基于西门子PLC的温度控制系统的设计.docx

1、基于西门子PLC的温度控制系统的设计安徽大学机械与电气工程学院毕业设计(论文) 课 题： 基于s7-200 PLC的温度控制系统设计 专 业： 自 动 化 安徽建筑大学机械与电气工程学院 二一三年六月 摘要 随着科学技术不断进步和社会飞速发展，热水器成为人民日常生活息息相关的电器产品；。设计方法也开始多种多样，从而使全自动热水机显得更加智能化。可编程控制器(PLC)以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活而且结构简单，抗干扰能力强。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 S7-200系列可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩

2、充设备，有丰富的特殊扩设备，其中的模拟输入设备和通信设备更是符合全自动洗衣机控制系统的要求与特点。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。 本设计选择S7-200为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图和指令表进行编程，实现了水的加热控制系统的自动化。在整个设计程序以及程序结束的处理操作过程中，更快捷。总之，整体梯形图的设计简练，有很强的可读性及操作性。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。关键字：PLC、继电接触器、可编程控制器、自动化 Model Along with the constant progress of science and technology and the social rapid develop

3、ment, the water heater become Peoples Daily life is closely linked酽锕极額閉镇桧猪訣锥。Electrical products; . Design method are also beginning to varied, so that the automatic hot water machine appear more intelligent. Programmable controller (PLC) in the microprocessor as the core, the widely used electrical

4、 principle diagram based on relay contactor control system establishment of ladder diagram programming language, programming easy, convenient function extension and modification flexible and simple structure, strong anti-jamming capability.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 S7-200 series programmable controller instructio

5、n is rich, can meet various output and input expansion equipment, has a lot of special equipment, and the analog input equipment and communication equipment is in accordance with the requirements and features of fully automatic washing machine control system.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。 This design choose S7-200 as

6、the core part, emphatically carries on the hardware interface design and programming using ladder diagram and instruction list, automate the water heating control system. Throughout the design process, in the process of the processing operations by the end of the program and more quickly. In a word,

7、 the whole ladder diagram design concise, has the very strong readability and operability.厦礴恳蹒骈時盡继價骚。Key words: PLC, relay contactor, PLC, automation 1绪论温度及湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的，近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。氬嚕躑竄贸恳彈

8、瀘颔澩。自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机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，国内外温度控制系统发展迅速，并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，一日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都产生了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。其中PLC的快速发展使得各种控制系统更加的简洁，效率更高，而且系统稳定可靠。S7-200是西门子公司开发的一种可编程控制器。PLC（Programmable Logic Controller）可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境

9、应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。谚辞調担鈧谄动禪泻類。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十

10、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，我国在这方面总体水平处于20实际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。形成商品化并在仪表控制系统参数的自整定方面，还没开发性能可靠的自整定软件。参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外

11、必然发展趋势。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。本次设计即是利用温度控制硬件设备、计算机与PLC相结合，实现对水箱温度自行控制的测量。 本装置主要由电源、S7-200 PLC，模拟量输入模块，模拟量输出模块，计算机，温度传感器及变送器，电力调整器、水箱构成。本次设计设计以上各个部分。本论文主要完成温度的采集，温度的调节以及水加热系统的设计。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。 2 系统的介绍2.1系统的描述本系统为基于PLC的水箱温度控制系统。开始的时候打开入口电磁阀箱水箱中加水，在水箱中放置一个浮球用来测试水面的高度。系统开始工作时，将水箱中得水温通过传感器传送给PLC主机，主机再通过控制加热器来加热水箱中的水，当水

12、箱中的水温达到设定值时，就自动减少功率加热。当热水层中的水量少于一半时，停止加热，加热层在自动补水，补满后继续加热，以此往复的工作。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。2.2系统的功能 本系统中所使用的有温度传感器用来实现对温度的数据的采集，所采集的数据通过温度变数器传送给PLC，中间有个数据的转换，我们所使用的温度传感器是Pt100，它主要是受温度的变化是的电阻也发生变化，根据这个原理来采集温度数据，因为直接采集的不是温度的具体值，所以要通过温度变送器来转化数据，然后通过PLC的程序来调节。这个被采集的数据不能直接送到PLC中，需要一个输入模块，通过输入模块把数据送到PLC中，因为对数直接加热而不经过调节

13、会使得误差较大，所以在这个系统中用了PID控制，它可以使得误差更小，对水温的调节更加的精确。经过CPU处理后，输出的数据通过PLC的输出模块，来控制可控硅的偏转角，从而控制加热器。当达到所要求的水温时，因为水箱会散热，所以加热器不能停止加热，而是小功率的在加热。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。2.3 系统的框图 电源开关量输入模块输出模块 加热器PLC主机 水箱3 硬件设计 3.1 温度变送器 工作原理: 温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的420mA电流信号输出。

14、濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。 作用: 将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。温度变送器是将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，主要用于工业过程温度参数的测量和控制。电流变送器是将被测主回路交流电流转换成恒流环标准信号，连续输送到接收装置。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。温度电流变送器是把温度传感器的信号转变为电流信号，连接到二次仪表上，从而显示出对应的温度。比如，温度传感器的型号为PT100，那么温度电流变送器的作用就是把电阻信号转变为电流信号，输入仪表，显示温度。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。性能指标: * 执行标准：IEC688：1992，QB/LF系列20071*

15、 输入范围：-60175* 精度等级：0.5%.F.S* 整机功耗：0.5VA* 绝缘电阻：20M(DC500V)* 响应时间：350mS* 工作环境：-1050，20%90%无凝露* 贮存环境：-40100，20%95%无凝露* 将被测环境温度隔离转换成按线性比例输出的单路标准直流电压或直流电流；* 低功耗、可靠性高；* 优良的抗干扰能力；* 拔插端子接口、标准导轨（35mm）安装；* 体积小、外型尺寸(mm)：95(L)37(W)32(H)；技术参数:1、热电偶温度变送器技术指标输入输入类型：K、E、S、B、T、J等型热电偶温度量程范围：（如下图）输入阻抗：20K冷端温度补偿：0100输出

16、输出电流：420mA输出回路供电：1230VDC最小工作电压：12VDC负载电阻与供电电源的关系：综合参数标准精度：0.2%温度漂移：基本误差/10热电阻引线补偿：0.1%（010）负载变化影响：0.1%（允许负载范围内）电源变化影响：0.1%（1230V）开机响应时间：1S（090%）工作环境温度：0+100防护等级：IP00/IP54（传感器防护等级决定）电磁兼容：符合IEC61000,EN610002、热电阻温度变送器技术指标输入温度量程范围：Pt100：-200850 Cu50：-50150最小温度量程：100引线电阻：10输出输出电流：420mA输出回路供电：1230VDC最小工作电

17、压：12VDC负载电阻与供电电源的关系：负载电阻（包括引线电阻）=供电电源（V）-12（V）/0.02A综合参数标准精度：0.2%（参见选型表）注：需要高精度可订制温度漂移：基本误差/10热电阻引线补偿：0.1%（010）负载变化影响：0.1%（允许负载范围内）电源变化影响：0.1%（1230V）开机响应时间：1S（090%）工作环境温度：0+100防护等级：IP00/IP54（传感器防护等级决定）电磁兼容：符合IEC61000,EN610003.2 PT100温度传感器温度传感器种类繁多,但最符合要求的PT100温度传感器. PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的10

18、0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。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。经过仔细的网上搜寻,我觉得合肥中亚传感器有限公司的产品性能较好.以下是对它的一些简单的介绍: 它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式：裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。-200t0 Rt=R01+At+Bt*t+C(t-100)t*t*t （1）0t850 Rt=R0（1+At+Bt2） （2）Rt为t时的电阻值，R0为

19、0时的阻值。公式中的A,B,系数为实验测定。这里给出标准的DIN IEC751系数：A=3.9083E-3、 B=-5.775E-7、 C=-4.183E-12仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。根据韦达公式求得阻值大于等于100欧姆的Rt -t的换算公式：0t850 t=(sqrt(A*R0)2-4*B*R0*(R0-Rt)-A*R0)/2/B/R0绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+T)其中=0.00392,Ro为100(在0的电阻值),T为摄氏温度因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT10

20、0。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。1：Vo=2.55mA 100(1+0.00392T)=0.255+T/1000 。2：量测Vo时,不可分出任何电流,否则测量值会不准。电路分析由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,由于7.2V齐纳二极体的作用,使得1K电阻和5K可变电阻之电压和为6.5V,靠5K可变电阻的调整可决定电晶体的射(集极)极电流,而我们须将集极电流调为2.55mA,使得量测电压V如箭头所示为0.255+T/1000。其后的非反向放大器,输入电阻几乎无限大,同时又放大10倍,使得运算放大器输出为2.55+T/100。6V齐纳二极体的作用如7.2V齐

21、纳二极体的作用,我们利用它调出2.55V,因此电压追随器的输出电压V1亦为2.55V。其后差动放大器之输出为Vo=10(V2-V1)=10(2.55+T/100-2.55)=T/10,如果现在室温为25,则输出电压为2.5V。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。PT100铂电阻RT曲线图表温度(度)阻值(欧姆)010010103.920107.7930111.6740115.5450119.460123.2470127.0780130.8990134.7100138.5Pt100分度表3.3PLC的简介PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存

22、储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。 PLC= Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。3.

23、3.1 PLC主机的选型 S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。CPU单元设计：集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器）， CPU 224，输出280，可用作负载电源。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。CPU 224具有14个输入点和10个输出点。本次选用的PLC的CPU是CPU 224。 S7

24、-200 Cpu224 3.3.2 PLC的输入和输出模块的选型 PLC有多种输出和输入模块，本系统中的输入信号是温度信号，所以选择EM231作为它的输入模块，总共有四个模拟量输入。EM232作为它的输出模块，有两个模拟量输出。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。 热电偶选型：热电阻选用Pt100，其温度测量范围为0100，测量精度为0.1摄氏度。水箱中的温度一般在：20100，不超过100，控制恒温水供很多恒温装置实用。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。 EM231的模块设定如下： SW1/SW2/SW3/=010 (热电偶选型为T型热电偶) 。 SW4=0（OFF）状态。 SW5=0 正向断线检查。 SW6=0 断

25、线检查使能，模块向输入端加入20uA的检测电流，判断模块是否断线。 SW7=0 温度单位选为（）。 SW8=0 冷端补偿使能。型号名称主要参数DC5V消耗功耗EM231模拟量输入4点，DC010V/020mA输入，12位20mA2W2点，热电阻输入，16位87 mA1.8W4点，热电偶输入，16位87 mA1.8W型号名称主要参数DC5V消耗功耗EM232模拟量输出2点，-10V+10V/020mA，12位20mA2W3.4 PID模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比

26、较高的程度。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。比例控制(P)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。其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。在积分控制(I)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。在微分控制(D)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。微分控制具有超前作用，它能猜测误差变化的趋势。避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。PID控制，P、I、D各有自己的长处和缺点，它们一起使用的时候又和互相制

27、约，但只有合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。图3.1 闭环控制系统如图3.1所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差e和输入量r、输出量c的关系: （3-1）控制器的输出为： （3-2）-PID回路输出-比例系数P-积分系数I-微分系数DPID调节的传输函数为 （3-3）数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。其离散化的规律。表3.1 模拟与离散形式模拟形式离散化形式所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为: （3-4）式中， 称为比例项 称为积分项 称为微分项上式中，积分项是包括第一个采样周期到

28、当前采样周期的所有误差的累积值。计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。故可利用PLC中的PID指令实现位置式PID控制算法量。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。3.4.1PID在PLC中的回路指令西门子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，见表3.2表3.2 PID回路指令名称PID运算指令格式PID指令表格式PID TBL,LOOP梯形图使用方法：当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD400到VD432

29、都被占用了。LOOP是回路号，可以是07，不可以重复使用。PID回路在PLC中的地址分配情况如表3.3所示。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。表3.3PID指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程变量（PVn）实数必须在0.01.0之间4给定值（SPn）实数必须在0.01.0之间8输出值（Mn）实数必须在0.01.0之间12增益（Kc）实数比例常数，可正可负16采样时间（Ts）实数单位为s，必须是正数20采样时间（Ti）实数单位为min，必须是正数24微分时间（Td）实数单位为min，必须是正数28积分项前值（MX）实数必须在0.01.0之间32过程变量前值（PVn-1）实数必须在0.01.0之间3.4.

30、2 回路输入输出变量的数值转换方法本文中，设定的温度是给定值SP，需要控制的变量是水箱的温度。但它不完全是过程变量PV，过程变量PV和PID回路输出有关。在本文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。传感器输入的电流信号经过EM231转换后，是一个整数值，但PID指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。使用指令DTR就可以了。如本设计中，是从AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。3.4.3 实数归一化处理因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值0.01.0之间，所以，在执行PID指令之前，必须把PV和SP