课程设计（论文）-基于PLC的温度控制系统设计

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1、1一概述1.1 PLC 简介随着微处理器，计算机的和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制技术已经渗透到所有工业领域。当前用于工业控制的计算机可分为:可编程控制器,基于 PC 总线的工业控制计算机,基与单片机的测控装置,用于模拟量闭环控制的可编程调节器,集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。可编程控制器是应用广泛,功能强大,使用方便的通用工业控制装置,已成为当代工业自动化的重要支柱.近几年来，在国内已得到迅速推广普及。正改变着工厂自动控制的面貌，对传统的技术改造、发展新型工业具有重大的实际意义。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段

2、选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。可编程序控制器，英文称 Programmable Controller，简称 PC。但由于 PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用 PLC 作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算

3、等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是 PLC 的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的 PLC 后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将 PLC 应用于生产实践。21.

4、2 PLC 原理现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到所有的控制领域。在建材，化工，食品，机械，钢铁，煤矿等工业生产中广泛应用带式运输机运送原料物品。可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。可编程程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专

5、为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程程序存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等操作的指令。并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关外部设备，都应该易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。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中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，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，直至程序结束。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

6、号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC 的扫描一个周期必经输入采样、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，进入程序执行阶段。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，其结果再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。3输 出 刷 新 阶 段 :当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的

7、输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。二硬件设计2.1 设计要求本 实 验 的 给 定 值 （ 目 标 值 ） 可 以 预 先 设 定 后 直 接 输 入 到 回 路 中 ； 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%2.2 选择 PLC 型号S7-200 PLC 系列是西门子公司的可编程控制器,这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制要求，由于

8、具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得 S7-200 PLC 可以满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU 类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的是适用性。1 台 S7-200 PLC 包括一个单独的 S7-200 CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块。S7-200 CPU 模块包括一个中央处理单元（CPU） 、电源以及数字量 I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU 负责执行程序和存储数据，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制;输入和输出是系统的控制点:输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及控也过程中的其他设备;

9、电源向 CPU 及其所连接的任何设备提供电力;通讯端口允许将 S7-200 CPU 同编程器或其他一些设备连起来;状态信号灯显示了 CPU 的工作模式（运行或停止） ，本机 I/O 的当前状态，以及检查出来的系统错误;通过扩展模块可提供其通讯性能;通过扩展模块可增加 CPU 的 I/O 点数（CPU 221 不扩展）;一些 CPU 有内置的实时时钟，或添加实时时钟卡;EEPROM 卡可以存储 CPU 程序，也可以将一个 CPU 中的程序送到另一个 CPU 中;通过可选的插入式电池盒可延长 RAM 中的数据存储时间;最大 I/O 配置。42.3 输入输出接线图图 2.3 输入输出接线图此面板中的

10、 Pt100 为热电偶,用来监测受热体的温度，并将采集到的温度信号送入变送器，再由变送器输出单极性模拟电压信号，到模拟量模块，经内部运算处理后，输出模拟量电流信号到调压模块输入端，调压模块根据输入电流的大小，改变输出电压的大小，并送至加热器。为了使温度变送器正常工作,还要对其参数进行设置。2.4 输入输出接线列表表 2.4 输入输出接线列表模块端子 05 + 05 - + -模拟量端子 V0 M0 A+ A- OUT测温2.5 实验说明(1)本 实 验 说 明本 实 验 的 给 定 值 （ 目 标 值 ） 可 以 预 先 设 定 后 直 接 输 入 到 回 路 中 ； 过 程 变 量由 在 受

11、 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%。(2)理 解 S7 系 列 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。本指令有两5个操作数：表示循环表起始地址的 TBL 地址和 0

12、 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

13、。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 2.5 起 始 地 址 表 格偏移量 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.

14、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

15、 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 ；6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

16、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 。2.6 程序简单流程图7三软件设计83.1 设计梯形图9101112133.2 设计指令表LD SM0.1CALL SBR_0:SBR0LD SM0.0MOVR 0.1985, VD104MOVR 0.15, VD112MOVR 35.0, VD116MOVR 30.0, VD120MOVR 0.0, VD124MOVB 100, SMB34ATCH INT_0:INT0, 10ENILD SM0.0ITD AIW0, AC0DTR AC0, AC0/R 32000.0, AC0MOV