基于S7200的自制温度控制系统设计心得Word文件下载.docx

1、三、自制温度控制系统方案设计本系统有两种控制方案：模块控制；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EM235 AO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:

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，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。硬件接线的图：PID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

3、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）TDEMi nitial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 +M initial=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Mini tial 微分项

4、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-e n_i）output = proportional term + integral term + differential

5、termEn-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=KcMPnKcSPn PVn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

6、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） +MXMInTsTi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

7、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）MDnTD SPn SPn-1 PVnPVn-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

8、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。PLC程序|中断SMOOATCHEN ENOENI）符号地址注解INT OINTO中斷例行程序淀辭子程序SBR_1Hft 1比例系数SM011ENMOV.RENO1 1Zl10.1 INOUTVD112网鉛2|栗祥时间MQVREN END中断程序网踣3给定值的归一5M0.0 1 1 FijiMUI_R0J -VD12-IH1IN2ACOrhjDIV_REND/nACO-3oao-IN1-ACOADD_RENO UT -

9、ACOMOV_RVD1040.2AC0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4-20mAEM235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 6400-32000PID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 0-24VPLC 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

10、，即数字量为 0-16000PID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）+1.3PID子程序设定值VD104为归一化0-1之间的值0-300 度-6400-320000-32000-0-1综合得0-300度0.2-1X=T*（1-0.2）/300+0.2PID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

11、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30-603*100.5-3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

12、响应 曲线。2整定积分环节先将步骤 中选择的比例系数减小为原来的 5080%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。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:（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、

13、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： 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。 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