课程设计报告第七组 2.docx

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课程设计报告第七组2

HEFEIUNIVERSITY

自动化系统综合实训I

设计报告

题目：

基于PLC的温度控制

系别：

电子信息与电气工程系

专业（班级）：

11自动化1班

姓名（学号）：

蔡国庆1105031014

许丹丹1105031017

贺冬生1105031009

导师姓名：

储忠、李秀娟

完成时间：

2013-11-28

基于PLC的温度控制

中文摘要

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中，温度是一个非常重要的过程变量。

例如：

在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。

这方面的应用大多是基于单片机进行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,然而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,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

因此，PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。

这也正是本课题所重点研究的内容。

关键词:

PLC控制；温度控制；PID控制；单片机

PLCbasedtemperaturecontrol

中文摘要

ChineseAbstract

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中，温度是一个非常重要的过程变量。

例如：

在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。

这方面的应用大多是基于单片机进行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,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。

Withthedevelopmentofmodernindustry,inindustrialproduction,temperature,pressure,flowandlevelarethefourmostcommonprocessvariables.Amongthem,thetemperatureisaveryimportantprocessvariables.Forexample:

inmanyfieldsofmetallurgicalindustry,chemicalindustry,powerindustry,machineryprocessingandfoodprocessing,tocontrolallneedtoallkindsofheatingfurnace,heattreatmentfurnace,reactorandtheboilertemperature.TheapplicationofthisaspectisbasedonSCMPIDcontrol,yetthehardwareandsoftwaredesignofDDCsystemcontrolledbySCMiscomplicated,especiallyrelatestothelogiccontrolmorethantheirstrengths,butthebestchoiceforPLCinthisrespectisrecognizedas.

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,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

因此，PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。

这也正是本课题所重点研究的内容。

WiththeexpandingofPLCfunctioninmanyPLCcontrollershasbeenexpandedPIDcontrolfunction,sointheapplicationlogiccontrolandPIDcontrolarithmeticisadoptedinthePLCcontrolismorereasonable,byusingPLCtocontrolthemusingnotonlyhastheadvantagesofeasycontrol,simpleandflexible,andcangreatlyimprovethetechnicalindexesthemeasuredtemperature,whichcangreatlyimprovethequalityandthequantityoftheproduct.Therefore,thePLCcontrolproblemoftemperaturecontrolproblemforanindustrialproductionoftenencounter.Thisisalsothefocusofthistask.

关键词:

PLC控制；温度控制；PID控制；单片机

Keywords:

PLCcontrol;temperaturecontrol;PIDcontrol;MCU

第一章前言1

1.1研究的主要内容1

第二章基于PLC的PID温度控制系统的硬件设计1

2.1系统控制要求1

2.2系统设计思路2

2.3系统的硬件配置4

2.3.1S7-200PLC选型4

2.3.2温度传感器5

2.3.3EM235模块6

第三章实验与分析7

3.1实验平台7

3.2实验过程7

3.3实验结果与分析8

第四章总结9

致谢9

附录10

参考文献14

第一章前言

温度控制在工业自动化控制中占有非常重要的地位。

例如,在钢铁冶炼过程中,要对出炉的钢铁进行热处理才能达到性能指标;塑料的定型过程中也要保持一定的温度。

但是温度控制系统是具有大惯性、纯滞后、多变量和时变参数的复杂过程对象,目前主要采用PID（比例积分微分）控制方式。

这种方式对不同的控制对象要选择不同的PID参数,需要有一定的实践经验;而模糊（FUZZY）控制是一种语言控制器,是模仿人的思维方式和人的控制经验来实现的一种控制,能更为近似地反映最佳控制者的控制行为,具有很强的鲁棒性和控制稳定性,能适用于不同的对象控制。

将模糊控制与工业控制中应用比较广泛的PLC（可编程控制器）结合使用,是现阶段研究的一个重点和热点。

因此,本文采用传统的PID控制技术和目前比较流行的智能控制中的模糊控制技术来实现对温度的控制,并且使其算法在PLC中通过软件来实现。

1.1研究的主要内容

本课程设计的研究内容主要有：

1）温度的检测；

2）采用PLC进行恒温控制；

3）PID算法在PLC中如何实现；

4）PID参数对系统控制性能的影响；

5）温控系统人机界面的实现。

第二章基于PLC的PID温度控制系统的硬件设计

2.1系统控制要求

本PLC温度控制系统的具体指标要求是：

对加热器加热温度调整范围为30℃—50℃，当温度低于30℃时，加热器工作，高于50℃时，加热器停止工作，使温度始终控制在30℃—50℃之间。

2.2系统设计思路

初始状态，在室温时模拟量模块输出一个电压值（<5V）,加热块开始对物体加热，随着温度上升，PT100反馈给PLC一个正比例电压信号，模拟量模块输出电压逐渐减小，当电压减到0V时则停止对物体的加热。

不要把实验目标值设置过高，以免损坏实验装置。

一般设置为高于室温10～20℃即可。

由于季节或气温的影响，如果在不同的时间和环境内使用同一种参数做此实验，则可能造成控制效果的优劣差异。

为了弥补这方面的差异，也为了达到更好的控制目的，请在不同的时间和环境下设置更佳的P、I、D参数。

在实验的过程中，由于硬件及其他原因，系统温度与系统输出电压之间可能存在一定的误差，因此，为了更好的控制系统温度，目标值的设定应遵循以下步骤：

先把中断程序中的目标值MD104设定为较大的数值，启动系统加热，进入监控模式。

当系统温度上升到预期所要达到的温度值时，读取子程序中网络1中的MD100中的数值，此数值即为预期目标值，把此值填入中断程序中的目标值MD104中，再次下载程序，重新启动PID控制。

输入输出接线图：

实验面板图：

输入输出点配置:

符号

地址

总开关

I0.0

系统正常运行

Q0.0

系统停止运行

Q0.1

温度过高报警

Q0.2

温度过低报警

Q0.3

温度正常

Q0.4

PID输入

AIW0

PID输出

VW34

温度监控

VD30

系统流程图:

2.3系统的硬件配置

2.3.1S7-200PLC选型

S7-200系列PLC是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。

由于它具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用[2]

S7-200系列可以根据对象的不同,可以选用不同的型号和不同数量的模块。

并可以将这些模块安装在同一机架上。

SiemensS7-200主要功能模块介绍：

（1）CPU模块S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元,电源以及数字I/O点,这些都被集成在一个紧凑,独立的设备中。

CPU负责执行程序,输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载.从CPU模块的功能来看,CPU模块为CPU22*,它具有如下五种不同的结构配置CPU单元：

①CPU221它有6输入/4输出,I/0共计10点.无扩展能力,程序和数据存储容量较小,有一定的高速计数处理能力,非常适合于少点数的控制系统。

②CPU222它有8输入/6输出，I/0共计14点，和CPU221相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。

③CPU224它有14输入/10输出，I/0共计24点，和前两者相比,存储容量扩大了一倍,它可以有7个扩展模块,有内置时钟,它有更强的模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多S7-200产品。

④CPU226它有24输入/16输出,I/0共计40点,和CPU224相比,增加了通信口的数量,通信能力大大增强。

它可用于点数较多,要求较高的小型或中型控制系统。

⑤CPU226XM它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和CPU226相同。

（2）开关量I/O扩展模块当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行I/O扩展,I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。

通常开关量I/O模块产品分3种类型:

输入模块,输出模块以及输入/输出模块。

为了保证PLC的工作可靠性,在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。

如光电隔离,输入保护（浪涌吸收器,旁路二极管,限流电阻）,高频滤波,输入数据缓冲器等。

由于PLC要控制的对象有多种,因此输出模块也应根据负载进行选择,有直流输出模块,交流输出模块和交直流输出模块。

按照输出开关器件种类不同又分为3种：

继电器输出型,晶体管输出型和双向晶闸管输出型。

这三种输出方式中,从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中；若从与外部电路安全隔离角度看,继电器输出型最好。

在实际使用时，亦应仔细查看开关量I/O模块的技术特性，按照实际情况进行选择。

2.3.2温度传感器

温度传感器有四种主要类型：

热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定，典型的有铜热电阻、铂热电阻等。

其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，它的阻值会随着温度的变化而改变，通常用PT100来表示。

其中PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

PT100是广泛应用的测温元件，在-50~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。

由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。

校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值[4]。

常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。

常用的采样电路有两种：

一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。

本设计采用的就是三线制接线。

由于铂热电阻测出的是温度变化，需要在将信号输入PLC前加一个温度变送器，将温度信号转换成电压信号。

本系统采用的温度变送器是DZ4130，使用过程中要加一个24V的电源，该电源可以从PLC上直接获得。

2.3.3EM235模块

EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。

下面以EM235为例讲解模拟量扩展模块接线图：

EM235技术参数：

第三章实验与分析

3.1实验平台

实验软件STEP-7，实验平台天煌THSMS-2型试验箱，CPU为S7-200，以及EM235模块，操作模块为实验箱的温度控制模块。

3.2实验过程

首先打开电脑运行STEP-7软件，然后连接好试验箱与电脑的数据传输，同时连接好实验箱的线路。

载入事先写好的程序，打开试验箱电源开关，下载和运行RUN程序，监测实验运行。

3.3实验结果与分析

当温度高于50℃时，实验箱报警提示灯亮，加热器停止工作，等温度降低到50℃以下。

当温度介于50℃至30℃时，实验箱将不提示报警，正常工作，稳定与40℃。

低于30℃时，实验箱提示报警灯亮，加热器工作，使温度达到30℃。

实验过程中监测数据延迟与温度控制模块显示屏，同时响应速度略慢，不可以很好控制温度，温度稳定区间较大，不能很好控制，程序需继续改进，达到精确控制。

第四章总结

在这次课程设计过程中，我们小组所做的是基于PLC的温度控制实验，这次实验是以PLC梯形图程序编写为主，连接实验线路，同时需要掌握STEP-7的CPU的运行原理，以及了解EM235模拟量控住扩展模块，它的作用以及输入输出引脚。

同时也进一步了解到温度控制模块内部结构，温度传感器和单片机原理，数字量与模拟量之间相互转化。

还有PID参数的整定，利用PLC内部功能模块对PID参数进行整定的时，并不是每次都会得到理想的参数，并且参数的自整定需要花很成长的时间，系统的硬件部分过于复杂，该系统在PLC的输入和输出端都需要加变送器，使得整个系统硬件过于繁杂，还需要我们继续深入研究。

致谢

感谢我们的小组成员一直努力积极完成这次课程设计，另外要感谢我们的指导老师储忠老师，在这此设计中，帮住了我们很多，告诉我们实验如何进行下去，帮我们找到原始实验程序，给予了我们许多指导，在储忠老师的悉心帮助下，我们顺利完成实验。

附录：

实验源程序:

网络1实现一个子程序的调用进行PID运算

网络2I0.1代表总开关当其置一时，Q0.0亮表示系统正常运行。

M0.0置一所以Q0.1表示系统不运行

网络3M0.0置一时，模拟量输入的温度与写入数值作比较。

当温度高于一50°C时Q0.2亮

当温度低于一定30°C时灯Q0.3亮

当温度正常时灯Q0.4亮

子程序网络1SM0.1系统首次扫描时输入PID参数。

VD104表示给定值0.4

VD112表示增益1

VD116表示采样时间0.1

VD112表示积分时间100

VD124表示微分时间0（0表示没有微分作用）

子程序网络2SM0.0表示常开，AIW0时模拟量的输入从整数转化为双整数，双整再转为实数，最后将实数归一处理。

将温度归一后乘上100表示实际温度送入VD30中，VD30中的数值在主程序中与上下限作比较。

归一后数值还要送入VD100中也就是PID运算的起始地址中。

子程序网络3进行PID运算

子程序网络4将PID的输出值（0到1之间的一个数）乘以32000得到一个实数，进行取整，最后转化为单整数作为模拟量的输出到PLC中

参考文献

[1]基于PLC的温度控制设计[J].

[2]袁宏斌，刘斐，牛双国等.西门子S7-200PLC应用教程[M].北京：

机械工业出版社，2007.21~26.

[3]李方园.西门子S7-200PLC从入门到实践[M].北京:

电子工业出版，2010.143.

[4]S7-200PLC可编程控制器系统手册[M].西门子公司,2004:

160~162.

[5]张扬，蔡春伟，孙建明.S7-200PLC原理与应用系统设计[M].北京：

机械工业出版社，2007.107~108.