PLC温度PID控制.docx

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成绩评定表

学生姓名

葛杰

班级学号

1303010303

专业

自动化

课程设计题目

温度PID控制

评

语

组长签字：

成绩

日期

20年月日

课程设计任务书

学院

自动化与电气工程

专业

自动化

学生姓名

葛杰

班级学号

1303010303

课程设计题目

温度PID控制

实践教学要求与任务:

使受热体维持在一定的温度，且温度给定值（目标值）可以预先设定后直接输入到回路中；当受热体温度高于给定值，则有降温工具使其温度下降；当温度低于给定值时，加热器给受热提加热，以此来保证受热体温度恒定。

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%。

此次课程设计需设计不同的PID系数，去调试系统，使之可以稳定、快速、准确的达到要求值。

工作计划与进度安排:

第19周：

查阅相关资料、了解设计内容，完成硬件设计。

第1-2天：

1深入了解课程设计内容及任务。

2查找文献、资料，确立设计方案。

第3-5天:

1通过相关资料，明确完善设计方案。

2完成硬件设计，选择PLC型号、设计系统流程图、列出I/O分配表，设计I/O接线图。

第20周：

完成软件设计，并进行调试

第1-2天：

完成软件设计，利用STEP7-Micro/WIN进行梯形图或指令表设计。

第3天：

对设计程序进行调试。

第4天：

课程设计结果验收，完成课程设计报告。

第5天：

针对所完成课程设计题目进行答辩。

指导教师：

201年月日

专业负责人：

201年月日

学院教学副院长：

201年月日

摘要

PLC具有通用性强，使用方便，适用面广，可靠性高，抗干扰能力强，易于编程等特点。

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。

本次PLC课程设计为温度PID控制，顾名思义就是用PID的算法去控制温度，使之快速、稳定、准确的达到要求的温度值。

在硬件方面主要用到温度控制单元、计算机、S7-200PLC；而软件方面则通STEP7-Micro/WIN32编程软件对PLC的PID指令进行操作。

实验需要在温度控制单元上进行连线，应用PLC的扩展模块——模拟量输入模块和模拟量输出模块对反馈回来的值进行处理,然后再送往PLC的CPU。

可以用软件进行监控，观察系统达到稳定的时间，然后不断改变PID系数，使系统达到最佳。

关键字：

PLC；PID；受热体；加热器；温度控制

目录

摘要 3

一、概述 1

1.1PLC简述 1

1.2PLC工作原理 1

二、硬件设计 2

2.1控制要求 2

2.2选择PLC型号和硬件 2

2.2.1PLC型号选择 2

2.2.2硬件选择 2

2.3S7-200PLC的PID功能指令 3

2.4系统设计流程图 5

2.5I/O分配表 6

2.6I/O接线图 6

三、软件设计 8

3.1软件梯形图 8

3.2语句表 11

四、调试 13

4.1程序调试 13

4.2 硬件调试 13

结束语 14

参考文献 15

一、概述

1.1PLC简述

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），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，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

1.2PLC工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的，即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器的程序。

按指令序号（或地址号）做周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和输出状态的刷新等工作。

PLC的扫描一个周期必须输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC在输入采样阶段：

首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。

随即关闭输入端口，进行程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：

按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果在写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

此课程设计使用S7-200实现温度PID控制。

二、硬件设计

2.1控制要求

欲使受热体维持一定的温度，则需要降温工具不断给其降温。

这就需要同时有一加热器以不同加热量给受热体加热，这样才能保证受热体温度恒定。

本系统的给定值（目标值）可以预先设定后直接输入到回路中；过程标量由在受热体中的Pt100测温并进过温度变送器给出，为单极性电源模拟量；输出值是送至加热器的电源，其允许变化范围为最大的0%至100%。

2.2选择PLC型号和硬件

2.2.1PLC型号选择

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。

2.2.2硬件选择

S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号CPU供您使用，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。

此系统选用S7-200CPU226型号，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。

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。

2.3S7-200PLC的PID功能指令

PID循环（PID）指令根据表格（TBL）中的输入和配置信息对引用LOOP执行PID循环计算。

提供PID循环指令（成比例、整数、导出循环）进行PID计算。

逻辑堆栈（TOS）顶值必须是“打开”（功率流）状态，才能启用PID计算。

本指令有两个操作数：

表示循环表起始地址的TBL地址和0至7常量的“循环”号码。

程序中可使用八条PID指令。

如果两条或多条PID指令使用相同的循环号码（即使它们的表格地址不同），PID计算会互相干扰，结果难以预料。

循环表存储九个参数，用于控制和监控循环运算，包括程序变量、设置点、输出、增益、样本时间、整数时间（重设）、导出时间（速率）以及整数和（偏差）的当前值及先前值。

如果循环表起始地址或指令中指定的PID循环号码操作数超出范围，CPU编译器将生成一则错误（范围错误），编译将会失败。

PID指令不对某些循环表输入值进行范围检查。

您必须保证程序变量和设置点（以及作为输入的偏差和先前程序变量）是0.0和1.0之间的实数。

如果进行PID计算的数学运算时遇到错误，将设置SM1.1（溢出或非法数值）并终止PID指令的执行。

（对循环表中的输出数值的更新可能不完整，因此您应当忽略这些数值，并在执行下一个循环PID指令之前纠正引起数学错误的输入值。

）

在PID指令框中输入的表格（TBL）起始地址为循环表分配三十六（36）个字节。

表2.1回路表格式

偏移量

域

格式

类型

说明

0

PVn

进程变量

双字-实数

入

包含进程变量，必须在0.0至1.0范围内。

4

SPn

定点

双字-实数

入

包含定点，必须在0.0至1.0范围内。

8

Mn

输出

双字-实数

入/出

包含计算输出，在0.0至1.0范围内

12

Kc

增益

双字-实数

入

包含增益，此为比例常量，可为正数或负数。

16

Ts

样本时间

双字-实数

入

包含样本时间，以秒为单位，必须为正数。

20

Ti

积分时间或重设

双字-实数

入

包含积分时间或重设，以分钟为单位，必须为正数。

24

Td

微分时间或速率

双字-实数

入

包含微分时间或速率，以分钟为单位，必须为正数。

28

Mx

偏差

双字-实数

入/出

包含0.0和1.0之间的偏差或积分和数值。

32

PVn-1

以前的进程变量

双字-实数

入/出

包含最后一次执行PID指令存储的进程变量以前的数值。

在P,I,D这三种控制作用中，比例部分与误差部分信号在时间上时一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比例的调节作用，具有调节及时的特点。

比例系数越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数的系统来说，比例系数过大，会使系统的输出振荡加剧，稳定性降低。

调节器中的积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化，因此，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度。

但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性代来不良影响，因此很少单独使用。

积分时间常数增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是，消除稳态误差的速度减慢。

根据误差变化的速度（即误差的微分），微分部分提前给出较大的调节作用，微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有预测的特点。

微分时间常数增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但抑制高频干扰的能力下降。

如果微分时间常数过大，系统输出量在接近稳态值时上升缓慢。

采样时间按常规来说应越小越好，但是时间间隔过小时，会增加CPU的工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不易将此时间取的过小，另外，假如此项取比运算时间短的时间数值，则系统无法执行。

2.4系统设计流程图

本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。

主程序的任务是对系统初始化，实现参数输入并控制电加热炉的正常运行。

开始

系统的初始化

温度数据采集及处理

温度值显示

计算温差e（k）和温差变化率

ab

否

智能控制算法程序

是

求出输出控制量

控制输出

结束

图2.1主程序流程图

2.5I/O分配表

表2.2I/O分配表

模块端子

0~5+

0~5-

+

-

OUT→测温

模拟量端子

V0

M0

A+

A-

表2.3输入输出分配

存储地址

数值

说明

VD104

50度

目标值

VD116

0.1s

采样时间

VD112

0.15

回路增益

VD120

30min

积分时间

VD124

0.0

关闭微分作用

SMB34

100

设定定时中断0的时间

间隔

INT-0

10

设置定时中断

2.6I/O接线图

图2.2硬件接线图

Pt

温度

变送

驱动模块

RAA+A-RBB+B-RCC+C-RDD+D-

ML+EM235

EM231

M0V0

I0

未用

图2.3I/0接线图

三、软件设计

3.1软件梯形图

主程序：

子程序：

VD104………目标值50度

VD112………增益0.15

VD116………采样时间0.1s

VD120………积分时间30min

VD124………微分时间0s（关闭微分作用）

中断程序：

3.2语句表

MAIN：

LDSM0.1

CALLSBR_0

SBR-0：

LDSM0.0

MOVR0.1815,VD104

MOVR0.15,VD112

MOVR0.1,VD116

MOVR30.0,VD120

MOVR0.0,VD124

MOVB100,SMB34

ATCHINT_0,10

ENI

INT_0：

LDSM0.0

ITDAIW0,AC0

DTRAC0,AC0

/R32000.0,AC0

MOVRAC0,VD100

LDSM0.0

PIDVB100,0

LDSM0.0

LPS

MOVRVD108,AC0

*R16000.0,AC0

ROUNDAC0,AC0

DTIAC0,AC0

MOVWAC0,MW0

MOVRVD100,AC1

-RVD104,AC1

AR>AC1,0.0015

MOVW0,AQW0

LRD

AR

MOVW+16000,AQW0

LPP

AR>=AC1,-0.005

AR<=AC1,0.0015

MOVWMW0,AQW0

四、调试

4.1程序调试

本程序分为三部分：

主程序、子程序、中断程序。

子程序主要是将各个PID运算所需的参数变量输入寄存器中；

中断程序主要是将模拟量输入寄存器中，并将运算完毕的整数值写到模拟输出寄存器中；

输入数据时，装入设定值是0.1815，回路增益0.15，采样时间0.1秒，积分时间30分钟，关闭微分作用。

设定定时中断0的时间间隔是100ms，设定定时中断以定时执行PID指令。

检查程序有误错误，检查无误后接通电源，将程序下载到运行模拟平台上并运行该程序，并检查运行情况看看是否运行正常。

正常运行时若温度在0.181至0.183时，加热器不加热且显示此刻的温度值；若温度低于0.181则AQW0置16000，加热器加热；若温度高于0.183则AQW0置0，加热器不工作。

运行正常停止运行，关闭计算机关闭电源，结束。

4.2 硬件调试 

按照实验要求设计电路图，分配I/O地址，选择好模块，进行接线。

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。

由于本实验没用到开关量输入，所以那些端子不用。

本实验采用模拟量输入输出模块，接线适应特别注意。

将模拟量输入模块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，检查电路有没有接错。

结束语

通过本次课程设计，是我加强了对PLC地形图、指令表、外部接线的理解，还有经过在网上查找资料以及到图书馆学习，也使我更好的理解和认识了关于PLC设计原理和实际中的应用过程。

在课程设计过程中我们互相讨论，请教老师，在不断地调试各自的程序中，发现了很多各自的问题并进行研究解决。

我们试着用不同的设计方法来实现我们的课题，这样不仅可以拓展我们的思路，还可以使我们的设计成果更加严谨。

本次课程设计可以为以后工作打下一定的基础，感谢本次课程设计，感谢我的指导老师！

在这次课程设计中，我以前关于PLC的知识面得到了拓展，知道的得到了巩固，不知道的借助于图书馆和网络得到了解决，很棘手的疑难杂症在老师的帮助下得到了很好的解决。

在相关的资料的查询中，我对信息的筛选能力有得到了提升。

再次感谢指导老师不惜浪费自己的时间来帮助我们解决问题。

参考文献

[1]黄永红编《可编程序控制器原理及应用》机械工业出版社2011；

[2]孙金根康代红编《PLC课程设计指导书》沈阳理工大学信息学院自控教研室2015；

[3]西门子公司SIMATICS7-200可编程控制器系统手册2002；

[4]田淑珍编《S7-200PLC原理及应用》机械工业出版社2009；

[5]谭浩强编《MCS-51单片机应用教程》清华大学出版社2001。

15