安徽宿州廣播電視大學

畢業(yè)綜合實訓報告

分校名稱 宿州分校

教學點名稱 宿州廣播電視大學

年級名稱 2018春

專業(yè)名稱 機電一體化

課題名稱 基于PLC 溫室溫度控制系統(tǒng)的設計

學生姓名 呂虎豹

指導教師 王紅昇

2020 年 6 月 30 日

摘要

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關。在科學研究和生產(chǎn)實踐的諸多領域中, 溫度控制占有著極為重要的地位, 特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案 也有所不同。例如冶金、機械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等。溫度控制系統(tǒng) 的工藝過程復雜多變，具有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進的控制技術和控制理論。

可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，是繼承計算機、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜，可靠性強，編程簡單，易學易用等特點，在工業(yè)領域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個領域中被廣泛地使用。

關鍵詞 溫度控制 PLC 組態(tài)

目錄

1 引言

1.1 溫度控制系統(tǒng)的意義

溫度及濕度的測量和控制對人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預報、物資倉儲等都起著極其重要的作用。在許多場合，及時準確獲得目標的溫度、濕度信息是十分重要的，近年來，溫濕度測控領域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術的發(fā)展，溫濕度的測控芯片也相應的登上歷史的舞臺，能夠在工業(yè)、農業(yè)等各領域中廣泛使用。

1.2 溫度控制系統(tǒng)背景

自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國內外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在職能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，一日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，都產(chǎn)生了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行各業(yè)廣泛應用。

溫度控制系統(tǒng)在國內各行各業(yè)的應用雖然十分廣泛，但從國內生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體水平處于20實際80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內技術還不十分成熟。形成商品化并在儀表控制系統(tǒng)參數(shù)的自整定方面，還沒開發(fā)性能可靠的自整定軟件。參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗及我國現(xiàn)場調試來確定。

隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對溫度控制系統(tǒng)的要求越來越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國內外必然發(fā)展趨勢。

1.3 研究技術介紹

1.3.1 傳感技術

傳感技術、通信技術和計算機技術是現(xiàn)代信息技術的三大基礎技術。

中華人民共和國國家標準GB7665-1987對傳感器（transducer/sensor）的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指傳感器中能將敏感元件或響應的被測量轉換成適于傳感器或被測量的電信號部分。”

對生產(chǎn)過程的監(jiān)控首先離不開采集設備工作信息，因此選用合適的傳感器至關重要，如果把計算機看作是自動化系統(tǒng)的“大腦”，信道看作是“神經(jīng)網(wǎng)絡”的話，那么傳感器就是自動化系統(tǒng)的“五官”。無法對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行準確、可靠、實時測量，監(jiān)控也就無從談起了。

1.3.2 PLC

可編程控制器的英文名稱是Programmable Logic Controller，即可編程邏輯控制器，簡稱PLC。

現(xiàn)代制造業(yè)必須對市場需求做出快速反應，生產(chǎn)小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質量的產(chǎn)品，這便要求生產(chǎn)設備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高可靠性和靈活性。可編程控制器正是順應這一潮流而出現(xiàn)的，以微處理器為基礎的通用工業(yè)控制裝置。

在20世紀60年代的汽車制造業(yè)，傳統(tǒng)繼電接觸器控制裝置廣泛應用于生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)中。這套裝置設備體積龐大，可靠性差，同時維護不便，而且，完全由邏輯硬件構成，接線十分復雜。一旦生產(chǎn)過程某一環(huán)節(jié)發(fā)生改變，控制裝置就要重新設計改造。隨著汽車生產(chǎn)工業(yè)的迅猛發(fā)展，對于汽車型號頻繁改進，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)捉襟見肘，弊端日益放大，最終PLC 應運而生。它開創(chuàng)性地引入程序控制功能，使計算機科學技術進入工業(yè)生產(chǎn)控制領域應用。

早期PLC僅僅是替代繼電器控制裝置完成順序控制、定時等任務，但是其簡單易懂、安裝方便、體積小、能耗低、有故障顯示、能重復使用的特點，使得PLC很快就得到了推廣應用。隨著超大規(guī)模集成電路技術和微處理器性能的飛速發(fā)展，PLC的軟、硬件功能不能豐富、完善。

國際電工委員會（IEC）對PLC的正式定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應用而設計，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬或輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。”

PLC技術發(fā)展至今已十分成熟，生產(chǎn)PLC產(chǎn)品的廠家多達200多個，其中較著名有德國的西門子（Siemens）公司、美國的Rockwell自動化公司所屬的A-B（Allen & Bradly）公司、GE-Fanuc公司、法國的施耐德（Schneider）公司、日本的三菱公司和歐姆龍（OMRON）公司。

1.3.3 上位機

即便遠離生產(chǎn)現(xiàn)場，操作人員仍可以通過遠程計算機—即上位機—直接向生產(chǎn)設備發(fā)出控制指令的。上位機屏幕上可以動態(tài)實時顯示各種信號變化（液壓，水位，溫度等），便是人機界面（Human Machine Interface）。而下位機是獲取設備狀況及直接控制設備的計算機，一般是PLC或單片機。

1.3.4 組態(tài)軟件

組態(tài)軟件，處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。

在組態(tài)軟件出現(xiàn)之前，工控領域的用戶通過手工或委托第三方編寫HMI（人機接口軟件）應用，開發(fā)時間長、效率低、可靠性差；或者購買專用的工控系統(tǒng)，通常是封閉的系統(tǒng)，選擇余地小，往往不能滿足需求，很難與外界進行數(shù)據(jù)交互，升級和增加功能都受到嚴重的限制。組態(tài)軟件的出現(xiàn)使用戶可以利用組態(tài)軟件的功能，構建一套最適合自己的應用系統(tǒng)。

隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，計算機在工業(yè)領域的廣泛應用，種類繁多的控制設備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領域的應用，傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時，一旦工業(yè)被控對象有變動，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導致其開發(fā)周期長；已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個控制項目的不同而使其重復使用率很低，導致它的價格昂貴。通用工業(yè)自動化組態(tài)軟件能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的對象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。硬件設計

2.1 硬件配置

2.1.1 西門子S7-200 CUP226

S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器等。S7-200系列的基本單元如表2.1所示。

表2.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元

本論文采用的是CUP226。它具有24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O點或35 路模擬量I/O點。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能。可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。

2.1.2 傳感器

熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、答應誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。本論文采用的是K型熱電阻。

2.1.3 EM 235模擬量輸入模塊

EM 235模塊是組合強功率精密線性電流互感器、意法半導體（ST）單片集成變送器ASIC芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊，它可以直接將被測主回路交流電流轉換成按線性比例輸出的DC4～20mA（通過250Ω電阻轉換DC 1～5V或通過500Ω電阻 轉換DC2～10V）恒流環(huán)標準信號，連續(xù)輸送到接收裝置（計算機或顯示儀表）。

表2-1所示為如何用DIP開關設置EM 235模塊。開關1到6可選擇模擬量輸入范圍和分辨率。所有的輸入設置成相同的模擬量輸入范圍和格式。表2.2所示為如何選擇單/雙極性（開關6）、增益（開關4和5）和衰減（開關1、2和3）。下表2.2中，ON為接通，OFF為斷開。

表2.2 EM 235選擇模擬量輸入范圍和分辨率的開關表

根據(jù)溫度檢測和控制模塊，我設置PID開關為010001

圖2.1 DIP開關

2.1.4 溫度檢測和控制模塊

由學校提供，模擬真實鍋爐的溫度檢測和控制模塊，可自行將0～10V模擬信號轉化為占空比對鍋爐進行加熱。輸出的模擬信號也是0～10V，鍋爐外接24V直流電源。

2.2 I/O分配表

表2.3 I/O分配表

2.3 硬件接線圖

圖2.2 硬件連接圖

圖2.3 EM 235 CN連接圖 軟件設計

3.1 PID控制程序設計

模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是PID控制，PID在工業(yè)領域的應用已經(jīng)有60多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應用。人們在應用的過程中積累了許多的經(jīng)驗，PID的研究已經(jīng)到達一個比較高的程度。

比例控制(P)是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。其特點是具有快速反應，控制及時，但不能消除余差。

在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點，不能快速對誤差進行有效的控制。

在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。微分控制具有超前作用，它能猜測誤差變化的趨勢。避免較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。

PID控制，P、I、D各有自己的長處和缺點，它們一起使用的時候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質量。

3.1.1 PID控制算法

圖3.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)

如圖3.1所示，PID控制器可調節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關系:

傳感器及傳感技術應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,1998.

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