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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
