基于PLC温室温度控制系统的设计说明.docx

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基于PLC温室温度控制系统的设计说明

摘要

温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。

在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足轻重的作用。

对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制,所采用的加热方式,燃料,控制方案也有所不同。

例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。

温度控制系统的工艺过程复杂多变,具有不确定性,因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器〔PLC〕可编程控制器是一种工业控制计算机,是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。

它具有抗干扰能力强,价格便宜,可靠性强,编程简单,易学易用等特点,在工业领域中深受工程操作人员的喜欢,因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

关键字：

温度控制PLC组态

TheTitleofthethesis

ABSTRACT

Temperatureisthecommonindustrialproductionprocessparameter,anyphysicalchangeandchemicalreactionprocesscloselyisrelatedwiththetemperature.Inscientificresearchandproductionpracticeofmanyareas,temperaturecontroloccupiedanextremelyimportantposition,especiallyinthemetallurgical,chemical,buildingmaterials,food,machinery,petroleumindustry,whichplayadecisiverolerole.Fordifferentproductionconditionsandtechnologicalrequirementsoftemperaturecontrol,thewayofheating,fuel,controlschemeisalsodifferent.Forexample,metallurgy,machinery,food,chemicalandothertypesofindustrialproductioniswidelyusedinallkindsofheatingfurnace,heattreatmentfurnace,reactor;fuelgas,naturalgas,oil,electricityetc..Temperaturecontrolsystemoftheprocessiscomplexandchangeable,uncertain,sothesystemrequiresmoreadvancedcontroltechniqueandcontroltheory.

Programmablelogiccontrollerprogrammablecontrollerisakindofindustrialcontrolcomputer,isthesuccessorofcomputer,automaticcontroltechnologyandcommunicationtechnologyasawholenewtypeofautomaticdevice.Ithasstronganti-interferenceability,lowprice,highreliability,easyprogramming,easytouseandothercharacteristics,intheindustryinthefieldbytheprojectoperatorlike,soPLChasinthevariousfieldsofindustrialcontrolhasbeenwidelyused.

Keywords:

temperaturecontrolbasedonPLC

1引言3

1.1温度控制系统的意义3

1.2温度控制系统背景3

1.3研究技术介绍3

2硬件设计6

2.1硬件配置6

2.2I/O分配表8

2.3硬件接线图10

3软件设计10

3.1PID控制程序设计15

4.6启动组态王29

结论32

1引言

1.1温度控制系统的意义

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。

1.2温度控制系统背景

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。

温度控制系统在国各行各业的应用虽然十分广泛,但从国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。

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外必然发展趋势。

1.3研究技术介绍

1.3.1传感技术

传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础技术。

中华人名国国家标准GB7665-1987对传感器〔transducer/sensor〕的定义是：

"能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。

其中,敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件或响应的被测量转换成适于传感器或被测量的电信号部分。

"

对生产过程的监控首先离不开采集设备工作信息,因此选用合适的传感器至关重要,如果把计算机看作是自动化系统的"大脑",信道看作是"神经网络"的话,那么传感器就是自动化系统的"五官"。

无法对现场数据进行准确、可靠、实时测量,监控也就无从谈起了。

1.3.2PLC

可编程控制器的英文名称是ProgrammableLogicController,即可编程逻辑控制器,简称PLC。

现代制造业必须对市场需求做出快速反应,生产小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品,这便要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高可靠性和灵活性。

可编程控制器正是顺应这一潮流而出现的,以微处理器为基础的通用工业控制装置。

在20世纪60年代的汽车制造业,传统继电接触器控制装置广泛应用于生产流水线的自动控制系统中。

这套装置设备体积庞大,可靠性差,同时维护不便,而且,完全由逻辑硬件构成,接线十分复杂。

一旦生产过程某一环节发生改变,控制装置就要重新设计改造。

随着汽车生产工业的迅猛发展,对于汽车型号频繁改进,传统控制系统捉襟见肘,弊端日益放大,最终PLC应运而生。

它开创性地引入程序控制功能,使计算机科学技术进入工业生产控制领域应用。

早期PLC仅仅是替代继电器控制装置完成顺序控制、定时等任务,但是其简单易懂、安装方便、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用的特点,使得PLC很快就得到了推广应用。

随着超大规模集成电路技术和微处理器性能的飞速发展,PLC的软、硬件功能不能丰富、完善。

国际电工委员会〔IEC〕对PLC的正式定义：

"可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境应用而设计,它采用一类可编程的存储器,用于其部存储程序、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,并通过数字或模拟或输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

"

PLC技术发展至今已十分成熟,生产PLC产品的厂家多达200多个,其中较著名有德国的西门子〔Siemens〕公司、美国的Rockwell自动化公司所属的A-B〔Allen&Bradly〕公司、GE-Fanuc公司、法国的施耐德〔Schneider〕公司、日本的三菱公司和欧姆龙〔OMRON〕公司。

1.3.3上位机

即便远离生产现场,操作人员仍可以通过远程计算机—即上位机—直接向生产设备发出控制指令的。

上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号变化〔液压,水位,温度等〕,便是人机界面〔HumanMachineInterface〕。

而下位机是获取设备状况及直接控制设备的计算机,一般是PLC或单片机。

1.3.4组态软件

组态软件,处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

在组态软件出现之前,工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI〔人机接口软件〕应用,开发时间长、效率低、可靠性差；或者购买专用的工控系统,通常是封闭的系统,选择余地小,往往不能满足需求,很难与外界进行数据交互,升级和增加功能都受到严重的限制。

组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能,构建一套最适合自己的应用系统。

随着工业自动化水平的迅速提高,计算机在工业领域的广泛应用,种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用,传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。

在开发传统的工业控制软件时,一旦工业被控对象有变动,就必须修改其控制系统的源程序,导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低,导致它的价格昂贵。

通用工业自动化组态软件能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题,使用户能根据自己的对象和控制目的的任意组态,完成最终的自动化控制工程。

2硬件设计

2.1硬件配置

2.1.1西门子S7-200CUP226

S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。

其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。

S7-200系列的基本单元如表2.1所示。

表2.1S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元

型号

输入点

输出点

可带扩展模块数

S7-200CPU221

6

4

0

S7-200CPU222

8

6

2个扩展模块

S7-200CPU224

24

10

7个扩展模块

S7-200CPU224XP

24

16

7个扩展模块

S7-200CPU226

24

16

7个扩展模块

本论文采用的是CUP226。

它具有24输入/16输出共40个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

26K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。

2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

I/O端子排可很容易地整体拆卸。

用于较高要求的控制系统,具有更多的输入/输出点,更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的部集成特殊功能。

可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

2.1.2传感器

热电偶是一种感温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号。

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、答应误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。

非标准化热电偶在使用围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。

标准化热电偶我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

本论文采用的是K型热电阻。

2.1.3EM235模拟量输入模块

EM235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体〔ST〕单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块,它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA〔通过250Ω电阻转换DC1～5V或通过500Ω电阻转换DC2～10V〕恒流环标准信号,连续输送到接收装置〔计算机或显示仪表〕。

表2-1所示为如何用DIP开关设置EM235模块。

开关1到6可选择模拟量输入围和分辨率。

所有的输入设置成相同的模拟量输入围和格式。

表2.2所示为如何选择单/双极性〔开关6〕、增益〔开关4和5〕和衰减〔开关1、2和3〕。

下表2.2中,ON为接通,OFF为断开。

表2.2EM235选择模拟量输入围和分辨率的开关表

单极性

满量程输入

分辨率

SW1

SW2

SW3

SW4

SW5

SW6

ON

OFF

OFF

ON

OFF

ON

0到50mV

12.5μV

OFF

ON

OFF

ON

OFF

ON

0到100mV

25μV

ON

OFF

OFF

OFF

ON

ON

0到500mV

125uA

OFF

ON

OFF

OFF

ON

ON

0到1V

250μV

ON

OFF

OFF

OFF

OFF

ON

0到5V

1.25mV

ON

OFF

OFF

OFF

OFF

ON

0到20mA

5μA

OFF

ON

OFF

OFF

OFF

ON

0到10V

2.5mV

根据温度检测和控制模块,我设置PID开关为010001

图2.1DIP开关

2.1.4温度检测和控制模块

由学校提供,模拟真实锅炉的温度检测和控制模块,可自行将0～10V模拟信号转化为占空比对锅炉进行加热。

输出的模拟信号也是0～10V,锅炉外接24V直流电源。

2.2I/O分配表

表2.3I/O分配表

输入

I0.0

启动按钮

I0.1

停止按钮

输出

Q0.1

启动指示灯

Q0.2

停止指示灯

Q0.3

正常运行指示灯

Q0.4

温度越上限报警指示灯

Q0.5

锅炉加热指示灯

2.3硬件接线图

图2.2硬件连接图

图2.3EM235CN连接图

3软件设计

3.1PID控制程序设计

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较高的程度。

比例控制

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。

在积分控制中,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。

在微分控制中,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。

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约,但只有合理地选取PID值,就可以获得较高的控制质量。

3.1.1PID控制算法

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D

PID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。

其离散化的规律如表3.1所示：

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。

3.1.2PID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3.2PID回路指令

名称

PID运算

指令格式

PID

指令表格式

PIDTBL,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VD100到VD132都被占用了。

LOOP是回路号,可以是0～7,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。

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0.0~1.0之间

4

给定值〔SPn〕

实数

必须在0.0~1.0之间

8

输出值〔Mn〕

实数

必须在0.0~1.0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0.0~1.0之间

32

过程变量前值〔PVn-1〕

实数

必须在0.0~1.0之间

3.1.3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,需要控制的变量是炉子的温度。

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。

传感器输入的电压信号经过EM235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。

其转换程序如下:

MOVWAIW0AC0

DTRAC0AC0

MOVRAC0VD100

3.1.4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0.0~1.0之间,所以,在执行PID指令之前,必须把PV和SP的值作归一化处理。

使它们的值都在0.0~1.0之间。

单极性的归一化的公式：

〔3-5〕

3.1.5PID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和和微分时间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来确定,但误差太大。

目前,应用最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,工程上已经有大量的经验,其规律如表3.4所示

表3.4温度控制器参数经验数据

被控变量

规律的选择

比例度

积分时间〔分钟〕

微分时间〔分钟〕

温度

滞后较大

20～60

3～10

0.5～3

根据反复的试凑,调处比较好的结果是P=15,I=2.0,D=0.5

3.2S7-200程序设计流程图

图3.2设计流程图

3.3存地址分配与PID指令回路表

3.3.1存地址分配

表3.5存地址分配

地址

说明

VD0

实际温度存放

VD4

设定温度存放

VD30

实际温度的存放

3.3.2PID指令回路表

表3.6存地址分配

地址

名称

说明

VD100

过程变量〔PVn〕

必须在0.0~1.0之间

VD104

给定值〔SPn〕

必须在0.0~1.0之间

VD108

输出值〔Mn〕

必须在0.0~1.0之间

VD112

增益〔Kc

比例常数,可正可负

VD116

采样时间〔Ts〕

单位为s,必须是正数

VD120

采样时间〔Ti〕

单位为min,必须是正数

VD124

微分时间〔Td〕

单位为min,必须是正数

VD128

积分项前值〔MX〕

必须在0.0~1.0之间

VD132

过程变量前值〔PVn-1〕

必须在0.0~1.0之间

3.4S7-200程序设计梯形图

3.4.1初次上电

1>读入模拟信号,并把数值转化显示锅炉的当前电压

2>判断炉温是否在正常围,打亮正常运行指示灯/温度越上限报警指示灯

3.4.2启动/停止阶段

启动过程：

按下启动按钮后,开始标志位M0.1置位,M0.2复位。

打开运行指示灯Q0.0,熄灭并停止指示灯初始化PID。

开始运行子程序0。

停止过程：

按下停止按钮后,开始标志位M0.1复位,点亮停止指示灯,熄灭运行指示灯。

并把输出模拟量AQW0清零,停止锅炉继续加热。

停止调用子程序0,仍然显示锅炉温度。

停止时模拟量输出清零,防止锅炉继续升温。

调用子程序。

3.4.3子程序

1〕输入设定温度

2〕把设定温度、P值、I值、D值都导入PID

3〕每100ms中断一次子程序进行PID运算

导入DIP。

中断程序。

3.4.4中断程序,PID的计算

1〕模拟信号的采样处理,归一化导入PID

2〕DIP程序运算

3〕输出DIP运算结果,逆转换为模拟信号

4组态编程

4.1PLC通信配置与通信方式

4.1.1串行数据传送和并行数据传送

1>并行数据传送：

并行数据传送时所有数据位是同时进行的,以字或字节为单位传送。

并行传输速度快,但通信线路多、成本高,适合近距离数据高速传送。

2>串行数据传送：

串行数据传送时所有数据是按位进行的。

串行通信仅需要一对数据线就可以。

在长距离数据传送中较为合适。

PLC网络传送数据的方式绝大多数为串行方式,而计算机或PLC部数据处理、存储都是并行的。

若要串行发送、接收数据,则要进行相应的串