基于PLC的PID热电阻温度控制设计说明书.docx

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基于PLC的PID热电阻温度控制设计说明书

电气控制与PLC课程设计

设计说明书

热电阻温度的PID调节控制

目录

摘要…………………………………………………………………………………………2

前言…………………………………………………………………………………………3

正文…………………………………………………………………………………………4

1．PLC概述……………………………………………………………………………………4

1.1可编程控制器的产生和用…………………………………………………………………4

1.2可编程控制器的组成和工作原理…………………………………………………4

1.3可编程控制器的分类及特点………………………………………………………5

2.PLC控制系统的硬件设计…………………………………………………6

2.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤……………………………………………6

2.2PLC的选型和硬件配置……………………………………………………………………7

2.3系统整体设计方案和电气连接图…………………………………………………8

2.4PLC控制器的设计…………………………………………………………………………8

3.PLC控制系统的软件设计………………………………………………………8

3.1PLC程序设计的方法……………………………………………………………………8

3.2编程软件STEP7--Micro/WIN概述…………………………………………………………9

3.3程序设计……………………………………………………………………………………9

3.4程序调试…………………………………………………………………………………10

结语………………………………………………………………………………11

参考资料………………………………………………………………………………………11

摘要

从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中，温度是一个非常重要的过程变量。

例如：

在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。

本次实习通过对加热鼠标垫内温度的控制，模拟工业控制中对温度的控制。

本文介绍了以加热鼠标垫为被控对象，以鼠标垫内温度被控参数，以加热电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成温度控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现鼠标垫内温度的自动控制。

本文分别就加热鼠标垫的温度控制系统工作原理，温度传感器的选型、模拟量输入和输出模块的选择、PLC配置等几方面进行阐述。

关键词：

PID调节温度控制PLC　PT100EM231

前言

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中，温度是一个非常重要的过程变量。

例如：

在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制[1]。

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。

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，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

因此，PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。

这也正是本课题所重点研究的内容。

本课题的研究内容主要有：

1）温度的检测；

2）采用PLC进行恒温控制；

3）PID算法在PLC中如何实现；

4）PID参数对系统控制性能的影响；

正文

1PLC概述

可编程控制器是是一种工业控制计算机，简称PLC（ProgrammablelogicController）,它使用可编程序的记忆以存储指令，用来执行逻辑、顺序、计时、计数、和演算等功能，并通过字或模拟的输入输出，以控制各种机械或生产过程。

1.1可编程控制器的产生和应用

1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。

进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

1.2可编程控制器的组成和工作原理

可编程控制器的组成:

CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。

1）CPU

CPU是PLC的核心，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

　2）I/O模块

　　PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

　　3）编程器

　　编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。

编程器一般分为简易型和智能型两类。

简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。

而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。

操作方便且功能强大。

4）电源

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

可编程控制器的工作原理:

PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。

每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。

CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。

PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

PLC工作的全过程可用图2-1所示的运行框图来表示。

图2-1可编程控制器运行框图

1.3可编程控制器的分类及特点

1）小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。

它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。

2）中型PLC

中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256～1024点之间，I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

3）大型PLC

一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC，大型PLC的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化，大型PLC还可以采用冗余或三CPU构成表决式系统使机器的可靠性更高。

2PLC控制系统的硬件设计

本章主要从系统设计结构和硬件设计的角度，介绍该项目的PLC控制系统的设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计参数的整定。

2.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤

2.1.1PLC控制系统设计的基本原则

1）充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。

2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。

3）保证控制系统安全可靠。

4）应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I／O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。

2.1.2PLC控制系统设计的一般步骤

设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。

然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。

最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。

PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：

1）熟悉被控对象，制定控制方案分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。

2）确定I／O设备根据系统的控制要求，确定用户所需的输入（如按钮、行程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）由此确定PLC的I／O点数。

3）选择PLC选择时主要包括PLC机型、容量、I／O模块、电源的选择。

4）分配PLC的I／O地址根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入／输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I／O接线图和编制程序。

5）设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。

由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。

6．联机调试联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。

2.1.3PLC程序设计的一般步骤

1）绘制系统的功能图。

2）设计梯形图程序。

3）根据梯形图编写指令表程序。

4）对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。

调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

2.2PLC的选型和硬件配置

2.2.1PLC型号的选择

本温度控制系统采用德国西门子S7-200PLC。

S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

2.2.2S7-200CPU的选择

S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。

此系统选用的S7-200CPU226,CPU226集成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。

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。

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。

在本次设计中,我们选择了西门子的小型PLC,S7-200,CPU的型号为224。

2.2.3EM231模拟量输入/输出模块

在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成4-20mA的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。

在这里我们选择西门子的EM231模拟量输入/输出模块。

EM231模块具有4路模拟量输入/一路模拟量的输出。

它允许S7-200连接微小的模拟量信号，±80mV范围。

用户必须用DIP开关来选择不同的类型，如是输入电压信号还是电流信号、输入的电压和电流的范围和分辨率。

2.2.4热电式传感器

热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。

在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。

其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。

这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。

2.3系统整体设计方案和电气连接图

系统选用了PLCCPU226为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际鼠标垫内的温度转化为电流信号，经过EM231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控制器输出脉冲电流控制电热丝的加热。

整体设计方案如图3-3:

系统硬件连线图如图3-4AAAA

2.4PID控制及参数选择

2.4.1PID控制器的组成

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。

2.4.2PID模块的参数选择

本课程设计我们的ＰＩＤ是根据软件中的设定向导进行的，其中比例增益为1s采样时间为0.5s积分时间为0.5s微分时间为0.05s。

由于在现实生活中我们的温度环境不需要负值，所以在极性选择上，我们采用了单极性，以便于对输出图形的观察。

为了，简化程序和控制的方便性，在PID输出类型上我们选择了数字量，输出0,1信号，能够更直接的控制电阻丝的加热。

2.4.3PID控制反馈图

3PLC控制系统的软件设计

PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分本在硬件基础上，详细介绍本项目的软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法、编程软件STEP7-Micro/WIN的介绍以及本项目的程序设计。

3.1PLC程序设计的方法

PLC程序设计常用的方法：

主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。

1）经验设计法：

经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。

这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。

2）继电器控制电路转换为梯形图法：

用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。

3）顺序控制设计法：

根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。

此法的关键是画出功能流程图。

4）逻辑设计法：

通过中间量把输入和输出联系起来。

实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。

3.2编程软件STEP7--Micro/WIN概述

STEP7-Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。

3.3程序设计

3.3.1程序设计思路

PLC运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等存入数据寄存器，随后系统开始温度采样，采样周期是1秒，PT100将采集到的温度信号通过EM231转换为电流信号，电流信号在通过模拟量输入映像寄存器AIW0存储单元（16位）进入PLC，作为回路的反馈值，经过控制器（PID2）的PI运算产生输出信号传送给PLC的Q0.0端口输出脉冲信号控制加热电阻丝的加热，完成对温度的控制。

3.3.2PID指令向导

1）在菜单栏的工具中单击“指令向导”

2）设置PID参数

给定值的范围是0.0--1000.0，比例增益Kc为20.0，积分时间Ti=0.05min，微分时Td=0时间。

3）回路输入量的极性与范围

标定：

单极性；范围：

0—1000；输出类型：

数字量。

4）其他参数不用设置，只需点击下一步即可。

5）完成向导

3.3.3PID梯形图程序的编写

控制程序如图所示：

3.4程序调试

1）打开PID调节控制面板；

2）选择对应的PID配置（与在PID向导中配置的PID回路号一致）；

3）开始监控。

（备注：

控制面板中有手动调节和自动调节。

手动调节可以根据实际要求修改增益值、积分常数值，微分常数值。

）

说明：

PID会根据设定的温度值以及调节参数通过输出端口Q0.0或Q0.1（本组采用Q0.0端口）输出的脉冲信号对电阻丝进行加热或停止加热，完成对温度的控制。

（蓝线-----输出值；红线-----实际值；绿线-----设定值）

当测量的实际温度值低于设定值时，对电阻丝进行加热，输出量值（图中的蓝线）增加，使实际值不断趋近与设定值，如图1所示。

当测量的实际温度值高于设定值时，对电阻丝停止加热，输出量值（图中的蓝线）减少，使实际值不断趋近与设定值，如图2所示。

图1

图2

结语

本次的设计，对由PLC控制的工业PID调节有了更加明白的了解和深入的研究，基本熟悉了PLC编程的基本过程，对其编程软件和环境有了大概的了解，可以完成简单的设计和操作。

在获得知识之余，还加强了个人的独立提出问题、思考问题、解决问题能力，从中得到了不少的收获和心得。

在思想方面上更加成熟，个人能力有进一步发展，本次课程设计使本人对自己所学专业知识有了新了、更深层次的认识。

我深深体会到理论知识的重要性，只有牢固掌握所学的知识，才能更好的应用到实践中去。

这将对我们今后的学习、工作大有裨益。

非常感谢老师对我们设计的指导和帮助，让我们在迷茫的时候能够找到最正确的方向，使得我们少走了不少弯路。

参考文献

[1]邵裕森,巴筱云.过程控制及仪表.机械工业出版社,1999

[2]邵裕森,戴先中.过程控制工程.机械工业出版社,2000

[3]柴瑞娟,陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用.机械工业出版社,2006

[4]文锋，陈青.自动控制理论.中国电力出版社.2008

[5]廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社,2009

[6]林德杰.过程控制仪表及控制系统.机械工业出版社,2008