基于PLC的PID温度控制系统设计附程序代码.docx
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基于PLC的PID温度控制系统设计附程序代码
基于PLC的PID温度控制系统设计(附程序代码)
摘要
自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用,温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。
随着PLC技术的飞速发展,通过PLC对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。
温度控制系统广泛应用于工业控制领域,如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统。
而温度控制在许多领域中也有广泛的应用。
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。
根据大滞后、大惯性、时变性的特点,一般采用PID调节进行控制。
随着PLC功能的扩充,在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的。
本设计是利用西门子S7-200PLC来控制温度系统。
首先研究了温度的PID调节控制,提出了PID的模糊自整定的设计方案,结合MCGS监控软件控制得以实现控制温度目的。
关键词:
PLC;PID;温度控制
沈阳理工大学课程设计论文
1引言............................................................................................................................1
1.1温度控制系统的意义....................................................................................1
1.2温度控制系统背景........................................................................................11.3研究技术介绍................................................................................................1
1.3.1传感技术..............................................................................................1
1.3.2PLC......................................................................................................2
上位机..................................................................................................1.3.33
1.3.4组态软件..............................................................................................31.4本文研究对象................................................................................................4
2温度PID控制硬件设计...........................................................................................5
2.1控制要求........................................................................................................52.2系统整体设计方案........................................................................................52.3硬件配置........................................................................................................6
2.3.1西门子S7-200CUP224......................................................................6
2.3.2传感器..................................................................................................6
2.3.3EM235模拟量输入模块.....................................................................7
2.3.4温度检测和控制模块..........................................................................82.4I/O分配表.....................................................................................................82.5I/O接线图.....................................................................................................8
3控制算法设计............................................................................................................9
3.1P-I-D控制....................................................................................................93.2PID回路指令............................................................................................11
3.2.1PID算法............................................................................................11
3.2.2PID回路指令....................................................................................14
3.2.3回路输入输出变量的数值转换........................................................16
3.2.4PID参数整定....................................................................................17
4程序设计..................................................................................................................19
4.1程序流程图....................................................................................................194.2梯形图............................................................................................................19
I
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5调试..........................................................................................................................23
5.1程序调试......................................................................................................23
5.2硬件调试......................................................................................................23
结束语..........................................................................................................................24附录程序代码..............................................................................................................25参考文献......................................................................................................................27
II
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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。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十分广泛,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。
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。
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中华人民共和国国家标准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
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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控制对象和控制目的的任意组态,完成最终的自动化控制工程。
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1.4本文研究对象
现代社会要求制造业市场需求迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一需求,生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性,可编程控制器就顺应而生。
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞跃发展,计算机控制已扩展到所有控制领域。
在建材、化工、食品、机械、钢铁、煤矿等工业生产中广泛应用时运输机运送原料物品。
本文介绍了以锅炉为被控对象,以锅炉出口水温为被控参数,以以PLC为控制器,构成锅炉温度串级控制系统;采用PID算法,运用PLC梯形图编程语言进行编程,实现锅炉温度的自动控制。
电热锅炉的应用领域相当广泛,在相当多的领域里,电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。
目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术,既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。
本文主要从温度控制算法角度进行阐述。
通过改造电热锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点,对工业控制有现实意义。
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2温度PID控制硬件设计
2.1控制要求
本课设以锅炉内胆作为被控对象,内胆的水温为系统的被控制量。
要求锅炉内胆的水温稳定至给定量,将铂电阻检测到的锅炉内胆温度信号TT1作为反馈信号,在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压(即三相电加热管的端电压),以达到控制锅炉内胆水温的目的。
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;输出值是送至加热器的电压,其允许变化范围为最大值的0%至100%。
2.2系统整体设计方案
系统选用PLCCPU224为控制器,
PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转
化为电压信号,经过EM235模拟量输入模
块转化成数字量信号并送到PLC中进行PID
调节,PID控制器输出转化为0,10mA的电
流信号输入控制可控硅电压调整器或触发
板改变可控硅管导通角的大小来调节输出
功率,从而调节电热丝的加热。
如图所示。
图2-1温度控制系统示意图
PLCPT100控EM
制235
器模可控硅块
图2-2整体设计方案
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2.3硬件配置
2.3.1西门子S7-200CUP224
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S7-200CPU221640S7-200CPU222862个扩展模块S7-200CPU22424107个扩展模块S7-200CPU224XP24167个扩展模块S7-200CPU22624167个扩展模块
本论文采用的是CUP224。
它具有14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K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。
1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内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
2.3.2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范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、
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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。
2.3.3EM235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)。
模拟量输入/出模块EM235具有4个模拟量输入通道、1个模拟量输出通道。
该模块的模拟量输入功能同EM231模拟量输入模块,技术参数基本相同。
模拟量输出功能同EM232模拟量输出模块。
如图2-3为EM235的引脚图,模块上有12个端子,每3个点为一组(例RA、A-、A)可作为一路模拟量得输入通道,共4组,对于电压信号只用两个端子,电流信号需用3个端子,其中与端子短接。
对于未用的输入通道应短接。
模块下部左端ML两端应接入DC24V电源,右端分别是校准电位器和配置设定开关(DIP)。
电流变送器
电压变送器
未使用输入端
电电压流负负载载
图2-3EM235CN连接图
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2.3.4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0,5V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0,5V,锅炉外接24V直流电源。
2.4I/O分配表
该系统所需的输入通道为1个,输出通道为1个,则可将I//O分配用下表表示:
表2-2I/O分配表
模块端子0~5+0~5-+-
OUT?
测温模拟量端子V0M0A+A-
2.5I/O接线图
图2-4输入输出接线图
注意事项:
接线时注意模块的输入端子应接变送器的输出,输出端子接驱动模块的正负端子,且注意极性不能接反,否则烧坏PLC。
模拟量没用的端子应该短接,不能悬空。
PLC模块不需接电源,与自身电源提供。
当发生意外情况时应立即切断电源,检查电路。
系统调试时,应检查接线,检查无误后才可上电。
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3控制算法设计
在生产过程自动控制的发展历史过程中,PID控制是历史最悠久,生命力最强的基本控制方式。
PID控制具有以下优点:
原理简单,使用方便:
适应性强,可以广泛应用于化工,热工,冶金,炼油及造纸,建筑等各种生产部门:
鲁棒性强,控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。
3.1P-I-D控制
1(比例(P)调节
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