溫控系統(tǒng)的PLC智能控制.doc

1、摘摘 要要 房間溫度控制系統(tǒng)利用可編程控制器（簡(jiǎn)稱 PLC）對(duì)房間內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，PLC 具有控制精度高的特點(diǎn)，能夠把室溫精確的控制在0。1C 范圍內(nèi).溫度測(cè)控領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，溫度的測(cè)控芯片也相應(yīng)的登上歷史的舞臺(tái)，能夠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域中廣泛使用。設(shè)計(jì)了房間溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由西門子系列的 PLC、溫度傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、加熱器等組成.該溫度控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制,當(dāng)室溫低于 30C 時(shí)進(jìn)行加熱,超過(guò)30C 時(shí)開(kāi)啟風(fēng)扇進(jìn)行降溫,以保證控制溫度在 300。1C,該系統(tǒng)具有運(yùn)算簡(jiǎn)單、調(diào)整方便的特點(diǎn)。并且介紹了房間溫度控制系統(tǒng)的組成、特殊功能模塊、PLC

2、系統(tǒng)控制程序、系統(tǒng)的調(diào)試和安裝使用時(shí)的注意事項(xiàng)等.從參數(shù)整定和調(diào)試的結(jié)果來(lái)看，本文研究的溫度控制系統(tǒng)在一定條件下能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確和及時(shí)地對(duì)被控量溫度進(jìn)行有效地控制，達(dá)到了預(yù)期效果。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞： PLC;PLC;溫度控制系統(tǒng)；溫度控制系統(tǒng)；PIDPIDAbstractAbstractRoom temperature control system of the plc programmable controller （PLC ） short of the room temperature for control， plc has high precision of the room temper

3、ature control is accurately 0.1 mm & ordm。 The temperature field in developing rapidly， and tracking control as a digital technology, the temperature of the tracking control the chip also related to the historical stage, the industrial and agricultural areas in wide use,in this type need to tran

4、slate words.The room temperature control system design。 This system consists of Siemens PLC of series， the temperature sensor, A/D converter， D/A converter, heater, etc。 The temperature control system adopts closed loop control， when temperature below 30 C for heating， more than 30 C to open when, i

5、n order to ensure that the cooling fan control temperature in 30 0。1 C, this system has a simple， convenient adjustment. And introduces the room temperature control system, special function module and PLC control system， the system of debugging and program installation use the matters needing attent

6、ion。本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請(qǐng)勿用作商業(yè)用途本文為互聯(lián)網(wǎng)收集,請(qǐng)勿用作商業(yè)用途Parameters and debugging from the results of research， the temperature control system in given conditions to stable and accurate and timely to the control of temperature - an effective control and achieve the desired effect。Keyword:Keyword: PLC;Temperature contr

7、ol system；PID；目目 錄錄摘摘 要要.IABSTRACTABSTRACT .II第一章第一章 緒論緒論.11。1 引言.11.2 PLC 概述.21。3 本文的主要工作.3第二章第二章 溫度控制系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)理論設(shè)計(jì).42。1 模擬量閉環(huán)控制的基本概念.42.1。1 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成.42.1。2 閉環(huán)控制的主要性能指標(biāo).42。2 PID 原理.52.2.1 PID(Proportional, Integral and Derivative）簡(jiǎn)介.52.2.2 PID 控制算法.62.2。3 PID 參數(shù)的整定方法.62.2.4 PID 參數(shù)工程整定法.62.2。

8、5 PID 各參數(shù)在系統(tǒng)中的作用.92.3 溫度控制系統(tǒng)概述.102.3.1 溫度控制系統(tǒng)工作原理.102。3。2 系統(tǒng)要求.112。3。3 PLC 控制系統(tǒng)的構(gòu)成.11第三章第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì).123。1 總體方案.123.2 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì).123.3 控制器的選擇.133.4 信號(hào)采集與變換.153。5 執(zhí)行模塊.173。5.1 固態(tài)繼電器.173.5.2 加熱器.19第四章第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì).204。1 S7300 實(shí)現(xiàn) PID 閉環(huán)控制的方法.204.2 連續(xù) PID 控制器.204。2。1 設(shè)定值與過(guò)程變量的處理.204.2。2 控制器輸出值的處理.2

9、24。3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與 PLC 編程.224.3。1 軟件編程方框圖.224。4 調(diào)試結(jié)果.25第五章第五章 系統(tǒng)安裝系統(tǒng)安裝.27第六章第六章 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ).286.1 本文總結(jié).286.2 展望.28致致 謝謝.30參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).31第一章第一章 緒論緒論1 1。1 1 引言引言房間溫濕度狀態(tài)參數(shù)對(duì)人體的熱舒適性和房間內(nèi)物品的存放有著很大的影響。特別是對(duì)于那些對(duì)溫、濕度要求比較高的場(chǎng)所，傳統(tǒng)的控制方法已不能夠滿足控制要求，其主要的缺點(diǎn)是通用性差、靈活性差、控制精度和穩(wěn)定性差，控制運(yùn)算功能簡(jiǎn)單，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的過(guò)程控制等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,新型的過(guò)程控制計(jì)算機(jī)不斷涌現(xiàn)，較為流行的有 STD總

10、線計(jì)算機(jī)、可編程調(diào)節(jié)器（PSC） 、集散型控制系統(tǒng)（DCS） 。其中，可編程調(diào)節(jié)器 PSC 是在電動(dòng)型儀表的基礎(chǔ)上采用微處理器發(fā)展起來(lái)的第四代儀表，它的功能較強(qiáng)，在靈活性、可靠性、控制精度、數(shù)字通信能力等方面都是模擬儀表無(wú)法比擬的。因此,PSC 與 PLC 一樣都是工業(yè)控制裝置。PSC 與 PLC 相比，PLC 以開(kāi)關(guān)量控制為主,模擬量控制為輔；而 PSC 則以閉環(huán)控制為主，開(kāi)關(guān)量控制為輔.房間溫度控制系統(tǒng)利用可編程控制器(簡(jiǎn)稱 PLC）對(duì)房間內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，可編程控制器具有控制精度高的特點(diǎn)，能夠把室溫精確的控制在0。1C 范圍內(nèi).圖 1-1 控制監(jiān)控圖 圖 11 就是溫度控制系統(tǒng)的控制監(jiān)控

11、圖。直觀的觸摸屏更有效的顯示了運(yùn)行狀態(tài)圖，趨勢(shì)圖，具有越限報(bào)警功能，能夠直接人工控制及自動(dòng)控制.在 TP270 的全程監(jiān)控下使得溫控更直觀更精確有效。房 間溫度及濕度的測(cè)量和控制對(duì)人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)、物資倉(cāng)儲(chǔ)等都起著極其重要的作用。在許多場(chǎng)合，及時(shí)準(zhǔn)確獲得目標(biāo)的溫度、濕度信息是十分重要的,近年來(lái),溫濕度測(cè)控領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,溫濕度的測(cè)控芯片也相應(yīng)的登上歷史的舞臺(tái)，能夠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域中廣泛使用。設(shè)計(jì)了房間溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由西門子系列的 PLC、溫度傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器、加熱器等組成.該溫度控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，當(dāng)室溫低于 30C 時(shí)進(jìn)

12、行加熱，超過(guò) 30C 時(shí)開(kāi)啟風(fēng)扇進(jìn)行降溫，以保證控制溫度在 300。1C，該系統(tǒng)具有運(yùn)算簡(jiǎn)單、調(diào)整方便的特點(diǎn)。并且介紹了房間溫度控制系統(tǒng)的組成、特殊功能模塊、PLC 系統(tǒng)控制程序、系統(tǒng)的調(diào)試和安裝使用時(shí)的注意事項(xiàng)等.而且網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化控制越來(lái)越受到各行各業(yè)的重視。從參數(shù)整定和調(diào)試的結(jié)果來(lái)看，本文研究的溫度控制系統(tǒng)在一定條件下能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確和及時(shí)地對(duì)被控量溫度進(jìn)行有效地控制，達(dá)到了預(yù)期效果。隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)擴(kuò)展到了幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域.當(dāng)前用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要有:PLC 控制系統(tǒng)、基于 PC 總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC)系統(tǒng)、基于單片機(jī)的測(cè)

13、控系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)（DCS)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS） 。而其中的 PLC 因?yàn)榉€(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)大和使用方便已經(jīng)成為應(yīng)用面最廣、最廣泛的通用工業(yè)控制裝置,成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一.因此用 PLC 來(lái)控制溫度也是在實(shí)際的控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，非常有實(shí)際價(jià)值。1.21.2 PLCPLC 概述概述當(dāng)今世界，可編程控制器(簡(jiǎn)稱 PLC）技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)工業(yè)控制的三大支柱產(chǎn)業(yè)。特別是近幾年大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，使得 PLC 技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛.由于 PLC 具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在我國(guó)工業(yè)控制中大量使用。隨著 PLC 技術(shù)的發(fā)展，它在

14、位置控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理等方面的應(yīng)用也越來(lái)越多。PLC 具有可靠性高、靈活性好、開(kāi)關(guān)量控制能力及通信聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使其在開(kāi)關(guān)量控制上發(fā)揮了巨大的威力。同時(shí)，PLC 在模擬量控制上也富有特色，具有配置靈活、通用性好、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，特別在開(kāi)關(guān)量、模擬量混合控制的系統(tǒng)上更顯出獨(dú)特的優(yōu)越性.在可編程序控制器問(wèn)世之前，繼電器接觸器控制在工業(yè)控制領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位.繼電器接觸器控制系統(tǒng)是采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)控制邏輯。如果生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，就必須重新設(shè)計(jì)，改變硬件機(jī)構(gòu),這樣造成時(shí)間和金錢的浪費(fèi)。另外，大型控制系統(tǒng)用繼電器接觸器控制，使用的繼電器多，控制系統(tǒng)的體積大，耗電多，工作頻率低等缺點(diǎn)，為了

15、解決這些問(wèn)題，早在 1968 年，美國(guó)最大的汽車制造商通用汽車公司（GM 公司） ，為了適應(yīng)汽車型號(hào)的不斷翻新，提出要用一種新型的控制裝置取代它，為此，特定以下 10 項(xiàng)公開(kāi)招標(biāo)的技術(shù)要求，即:(1）編程簡(jiǎn)單方便，可在現(xiàn)場(chǎng)修改程序。(2)硬件維護(hù)方便，采用插件式結(jié)構(gòu)。（3)可靠性高于繼電器接觸器控制裝置。(4)體積小于繼電器控制裝置。(5）可將數(shù)據(jù)直接送入計(jì)算機(jī)。（6)用戶程序存儲(chǔ)器容量至少可以擴(kuò)展到 4KB.（7）輸入可以是交流 115V。(8）輸出為交流 115V，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥,交流接觸器等。（9）通用性強(qiáng),擴(kuò)展方便。(10)成本上要有競(jìng)爭(zhēng)力。美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司根據(jù) GM 公司招標(biāo)的技術(shù)

16、要求,于 1969 年研制出世界上第一臺(tái)可編程序控制器，并在 GM 公司汽車自動(dòng)裝配線上試用，獲得成功。80 年代以后，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，以 16 位和 32 位微處理器為核心的可編程序控制器得到迅速發(fā)展。這時(shí)的 PLC 具有了高速計(jì)數(shù)、中斷技術(shù)、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能，從而使 PLC 的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。PLC 是綜合繼電器接觸控制的有點(diǎn)及計(jì)算機(jī)靈活、方便的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)制造和發(fā)展的，這就使 PLC 具有許多其他控制器所無(wú)法相比的特點(diǎn)： （1)可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)。 (2）配套齊全,功能完善,適用性強(qiáng). （3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。 （4)系統(tǒng)設(shè)

17、計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便。 (5）體積小,重量輕，能耗低。 PLC 具有可靠性高、靈活性好、開(kāi)關(guān)量控制能力及通信聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn),使其在開(kāi)關(guān)量控制上發(fā)揮了巨大的威力。同時(shí)，PLC 在模擬量控制上也富有特色，具有配置靈活、通用性好、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，特別在開(kāi)關(guān)量、模擬量混合控制的系統(tǒng)上更顯出獨(dú)特的優(yōu)越性。1.31.3 本文的主要工作本文的主要工作利用可編程控制器(簡(jiǎn)稱 PLC）對(duì)房間內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，可編程控制器具有控制精度高的特點(diǎn)，能夠把室溫精確的控制在0.1C 范圍內(nèi)。首先詳細(xì)介紹了溫度控制系統(tǒng)的一些理論基礎(chǔ)，闡述了模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成，閉環(huán)控制的主要性能指標(biāo).接著系統(tǒng)介紹了 PID 控

18、制的算法及各參數(shù)在系統(tǒng)中的作用。之后對(duì) PROFIBUS 的結(jié)構(gòu)協(xié)議和類型和物理結(jié)構(gòu)作出了詳細(xì)的介紹。通過(guò)輸入數(shù)值或激活所組態(tài)的軟鍵，可以對(duì)設(shè)定值或控制單元設(shè)置值進(jìn)行修改在全圖形的動(dòng)態(tài)畫面上對(duì)過(guò)程、機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行顯示,通過(guò)輸出域、棒圖或趨勢(shì)曲線對(duì)過(guò)程報(bào)警和變量進(jìn)行顯示.第二章第二章 溫度控制系統(tǒng)理論溫度控制系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)2 2。1 1 模擬量閉環(huán)控制的基本概念模擬量閉環(huán)控制的基本概念 2.1.12.1.1 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成典型的 PLC 模擬量單閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖 21 所示。在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量 c(t） （例如壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速等）是連續(xù)

19、變化的模擬量，大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（例如晶閘管調(diào)速裝置、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和變頻器等）要求 PLC輸出模擬信號(hào) mv(t）,而 PLC 的 CPU 只能處理數(shù)字量.c(t)首先被測(cè)量元件（傳感器)和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電流信號(hào)或直流電壓信號(hào) pv(t)，例如420mA,15V,010V，PLC 用 A/D 轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 pv（n）.PLCPLCsp T 圖 2-1 典型的 PLC 模擬量單閉環(huán)控制系統(tǒng)模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換和 PID 程序執(zhí)行都是周期性的操作，其間隔時(shí)間稱為采樣時(shí) Ts。各數(shù)字量括號(hào)中的 n 表示該變量是第 n 次采樣計(jì)算的數(shù)字量。圖中的 sp（n）是給定值，pv(n

20、)為 A/D 轉(zhuǎn)換后的反饋量，誤差 ev（n）=sp（n)pv(n)。D/A 轉(zhuǎn)換器將 PID 控制器輸出的數(shù)字量 mv（n）轉(zhuǎn)換為模擬量（直流電壓或直流電流)mv(t） ，再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。模擬量控制系統(tǒng)分為恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)的給定值是由操作人員提供,一般很少變化，例如溫度控制系統(tǒng) ，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等。隨動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入量是不斷變化的隨機(jī)量，例如高射炮的瞄準(zhǔn)控制系統(tǒng)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制系統(tǒng)就是典型的隨動(dòng)控制系統(tǒng)。閉環(huán)負(fù)反饋控制可以使系統(tǒng)的反饋量 pv（n)等于設(shè)定值 sp(n)。例如，假設(shè)輸出的溫度值 c（t)低于給定的溫度值,反饋量 pv(n）小于給定值 sp(n)，誤差

21、 ev(n）為正，控制器的輸出量 mv（t)將增大，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)調(diào)節(jié)閥）的開(kāi)度增大,進(jìn)入加熱爐的天然氣的流量增加，加熱爐的溫度升高，最終使實(shí)際溫度接近或等于給定值.天然氣壓力的波動(dòng)、工件加入加熱爐,這些因素稱為擾動(dòng)量,它們會(huì)破壞爐溫的穩(wěn)定.閉環(huán)控制可以有效地抑制閉環(huán)中各種擾動(dòng)的影響，使被控量趨近于給定值。閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,因此在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.三相電源SCR加熱爐傳感器A/DD/APLC 控制器2.1.22.1.2 閉環(huán)控制的主要性能指標(biāo)閉環(huán)控制的主要性能指標(biāo) 由于給定輸入信號(hào)或擾動(dòng)輸入信號(hào)的變化，系統(tǒng)的輸出量達(dá)到穩(wěn)定值之前的過(guò)程稱為過(guò)渡過(guò)程或動(dòng)態(tài)過(guò)程.系

22、統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能常用階躍相應(yīng)（階躍輸入時(shí)輸出量的變化）的參數(shù)來(lái)描述。階躍輸入信號(hào)在 t=0 之前為 0，t0 時(shí)為某一恒定值。圖 22 被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線。輸出量第一次達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間 tr 稱為上升時(shí)間，上升時(shí)間反映了系統(tǒng)在相應(yīng)初期的快速性。系統(tǒng)進(jìn)入并停留在穩(wěn)定值 c（)上下5（或 2)的誤差帶內(nèi)的時(shí)間 ts 稱為調(diào)節(jié)時(shí)間達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間表示過(guò)渡過(guò)程基本已結(jié)束。設(shè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中輸出的最大值為，如果它大于輸出量的穩(wěn)態(tài)值 c(), 超調(diào)量)(maxtC %100)(%maxcctc反映了系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，它越小越好，一般希望超調(diào)量小于 10。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的期望值與實(shí)際值之差，它反映了系統(tǒng)的

23、穩(wěn)態(tài)精度。 c c%10tc ctrtst圖 2-2 被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線2 2。2 2 PIDPID 原理原理2 2。2 2。1 1 PIDPID（Proportional,Proportional, IntegralIntegral andand DerivativeDerivative）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介PID 控制問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一.當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便

24、。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的. 目前 PID 控制在工業(yè)控制系統(tǒng)中無(wú)處不見(jiàn)，隨著控制效果的要求不斷提高，PID 逐漸向智能化發(fā)展，但形形色色“時(shí)髦”的現(xiàn)代控制理論中的 PID 最終還是源自經(jīng)典 PID 理論.為什么 PID 應(yīng)用如此廣泛、又長(zhǎng)久不衰?是因?yàn)?PID 解決了自動(dòng)控制理論所要解決的最基本問(wèn)題,既系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性.調(diào)節(jié) PID 的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的

25、帶載能力和抗擾能力，同時(shí)，在 PID 調(diào)節(jié)器中引入積分項(xiàng),系統(tǒng)增加了一個(gè)零積點(diǎn),使之成為一階或一階以上的系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。由于自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象的千差萬(wàn)別，PID 的參數(shù)也必須隨之變化，以滿足系統(tǒng)的性能要求。這就給使用者帶來(lái)相當(dāng)?shù)穆闊?目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智慧控制理論三個(gè)階段.智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和死循環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器傳感器變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接 口執(zhí)行機(jī)構(gòu)加到被控系統(tǒng)上控制系統(tǒng)

26、的被控量經(jīng)過(guò)傳感器變送器通過(guò)輸入接口送到控制器. 不同的控制系統(tǒng)其傳感器變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器.目前,PID 控制及其控制器或智慧PID 控制器(儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的 PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有 PID 參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器（intelligent regulator） ，其中 PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智慧化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用 PID 控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn) PID 控制功能的可編程控制器（PLC） ，還有可

27、實(shí)現(xiàn) PID 控制的 PC 系統(tǒng)等等。 可編程控制器(PLC) 是利用其死循環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 控制。 個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途2 2。2.22.2 PIDPID 控制算法控制算法在生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制器上很重要的組成部分。控制器將系統(tǒng)被控變量測(cè)量值與設(shè)定值相比較，如果存在偏差，就按預(yù)先設(shè)置的不同控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，控制生產(chǎn)過(guò)程，使被控變量的測(cè)量值與設(shè)定值相等?？刂破鞯妮敵鲂盘?hào)隨偏差的變化而變化的規(guī)律叫做控制規(guī)律。通常常用的控制規(guī)律有比例（P）控制、比例積分（PI）控制、比例微分（PD）控制和比例積分微分（PID)控制。2 2。2.32.3 PID

28、PID 參數(shù)的整定方法參數(shù)的整定方法PID 參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID 參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類:一是理論計(jì)算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制參數(shù).這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改；二是工程整定法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用.2 2。2 2。4 4 PIDPID 參數(shù)工程整定法參數(shù)工程整定法PID 控制器參數(shù)的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。

29、三種方法各有其特點(diǎn),其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定.但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。1.1.控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)方法控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)方法控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)方法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)湊試法，是工程技術(shù)人員在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的。它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先確定一組控制器參數(shù)(見(jiàn)表 2-1） ，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行通過(guò)觀察認(rèn)為加入干擾（改變?cè)O(shè)定值）后的過(guò)渡過(guò)程曲線,根據(jù)各種控制作用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的不同影響來(lái)改變相應(yīng)的控制參數(shù)制,進(jìn)行反復(fù)湊試,直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗(yàn)整定法主要通過(guò)調(diào)

30、整比例度的大小來(lái)滿足質(zhì)量指標(biāo)，有以下兩條整定途徑:表 21 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控變量被控變量規(guī)律的選擇規(guī)律的選擇比例度比例度 積分時(shí)間積分時(shí)間TiTi（min)min)微分時(shí)間微分時(shí)間Td(min)Td(min)流量對(duì)象時(shí)間常數(shù)小,參數(shù)有波動(dòng)，要大；Ti要短；不用微分40100031溫度對(duì)象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾變化遲緩，應(yīng)?。籘i 要長(zhǎng)；一般需要微分2060310053壓力對(duì)象的容量滯后不算大,一般不需要微分30%70%043液位對(duì)象時(shí)間常數(shù)范圍較大，要求不高時(shí),可在一定范圍內(nèi)選取，一般不用微分2080先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的比例度,將人為加入干擾后的過(guò)渡過(guò)程調(diào)整為 4：

31、1 的衰減振蕩過(guò)程。然后再加入積分（I）作用，一般先取積分時(shí)間 Ti 衰減振蕩周期的一半左右。由于積分作用將使振蕩加劇，在加入積分作用之前，要先減弱比例作用，通常把比例度增加 10%20。調(diào)整積分時(shí)間的大小，直到出現(xiàn) 4：1 的衰減振蕩。需要時(shí)，最后加入微分(D）作用之前，可把比例度調(diào)整到比純比例度作用時(shí)更小一些，還可以把積分時(shí)間縮短一些。通過(guò)微分時(shí)間的湊試，使過(guò)渡時(shí)間最短,超調(diào)最小。先根據(jù)表 21 選取積分時(shí)間 Ti 和微分時(shí)間 Td，通常取 Td 設(shè)置得不合適，則有可能得不到要求的理想曲線.這時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整 Ti 和 Td，再重新湊試，使曲線最終符合控制要求。經(jīng)驗(yàn)整定法適用于各種控制系統(tǒng)，特

32、別適用對(duì)象干擾頻繁、過(guò)渡過(guò)程曲線不規(guī)則的控制系統(tǒng)。但是,使用此方法主要靠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于缺乏經(jīng)驗(yàn)的操作人員來(lái)說(shuō),整定所花費(fèi)的時(shí)間較多。2。臨界比例度法。臨界比例度法所謂臨界比例度法，是在系統(tǒng)閉環(huán)的情況下,用純比例控制的方法獲得臨界振蕩數(shù)據(jù)，即臨界比例度k 和臨界振蕩周期 Tk，如圖 2-3 所示,然后利用一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取滿足4：1 衰減振蕩過(guò)渡過(guò)程的控制器參數(shù)。其整定計(jì)算公式見(jiàn)表 22.具體整定步驟如下:將控制器的積分時(shí)間放在最大值（Ti=） ， 微分時(shí)間放在最小值(Td=0),比例度放在較大值后，讓系統(tǒng)投入運(yùn)行。逐漸減小比例度，且每改變一次值時(shí)，都通過(guò)改變?cè)O(shè)定值給系統(tǒng)施加一個(gè)階躍干擾，同時(shí)觀察系

33、統(tǒng)的輸出，直到過(guò)渡過(guò)程出現(xiàn)等幅震蕩為止.此時(shí)的過(guò)渡過(guò)程稱為臨界振蕩過(guò)程，k 為臨界比例度，Tk 為臨界振蕩周期.利用k 和 Tk 這兩個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照表中的相應(yīng)公式，求出控制器的各整定參數(shù)。將控制器的比例度換成整定后的值，然后依次放上積分時(shí)間和微分時(shí)間的整定值.如果加入干擾后，過(guò)渡過(guò)程與 4：1 衰減還有一定差距，可適當(dāng)調(diào)整值，直到過(guò)渡過(guò)程滿足要求。圖 23 曲線圖臨界比例度法應(yīng)用時(shí)簡(jiǎn)單方便，但必須要注意以下兩點(diǎn)：此方法在調(diào)整過(guò)程中必定出現(xiàn)等幅振蕩，從而限制了此方法的使用場(chǎng)合。對(duì)于工藝上不允許出現(xiàn)等幅振蕩的系統(tǒng)，如鍋爐水位控制系統(tǒng)，就無(wú)法使用該方法；對(duì)于某些時(shí)間常數(shù)較大的單容量對(duì)象，如液位對(duì)象

34、或壓力對(duì)象，在純比例作用下是不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩的,因此不能獲得臨界振蕩的數(shù)據(jù)，從而也無(wú)法使用該方法。使用該方法時(shí),控制系統(tǒng)必須工作在線性區(qū)，否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是極限環(huán)，不能依據(jù)此時(shí)的數(shù)據(jù)計(jì)算整定參數(shù)。 表 22 臨界比例度法控制器參數(shù)計(jì)算控制規(guī)律控制規(guī)律比例度比例度 （% %）積分時(shí)間積分時(shí)間TiTi（minmin）微分時(shí)間微分時(shí)間TdTd（minmin）P2kPI2.2k0.85TkPD1。8k0。1TkPID1。7k0。5Tk0.125Tk3.衰減曲線法衰減曲線法該方法與臨界比例度法的整定過(guò)程有些相似，即也是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中,先將積分時(shí)間置于最大值，微分時(shí)間置于最小值，比例度置于最大

35、值,然后讓設(shè)定值的變化作為干擾輸入，逐漸減小比例度 值，觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。按照過(guò)渡過(guò)程的衰減情況改變 值,直到系統(tǒng)出現(xiàn) 4：1 的衰減振蕩，如圖 24 所示。記下此時(shí)的比例度s 和衰減振蕩周期 Ts，然后根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，求出控制器的整定參數(shù)。其整定計(jì)算公式見(jiàn)表 23.圖 24 曲線圖衰減曲線法對(duì)大多數(shù)的系統(tǒng)均可使用，且由于試驗(yàn)過(guò)渡過(guò)程振蕩的時(shí)間較短，又都是衰減振蕩,易為工藝人員所接受，故這種整定方法應(yīng)用較為廣泛。 表 2-3 衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表（4：1 衰減比）控制規(guī)律控制規(guī)律比例度比例度 ( (）積分時(shí)間積分時(shí)間 TiTi（minmin）微分時(shí)間微分時(shí)間TdTd（minmi

36、n）PsPI1。2s0。5TsPID0。8s0。3Ts0.1Ts4 反應(yīng)曲線法反應(yīng)曲線法反應(yīng)曲線法是根據(jù)廣義對(duì)象的時(shí)間特性，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式的求取的.這是一種開(kāi)環(huán)的整定方法，又 Ziegler 和 Nichols 于 1942 年首先提出的。當(dāng)操縱變量做階越變化時(shí)，被控變量隨時(shí)間的變化曲線稱為反應(yīng)曲線.對(duì)自衡的非振蕩過(guò)程，廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)常用 來(lái)近似的，Ko，和 To 可由反應(yīng)曲線用圖eTKGsOOs1)(0解法得出?？刂破鲄?shù)整定的反應(yīng)曲線法是根據(jù)廣義對(duì)象的 Ko, 和 To。確定控制器的參數(shù)的方法.有了參數(shù) Ko, 和 To，就可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出滿足 4：1 衰減振蕩的控制器的整定參數(shù)

37、.見(jiàn)表 24。表 24 反應(yīng)曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表（4：1 衰減比）控制規(guī)律控制規(guī)律比例度比例度 （) )積分時(shí)間積分時(shí)間 TiTi（minmin）微分時(shí)間微分時(shí)間 Td(min)Td(min)PKo（/T）PI1。1 Ko(/T）3.3PID0。8Ko(/T）2.20。52.22.2。5 5 PIDPID 各參數(shù)在系統(tǒng)中的作用各參數(shù)在系統(tǒng)中的作用在單回路控制系統(tǒng)中，由于干擾作用使被控參數(shù)偏離給定值，從而產(chǎn)生偏差。自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)單元將來(lái)自變送器的測(cè)量值與給定值想比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、積分、微分（PID）運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、液位及其他

38、工藝參數(shù)的自動(dòng)控制。被控參數(shù)能否回到給定值上來(lái)，以及通過(guò)怎樣的途徑，經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)的時(shí)間回到設(shè)定值上來(lái)，及控制過(guò)程的品質(zhì)如何，這不僅與對(duì)象的特性有關(guān)，而且還與調(diào)節(jié)器的特性即調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律（或稱調(diào)節(jié)規(guī)律)有關(guān).比例作用 P 只與偏差成正比；積分作用 I 是偏差對(duì)時(shí)間的積累；微分作用 D 是偏差的變化率。自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中當(dāng)干擾出現(xiàn)的時(shí)候微分 D 立即起作用,P 隨偏差增大而明顯起來(lái)，兩者首先起克服偏差的作用，使被控量在新值上穩(wěn)定，次新值與設(shè)定值的偏差叫余差，而 I 隨時(shí)間增加逐漸增強(qiáng)，直至克服掉余差，使被控量從返設(shè)定值上來(lái)。1 1比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)作用快，能迅速反應(yīng)誤差，系統(tǒng)一出現(xiàn)偏差，調(diào)節(jié)器立即將偏

39、差放大 1/P 倍輸出。 系統(tǒng)存在余差比例帶越大，過(guò)渡過(guò)程越平穩(wěn)，但余差越大,比例帶越小，過(guò)渡過(guò)程易振蕩，比例帶太小時(shí)，就可能出現(xiàn)發(fā)散振蕩。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系.當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error） 。 2 2積分調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)作用的輸出變化與輸入偏差的積分成正比，積分調(diào)節(jié)作用的輸出不僅取決與偏差信號(hào)的大小,還取決于偏差存在的時(shí)間,只要有偏差存在,盡管偏差可能很小，但它存在的時(shí)間越長(zhǎng)，輸出信號(hào)就越大，只有消除偏差，輸出才停止變化。在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系.對(duì)一個(gè)自動(dòng)控

40、制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)(System with Steadystate Error） 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)” 。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分,隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。3 3微分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)的輸出是與被調(diào)量的變化率成正比。在比例微分調(diào)節(jié)作用下，有時(shí)盡管偏差很小,但其變化速度很快，則微分調(diào)節(jié)器就有一個(gè)較大的輸出。 在微分控制中，

41、控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率)成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié)）或有滯后（delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō),在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)” ，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負(fù)值,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào).所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)

42、象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。2 2。3 3 溫度控制系統(tǒng)概述溫度控制系統(tǒng)概述2 2。3.13.1 溫度控制系統(tǒng)工作原理溫度控制系統(tǒng)工作原理當(dāng)房間內(nèi)溫度變化時(shí)會(huì)引起溫度傳感器輸出電壓信號(hào)的變化，通過(guò)與溫度傳感器連接的信號(hào)線把變化的電壓信號(hào)送入 A/D 模塊，A/D 模塊將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)并送入 PLC進(jìn)行運(yùn)算處理來(lái)控制 D/A 模塊輸出電壓的大小，D/A 模塊輸出的電壓信號(hào)送給調(diào)壓模塊的控制端來(lái)控制加熱器兩端電壓，以達(dá)到改變加熱器加熱量的目的。PLC 的控制可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制也可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行控制，觸摸屏并具有參數(shù)預(yù)置和數(shù)據(jù)顯示功能。2 2。3 3。

43、2 2 系統(tǒng)要求系統(tǒng)要求將房間內(nèi)的溫度控制在 300.1C，當(dāng)室溫低于 29。9C 或高于 30。1C 時(shí)系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)按鈕和停止按鈕來(lái)控制程序的運(yùn)行和停止.2 2。3 3。3 3 PLCPLC 控制系統(tǒng)的構(gòu)成控制系統(tǒng)的構(gòu)成該系統(tǒng)由溫度傳感器、PLC、人機(jī)界面、模擬量輸入 A/D 模塊、模擬量輸出 D/A 模塊及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成.第三章第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 3。1 1 總體方案總體方案系統(tǒng)方框圖如圖 3-1 所示：圖 31 系統(tǒng)方框圖3.23.2 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)先確定硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)后就可以進(jìn)行控制器的選擇。另外本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中還需選購(gòu)傳感器、變送

44、器、固態(tài)繼電器、加熱器和斷路器。其中傳感器和變送器用于將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際物理量經(jīng)檢測(cè)后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào);態(tài)繼電器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)將控制回路與主電路隔離并控制作為控制對(duì)象的加熱器的工作（通電和斷電)，斷路器對(duì)主電路起到過(guò)載和短路保護(hù)。系統(tǒng)控制原理圖如 3-2 圖所示。被控量為加熱器的溫度值,用 Pt100 型熱電阻與變送器的一體機(jī)將檢測(cè)出來(lái)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?420mA 的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一個(gè) 500 歐姆的電阻轉(zhuǎn)換為 210V 的電壓信號(hào),送入 ET200S 分布式 I/O 的模擬量輸入模塊(AI)，并由之轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,送入 PLC 的 CPU 單元處理。經(jīng)過(guò)數(shù)字量處理、PID 運(yùn)算，輸出值再經(jīng)過(guò) ET

45、200S 分布式 I/O 的 2PULSE 模塊的脈沖寬度調(diào)制并輸出產(chǎn)生相應(yīng)的一系列的 PWM 脈沖，這一系列的 PWM 脈沖控制信號(hào)加到固態(tài)繼電器的 3，4 輸入端上，通過(guò)控制 1，2 輸出端的通斷來(lái)改變加熱器工作電壓值的大小，從而達(dá)到了控制加熱器溫度的目的.硬件系統(tǒng)原理圖：圖 32 硬件系統(tǒng)原理圖3 3。3 3 控制器的控制器的選擇選擇當(dāng)今市場(chǎng)中成型的產(chǎn)品均為以單片機(jī)為控制器的溫度控制器，而一般的單片機(jī)的速度較慢,更重要的是其 ROM 和 RAM 空間較小，不能運(yùn)行較大的程序，因?yàn)榛诙嗳蝿?wù)的操作系統(tǒng)需要的任務(wù)堆棧很多，需要的 RAM 空間很大，故其在發(fā)展上受到了很大的限制。而傳統(tǒng)的加熱電

46、氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù)，由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制,使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多,效率不高而且容易出現(xiàn)故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)必然會(huì)被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的 PLC 控制技術(shù)取代。PLC 是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它采用可編程序的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序，通過(guò)執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)邏輯控制、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)電設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程。它具有高可靠性、可編程、豐富的 I/O 接口模塊、采用模塊化結(jié)構(gòu)以適用于各種工業(yè)控制需要、編程簡(jiǎn)單易學(xué)、安裝簡(jiǎn)單和維護(hù)方

47、便這六大特點(diǎn).除此之外，正是由于 PLC 具有多種功能,并集三電（電控裝置、電儀裝置、電氣傳動(dòng)裝置）于一體,使得 PLC 在工廠中倍受歡迎,用量高居榜首，成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一。而 PLC 本身優(yōu)異的性能使基于 PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變得更經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)方便。這種溫度控制系統(tǒng)對(duì)改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性的意義.基于此，本設(shè)計(jì)選用 PLC 作為控制器是最合適不過(guò)了.西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)公司的 PLC 以其極高的性能價(jià)格比，在我國(guó)占有很大的市場(chǎng)份額，在我國(guó)的各行各業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。其中，S7300 是模塊化的中小型 PLC,見(jiàn)圖 3-3，見(jiàn)表3-1。適用于中等性能的控制要求

48、.品種繁多的 CPU 模塊、信號(hào)模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù),用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時(shí)更換模塊也很方便。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和更為復(fù)雜時(shí)，可以增加模塊，對(duì) PLC 進(jìn)行擴(kuò)展。簡(jiǎn)單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的通信功能,使其應(yīng)用十分靈活。圖 33 S7300 CPU表 3-1 CPU315-2PN/DP 性能指標(biāo)指標(biāo)CPU315-2PN/DP存儲(chǔ)器工作存儲(chǔ)器/KB128裝載存儲(chǔ)器（內(nèi)部集成 RAM）/KB128裝載存儲(chǔ)器(Flash EPROM）隨 MMC 卡插入(最大 8M）地址 I/O 區(qū)DI/DQ1024AI/A1256本機(jī) I/O 點(diǎn)執(zhí)行時(shí)間位指令最少 0.1u

49、s字指令最少 0。2us整數(shù)運(yùn)算最少 2.0us浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算最少 3。0us存儲(chǔ)器標(biāo)志位存儲(chǔ)器標(biāo)志位2048計(jì)數(shù)器/定時(shí)器計(jì)數(shù)器/定時(shí)器256/256接口第 1 個(gè)接口接口類型集成 RS485 接口物理組成RS485電隔離是接口電源（15 到 30V DC）最大為 200mA功能MPI是PROFIBUS DP是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接是PROFINET是第 2 個(gè)接口接口類型PROFINET物理組成以太網(wǎng) RJ45電隔離是自動(dòng)檢測(cè)是功能PROFINET是MPI是PROFIBUS DP是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)是3 3。4 4 信號(hào)采集與變換信號(hào)采集與變換檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)(流量、壓力、溫度、物位、成分等）

50、經(jīng)檢測(cè)、變送單元轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通常采用15mA、420mA、010V 電流或電壓信號(hào)，20100kPa 氣象信號(hào)；在現(xiàn)場(chǎng)總線儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。如圖 3-4 所示為檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的工作原理。圖 34 檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的工作原理圖檢測(cè)元件和變送器的基本要求是準(zhǔn)確、迅速和可靠。準(zhǔn)確是指檢測(cè)元件和變送器能正確反映被控或被測(cè)變量，誤差應(yīng)小;迅速是指應(yīng)能及時(shí)反映被控或被測(cè)變量的變化；可靠是指測(cè)量元件和變送器的基本要求,應(yīng)能在環(huán)境工況下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。由于檢測(cè)元件直接與被控或被測(cè)介質(zhì)接觸，因此，在選擇檢測(cè)元件時(shí),應(yīng)首先考慮該元件能否適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的高低溫、高壓、腐蝕性、粉塵和爆

51、炸性環(huán)境,能否長(zhǎng)期溫度運(yùn)行;其次，應(yīng)考慮檢測(cè)元件的精確度和響應(yīng)的快速性等。除了這些選擇檢測(cè)元件和變送器的要求外，還應(yīng)考慮檢測(cè)元件和變送器的線性特性等。變送器分為兩線式和四線式,四線式變送器有 4 根線：電源線、信號(hào)線和公共線.兩線式變送器只有外部接線，它們既是電源線又是信號(hào)線，輸出 420mA 的信號(hào)電流,DC24V 電源串接在回路中.通過(guò)調(diào)試，在被檢測(cè)信號(hào)量程的下限時(shí)輸出電流為 4mA，被檢測(cè)信號(hào)滿量程時(shí)輸出電流為 20mA。兩線式變送器的接線少，信號(hào)傳遞遠(yuǎn)，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用.因此根據(jù)實(shí)際要求，本設(shè)計(jì)中選用的是 CGWD-401B 一體化溫度變送器（電流型、兩線式）.1 1概述概述C

52、GWD401B 一體化溫度變送器是一種價(jià)廉物美的 24VDC、兩線或三線制的一體化溫度變送器，產(chǎn)品采用集成電路，將熱電阻信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為 420mA（兩線制）或010mA（舊國(guó)標(biāo)三線制）電流或 05V(非標(biāo)三線制）電壓輸出。電流輸出型變送器有如下特點(diǎn)：可遠(yuǎn)傳(最大 1000m） 、精度高、抗干擾強(qiáng)、穩(wěn)定性好、免維護(hù),可廣泛應(yīng)用在過(guò)程控制、鍋爐控制、環(huán)境控制、冶金工業(yè)、石油化工、水力電力、醫(yī)藥食品等工業(yè)領(lǐng)域.CGWD-401B 一體化溫度變送器與其他變送器相比,具有極高的性價(jià)比.2 2工作原理工作原理溫度傳感器受溫度的影響產(chǎn)生電阻或電勢(shì)效應(yīng)，經(jīng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路放大后輸

53、出與量程對(duì)應(yīng)的 420mA、020mA 電流或 05V 的電壓信號(hào).3 3主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)1）熱電阻測(cè)量范圍:PT100：50+2002）測(cè)量精度：熱電阻：0.23） 溫度漂移：0.025，年漂移0.54） 環(huán)境溫度：20705)供電電壓:24VDC10%（420mA 電流型模塊最低工作電壓需要 10V 余下供負(fù)載）6)負(fù)載能力：0600 歐姆（24V 電壓時(shí)）電壓變化影響100）或低溫(5)傳感器腔與接線盒之間應(yīng)用耐溫材料隔離，密封防止接線盒溫度過(guò)高燒壞變送器或傳感器內(nèi)部低溫結(jié)露。4)電源應(yīng)采用屏蔽層接地防雷,壓線螺母應(yīng)旋緊以保證氣密性和防潮。5）傳感器的絕緣耐壓必須達(dá)到要求防止現(xiàn)場(chǎng)

54、漏電，傳感器激勵(lì)電流為 0.8mA，耗能功率20mA 時(shí)或電壓型5V 時(shí)，一般為傳感器斷絲或接觸不良，如果老是低于零點(diǎn)可能是傳感器短路或者是極性接反.輸出值與測(cè)量溫度不對(duì)應(yīng)或者跳動(dòng)可能是傳感器絕緣不好,如果顯示表與溫度不符可能是變送器與顯示表的量程不對(duì)應(yīng)。2）變送器輸出不穩(wěn)定時(shí)檢查與外殼的絕緣是否達(dá)標(biāo),絕緣不良（在現(xiàn)場(chǎng)有電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電壓時(shí)）及電表功率不足都會(huì)引起變送器輸出不穩(wěn)定。電壓型一般易受干擾,不宜遠(yuǎn)傳。3.53.5 執(zhí)行模塊執(zhí)行模塊3.5.13.5.1 固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器（SOLID STATE RELAYS） ,簡(jiǎn)寫成“SSR,是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器

55、件 ，它利用電子元件(如開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開(kāi)關(guān)特性 ，可達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花地接通和斷開(kāi)電路的目的 ，因此又被稱為“無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)”,它問(wèn)世于 70 年代 ,由于它的無(wú)觸點(diǎn)工作特性 ,使其在許多領(lǐng)域的電控及計(jì)算機(jī)控制方面得到日益廣范的應(yīng)用。1 1 固態(tài)繼電器的原理及結(jié)構(gòu)固態(tài)繼電器的原理及結(jié)構(gòu)SSR 按使用場(chǎng)合可以分成交流型和直流型兩大類 ,它們分別在交流或直流電源上做負(fù)載的開(kāi)關(guān) ，不能混用。下面以交流型的 SSR 為例來(lái)說(shuō)明它的工作原理 ，圖 36 是它的工作原理框圖 ,圖 3-6 中的部件- 構(gòu)成交流 SSR 的主體 ，從整體上看 ,SSR 只有兩個(gè)輸入端（A 和 B）及兩個(gè)輸出

56、端（C 和 D） ,是一種四端器件。工作時(shí)只要在 A、B 上加上一定的控制信號(hào) ,就可以控制 C、D 兩端之間的“通”和“斷” ，實(shí)現(xiàn)“開(kāi)關(guān)”的功能 ，其中耦合電路的功能是為 A、B 端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)輸入/輸出端之間的通道 ,但又在電氣上斷開(kāi) SSR中輸入端和輸出端之間的(電）聯(lián)系 , 以防止輸出端對(duì)輸入端的影響 ,耦合電路用的元件是“光耦合器” ，它動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級(jí)高;由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管 ,這使 SSR 的輸入端很容易做到與輸入信號(hào)電平相匹配 ，在使用可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接 ,即受“1與“0”的邏輯電平控制.觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎

57、要求的觸發(fā)信號(hào) ，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路 工作 ,但由于開(kāi)關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí) ,將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng) ，為此特設(shè)“過(guò)零控制電路” 。所謂“過(guò)零”是指 ,當(dāng)加入控制信號(hào) ，交流電壓過(guò)零時(shí) ,SSR 即為通態(tài);而當(dāng)斷開(kāi)控制信號(hào)后 ,SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)（零電位)時(shí) ,SSR 才為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對(duì)電網(wǎng)的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來(lái)的尖峰、浪涌(電壓） 對(duì)開(kāi)關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾（甚至誤動(dòng)作）而設(shè)計(jì)的 ,一般是用“R C”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器） 。文檔為個(gè)人收集整理，來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)文檔為個(gè)人收集整理，來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

58、圖 3-6 SSR 工作原理框圖2 2 固態(tài)繼電器的特點(diǎn)固態(tài)繼電器的特點(diǎn)SSR 成功地實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)(Vsr)對(duì)強(qiáng)電(輸出端負(fù)載電壓)的控制.由于光耦合器的應(yīng)用, 使控制信號(hào)所需的功率極低（約十余毫瓦就可正常工作) ,而且 Vsr 所需的工作電平與 TTL、HTL、CMOS 等常用集成電路兼容 ,可以實(shí)現(xiàn)直接聯(lián)接。這使 SSR 在數(shù)控和自控設(shè)備等方面得到廣泛應(yīng)用。在相當(dāng)程度上可取代傳統(tǒng)的“線圈 簧片觸點(diǎn)式”繼電器(簡(jiǎn)稱“MER” ） 。SSR 由于是全固態(tài)電子元件組成 ,與 MER 相比 ,它沒(méi)有任何可動(dòng)的機(jī)械部件 ，工作中也沒(méi)有任何機(jī)械動(dòng)作；SSR 由電路的工作狀態(tài)變換實(shí)現(xiàn)“通”和“斷”的開(kāi)關(guān)

59、功能 ,沒(méi)有電接觸點(diǎn) ，所以它有一系列 MER 不具備的優(yōu)點(diǎn) ，即工作高可靠、長(zhǎng)壽命（有資料表明 SSR 的開(kāi)關(guān)次數(shù)可達(dá) 次 ，比一般 MER 的 10 高幾百倍） ,無(wú)動(dòng)作噪聲;耐振耐機(jī)械101098沖擊，安裝位置無(wú)限制，很容易用絕緣防水材料灌封做成全密封形式 ，而且具有良好的防潮防霉防腐性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳。這些特點(diǎn)使 SSR 可在軍事（如飛行器、火炮、艦船、車載武器系統(tǒng)) 、化工、井下采煤和各種工業(yè)民用電控設(shè)備的應(yīng)用中大顯身手 ,具有超越 MER 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。交流型 SSR 由于采用過(guò)零觸發(fā)技術(shù) ，因而可以使 SSR 安全地用在計(jì)算機(jī)輸出接口上 ,不必為在接口上采用

60、 MER 而產(chǎn)生的一系列對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾而煩惱.此外 ,SSR 還有能承受在數(shù)值上可達(dá)額定電流十倍左右的浪涌電流的特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，使用的是功率為 1500W、額定電壓為 220V 的電加熱壺，工作電流有6。8A， 因此根據(jù)實(shí)際需要我選擇用美國(guó) OPTO22 公司的型號(hào)為 240D10 的交流型固態(tài)繼電器。其實(shí)際圖形和技術(shù)參數(shù)如圖 3-7圖 37 交流型固態(tài)繼電器1,2 為輸出（負(fù)載回路）最大 10A/250V AC。 3,4 為輸入(信號(hào)）3-32V DC。3.5.23.5.2 加熱器加熱器技術(shù)參數(shù)如下：技術(shù)參數(shù)如下：1）型號(hào) WLS152）額定電壓：220V、50Hz3）額定功率：1500W第四章