基于西门子s7-200系列plc工业加热炉控制系统的设计(编辑修改稿)

基于西门子s7-200系列plc工业加热炉控制系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

越来越高，在此期间温控系统技术得到迅猛的发展。 尤其以日本，美国，德国，瑞典为代表，它们的技术遥遥领先，并且已经生产出商品化，性能高的温度控制器及仪器仪表。 我国与他们相比，虽然在各行各业都有广泛使用温度控制系统，但是在生产制造、科学研究等方面，我国与日本，美国等国有很大差距。 目前国内有基于单片机的、 PLC 的、 IPC 的温度控制系统，还有集散型、现场总线温度控制系统。 这些温度控制系统各有优缺点：基于单片机的温度控制系统运行 稳定，但是它受单片机的影响较大，因为单片机响应慢，中断源少，所以此温度控制系统不适用于复杂，高要求的工作环境；考虑到工控机性能稳定，可用软件多，价格低的因素，它被广泛应用，但是单独使用时，容易被干扰，可靠性差；集散型温度控制系统是款集聚监控及协调管理的不错的控制系统，但是它的成本过高，难以大范围的应用；现场总线控制系统是个优点较多的控制系统，但是它才刚开始进入实用化，并且各国标准不统一，在国际上互换使用比较麻烦；相对于上述温度控制系统来说， PLC 的可靠性高，抗干扰能力强，易于学习掌握，所以它在工业上的使用更 加广泛，从经济效益上来讲，其成本低，市场占有率高，前景广阔。 通过运用串级系统的思想与 PLC 技术，以及对系统硬件、软件和上位机软件的设计，使得加热炉温度控制系统达成预定目标，即主、副控制器采用 PID控制算法，实时计算控制量，手动整定 PID 参数，控制调压装置及加热电阻丝两端电压，使夹套温度能够稳定在设定温度值的附近，并能实现手动启动和停止，运行指示灯实时监控控制系统的运行，实时显示当前内胆温度值与夹套温度值。 啊啊啊啊 大学本科毕业设计（论文） 5 第二章 设计方案及控制算法 第一节 设计方案 一、系统总体方案 加热炉温度控制系统主要由硬件 、软件和上位机 [4][5]三部分组成。 设计方案是对 PLC 进行编程来对系统进行总体控制；温度变送器采集夹套和内胆温度信号；两个常开按钮分别对系统的运行与停止进行手动控制；指示灯用来显示系统的运行状态；模拟量扩展模块承担两个模拟量输入和一个模拟量输出的任务；调压装置根据模拟量扩展模块的输出信号对加热炉内电阻丝两端电压进行控制，来实现对温度的控制 [6]。 利用上位机中的组态软件的功能，构建一套最适合本系统的应用系统，允许操作人员通过上位机直接向设备发出控制指令。 二、硬件设计方案 硬件基本构成有 PLC 部分、模拟量 扩展模块、调压装置、温度变送器、电加热锅炉（内含加热电阻丝）、启动 /停止按钮与指示灯七个部分组成 [7]。 其硬件部分组成及其关系如图 所示： 图 硬件连接图 基本工作原理：加热炉是控制对象（本设计采用自来水作为控制对象）的容器，通过温度变送器检测内胆水温和夹套温度，各自产生 1－ 5V 电压信号，传送给 S7－ 200 PLC 的模拟量扩展模块 EM235，由 PLC 主控系统部分进行运算和处理，之后再将由模拟量扩展模块 EM235 产生 4－ 20mA 的控制信号传送给调压啊啊啊啊 大学本科毕业设计（论文） 6 装置，调压装置根据不同的控制信号输出不同的电压 来控制加热炉内的电阻丝来对水进行加热，由此水温升高或降低会影响温度变送器，从而产生了一个闭环回路控制，因此达到平衡控制水温的目的。 通过启动和停止产生的开关量数字信号来控制系统运行与停止，实现手动控制的功能。 指示灯显示系统的运行情况。 三、软件设计方案 软件基本结构由主 /副 PID 控制器控制对象温度。 其基本工作原理 [7]：首先预计出两个 PID 控制器的相关参数，进行 PID 初始化；把夹套温度变送器传送回来的 1－ 5V电压信号经过模拟量扩展模块 EM235的输入口 A/D转换变为 6400－ 32020 的数字量（称为主回路的 夹套温度过程值 PV1），同时给定一个夹套温度给定值 SP，将 SP 和 PV1 传送给主控制器 PID1 运算，得到的结果 OUT1 作为副控制器的给定值 SP，将它和内胆温度变送器传送回来的内胆温度过程值 PV0传送给副控制器 PID0 运算，得到的结果 OUT0 经过模拟量扩展模块 EM235 的输出口 D/A 转换变为 4－ 20mA 的控制信号传送给调压装置，对炉内加热电阻丝进行控制，同时对内胆温度和夹套温度进行检测，形成双闭环回路的串级控制。 其控制回路组成图如图 所示： 图 温度串级控制系统 流程图如图 所示： 啊啊啊啊 大学本科毕业设计（论文） 7 图 系统流程图 四、上位机设计方案 使用组态软件组态王设计出能反应系统的组成；系统运行状态；显示加热炉实时温度；手动启、停系统；设定期望温度值的工程。 啊啊啊啊 大学本科毕业设计（论文） 8 第二节 控制算法 一、控制算法选择 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制 [8]，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 80 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控 制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合使用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI和 PD控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 二、 PID 算法介绍 比例（ P）控制：比例控制是一种最简单，最常用的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 积分（ I）控制：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。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例 +积分（ PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（ D）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。 自动控制系 统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（ Delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或 滞后的被控对象，比例啊啊啊啊 大学本科毕业设计（论文） 9 +微分（ PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 图 带 PID 控制器的闭控制系统 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： )()()( tctrte  （ 2－ 1） 控制器的输出为：   tdip dt tdeTdtteTteKtu 0 ])()(1)([)( （ 2－ 2） 式中， )(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  （ 2－ 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，计算机计算之后再输出结果。 式（ 2－ 2）离散化的规律如表 所示： 表 模拟与离散形式 模拟形式 离散形式 )()()( tctrte  )()()( nrne  t dtte0 )( ni iet 0 )( dttde)( t nene )1()(  所以 PID 输出经过离散化后，它的输出方程为： 啊啊啊啊 大学本科毕业设计（论文） 10 )()()()]}1()([)()({)(0 nunununeTieTtneKnu dipdniip   （ 24） 式中， )()( neKnu pp  —— 比例项 niipi ieTtKnu0 )()(—— 积分项 )]1()([)(  neTKnu dpd—— 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，没有必要保留所有采样周期的积分项，只需要保留前一个积分项，计算机的处理就是按照这种简化思想来计算的。 所以在 PLC 中，上面三个式子可以近似 [9]为： )()( nnpp PVSPKnu  —— 比例项 )1()()(  nuPVSPTtKnu innipi—— 积分项 )]()[()(11   nnnndpd PVSPPVSPtTKnu—— 微分项 式中， nSP —— 采样时间 n 的输入量（回路设定值） ， nPV —— 采样时间 n 的反馈量（回路过程值） 第三节 本章小结 经过研究控制对象及要求，决定从硬件、软件和上位机三个方面来研究。 本章概略地描述了硬件 、软件和上位机如何设计；针对不确定系统参数或模型时，使用 PID 控制算法最简单有效，并说明了在 PLC 中 PID 计算的思想。 后面几章是遵循这种思路，做了详细地描述。 啊啊啊啊 大学本科毕业设计（论文） 11 第三章 加热炉控制系统硬件设计 第一节 系统硬件组成 一、系统结构组成 温度控制系统的结构包括一台可编程逻辑控制器 PLC、一个模拟量扩展模块、一个调压装置、两个温度变送器、一个电加热锅炉（内含加热电阻丝）、两个启动 /停止按钮，一个系统运行指示灯。 二、各组成部分的任务 按钮和指示灯 运行指示灯显示运行状态。 启动按钮 /停止按钮实现控制系 统的启动和停止。 按下启动按钮，系统开始运行，运行指示灯点亮；按下停止按钮，系统停止运行，运行指示灯熄灭。 温度变送器 用来检测夹套和内胆温度，将温度值转换为电压模拟量信号，同时传送给PLC 模拟量扩展模块。 调压装置和电加热锅炉 电加热锅炉是 PLC 控制对象的容器。 调压装置受到 PLC 模拟量扩展模块输出的 4－ 20mA 电流信号控制，来调节调压装置的输出电压，对电阻丝进行控制，来升高或者维持内胆温度。 可编程逻辑控制器及模拟量扩展模块 可编程逻辑控制器对读取到的温度数字量进行标度变换处理，得到实际的温度 值；另一方面，经过标度变换处理得到的实际温度值，和给定的温度值进行计算处理，计算采用 PID 控制算法。 模拟量扩展模块可以在输入口对从温度变送器送来的电压模拟信号进行A/D 转换，得到与温度对应的数字量，并且 PLC 可以读取储存数字量的地址；PLC 计算之后可以在输出口地址中储存数据，模拟量扩展模块进行 D/A 转化并输出给调压装置，进而控制调压装置，以实现对加热电阻丝的控制。 啊啊啊啊 大学本科毕业设计（论文） 12 第二节 AE2020 型过程控制实验系统 一、电加热锅炉 由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢锅炉冷却夹套组成，内胆与夹套没有水的交换 ，可以利用它进行温度实验。 其中加热电阻丝在锅炉内胆中，两端电压由调压装置控制，进而控制内胆中水的温度。 通过热传递的方式，将热量由温度高的内胆水传到温度低的夹套水中去。 锅炉内胆有进水口、出水口和溢水口，可以将冷水从进水口注入，加热冷水以提升水温。 夹套有另一套进水口和出水口，可以将冷水从进水口注入，在夹套内循环流动，吸收热传递的热量，以此提升水温，最终由出水口流出，获得期望温度的热水。 由于内胆与夹套的进水口、出水口相互独立，所以进入锅炉的水流大小由不同的水阀控制。 二、温度变送器 温度变送器 采用热电偶、热电 阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、 V/I 转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的 标准 电信号输出。 温度传感器是一种能将温度变化转换为电量变化的元件，本系统采用了铂热电阻 PT100， PT100 是一种广泛应用的热电阻式温度传感器，是将温度。