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1、课程设计任务书学 院专业学生姓名班级学号课程设计题目基于数字PID的电阻炉温度控制系统设计实践教学要求与任务:构成数字PID的电阻炉温度控制系统硬软件设计实验调试THFCS-1现场总线控制系统实验撰写实验报告工作计划与进度安排:第12天，查阅文献，构成数字PID的电阻炉温度控制系统第34天，硬软件设计第56天，实验调试第79天，THFCS-1现场总线控制系统实验第10天，撰写实验报告指导教师： 201 年 月 日专业负责人：201 年 月 日学院教学副院长：201 年 月 日I摘 要温度是工业生产对象中主要的被控参数之一，本文通过设计温度控制系统，体现PLC在模拟量信号检测与控制中应用的优越性
2、。本文中被控对象是电炉，在炉温自动控制系统中，炉温经过热电偶检测和温度变送器的转换，变为相应的电压信号，送往PLC控制器，再经过模拟量输入/输出模块（A/D）转换为数字量，并由程序将给定的温度值与测量值比较，然后根据偏差大小按比例调节规律，计算出校正量。通过模拟量输入/输出模块的输出控制作用，消除炉温的偏差，从而使炉温达到并稳定在给定的数值关键字 PLC；温度控制；比例调节AbstractTemperature is one of the main object of industrial production controlled parameters, this paper design
3、temperature control system, and reflect the superiority of the PLC analog signal detection and control applications. Controlled object in this article is the electric furnace, the furnace temperature automatic control system, the furnace temperature after thermocouple detection and temperature trans
4、mitters convert into a corresponding voltage signal sent to the PLC controller, and then after the analog input / output the module (a / D) conversion to digital, by program a given temperature value and the measured value, and then according to the deviation size proportionally regulating rule, the
5、 calculated correction amount. The output of the analog input / output modules control role in removing the furnace temperature deviation, so that the furnace temperature reached and stabilized at a given valueKeyword PLC; temperature control; ratio adjustment目录1 绪论11.1 课题背景及研究目的和意义11.2 国内外研究现状11.3
6、项目研究内容22 可编程控制器（PLC）概况32.1 可编程控制器的概述32.2 PLC的基本组成及各部分作用32.2.1 中央处理单元(CPU)32.2.2 存储器42.2.3 I/0单元42.2.4 电源部分52.2.5 扩展接口52.2.6 通信接口53 模块方案的选择与论证63.1 总体方案的选择63.2 各独立模块方案论证73.2.1 温度检测模块73.2.2 主控模块PLC73.2.3 功率输出电路及其控制原理的分析93.2.4 温度调节模块94 系统软件设计104.1 主要的工作流程104.2 数字PID的数学建模105.系统介绍135.1 现场总线控制系统（FCS）介绍135.
7、1.1 系统简介135.1.2 系统组成135.1.3系统特点155.1.4 系统软件165.1.5 装置的安全保护体165.2 组态软件WINCC介绍176 单容水箱特性测试186.2 系统工作原理分析186.3 控制系统流程图206.4实验内容与步骤216.5 结果分析236.6实验曲线所得的结果26结论27参考文献28基于数字PID的电阻炉温度控制系统设计1 绪论1.1 课题背景及研究目的和意义电阻炉的应用领域相当广泛，电阻炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电阻炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。PLC的快速发展发生在上世
8、纪80年代至90年代中期。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 电阻炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。加上目前人们的环保意识的提高，电阻炉越来越受人们的重视，在工业生产中应用越来越普及。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃
9、陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期ts、比例系数 Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为
10、关键问题。1.2 国内外研究现状自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的P
11、ID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。1.3 项目研究内容以炉为被控对象，以炉温为主被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成温度控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现温度的自动控制。可编程逻辑控制器（PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各
12、个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定等。论文通过对德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为0-10mA的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率。2 可编程控制器（PLC）概况2.1 可编程控制器的概述可编程序控制器(Programmab
13、le Controller)通常也可简称为可编程控制器,英文缩写为PC或PLC,是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便的一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工作环境的能力，更是得到了用户的好评，因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中的到了越来越广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）2.2 PLC的基本组成及各部分作用PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整
14、体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。
15、2.2.1 中央处理单元(CPU)CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务: 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据； 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误; 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来; PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作; 将用户程序的执行结果送至输出端。2.2.2 存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种: 系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM. 用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，
