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1.1系统设计背景1
1.2系统工作原理1
1.3系统设计目标及技术要求2
1.4技术综述2
第二章系统设计3
2.1控制原理与数学模型3
2.1.1PID控制原理3
2.1.2PID指令的使用注意事项6
2.2采样信号和控制量分析7
2.3系统组成8
第三章硬件设计9
3.1PLC的基本概念9
3.1.1模块式PLC的基本结构9
3.1.2PLC的特点11
3.2PLC的工作原理12
3.2.1PLC的循环处理过程12
3.2.2用户程序的执行过程14
3.3S7-300简介14
3.3.1数字量输入模块14
3.3.2数字量输出模块15
3.3.3数字量输入/输出模块15
3.3.4模拟量输入模块15
3.3.5模拟量输出模块15
3.4温度传感器16
3.4.1热电偶..............................................16
3.4.2热电阻..............................................17
3.5固态继电器18
3.5.1概述................................................18
3.5.2固态继电器的组成....................................18
3.5.3固态继电器的优缺点...................................19
第四章软件设计20
4.1STEP7编程软件简介20
4.1.1STEP7概述20
4.1.2STEP7的硬件接口........20
4.1.3STEP7的编程功能20
4.1.4STEP7的硬件组态与诊断功能21
4.2STEP7项目的创建22
4.2.1使用向导创建项目22
4.2.2直接创建项目22
4.2.3硬件组态与参数设置22
4.3用变量表调试程序24
4.3.1系统调试的基本步骤24
4.3.2变量表的基本功能25
4.3.3变量表的生成26
4.3.4变量表的使用26
4.4S7-300的编程语言27
4.4.1PLC编程语言的国际标准27
4.4.2STEP7中的编程技术28
结束语32
致谢...............................................................33
参考文献34
附录35
第一章引言
1.1系统设计背景
近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。
因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。
由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。
随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。
而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。
这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。
通过本设计可以熟悉并掌握西门子S7-300PLC的原理与功能以及它的编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制的问题。
1.2系统工作原理
加热炉温度控制系统基本构成如图1-1所示，它由PLC主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等4个部分组成。
图1-1加热炉温度控制系统基本组成
加热炉温度控制实现过程是:
首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-300PLC可识别的数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。
既加热炉温度控制得到实现。
其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。
1.3系统设计目标及技术要求
本系统应能够控制在设定值的±
5℃的误差范围内并且具有温度上下限报警功能和故障报警功能。
1.4技术综述
自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国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。
在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。
目前，国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。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。
目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。
成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。
温度控制系统大致可分别用3种方式实现，一种是用仪器仪表来控制温度，这种方法控制的精度不高。
另一种是基于单片机进行PID控制，然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,而PLC在这方面却是公认的最佳选择。
随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能。
因此本设计选用西门子S7-300PLC来控制加热炉的温度。
第二章系统设计
2.1控制原理与数学模型
2.1.1PID控制原理
2.1.1.1PID控制器基本概念
PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时、控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合采用PID控制技术。
（1）比例（P）控制
比例控制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，当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
（2）积分（I）控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差的运算取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，采用比例+积分（PI）控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）微分（D）控制
在微分控制中,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。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大的惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
2.1.1.2闭环控制系统特点
控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统（Open-loopControlSystem）是指被控对象的输出（被控制量）对控制器（controller）的输出没有影响，在这种控制系统中,不依赖将被控制量反送回来以形成任何闭环回路。
闭环控制系统（Closed-loopControlSystem）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。
闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈（NegativeFeedback）；
若极性相同，则称为正反馈。
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A/D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D/A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A/D、D/A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
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