基于PLC的水箱溫控制系統(tǒng)

1、【摘要】本文研究的是可編程控制器在水箱恒溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，水箱恒溫控制裝置主要用來(lái)完成對(duì)水箱中液體的液位和溫度檢測(cè)，并對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)中溫度控制是一個(gè)非常重要的部分。通過(guò)鉑熱電阻對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量到的溫度傳到PLC中。PLC對(duì)采集到的溫度值與給定值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，調(diào)節(jié)雙向晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通斷時(shí)間的比例，改變加熱絲中電流大小及加熱時(shí)間，以完成對(duì)溫度的控制要求。本系統(tǒng)硬件部分主要由CPU224、EM235、雙向晶閘管等組成；軟件部分主要由PID控制來(lái)完成。關(guān)鍵詞：PLC CPU224 EM235 雙向晶閘管 PID控制Abstract: In this paper, i

2、s the programmable controller in the water tank temperature control system application, water tank temperature control system is mainly used to complete the tank liquid level and temperature detection, and adjust the temperature parameters. System, temperature control is a very important part. By pl

3、atinum RTD temperature measurement will be measured in the temperature reached the PLC. PLC on the collected temperature values compared with a given value, after a PID operation, the regulator Triac off the set period of time the ratio of change in heating wire in the current size and heating time

4、to complete the right temperature control requirements.The system hardware mainly by the CPU224, EM235, bi-directional thyristor etc.; software, some of the major by the PID control to complete. Key words: PLC CPU224 EM235 Triac PID Control目錄1.前言11.1恒溫系統(tǒng)應(yīng)用11.2 PLC的結(jié)構(gòu)1中央處理單元(CPU)1存儲(chǔ)器1電源21.3 PLC的工作原理2

5、1.3.1 PLC的基本工作原理21.3.2 PLC 編程方式31.4 PLC的控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)31.5 PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成設(shè)計(jì)原則及步驟41.5.1 PLC的設(shè)計(jì)原則41.5.2 PLC的設(shè)計(jì)步驟52硬件設(shè)計(jì)72.1工作過(guò)程72.2 I/O地址分配72.3選擇硬件82.3.1 CPU2248雙向晶閘管9熱電阻原理構(gòu)造103 PID的介紹113.1 PID的工作原理113.2 PID參數(shù)整定123.3 PID模塊介紹133.3.1 PID回路表的格式及初始化133.3.2 PID程序144程序184.1 順序功能流程圖184.2 程序設(shè)計(jì)20結(jié) 束 語(yǔ)25謝 辭26參考文獻(xiàn)271.前言1.1

6、恒溫系統(tǒng)應(yīng)用在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中電熱恒溫箱的應(yīng)用隨處可以見(jiàn)到。在生活中我們保存食物用到恒溫箱，工業(yè)生產(chǎn)中一些生產(chǎn)原料的保存用到恒溫箱，實(shí)驗(yàn)室里，特別是生物的培育實(shí)驗(yàn)室，恒溫箱的應(yīng)用更是普遍?？删幊炭刂破骷碢LC是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。它以微處理器為核心，用編寫(xiě)程序進(jìn)行邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等，并通過(guò)數(shù)字量和模擬量是輸入/輸出來(lái)控制設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。在本設(shè)計(jì)中，我們針對(duì)實(shí)驗(yàn)水箱而設(shè)計(jì)的一個(gè)恒溫系統(tǒng)，針對(duì)溫度控制的特點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確溫度控制的意義，設(shè)計(jì)了一種基于PID的恒溫檢測(cè)控制系統(tǒng)。1.2 PLC的結(jié)構(gòu)

7、PLC 實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同。1.2.1中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC 的控制中樞，它按照PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)、檢查電源、存儲(chǔ)器I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)；并能診斷用戶(hù)程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O 映象區(qū)，然后從用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶(hù)程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算, 運(yùn)算的結(jié)果送入I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶(hù)程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存

8、器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行直到停止運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高PLC 的可靠性，近年來(lái)對(duì)大型PLC 還采用雙CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或采用三CPU 的表決式系統(tǒng)，這樣即使某個(gè)CPU 出現(xiàn)故障整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱(chēng)為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器；存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱(chēng)為用戶(hù)程序存儲(chǔ)器。(1) PLC 常用的存儲(chǔ)器類(lèi)型RAM (Random Assess Memory)，這是一種讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器) ，其存取速度最快，由鋰電池支持。EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，這是一種可擦除的只讀存儲(chǔ)器，在斷電情況下存儲(chǔ)器內(nèi)

9、的所有內(nèi)容保持不變(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲(chǔ)器內(nèi)容)。 EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，這是一種電可擦除的只讀存儲(chǔ)器，使用編程器就能很容易地對(duì)其所存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改。(2) PLC 存儲(chǔ)空間的分配雖然各種PLC 的CPU 的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù)PLC 的工作原理其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)；系統(tǒng)RAM 存儲(chǔ)區(qū)(包括I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等)；用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)。 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序

10、、系統(tǒng)診斷子程序、等由制造廠商將其固化在EPROM 中，用戶(hù)不能直接存取，它和硬件一起決定了該P(yáng)LC 的性能。 系統(tǒng)RAM 存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)RAM 存儲(chǔ)區(qū)包括I/O 映象區(qū)以及各類(lèi)軟設(shè)備如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器、等存儲(chǔ)器。a I/O 映象區(qū)由于PLC 投入運(yùn)行后只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)，因此它需要一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元(RAM)以存放I/O 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱(chēng)作I/O 映象區(qū)，一個(gè)開(kāi)關(guān)量I/O 占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位(bit)，一個(gè)模擬量I/O 占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字(16 個(gè)bit)， 因此整

11、個(gè)I/O 映象區(qū)可看作兩個(gè)部分組成：開(kāi)關(guān)量I/O 映象區(qū)，模擬量I/O 映象區(qū)。b 系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)除了I/O 映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)RAM 存儲(chǔ)區(qū)還包括PLC 內(nèi)部各類(lèi)軟設(shè)備(邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等)的存儲(chǔ)區(qū)，該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和無(wú)失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域，前者在PLC 斷電時(shí)由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會(huì)遺失，后者當(dāng)PLC 斷電時(shí)數(shù)據(jù)被清零。c 用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶(hù)編制的用戶(hù)程序，不同類(lèi)型的PLC 其存儲(chǔ)容量各不相同。電源PLC 的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的可靠得電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此PLC 的制造商對(duì)電源的

12、設(shè)計(jì)和制造也十分重視，一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)可以不采取其它措施，而將PLC 直接連接到交流電網(wǎng)上去。1.3 PLC的工作原理1.3.1 PLC的基本工作原理 （1）PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式 1）每次掃描過(guò)程。集中對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。集中對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行刷新。 2）輸入刷新過(guò)程。當(dāng)輸入端口關(guān)閉時(shí)，程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時(shí)，輸入端有新?tīng)顟B(tài)，新?tīng)顟B(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時(shí)，新?tīng)顟B(tài)才被讀入。 3）一個(gè)掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。 4）元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。 5）掃描周期的長(zhǎng)短由三條決定：CPU執(zhí)行指令的速度；指令本

13、身占有的時(shí)間；指令條數(shù)。 6）由于采用集中采樣。集中輸出的方式。存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應(yīng)延遲。 （2）PLC與繼電器控制系統(tǒng)、微機(jī)區(qū)別 1）PLC與繼電器控制系統(tǒng)區(qū)別 前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。 前者用“軟件”，后者用“硬件”。 2）PLC與微機(jī)區(qū)別 前者工作方式是“循環(huán)掃描”。后者工作方式是“待命或中斷”。 PLC 編程方式 PLC最突出的優(yōu)點(diǎn)采用“軟繼電器”代替“硬繼電器”。用“軟件編程邏輯”代替“硬件布線邏輯”。PLC編程語(yǔ)言有梯形圖、布爾助記符語(yǔ)言，等等。尤其前兩者為常用。 梯形圖語(yǔ)言特點(diǎn)： （1）每個(gè)梯形圖由多個(gè)梯級(jí)組成。 （2）梯形圖中左右兩

14、邊的豎線表示假想的邏輯電源。當(dāng)某一梯級(jí)的邏輯運(yùn)算結(jié)果是“1”，有假想的電流流過(guò)。 （3）繼電器線圈只能出現(xiàn)一次，而它的常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)可以出現(xiàn)無(wú)數(shù)次。 （4）每一梯級(jí)的運(yùn)算結(jié)果，立即被后面的梯級(jí)所利用。 （5）輸入繼電器受外部信號(hào)控制。只出現(xiàn)觸點(diǎn)，不出現(xiàn)線圈。1.4 PLC的控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)（1）PLC發(fā)展的潮流目前，國(guó)外PLC制造商不斷推出新產(chǎn)品。西門(mén)子最初推出S5系列，然后推出 S7系列；三菱開(kāi)始是F系列，F(xiàn)X系列，現(xiàn)在是Q系列（A1、A2、A2X）。大趨勢(shì)是功能越來(lái)越多，集成度越來(lái)越高，網(wǎng)絡(luò)功能越來(lái)越強(qiáng)。特別是網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槁?lián) 網(wǎng)是一個(gè)大潮流?，F(xiàn)在各種PLC都在發(fā)展自己的網(wǎng)絡(luò)，一般從結(jié)構(gòu)上有兩

15、種，一種在PLC模塊上做了一個(gè)通信輸出口，可以直接與計(jì)算機(jī)聯(lián)接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信（RS232聯(lián)接）；另一種是通過(guò)多點(diǎn)聯(lián)接（RS485聯(lián)接），這適用于多層PLC。這方面，西門(mén)子的產(chǎn)品具有代表性，它具有自己的PROFIBUS協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已經(jīng)被世界上絕大多數(shù)國(guó)家接受，幾乎已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，獲得廣泛的應(yīng)用。目前網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)的控制中心一般有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過(guò)電纜與現(xiàn)場(chǎng)的PLC站相連，每個(gè)站就放在被控設(shè)備的附近，從設(shè)備到PLC站之間的電纜很短，從PLC站到控制中心只需一根電纜線，這樣成本就大大降低了。（2）PLC的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)一是PLC網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，其中有兩個(gè)趨勢(shì)，一方面，PLC 網(wǎng)絡(luò)系

16、統(tǒng)已經(jīng)不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開(kāi)放式系統(tǒng)發(fā)展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成設(shè)備控制任務(wù)之外，還可以與上位計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息交流，成為整個(gè)信息管理系統(tǒng)的一部分。另一方面，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得到廣泛的采用，PLC與其他安裝在現(xiàn)場(chǎng)的智能化設(shè)備，比如智能化儀表，傳感器，智能型電磁閥，智能型驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，通過(guò)一根傳輸介質(zhì)（比如雙絞線，同軸電纜，光纜）連接起來(lái)，并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息，由此構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)與單純的PLC遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)相比，配置更靈活，擴(kuò)容更方便，造價(jià)更低，性能價(jià)格比更好，也更具開(kāi)放意義。二是PLC向高性能小型化發(fā)展。PLC的

17、功能正越來(lái)越豐富，而體積則越來(lái)越小。比如三菱的FX-1S系列PLC，最小的機(jī)種，體積僅為6090 75mm，相當(dāng)于一個(gè)繼電器，但卻具有高速計(jì)數(shù)、斜坡、交替輸出及16位四則運(yùn)算等能力，還具有可調(diào)電位器時(shí)間設(shè)定功能。PLC已不再是早期那種只能進(jìn)行開(kāi)關(guān)量邏輯運(yùn)算的產(chǎn)品了，而是具有越來(lái)越強(qiáng)的模擬量處理能力，以及其他過(guò)去只有在計(jì)算機(jī)上才能具有的高級(jí)處理能力，如浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，PID調(diào)節(jié)，溫度控制，精確定位，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，報(bào)表統(tǒng)計(jì)等。從這種意義上說(shuō)，PLC系統(tǒng)與DCS（集散控制系統(tǒng)）的差別已經(jīng)越來(lái)越小了。用PLC同樣可以構(gòu)成一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)。1.5 PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成設(shè)計(jì)原則及步驟 PLC的設(shè)計(jì)原則1）硬件設(shè)計(jì)

18、：硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容：PLC機(jī)型的選擇；輸入/輸出設(shè)備的選擇；圖樣（如接線圖等）繪制；硬件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則：（1）經(jīng)濟(jì)性（2）可靠性（3）先進(jìn)性及可擴(kuò)展性2） 軟件設(shè)計(jì)：軟件就是編寫(xiě)滿(mǎn)足生產(chǎn)控制要求的PLC用戶(hù)程序，即繪制梯形圖，或編寫(xiě)語(yǔ)句表。軟件設(shè)計(jì)原則：（1）邏輯關(guān)系要簡(jiǎn)單明了，易于編程；如繼電器的觸點(diǎn)可以使用無(wú)數(shù)次，只要在實(shí)現(xiàn)某個(gè)邏輯功能所需要的地方，可以隨時(shí)使用，使得編制程序具有可讀性，但要避免使用不必要的觸點(diǎn)。（2）保證程序功能的前提下盡量減少指令和程序的運(yùn)行時(shí)間。 PLC的設(shè)計(jì)步驟 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法和步驟如圖11所示：程序設(shè)計(jì)與調(diào)試分析生產(chǎn)過(guò)程，明確設(shè)計(jì)要求電器電路設(shè)計(jì)試運(yùn)行繪制

19、系統(tǒng)原理圖選擇PLC的型號(hào)總裝調(diào)試圖11 PLC的設(shè)計(jì)流程（1）確定方案： 被空對(duì)象環(huán)境較差，系統(tǒng)工藝復(fù)雜，考慮用PLC控制系統(tǒng)。控制很簡(jiǎn)單，可以考慮用繼電器控制系統(tǒng)。用PLC控制，首先要了解系統(tǒng)的工作過(guò)程及所有功能要求，從而分析被控對(duì)象的控制過(guò)程，輸入/輸出量是開(kāi)關(guān)量還是模擬量，明確控制要求，繪制系統(tǒng)流程圖。（2）選擇PLC的機(jī)型：PLC的可靠性上是沒(méi)有問(wèn)題的，機(jī)型的選擇主要是考慮功能上滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。機(jī)型的選擇依據(jù)：控制對(duì)象的輸入量，輸出量工作電壓輸出功率現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度要求控制室與現(xiàn)場(chǎng)的距離等。（3）選擇I/O設(shè)備，列出I/O地址分配表：輸入設(shè)備：控制按鈕、行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等。輸出設(shè)

20、備：接觸器、電磁閥、信號(hào)燈等。確定輸入/輸出設(shè)備的型號(hào)和數(shù)量。列寫(xiě)輸入/輸出設(shè)備與PLC的I/O端口地址對(duì)照表，繪制接線圖及編寫(xiě)程序。分配I/O地址時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：把所有按鈕、行程開(kāi)關(guān)等集中配置，按順序分配I/O地址；每個(gè)I/O設(shè)備占用地址；同一類(lèi)型的I/O點(diǎn)應(yīng)盡量安排在同一個(gè)區(qū)。彼此有關(guān)的輸出器件，如電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，其輸出地址應(yīng)連續(xù)分配。1）繪制電動(dòng)機(jī)的主電路及PLC外部的其它控制電路圖。2）繪制PLC的I/O接線圖。注：接在PLC輸入端的電器元件一律為常開(kāi)觸點(diǎn)，如停止按鈕等。3）繪制PLC及I/O設(shè)備的供電圖。輸入電路一般由PLC內(nèi)部提供電源，輸出電路根據(jù)負(fù)載的額定電壓外接電源。（4）設(shè)

21、計(jì)電氣線路圖：（5）程序設(shè)計(jì)與調(diào)試程序設(shè)計(jì)可以用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或者功能表圖設(shè)計(jì)法，或兩者結(jié)合使用。（6）總裝調(diào)試：接好硬件線路，把程序輸入PLC中，聯(lián)機(jī)調(diào)試2硬件設(shè)計(jì)2.1工作過(guò)程（1）打開(kāi)SV1充冷水，當(dāng)水到達(dá)上限位，使上限位傳感器輸出有信號(hào)時(shí)，停止供冷水，關(guān)閉SV1。（2）當(dāng)水到達(dá)下限位時(shí)，啟動(dòng)加熱器H，讓其加熱水，同時(shí)讓攪拌電動(dòng)機(jī)M開(kāi)始運(yùn)行，使水的溫度均勻上升。（3）設(shè)定給定溫度值為60。（4）當(dāng)實(shí)際溫度高于60時(shí)，開(kāi)通SV1和SV2，并運(yùn)行攪拌電機(jī)M；當(dāng)實(shí)際溫度低于60時(shí)，開(kāi)通加熱器H并運(yùn)行攪拌電機(jī)M。以此進(jìn)行循環(huán)。（5）當(dāng)水低于下限位傳感器時(shí)，報(bào)警燈亮。人工按下停止按鈕，重新開(kāi)始啟動(dòng)。圖2

22、1 實(shí)驗(yàn)水箱溫度控制系統(tǒng)符號(hào)描述2.2 I/O地址分配根據(jù)圖2-1及以上工作過(guò)程分析，統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱(chēng)、代碼及地址編號(hào)，如表2-1所示。水位上下限位信號(hào)分別為I0.2、I0.3,它們?cè)谒蜎](méi)時(shí)為1，露出時(shí)為0。表21 I/O分配名稱(chēng)符號(hào)地址編號(hào)輸入信號(hào)啟動(dòng)按鈕QS2I0.0停止按鈕QS1I0.1水池水位上限信號(hào)SLHI0.2水池水位下限信號(hào)SLLI0.3熱繼電器信號(hào)QSI0.4鉑電阻信號(hào)AI4AIW0輸出信號(hào)控冷水電磁閥SV1Q0.0控?zé)崴姶砰ySV2Q0.1攪拌電機(jī)MQ0.2報(bào)警指示燈HLQ0.3加熱器HAQPID輸出模擬信號(hào)A00AQW02.3選擇硬件從上面分析可以知道，系

23、統(tǒng)共有5個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)，4個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)，1個(gè)模擬量輸入點(diǎn)，1個(gè)模擬量輸出點(diǎn)。參照西門(mén)子S7-200產(chǎn)品目錄及市場(chǎng)實(shí)際價(jià)格，選用主機(jī)為CPU224(14入/10繼電器輸出)一臺(tái)，再擴(kuò)展一個(gè)模擬量模塊EM235(4AI/1AO)。這樣的配置是最經(jīng)濟(jì)的。整個(gè)PLC系統(tǒng)的配置如圖所示。主機(jī)單元CPU224AC/DC/繼電器模擬量單元EM2354AI/1AO圖22 恒溫水箱的PLC系統(tǒng)的配置 CPU224CPU224集成14輸入10輸出共24個(gè)數(shù)字量IO點(diǎn)。可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量IO點(diǎn)或35路模擬量IO 點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的

24、20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個(gè)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。IO端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。如下圖所示圖23 CPU224的接線圖雙向晶閘管雙向晶閘管工作原理:雙向可控硅具有兩個(gè)方向輪流導(dǎo)通、關(guān)斷的特性。雙向可控硅實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)反并聯(lián)的單向可控硅，是由NPNPN五層半導(dǎo)體形成四個(gè)PN結(jié)構(gòu)成、有三個(gè)電極的半導(dǎo)體器件。圖24 雙向可控晶閘管液溫的電加熱一般采用移相觸發(fā)可控硅調(diào)節(jié)方式。即PLC根據(jù)PID公式計(jì)算出控制電壓值，經(jīng)D/A變換成模擬量輸出給晶閘管，控制可控硅導(dǎo)通角。為避免電源畸變?cè)斐筛蓴_，此處采用雙向晶閘

25、管固定周期控制方式。工作原理為：，選定控制脈沖的周期Tc=1 s，100個(gè)工頻電源半周期即為10 ms。根據(jù)PID計(jì)算結(jié)果，微機(jī)在1秒固定周期內(nèi)，發(fā)出不同寬度的電脈沖去控制雙向晶閘管的門(mén)極，改變其導(dǎo)通時(shí)間，從而控制加熱器的平均輸出功率。熱電阻原理構(gòu)造熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。從熱電阻的測(cè)溫原理可知，被測(cè)溫度的變化是直接通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)測(cè)量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測(cè)量帶來(lái)影響。為消除引線電阻的影響一般采用三線制或四線制。熱電阻測(cè)

26、溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點(diǎn)： 熱電阻和顯示儀表的分度號(hào)必須一致 。 為了消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。3 PID的介紹3.1 PID的工作原理在控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖31所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對(duì)象組成。圖31 PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器,一種它根據(jù)給定值rin(t)與實(shí)際輸出值yout(t)構(gòu)成控制偏差： Error(t)=rin(t)-yout(t) （3.1）PID控制就是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后，形成一種控制規(guī)律。即，控制器的輸出為： （3

27、.2）或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式： （3.3）其中， kp比例系數(shù)；Ti積分時(shí)間常數(shù)；T d微分時(shí)間常數(shù)。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)error(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。比例控制： Gc(s)= Kp 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)盡弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。積分控制： Gc(s) = Kp/T is微分環(huán)節(jié)：反偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分控

28、制： Gc(s) =KpT ds基本PID控制器的理想算式為： （3.4） 式中u(t)控制器(也稱(chēng)調(diào)節(jié)器)的輸出；e(t)控制器的輸入（常常是設(shè)定值與被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；Kp控制器的比例放大系數(shù)；Ti 控制器的積分時(shí)間；Td控制器的微分時(shí)間。設(shè)u(k)為第k次采樣時(shí)刻控制器的輸出值，可得離散的PID算式 （3.5） 式中 。由于計(jì)算機(jī)的輸出u(k)直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門(mén)），u(k)的值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門(mén)開(kāi)度）一一對(duì)應(yīng)，所以通常稱(chēng)式(4.3)為位置式PID控制算法。位置式PID控制算法的缺點(diǎn)：當(dāng)前采樣時(shí)刻的輸出與過(guò)去的各個(gè)狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，

29、運(yùn)算量大；而且控制器的輸出u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。3.2 PID參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，本設(shè)計(jì)采用實(shí)驗(yàn)湊試法（1）確定控制器參數(shù)數(shù)字PID控制器控制參數(shù)的選擇，可按連續(xù)-時(shí)間PID參數(shù)整定方法進(jìn)行。在選擇數(shù)字PID參數(shù)之前，首先應(yīng)該確定控制器結(jié)構(gòu)。對(duì)允許有靜差（或穩(wěn)態(tài)誤差）的系統(tǒng)，可以適當(dāng)選擇P或PD控制器，使穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內(nèi)。對(duì)必須消除穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，應(yīng)選擇包含積

30、分控制的PI或PID控制器。一般來(lái)說(shuō)，PI、PID和P控制器應(yīng)用較多。對(duì)于有滯后的對(duì)象,往往都加入微分控制。（2）選擇參數(shù)控制器結(jié)構(gòu)確定后，即可開(kāi)始選擇參數(shù)。參數(shù)的選擇，要根據(jù)受控對(duì)象的具體特性和對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行。工程上，一般要求整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，對(duì)給定量的變化能迅速響應(yīng)并平滑跟蹤，超調(diào)量??；在不同干擾作用下，能保證被控量在給定值；當(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，等等。這些要求，對(duì)控制系統(tǒng)自身性能來(lái)說(shuō)，有些是矛盾的。我們必須滿(mǎn)足主要的方面的要求，兼顧其他方面，適當(dāng)?shù)卣壑蕴幚?。?）整定步驟實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為先比例，再積分，最后微分。整定比例控制將比例控制作用由小變到大

31、，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿(mǎn)足要求，需加入積分控制。先將步驟中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的5080，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿(mǎn)意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過(guò)步驟，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿(mǎn)意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿(mǎn)意的控制效果和PID控制參數(shù)。3.3 PID模塊介紹3.3.1 PID回路表的格式及初始化（1）PID回

32、路表PLC在執(zhí)行PID調(diào)節(jié)指令時(shí)，須對(duì)算法中的9個(gè)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，為此S7-200的PID指令使用一個(gè)存儲(chǔ)回路參數(shù)的回路表，PID回路表的格式及含義如表32所示。表31 PID回路表偏移地址（VB）變量名數(shù)據(jù)格式輸入輸出類(lèi)型取值范圍T+0反饋量（PVn）雙字實(shí)數(shù)輸入應(yīng)在0.01.0之間T+4給定值(SPn)雙字實(shí)數(shù)輸入應(yīng)在0.01.0之間T+8輸出值(Mn)雙字實(shí)數(shù)輸入輸出應(yīng)在0.01.0之間T+12增益(KC)雙字實(shí)數(shù)輸入比例常數(shù),可正可負(fù)T+16采樣時(shí)間(TS)雙字實(shí)數(shù)輸入單位為s,必須為正數(shù)T+20積分時(shí)間(TI)雙字實(shí)數(shù)輸入單位為min,必須為正數(shù)T+24微分時(shí)間(TD)雙字實(shí)數(shù)輸入單位

33、為min,必須為正數(shù)T+28積分和(YQ)或積分項(xiàng)前值(MX)雙字實(shí)數(shù)輸入輸出應(yīng)在0.01.0之間T+32反饋量前值(PVn-1)雙字實(shí)數(shù)輸入輸出最后一次執(zhí)行PID指令的過(guò)程變量值說(shuō)明：PLC可同時(shí)對(duì)多個(gè)生產(chǎn)過(guò)程（回路）實(shí)行閉環(huán)控制。由于每個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的具體情況不同，PID算法的參數(shù)亦不同。因此，需建立每個(gè)控制過(guò)程的參數(shù)表，用于存放控制算法的參數(shù)和過(guò)程中的其它數(shù)據(jù)。當(dāng)需要執(zhí)行PID運(yùn)算時(shí)，從參數(shù)表中把過(guò)程數(shù)據(jù)送至PID工作臺(tái)，待運(yùn)算完畢后，將有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果再送至參數(shù)表。反饋量PVn和給定值SPn為PID算法的輸入，只可由PID指令讀取并不可更改。通常反饋量來(lái)自模擬量輸入模塊，給定量來(lái)自人機(jī)對(duì)話設(shè)備

34、，如TD200、觸摸屏、組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)等。表中回路輸出值Mn由PID指令算得出，僅當(dāng)PID指令完全執(zhí)行完畢才予以更新。該值還需用戶(hù)按工程量標(biāo)定通過(guò)編程轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字值，送往PLC的模擬量輸出寄存器AQWx。表中增益（KC）、采樣時(shí)間（TS）、積分時(shí)間（TI）、微分時(shí)間TD是由用戶(hù)事先寫(xiě)入的值，通常也可通過(guò)人機(jī)對(duì)話設(shè)備（如TD200、觸摸屏、組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)）的輸入。表中積分和YX由PID運(yùn)算結(jié)果更新，且次更新值用作下一次PID運(yùn)算的輸入值。積分和的調(diào)整值必須是0.00.1之間的實(shí)數(shù)。（2）PID回路表初始化為了執(zhí)行PID指令，要對(duì)PID回路表的初始化處理，即將PID回路表中有關(guān)參數(shù)（給定值

35、SPn 、增益值KC、采樣時(shí)間TS、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD）。按照地址偏移量寫(xiě)入到變量寄存器V中。一般是調(diào)用一個(gè)子程序，在子程序中對(duì)PID回路表進(jìn)行初始化處理。在采用人機(jī)界面的系統(tǒng)中，初始化參數(shù)通過(guò)人機(jī)界面直接輸入。 PID程序本次設(shè)計(jì)中在主程序、子程序、中斷程序中均涉及到了PID 控制。在主程序中調(diào)用初始化子程序圖（32）；子程序用來(lái)建立PID回路初始化參數(shù)表和設(shè)置中斷（圖33），采用定時(shí)中斷來(lái)定時(shí)采樣，設(shè)置定時(shí)時(shí)間和采樣時(shí)間為100ms,并寫(xiě)入SMB34；中斷程序用于執(zhí)行PID運(yùn)算（圖34）。標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)采用用單極性（取值范圍為032000）。圖32 主程序中的調(diào)用PID 初始化指令圖33

36、 PID子程序圖34 PID中斷程序4程序4.1 順序功能流程圖對(duì)于較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，通常采用順序控制法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。順序控制法的基本思想是將一個(gè)復(fù)雜的控制過(guò)程分成一系列“狀態(tài)”或稱(chēng)為“步”，編程時(shí)可針對(duì)一個(gè)個(gè)的狀態(tài)進(jìn)行，每一個(gè)狀態(tài)程序都含有本狀態(tài)做什么，滿(mǎn)足什么條件時(shí)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)到哪一個(gè)狀態(tài)去這樣一些問(wèn)題。最后利用狀態(tài)間的聯(lián)系完成整體控制程序。對(duì)于水箱溫度控制系統(tǒng)的順序功能流程圖如圖41所示。SM0.1S0.0S0.1S0.3S0.4PID.S0.6S0.5S0.2Q0.2AQQ0.2AQQ0.0Q0.0Q0.0Q0.1ATCHQ0.2ATCHAQQ0.2I0.0啟動(dòng)按鈕I0.3下限位

37、I0.2上限位ATCH中斷判斷VD250R溫度高VD250R溫度低ATCHI0.3I0.1S0.7Q0.3I0.3 水位過(guò)低圖41 功能功能流程圖4.2 程序設(shè)計(jì)(1) 程序中使用的PLC元件及其功能如表41所示。表41 程序中使用的PLC元件地址及其功能器件地址功能VB100過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值PVnVD100過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值VD104溫度給定值VD108PI計(jì)算值VD112比例系數(shù)VD116采樣時(shí)間VD120積分時(shí)間VD124微分時(shí)間(2)程序中所用到的部分指令及功能說(shuō)明如表42所示。表42 部分所用指令梯形圖程序語(yǔ)句表程序說(shuō)明CALL SBR0子程序調(diào)用指令：子程序的編號(hào)從0開(kāi)始，隨著子程序

38、個(gè)數(shù)的增加自動(dòng)生成，可以063 MOVB IN，OUTMOVW IN，OUTMOVR IN，OUT數(shù)據(jù)傳送指令：實(shí)現(xiàn)字節(jié)、字和實(shí)數(shù)的數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)使能輸入EN為1時(shí)，把輸入端數(shù)據(jù)IN傳送到輸出端OUT。ATCH INT，EVNT中斷指令：用來(lái)建立中斷事件（EVNT）與中斷程序（INT）之間的聯(lián)系。 ITD IN，OUTDIT IN，OUT整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)DTR IN，OUT雙字整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)PID TBL，LOOP當(dāng)使能端EN為1時(shí)，PID調(diào)節(jié)指令對(duì)TBL為起始地址的PID參數(shù)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運(yùn)算*RIN1，OUT乘法指令：實(shí)現(xiàn)雙整數(shù)的乘法運(yùn)算。IN1*IN2=OUT/RIN

39、1，OUT除法指令：實(shí)現(xiàn)雙整數(shù)的除法運(yùn)算。IN1/IN2=OUT(3) 恒溫水箱控制系統(tǒng)的梯形圖程序及程序注釋如圖42所示。因?yàn)槌绦蜉^長(zhǎng)，所以讀圖時(shí)請(qǐng)按網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)的順序進(jìn)行。(a) 主程序(b) 子程序(c)中斷程序圖42 水箱溫度控制系統(tǒng)梯形圖程序結(jié) 束 語(yǔ)在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我學(xué)到了許多東西。整個(gè)做設(shè)計(jì)的過(guò)程是訓(xùn)練我獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)研究的過(guò)程。按照老師給予我們的題目及其要求，可以使我們了解科學(xué)研究的過(guò)程，掌握如何收集、整理和利用材料；如何利用圖書(shū)館，檢索文獻(xiàn)資料；如何操作文本及其它一些軟件等方法。畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)習(xí)如何進(jìn)行科學(xué)研究的一個(gè)極好的機(jī)會(huì)，因?yàn)樗粌H有教師的指導(dǎo)與傳授，可以減少摸索中的一些失誤，少走彎路，而且直接參與和親身體驗(yàn)了科學(xué)研究工作的全過(guò)程及其各環(huán)節(jié)，是一次系統(tǒng)的、全