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温度PIDPLC课程设计报告书.docx
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摘 要
自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着与其广泛的应用,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, 特别是涉与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
目录
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 ........................................... 1
1.3 研究技术介绍 ............................................... 1
1.3.1 传感技术..............................................1
1.3.2 PLC...................................................2
1.3.3 上位机................................................3
1.3.4 组态软件..............................................3
1.4 本文研究对象 ............................................... 4
2 温度 PID 控制硬件设计 ............................................ 5
2.1 控制要求 ................................................... 5
2.2 系统整体设计方案 ........................................... 5
2.3 硬件配置 ................................................... 6
2.3.1 西门子 S7-200 CUP224 .................................. 6
2.3.2 传感器................................................6
2.3.3 EM235 模拟量输入模块 .................................. 7
2.3.4 温度检测和控制模块....................................8
2.4 I/O 分配表.................................................. 8
2.5 I/O 接线图.................................................. 8
3 控制算法设计 .................................................... 9
3.1 P-I-D 控制................................................. 9
3.2 PID 回路指令.............................................. 11
3.2.1 PID 算法 ............................................. 11
3.2.2 PID 回路指令 ......................................... 14
3.2.3 回路输入输出变量的数值转换...........................16
3.2.4 PID 参数整定 ......................................... 17
4 程序设计 ....................................................... 19
4.1 程序流程图 ................................................. 19
4.2 梯形图 ..................................................... 19
I / 29
5 调试 ........................................................... 22
5.1 程序调试 ..................................................22
5.2 硬件调试 ..................................................23
结束语 ........................................................... 23
附录 程序代码 ................................................... 24
参考文献 ......................................................... 26
II / 29
1 引言
1.1 温度控制系统的意义
温度与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,与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
迅猛发展以与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与仪器仪表,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”
控制与常规的 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与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。
1 / 29
中华人民国国家标准 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 Programmable Logic Controller,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。可编程控制器与其有关外部设备,都
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