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1、XX 大 學(xué)本科生畢業(yè)論文(設(shè)計)題 目 立推式加熱爐溫度自動控制 學(xué)生姓名 X X X 指導(dǎo)老師 X X 學(xué) 院 電 氣 工 程 專業(yè)班級 電氣自動化一班 完成時間 2 0 1 6 年 6 月 摘 要隨著控制技術(shù)的發(fā)展和工廠自動化程度的提高，由于PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點，PLC廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在鋁加工的熱軋生產(chǎn)過程中，立推式加熱爐是該生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，電加熱爐的性能優(yōu)劣決定了產(chǎn)品熱處理的質(zhì)量好壞。本論文根據(jù)立推式電加熱爐溫控控制要求，以加熱爐為被控對象，以加熱爐爐膛爐氣溫度為主被控參數(shù)，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數(shù)，以PLC為控制器，

2、構(gòu)成加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)；采用PID算法，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，實現(xiàn)加熱爐溫度的自動控制。該立推式加熱爐溫度控制系統(tǒng)由可編程控制器、溫度傳感器、PID、工控機等構(gòu)成。 本文分別就電加熱爐的控制系統(tǒng)工作原理，溫度傳感器的選型、PLC配置、組態(tài)軟件程序設(shè)計等幾方面進行闡述。通過技術(shù)設(shè)計改造電加熱爐的控制系統(tǒng)，具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、可靠性高,控制精度好等特點，對工業(yè)控制有現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞：電加熱爐的控制系統(tǒng) 溫度控制 PLC PID ABSTRACTWith the development of control technology and improvement of factory

3、 automation, because the PLC has strong commonality, easy to use, adaptation of wide, high reliability, strong anti-interference ability, simple programming and so on, PLC is widely applied in various fields. In the hot rolling process of aluminum processing, pusher heating furnace is the key to the

4、 production line equipment, electric furnace performance determines the quality of the products of heat treatment.In this paper according to the control requirements, set push type electric heating furnace temperature control in heating furnace for controlled object, give priority to with heating fu

5、rnace hearth furnace temperature was accused of parameters, with heating resistance wire voltage as control parameter, PLC as the controller, a heating furnace temperature cascade control system; The PID algorithm, using PLC ladder diagram programming language programming, the automatic control of f

6、urnace temperature is realized. The vertical furnace temperature control system by programmable controller, temperature sensor, PID, industrial control, etc. This paper is electric heating furnace control system working principle of temperature sensor selection, configuration of PLC and configuratio

7、n software program design and so on. Through technical modification of electric heating furnace control system design, has quick response, good stability, high reliability, good control precision, has practical significance in industrial control.Key words: The control system of electric heating furn

8、ace temperature control PLC PID目 錄中文摘要 ABSTRACT 第1章 緒論 51.1課題提出51.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.3項目研究內(nèi)容 6第2章 PLC和組態(tài)軟件基礎(chǔ) 82.1可編程控制器基礎(chǔ) 82.1.1可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用92.1.2可編程控制器的組成和工作原理92.1.3可編程控制器的分類及特點102.2組態(tài)軟件的基礎(chǔ)112.2.1組態(tài)的定義 112.2.2組態(tài)王軟件的特點 112.2.3組態(tài)王軟件仿真的基本方法12第3章 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 133.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則和步驟 133.1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 133.

9、1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟 133.1.3 PLC程序設(shè)計的一般步驟143.2 PLC的選型和硬件配置143.2.1 PLC型號的選擇 143.2.2 S7-300CPU的選擇153.2.3 SM331模擬量輸入 153.2.4 熱電式傳感器 153.2.5 可控硅加熱裝置簡介163.3 系統(tǒng)整體設(shè)計方案和電氣連接圖163.4 PLC控制器的設(shè)計 173.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 173.4.2 PID控制及參數(shù)整定 17第4章 軟件設(shè)計 194.1 STEP7編程軟件簡介 19 4.1.1 STEP7概述 19 4.1.2 STEP7的硬件接口 19 4.1.3 STEP7的

10、編程功能 19 4.1.4 STEP7的硬件組態(tài)與診斷功能 204.2 STEP7項目的創(chuàng)建 214.2.1使用向?qū)?chuàng)建項目 214.2.2直接創(chuàng)建項目 214.2.3硬件組態(tài)與參數(shù)設(shè)置 224.3用變量表調(diào)試程序 244.3.1系統(tǒng)調(diào)試的基本步驟 244.3.2變量表的基本功能 244.3.3變量表的生成 254.3.4變量表的使用 26 4.4 S7-300的編程語言 27 4.4.1 PLC編程語言的國際標準 27 4.4.2 STEP7中的編程技術(shù) 29第5章 結(jié)論 31第6章 致謝 32參考文獻 325第一章 緒論1.1 課題的提出近年來，加熱爐溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制

11、系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，冶金機械熱能等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種加熱爐退火爐、燃氣鍋爐，對工件的處理均需要對溫度進行控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和家居生活過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控。由于許多實踐現(xiàn)場對溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(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現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計算機技術(shù)而產(chǎn)生的PLC控制技術(shù)所取代。而PLC本身優(yōu)異的性能使基于 PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟高效穩(wěn)定且維護

12、方便。這種溫度控制系統(tǒng)對改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。PLC的快速發(fā)展發(fā)生在上世紀80年代至90年代中期。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)能力得到了很大的提高和發(fā)展。PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。4 PID控制是迄今為止最通用的控制方法之一。因為其可靠性高、算法簡單、魯棒性好，所以被廣泛應(yīng)用于過程控制中,尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。PID控制的效果完全取決于其四個參數(shù),即采樣周期ts、比例系數(shù) Kp、積分

13、系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd。因而,PID參數(shù)的整定與優(yōu)化一直是自動控制領(lǐng)域研究的重要課題。PID在工業(yè)過程控制中的應(yīng)用已有近百年的歷史，在此期間雖然有許多控制算法問世,但由于PID算法以它自身的特點，再加上人們在長期使用中積累了豐富經(jīng)驗，使之在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。在PID算法中，針對P、I、D三個參數(shù)的整定和優(yōu)化的問題成為關(guān)鍵問題。5通過本設(shè)計可以熟悉并掌握西門子S7-300PLC的原理與功能以及它的編程語言，以自動控制理論為指導(dǎo)思想，解決工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制的問題。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展

14、的推動下，國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展迅速，并在智能化，自適應(yīng)、參數(shù)整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要有以下特點：1）適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜的溫度控制體統(tǒng)的控制。2）能適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。3）能適用于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)的控制。4）這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機技術(shù)，運用先進的算法，適應(yīng)范圍廣泛。5）溫度控制器普遍具有參數(shù)整定功能。借助于計算機軟件技術(shù)，溫度控制器具有對控制參

15、數(shù)及特性進行自整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能。6）溫度控制系統(tǒng)既有控制精度高、抗干擾能力強、魯棒性好的特點。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方向發(fā)展。隨溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然應(yīng)用很廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體水平處于20世紀80年代中后期的水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適用于一般的溫度系統(tǒng)的控制，難以控制滯后、復(fù)雜、時變溫度系統(tǒng)控制。能適應(yīng)于較高的控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)還不十分成熟。 隨著科學(xué)技術(shù)的不

16、斷發(fā)展，人們對溫度控制系統(tǒng)的要求越來越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國內(nèi)外必然發(fā)展的趨勢。1.3 項目研究內(nèi)容以電加熱爐為被控對象，以爐膛爐氣溫度為主被控參數(shù)，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數(shù)，以PLC為控制器，構(gòu)成鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)；采用PID算法，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，實現(xiàn)電加熱爐溫度的自動控制。可編程邏輯控制器（PLC)是集計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，并已經(jīng)成為工業(yè)自動化的三大支柱（PLC、工業(yè)機器人、CAD/CAM）之一。PLC技術(shù)在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用從整體上分析和研究了控制系

17、統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設(shè)計、程序設(shè)計，控制對象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定、人機界面的設(shè)計等。論文通過對德國西門子公司的S7-300系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測到的實際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出轉(zhuǎn)化為0-10mA的電流信號輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率。對于監(jiān)控畫面，利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王” 7第二章 PLC和組態(tài)軟件基礎(chǔ)2.1可編程控制器基礎(chǔ)2.1.1可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用1969年美國數(shù)字設(shè)備公司成功研制世界第一臺可編程序控制器PDP-14，并在GM公

18、司的汽車自動裝配線上首次使用并獲得成功。1971年日本從美國引進這項技術(shù)，很快研制出第一臺可編程序控制器DSC-18。1973年西歐國家也研制出他們的第一臺可編程控制器。我國從1974年開始研制，1977年開始工業(yè)推廣應(yīng)用。進入20世紀70年代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是PLC采用通訊微處理器之后，這種控制器功能得到更進一步增強。進入20世紀80年代，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以16位和少數(shù)32位微處理器構(gòu)成的微機化PLC，使PLC的功能增強，工作速度快，體積減小，可靠性提高，成本下降，編程和故障檢測更為靈活，方便。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電

19、力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。2.1.2可編程控制器的組成和工作原理可編程控制器的組成:PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架。1CPUCPU是PLC的核心，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU速

20、度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 2.I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0

21、-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 3.編程器編程器的作用是用來供用戶進行程序的輸入、編輯、調(diào)試和監(jiān)視的。編程器一般分為簡易型和智能型兩類。簡易型只能聯(lián)機編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機器語言助記符后才能送入。而智能型編程器（又稱圖形編程器），不但可以連機編程，而且還可以脫機編程。操作方便且功能強大。4.電源PLC電源用于

22、為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。6 可編程控制器的工作原理:PLC的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。 CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。 PLC 就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。PLC工作的全過程可用圖 2-1 所示的運行框圖來表示。 圖 2-1 可編程控制器運行框圖2.1.3可編程控制器的分類及特點(一)小型PLC小型PLC 的

23、I/O 點數(shù)一般在128 點以下，其特點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個硬件融為一體，除了開關(guān)量I/O以外，還可以連接模擬量I/O 以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運算、計時、計數(shù)、算術(shù)、運算數(shù)據(jù)處理和傳送通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應(yīng)用指令。(二)中型PLC中型PLC 采用模塊化結(jié)構(gòu)，其I/O 點數(shù)一般在2561024 點之間，I/O 的處理方式除了采用一般PLC 通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式即在掃描用戶程序的過程中直接讀輸入刷新輸出，它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。(三)大型PLC一般I/O 點數(shù)在1024 點以上的稱為大型PLC

24、，大型PLC 的軟硬件功能極強，具有極強的自診斷功能、通訊聯(lián)網(wǎng)功能強，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊可以構(gòu)成三級通訊網(wǎng)實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化，大型PLC 還可以采用冗余或三CPU 構(gòu)成表決式系統(tǒng)使機器的可靠性更高2.2組態(tài)軟件的基礎(chǔ)2.2.1組態(tài)的定義組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務(wù)的過程。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的，一種組態(tài)軟件只能適合某種領(lǐng)域的應(yīng)用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計算機控制中，如DCS(集散控制系統(tǒng))組態(tài)，PLC梯形圖組態(tài)。人機界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。工業(yè)控制中形成的組態(tài)結(jié)果是用在實時監(jiān)控的。從表面上看，組態(tài)工具的運行程序就是執(zhí)行自己特定的任務(wù)。 工控組態(tài)軟件也

25、提供了編程手段，一般都是內(nèi)置編譯系統(tǒng)，提供類BASIC語言，有的支持VB，現(xiàn)在有的組態(tài)軟件甚至支持C#高級語言。在當(dāng)今工控領(lǐng)域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，組態(tài)王，力控，易控，MCGS等。本設(shè)計采用亞控的組態(tài)王軟件進行組態(tài)的設(shè)計。2.2.2組態(tài)王軟件的特點 組態(tài)王軟件具有適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：

26、畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能8。2.2.3組態(tài)王軟件仿真的基本方法(1)圖形界面的設(shè)計 圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。(2) 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù),就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性,比如水位、流量等。（3）

27、建立動畫連接 連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。（4）運行和調(diào)試第三章 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計本章主要從系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計的角度，介紹該項目的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設(shè)計以及PLC控制器的設(shè)計參數(shù)的整定。3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則和步驟 3.1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則1充分發(fā)揮PLC功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求。2在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便。3保證控制系統(tǒng)安全可靠。4應(yīng)考慮生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進，在選擇PLC的型號、IO點數(shù)和存儲器容量

28、等內(nèi)容時，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以利于系統(tǒng)的調(diào)整和擴充。3.1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟 設(shè)計PLC應(yīng)用系統(tǒng)時，首先是進行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計，即根據(jù)被控對象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，具體的確定PLC的機型和系統(tǒng)的具體配置。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計可以按以下步驟進行：1熟悉被控對象，制定控制方案 分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對 PLC控制系統(tǒng)的控制要求。2確定I

29、O設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關(guān)、選擇開關(guān)等)和輸出設(shè)備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定PLC的IO點數(shù)。3選擇PLC 選擇時主要包括PLC機型、容量、IO模塊、電源的選擇。4分配PLC的IO地址 根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場需要，確定控制按鈕，選擇開關(guān)、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設(shè)備的型號、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的PLC的型號列出輸入輸出設(shè)備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部IO接線圖和編制程序。5設(shè)計軟件及硬件進行PLC程序設(shè)計，進行控制柜（臺）等硬件的設(shè)計及現(xiàn)場施工。由于程序與硬件設(shè)計可同時進行，因此，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計周期可大大

30、縮短，而對于繼電器系統(tǒng)必須先設(shè)計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設(shè)計。6聯(lián)機調(diào)試 聯(lián)機調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進行在線統(tǒng)調(diào)。3.1.3 PLC程序設(shè)計的一般步驟1繪制系統(tǒng)的功能圖。2設(shè)計梯形圖程序。3根據(jù)梯形圖編寫指令表程序。4對程序進行模擬調(diào)試及修改，直到滿足控制要求為止。調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟可參考圖 3-1 ： 圖 3-1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟3.2 PLC的選型和硬件配置3.2.1 PLC型號的選擇本溫度控制系統(tǒng)采用德國西門子S7-300 PLC（CPU315-2DP）。S7-300 是一種中型的可編程序控制器，適用

31、于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-300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。因此S7-300系列具有極高的性能/價格比，使用領(lǐng)域廣泛。3.2.2 S7-300 CPU的選擇S7-300 系列的PLC有CPU312、CPU314、CPU315-2DP等類型。此系統(tǒng)選用的S7-300 CPU315-2DP,CPU315-2DP是一個帶有大中型程序存儲器和 PROFIBUS DP 主/從接口的 CPU。除了集中式 I/O 結(jié)構(gòu)外，它還可用于分布式自動化結(jié)構(gòu)。它在 SIMATIC S7-300 中經(jīng)常被用作標準 PROFIBUS DP 主站。13

32、K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。3.2.3 SM331 模擬量輸入模塊在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號，系統(tǒng)需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入PLC中進行處理。在這里我們選擇西門子的SM331 模擬量輸入模塊。SM331模塊中4 個通道組中 8 點輸入在每個通道組，測量類型可編程（電壓 、電流、 電阻 、溫度），可為 2

33、個通道設(shè)定限值監(jiān)視。用戶必須用DIP開關(guān)來選擇熱電偶的類型，斷線檢查，測量單位，冷端補償和開路故障方向：SW1SW3用于選擇熱電偶的類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進行斷線檢測，SW7用于選擇測量方向，SW8用于選擇是否進行冷端補償。所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型。3.2.4 熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢和電阻的方法最為普遍。其中最為常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度轉(zhuǎn)化為電勢變化，而熱電阻是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用

34、。該系統(tǒng)需要的傳感器是將溫度轉(zhuǎn)化為電流，且水溫最高是100，所以選擇Pt100鉑熱電阻傳感器。P100鉑熱電阻，簡稱為：PT100鉑電阻，其阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為138.5歐姆。它的工作原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的的阻值會隨著溫度上升它的阻值成勻速增長3。3.2.5 可控硅加熱裝置簡介對于要求保持恒溫控制而不要溫度記錄的電阻爐采用帶PID調(diào)節(jié)的數(shù)字式溫度顯示調(diào)節(jié)儀顯示和調(diào)節(jié)溫度，輸出010mA作為直流信號輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，完全可以滿足要

35、求，投入成本低，操作方便直觀并且容易維護。溫度測量與控制是熱電偶采集信號通過PID溫度調(diào)節(jié)器測量和輸出010mA或420mA控制觸發(fā)板控制可控硅導(dǎo)通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設(shè)定的溫度工作狀態(tài)?？煽毓铚囟瓤刂破饔芍骰芈泛涂刂苹芈方M成。主回路是由可控硅，過電流保護快速熔斷器、過電壓保護RC和電阻爐的加熱元件等部分組成。3.3 系統(tǒng)整體設(shè)計方案和電氣連接圖系統(tǒng)選用了PLC CPU 226為控制器，PT100型熱電阻將檢測到的實際鍋爐水溫轉(zhuǎn)化為電流信號，經(jīng)過SM331模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出轉(zhuǎn)化為010mA的電流信號輸

36、入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，從而調(diào)節(jié)電熱絲的加熱。PLC和組態(tài)王連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控。整體設(shè)計方案如圖3-3:SM331 電加熱 爐PT100 P L C計算機TP27 可控硅圖3-3 整體設(shè)計方案TT1 24V 系統(tǒng)硬件連線圖如圖 3-4:RA A+ A- RB B+ B- RC C+ C- RD D+ D- SM331/SM321 輸入M 1L+ Q0.0-Q0.7 2M 2L+ Q1.0-Q1.7 M L +DC CPU 315-2DP COM1 COM2 輸出 MO VO IOM L+ 1M I0.0 - I1.4 2M I1.5-I2.

37、7 M L+電源 負 載 載 圖 3-4 系統(tǒng)硬件連線圖3.4 PLC控制器的設(shè)計控制器的設(shè)計是整個控制系統(tǒng)設(shè)計中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對象的連接方式。最后根據(jù)所要求的性能指標確定控制器的參數(shù)值。3.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 在本控制系統(tǒng)中，TT1(出口溫度傳感器)將檢測到的爐膛爐氣溫度信號轉(zhuǎn)化為電流信號送入SM331模塊。模擬信號經(jīng)過SM331轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入PLC，PLC再通過PID模塊進行PID調(diào)節(jié)控制。由PLC的串級控制系統(tǒng)框圖如圖 3-5： 爐膛爐氣溫度主調(diào)節(jié)器可控硅主變送器如圖3-5 串級控制系統(tǒng)框圖

38、3.4.2 PID控制及參數(shù)整定 1.PID控制器的組成PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其數(shù)學(xué)表達式為： 公式（3-1）(1) 比例系數(shù)KC對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。c偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。c太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。c太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。c可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。如果c的符號選擇不當(dāng)對象狀態(tài)(pv值)就會離控制目標的狀態(tài)(sv值)越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況c的符號就一定要取反。 Error! No bookmark name given.(2) 積分控

39、制i對系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，i小（積分作用強）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 Error! No bookmark name given.(3) 微分控制d對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，d偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。d偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有d合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。2.采樣周期的分析確定采樣周期時，應(yīng)保證被控量迅速變化時，能用足夠多的采樣點，以保證不會因采樣點過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。 經(jīng)過上述的分析，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)基本確定了，在系統(tǒng)投運之前還要進行控制器的參數(shù)整定。常用的整定

40、方法可歸納為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。 理論計算整定法是在已知被控對象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標，經(jīng)過理論的計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），求得最佳的整定參數(shù)。這類方法比較復(fù)雜，工作量大，而且用于分析法或?qū)嶒灉y定法求得的對象數(shù)學(xué)模型只能近似的反映過程的動態(tài)特征，整定的結(jié)果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應(yīng)用。 對于工程整定法，工程人員無需知道對象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計算所學(xué)的理論知識，就可以在控制系統(tǒng)中直接進行整定，因而簡單、實用，在實際工程中被廣泛的應(yīng)用常用的工程整定法有經(jīng)驗整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗整定法整定控制

41、器的參數(shù)值。整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。（1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié) 若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間

42、，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。 第四章 軟件設(shè)計4.1 STEP7編程軟件簡介4.1.1 STEP7概述STEP7編程軟件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標準工具。STEP 7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。在STEP 7中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7

43、中。4.1.2 STEP7的硬件接口PC/MPI適配器用于連接安裝了STEP 7的計算機的RS-232C接口和PLC的MPI接口。計算機一側(cè)的通信速率為19.2 kbit/s或38.4 kbit/s，PLC一側(cè)的通信速率為19.2 kbit/s1.5Mbit/s。除了PC適配器，還需要一根標準的RS-232C通信電纜。使用計算機的通信卡CP 5611、CP 5511或CP 5512，可以將計算機連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)計算機與PLC的通信。也可以使用計算機的工業(yè)以太網(wǎng)通信卡CP 1512或CP 1612，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)計算機與PLC通信。在計算機上安裝好STEP7后

44、，在管理器中執(zhí)行菜單命令“Option”“Setting the PG/PC Interface”,打開“Install/Remove Interfaces”對話框。在中間的選擇框中，選擇實際使用的硬件接口。點擊【Select】按鈕，打開“Install/Remove Interfaces”對話框，可以安裝選擇框中沒有列出的硬件接口的驅(qū)動程序。點擊【Properties】按鈕，可以設(shè)置計算機與PLC通信的參數(shù)。4.1.3 STEP7的編程功能STEP7的標準版只配置了3種基本的編程語言，梯形圖（LAD）、功能塊圖（FDB）和語句表（STL），有鼠標拖放、復(fù)制和粘貼功能。語句表是一種文本編程語言

45、，使用戶能節(jié)省輸入時間和存儲區(qū)域，并且“更接近硬件”。STEP 7專業(yè)版的編程語言包括S7-SCL（結(jié)構(gòu)化控制語言）、S7-GRAPH（順序功能圖語言）、S7 HiGraph和CFC，這四種語言對于標準版是可選的。STEP 7用符號表編輯器工具管理所有的全局變量，用于定義符號名稱、數(shù)據(jù)類型和全局變量的注釋。使用這一工具生成的符號表可供所有應(yīng)用程序使用，所有工具自動識別系統(tǒng)參數(shù)的變化。測試功能和服務(wù)功能包括設(shè)置斷點、強制輸入和輸出、重新布線、顯示交叉參考表、狀態(tài)功能、直接下載和調(diào)試塊、同時監(jiān)測幾個塊的狀態(tài)等。程序中的特殊點可以通過輸入符號名或地址快速查找STEP7的幫助功能：選定想要得到的在線幫

46、助的菜單目錄，或打開對話框，按F1鍵便可得到與它們有關(guān)的在線幫助。執(zhí)行菜單命令“Help”“Contents”進入幫助窗口，借助目錄瀏覽器尋找需要的幫助主題，窗口中的檢索部分提供了按字母順序排列的主題關(guān)鍵詞，可以查找與某一關(guān)鍵詞有關(guān)的幫助。4.1.4 STEP7的硬件組態(tài)與診斷功能硬件組態(tài)工具用于對自動化工程中使用的硬件進行配置和參數(shù)設(shè)置。主要包括：（1）系統(tǒng)組態(tài)：從目錄中選擇硬件機架，并將所選模塊分配給機架中希望的插槽。（2）CPU的參數(shù)設(shè)置：可以設(shè)置CPU模塊的多種屬性，例如啟動屬性、掃描監(jiān)視時間等，輸入的數(shù)據(jù)存儲在CPU的系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊中。（3）模塊的參數(shù)設(shè)置：用戶可以在屏幕上定義所有硬件模

47、塊的的可調(diào)整參數(shù)，包括功能模塊與通信處理器，不必通過DIP開關(guān)來設(shè)置。在參數(shù)設(shè)置屏幕中，有的參數(shù)由系統(tǒng)提供若干個選項，有的參數(shù)只能在允許的范圍輸入，因此可以防止輸入錯誤的數(shù)據(jù)。通信的組態(tài)包括：（1）連接的組態(tài)和顯示。（2）設(shè)置用MPI或PROFIBUS-DP連接的設(shè)備之間的周期性數(shù)據(jù)傳送的參數(shù)，選擇通信的參與者，在表中輸入數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)目的地后，通信過程中數(shù)據(jù)的生成和傳送均是自動完成的。（3）設(shè)置用MPI、PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的事件驅(qū)動的數(shù)據(jù)傳輸，包括定義通信鏈路。從集成塊庫中選擇通信模塊（CFB），用通用的編程語言（例如梯形圖）對所選的通信模塊進行參數(shù)設(shè)置。STEP7系統(tǒng)診斷：系統(tǒng)

48、診斷為用戶提供自動化系統(tǒng)的狀態(tài)，可以通過2種方式顯示；（1）快速瀏覽CPU的數(shù)據(jù)和用戶編寫的程序在運行中的故障原因。（2）用顯示模塊的一般信息和模塊的圖形方式顯示硬件配置，例如狀態(tài)：顯示模塊故障，例如集中I/O和DP子站的通道故障；顯示診斷緩沖區(qū)的信息等。4.2 STEP7項目的創(chuàng)建在STEP 7中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便的瀏覽SIMATIC S7、C7、和WinAC的數(shù)據(jù)。因此，掌握項目創(chuàng)建的方法就非常重要。4.2.1使用向?qū)?chuàng)建項目首先雙擊桌面上的STEP7圖標，進入SIMATIC Manager窗口，進入主

49、菜單【File】，選擇【New Project Wizard】,彈出標題為“STEP 7 Wizard：New Project”(新項目向?qū)?的小窗口。點擊【NEXT】按鈕，在新項目中選擇CPU模塊的型號為CPU 315-2DP。點擊【NEXT】按鈕，選擇需要生成的邏輯塊，至少需要生成作為主程序的組織塊OB1。點擊【NEXT】按鈕，輸入項目的名稱，按【Finish】生成的項目。生成項目后，可以先組態(tài)硬件，然后生成軟件程序。也可以在沒有組態(tài)硬件的情況下，首先生成軟件。4.2.2直接創(chuàng)建項目進入主菜單【File】，選擇【New】,出現(xiàn)一個對話框，在該對話框中分別輸入“文件名”、“目錄路徑”等內(nèi)容，

50、并確定，完成一個空項目的創(chuàng)建工作。4.2.3硬件組態(tài)與參數(shù)設(shè)置4.2.3.1 硬件的組態(tài)硬件組態(tài)的任務(wù)就是在STEP 7種生成一個與實際的硬件系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng)，例如要生成網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)中各個站的導(dǎo)軌和模塊，以及設(shè)置各硬件組成部分的參數(shù)，即給參數(shù)賦值。所有模塊的參數(shù)都是用編程軟件來設(shè)置的，完全取消了過去用來設(shè)置參數(shù)的硬件DIP開關(guān)。硬件組態(tài)確定了PLC輸入/輸出變量的地址，為設(shè)計用戶程序打下了基礎(chǔ)。組態(tài)時設(shè)置的CPU的參數(shù)保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊SDB中，其他模塊的參數(shù)保存在CPU中 。在PLC啟動時CPU自動的向其他模塊傳送設(shè)置的參數(shù)，因此在更換CPU之外的模塊后不需要重新對它們賦值。PLC在啟動時，將

51、STEP 7中生成的硬件設(shè)置與實際的硬件配置進行比較，如果二者不符，將立即產(chǎn)生錯誤報告。4.2.3.2 硬件組態(tài)的步驟（1）生成站，雙擊Hardware圖標，進入硬件組態(tài)窗口；（2）生成導(dǎo)軌，在導(dǎo)軌中放置模塊；（3）雙擊模塊，在打開的對話框中設(shè)置模塊的參數(shù)，包括模塊的屬性和DP主站、從站的參數(shù)；（4）保存編譯硬件設(shè)置，并將它下載到PLC中去。如圖4.3所示為本設(shè)計的組態(tài)。4.2.3.3 參數(shù)設(shè)置（1）CPU模塊的參數(shù)設(shè)置S7-300各種模塊的參數(shù)用STEP7編程軟件來設(shè)置。在STEP7的的SIMATIC管理器中點擊“Hardware”(硬件)圖標，進入“HW Config”(硬件組態(tài))畫面后，雙擊CPU模塊所在的行，在彈出的“Properties”(屬性)窗口中點擊某一選項卡，便可也設(shè)置相應(yīng)的屬性。下面以S7 315-2DP為例，簡紹CPU主要參數(shù)的設(shè)置方法。用鼠標點擊某小正方形的檢查框，框中出現(xiàn)一個“”，表示選中了該選項，再點擊一下，“”消失，表示沒有選中該選項，該選項被禁止。“Setup”（啟動）選項卡用于設(shè)置啟動特性，S7-300只能執(zhí)行暖啟動（warm restart）?！癈