溫度PID控制課程設(shè)計

1、編號 電氣控制與 PLC 技術(shù)課 程 設(shè) 計（ 2010 屆本科）題 目： 基于S7-200的家用浴缸水溫PID的控制 系（部）院： 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 作者姓名： 指導(dǎo)教師：職稱： 完成日期：2013年月 日 二 一 三 年 六 月 目 錄摘 要1第一章 概述21.1 PLC簡述21.2 PLC工作原理2第二章 硬件設(shè)計32.1 控制要求32.2選擇PLC型號和硬件4 2.2.1 PLC型號選擇4 2.2.2 硬件選擇42.3 S7-200 PLC的PID功能指令42.4 系統(tǒng)設(shè)計流程圖52.5 I/O分配表62.6 I/O接線圖8第三章 軟件設(shè)計93.1軟件梯形圖93.2語句表12

2、第四章 程序調(diào)試13結(jié)束語14參考文獻15 摘 要從上世紀(jì)80年代到90 年代中期，PLC得到了快速的發(fā)展，在這時期，PLC在處理模擬量能力，數(shù)字運算能力，人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐步進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域上處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強，使用方便，適用面廣，可靠性高，抗干擾能力強，易于編程等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度,流量，壓力和液位是最常見的四種過程變量。其中溫度是一個重要的變量。例如在冶金工業(yè)，化工工業(yè)和電力工業(yè)等諸多領(lǐng)域，都需要對加

3、熱爐，熱處理爐和鍋爐等的溫度進行控制。本次試驗?zāi)M工業(yè)控制中對溫度的控制。本次PLC課程設(shè)計為溫度PID控制，顧名思義就是用PID的算法去控制溫度，使之快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的達到要求的溫度值。在硬件方面主要用到溫度控制單元、計算機、S7-200 PLC；而軟件方面則通STEP7-Micro/WIN32編程軟件對PLC的PID指令進行操作。實驗需要在溫度控制單元上進行連線，應(yīng)用PLC的擴展模塊模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊對反饋回來的值進行處理,然后再送往PLC的CPU?？梢杂密浖M行監(jiān)控，觀察系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間，然后不斷改變PID系數(shù)，使系統(tǒng)達到最佳。關(guān)鍵字：PLC；PID；受熱體；加熱器；溫度控

4、制第一章 概述1.1 PLC簡述可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC具有控制能力強、可靠性高、使用靈活方便和易于編程、擴張、通信等一系列優(yōu)點，是當(dāng)今及今后工業(yè)控制的主要手段和控制核心，因此PLC技術(shù)、數(shù)控計數(shù)、計算機輔助設(shè)計、計算機輔助生產(chǎn)以及機器人技術(shù)、已并列為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化的四大支柱。西門子是中國多個業(yè)務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)先工業(yè)解決方案供應(yīng)商，在制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化、

5、運動控制、驅(qū)動、低壓控制以及電氣安裝技術(shù)方面提供了各類創(chuàng)新、可靠、高效和優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。并全面提供系統(tǒng)的解決方案和服務(wù)，產(chǎn)品涵蓋范圍廣，在信息、通信、自動化與控制、電力、交通醫(yī)療、照明等各個行業(yè)領(lǐng)域處于優(yōu)勢。1.2 PLC工作原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的，即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器的程序。按指令序號（或地址號）做周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的掃描一個周期必須輸入采樣

6、、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。輸入刷新階段 在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。輸出刷新階段 當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定

7、輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段構(gòu)成PLC一個工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。 顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是由于其對I/O的變化每個周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進行刷新，這對一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是因為輸入采樣階段僅在輸入刷新階段進行

8、，PLC在一個工作周期的大部分時間是與外設(shè)隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進行程序執(zhí)行階段。PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運算和處理后，其結(jié)果在寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。此課程設(shè)計使用S7-200實現(xiàn)溫度PID控制第二章 硬件設(shè)計2.1 控制要求欲使受熱體維持一定的溫度，則需要降溫工具不斷給其降溫。這就需要同

9、時有一加熱器以不同加熱量給受熱體加熱，這樣才能保證受熱體溫度恒定。本系統(tǒng)的給定值（目標(biāo)值）可以預(yù)先設(shè)定后直接輸入到回路中；過程標(biāo)量由在受熱體中的Pt100測溫并進過溫度變送器給出，為單極性電源模擬量；輸出值是送至加熱器的電源，其允許變化范圍為最大的0%至100%。2.2選擇PLC型號和硬件2.2.1 PLC型號選擇本溫度控制系統(tǒng)采用德國西門子S7200PLC。S7-200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。2.2.2 硬件選擇S7-200系列PLC可提供4個不同的基

10、本型號CPU供您使用，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。此系統(tǒng)選用S7-200CPU226型號，CPU226集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O 點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。

11、可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。2.3 S7-200 PLC的PID功能指令PID循環(huán)（PID）指令根據(jù)表格(TBL)中輸入和配置信息對引用LOOP執(zhí)行PID循環(huán)計算。提供PID循環(huán)指令（成比例、整數(shù)、導(dǎo)出循環(huán)）進行PID計算。邏輯堆棧（TOS）頂值必須是“打開”（功率流）狀態(tài)，才能啟用PID計算。本指令有兩個操作數(shù)：表示循環(huán)表起始地址的TBL地址和0至7常量的“循環(huán)”號碼。循環(huán)表存儲九個參數(shù)，用于控制和監(jiān)控循環(huán)運算，包括程序變量、設(shè)置點、輸出、增益、樣本時間、整數(shù)時間（重設(shè)）、導(dǎo)出時間（速率）以及整數(shù)和（偏差）的當(dāng)前值及先前值。如果循環(huán)表起始地址或指令中指定的PID循環(huán)號碼操作數(shù)超出范

12、圍，CPU編譯器將生成一則錯誤（范圍錯誤），編譯將會失敗。PID指令不對某些循環(huán)表輸入值進行范圍檢查。您必須保證程序變量和設(shè)置點（以及作為輸入的偏差和先前程序變量）是0.0和1.0之間的實數(shù)。如果進行PID計算的數(shù)學(xué)運算時遇到錯誤，將設(shè)置SM1.1（溢出或非法數(shù)值）并終止PID指令的執(zhí)行。（對循環(huán)表中的輸出數(shù)值的更新可能不完整，因此您應(yīng)當(dāng)忽略這些數(shù)值，并在執(zhí)行下一個循環(huán)PID指令之前糾正引起數(shù)學(xué)錯誤的輸入值。）在PID指令框中輸入的表格（TBL）起始地址為循環(huán)表分配三十六個字節(jié)。表2.1 回路表格式偏移量域格式類型說明 0PVn/進程變量雙字-實數(shù) 入包含進程變量，必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。

13、 4SPn/定點雙字-實數(shù) 入包含定點，必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。 8 Mn/輸出雙字-實數(shù) 入/出包含計算輸出，在0.0至1.0范圍內(nèi) 12Kc/增益雙字-實數(shù) 入包含增益，此為比例常量，可為正數(shù)或負(fù)數(shù)。 16Ts/樣本時間雙字-實數(shù) 入包含樣本時間，以秒為單位，必須為正數(shù)。 20Ti/積分時間或重設(shè)雙字-實數(shù) 入包含積分時間，以分鐘為單位，必須為正數(shù)。 24Td/微分時間或速率雙字-實數(shù) 入包含微分時間速率，以分鐘為單位必為正數(shù)。 28Mx/偏差雙字-實數(shù) 入/出包含0.0和1.0之間的偏差或積分和數(shù)值。 32PVn-1以前的進程變量雙字-實數(shù) 入/出包含最后一次執(zhí)行PID指令存儲的進程

14、變量以前的數(shù)值。2.4 系統(tǒng)設(shè)計流程圖本系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成。主程序的任務(wù)是對系統(tǒng)初始化，實現(xiàn)參數(shù)輸入并控制電加熱爐的正常運行。主程序流程圖 開始 計算溫差e(k)和溫差變化率溫度值顯示溫度數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的初始化 |e(k)| 智能控制算法程序 求出輸出控制量 控制輸出 結(jié)束 圖2.1 主程序流程圖2.5 I/O分配表模塊端子024 +024 -+-OUT測溫模擬量端子V0M0A+A- 表2.2 I/O分配表存儲地址數(shù)值說明VD10443度目標(biāo)值VD1160.1s采樣時間VD1120.25回路增益VD12030min積分時間VD1240.0關(guān)閉微分作用SMB

15、34100設(shè)定定時中斷0的時間間隔INT-010設(shè)置定時中斷表2.3 輸入輸出分配2.6 I/O接線圖圖2.2硬件接線圖（，為正負(fù)接線端子：，代表內(nèi)部觸點）Pt溫度變送驅(qū)動模塊RA A+ A- RB B+ B- RC C+ C- RD D+ D- M LEM231M0 V0M LEM232未用圖2.3 I/0接線圖第三章 軟件設(shè)計3.1軟件梯形圖主程序：打開電源，運行PLC，接通SM0.0，開始調(diào)用子程序。VD104目標(biāo)值43度VD112增益0.25VD116采樣時間0.1sVD120積分時間30minVD124微分時間0s 輸入設(shè)定溫度，把設(shè)定溫度、各個值都導(dǎo)入PID，每個一定設(shè)置的時間中斷

16、一次子程序進行PID運算。 模擬信號的采樣處理，歸一化導(dǎo)入PID，讀入溫度并轉(zhuǎn)換，把實際溫度值放入VD100中，調(diào)用PID指令，PID程序進行運算，輸出PID的運算結(jié)果，逆轉(zhuǎn)換為模擬信號。停止過程中，把模擬量AQW0清零，停止繼續(xù)加熱，停止調(diào)用子程序，仍然顯示原溫度。3.2語句表LD SM0.1CALL SBR_0:SBR0LD SM0.0MOVR 0.6, VD104MOVR 0.25, VD112MOVR 0.1, VD116MOVR 30.0, VD120MOVR 0.1, VD124MOVB 100, SMB34ATCH INT_0:INT0, 10ENILD SM0.0ITD AIW

17、0, AC 0DTR AC 0, AC 0/R 32000.0, AC 0MOVR AC 0, VD100LD I0.0PID VB100, 0LD I0.0MOVR VD108, AC 0*R 32000.0, AC 0ROUND AC 0, AC 0DTI AC 0, AC 0MOVW AC 0, AQW0第四章 程序調(diào)試本程序分為三部分：主程序、子程序、中斷程序。子程序主要是將各個PID運算所需的參數(shù)變量輸入寄存器中；中斷程序主要是將模擬量輸入寄存器中，并將運算完畢的整數(shù)值寫到模擬輸出寄存器中；輸入數(shù)據(jù)時，裝入設(shè)定值是0.1815，回路增益0.25，采樣時間0.1秒，積分時間30分鐘，關(guān)

18、閉微分作用。設(shè)定定時中斷0的時間間隔是100ms，設(shè)定定時中斷以定時執(zhí)行PID指令。檢查程序有誤錯誤，檢查無誤后接通電源，將程序下載到運行模擬平臺上并運行該程序，并檢查運行情況看看是否運行正常。當(dāng)程序下載正常開始運行時，測溫表上顯示溫度慢慢開始上升，當(dāng)上升到一定后，溫度不再上升，維持在一個固定溫度。正常運行一段時間后，停止運行，關(guān)閉計算機關(guān)閉電源，結(jié)束。程序調(diào)試圖如下圖所示 結(jié)束語通過本次課程設(shè)計，是我加強了對PLC地形圖、指令表、外部接線的理解，還有經(jīng)過在網(wǎng)上查找資料以及到圖書館學(xué)習(xí)，也使我更好的理解和認(rèn)識了關(guān)于PLC設(shè)計原理和實際中的應(yīng)用過程。在課程設(shè)計過程中我們互相討論，請教老師，在不斷地調(diào)試各自的程序中，發(fā)現(xiàn)了很多各自的問題并進行研究解決。我們試著用不同的設(shè)計方法來實現(xiàn)我們的課題，這樣不僅可以拓展我們的思路，還可以使我們的設(shè)計成果更加嚴(yán)謹(jǐn)。本次課程設(shè)計可以為以后工作打下一定的基礎(chǔ)，感謝本次課程設(shè)計，感謝我的指導(dǎo)老師！在這次課程設(shè)計中，我以前關(guān)于PLC的知識面得到了拓展，知道的得到了鞏固，不知道的借助于圖書館和網(wǎng)絡(luò)得到了解決