制可调节回路输出，偏移量e、输入量r、输出量c的关系：
（4-1）
控制器输出为：
（4-2）
上式中：
u（t）--PID回路输出，Kp—比例系数，Ti—积分系数，Td—微分系数，PID调节器的传函输出为：
（4-3）
数字计算机处理这个函数关系式，需将连续函数离散化，离散化后输出方程为：
（4-4）
4.2.3标度变换程序设计
标度变换子程序实现由温度传感器将温度信号转换为电压信号，传送A/D转换将模拟量转换为数字量，传送给主控制器，标度变换的主要任务是将温度信号参数转换为实际温度参数，并由计算机计算和显示。
标度变换程序设计如图4.4所示。
图4.4标度变换程序图
4.3PC组态界面设计
组态软件就是应用软件中提供的工具、方法来完成工程中某一具体任务的软件。
工控组态软件是指在数据采集和过程控制中使用的专业软件，即在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境下，为用户提供快速构建工业自动控制、系统监控功能的一种软件工具。
组态软件与工控机一起虽然也可以构成完整的控制系统，但实际上除了一些小型控制系统外，更流行的是分散控制系统，即组态软件一般用于自动控制系统的监控层，各种可编程控制器、仪表等组成系统的控制层。
组态软件的主要使用者是从事自动化工程设计、维护、操作的技术人员，用户在使用组态软件时，可以生成适合自己需要的应用系统，而不需要修改软件程序的源代码。
组态软件具有实时性和多任务性，可以在一台计算机上同时完成数据采集、信号数据处理、数据图形显示、人机对话、实时数据的存储、历史数据的查询、实时通信等多个任务。
本课程设计是在上位机完成组态界面设计，上位机用PC机，PC组态界面由硬件组态上位机（PC机）、下位机（主控制器ControllogixPLC）、加热炉、加热控制装置和温度采集控制系统组成，PC组态界面还包括Ethernet通信连接及温度及相关参数显示。
PC组态界面如图4.5所示。
图4.5PC组态界面
第5章课程设计总结
本课程设计主要用于加热炉温度控制系统的设计，在设计中遇到很多实际问题，是平时生活和学习中不会注意的，思考欠缺的地方，通过查找相关书籍和网上查阅，学习了很多实际生产生活的知识。
本次课程设计中，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，同时对Controllogix系统有了进一步认识，即增长了自己的专业知识与理论水平，也提高了自己的动手能力。
把过去所学习的软件编程、硬件器件选择等结合起来，掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。
同时也让我充分认识到自己的空想与实践的差别，只有从本质上理解了原理，才能更好的与疑途寻求柳暗花明。
总体来说，这样的课程设计是一次很好的锻炼机会。
参考文献
[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].清华大学出版社,2008
[2]周明.现场总线控制[M].中国电力出版社,2001
[3]赵越岭.工业控制网络技术实验教程[M].东北大学出版社,2013
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