2022年基于数字PID的电阻炉温度控制系统设计_课程设计任务书.docx

精品学习资源课程设计任务书学 院专业同学姓名班级学号课程设计题目基于数字 PID 地电阻炉温度掌握系统设计实践教案要求与任务 :构成数字 PID 地电阻炉温度掌握系统硬软件设计试验调试THFCS-1 现场总线掌握系统试验撰写试验报告工作方案与进度支配 :第 12 天，查阅文献，构成数字 PID 地电阻炉温度掌握系统第 34 天，硬软件设计第 56 天，试验调试第 79 天， THFCS-1 现场总线掌握系统试验第 10 天，撰写试验报告欢迎下载精品学习资源指导老师：201年 月 日专业负责人：201年 月 日学院教案副院长：201年 月 日欢迎下载精品学习资源摘 要温度是工业生产对象中主要地被控参数之一，本文通过设计温度掌握系统，表达PLC 在模拟量信号检测与掌握中应用地优越性.本文中被控对象是电炉，在炉温自动掌握系统中，炉温经过热电偶检测和温度变送器地转换，变为相应地电压信号，送往PLC 掌握器，再经过模拟量输入 /输出模块（ A/D ）转换为数字量，并由程序将给定地温度值与测量值比较，然后依据偏差大小按比例调剂规律，运算出校正量.通过模拟量输入 /输出模块地输出掌握作用，排除炉温地偏差，从而使炉温达到并稳固在给定地数值关键字 PLC；温度掌握；比例调剂欢迎下载精品学习资源AbstractTemperature is one of the main object of industrial production controlled parameters, this paper design 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 transmitters 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 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 contro；lratio adjustment欢迎下载精品学习资源目录1 绪论 .1.1 课题背景及争论目地和意义 .0.1.2 国内外争论现状 .0.1.3 工程争论内容 .1.2 可编程掌握器（ PLC）简况 .2.1 可编程掌握器地概述 .1.2.2 PLC 地基本组成及各部分作用 .2.2.2.1 中心处理单元 CPU .2.2.2.2 储备器 .2.2.2.3 I/0 单元 .3.2.2.4 电源部分 .4.2.2.5 扩展接口 .4.2.2.6 通信接口 .4.3 模块方案地挑选与论证 .3.1 总体方案地挑选 .4.3.2 各独立模块方案论证 .6.3.2.1 温度检测模块 .6.3.2.2 主控模块 PLC .6.3.2.3 功率输出电路及其掌握原理地分析7.3.2.4 温度调剂模块 .8.4 系统软件设计 .4.1 主要地工作流程 .8.4.2 数字 PID 地数学建模 .9.5.系统介绍 .1.1.5.1 现场总线掌握系统（ FCS）介绍 .1 15.1.1 系统简介 .1 1.欢迎下载精品学习资源5.1.2 系统组成 1.1.5.1.3 系统特点 .1 3.5.1.4 系统软件 .1 4.5.1.5 装置地安全爱护体 .1 45.2 组态软件 WINCC 介绍 .1 5.6 单容水箱特性测试 .1.5.6.2 系统工作原理分析 .1 6.6.3 掌握系统流程图 .1 8.6.4 试验内容与步骤 .1 8.6.5 结果分析 .2 0.6.6 试验曲线所得地结果 .2 4结论 .2.4.参考文献 .2.5.欢迎下载精品学习资源1 绪论1.1 课题背景及争论目地和意义电阻炉地应用领域相当广泛，电阻炉地性能优劣打算了产品地质量好坏 .目前电阻炉地掌握系统大都采纳以微处理器为核心地运算机掌握技术，既提高设备地自动化程度又提高设备地掌握精度 .PLC 地快速进展发生在上世纪 80 岁月至 90 岁月中期 .在这时期， PLC 在处理模拟量才能、数字运算才能、人机接口才能和网络才能得到了很大地提高和进展.PLC 逐步进入过程掌握领域，在某些应用上取代了在过程掌握领域处于统治位置地 DCS 系统.PLC 具有通用性强、使用便利、适应面广、牢靠性高、抗干扰才能强、编程简洁等特点 .电阻炉是机电一体化地产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体 积小，无污染，运行安全牢靠，供热稳固，自动化程度高地优点，是抱负地节 能环保地供暖设备 .加上目前人们地环保意识地提高，电阻炉越来越受人们地重视，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、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层地干燥等 PID 掌握是迄今为止最通用地掌握方法之一.由于其牢靠性高、算法简洁、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程掌握中,特殊适用于可建立精确数学模型地确定性系统 .PID 掌握地成效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 参数地整定与优化始终是自动掌握领域争论地重要课题.PID 在工业过程掌握中地应用已有近百年地历史，在此期间虽然有很多掌握算法问世,但由于 PID 算法以它自身地特点，再加上人们在长期使用中积存了丰富体会，使之在工业掌握中得到广泛应用.在 PID 算法中，针对 P、I、D 三个参数地整定和优化地问题成为关键问题.1.2 国内外争论现状自 70 岁月以来，由于工业过程掌握地需要，特殊是微电子技术和运算机技术地迅猛进展以及自动掌握理论和设计方法进展地推动下，国内外温度掌握系统地进展快速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，欢迎下载精品学习资源以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化地、性能优异地温度掌握器及仪器外表，并在各行各业广泛应用.随温度掌握系统在国内各行各业地应用虽然应用很广泛，但从国内生产地温度掌握器来讲，总体进展水平仍旧不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍旧有着较大地差距 .目前，我国在这方面总体水平处于20 世纪 80 岁月中后期地水平，成熟产品主要以 “点位”掌握及常规地 PID 掌握器为主，它只能适用于一般地温度系统地掌握，难以掌握滞后、复杂、时变温度系统掌握.能适应于较高地掌握场合地智能化、自适应掌握外表，国内仍不特别成熟.随着科学技术地不断进展，人们对温度掌握系统地要求越来越高，因此， 高精度、智能化、人性化地温度掌握系统是国内外必定进展地趋势.1.3 工程争论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掌握参数，以 PLC 为掌握器，构成温度掌握系统；采纳PID 算法，运用 PLC 梯形图编程语言进行编程，实现温度地自动掌握.可编程规律掌握器（ PLC是集运算机技术、自动掌握技术和通信技术为一体地新型自动掌握装置 .其性能优越，已被广泛地应用于工业掌握地各个领域， 并已经成为工业自动化地三大支柱（ PLC、工业机器人、 CAD/CAM ）之一.PLC 技术在温度监控系统上地应用从整体上分析和争论了掌握系统地硬件配置、电路图地设计、程序设计，掌握对象数学模型地建立、掌握算法地挑选 和参数地整定等 .论文通过对德国西门子公司地 S7-200系列 PLC 掌握器，温度传感器将检测到地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 调剂， PID 掌握器输出转化为 0-10mA 地电流信号输入掌握可控硅电压调整器或触发板转变可控硅管导通角地大小来调剂输出功率.2 可编程掌握器（ PLC）简况2.1 可编程掌握器地概述可编程序掌握器 Programmable Controller通常也可简称为可编程掌握器 ,英文缩写为 PC 或 PLC,是以微处理器为基础 ,综合了运算机技术、自动掌握技术和通信技术进展起来地一种通用地工业自动掌握装置.它具有体积小、功能强、欢迎下载精品学习资源程序设计简洁、敏捷通用、爱护便利地一系列地优点，特殊是它地高牢靠性和较强地适应恶劣工作环境地才能，更是得到了用户地好评，因而在冶金、能 源、化工、交通、电力等领域中地到了越来越广泛地应用，成为了现代工业掌握地三大支柱（ PLC、机器人、 CAD/CAM ）2.2 PLC 地基本组成及各部分作用PLC 是一种通用地工业掌握装置，其组成与一般地微机系统基本相同.按结构形式地不同， PLC 可分为整体式和组合式两类 .整体式 PLC 是将中心处理单元 CPU、储备器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机.另外仍有独立地 1/0 扩展单元与主机协作使用.主机中， CPU 是 PLC 地核心， 1/0 单元是连接 CPU 与现场设备之间地接口电路，通信接口用于PLC 与编程器和上位机等外部设备地连接 .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地电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上地总线相互联系 .装有 CPU 单元地底板称为 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.无论哪种结构类型地PLC，都可以依据需要进行配置与组合 .2.2.1 中心处理单元 CPUCPU 在 PLC 中地作用类似于人体地神经中枢，它是PLC 地运算、掌握中心.它依据系统程序所给予地功能，完成以下任务: 接收并储备从编程器输入地用户程序和数据； 诊断电源、 PLC 内部电路地工作状态和编程地语法错误； 用扫描地方式接收输入信号，送入PLC 地数据寄存器储存起来； PLC 进入运行状态后，依据存放地先后次序逐条读取用户程序，进行说明和执行，完成用户程序中规定地各种操作； 将用户程序地执行结果送至输出端 .2.2.2 储备器依据储备器在系统中地作用，可以把它们分为以下3 种:欢迎下载精品学习资源 系统程序储备器 :和各种运算机一样， PLC 也有其固定地监控程序、说明程序，它们打算了 PLC 地功能，称为系统程序，系统程序储备器就是用来存放这部分程序地 .系统程序是不能由用户更换地，故所使用地储备器为只读储备器ROM 或 EPROM. 用户程序储备器 :用户依据掌握功能要求而编制地应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序储备器中.由于用户程序需要常常改动、调试，故 用户程序储备器多为可随时读写地RAM. 由于 RAM 掉电会丢失数据，因此使用RAM 作用户程序储备器地 PLC，都有后备电池 铿电池爱护 RAM ，以免电源掉电时，丢失用户程序 .当用户程序调试修改完毕，不期望被随便改动时，可将用户程序写入 EPROM.目前较先进地 PLC如欧姆龙公司地 CPMIA 型 PLC采纳快闪储备器作用户程序储备器，快闪储备器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池爱护 . 工作数据储备器 :工作数据是常常变化、常常存取地一些数据.这部分数据储备在 RAM 中，以适应随机存取地要求 .在 PLC 地工作数据储备区，开创有元件映象寄存器和数据表 .元件映象寄存器用来储备 PLC 地开关量输入 /输出和定时器、计数器、帮助继电器等内部继电器地ON/OFF 状态.数据表用来存放各种数据，它地标准格式是每一个数据占一个字.它储备用户程序执行时地某些可变参数值，如定时器和计数器地当前值和设定值.它仍用来存放 A/0 转换得到地数字和数学运算地结果等 .依据需要，部分数据在停电时用后备电池爱护其当前值，在停电时可保持数据地储备器区域称为数据保持区.2.2.3 I/0 单元I/0 单元也称为 I/0 模块.PLC 通过 I/0 单元与工业生产过程现场相联系 .输入单元接收用户设备地各种掌握信号，如限位开关、操作按钮、挑选开 关、行程开关以及其他一些传感器地信号.通过接口电路将这些信号转换成中心处理器能够识别和处理地信号，并存到输入映像寄存器.运行时 CPU 从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器.输出映像寄存器由输出点对应地触发器组成，输出接口电路将其由弱电掌握信号转换成现场需要地强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备地执行元件.欢迎下载精品学习资源2.2.4 电源部分PLC 一般使用 220V 地沟通电源，内部地开关电源为PLC 地中心处理器、储备器等电路供应 5V, +12V, +24V 地直流电源，使 PLC 能正常工作 .电源部件位置置形式可有多种，对于整体式结构地CPU，通常电源封装到机壳内部；对于模块式PLC，有地采纳单独电源模块，有地将电源与CPU 封装到一个模块中 .2.2.5 扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC 地配置更加敏捷以满意不同掌握系统地需要 .2.2.6 通信接口为了实现 “人一机 ”或“机一机 ”之间地对话， PLC 配有多种通信接口 .PLC 通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他地PLC 或运算机相连 .当 PLC 与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器相连时.可将过程图像显示出来；当与其他 PLC 相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模地掌握；当与运算机相连时，可以组成多级掌握系统，实现掌握与治理相结合地综合性掌握 .3 模块方案地挑选与论证3.1 总体方案地挑选方案一： 此方案采纳传统地模拟掌握方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈地温度值与给定地温度值比较后，打算加热或不加热.本方案地特点是电路简洁，易简洁实现，但系统所得结果地精度不高并且调剂动作频繁，系统静差大，不稳固 .系统受环境地影响大，不能实现复杂地掌握算法，而且不易实现对系统地掌握及对温度地显示，人机交换性能差.方案二： 采纳 PLC 来作为整机地掌握单元，系统地工作中，经过温度检测及变换电路把被测对象地温度转换成电压信号，该电压信号经过D/A 转换器转欢迎下载精品学习资源换为数字信号后送入 PLC 中，与给定地对应所要掌握地多组温度值进行比较， 找显现温度值所在范畴，依据 PLC 中设置地参数，转化为占空比，掌握功率转换器件，带动被控对象，并且把被控对象地温度经过变换电路和D/A 转换器反馈到 PLC 中，与输出地初值进行比较，其偏差被PID 程序运算出后重新输出， 在规定地时间内循环 .对于欠温度，掌握加速功率 .对于过温度，掌握吹风冷却装置.方案三： 采纳 AP89S52 来作为整机地掌握单元 .他是一个功耗，高性能CMOS8 位微掌握器，经过信号采集，数据转换，数据处理来掌握温度.此方案比方案一简洁，比方案二复杂 .比较以上三种方案地优缺点，方案二简洁、敏捷、可扩展性好，具有电路设计简洁、精确度高、掌握成效好等优点，能达到题目设计要求，因此采纳方案二实现本设计 .图 1.1 PLC 地组成框图本系统地基本工作原理：欢迎下载精品学习资源假定实际炉温等于给定炉温，这时uur ut0 ，反馈值与给定值相欢迎下载精品学习资源同，电炉处于规定地恒温状态 .假如增加工件，电炉负荷加大，给定值临时不欢迎下载精品学习资源变，炉温就要下降，使得给出温度t 下降，就有uur ut 0 ，经过温欢迎下载精品学习资源度检测以及变换电路把对侧对象转换成电压信号，该电压信号经D/A 变换器转换为数字信号后送入 PLC 中，与给定地对应所要掌握地多组温度值进行比较， 得知系统处于欠温度状态 .此时系统会加大占空比信号，掌握加热功率，从而使欢迎下载精品学习资源炉温回升，直到重新等于给定值（即utu r ）为止 .假如负荷减小，就炉温欢迎下载精品学习资源上升.ut随之加大，使得uur ut0 .经过温度检测及变换电路把被测对欢迎下载精品学习资源象地温度转换成电压信号，该电压信号经D/A 变换器转换为数字信号后送入PLC 中，与给定地对应所要掌握地多组温度值进行比较，得知系统处于过温度状态.此时系统会启动风扇，掌握吹风冷却装置，从而使炉温下降，知道重新等欢迎下载精品学习资源于给定值为止 .由此看出系统是通过热电偶测量被控量，并反馈到系统地输入端，从而形成了闭合回路，此反馈信号通过比较线路与给定值进行加法或减法运算，获得偏差信号，系统再依据偏差信号地大小和方向进行调剂.所以，炉温掌握系统是一个按偏差调剂地闭环系统 .3.2 各独立模块方案论证3.2.1 温度检测模块采纳西门子 S7-200，它集成 14 个输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点.可连接7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点.16K 字节程序和数据储备空间 .5 个独立地 30kHz 高速计数器， 2 路独立地 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 掌握器 .1 个 R5485 通讯编程口，具有 PPI 通讯协议， MPI 通讯协议和自由方式通讯才能， I/O 端能简洁地整体拆卸 .具有较强地掌握力 .使用西门子 S7-200，其供应一个 4 点 12 位模拟量输入和温度传感输入模块，输入为 DC-5+5v 和 020mA 电压或电流 .3.2.2 主控模块 PLCS7-200 cup 224集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点.可连续 7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点， 16K 字节程序和数据储备空间 .6 个独立地 30kHz 高速计数器， 2 路独立地 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 掌握器.1 个 R5485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议， MPI 通讯协议和自由方式通讯才能 .I/O 端子排可很简洁地整体拆卸 .是具有较强掌握才能地掌握器.欢迎下载精品学习资源图 3.1 CUP 224模块接线图图 3.2 CPU224 AC/DC/继电器输入接线型式简图图 3.3 24V DC输入图 3.4 继电器输出图 3.5 24VDC 输出3.2.3 功率输出电路及其掌握原理地分析加热丝输出功率大小地调剂，可以使用移相调压电路，也可以采纳占空比开关电路进行掌握 .在采纳移想调压电路时，即将运算到地掌握量经D/A 变换， 掌握可控硅地移相触发电路，实现输出电压地无极调剂.由于电压输出波形地不完整，含有高次谐波重量，对电网有肯定地干扰.采纳占空比开关电路掌握，即考虑可控硅掌握电压和被控地沟通电压之间欢迎下载精品学习资源以及电热丝产生地热量和所家地电压之间地非线性，通过调剂周期时间内地通 电时间来调剂输出功率地大小，可以防止D/A 转换和信号放大造成地不必要地误差，也可以通过可控硅地过零触发电路防止对电网地谐波干扰.在本系统中采纳占空比开关电路掌握，功率输出电路设计如图3.6.图 3.6 功率输出图3.2.4 温度调剂模块本系统中风扇地作用是，当炉温过高时掌握风扇对其进行降温 .当系统处于过温度状态，此时系统会启动风扇，掌握吹风冷却装置，从而使炉温下降，知道重新等于给定值为止 .本系统中热电阻地作用是，当炉温过低时，掌握热电阻对其进行加热 .当系统处于欠温状态时系统会启动热电阻，掌握加热功率，从而使炉温回升，直到重新等于给定值为止 .4 系统软件设计4.1 主要地工作流程本系统采纳 PLC 作为核心处理器件，把经过温度检测电路现场实时采集到地温度数据，存入 PLC 地内部数据储备器，送LED 显示，并与预先设定值进行比较，然后由 PLC 输出信号去掌握加热器 .进行温度掌握程序地设计应考虑如下几个问题：实时采集温度、温度显示、与上位PLC 通信程序、警告和处理 .软件设计主要有：主程序、初值设定子程序、温度读取子程序、显示子程序和输出掌握子程序等 .初值设定子程序完成对温度初值地设定及数据储存；温度读子程序完成对温度传感器数据地读取、并通过液晶显示子程序显示温度值等等.欢迎下载精品学习资源4.2 数字 PID 地数学建模0典型地数字 P1D 掌握系统如图 3 所示，图中 SPt是给定值 PVt 为反馈量， Ct为输出值， PID 掌握器地输入输出关系可表示为：欢迎下载精品学习资源M t Kcet 11 e t dtTd Tide t dt式 4.1欢迎下载精品学习资源在 PLC 掌握系统中，系统通过PID 掌握指令实现地 .进入 PLC 地连续时间信号，必需经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入储备器和寄存器，而在 PLC 中地运算和处理，不论是积分仍是微分，只能用数值运算去靠近.当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID 算法离散化，将描述连续时间 PID 算法地微分方程，变为描述连续时间PID 算法地差分方程 .PID 地子程序流程图如图 3 所示，依据实际检测到得温度值和设定温度比较，求出相应地温度偏差值 E，依据 E 与 a地比较判定采纳 PID 算法或是 PD 算法，随后进行算法处理，求出掌握值 .在运算机掌握系统中使用地是数字PID 调剂，就是对式 1.1 离散化，离散化时，令欢迎下载精品学习资源utete tukt e kT Te jT ，欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源det / dtekt ekTT / T欢迎下载精品学习资源式中 T 是采样周期，明显，上述周期T 必需足够短，才能保证有足够地精度.因此数字 PID 调剂器，表达式如下：欢迎下载精品学习资源ukT Kpe kT T / Tie jT Td / Te Kd e KtT 式 4.2欢迎下载精品学习资源由掌握理论可知：离散化采样频率越高，采样后失去地信息越少，相应地掌握性能也越好 .其主要采纳主程序调用子程序通过中断返回采样值，循环调用进行，程序框图如图 3.8欢迎下载精品学习资源开头电阻炉加热采集温度值，读入 PID 源地址检测是否有偏差Y终止PID 掌握掌握参数读入目地地址，驱动图 3.8 电阻炉温度自动掌握系统程序流程图欢迎下载精品学习资源5. 系统介绍5.1 现场总线掌握系统（ FCS）介绍5.1.1 系统简介本现场总线掌握系统是基于PROFIBUS 和工业以太网通讯协议、在传统过程掌握试验装置地基础上升级而成地新一代过程掌握系统.整个试验装置分为上位掌握系统和掌握对象两部分，上位掌握系统流程图如图 5.1 所示：图 5.1 上位掌握系统5.1.2 系统组成本试验装置由被控对象和上位掌握系统两部分组成.系统动力支路分两路： 一路由三相（ 380V 沟通）磁力驱动泵、气动调剂阀、直流电磁阀、PA 电磁流量计及手动调剂阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V 变频）、涡轮番量计及手动调剂阀组成 . 1、被控对象欢迎下载精品学习资源被控对象由不锈钢储水箱、圆筒形有机玻璃水箱和敷塑不锈钢管路组成.水箱：包括上水箱和储水箱. 上水箱采纳淡蓝色