基于PLC的温度控制闭环系统Word格式.docx

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PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出控制信号，经调压装置输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现炉温的连续控制。

2.3系统的硬件配置

2.3.1S7-200PLC选型

S7-200系列PLC是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。

由于它具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用[2]

S7-200系列可以根据对象的不同,可以选用不同的型号和不同数量的模块。

并可以将这些模块安装在同一机架上。

SiemensS7-200主要功能模块介绍：

（1）CPU模块S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元,电源以及数字I/O点,这些都被集成在一个紧凑,独立的设备中。

CPU负责执行程序,输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载.从CPU模块的功能来看,CPU模块为CPU22*,它具有如下五种不同的结构配置CPU单元：

①CPU221它有6输入/4输出,I/0共计10点.无扩展能力,程序和数据存储容量较小,有一定的高速计数处理能力,非常适合于少点数的控制系统。

②CPU222它有8输入/6输出，I/0共计14点，和CPU221相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。

③CPU224它有14输入/10输出，I/0共计24点，和前两者相比,存储容量扩大了一倍,它可以有7个扩展模块,有内置时钟,它有更强的模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多S7-200产品。

④CPU226它有24输入/16输出,I/0共计40点,和CPU224相比,增加了通信口的数量,通信能力大大增强。

它可用于点数较多,要求较高的小型或中型控制系统。

⑤CPU226XM它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和CPU226相同。

（2）开关量I/O扩展模块当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行I/O扩展,I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。

通常开关量I/O模块产品分3种类型:

输入模块,输出模块以及输入/输出模块。

为了保证PLC的工作可靠性,在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。

如光电隔离,输入保护（浪涌吸收器,旁路二极管,限流电阻）,高频滤波,输入数据缓冲器等。

由于PLC要控制的对象有多种,因此输出模块也应根据负载进行选择,有直流输出模块,交流输出模块和交直流输出模块。

按照输出开关器件种类不同又分为3种：

继电器输出型,晶体管输出型和双向晶闸管输出型。

这三种输出方式中,从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中；

若从与外部电路安全隔离角度看,继电器输出型最好。

在实际使用时，亦应仔细查看开关量I/O模块的技术特性，按照实际情况进行选择。

由于本系统是单回路的反馈系统，CPU224XP相比与其他型号具有更好的硬件指标，其上自带有模拟量的输入和输出通道，因此节省了元器件的成本，CPU224XP自带的模拟量I/O规格如表：

表2.1模拟量I/O配置表

I/O信号信号类型

电压信号

电流信号

模拟量输入*2

±

10V

/

模拟量输出

0~10V

0~20mA

CPU224XP自带的模拟量输入通道有2个，模拟量输出通道1个。

在S7-200中，单极性模拟量的输入/输出信号的数值范围是0~32000，双极性模拟信号的数值范围是-32000~+32000[3]

2.3.2温度传感器

温度传感器有四种主要类型：

热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定，典型的有铜热电阻、铂热电阻等。

其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，它的阻值会随着温度的变化而改变，通常用PT100来表示。

其中PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

PT100是广泛应用的测温元件，在-50~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。

由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。

校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值[4]。

常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。

常用的采样电路有两种：

一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。

本设计采用的就是三线制接线。

由于铂热电阻测出的是温度变化，需要在将信号输入PLC前加一个温度变送器，将温度信号转换成电压信号。

本系统采用的温度变送器是DZ4130，使用过程中要加一个24V的电源，该电源可以从PLC上直接获得。

2.3.3调压装置（SSR）

由于PLC输出的信号是直流信号，而被控制的加热器小灯泡是由220伏特交流电供应工作的，所以在由PLC接入到小灯泡时要加入一个调压装置，本设计采用的是一个可将5伏特的直流电转化为220伏特交流电的反相调压器EUV-75A。

该调压装置工作时需要有两个工作电源，分别支持交流部分和直流部分工作，交流部分需要220伏特的工作电压，直流部分需要5伏特的直流电压。

EUV-75A是反相调压器，即输入0伏特对应的输出是220伏特的输出，而输入5伏特对应的是0伏特是输出。

EUV-75A的硬件接线如图所示：

图2.2EUV-75A硬件接线图

其中直流部分共有5根线，实际使用的时候只有其中3根式有用的，一根接5伏特的直流电源，一根为信号的输出端，还有一根是电源和输出信号的公共接地。

EUV-75A的交流部分有3个端口，对角线的两个端口是接工作电源220伏特的交流电，输出信号接剩下的一个端口和其下方的一个端口。

3炉温PID控制算法

3.1模拟PID算法简介

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，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[5]。

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。

比例（P）控制：

比例控制是一种最简单,最常用的控制方式[6]。

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（Steady-stateerror）。

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（SystemwithSteady-stateError）。

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+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

模拟PID控制系统框图：

图3.1PID模拟控制系统框图

PID控制器的微分方程和传递函数形式为:

3.2PID算法的数字化处理

为了能让数字计算机处理这个控制式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值，数字计算机处理的算式如下：

Mn=Kc*en+Ki*∑ex+Mintial+Kd*（en-en-1）

输出=比例项+积分项+微分项

其中：

Mn在采样时刻n，PID回路输出的计算值

KcPID回路增益

en采样时刻n回路的偏差值

en-1回路的偏差值的前一个值

ex采样时刻x的回路偏差值

Ki积分项的比例常数

Mintial回路输出的初始值

Kd微分项的比例常数

从这个公式可以看出，积分项是从第一个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数，微分项是当前采样和前一次采样的函数，比例项是当前采样的函数，在数字计算机中，不保存所有的误差项，实际上也不必要。

由于计算机从第一次采样开始，每有一个偏差采样值必须计算一次输出值，只要保存偏差前值和积分项前值。

作为数字计算机解决的重复性的结果，可以得到在任何采样时刻必须计算的方程的一个简化算式。

简化算式是：

Mn=Kc*en+Ki*en+MX+Kd*（en-en-1）

输出=比例项+积分项+微分项

Mn在第n采样时刻，PID回路输出的计算值

en采样时刻n回路的偏差值

en-1回路的偏差值的起一个值

Ki积分项的比例常数

MX积分项前值

CPU实际上使用以上简化算式的改进形式计算PID输出，这个改进型算式是：

Mn=MPn+MIn+MDn

Mn第n采样时刻的计算值

MPn第n采样时刻的比例项值

Min第n采样时刻的积分项值

MDn第n采样时刻的微分项值

比例项MP是增益（Kc）和偏差（e）的乘积。

其中Kc决定输出对偏差的灵敏度，偏差（e）是给定值（SP）与过程变量值（PV）之差，S7-200解决的求比例项的算式是：

MPn=Kc*（SPn-PVn）

MPn第n采样时刻比例项的值

Kc增益

SPn第n采样时刻的给定值

PVn第n采样时刻的过程变量的值

积分项值MI与偏差和成正比。

S7-200解决的求积分的算式是：

MIn=Kc*Ts/Ti*（SPn-PVn）+MX

MIn第n采样时刻积分项的值

Kc增益

Ts采样时间间隔

Ti积分时间

SPn第n采样时刻的给定值

PVn第n采样时刻的过程变量的值

MX第n-1采样时刻积分项（积分项前值）

积分和（MX）是所有积分项前值之和，在每次计算出MIn后，都要用MIn去更新MX。

其中MIn可以被调整或限制，MX的处置通常在第一次计算输出以前被设为Minitial（初值）。

积分项还包括其他几个常数：

增益（Kc），采样时间（Ts）和积分时间（Ti）。

其中采样时间是重新计算输出的时间间隔，而积分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小。

微分项值Md与偏差的变化成正比，S7-200使用下列算式来求解微分项：

Mdn=Kc*Td/Ts*（（SPn-PVn）-（SPn-1-PVn-1））

为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变，假定给定值不变SPn=SPn-1，这样可以用过程变量的变化替代偏差的变化，计算算式可改进为：

Mdn=Kc*Td/Ts*（SPn-PVn-SPn+PVn-1）

或

Mdn=Kc*Td/Ts*（PVn-1+PVn）

Mdn第n采样时刻的微分项值

Kc回路增益

Ts回路采样时间

Td微分时间

SPn-1第n-1采样时刻的给定值

PVn-1第n-1采样时刻的过程变量的值

为了下一次计算微分项值，必须保存过程变量，而不是偏差，在第一采样时刻，初始化为PVn-1=PVn。

在许多控制系统中，只需要一两种回路控制类型。

例如只需要比例回路或者比例积分回路，通过设置常量参数，可以选择需要的回路控制类型。

如果不想要积分动作（PID计算中没有“I”），可以吧积分时间（复位）置为无穷大“INF”。

即使没有积分作用，积分项还是不为零，因为有初值MX。

如果不想要微分回路，可以把微分时间置为零。

如果不想要比例回路，但需要积分或积分微分回路，可以把增益设为0.0，系统会在计算积分项和微分项时，把增益当做1.0看待[7]。

4基于PLC的炉温控制系统的软件设计

4.1STEP7MICRO/WIN32软件介绍

STEP7-Micro/WIN32编程软件是由西门子公司专为S7-200系列PLC设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用[8]，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。

同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。

此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。

程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。

梯形图中的错误处的下方自动加红色曲线，语句表中错误行前有红色叉，且错误处的下方加红色曲线。

软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。

联机方式：

有编程软件的计算机与PLC连接，此时允许两者之间做直接通信。

离线方式：

有编程软件的计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分基本功能。

如编程、编译和调试程序系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机上[9]。

两者的主要区别是：

联机方式下可直接针对相连的PLC进行操作，如上载和下载用户程序和组态数据等；

而离线方式下不直接与PLC联系，所有程序和参数都暂时存放在磁盘上，等联机后在下载到PLC中。

4.2输入输出点配置

表4.1程序使用输入输出点配置

符号

地址

注释

运行

M0.0

0运行1停止

输出归一

VD900

0~1

手自动

M0.3

0手动1自动

手动输出

VD700

实际温度

VD550

度

设定温度

VD650

模拟输出

AQW0

16000~0

PID输出

VW800

4.3系统流程图

图4.1系统流程图

4.4系统程序实现

4.4.1炉温实际温度的检测

图4.2将采集采集实际温度转换为PLC计算数值的程序

炉温实际温度的检测是要将温度量转化为PLC可识别的量，所以，将温度变送器输出的值先由16位的整型转化为32位的双整型，再由双整型转化为实型，实型小数点后可有6位，故比较精确。

由于铂电阻的最大量程为150摄氏度，PLC模拟输入输出最大位为32000，为将测得的温度值与PLC中计算值相对应，故将送入PLC中的温度值先除以32000再乘以150，此时得到测得温度值在PLC中计算所对应的数，将该数送入变量寄存器VD550。

4.4.2PID算法在S7-200中的实现

S7-200的编程软件Micro/WIN提供了PID指令向导，PID控制程序可以通过指令向导自动生成[10]。

除此之外，PID指令也同时会被自动调用。

首先选择运用PID算法的回路，本系统就一个回路，故选择回路0：

图4.3回路选择界面

第二步给回路参数定值，本系统采用的铂电阻的测量范围是0~150度，故给定范围的低限和高限分别为0和150；

回路的参数可以先不设定，因为新的S7-200CPU支持PID自整定功能

图4.4回路给定值范围和参数配置界面

第三步设置回路输入输出项，输入和输出量都是单级性的模拟量，因为S7200的单极性模拟量输入输出信号的数值范围是0~32000[11]，所以输入项的量程为0~32000，由于输出时通过的变相器的量程只有输入时的一半，故输出的量程设置为0~16000

图4.5回路输入输出参数性质配置界面

第四步是给该子程序命名和添加手动控制

图4.6子程序命名和选择手动控制界面

这步完成以后PID向导就帮我们完成了PID算法子程序的设计。

然后在程序中调用向导生成的PID子程序（如下图）

图4.7生成子程序图

图4.8PID子程序图

4.4.3输出控制量的处理

图4.9输出控制程序图

经PID控制过后的输出量和输入一样，同样要其由整型转化为实型，但由于本系统的电压变送器采用的是5伏的反相模块，所以对应的最大值变为16000。

虽然铂电阻的测温范围是在0到150摄氏度之间，所以本系统只对0至150摄氏度之间的温度做显示，当输出值大于16000时，说明温度高于150摄氏度，考虑到反相调压模块，输出值设为0；

当输出值小于0时说明温度低于0摄氏度，同样要考虑到反相调压模块，输出要设为16000；

当输出在0至150摄氏度之间时，输出值应当设定为16000减去当前值才可适应于反相调压模块。

将输出值要送至模拟输出端AW0。

当开关M0.0断开时，会有一个脉冲下降沿，故当开关断开时同样要考虑反相调压模块，要将16000送至输出端。

4.5系统程序调试

在进行系统调试时，要得到精确的控制精度，最关键的问题就是PID控制器三参数（比例系数、积分时间、微分时间）的整定。

整定的好坏不但会影响到控制质量，而且还会影响到控制器的鲁棒性[12]。

为此，需要根据该控制对象的特性确定准确的PID参数。

由于西门子S7-200的V4.0版的编程软件STEP7-Micro/WIN提供了PID参数自整定功能。

V4.0版的编程软件STEP7-Micro/WIN增加了PID整定控制面板。

这两项功能相结合,使用户能轻松地实现PID的参数自整定,同时可以对最多8个回路进行自整定。

自整定能提供一组近似最优的整定参数。

西门子S7-200的PID参数自整定属于基于规则的自整定,此方法对模型要求较少,借助于控制器输出和过程输出变量的观测值来表征动态特性,具有易执行且鲁棒性较强的特点,这种自整定法能综合采用专家经验进行整定。

但这类方法的理论基础较弱,需要丰富的控制知识,其性能的优劣取决于开发者对控制回路参数整定的经验以及对反馈控制理论的理解程度。

S7-200使用的自整定算法为Astrom和Hagglun提出的继电型PID自整定控制法,它用继电特性的非线性环节代替ZN法（Ziegler-Nichols）中的纯比例控制器,使系统出现极限环,从而获取所需要的临界值。

基于继电反馈的自动整定法避免了ZN法整定时间长、临界稳定等问题,且保留其简单性,目前已成为PID自动整定方法中应用最多的一种。

其基本思想是在控制系统中设置两种模态:

测试模态和调节模态。

在测试模态下,由一个继电非线性环节来测试系统的振荡频率和增益,而在调节模态下,由系统的特征参数首先得到PID控制器,然后由此控制器对系统的动态性能进行调节。

如果系统的参数发生变化,则需要重新进入测试模态进行测试,测试完毕之后再回到调节模态进行控制。

要确定系统的振荡频率ωc与Kc增益,比较常用的是描述函数方法,根据非线性环节输入与输出信号之间的基波分量关系来进行近似分析。

4.5.1S7-200PLC的PID参数整定过程

西门子S7-200的PID参数自整定可由PID整定控制面板来实现，如下图：

图4.10PID调节面板界面

第一步：

在PIDWizard（向导）中完成PID功能配置

第二步：

打开PID调节控制面板，设置PID回路调节参数

在Micro/WINV4.0在线的情况下，进入PID调节控制面板中，如果面板没有被激活（所有地方都是灰色），可点击配置按钮运行CPU。

在PID调节面板的当前PID区选择要调节的PID回路号，在调节参数区选择手动，调节PID参数并点击更新，使新参数值起作用，监视其趋势图，根据调节状况改变PID参数直至调节稳定。

第三步：

在调节参数区点击高级按钮，设定PID自整定选项。

如果不是很特殊的系统，也可以不加理会。

图4.11高级PID自动调节参数界面

第四步：

在手动将PID调节到稳定状态后，即过程值与设定值接近，且输出没有不规律的变化，并最好处于控制范围中心附近。

此时可点击调整参数区内的开始自动调节按钮启动PID自整定功能，这时按钮变为停止自动调节。

这时只需耐心等待，系统完成自整定后会自动将计算出的PID参数显示在d.区。

当按钮再次变为开始自动调节时，表示系统已经完成了PID自整定（要使用自整定功能，必须保证PID回路处