2022年温度控制系统设计归类 .pdf
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1、计算机控制技术实训报告题目: 基于 S7200 的自制温度控制系统设计系别:机械电子工程系专业:自动化姓名:学号: 指导教师 :名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 20 页 - - - - - - - - - 目录一、概述 . . 1二、温度控制原理 . . 2三、自制温度控制系统方案设计. . 2四、自制温度控制系统设计. . 34.1 硬件 . 3 4.1.1 所用硬件 . 34.1.2 硬件接线图 . . 54.2 PID算法 . . 54.3 系统设计
2、 . 64.3.1 系统设计原理图 . . 64.3.2 参数变换 . . 64.3.3 工程转换 . . 74.4 程序设计 . . 84.4.1 内存变量分配表 . . 84.4.2 PLC 程序 . 94.4.3 组态王界面设计 . . 13 4.5 PID参数整定及运行结果. 144.5.1 PID参数整定 . . 144.5.2 运行结果 . 15五、 过程控制系统和现场总线控制系统的区别和联系. . 15实训心得 . . 17 致谢 . . 18 参考文献 . . 18 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - -
3、 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 20 页 - - - - - - - - - 1 一、概述温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中温度控制占有着极为重要的地位特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制,所采用的加热方式,燃料,控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等;燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变,具有不确定性, 因此对系统要求更为先进的
4、控制技术和控制理论。可编程控制器 (PLC )可编程控制器是一种工业控制计算机,是继续计算机、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,编程简朴,易学易用等特点,在工业领域中深受工程操作人员的喜欢,因此 PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。目前在控制领域中, 虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具,特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统(DCS )。但就其控制策略而言,占统治地位的仍旧是常规的PID 控制。 PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。PID 的使用已经有60 多年了,有人称赞它是控制领域的常青树。组
5、态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式, 为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前,要实现某一任务,都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长,而且轻易犯错误,不能保证工期。组态软件的出现,解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作, 通过组态几天就可以完成。 组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的,组态王具有流程画面,过程数据记录,趋势曲线,报警窗口,生产报表等功能,已经在多个领域被应用。在工业生产和日常生活中, 对温度控制系统的要求, 主要是保证温度
6、在一定温度范围内变化,稳定性好,不振荡,对系统的快速性要求不高。现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号,经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器,信名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 20 页 - - - - - - - - - 2 号放大后送模 / 数转换器转换为数字信号送PLC ,模拟量输出控制, 将 PLC中 PID控制器输出通过EM235 AO 输出 0-5V 电压,该 0-5V 电压作为方案 1 中驱动模块的输入信号,该模块将接收的 0-5V 可调电压
7、变换成 0-24V 可调电压给电加热丝,从而控制电加热丝的加热强度,从而实现温度控制。通过组态王这个软件,把控制的实现利用过程数据更改,趋势曲线直观地体现出来。二、温度控制原理现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号,经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器,信号放大后送模/ 数转换器转换为数字信号送PLC ,模拟量输出控制,将 PLC中 PID 控制器输出通过EM235 AO 输出 0-5V 电压,该 0-5V 电压作为方案 1 中驱动模块的输入信号,该模块将接收的0-5V 可调电压变换成0-24V可调电压给电加热丝,从而控制电加热丝的加热强度,从而实现温度控制。当通过热电偶采集的被测温度偏离所
8、希望的给定值时,PID 控制可根据测量信号与给定值的偏差进行比例(P)、积分( I )、微分( D)运算,从而输出某个适当的控制信号给执行机构, 促使测量值恢复到给定值, 达到自动控制的效果。三、自制温度控制系统方案设计利用搭建的回路, 采用相应的控制算法实现对对象的良好控制,算法采用常规 PID控制器、改进 PID 控制器,并利用组态软件组态较人性化的人机画面,组态软件采用组态王或者MCGS。温度控制系统是以EM235( 其中 4 个 AI,1 个 AO)单片机为控制核心。整个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、A/D转换、 PLC 、I/O 设备、控制执行系统等。利用模拟量输出控制
9、,将PLC中 PID控制器输出通过EM235 AO 输出 0-5V 电压,该 0-5V 电压作为方案 1 中驱动模块的输入信号,该模块将接收的 0-5V 可调电压变换成 0-24V 可调电压给电加热丝,从而控制电加热丝的加热强度,从而实现温度控制。方案实现如下图所示:名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 20 页 - - - - - - - - - 3 温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后,将电压信号放大到PLC可以处理的范围内,经过低通滤波,滤掉干扰信号送
10、入PLC 。在 PLC中对信号进行采样,为进一步提高测量精度,采样后对信号再进行数字滤波。PLC将检测到的温度信息与设定值进行比较, 如果不相符, 数字调节程序根据给定值与测得值的差值按 PID控制算法设计控制量, 触发程序根据控制量控制执行单元。如果检测值高于设定值,系统控制降温;如果检测值低于设定值,系统控制升温,提高环温度,达到控制温度的目的。四、自制温度控制系统设计4.1 硬件4.1.1 所用硬件温度控制系统设计采用EM 235 单片机为控制核心,与CPU PLC224 、PT100温度变送器检测环境温度以及驱动模块所组成的温度控制系统。整个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、
11、A/D 转换、PLC 、I/O 设备、控制执行系统等。1、EM235 模块本次实训我们选用的控制器是西门子PLC200 , 实验室中与之配套使用的A/D转换模块中使用的是EM235 (其中 4 个 AI,1 个 AO ) ,属于模拟量扩展模块。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 20 页 - - - - - - - - - 4 通过 EM235 接收 4-20mA或 0-5V 模拟信号,输出 0-10V 信号,实现模拟量与数字量的转换,在系统中它主要完成对温度
12、信号的检测工作和模拟电压量的输出,也就是可控硅触发单元的控制输入。2、CPU 控制器该次实训我们选择西门子PLC200 (221、224、226 都可) ,和一般的微机一样,CPU 是微机 PLC的核心,主要由运算器、控制器、寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能,如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量。CPU 控制着 PLC工作,通过读取、解释指令,指导PLC有条不紊的工作。S7-200 系列出色表现在以下几个方面:极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块
13、。3、 温度变送器模块实训中的变送器主要用于将由PT100检测到的实时温度转换为4-20MA的电流量,采用的是两线制接法。4、 驱动模块执行机构模块有驱动模块和继电器, 在该实训中我们选用驱动模块来作为自制温度控制系统的执行机构, 在前面的方案设计选择中我们已经对选用(模拟量输出模块)驱动模块作为改变加热器的执行机构。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 20 页 - - - - - - - - - 5 4.1.2 硬件接线图:4.2 PID 算法PLC的 PI
14、D 控制器设计是以连续系统PID 控制规律为基础,经采样将其数字化写成离散形式PID 控制方程,再根据离散方程进行控制程序设计。典型的PID 算法包括 3 项,比例项、积分项和微分项。即:输出比例项积分项微分项。计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算,算法如下:Mn=Kc* (SPn-PVn ) +Kc* (Ts/Ti ) *(SPn-PVn ) +Mx+Kc* (Td/Ts) * (PVn-1-PVn)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 20 页 -
15、- - - - - - - - 6 比例项 Kc*(SPn-PVn ) :能及时地产生与偏差(SPn-PVn )成正比的调节作用,比例系数 Kc越大,比例调节作用越强,系统的静态稳定精度越高,但Kc 过大会使系统的输出量振荡加剧,稳定性降低。积分项 Kc*(Ts/Ti )*(SPn-PVn )+Mx :与偏差有关,只要偏差不为0,PID控制的输出就会因积分作用而不断变化,直到偏差消失,系统处于稳定状态,所以积分的作用是消除稳态误差,提高控制精度,但积分的动作较慢, 给系统的动态稳定带来不良影响,很少单独使用。积分时间常数Ti 增大,积分作用越强,消除稳态误差的速度减慢。微分项 Kc*(Td/T
16、s)*(PVn-1-PVn) :根据误差变化的速度(即误差的微分)进行调节,具有超前和预测的特点。微分时间常数Td 增大时,超调量减少,动态性能得到改善,但Td过大,系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。许多控制系统内,可能只需要P、I 、D中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制,通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。4.3 系统设计4.3.1 系统设计原理图给定值控制器D/A执行机构被控对象被控量A/D温度变送器+_4.3.2 参数变换1、输入部分:温度变送器参数为: 0-300 度 4-20mA EM235输入 AI 接收电流范围 0-20mA ,为 12 位 A/
17、D转换器,其转换后数字量范围为: 0-32000,故对应范围为: 0-20mA 0-32000。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页,共 20 页 - - - - - - - - - 7 故编程时:0-300 度-6400-32000 PID 子程序中检测值 PV=AIW0, 归一化得PV/32000=VD100 2、输出部分:实际中,驱动模块调压范围为:1.3V-3.2V 0-24V PLC的 EM235 模块中 AO输出为 0-10V0-32000 设计中我们只
18、需要0-5V 电压给驱动模块,即数字量为0-16000 PID 运算输出范围为0-1 之间小数,实训中我们需要将该0-1 对应到1.3-3.2V 因此 PID运算输出对应数字量范围为:1.3*3200=4600V,3.2*3200=10240V 因此, D/A 转换器的数字量 D对应 PID 程序输出 x 之间关系为:D=f(x)= X*(10240-4160)+4160 驱动模块输入电压V与 PID 输出 x 之间关系为:V=x*(3.2-1.3 )+1.3 3、设定部分:PID 子程序设定值 VD104为归一化 0-1 之间的值0-300 度-6400-32000 0-32000-0-1
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