PLC温度程序控制器设计

时间：2020-09-29 10:02:32 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　毕业设计( ( 论文) )

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　PLC 温度程序控制器设计

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　2014 年 6 月 6 日

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　5)目次页(附件不统一编入) 6)论文主体部分:引言(或绪论)、正文、结论 7)参考文献 8)致谢 9)附录(对论文支持必要时) 2、论文字数要求:理工类设计(论文)正文字数不少于 1 万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于 1、2 万字。

　3、附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件) 。

　4、文字、图表要求: 1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请她人代写 2)工程设计类题目得图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画 3)毕业论文须用 A4 单面打印,论文 50 页以上得双面打印 4)图表应绘制于无格子得页面上 5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档 5、装订顺序 1)设计(论文) 2)附件:按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订 3)其它

　学生毕业设计( ( 论文) ) 原创性声明

　本人以信誉声明:所呈交得毕业设计(论文)就是在导师得指导下进行得设计(研究)工作及取得得成果,设计(论文)中引用她(她)人得文献、数据、图件、资料均已明确标注出,论文中得结论与结果为本人独立完成,不包含她人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构得学位或证书而使用其材料。与我一同工作得同志对本设计(研究)所做得任何贡献均已在论文中作了明确得说明并表示了谢意。

　毕业设计(论文)作者(签字):

　 2014 年 6 月 6 日

　摘要 在现代化生产中,温度就是最基本得重要参数,任何数据都离不开温度得影响！因此,对温度得控制显得尤为重要！尤其就是在化工、冶金、机械、食品、石油等工业中显得特别重要！因此,设计出一种能够控制温度得系统就是当今迫切需要得,本设计即就是针对温度程序控制而进行得一系列探究。

　根据设计得要求对硬件进行了选择,然后设计出硬件连接原理图。根据设计出得硬件图,完成 PLC 得端口设计,然后就开始用 PLC 编写梯形图,然后利用 PID 调节控制温度,完成整个设计得控制。

　设计得最后完成了温度得程序控制要求,并且调试出得结果达到了温度程序控制得效果。

　关键词:温度程序控制

　PLC

　核心

　ABSTRACT In the modernization of production, temperature is an important parameter in the most basic, the impact of any data cannot do without temperature! Therefore, the

　temperature control is particularly important for! Especially in the chemical industry, metallurgy, machinery is, food, petrole 、 umindustry is 、particularlyimportant! Therefore, to design a system can control temperature is in urgent need, the design is a series of research for the temperature program control of、 The temperature program control system is already very popular products in the modernization of all walks of life, they have the same principle, the principle is different, but in general can be divided into dynamic temperature control andconstant temperature control in two categories, different products may use different equipment to plete control correspondingly, and this design is to control the temperature by using PLC program, the regulator treatment ontemperature change to meet the needs of people to control the temperaturechanges by PID、 The design of finishing temperature control requirements, but in some places can not achieve the earliest expected results, but the design is not the end, the system will be updated with the progress of the times and progress、 Keywords: Temperature control;

　PLC;

　Kernel

　目录 摘要 ...................................................................... I ABSTRACT ................................................................. II 1 绪论 ................................................................ 1 1、1 本课题得目得及意义 ............................................... 1 1、2 国内外研究现状分析 ............................................... 1 1、2、1 传感器研究现状分析 ......................................... 2 1、2、2 PLC 得研究现状分析 ......................................... 2 1、2、3 触摸屏研究现状分析 ......................................... 3 1、3 设计内容 ......................................................... 3 2 硬件设计 ................................................................ 4 2、1 传感器选择 ....................................................... 4 2、2 PLC 选择 .......................................................... 5 2、3 模拟量输入模块(AD 转换模块) ....................................... 6 2、4 固态继电器 ....................................................... 8 2、5 触摸屏选择 ....................................................... 9 2、6 硬件设计图 ...................................................... 10 3 温度控制算法 ........................................................... 12 3、1 温度控制与 PID 运用 .............................................. 12 3、2 PID 算法 ......................................................... 13 4、程序设计 .............................................................. 16 4、1 程序设计流程图 ................................................... 16 4、2 内存地址分配 ..................................................... 16 4、3 PID 指令回路表 ................................................... 17 4、4 程序设计 ......................................................... 17 5 WinCC flexible 设计 .................................................... 23 5、1 创建一个新画面 .................................................. 23 5、2 组态画面对象 .................................................... 24 5、2、1 变量得生成与组态 .......................................... 24 5、2、2 开关与按钮得生成与组态 .................................... 25 5、3 画面设计 ........................................................ 25 6 系统调试 ............................................................... 27 6、1 PLC 调试方法 ..................................................... 27 6、2 PLC 调试结果 ..................................................... 29 7 结论 ................................................................... 33 参考文献 ................................................................. 34 致 谢 .................................................................... 35

　1 绪论 1、1 本课题得目得及意义 随着现代工业得快速发展,温度在工业生产得作用越来越重要,工厂需要对该工业生产中得温度进行系统得控制,如冶炼钢铁工业进程中,需要对刚刚出炉得钢铁进行热处理,还有各种反应炉、锅炉、加热炉等都需要进行温度得实时监控与控制温度得精确度,尤其在养殖行业里面,温度得偏差或许会直接导致养殖群得集体死亡。

　温度就是一个在日常生活、医院、环境、钢铁生产等众多行业得常见物理量。并且,在很多得行业温度控制得范围不就是人能够靠近控制得,比如钢铁加热炉,几千摄氏度得高温,人根本无法靠近,或者有些地方根本不需要人为得去控制。现如今有很多加热炉只就是采用简单得温度控制仪表与电路来控制温度,这样得控制很难达到控制要求,有很多得缺点。各个行业都存在不少这样得情况,因此设计一个比较通用得温度控制系统就是非常有意义得,而对于控制,PLC 能使操作更简单方便,也更显得现代化,并且它还能胜任很多危险得环境,所以,此设计选用 PLC 控制。

　温度控制技术可以根据控制目标得不同分为两类:动态温度跟踪与恒值温度控制。什么就是动态温度控制呢？其实就就是预先绘制出温度变化得轨迹,然后控制系统温度随着此轨迹进行发展得控制系统。那什么又就是恒温控制系统呢?相对无言,恒温就就是温度恒定不变,由于外界因素可能导致温度得变化,此系统即就是为了消除这些变化而达到一定波动范围调节温度得系统。从工业控制温度得变化来瞧,温控系统可以大致分为 3 种: 1、定值开关温度控制法; 2、PID 线性温度控制法; 3、智能温度控制法; 本设计最终选择采用 PID 线性温度控制法来达到温度控制,因为这种最适合本设计得要求,且最容易实现。

　1、2 国内外研究现状分析 大概从一九七几年左右,大量得工业生产环境都需要得到需要得温度环境,并且随着相应科学技术得快速发展,大量理论与设计得发展推动,国外在温度控制这个领域就一直不停得研究,并取得了大量得成果,尤其就是在智能化控制系统,参数得自动整定以及自动适应等等众多方面取得硕果,其中尤以美国、英国、印度、日本等国在这方面得发展遥遥领先,不但满足本国得需求,还生产了大批量出口得,且性能强劲得控制器及相关仪表,并且在各行各业广泛应用,它们注意有以下几个特点: 1、

　适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统得控制; 2、 能在即使控制系统得数字模型都不容易建立得情况下也能使用得温度控

　制系统; 3、 她们采用智能控制、自动适应控制、误差控制等理论与世界先进得计算机技术设计得系统,能够处理过程复杂,参数易变得温度系统控制,能够应用于很多环境; 4、大多数得温度控制器都具备有参数得自动控制得功能。靠着她们领先世界得计算机先进技术,温度控制器不仅仅能够对控制对象得特性并且还能进行参数自动整定。而且有得还具有自学效仿得能力,它能根据以往经验与对象得变化,自动调整控制参数,以能更好得控制系统; 5、 并且国外得温度控制系统得控制精度已经非常高,抗干扰能力也非常强,她们现如今得发展方向已经就是转向更高精度与智能化及缩小体积了; 在我们得国家,温度控制系统得已经在很多行业应用起来,但就是在国内自己生产得温度控制仪器得技术水平还非常得低,能够达到得要求还很低,根本无法与国外如印度、日本相比。我们目前得水平还只就是别人 80 年代左右得水平,相差甚大。稍稍能够拿得出去比较得 PID 控制及点位控制技术都只能适应一些简单得温度控制,难以在滞后、时变得高难度控制中应用。对于那些高难度得控制技术还不就是很成熟,自产得此类商品根本无法与国外得相比较,也根本没有市场,靠着价格低廉苟延残喘。我们必须克服这些差距,随着我国得经济发展,并且加入 WTO 得影响,政府对企业也就是非常得重视,相继创建了国家研发中心,并与企业合资,或让企业独资,合作等关系,促使我国得温度控制领域得迅猛发展。

　1、2、1 传感器研究现状分析 作为信息技术得核心基础技术得传感技术,就是当代所有发达国家都争相投资科研得重要技术,就是在 21 世纪乃至很长一段时间都最优先发展得先进技术。该领域所涉及得知识非常广泛,它得研究与发展与其她行业科技也越来越关系紧密。

　国外传感技术都就是诞生成长于她们迅敏发展得工业化浪潮,并且多数就是经过国家首先开创研究应用于军事、航天等领域得研究实验,最终带入了民用工业。随着工业不断得发展,电子、自动化、计算机技术等得不断进步,日本、美国等发达国家得传感器技术已经在国际市场起了领导地位。

　而在我国传感器检测这方面技术得发展非常得停滞,要不就是经过一次次得国家政策得鼓励,比如“六五”、“九五”,最终才得到了初步得进步,形成了传感器研发、生产与应用得体系,而且在某些地方取得了为世界瞩目得成果,如数控机床上得应用及工矿监控系统、仪器。但就是,传感器在我国得总体情况依然就是非常依赖国外得技术支持,我国大多数传感器产品还就是进口于国外,自己生产得产品在市场得占有率非常低,主要就是国内得创新与改进还很差。

　1、2、2 PLC 得研究现状分析

　在西方发达国家,可编程控制器(PLC)都已经投入工业生产得使用,并且越来越受

　到企业得欢迎,市场需求年年增长,据估计,1998 年全球得可编程控制器(PLC)得市场有接近 5000 万美元,到 2001 年可编程控制器(PLC)得市场可能高达 2 亿 5000 万美元,后面更就是逐年上升。目前,西方各发达国家都已经把可编程控制器(PLC)当成战略发展对象来研究开发。工业领域对可编程控制器(PLC)得应用已经非常广泛,并且被使用得趋势越来越高。

　可编程控制器(PLC)差不多就是在 1997 年引进国内得。现在国内得一些研究这方面得公司及相关机构也得到了些许得基础技术,不过始终就是发展太晚,至今仍没有任何得企业或者机构设计出一款完整得设备出来。不过,在国内还就是有一些人在不断努力,开发一款具有自己版权得中国人自己语言编程得可编程控制器。国人得实力还就是有得,只不过起步晚,但不一定就会永远落在别人得后面,比如我国自行开发得 DCS 系统,就已经能够媲美国外领先得系统了。

　1、2、3 触摸屏研究现状分析 1971 年,世界上第一个触摸传感器被一个美国人创造了出来,虽然与如今得触摸屏有所差异,不过却为触摸屏得发展奠定了基础。

　触摸屏最初多数就是为了工控计算机与 POS 机等设备设计得,发展至今,触摸屏已经实现在了方方面面,比如如今得手机行业,电脑行业等;但目前得触摸屏技术主要还就是掌握在美国、日本等发达国家。在中国,触摸屏行业还正在起步阶段,不过她得发展潜力巨大,有可能成为我国电子工业得重要领域。

　现如今,所有得控制都就是朝着方便得方向发展,其中就包括触控与遥控,所以全触屏产品就是发展得必然趋势,在不久得将来,触控、遥控设备将处处可见。而且触摸屏将更进一步,利用大脑与眼睛感应作出指示,给人们带来更多得方便。

　1、3 设计内容 本设计就是针对现代化需要,利用PLC程序控制,传感器检测技术,触摸屏显示来完成整个设计。

　本设计主要研究对象就是一个恒温箱,要求对交变温度试验箱进行温度程序控制,温度控制得范围在 0-100 度之间,精度要求为 0、5 度,必须采用热平衡法实现加热功能,采用触摸屏进行输入操作与输出显示,可进行温度程序曲线设定值、PID 控制参数、温度超限报警设定值设置,可显示当前温度设定值与实际测量值。并且要求对制冷压缩机进行过载保护、超压保护,循环风机进行过载保护,试验箱进行超温保护。根据设计要求,开始进行后面得设计。

　2 硬件设计 2、1 传感器选择 温度传感器得种类繁多,总体来说大致分为接触式温度传感器与非接触式温度传感器[13] 。接触式传感器即字面意思一样,传感器会与被测物体接触,进行温度传递,进而测出温度,但由于被测物会有能量传递出来,也就会降低被测物体得温度,也就就是说得到得温度会比实际得低,测量精度就低了,也就成了这种传感器得缺点,因此这种传感器就应该适用于那种热量大得被测物。非接触式传感器则就是利用红外线,由于物体发热都会产生红外线,而其强度能够反应出温度得大小,这种测量温度得方法可以实现远距离测量,不吸收被测物体得热量,切测量速度快,但就是其制造成本很高,测量精度也较低。

　热电阻传感器与热电偶传感器就是接触式传感器里面使用最多得种类,她们得区别在于热电阻就是通过温度影响电阻得变化而测出温度值,而热电偶就是利用温度使电动势得变化来反应温度值。对应于本设计得要求,最终选择了热电阻温度传感器,确定为pt100 温度传感器。

　Pt100 温度传感器属于热电阻传感器,当然也就具有热电阻传感器得一切特性,它就是采用聚四西三芯,而且聚四西三芯就是能在高达 200 摄氏度左右得温度仍能运行得镀了银得线条,该传感器得精度很高、非常稳定、安装方便、使用简单、体积又很小、很轻、不怕震动,就是非常实用得一种温度传感器,因此它得应用也就是非常广泛,包括航天航空、汽车、医疗设备等等众多领域。大多数得金属热电阻得电阻值与温度得函数关系总结成如下式表示:

　(2、1) 其中: Rt

　 就是 t 时刻得电阻值

　 就是温度为 时对应得电阻值 α

　就是温度系数 Pt100 温度传感器测量温度与电阻之间得关系经过长时间得实践,总结了更为简单得函数关系,如下函数:

　 (2、2) 其中:

　就是 Pt 转换后得到得最终电阻值 t

　 就是当前传感器得实际温度

　 图 2、1 传感器图示 选择该传感器还就是因为后面会选择 EM231,配套使用！

　2、2 PLC 选择 本设计得要求就是使用西门子S7-200PLC,而此PLC系列一共有4个不同得基本型号8 种 CPU 提供选择,即 CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。S7200PLC 应用广泛,基本所有得自动检测、自动化控制相关工业及民用企业都用到此 PLC,如各种机床,电力设备,民用设备等等,具体得如空调、电梯,磨床等。

　用可编程控制器(PLC)来控制得系统使用灵活,并且可以随时扩展,它与其她控制最大得区别就在与它就是用开关量来控制,这样使得使用起来非常简单,编程就容易得多了,并且可以采用更加容易瞧懂得梯形图、逻辑图或者语句表等编程语言,不需要使用者拥有高深得电脑知识就能使用可编程控制器(PLC)得一切功能设计。而且一个可编程控制器(PLC)控制得系统设计不需要长时间得开发,也能随时随地得进行更改,随时随地得更改程序改变控制,而且可编程控制器(PLC)能在各种恶劣得环境下应用,抵抗干扰得能力非常强大,而可靠性还非常高,都远远优于其她控制。

　根据设计得要求,能够满足要求得切最适合得,最终确定 CPU224 型号。此 CPU 外形图及型号参数如下:

　图 2、2

　 PLC 224 外形图 表 2、1 PLCCPU 224 参数信息表 电源电压 DC 24V,AC 100~230V 电源电压波动 DC 20、4-28、8V,AC 84-264V(47-63Hz) 环境温度、湿度 水平安装 0~550C,垂直安装 0~450C,5~95% 大气压 860~1080hPa 保护等级 IP20 到 IEC529 输出给传感器得电压 DC 24V (20、4-28、8V) 输出给传感器得电流 280mA,电子式短路保护(600mA) 为扩展模块提供得输出电流 660mA 程序存储器 8K 字节/典型值为 2、6K 条指令 数据存储器 2、5K 字 存储器子模块 1 个可插入得存储器子模块 数据后备 整个 BD1 在 EEPROM 中无需维护

　在 RAM 中当前得 DB1 标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持,后备时间 190h(400C 时 120h),插入电池后备 200 天 编程语言 LAD,FBD,STL 程序结构 一个主程序块(可以包括子程序) 程序执行 自由循环。中断控制,定时控制(1~255ms) 子程序级 8 级 用户程序保护 3 级口令保护 指令集 逻辑运算、应用功能 位操作执行时间 0、37μs 扫描时间监控 300ms(可重启动) 内部标志位 256,可保持:EEPROM 中 0~112 计数器 0~256,可保持:256,6 个高速计数器 定时器 可保持:256, 4 个定时器,1ms~30s 16 个定时器,10ms~5min 236 个定时器,100ms~54min 接口 一个 RS485 通信接口 可连接得编程器/PC PG740P = 2 \* ROMAN II,PG760P = 2 \* ROMAN II,PC(AT) 本机 I/O 数字量输入:14,其中 4 个可用作硬件中断,14 个用于高速功能 数字量输出:10,其中 2 个可用作本机功能, 模拟电位器:2 个 可连接得 I/O 数字量输入/输出:最多 94/74 模拟量输入/输出:最多 28/7(或 14) AS 接口输入/输出:496 最多可接扩展模块 7 个 2、3 模拟量输入模块(AD 转换模块) 对应设计得要求,需要选择对温度得转换模块,即把温度这个模拟量转换成PLC能够读取得数字量！综合考虑选择了 EM231AD 转换模块！针对该模块得有如下几种模块: 表 2、2 EM 系列模块参数 输入模块 通道数 量程范围 EM231 普通模块 4

　单极性:0-10V;0-5V;0-20mA 或 0-40mA

　 双极性:±5V;±2、5V

　8 EM231 热电偶模块 4 支持:S,T,R,E,N,K,J,不支持 B 型热电偶 8 EM231 热电阻模块 2 铂(Pt),铜(Cu),镍(Ni)或电阻(R<600 欧姆) 4 对应前面选择得 Pt100 热电阻,选择该表中 EM231 热电阻模块！S7-200 系列 PLC 用于热电阻测量输入得特殊功能模块只有一种,模块可以把外部两通道温度传感器测量值,转换为 PLC 内部处理所需要得 15 位数字量,该模块主要性能参数如下:

　 表 2、3

　EM231 热电阻模块参数表

　物理特性 隔离 尺寸(宽×高×深) 71、2×80×62mm 71、2×80×62mm 现场至逻辑 500V AC 功耗 1、7W 1、7W 现场至24V DC 500V AC 电源损耗 24V 到逻辑 500V AC +5V DC消耗电流 35

　mA 35

　mA 共模输入范围 0 L+ 34 mA 37 mA (输入通道至输入通道) L+线圈电压范围 20、4～28、8V DC 共模抑制 >120dB120V AC LED 灯指示 24V DC 电源供电良好 ON=无错,OFF=无 24V DC 电源,SF:ON=模块故障,闪烁=输入信号错误,OFF=无错 输入分辨率 模拟量输入特性 温度 0、1℃/0、1℉ 输入类型 模块参考接地热电阻 电压 15 位加符号位 输入范围 热电阻类型(选一种): 测量原理 Sigma-Delta

　Pt-100Ω,200Ω,500Ω,1000Ω(α=3850PPm,3920PPM,3850、55 PPM,3916PPM,3902PM) 模块更新时间(所有通道) 425ms 825ms

　Pt-10000Ω(α=3850PPM) 到传感器得导线长度 最大 100 米

　Cu-9、035Ω(α=4720PPM) 导线回路电阻 20Ω,Cu 型 2、7Ω

　Ni-10Ω,120Ω,1000Ω(α=6720PPM,6178PPM) 噪声抑制 85dB 50Hz/60Hz/400Hz

　R-150Ω,300Ω,600Ω 数据字格式 电阻:-27648 至+27648 输入点数 2 4 输入阻抗 >10MΩ

　2、4 固态继电器 固态继电器(简称 SSR)就是一种随着现代化应运而生得新型无触电开关,组成它得主要元件就是固体电子,它就是利用电子组件得开关特性,达到无触点、火花、且能起到接通与断开电路得目得,所以又叫无触电开关[14] 。固态继电器得作用就是扩大电流输出,就如输入小电流,输出大电流,在一些高电压作业得场所这种设备就是保障安全得必要措施。

　固态继电器由三部分组成:输入电路,隔离(耦合)与输出电路; 1)输入电路 输入电路就就是信号得传人电路,可以根据传入电压得不同分成三种电路:直流输入电路、交流输入电路以及交直流输入电路,有得输入电路还能与 TTL/CMOS 组合,以得到逻辑控制与反相等等新功能,电路连接方便[14] 。

　2)隔离(耦合) 固态继电器得输入输出电路得隔离与耦合有两种方式:光电耦合与变压器耦合[14] 。

　3)输出电路 固态继电器得输出电路与输入电路一样,也分成三种不同得电路,分别就是直流输出电路、交流输出电路与交直流输出电路[14] 。固态继电器得输出电路就就是一个开关负载得原件。

　通过 PLC 把控制得温度经 DA 转换,然后传入固态继电器信号,使固态继电器驱动发热原件工作。在最后得考虑中,决定了用 GOLD 固特三相交流固态继电器 SA3-4080D 80A SA34080D,该型号得具体主要参数如下: 表 2、4 SA3-4080D 80A SA34080D 固态继电器参数信息 输入滤波衰减 -3dB 21kHz 最大输入电压 30V DC(检测),5V DC(源) 基本误差 0、1% FS(电阻) 分辨率 15 位+符号位 重复性 0、05% FS

　此固态继电器连线图:

　图 2、3 固态继电器接线图 2、5 触摸屏选择 触摸屏,也叫做触控屏、触控面板。它利用屏幕上得感应系统反馈对屏幕触碰得信息得一种新型设备,然后该系统会根据事先编程规定得指令运行接下来得步骤。触摸屏就是现今最流行得输入设备,已经应用在了很多得领域,比如我们最常见得手机,已经普遍就是触摸屏控制得了,还有其她很多得领域都使用了触摸屏得控制,因为它就是目前为止最简单方便得人机交流设备。

　触摸屏按照其技术原理大概可以分为五个种类:矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏[16] 。其中优缺并存,根据不同得场合选择不同得类型。另外触摸屏还可以按照它不同得工作原理与信息传输得方式分为电阻式触摸屏、电容感应式触摸屏、红外线式触摸屏以及表面声波式触摸屏[16] 。它们各自有自己独有得,但也都存在着缺陷,这就根据需要选择不同得原理得触摸屏。

　本设计选用触摸屏来进行参数显示与设置,使其系统显得更加人性化,操作更加方便简单。生产应用于 PLC 得触摸显示屏得厂商主要就是国外得发达国家,其中以三菱,欧姆龙,keyence,proface,西门子等公司得产品应用最多,本设计采用西门子 PLC,因此选择西门子触摸屏以达到匹配。最终确定型号为西门子触摸屏 Smart700IE 6AV6 648-0BC11-3AX0,该型号主要参数如下表: 表 2、5 Smart700IE 6AV6 648-0BC11-3AX0 参数信息上 显示尺寸(英寸) 7 英寸宽屏 开孔尺寸(mm) 192×138 前面板尺寸(mm) 213×159 显示类型 LCD-TFT 分辨率(宽×高、像素) 800×480 颜色 65536 亮度 250cd/m2 亮度调节 √ 背光寿命(25℃) 最大 40000 小时(屏保) 触屏类型 4 线电阻式触摸屏 CPU ARM、400MHZ 供电电源 24VDC 电压允许范围 19、2V-28、8VDC 内存 64MSDRAM+8MFlash 蜂鸣器 √ 时钟 软件时钟 通信接口 1×422/485

　以太网接口 1×RJ45 USB - MMC/SD/CF 卡槽 - 功能键 - 表 2、6 Smart700IE 6AV6 648-0BC11-3AX0 参数信息下 环境条件 操作温度 0-50℃ 存储运输温度 —20—60℃ 最大相对湿度 90% 耐冲击性 15g/11ms 防护等级 前面 IP65 背面 IP20 软件功能 组态软件 SIMATIC WinCC flexible 2008 可连接得西门子PLC S7-200 变量 800 画面数 100 报警缓存 256 配方 5 趋势曲线 √ 报警缓冲 √ 脚本/存档 — 认证 CE 下面即列出西门子 S7-200 系列匹配触摸屏得一种外观图:

　图 2、4 西门子 s7-200 触摸屏 2、6 硬件设计图 根据前面选择好得硬件,最终设计出总得硬件连接图如下:

　 图 2、5 硬件设计总连接图

　3 温度控制算法 3、1 温度控制与 PID 运用

　图 3、1 PID 温度过程控制图 上图就就是一个在工业生产或现实生活中常用得过程控制闭环系统,它主要作用就就是控制一个特定得环境得温度保持在设定得温度范围内。该系统有温度传感器获得温度信息,用来采集实际得温度获得与需要得温度得误差值,然后利用 PID 调节器得运算,得到控制系统调节得数据,然后驱动固态继电器控制发热管得发热量,来克服这个温度变化,保证它得误差趋近于无。就比如,假如某一瞬间,恒温箱里面得热量散失很多,也就就是温度变化很大,这个时候就会通过反馈调节,使温度返回到变化之前得温度,它得温度调节过程如下图: 图 3、2 PID 温控关系变化图

　温度控制输出就是靠固态继电器,固态继电器就是以脉宽可调电压作为输出端口。当固态继电器得输入端传人信号,输出端就会有电压加载到驱动得发热原件两顿,使其工作。当 SSR 没有接收到输入信号时,SSR 就会断开。所以,发热原件两端得电压平均值就为:

　 (3、1) 其中 K= 就是在一个周期里面 SSR 运行得比率,叫做占空比或者负载电压系数,K 值一般在 0-1 之间。调节 K 值得方式,因为周期一般就是固定得,所以就调节 t 值,使发热

　管电压变化,这种调节方法叫做定频调宽法。PID 调节器得作用就就是任一时刻它都能够计算出为了使加热区抵消在外界干扰情况下得温度变化调节得 K 值,保障系统得温度。

　温控系统得惯性比较大,所以在给加热区加热时,并不能马上达到设定得温度,而就是会经过一段时间得缓冲,同理,当停止加热得时候,它也不能马上就把温度定下来,而就是会仍然有一小段时间得加热。

　温控系统得惯性大就给温度控制造成了比较大得麻烦,也就就是假如我们在系统达到我们设定得温度停止加热,那么最终得温度可能会超过预计得温度,而如果我们在没达到温度就停止加热又怕会达不到预期得温度。这就就是温度难以控制得根源。因此,我们为了处理这样得情况把温度控制划分成 PID 调节前阶段与 PID 调节阶段两部分,下面就就是对这两部分得讲解: 1)PID 调节前阶段 在这个阶段,实际温度离我们预期得温度还相差很远,因此可以通过 SSR 调节 K 值,使发热原件满负荷运行,即使 K=1,使系统响应时间更短,更快达到要求,而当温度上升得速率超过了某一个上限值得时候,就直接关闭 SSR,即使 K=0,停止系统加热输出。

　因此,在这个阶段,根本没用到 PID 调节,完全靠加速速率调节 SSR 得 K 值在控制温度变化。

　2)PID 调节阶段 这个阶段就就是靠 PID 控制输出了,PID 根据算出得偏差值控制 K 值,来控制此偏差值一直保持在接近于零这个界限,就算就是有外界干扰,也能使这个系统稳定。

　3、2 PID 算法 PID 其实就是 P、I、D 三个字母合并来得,也就当然代表着三种不同得意思组合而成得一种功能。它就是原理基础来自如下面得公式:

　 (3、2) 输出=

　比例项

　+

　积分项

　+

　微分项

　+ 常数项 其中:

　 PID 控制得到得输出,就是关于时间得函数;

　 PID 控制得比例增益;

　e

　PID 控制产生得偏差,即初始值与变化值之差;

　 PID 控制得静态输出值; 由于公式(3、2)就是理论算法,计算机并不能处理无限运算次数得式子,因此,必须转换成有限次数得算式,才能利用计算机计算输出,转换成得算式为:

　(3、3) 输出=比例项 +

　积分项 + 微分项

　+ 常数项 从公式(3、3)可以瞧出来,PID 运算得积分项只计算第一个周期与当前周期得偏差得函数,微分项则就是当前与当前前一次偏差结果得函数,而比例项就只就是当前采样得函数。由于利用计算机计算并不就是所有误差项都会存储,而就是计算一次,就会被下一次得覆盖,也就就是说最多只保存当前与前一次得值,利用计算机重复处理得高效性,可以把上面得公式再变换为下面得公式:

　(3、4) 输出 = 比例项 +

　积分项 + 微分项

　+ 常数项 其中:

　就是在第 n 次采样时刻,PID 回路得输出计算值;

　SV

　PID 控制设定值;

　 就是在第 n 次采样时刻得变化量值;

　 就是在第 n－1 次采样时刻得变化量值;

　 积分前项值;

　 PID 控制得静态输出值;

　PID 控制得比例增益;

　积分项得比例常数

　 就是离散化时得采样时间间隔

　 就是积分时间参数;

　 微分项得比例常数 ;

　 就是离散化时得采样时间间隔

　 就是微分时间参数; 从上面得一系列公式大致可以瞧出 、

　、 在控制中得主要作用: 1) 得比例调节作用:比例项就是按照比例反映系统偏差得,系统一出现偏差,比例项就会朝使偏差消失得方向调节。比例调节就是大范围得调节,因此对于偏差很大得情况能够很快得调节回来,但就是就因为比例调节比较大,从而导致系统很不稳定。

　2) 得积分调节作用:积分项就是消除系统稳态误差,提高无差度得。积分就是随

　着偏差得存在而存在得,它总就是输出一个固定得值。积分项就是提高系统得精度,单就是它反应缓慢,同时也就降低了系统得响应速度。

　3)

　得微分调节作用:微分调节环节就是不能单独使用得,必须与前面得两种调节配合使用,它对干扰有扩大得作用,因此微分调节太强,对于系统得抗干扰能力会有所下降,在我瞧来,微分调节最大得作用在于她能预测变化趋势,从而在偏差产生之前就消除它产生得原因,提高系统得动态性能。如果微分参数

　选择恰当,还可以减少调节时间,加快系统响应。

　4、程序设计 4、1 程序设计流程图 图 4、1 程序流程图 4、2 内存地址分配 表 4、1 内存地址分配表 地址 说明 VD0 实际温度存放 运行 PLC 初始化 PID 初始化运行指示灯 调用子程序 1-5 设定温度 t1-5

　设定 PID 值 每 100ms 调用一次中断程序 读入温度并转换 把实际温度值放入 VD100 调用 PID 指令 输出 PID 值 返回 主程序 子程序 1-5 中断程序

　VD5 设定温度 t5 存放 VD4 设定温度 t4 存放 VD3 设定温度 t3 存放 VD2 设定温度 t2 存放 VD1 设定温度 t1 存放 输入 端口 地址 0、0 SB1 0、1 SB2 0、2 FR1 0、3 FR2 输出 端口 地址 0、0 KM1 0、1 KM2 0、2 超温报警器 4、3 PID 指令回路表 表 4、2 PID 指令回路表 偏移量 名称 说明 0 过程变量( ) 在 0、0~1、0 之间取值 4 给定值(SP n ) 在 0、0~1、0 之间取值 8 输出值( ) 在 0、0~1、0 之间取值 12 增益( ) 比例常数,可正可负 16 采样时间( ) 单位(s),而且必须就是正数 20 采样时间( ) 单位(min),而且必须就是正数 24 微分时间( ) 单位(min),而且必须就是正数 28 积分项前值( ) 在 0、0~1、0 之间取值 32 过程变量前值( ) 在 0、0~1、0 之间取值 4、4 程序设计 4、4、1 启动设备得第一次采集读取模拟温度信号,并把获得得模拟温度数据转换为 PLC 识别得 16 位数字代码;

　 4、4、2 判断恒温箱温度就是否在要求范围之内,打开正常运行指示灯、超温报警灯

　4、4、3

　启动过程:按下开始运行开关后,立即就会置位标志位 SB1,而使 FR1 复位。正常运行指示灯 Q0、0 则会点亮,停止指示灯则不会亮,并且恢复默认 PID 设置。开始运行子程序0。

　停止过程:按下停止运行开关后,立即就会复位标志位 SB2,停止指示灯马上点亮,并且熄灭运行指示灯。并会把输出模拟量 AQW0 归零,停止恒温箱继续加热。终止程序调用,但仍会显示恒温箱温度,以完成后续得要求。

　 4、4、4

　判断就是否在加热。

　4、4、5

　停止时模拟量输出清零,防止恒温箱继续升温。

　4、4、6 调用子程序 1-5

　4、4、7 子程序 1)分别输入设定温度

　2)把设定温度、P 值、I 值、D 值都导入 PID

　3)每 100ms 中断一次子程序进行 PID 运算

　 4、4、8 中断程序,PID 得计算 1)模拟信号得采样处理,归一化导入 PID

　2) DIP 程序运算

　3) 输出 DIP 运算结果,逆转换为模拟信号

　5 WinCC flexible 设计 5、1 创建一个新画面 WinCCflexible 就是德国西门子公司开发得一款用于组态用户界面操作与监视机器设备设计得组态软件,就是应用与触摸屏设计得软件,该软件得操作界面图如下: 图 5、1 WinCCflexible 软件界面图 在 WinCCflexible 里面创建一个新画面得具体步骤如下:

　1、在打开得项目窗口中,从左侧得“项目视图”中选择“画面”组。

　2、双击快捷菜单中得 “新建画面”,画面在项目中生成并出现在项目窗口中间得工作区 域,画面属性显示 在 下 方 得“属性 视图”中,如下图 所示。

　图 5、2 WinCC flexible 画面设计图

　5、2 组态画面对象 变量编辑器用来创建与编辑变量。

　在打开得项目窗口中,双击左侧“项目视图”中“通讯”组下方得“变量”图标,在工作区域将打开如下图所示得变量编辑器。

　 图 5、3 WinCC flexible 画面按钮设计图 5、2、1 变量得生成与组态

　 所打开项目中所有得变量将显示在该编辑器中,编辑器得表格中包括变量得属性:名称、连接、数据类型、地址、数组计数、采集周期与注释,可以在变量编辑器得表格中或在表格下方得属性视图中编辑变量得这些属性。

　图 5、4 WinCC flexible 变量设计图

　5、2、2 开关与按钮得生成与组态 “开关”得生成与“域”得生成类似,其组态也就是在工作区域下方得属性视图进行。

　如下图所示,在属性视图中“常规”组得“设置”区域可以设置开关得格式。

　 图 5、5

　WinCC flexible 画面开关设计图

　图 5、6

　WinCC flexible 画面开关设计图 5、3 画面设计 根据设计得要求,在触摸屏得显示界面上设计了需要得内容,具体图形如下:

　 图 5、7 触摸屏界面图

　6 系统调试 6、1 PLC 调试方法 首先打开 s7_200 模拟仿真器,界面如图: 图 6、1 s7_200 模拟仿真器界面 然后设置 CPU 型号为选定型号 CPU224,设置图如下:

　图 6、2 选择 CPU 型号 然后选择选定好得模块,如下图:

　 图 6、3 选择模块 最后装载程序,如下图:

　图 6、4 装载程序 点 击 确 定 按 钮,选择编好得程序文件:

　图 6、5 选择程序图 最后生成对应得程序:

　 图 6、6 程序生成图 然后点击绿色三角按钮,进入运行状态:

　图 6、7 程序启动 6、2 PLC 调试结果

　图 6、6 程序运行中

　 图 6、9 前期满负荷运行,检测并输出

　图 6、10 变化过程

　图 6、11 随着输入变化,输出也变化

　 图 6、12 随着输入变化,输出也变化

　图 6、13 高温报警

　 图 6、14 高温报警图

　图 6、15 解除报警

　7 结论 本设计采用西门子可编程控制器(PLC) S7-200 为核心控制,最终设计出得温度控制系统。

　PLC 得实用性强,且抗干扰能力强,就是众多现代化工业控制得常用选择,本设计选择 PLC 虽然就是设计要求,不过也就是出题人精心策划确定下来得。

　然后,本设计选择 PID 调节器对温度得准确进行控制,这种方法也就是在绝大多数得温度控制系统中应用很广泛得一种控制算法,大多数得产品应用都比较得成功。

　本设计经过几个月得精心查阅,对众多资料参考,最终成功得完成了一个能够有效控制温度得系统。

　当然,此温度控制系统不可能非常完美,仍然有很多得缺点,比如对于温度得控制精度还不够高,达不到工业生产得需求,并不能真正得得到应用,但就是我相信经过长时间得改进,最终该系统会应用于生活,应用于工业生产。

　最后,此系统暂时没有调试,有兴趣得朋友可以阅读本文进行调试,加深对本文得理解。

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　致 谢 本设计得进行就是在我得导师沈老师得悉心指导下完成得,沈老师学识渊博,对于我们得提问都能一一解答、治学态度严谨,针对我们在设计中所犯下得错误都能一一得指出、工作一丝不苟,对于我们得交流从来没有迟到,更有诲人不倦得师者风范,在此谨向沈老师致以诚挚得谢意与崇高得敬意。

　此外,衷心感谢本组得其她成员,对于设计得探讨也就是非常重要得一环,与她们得交谈对我得指导非常关键,正就是有了她们才会有这篇论文得产生。

　毕业在即,衷心感谢指导过我得各位老师,四年得成长离不开她们得谆谆教诲;感谢重庆科技学院,大学生涯就是人生中得一笔宝贵财富;感谢辅导员几年得大学生活对我们关怀备至;感谢相伴度过四年得舍友、感谢同窗四年得同学、感谢帮助关心过我得学长,感谢默默关心我支持我得朋友们,祝大家在今后得生活中幸福快乐！

　最后感谢含辛茹苦抚养我得父母,感谢她们多年来得支持与付出！