基于西门子s7300PLC的恒温控制的课程设计.docx
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基于西门子s7300PLC的恒温控制的课程设计
大连民族学院机电信息工程学院
自动化系
电气控制技术课程设计报告
题目:
恒温控制
专业:
自动化
班级:
自动化104
学生姓名:
金政宏、邓新义、李喆
毕琳、杜晓敏、邓凯什
指导教师:
孙进生
设计完成日期:
2013年7月3日
课程设计任务书
题目:
恒温控制
课程设计时间:
2013.6.17~2013.7.5
一、设计任务
采用西门子S7-300系列PLC,使用Step-7编写并调试PLC控制程序,控制电炉丝加热,实现手动调温、自动恒温、超温报警、显示温度等功能。
二、设计内容及要求
1.掌握温度变送器的工作原理;
2.掌握固态继电器的工作原理;
3.恒温控制装置的总体方案设计;
4.PLC控制系统的硬件设计;
5.PLC控制系统的软件设计和调试;
6.撰写课程设计报告。
三、设计重点
PLC控制系统的软件设计与现场调试。
四、课程设计进度要求
2013.6.17~2012.6.18学习温度变送器和固态继电器的工作原理;
⒉2013.6.19~2013.6.21总体方案及PLC硬件设计;
2013.6.22~2013.6.26PLC控制系统的软件设计和仿真调试;
2013.6.27~2013.7.1PLC控制系统的现场调试;
2013.7.2~2013.7.3撰写设计报告;
2013.7.4验收答辩。
五、参阅书目
[1]SIEMENSSIMATIC温度控制手册,2003年12月版
[2]SIEMENSSIMATIC使用STEP7编程手册,2007年8月版
1任务分析和性能指标
1.1任务分析
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。
随着电子技术的发展,可编程序控制器(PLC)已经由原来简单的逻辑量控制,逐步具有了计算机控制系统的功能。
在现代工业控制中,PLC占有了很重要的地位,它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。
在许多行业的工业控制系统中,温度控制都是要解决的问题之一。
1.2性能指标
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40℃—200℃,温度控制精度小于2℃,系统的超调量须小于15%。
考虑到本系统控制对象为电炉,是一个大延迟环节,且温度调节范围较宽,所以本系统对过渡过程时间不予要求。
对给定值(目标值)可以预先设定后直接输入到回路中;过程变量由在受热体中的Pt100测量并经温度变送器给出,为单极性电压模拟量;输出值是送至固态继电器的PWM,其允许变化范围为最大值的0% 至100%
2总体方案设计
根据系统具体指标要求,可以对每一个具体部分进行分析设计。
整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。
系统硬件框图结构如图所示:
-
PWM生成
SSR
炉丝子
Pt100
给定温度
S7-300PLC
CPU运算处理
温度
变送器
图2.1系统硬件框图
被控对象为炉内温度,温度传感器检测炉内的温度信号,经温度变送器将温度值转换成4~20mA的电流信号送入PLCAI模块。
PLC把这个测量信号经过标度变换与设定值比较得到偏差,经PID运算后,发出PWM控制信号,经PWM来控制固态继电器,来调节炉丝两端的电压,从而实现炉丝温度的连续控制。
2.1硬件方案
经过资料查找,并观看了课程设计设备,确定了以下硬件方案,由西门子s7-300PLC做控制器,通过PWM控制固态继电器来调节炉丝电压,检测变送环节由Pt100检测,并由变送器变送给PLC。
电流信号在PLC内经标度变换后给PID模块进行调节。
2.2软件方案
从AI端口读取变送器变送的温度信号并进行标度变换
将标度变换后的测量值与给定值进行比较,PID模块通过偏差值计算控制量,并输出PWM信号。
读取按键
返回
开始
程序初始化
经过考虑,选择了顺序控制作为软件设计的模板,并在OB35模块中对采样和偏差计算部分进行调用。
并对PID参数进行初步调节。
3硬件设计与实现
3.1检测电路
这里的检测电路主要由Pt100测量电路和变送器的变送电路组成。
除了 用于测量温度的热电偶,实际生产中经常使用热电阻。
这些设备的直流电阻变化(几乎)作为线性温度的函数。
或许其中最常见的是PT100,铂为基础的传感器,其电阻在0℃,正是100欧姆。
由于传感器的温度升高其电阻也是如此,在一个合理的线性方式。
显示了一个PT100传感器的电阻随温度的变化。
而温度系数略有不同在一个很宽的温度范围内,(通常为0.0036至0.0042欧姆/ º C),它可以被认为是合理恒定在50或100 º C范围内。
普遍接受的平均温度系数为0.00385欧姆每º C。
据此,PT100往往可以在不超过这个范围线性化使用提供相应的系数进行评估。
这个装置也能承受的温度范围很广,从-200到800 º C的能力,以及一些应用中的温度系数的变化可以容忍的。
此外,PT100提供了稳定和可重复的温度特性。
仪器仪表应用经常使用可编程逻辑控制器(PLC)来存储和处理数据,因此在检测设备模拟输出信号必须为AD转换器缩放的PLC输入卡适当关注。
这通常是由传感器来完成驱动电路。
有几个标准电压由制造商使用的范围 ,这些包括0至1,0至5和0至10伏
3.2控制电路
控制电路则由PLC的DO端口输出的PWM对固态继电器进行连续控制。
固态继电器(Solid State Relays,缩写SSR)是一种无触点电子开关,由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片,采用混合工艺组装来实现控制回路(输入电路)与负载回路(输出电路)的电隔离及信号耦合,由固态器件实现负载的通断切换功能,内部无任何可动部件。
尽管市场上的固态继电器型号规格繁多,但它们的工作原理基本上是相似的。
主要由输入(控制)电路,驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。
固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路,使之成为固态继电器的触发信号源。
固态继电器的输入电路多为直流输入,个别的为交流输入。
直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。
阻性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。
恒流输入电路,在输入电压达到一定值时,电流不再随电压的升高而明显增大,这种继电器可适用于相当宽的输入电压范围。
4软件设计与实现
4.1主程序
4.2中断程序
5调试及性能分析
5.1调试分析
5.1.1软件调试
在最开始,软件没有使用OB35中断模块,并且没用使用背景数据块与共享数据块,在一些参数的调用上会出现错误,并且PID模块FB58也无法正常工作,后来查找了一些资料,并询问了后知道了并不能这么调用。
需要另外建立一个共享数据块对设定值进行存储,这样OB1与OB35都可以调用这个变量且不会产生错误。
至于背景数据块则是在运行过程中对PID的参数进行存储,不至于产生别的影响,使程序正常运行。
5.1.2硬件调试
在最开始的时候,硬件问题主要集中在程序无法下载中,后来使用下载线进行程序下载。
在使用了下载线后,程序能够下载了,但是FC105模块的使能信号一经触发便会产生错误,经过老师的检查发现是AI接口的错误,AI接口无法采集数据,在多次调试无效后换了一台实验台,这个现象就消失了。
5.1.3系统功能调试
进过调试后,系统平稳运行,虽然还有2℃以内的误差,但是基本符合了系统的设计要求,PID参数也进行了人工整定,控制状态良好
总结
本设计研究了电炉的温度控制,系统采用西门子的S7-300PLC为控制器,运用了PID算法对炉丝温度进行控制,最后可在监控的电压表上观测到温度变送器的实时变化。
该系统采用S7-300PLC对电炉丝温度进行控制,虽说之前有学过该类PLC,但S7-300PLC的软硬件学习还不是很熟悉,虽说通过实际操作很容易掌握。
但是对于操作该类PLC配套的人来说还是有些地方有混淆,但是可以通过人机界面方便的监控PLC的运行状态。
本设计的系统虽说成功的实现了电炉丝的恒温控制,但在系统的设计中也存在一些问题,如:
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。
这些问题都是需要进一步研究改进的。
参考文献
[1]SIEMENSSIMATIC温度控制手册,2003年12月版
[2]SIEMENSSIMATIC使用STEP7编程手册,2007年8月版
附录1调试系统照片