PLC课程设计（论文）PID温度控制系统设计.doc

摘要温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。这方面的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。加热炉温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。随着PLC功能的扩充在许多PLC 控制器中都扩充了PID 控制功能, 因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的。可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机，自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点。在工业路领域中深受工程操作人员的喜爱。国际电工委员会对PLC的正式定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算数操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟或输入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。因此PLC已经在工业控制的各个领域中被广泛地应用。关键词：可编程控制器，PID，温度控制系统目 录第一章 概述31.1应用背景31.2 可编程控制器简介3第二章 硬件设计62.1、控制要求62.1.1 本实验说明62.1.2 循环表工作过程62.2、选择PLC型号62.3、系统设计流程示意图62.4、I/O分配表72.5、I/O接线图8第三章 软件设计93.1、设计梯形图93.2、设计指令表13第四章 调试16结束语17参考文献18第一章 概述1.1应用背景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。1.2 可编程控制器简介 1)、P可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC) 根据国际电工委员会(IEC)在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用。PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC将PLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便的实现。目前大多品牌的PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。由于PLC本身具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。2)、PLC的基本结构PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块、和编程模块组成。 图1.1 plc基本组成图PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： a、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 b. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块。 f、通信模块3)、PLC的工作原理: 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 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。第二章 硬件设计2.1、控制要求 2.1.1 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%。2.1.2 循环表工作过程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。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。）2.2、选择PLC型号在这里我们采用德国西门子公司的S7-200可编程控制器，它是积木式结构，安装比较方便，中央处理单元和信号模板有多种类型，另外还具有如位控单元、PD调节等特殊功能模块。根据本系统输入点数及控制要求，中央处理单元可选用CPU224，该CPU板上本身具有14个数字量输入点，10个非隔离数字量输出点。2.3、系统设计流程示意图本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统进行初始化，实现参数输入，并控制电加热炉的正常运行。主程序流程图如图2.3所示。开始系统的初始化温度数据采集及处理温度值显示计算温差e（k）和温差变化率智能控制算法程序控制输出求出输出控制量结束NY图2-3系统主程序2.4、I/O分配表模块端子05 +05 -+-OUT测温模拟量端子V0M0A+A-图2-3 输入输出表存储地址数值说明VD10450度目标值VD1160.1s采样时间VD1120.15回路增益VD12030min积分时间VD1240.0关闭微分作用SMB34100设定定时中断0的时间间隔INT-010设置定时中断图2-4 输入输出分配2.5、I/O接线图图2-5 输入输出接线第三章 软件设计3.1、设计梯形图 MAINSBR_0INT_03.2、设计指令表LD SM0.1CALL SBR_0:SBR0LD SM0.0MOVR 0.1815, VD104MOVR 0.15, VD112MOVR 0.1, VD116MOVR 30.0, VD120MOVR 0.0, VD124MOVB 100, SMB34ATCH INT_0:INT0, 10ENILD SM0.0ITD AIW0, AC0DTR AC0, AC0DIVR 32000.0, AC0MOVR AC0, VD100LD SM0.0PID VB100, 0LD SM0.0LPSMOVR VD108, AC0MULR 16000.0, AC0ROUND AC0, AC0DTI AC0, AC0MOVW AC0, MW0MOVR VD100, AC1-R VD104, AC1AR> AC1, 0.0015MOVW +0, AQW0AENO= M0.0LRDAR< AC1, -0.005MOVW +16000, AQW0AENO= M0.1LPPAR>= AC1, -0.005AR<= AC1, 0.0015MOVW MW0, AQW0AENO第四章 调试本程序分为三部分：主程序，子程序，中断程序。子程序主要是将各个PID运算所需的参数变量输入寄存器中。中断程序主要是将模拟量输入到寄存器中，并将运算完毕的整数值写到模拟输出寄存器中。输入的数据时，装入设定值0.1815，回路増溢0.15，采样时间0.1秒，积分时间30分钟，关闭微分作用。设定定时中断0的时间间隔是100 ms设定定时中断，以定时执行PID指令。检查程序有无错误，检查无误后接通电源 ，将程序下载到运行模拟平台上并运行该程序，并检查运行情况看看是否运行正常。运行正常停止运行，关闭计算机关闭电源，结束。 结束语通过本次课程设计，使我加深了对PLC梯形图、指令表、外部接线图的理解，还有经过在网上查找资料以及到图书馆学习，也使我更好的理解和认识了关于PLC设计原理和实际中的应用过程。在课程设计过程中我们互相讨论，请教老师，在不断的调试各自的程序中，发现了很多各自的问题并进行研究解决。我们试着用不同的设计方法来实现我们的课题，这样不仅可以拓宽我们的思路，还可以使我们的设计成果更加严谨。本次课程设计可以为我以后工作打下一定的基础，感谢本次课程设计，感谢我的指导老师！通过各方面的努力，最终设计出了自己较为满意的系统。虽然这一周过得很辛苦，但是自己付出的努力得到了回报，那种成就感是任何事物都无法代替的。还有在设计过程中，我们积累的经验，对我们以后的学习和工作会有莫大的帮助。 参考文献1 康华光编著.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，20002 于海生编著.计算机控制技术.机械工业出版社，20033 李晓莹编著.传感器与测设技术.高等教育出版社，2002 4 付家才编著.单片机实验与实践.高等教育出版社，2004 5 谭浩强编著.MCS-51单片机应用教程.清华大学出版社，20016 廖常初编著.大中型PLC应用教程.机械工业出版社，20057 秦益霖编著.西门子S7-300PLC应用技术.电子工业出版社，2007