课程设计论文基于PLC的电加热炉温度控制系统设计Word格式文档下载.docx

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⑴对二次扰动的抑制能力强,当二次扰动产生后,副被控量首先检测到扰动的影响并与时控制操作变量,使副被控量恢复到设定值.从而使扰动对主被控量的影响减小,即副回路对扰动进行粗调,主回路对扰动进行细调.

⑵串级控制系统由于有副回路的存在改善副对象的动态特性,从而提高了整个系统的动态特性.

⑶串级控制系统由于副回路性能的改善,主控制器的比例带可以变得更窄,从而提高了系统的工作频率,即提高了系统的快速响应能力.

⑷有一定的自适应能力.在副回路的作用下,包括控制阀在内的副对象在操作条件和负荷变化时,其特性变化对系统的影响显著地削弱了.

2.2控制器的设计

2.2.1控制器的控制规律选择

PID控制器是应用最广泛的一种控制器.包括P控制器、PD控制器,PI控制器与完整的PID控制器.P的作用是增加开环增益,降低系统的稳态误差,提高控制精度,但缺点是会使系统变得不稳定.I的作用是消除静差,但有过调现象且不与时.D的作用是增加系统的稳定性,但同时也放大了系统的高频噪声.可见,合理运用才能使系统的效益最大化.

1>

比例〔P〕控制

比例控制是最简单的工作方式.其控制器输入与输出的误差信号成比例关系.比例控制器的传递函数为：

Gc<

S>

=KP〔2.1〕

其中：

Kp称为比例系数或增益.其倒数称为比例带,也称比例度.

2〕比例积分〔PI〕控制

具有比例加积分的控制规律的控制称为比例积分控制,即PI控制.可减少或消除系统的稳态误差,改善系统的稳态性能,但存在过调现象而且不与时,存在滞后.PI控制的传递函数与输出信号为：

=KP+KP/Ti·

1/S=KP<

S+1/Ti>

/S<

2.2>

u<

t>

=Kpe<

+KP/Ti∫0te<

d<

<

2.3>

Kp为比例系数Ti称为积分时间常数

3〕比例微分〔PD〕控制

具有比例加微分的控制规律的控制称为比例微分控制,即PD控制.它能改善系统的动态特性,但具有放大高频噪声的缺点.PD控制的传递函数与输出信号为：

s>

=KP+KPτS<

2.4>

=KPe<

+KPτde<

/dt<

2.5>

KP为比例系数τ为微分时间常数

4>

比例积分微分〔PID〕控制

具有比例加微分和积分的控制规律的控制称为比例积分微分控制,即PID控制.PID控制具有提高系统稳定性能的优点外,还可以还改善系统的动态性能,消除误差,缩小超调量,加快反映速度.PID控制的传递函数与输出信号为：

S+KPτs<

2.6>

dt+Kpτde<

2.7>

KP为比例系数Ti称为积分时间常数τ称为微分时间常数三者都是可调常数.

因为采用串级控制,所以有主副调节器之分.主调节器起定值作用,副调节器起随动作用.原料的出口温度是系统的重要指标,它的允许波动的X围小,且温度控制系统是容量滞后较大的系统,故主控制器选用PID控制,而副控制量采用P控制,因为副被控量的控制X围在工艺上要求不是太严格,允许有余差,故副控制器选用P控制就行.这时如果引入积分就可能会降低副回路反应的快速性影响控制效果.

2.2.2主、副控制器的正反作用选择

副调节器作用方式的确定：

从锅炉的设备和安全出发,一旦系统故障就应自动切断燃料供应.所以可控硅输出电压选用气开式,调节阀的静态放大系数Kv大于0.然后确定副被控过程的K2.当可控硅的导通角增大,电压增大,炉膛水温上升,被控对象为正作用,所以K2大于0.再确定副调节器,为保证回路是负反馈,各环节的静态放大系数极性相乘必须为负,所以副调节器K2小于0,副调节器的作用方式为反作用方式

主调节器作用方式的确定：

炉膛水温升高,出口温度也升高,被控对象为正作用,所以K1大于0.为保证主回路为负反馈,各环节的放大系数相乘必须为负,所以主调节器的放大系数K1小于0.主调节器的作用方式为反作用方式.

2.3系统组成

本系统的结构框如图2-2所示

系统选用S7-300PLC为控制器,用热电偶检测炉温,温度变送器将热电偶输出的微弱信号转换为标准信号.然后送给模拟量输入模块,经A/D转换成数字量.CPU将它与温度设定值作比较,并按PID控制算法对误差进行运算,将结果送给模拟量输出模块,经D/A转换变为模拟信号.用来控制可控硅的导通角大小,从而调节电热丝的加热,改变温度大小.

第三章硬件设计与网络结构

3.1可编程控制器概述

可编程控制器简称PLC,它几乎完全占领了工业控制领域.由于PLC的应用面广、功能强大、使用维护方便,已经成为当代工业自动化的主要支柱之一,在工业生产的所有领域得到了广泛的使用.

PLC有两种工作状态,即运行〔RUN〕状态和停止〔STOP〕.其中运行状态是执行应用程序的状态,在CPU执行启动操作时,清除没有保持功能的位存储器,定时器和计数器,清除堆栈内容等.再执行一次启动组织块OB100,它由用户编写,即完成对指定的初始化操作.之后反复不断地重复执行用户程序.停止状态一般用于程序的编制与修改.

除了执行用户程序外,PLC还要完成启动循环时间监,数据写入输出模块,读取输入模块状态,并存入输入过程映像区；

在系统循环结束时,接着执行所有挂起的任务.最后返回第一阶段.各个阶段如图3-1所示

PLC的特点如下：

⏹可靠性高,抗干扰能力强,适应性强.

⏹系统的安装、设计和调试工作量小,维护方便.

⏹硬件配套齐全,编程方便易学,操作方便.

⏹体积小,功能强大,能耗低,性价比高.

3.2S7-300的输入输出模块

S7-300属于模块式PLC,主要由CPU模块、电源模块、输入输出模块组成〔图3-2〕.各种模块安装在机架上,通过通信模块,PLC可以与计算机,其他PLC或其他设备进行通信.

Ø

模拟量输入模块

在温度控制系统中,传感器将检测到的温度信号转换成4～20mA的电流信号.模拟量输入模块SM331用于将模拟量信号转换为CPU内部处理的数字信号.其主要组成部分是A/D转换器.模拟量输入模块的输入信号一般是模拟量变送器的标准输出信号.

为了减少电磁干扰,传送模拟信号时使用双绞屏蔽电缆.模拟信号电缆的屏蔽层两端接地,如果电缆两端存在电位差,将会造成对模拟信号的干扰.在这种情况下,将电缆的屏蔽层一点接地.

模拟量输出模块

模拟量输出模块SM332用于将CPU送给执行元件的数字信号转换成成比例的电流信号,其主要部件是D/A转换器、

模拟量输出模块为负载和执行器提供电流或电压,模拟信号使用屏蔽电缆或双绞线电缆来传送.

数字量输入模块

数字量输入模块SM321用于连接外部的机械触点和电子式传感器,比如接近开关,二线式开关等.数字量输入模块把外部传来的数字信号转换为PLC的内部信号,输入电路中一般含有RC滤波器,防止由于外部干扰而引起的错误信号输入.输入电流一般为几毫安.

数字量输出模块

数字量输出模块SM322用于驱动接触器,灯等小功率电机负载.数字量输出模块将PLC的内部信号转换为控制过程所需的外部信号.具有隔离和功率放大作用,其功率放大元件如大功率晶体管和场效应晶体管,固态继电器,驱动交流负载的双向晶体管等.输出电流一般为0.5～2A

3.3温度传感器

温度传感器是最早开发,应用最广的一种传感器.它是把检测到的温度转化为电量的装置.按照传感器材料与电子元件特性分为热电阻和热电偶,热电偶是将温度转化为电势的变化,而热电阻是将温度的变化转化为电阻的变化.

✧热电阻

热电阻是金属导体的电阻随温度的增加而增加的这一特性来测量温度的,是测量低温的温度传感器,一般测量温度在-200～800℃.热电阻由金属材料制成,应用最广的是铂和铜.热电阻式温度传感器有如下特点:

优点：

1〕准确度高2>

输出信号大,灵敏度高.3〕测量X围广,稳定性好.4>

输出线性好缺点：

1〕抗机械冲击与振动性能差2〕元件结构复杂,热响应时间长,不适宜测量温度瞬变区域.

✧热电偶

将两种不同的金属导体焊接在一起,构成闭合回路.在焊接端〔测量端〕加热产生温差,就会在回路里产生热电流,相应地产生热电动势.这种以测量热电动势的方法来测量温度的元件称为热电偶.一般测量X围在400～1800℃.热电偶温度传感器有如下特点：

优点：

1〕结构简单,制造容易2>

价格便宜3>

准确度高4〕测量X围广,能适应各种测量对象的要求,远距离测量和控制5〕具有极高的响应速度,可以测量极速变化的过程缺点：

灵敏度较低,容易受到环境干扰的影响.

本设计使用镍镉-镍硅N型热电偶,具有线性度好,热电动势大,灵敏度稳定性均较好的优点.

3.4温度变送器

变送器用于将传感器提供的电量转换为标准量程的直流电流或直流电压信号.例如DC0～10V和4～20mA.变送器分为电流输出型和电压输出型.PLC模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高.如果变送器距离PLC较远,传送模拟量电压信号时抗干扰能力会很差.当PLC的模拟量输入模块输入电流时,产生的干扰较小,所以模拟量电流信号适合于远距离传送.本设计选用电流输出型.

3.5温度控制器

本设计采用可控硅作为开关元件,可以避免传统继电器的频繁吸合造成损坏的问题.而且具有动作快,寿命长,可靠性好等优点.通过将可控硅的导通角大小来调节输出功率,从而控制主回路加热元件电流大小,使加热炉保持在设定温度工作状态.可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成,主回路由可控硅、快速熔断器,加热元件等部分组成.控制回路由电源、热电偶、PID调节器等部分组成.

3.6系统网络结构

西门子的STMATICNET网络系统可分为四层,如图3-3

1.现场层是通过连接如分布式I/O、执行机构、传感器和开关等现场设备,完成现场设备控制与设备的连接控制.西门子网路系统将执行器与传感器单独分一层,并使用AS-i网络.

2.单元层单元层又称车间监控层,用来连接车间的生产设备,实现车间级设备的监控,设备故障报警与维护等.单元层〔车间监控〕网络采用PROFIBUS-FMS或工业以太网.PROFIBUS-FMS是一个多主网络,能传送大量信息.

3管理层车间操作员工作站可以通过集线器与车间办公管理网连接.通过工业以太网将车间产生的数据传送到车间管理层.工厂管理层通常采用TCP/IP通信协议标准,即符合IEC802.3标准的以太网.

S7-300PLC有PROFIBUS-DP和工业以太网的通信模块以与点对点通信模块.通过PROFIBUS-DP或AS-i现场总线,CPU与分布式I/O模块之间周期性地自动交换数据.

3.6.1PROFIBUS现场总线

现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式串行多点式通信的数据总线,具有如下优点：

1〕现场总线使自动控制设备和系统组成了一个信息网络

2〕多个控制设备可共用一对双绞线,便于节省费用.

3〕具有维护方便,系统可靠性高.

4〕用户可以灵活地自由集成系统.

工业现场总线PROFIBUS是用于车间级监控〔单元层〕和现场层的通信系统.PROFIBUS是不依赖于生产厂家、开放式的现场总线,各种各样的自动化设备都可以通过同样的接口交换信息.PROFIBUS由三部分组成,即分布式外围设备PROFIBUS-DP,用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信;

报文规XPROFIBUS-FMS,它定义了主站与主站之间的通信模型,用于系统级和车间级的不同级之间供应商的自动化系统之间传输数据;

过程自动化PROFIBUS-PA,用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输.其中PROFIBUS-DP应用最广.

S7-300PLC可以通过集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP网络上,具有快速、高效、低成本等优点与可以进行组态、诊断和报警处理.PROFIBUS-DP设备可以分为三类不同类型的设备：

1类DP主站〔DPM1〕是系统的中央控制器,与DP从站循环地交换信息,对总线通信进行控制和管理;

2类DP主站〔DPM2〕是DP网路中的编程、诊断和管理设备,除了具有DPM1的功能外,在与一类DP主站进行数据通信时可以读取DP从站的输入/输出数据和当前组态数据,可以给DP从站分配新的总线地址；

3类DP从站是进行输入信息采集和输出信息发送的外围设备,它只与组态它的DP主站交换用户数据,可以向该主站报告本地诊断中断和过程中断.［］

本系统采用插有PROFIBUS网卡的PC机作为1类主站,PC机上装有程序编程软件STEP7,用PC机和MCGS组态软件作监控操作站,连接在PROFIBUS总线上,可以完成远程编程组态以与在线监控功能.西门子ET-200M作为从站,ET-200M是模块化分布式I/O,具有集成的模块诊断功能.

3.6.2MPI网络

MPI是多点接口的总称,每个S7-300CPU都集成了多点接口的通信协议,其物理层是RS-485,最大传输速率为12Mbit/s,两个相邻节点最大传输距离为50m.PLC通过MPI可以访问功能模块,可以自动广播其总线参数组态,可以与多个设备同时建立通信连接,连接的设备有运行STEP7的PC机,HMI,与西门子其他型号的PLC.

联网的CPU可以通过MPI接口实现全局数据<

GD>

服务,周期性地相互进行数据交换.西门子有两种MPI连接器,一种有PG〔编程器〕接口,另一种则没有PG接口,在PC机上插上了一块MPI卡或使用PC/MPI适配器.

3.6.3AS-i网路

执行器传感器接口AS-i网路,用于传感器和执行器的双向数据通信网路.位于自动控制系统最底层的网路.AS-i用于连接需要传送开关量的传感器和执行器,比如读取温度开关的状态,控制各种阀门等,也可以传送模拟量数据.

AS-i属于主从式网路,每个网段只能有一个主站,主站是网路通信的中心,用于网路的初始化,设置从站的地址和参数等.AS-i从站是AS-i系统的输入通道和输出通道.CP343-2通信处理器用于AS-i主站.AS-i的从站由专用的AS-i通信芯片和传感器、执行器部分组成,带有集成的AS-i连接的传感器和执行器可以直接连接到AS-i上.

第四章软件设计

4.1STEP7编程软件

STEP7编程软件是由西门子公司设计开发,具有提供编程、测试、参数设置、通信组态、维护,监控和参数设置的标准工具.本系统采用的是SETP7V5.4版.

4.1.1STEP7的硬件接口

为了在PC机上使用STEP7,应配置PC/MPI通信适配器.连接计算机的RS-232接口和PLC的MPI接口,将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络.计算机一侧的通信速率为19.2Kbit/s,PLC一侧的通信速率为19.2Kbit/s～1.5Mbit/s.

在STEP7的管理器中执行菜单命令：

"

选项〞→"

设置PG/PC接口〞.在打开的对话框中可以选择实际使用的硬件接口.如图4-1,单击"

选择〞,可以安装上述选择框中没有列出的硬件接口的驱动程序.

图4-1

4.1.2STEP7的编程功能

STEP7的编程语言有梯形图〔LAD〕、功能图〔FBD〕、语句表〔STL〕.梯形图〔LAD〕是STEP7编程语言的图形表示,适合于电气行业的用户；

语句表〔STL〕是文本编程语言,与机器代码类似,能够节省输入时间和存储区域,适合于计算机技术领域的用户；

功能块〔FBD〕也是STEP7编程语言的图形表示,用逻辑框表示逻辑功能,类似于数字门电路,适合于电路工程领域的用户

STEP7通过符号编辑器,可以管理所有的全局变量,用于设置符号名称、定义数据类型、注释与排序功能.STEP7的测试和服务功能具有设置断点、强制输入输出、调用块等,同时检测几个块的状态的功能,还有帮助功能,包括在线帮助与从帮助菜单获得帮助.

4.2STEP7项目的创建

在STEP7中,用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件.STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理,它可以方便地浏览SIMATICS7、M7、C7和WinAC的数据.

使用向导来创建项目,双击Windows桌面上的SIMATIC管理器图标,进入SIMATICManager窗口.如下图：

图4-2

●下一步,CPU类型中选择CPU315-2DP,MPI缺省值为2.如下图：

图4-3

●下一步,块名称OB1作为主程序的组织块,所选的语言为LAD.如下图:

●下一步,输入项目名称,按"

完成〞生成项目,如下图：

图4-5

4.3用变量表调试程序

4.3.1系统调试步骤

首先用变量表来测试硬件,同时观察CPU模块上的故障指示灯,或者使用故障诊断工具来诊断故障；

第二,下载用户程序,在下载程序之前将CPU的存储器复位,将CPU切换到STOP模式；

第三,排除可能导致CPU停机的程序中的错误；

最后调试用户程序,在执行用户程序过程中来检查系统的功能,在调试时记录对程序的修改.

在调试时,最先调试启动组织块OB100,然后调试FB和FC,调试启动组织块后,接着应先调试嵌套调用最深的块.如图4-6.在FB1调试好后再调试FB1的FC2,指令BEU可以在完整的OB1中临时插入只有BEU指令之前的部分被执行.调试好后将它删除掉.

4.3.2变量表的基本功能

使用变量表可以在一个画面中同时监视,修改和强制用户感兴趣的全部变量.为满足不同的调试要求,一个项目可以生成多个变量表,在变量表中赋值的变量包括输入输出、定时器、计数器、位存储器,DB在内的存储器和外设I/O.

利用变量表可以监视变量,在计算机上显示用户程序或CPU中的每个变量的当前值.也可以对变量进行修改,将固定值赋给变量,对外设输出赋值,在停机的状态下将固定值赋给CPU的每个输出点.强制变量,给某个变量赋予一个固定值,即使用户程序被进行,也不会影响被强制变量的值.

4.3.3变量表的生成

在SIMATIC管理器中,用菜单命令"

插入〞→"

S7块〔B〕〞→"

变量表〞,出现一个对话框,在对话框中可以给变量表取一个符号名,"

确定〞生成一个新的变量表,如图4-7.也可以在变量表编辑器中,用菜单命令"

表格〞新建一个新的变量表,可以为一个用户生成几个变量表.输入变量时,可以在"

地址〞栏输入在符号表中定义过的地址.当用回车键完成输入项时,其余的详细资料会自动地出现,可以用"

选项〞中的"

符号表〞将地址粘贴到变量表中.

图4-7

4.3.4变量表的使用

为了监视或修改在当前变量表中的输入变量,要与监视的CPU建立连接,选择变量表的菜单命令"

PLC〞→"

连接到〞→"

建立此连接〞,建立与CPU的连接,可以方便地进行变量的监视或修改.用菜单命令"

断开连接〞,可以断开变量表和CPU的连接.

用菜单命令"

变量〞→"

触发器〞打开对话框,选择在程序中的触发来监视或修改变量.变量表显示的是被监视的变量在触发点的数值,同时也可以选择监视的触发条件：

一次或每次循环,如图4-8.

图4-8

将CPU的模式开关调到RUN-P位置,单击"

监视〞,执行监视功能,变量表中的状态值按设定的触发点和触发条件显示在变量表中.在STOP模式下修改变量时,因为用户程序没有被执行,各个变量的状态时相互独立的,相互不会影响.一些数字量可以任意地置0或置1状态,并且有保持的功能.这种通常用来测试数字量输出点的硬件是否正常.在RUN模式下修改变量时,各变量受到用户程序的控制,所以在RUN模式下不能改变数字量输入的状态,仅取决于外部电路的通断状态.

强制变量可以给用户程序中的变量赋一个固定的值,这个值不会由于用户程序的被执行而发生变化.被强制的变量只能读取,不能用写访问来该变其强制值.用菜单命令"

更新监视值〞打开窗口,被强制的变量和它们的强制值都显示在窗口中.其中显示的黑体字表示该变量已被赋予了固定值,普通字表示该变量已在被编辑,灰色字表示该变量不存在.变量的监视和修改只能在变量表中进行,而不能在"

强制数值〞窗口中进行.

第五章组态分布式I/O

在常规自动化系统中,连接传感器和执行器的这些