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1、大连民族学院机电信息工程学院大连民族学院机电信息工程学院 自动化系自动化系 电气控制技术课程设计报告电气控制技术课程设计报告 题题 目:目:恒温控制恒温控制 专专 业:业:自动化自动化 班班 级:级:自动化自动化 104 学生姓名:学生姓名: 金政宏、邓新义、李喆金政宏、邓新义、李喆 毕琳、杜晓敏、邓凯什毕琳、杜晓敏、邓凯什 指导教师:指导教师:孙进生孙进生 设计完成日期:设计完成日期: 2013 年年 7 月月 3 日日 课程设计任务书 题目: 恒温控制 课程设计时间: 2013.6.172013.7.5 一、设计任务 采用西门子 S7-300 系列 PLC,使用 Step-7 编写并调试
2、PLC 控制程序,控制 电炉丝加热,实现手动调温、自动恒温、超温报警、显示温度等功能。 二、设计内容及要求 1. 掌握温度变送器的工作原理; 2. 掌握固态继电器的工作原理; 3. 恒温控制装置的总体方案设计; 4. PLC 控制系统的硬件设计; 5. PLC 控制系统的软件设计和调试; 6. 撰写课程设计报告。 三、设计重点 PLC 控制系统的软件设计与现场调试。 四、课程设计进度要求 2013.6.172012.6.18 学习温度变送器和固态继电器的工作原理; 2013.6.192013.6.21 总体方案及 PLC 硬件设计; 2013.6.222013.6.26 PLC 控制系统的软件
3、设计和仿真调试; 2013.6.272013.7.1 PLC 控制系统的现场调试; 2013.7.22013.7.3 撰写设计报告; 2013.7.4 验收答辩。 五、参阅书目 1 SIEMENS SIMATIC 温度控制手册,2003 年 12 月版 2 SIEMENS SIMATIC 使用 STEP7 编程手册,2007 年 8 月版 目目 录录 1 任务分析和性能指标任务分析和性能指标.1 1.1 任务分析 1 1.2 性能指标 1 2 总体方案设计总体方案设计.2 2.1 硬件方案.2 2.2 软件方案.3 3 硬件设计与实现硬件设计与实现.4 3.1 检测电路 4 3.2 控制电路
4、4 4 软件设计与实现软件设计与实现.6 4.1 主程序6 4.2 中断程序 7 5 调试及性能分析调试及性能分析8 5.1 调试分析8 5.1.1 软件调试.8 5.1.2 硬件调试.8 5.1.3 系统功能调试.8 总总 结结9 参考文献 10 附录 1 调试系统照片11 1 任务分析和性能指标任务分析和性能指标 1.1 任务分析 随着现代工业的逐步发展,在工业生产中,温度、压力、流量和液位是四 种最常见的过程变量。其中,温度是一个非常重要的过程变量。例如:在冶金 工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域,都需要对各种 加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。 这方面的
5、应用大多是基于单片机进行 PID 控制,然而单片机控制的 DDC 系 统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而 PLC 在 这方面却是公认的最佳选择。 随着电子技术的发展,可编程序控制器(PLC)已经由原来简单的逻辑量 控制,逐步具有了计算机控制系统的功能。在现代工业控制中,PLC 占有了很 重要的地位,它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。在许多行业 的工业控制系统中,温度控制都是要解决的问题之一。 1.2 性能指标 本 PLC 温度控制系统的具体指标要求是:对加热器加热温度调整范围为 40200,温度控制精度小于 2,系统的超调量须小于 15%。考虑到本系
6、统控制对象为电炉,是一个大延迟环节,且温度调节范围较宽,所以本系统对 过渡过程时间不予要求。 对给定值(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 至固态继电器的 PWM,其允许变化范围为最大值的 0% 至 100% 1 2 总体方案设计总体方案设计 根据系统具体指标要求,可以对每一个具体部分进行分析设计。整个控制 系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。 系统硬件框图结构如图所示: PWM 生成 SSR 炉丝 子 Pt100 给定温度 S7-300 PLC CPU运算处理 温 度 变送器 图 2.1
7、系统硬件框图 被控对象为炉内温度,温度传感器检测炉内的温度信号,经温度变送器将温度 值转换成 420mA 的电流信号送入 PLC AI 模块。PLC 把这个测量信号经过标 度变换与设定值比较得到偏差,经 PID 运算后,发出 PWM 控制信号,经 PWM 来控制固态继电器,来调节炉丝两端的电压,从而实现炉丝温度的连续 控制。 2.1 硬件方案硬件方案 经过资料查找,并观看了课程设计设备,确定了以下硬件方案,由西门子 s7-300 PLC 做控制器,通过 PWM 控制固态继电器来调节炉丝电压,检测变送 环节由 Pt100 检测,并由变送器变送给 PLC。电流信号在 PLC 内经标度变换后 给 P
8、ID 模块进行调节。 - 2.2 软件方案软件方案 经过考虑,选择了顺序控制作为软件设计的模板,并在 OB35 模块中对采样 和偏差计算部分进行调用。并对 PID 参数进行初步调节。 从 AI 端口读取变 送器变送的温度信 号并进行标度变换 将标度变换后的测量值与给定值 进行比较,PID 模块通过偏差值 计算控制量,并输出 PWM 信号。 读取按键 返回 开始 程序初始化 3 3 硬件设计硬件设计与实现与实现 3.1 检测电路 这里的检测电路主要由 Pt100 测量电路和变送器的变送电路组成。 除了 用于测量温度的热电偶,实际生产中经常使用热电阻。 这些设备的直 流电阻变化(几乎)作为线性温度
9、的函数。 或许其中最常见的是 PT100,铂为 基础的传感器,其电阻在 0,正是 100 欧姆。 由于传感器的温度升高其电阻 也是如此,在一个合理的线性方式。 显示了一个 PT100 传感器的电阻随温度 的变化。 而温度系数略有不同在一个很宽的温度范围内,(通常为 0.0036 至 0.0042 欧姆/ C),它可以被认为是合理恒定在 50 或 100 C 范围内。 普遍 接受的平均温度系数为 0.00385 欧姆每 C。 据此,PT100 往往可以在不超过 这个范围线性化使用提供相应的系数进行评估。 这个装置也能承受的温度范围 很广,从-200 到 800 C 的能力,以及一些应用中的温度系
10、数的变化可以容忍 的。 此外,PT100 提供了稳定和可重复的温度特性。 仪器仪表应用经常使用可编程逻辑控制器(PLC)来存储和处理数据,因此 在检测设备模拟输出信号必须为 AD 转换器缩放的 PLC 输入卡适当关注。 这 通常是由传感器来完成驱动电路。 有几个标准电压由制造商使用的范围 ,这 些包括 0 至 1,0 至 5 和 0 至 10 伏 3.2 控制电路 控制电路则由 PLC 的 DO 端口输出的 PWM 对固态继电器进行连续控制。 固态继电器(Solid State Relays,缩写 SSR)是一种无触点电子开关,由分立元 器件、膜固定电阻网络和芯片,采用混合工艺组装来实现控制回
11、路(输入电路) 与负载回路(输出电路)的电隔离及信号耦合,由固态器件实现负载的通断切换 功能,内部无任何可动部件。尽管市场上的固态继电器型号规格繁多,但它们 的工作原理基本上是相似的。主要由输入(控制)电路,驱动电路和输出(负载)电 路三部分组成。 固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路,使之成为固态继电 器的触发信号源。固态继电器的输入电路多为直流输入,个别的为交流输入。 直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。阻性输入电路的输入控制电流随输 入电压呈线性的正向变化。恒流输入电路,在输入电压达到一定值时,电流不 再随电压的升高而明显增大,这种继电器可适用于相当宽的输入电压范围。 5
12、4 软件设计软件设计与实现与实现 4.1 主程序 4.2 中断程序 7 5 调试及性能分析调试及性能分析 5.1 调试分析调试分析 5.1.1 软件调试软件调试 在最开始,软件没有使用 OB35 中断模块,并且没用使用背景数据块与 共享数据块,在一些参数的调用上会出现错误,并且 PID 模块 FB58 也无法正 常工作,后来查找了一些资料,并询问了后知道了并不能这么调用。 需要另外建立一个共享数据块对设定值进行存储,这样 OB1 与 OB35 都 可以调用这个变量且不会产生错误。 至于背景数据块则是在运行过程中对 PID 的参数进行存储,不至于产生 别的影响,使程序正常运行。 5.1.2 硬件
13、调试硬件调试 在最开始的时候,硬件问题主要集中在程序无法下载中,后来使用下载线 进行程序下载。 在使用了下载线后,程序能够下载了,但是 FC105 模块的使能信号一经触 发便会产生错误,经过老师的检查发现是 AI 接口的错误,AI 接口无法采集数 据,在多次调试无效后换了一台实验台,这个现象就消失了。 5.1.3 系统功能调试系统功能调试 进过调试后,系统平稳运行,虽然还有 2以内的误差,但是基本符合了 系统的设计要求,PID 参数也进行了人工整定,控制状态良好 总总 结结 本设计研究了电炉的温度控制,系统采用西门子的 S7-300PLC 为控制器, 运用了 PID 算法对炉丝温度进行控制,最
14、后可在监控的电压表上观测到温度变 送器的实时变化。 该系统采用 S7-300PLC 对电炉丝温度进行控制,虽说之前有学过该类 PLC,但 S7-300PLC 的软硬件学习还不是很熟悉,虽说通过实际操作很容易掌握。 但是对于操作该类 PLC 配套的人来说还是有些地方有混淆,但是可以通过人机 界面方便的监控 PLC 的运行状态。 本设计的系统虽说成功的实现了电炉丝的恒温控制,但在系统的设计中也 存在一些问题,如:PID 参数的整定,利用 PLC 内部功能模块对 PID 参数进行 整定的时,并不是每次都会得到理想的参数,并且参数的自整定需要花很成长 的时间;系统的硬件部分过于复杂,该系统在 PLC 的输入和输出端都需要加变 送器,使得整个系统硬件过于繁杂。这些问题都是需要进一步研究改进的。 9 参考文献参考文献 1 SIEMENS SIMATIC 温度控制手册,2003 年 12 月版 2 SIEMENS SIMATIC 使用 STEP7 编程手册,2007 年 8 月版 附录附录 1 调试系统照片调试系统照片