基于S7200的自制温度控制系统设计心得Word文件下载.docx
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三、自制温度控制系统方案设计
本系统有两种控制方案：
①模块控制；
②继电器控制。
计算机控制技术实训方案中控制器采用西门子PLC200,IO模版采用工控室与西门子配套的5套EM235（其中4个AI，1个A0），被控对象为温度对象。
方案实现如图1和图2所示
图1计算机控制系统实训方案1（模块控制）屮
图2计算机控制系统实训方案2（继电器控制）*
方案1模拟量输出控制，将PLC中PID控制器输出通过EM235AO输出0-5V电压，该0-5V电压作为方案1中驱动模块的输入信号，该模块将接收的0-5V可调电压变换成0-24V可调电压给电加热丝，从而控制电加热丝的加热强度，从而实现温度控制。
方案2:
继电器输出控制，将PLC中PID运算得到的变化的模拟信号转化为占空比可调的脉冲信号输出，该脉冲信号的占空比与模拟信号大小成比例，从而控制电加热丝的加热功率实现温度可控的目标。
四、自制温度控制系统设计
该自制温度控制系统设计采用第一种方案，使用模块控制，⑴硬件如下所示：
控制器：
西门子PLC200。
10模版：
EM235,接收4-20mA或0-5V模拟信号，输出4-20mA或0-5V信号。
被控对象：
箱内温度。
传感变送：
热电偶+温度变送器，变送出标准电压信号或者电流信号都可。
执行机构：
驱动模块，开关电源。
⑵硬件接线的图：
⑶PID算法
在稳定状态操作中，PID控制器管理输出数值，以便将错误（e）驱动为零。
错误测量由定点（所需的操作点）和进程变量（实际操作点）之间的差别决定。
M（t）
TD
E
Minitial
作为时间函数的环路输出
环路增益
环路错误（定点和进程变量之间的差别）环路输出的初始值
二匕匕例项
+e+
+积分项+徽分项
其中:
为了在数字计算机中运行该控制函数，必须将连续函数量化为错误值的定期样本，并随后计算输出。
数字计算机运算以下列相应的公式为基础：
=K的
n
+
K片+Minitial
=匕例项
^335
其中：
Mn采样时间n的环路输出计算值
Kc环路增益
En采样时间n的环路错误值
En-1环路错误的前一个数值（在采样时间n?
1）
Ki积分项的比例常量
Minitial微分项的比例常量
KD微分项的比例常量
在该公式中，积分项被显示为全部错误项的函数，从第一个样本至当前样本。
微
分项是当前样本和前一个样本的函数，而比例项仅是当前样本的函数。
在数字计
算机中，既不可能也没有必要存储所有的错误项样本。
因为从第一个样本开始，每次对错误采样时数字计算机都必须计算输出值，因此仅需存储前一个错误值和前一个积分项数值。
由于数字计算机计算结果的重复性，可在任何采样时间对公
式进行简化。
简化后的公式为：
Mn=叱码*K|*en+MX*K^（en-en_i）
output=proportionalterm+integralterm+differentialterm
En-1环路错误的前一个数值（采样时间n?
MX积分项的前一个数值（采样时间n?
计算环路输出值时，CPU使用对上述简化公式的修改格式。
修改后的公式为:
Mn=
MF^
输出_
出例项
积分项
锻分项
MPn采样时间n的环路输出比例项数值
MIn采样时间n的环路输出积分项数值
MDn采样时间n的环路输出微分项数值
比例项
比例项MP是增益和错误（e）的乘积，其中增益控制输出计算的敏感度，错误是在某一特定采样时间定点（SP）和进程变量（PV）之间的差别。
CPU采用的计算比例项的公式为：
Mpn=Kc
MPn
Kc
SPnPVn
采样时间n的环路输出比例项数值
采样时间n的定点数值
采样时间n的进程变量数值
积分项Ml在时间上与错误（e）和成比例。
CPU采用的积分项公式为:
Mln=Kc*Ts/T|*（SPn-PVn）+MX
MIn
Ts
Ti
采样时间n的环路输出积分项数值
环路采样时间
积分时间（亦称为积分时间或重设）
MX采样时间n-1的积分项数值（亦称为积分和或偏差）
积分和或偏差（MX）是积分项所有先前数值的运行和。
每次Mln计算后，根据Mln的数值更新偏差，该数值可能被调节或截取（详情请参阅“变量和范围”一节）。
偏差的初始值通常被设为第一次环路输出计算之前的输出值Minitial。
其他
几个常量也是积分项的一部分，例如增益Kc、采样时间Ts（即PID环路重新计算输出值的循环时间）以及积分时间或重设Ti（即用于控制积分项对输出计算影响的时间）。
微分项
微分项MD与错误变化成比例。
计算微分项的公式为：
«
Dn=KC*Td/Ts*（（SPn-PVn）.（SPn!
-PVn1））
为了避免步骤改变或由于对定点变化求导带来的输出变化，对该公式进行修改，假定定点为常量=。
如下所示，会导致计算进程变量的变化，而不计算错误的变化：
MDh=KC*TD/TS*（SPn-PVn-SPn+PVn_1）
或：
;
*TD/Ts*（PVn_i-PVn）
MDn
TDSPnSPn-1PVn
PVn-1
采样时间n的环路输出微分项数值
环路微分阶段（亦称为导数时间或速率）采样时间n的定点数值
采样时间n-1的定点数值
采样时间n-1的进程变量数值
必须保存进程变量，而不必保存错误，用于下一次微分项计算。
第一次采样时,数值PVn-1被初始化，等于PVn。
⑷PLC程序
|中断
SMOO
ATCH
ENENO
—ENI）
符号
」地址
］注解
INTO
INTO
中斷例行程序淀辭
③子程序SBR_1
Hft1
比例系数
SM011
EN
MOV.R
ENO
11
Zl
10.1・
IN
OUT
'
VD112
网鉛2
|栗祥时间
MQV^R
ENEND
④中断程序
网踣3
给定值的归一
5M0.0
11
Fiji
MUI__R
¥
0J-
VD12-
IH1
IN2
■ACO
rhj
DIV_R
END
/n
ACO-
3oao-
IN1
-ACO
ADD_R
ENO
□UT-ACO
MOV_R
■VD104
0.2
AC0
⑸工程转换
实训编程过程中涉及到大量工程标度变换，现总结如以下所示:
输入部分：
温度变送器参数为：
0-300度——4-20mA
EM235输入AI接收电流范围0-20mA，为12位A/D转换器，其转换后数字量范
围为：
0-32000,故对应范围为：
0-20mA——0-32000。
故编程时：
0-300度6400-32000
PID子程序中检测值PV=AIW0,归一化得
PV/32000=VD100
输出部分：
实际中，驱动模块调压范围为：
1.3V-3.2V――0-24V
PLC的EM235中AO输出为0-10V——0-32000
实验中我们只需要0-5V电压给驱动模块，即数字量为0-16000
PID运算输出范围为0-1之间小数，实训中我们需要将该0-1对应到1.3-3.2V
因此PID运算输出对应数字量范围为：
4160-10240
因此，D/A转换器的数字量D对应PID程序输出x之间关系为：
D=f（x）=4160+6080X
驱动模块输入电压V与PID输出x之间关系为：
V=x*（3.2-1.3）+1.3
PID子程序设定值VD104为归一化0-1之间的值
0-300度---6400-32000
0-32000-----0-1
综合得0-300度——0.2-1
X=T*（1-0.2）/300+0.2
⑹PID参数整定
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
一般可以通过理论计算确定，但是误差太大。
目前，应用工程做多的还是工程整
定法：
如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。
经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系
统，工程上有大量的经验，其规律如下表所示：
表4-12据
被控变凰
比例糜
枳分时何（分钟】
P淋度
30-60
3*10
0.5-3
实验凑试法的整定步骤为“现比例，再积分，最后微分”。
1整定比例控制
将比例控制作用由下变大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
2整定积分环节
先将步骤①中选择的比例系数减小为原来的50〜80%再将积分时间置一较大值，反复试凑至获得满意的控制效果，确定比例和积分参数。
3整定微分环节
先置微分时间Td=0,同时相应的改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得
满意的控制效果和PID控制参数。
根据经验，微分环节一般都置为0，可以不调
的尽量不要调。
根据反复的试凑，调出比较好的结果是P=30;
l=0.5;
D=0。
⑺人机界面
给定值检测值输出值微分系数!
°
-00
实时曲线如下图所示:
（⑻过程控制系统和现场总线控制系统
现场总线把单个分散的测量、控制设备变成网络的一各个节点，并以现场总线为纽带，把他们连接成可以互相沟通信息、共同完成自控任务的网络系统和控制系统。
它不但克服了DCS那种系统结构复杂、造价昂贵、浪费大量铜线等缺点，而且是自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。
因此，现场总线将工业过程控制引入一个新的时代。
实训心得（重点）
这周实训为期虽然很短，但我在老师和同学的帮助下成功运用了组态王和S7-200设计了一个人机监控的温度控制系统，系统采用位置式PID控制，得到了一个反应迅速，控制精度高、稳定可靠的温度控制系统。
熟悉硬件电路，把理论和实践相结合，把各个部分对应起来，加深对PID控制器的了解和作用，尤其是在调试PID三个参数：
比例系数、积分系数和微分系数，花了很多时间才能调试出令这个系统运行更快、更稳定的参数，并加深每个参数对系统的影响。
组态王操作方便，容易上手，功能强大，为我们在调试程序和系统测试的时候提供了很大的帮助。
通过实时趋势曲线可以很好的了解系统的动态特性，方便修正PID参数。
当然，此温度控制系统还存在一些不足的地方：
①由于此系统散热慢，控制与外界温度的改变由很大相关，虽然最终都能把温度控制在要求的范围内，但是调节时间有时过大。
②程序设计不够合理。
五、参考资料
马莹，基于PLC和组态软件的加热炉温度控制控制系统
S7-200中文系统手册
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