基于西门子plc的温度控制系统的设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于西门子plc的温度控制系统的设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

00℃，不超过 100℃，控制恒温水供很多恒温装置实用。 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 安徽建筑大学 毕业设计（论文） 12 EM231 模拟量输入 4 点， DC0~10V/0~20mA 输入， 12 位 20mA 2W 2 点，热电阻输入， 16 位 87 mA 4 点，热电偶输入， 16 位 87 mA 型号 名称 主要参数 DC5V 消耗 功耗 EM232 模拟量输出 2 点， 10V~+10V/0~20mA， 12 位 20mA 2W 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较高的程度。 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。 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。 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。 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。 图 闭环控制系统 如图 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 : 安徽建筑大学 毕业设计（论文） 13 )()()( tctrte  （ 31） 控制器的输出为： ])()(1)([)( 10 dttdeTdtteTteKtu dip  （ 32） )(tu PID回路输出 pK 比例系数 P iT 积分系数 I dT 微分系数 D PID 调节的传输函数为 ]11[)( )()( STSTKsE sUsD dip  （ 33） 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 模拟与离散形式 模拟形式 离散化形式 )()()( tctrte  )()()( nrne  dTtde)( T nene )1()(  t dtte0 )(    nini ieTTie 00 )()( 所以 PID输出经过离散化后，它的输出方程为 : 00)()()() ] }1()([)()({)(ununununeneTTdieTTneKnudipniip  （ 34） 式中， )()( neKnu pp  称为比例项  niipi ieTTKnu 0 )()( 称为积分项 安徽建筑大学 毕业设计（论文） 14 )]1()([)(  neneTTKnu dpd 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。 在 PLC 中的回路指令 西门子 S7200 系列 PLC 中使用的 PID回路指令，见表 表 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 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 所示。 表 偏移地址 名称 数据类型 说明 0 过程变量（ PVn） 实数 必须在 ~ 之间 4 给定值（ SPn） 实数 必须在 ~ 之间 8 输出值（ Mn） 实数 必须在 ~ 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 安徽建筑大学 毕业设计（论文） 15 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 ~ 之间 32 过程变量前值（ PVn1） 实数 必须在 ~ 之间 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。 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 ~ 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 ~ 之间。 单极性的 归一化的公式 ： )32020/( rawnoum RR  PID 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。 安徽建筑大学 毕业设计（论文） 16 可控硅 可控硅，是可控硅 整流 元件的简称，是一种具有三个 PN 结的四层结构的大功率半导体 器件 ，亦称为晶闸管。 具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。 该器件被广泛应用于各种电子设备和 电子产品中，多用来作可控 整流 、逆变、变频、调压、无触点开关等。 家用电器 中的调光灯、调速风扇、空调机、 电视机 、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响 、声光电路、定时 控制器 、玩具装置、 无线电遥控 、摄像机及工业控制等都大量使用了 可控硅 器件。 可控硅又称晶闸管（ Silicon Controlled Rectifier,SCR）。 自从 20世纪 50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、 双向晶闸管 、光控晶闸管、 逆导晶闸管 、可关断晶 闸管、 快速晶闸管 ，等等。 可控硅 可控硅整流 器件 是一种非常重要的功率器件，可用来做高电压和高电流的控制。 可控硅器件主要用在开关方面，使器件从关闭或是阻断的 状态 转换为开启或是导通的状态，反之亦然。 可控硅器件与 双极型晶体管 有密切的关系，二者的传导 过程 皆牵涉到电子和 空穴 ，但可控硅的开关机制和 双极晶体管 是不同的，且因为器件结构不同，可控硅器件有较宽广范围的电流、电压控制能力。 现今的可控硅器件的额定电流可以从几毫安到 5000A 以上，额定电压可以超过 10000V。 下面将讨论基本可控硅器件的工作原理，然后给出一些高功率和高 频率 的可控硅器件。 本设计所使用是 12— 16A 的可控硅，可控硅的电流留有一倍的流量这样使用起来比较安全，型号 ： BTA12G， 最大电流 12A， 击穿电压 600 V； 安徽建筑大学 毕业设计（论文） 17 4 软件设计 ４ .1 软件的设计 首 先计算温度值，因为温度的变化是从 0℃ ~100℃ ，而模块中的是6400~32020，所以设输入的温度是 X，则转化的温度是 Y，计算公式是： 01 0 006 4 0 03 2 0 0 06 4 0 0X Y 根据这个公式可以得出温度的具体值。 设定： 水箱内温度 ＶＤ４００ 入口电磁阀 Ｑ０ .０ 出口电磁阀 Ｑ０ .１ 启动变频 器 Ｑ０ .２ 报警器 Ｑ０ .３ 控制加热量大小 ＡＱＷ０ 设定温度 ＶＤ４０４ 温度输入 ＡＩＷ０ 安徽建筑大学 毕业设计（论文） 18 程序的编写 主程序，初始化并且启动电磁阀 将采集到的水箱内的温度和设定的温度进行对比，要是大于这个温度值，报警器就动作． 安徽建筑大学 毕业设计（论文） 19 主程序，将采集到的温度通过程序运算抓换得出真实的温度值。 主程序，将采集的温度通过ＰＩＤ程序调节加热器加热量的大小。 子程序，把输出的控制量放到 AQW0 子程序， 复位 入口电磁阀。 安徽建筑大学 毕业设计（论文） 20 子程序，把设 定的温度放到ＶＤ４０４中。 安徽建筑大学 毕业设计（论文） 21 安徽建筑大学 毕业设计（论文） 22 子程序，将输入的温度值进行转化 安徽建筑大学 毕业设计（论文） 23 致 谢 本课题的研究是在我的导师李老师的悉心指导下完成的，赵老师学识 渊博、治学态度严谨、工作一丝不苟 ，更有诲人不倦的师者风范， 在此谨向 赵 老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 此外，衷心感谢本组的其他成员，若是没有他们，也就不会有这篇论文的产生。 毕业在即，衷心感谢指导过我的各位老师，特别是毕业设计的指导老师赵为松老师。