基于PLC的溫度過程控制

一．概述1。1PLC簡(jiǎn)介隨著微處理器，計(jì)算機(jī)的和數(shù)字通訊技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)滲透到所有工業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)前用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)可分為：可編程控制器，基于PC總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，基與單片機(jī)的測(cè)控裝置，用于模擬量閉環(huán)控制的可編程調(diào)節(jié)器,集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS）等?？删幊炭刂破魇菓?yīng)用廣泛,功能強(qiáng)大,使用方便的通用工業(yè)控制裝置，已成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的重要支柱。近幾年來，在國(guó)內(nèi)已得到迅速推廣普及.正改變著工廠自動(dòng)控制的面貌，對(duì)傳統(tǒng)的技術(shù)改造、發(fā)展新型工業(yè)具有重大的實(shí)際意義。可編程控制器對(duì)用戶來說，是一種無觸點(diǎn)設(shè)備,改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設(shè)計(jì)階段選用可編程控制器，在實(shí)施階段再確定工藝過程.另一方面，從制造生產(chǎn)可編程控制器的廠商角度看，在制造階段不需要根據(jù)用戶的要求專門設(shè)計(jì)控制器，適合批量生產(chǎn).由于這些特點(diǎn)，可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展.可編程序控制器，英文稱ProgrammableController,簡(jiǎn)稱PC。但由于PC容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)（PersonalComputer）混淆,故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程序控制器的縮寫.它是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令,并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程.PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn),充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言知識(shí),而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單指令形式,使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。用戶在購(gòu)到所需的PLC后，只需按說明書的提示,做少量的接線和簡(jiǎn)易的用戶程序的編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。1。2PLC原理現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一需求，生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)必須具有極高的靈活性和可靠性，可編程控制器就順應(yīng)而生.隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算機(jī)控制已擴(kuò)展到所有的控制領(lǐng)域.在建材，化工,食品,機(jī)械，鋼鐵,煤礦等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用帶式運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送原料物品?？删幊炭刂破鞯陌l(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元,使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易.可編程程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程程序存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令。并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)該易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì).PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的.即在PLC運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序,按指令步序號(hào)（或地址號(hào))作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采樣和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的掃描一個(gè)周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對(duì)應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中,即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。PLC在程序執(zhí)行階段:按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令,經(jīng)相應(yīng)的運(yùn)算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中,輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間,CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。二．硬件設(shè)計(jì)2。1設(shè)計(jì)要求本實(shí)驗(yàn)的給定值（目標(biāo)值）可以預(yù)先設(shè)定后直接輸入到回路中；過程變量由在受熱體中的Pt100測(cè)量并經(jīng)溫度變送器給出，為單極性電壓模擬量；輸出值是送至加熱器的電壓，其允許變化范圍為最大值的0%至100%2.2選擇PLC型號(hào)S7-200

PLC系列是西門子公司的可編程控制器，這一系列產(chǎn)品可以滿足多種多樣的自動(dòng)化控制要求,由于具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格以及強(qiáng)大的指令，使得S7-200

PLC可以滿足小規(guī)模的控制要求.此外,豐富的CPU類型和電壓等級(jí)使其在解決用戶的工業(yè)自動(dòng)化問題時(shí)，具有很強(qiáng)的是適用性.1臺(tái)S7—200

PLC包括一個(gè)單獨(dú)的S7-200

CPU，或者帶有各種各樣的可選擴(kuò)展模塊.S7—200

CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元（CPU）、電源以及數(shù)字量I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序和存儲(chǔ)數(shù)據(jù),以便對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制任務(wù)或過程進(jìn)行控制;

輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點(diǎn):輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào)，輸出部分則控制泵、電機(jī)、以及控也過程中的其他設(shè)備；電源向CPU

及其所連接的任何設(shè)備提供電力;通訊端口允許將S7—200

CPU同編程器或其他一些設(shè)備連起來;狀態(tài)信號(hào)燈顯示了CPU

的工作模式（運(yùn)行或停止），本機(jī)I/O的當(dāng)前狀態(tài)，以及檢查出來的系統(tǒng)錯(cuò)誤；通過擴(kuò)展模塊可提供其通訊性能；通過擴(kuò)展模塊可增加CPU的I/O點(diǎn)數(shù)（CPU

221不擴(kuò)展)；一些CPU有內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，或添加實(shí)時(shí)時(shí)鐘卡；EEPROM卡可以存儲(chǔ)CPU程序,也可以將一個(gè)CPU中的程序送到另一個(gè)CPU中；

通過可選的插入式電池盒可延長(zhǎng)RAM中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間;最大I/O配置。2。3輸入輸出接線圖圖2。3輸入輸出接線圖此面板中的Pt100為熱電偶,用來監(jiān)測(cè)受熱體的溫度，并將采集到的溫度信號(hào)送入變送器，再由變送器輸出單極性模擬電壓信號(hào)，到模擬量模塊,經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算處理后，輸出模擬量電流信號(hào)到調(diào)壓模塊輸入端,調(diào)壓模塊根據(jù)輸入電流的大小，改變輸出電壓的大小，并送至加熱器.為了使溫度變送器正常工作，還要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。2。4輸入輸出接線列表表2。4輸入輸出接線列表模塊端子0～5+0～5—+—OUT→測(cè)溫模擬量端子V0M0A+A-2。5實(shí)驗(yàn)說明（1)本實(shí)驗(yàn)說明本實(shí)驗(yàn)的給定值（目標(biāo)值)可以預(yù)先設(shè)定后直接輸入到回路中;過程變量由在受熱體中的Pt100測(cè)量并經(jīng)溫度變送器給出,為單極性電壓模擬量；輸出值是送至加熱器的電壓，其允許變化范圍為最大值的0%至100％。(2）理解S7系列的PID功能指令PID循環(huán)(PID）指令根據(jù)表格（TBL）中的輸入和配置信息對(duì)引用LOOP執(zhí)行PID循環(huán)計(jì)算。提供PID循環(huán)指令（成比例、整數(shù)、導(dǎo)出循環(huán)）進(jìn)行PID計(jì)算.邏輯堆棧（TOS)頂值必須是“打開”（功率流）狀態(tài),才能啟用PID計(jì)算.本指令有兩個(gè)操作數(shù):表示循環(huán)表起始地址的TBL地址和0至7常量的“循環(huán)”號(hào)碼。程序中可使用八條PID指令.如果兩條或多條PID指令使用相同的循環(huán)號(hào)碼（即使它們的表格地址不同)，PID計(jì)算會(huì)互相干擾，結(jié)果難以預(yù)料.循環(huán)表存儲(chǔ)九個(gè)參數(shù)，用于控制和監(jiān)控循環(huán)運(yùn)算,包括程序變量、設(shè)置點(diǎn)、輸出、增益、樣本時(shí)間、整數(shù)時(shí)間（重設(shè)）、導(dǎo)出時(shí)間(速率)以及整數(shù)和（偏差）的當(dāng)前值及先前值.如果循環(huán)表起始地址或指令中指定的PID循環(huán)號(hào)碼操作數(shù)超出范圍，CPU編譯器將生成一則錯(cuò)誤（范圍錯(cuò)誤）,編譯將會(huì)失敗。PID指令不對(duì)某些循環(huán)表輸入值進(jìn)行范圍檢查。您必須保證程序變量和設(shè)置點(diǎn)（以及作為輸入的偏差和先前程序變量)是0。0和1。0之間的實(shí)數(shù)。如果進(jìn)行PID計(jì)算的數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)遇到錯(cuò)誤，將設(shè)置SM1。1（溢出或非法數(shù)值）并終止PID指令的執(zhí)行。（對(duì)循環(huán)表中的輸出數(shù)值的更新可能不完整，因此您應(yīng)當(dāng)忽略這些數(shù)值，并在執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)PID指令之前糾正引起數(shù)學(xué)錯(cuò)誤的輸入值。）在PID指令框中輸入的表格（TBL）起始地址為循環(huán)表分配三十六（36）個(gè)字節(jié)。表2。5起始地址表格偏移量域格式類型說明0PVn進(jìn)程變量雙字—實(shí)數(shù)入包含進(jìn)程變量，必須在0。0至1。0范圍內(nèi)。4SPn定點(diǎn)雙字—實(shí)數(shù)入包含定點(diǎn)，必須在0。0至1。0范圍內(nèi)。8Mn輸出雙字-實(shí)數(shù)入/出包含計(jì)算輸出，在0。0至1。0范圍內(nèi)12Kc增益雙字-實(shí)數(shù)入包含增益，此為比例常量，可為正數(shù)或負(fù)數(shù)。16Ts樣本時(shí)間雙字-實(shí)數(shù)入包含樣本時(shí)間，以秒為單位，必須為正數(shù)。20Ti積分時(shí)間或重設(shè)雙字—實(shí)數(shù)入包含積分時(shí)間或重設(shè)，以分鐘為單位，必須為正數(shù)。24Td微分時(shí)間或速率雙字-實(shí)數(shù)入包含微分時(shí)間或速率,以分鐘為單位，必須為正數(shù)。28Mx偏差雙字—實(shí)數(shù)入/出包含0。0和1.0之間的偏差或積分和數(shù)值.32PVn—1以前的進(jìn)程變量雙字—實(shí)數(shù)入/出包含最后一次執(zhí)行PID指令存儲(chǔ)的進(jìn)程變量以前的數(shù)值.在P,I，D這三種控制作用中，比例部分與誤差部分信號(hào)在時(shí)間上時(shí)一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時(shí)地產(chǎn)生與誤差成正比例的調(diào)節(jié)作用,具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。比例系數(shù)越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng),系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高；但是對(duì)于大多數(shù)的系統(tǒng)來說，比例系數(shù)過大，會(huì)使系統(tǒng)的輸出振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。調(diào)節(jié)器中的積分作用與當(dāng)前誤差的大小和誤差的歷史情況都有關(guān)系，只要誤差不為零,控制器的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，一直要到誤差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，積分部分才不再變化,因此,積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。2。6程序簡(jiǎn)單流程圖三．軟件設(shè)計(jì)3。1設(shè)計(jì)梯形圖3.2設(shè)計(jì)指令表LDSM0。1CALLSBR_0:SBR0LDSM0。0MOVR0。1985，VD104MOVR0。15，VD112MOVR35。0，VD116MOVR30。0,VD120MOVR0.0,VD124MOVB100，SMB34ATCHINT_0：INT0，10ENILDSM0.0ITDAIW0,AC0DTRAC0，AC0/R32000.0,AC0MOVRAC0,VD100LDSM0。0PIDVB100,0LDSM0.0LPSMOVRVD108，AC0＊R16000.0,AC0ROUNDAC0，AC0DTIAC0，AC0MOVWAC0,MW0MOVRVD100,AC1—RVD104，AC1AR〉A(chǔ)C1，0。0015MOVW+0，AQW0AENO=M0.0LRDAR〈AC1，—0.005MOVW+16000,AQW0AENO=M0.1LPPAR>=AC1，—0.005AR〈=AC1,0。0015MOVWMW0,AQW0AENO=M0。2LDM0.0=Q0。0LDM0。1=Q0.1LDM0。2=Q0。2四．程序調(diào)試本程序分為三部分:主程序，子程序，中斷程序子程序主要是將各個(gè)PID運(yùn)算所需的參數(shù)變量輸入寄存器中。中斷程序主要是將模擬量輸入到寄存器中,并將運(yùn)算完畢的整數(shù)值寫到模擬輸出寄存器中。輸入的數(shù)據(jù)時(shí)，裝入設(shè)定值0.193，回路増溢0。15，采樣時(shí)間1秒，積分時(shí)間30分鐘,關(guān)閉微分作用。設(shè)定定時(shí)中斷0的時(shí)間間隔是100ms設(shè)定定時(shí)中斷,以定時(shí)執(zhí)行PID指令。檢查程序有無錯(cuò)誤,檢查無誤后接通電源，將程序下載到運(yùn)行模擬平臺(tái)上并運(yùn)行該程序，并檢查運(yùn)行情況看看是否運(yùn)行正常。運(yùn)行正常停止運(yùn)行，關(guān)閉計(jì)算機(jī)關(guān)閉電源，結(jié)束.五．結(jié)束語(yǔ)通過本次課程設(shè)計(jì)，使我加深了對(duì)PLC梯形圖、指令表、外部接線圖的理解，還有經(jīng)過在網(wǎng)上查找資料以及到圖書館學(xué)習(xí),也使我更好的理解和認(rèn)識(shí)了關(guān)于PLC設(shè)計(jì)原理和實(shí)際中的應(yīng)用過程。在課程設(shè)計(jì)過程中我們互相討論，請(qǐng)教老師，在不斷的調(diào)試各自的程序中,發(fā)現(xiàn)了很多各自的問題并進(jìn)行研究解決。我們?cè)囍貌煌脑O(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)我們的課題，這樣不僅可以拓寬我們的思路，還可以使我們的設(shè)計(jì)成果更加嚴(yán)謹(jǐn)。本次課程設(shè)計(jì)可以為我以后工作打下一定的基礎(chǔ)，感謝本次課程設(shè)計(jì)，感謝我的指導(dǎo)老師!在這次課設(shè)中，我以前關(guān)于PLC的知識(shí)面得到了拓展,知道的得到了鞏固，不知道的，借助于圖書館和網(wǎng)絡(luò)得到解決,在相關(guān)的資料的查詢中，我對(duì)信息的篩選能力又得到了提升。再次感謝老師不惜浪費(fèi)自己的時(shí)間來幫助我決絕問題。為以后的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ).而且，這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)以前學(xué)過的知識(shí)進(jìn)行了鞏固,加深了理解，提高了應(yīng)用的能力，提高了我們的發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力。六．參考文獻(xiàn)1.TVT—99系列教學(xué)實(shí)物模型使用說明書.天津:天津職業(yè)技術(shù)師范