基于PLC和PID的溫度控制系統(tǒng)開發(fā)

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在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度作為一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)，好多生產(chǎn)過程都對(duì)溫度有著嚴(yán)格的要求。相當(dāng)一部分的生產(chǎn)過程要求恒溫條件下才能很好的進(jìn)行。因此溫度自動(dòng)調(diào)理過程對(duì)生產(chǎn)發(fā)展有重要的意義。

本文采用西門子S7-200型PLC，通過對(duì)硬件選型和組織，利用編程軟件STEP7micr/WIN編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)工程中活動(dòng)水箱中水溫的恒溫控制。運(yùn)用經(jīng)典的PID算法使得系統(tǒng)有較為滿意的溫度控制效果。通過調(diào)用編程軟件中的PID控制模塊使得程序簡單，運(yùn)行速度更快。系統(tǒng)還對(duì)各種意外狀況作了相應(yīng)的處理，使得系統(tǒng)的功能完善。本設(shè)計(jì)重視于硬件選型，并在STEP7micr/WIN中編寫程序，實(shí)現(xiàn)了要求的各種功能，并能根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行參數(shù)自整定。

：溫度控制PID控制PLC控制組態(tài)王

Inallkindsofproductionactivity,temperatureisaveryimportanttechnicalindex.Manyactivitiesfirmtemperaturestrictlyandapartoftheproductionprocessrequiresgoodconstanttemperatureconditions.Sotheautomationoftemperatureprocesshastheimportantmeaningcontroltopromoteproductivitydevelopment.

Inthisarticle,weusetheSiemensS7-200PLC,accordingtothehardwaretypeselectionandorganization,towritecontrolprogrambasedontheprogrammingsoftwareSTEP7micro/WIN,realizingthewatertemperaturecontrolinwatertankintheproductionengineeringactivity.UsingtheclassicalPIDalgorithmmakesthesystemhaveamoresatisfactorytemperaturecontroleffect.BycallingthePIDcontrolmoduleofprogrammingsoftwaremakestheprogrammoreconciseandfaster.Atthesametime,thesystemalsomakescorrespondingprocessingtoallsortsofaccidenttomakethefunctionofthesystemperfect.FocusedonahardwareselectionandprogrammedinSTEP7micro/WIN,itachievestherequirementsofvariouskindsoffunctionsthroughabovework.Anditcanaccordingtoproductionenvironmentparameterself-setting.

:TemperaturecontrolPIDcontrolPLCcontrolConfigurationking

1設(shè)計(jì)功能簡介

本溫度控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)大容量水箱的水溫，其工作過程和要求如下：

按要求設(shè)定水箱的恒溫控制，啟動(dòng)水泵進(jìn)水，到指定液位后，啟動(dòng)攪拌電機(jī)攪拌，測(cè)量水溫與設(shè)定值比較。測(cè)量的溫度范圍：20~80℃溫度超限進(jìn)行報(bào)警。若水溫高于設(shè)定值5℃~10℃進(jìn)冷水；若水溫高于設(shè)定值10℃以上時(shí)，采用進(jìn)冷水與風(fēng)冷同時(shí)進(jìn)行的方法實(shí)現(xiàn)降溫控制。系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供一個(gè)界面對(duì)溫度、流量、加熱電功率進(jìn)行實(shí)測(cè)并顯示。進(jìn)水時(shí)無流量或加熱、冷卻時(shí)水溫?zé)o變化時(shí)應(yīng)進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)能夠自動(dòng)整定PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量與控制。在本系統(tǒng)中，對(duì)所有參數(shù)的設(shè)定和顯示，采用在組態(tài)王的監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)定和顯示，這樣更加形象和生動(dòng)。

2設(shè)計(jì)的方案

溫度控制系統(tǒng)不應(yīng)當(dāng)只能用于一套設(shè)備，當(dāng)外界環(huán)境改變的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)能夠進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到最優(yōu)的控制效果，這就是加強(qiáng)溫度控制系統(tǒng)的可移植性。設(shè)計(jì)中采用西門子S7-200系

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2023年畢業(yè)設(shè)計(jì)摘要

列的PLC，這種PLC內(nèi)部具有PID參數(shù)自整定功能，即使外界環(huán)境改變，其能根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)調(diào)整PID的各種控制參數(shù)，選擇出最優(yōu)的控制參數(shù)。

硬件部分水箱按要求容量進(jìn)行選擇，水泵選擇小型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的水泵，閥門采用電磁閥，攪拌電機(jī)也采用三相小型電動(dòng)機(jī)。采用熱電偶進(jìn)行溫度的采集，完成溫度信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，關(guān)于溫度信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化，采用PLC的外設(shè)EM231模擬量轉(zhuǎn)換模塊。針對(duì)不同溫度狀況通過PLC內(nèi)部編寫的程序來輸出各種控制信號(hào)，控制閥門、水泵、風(fēng)扇、攪拌電機(jī)等。

對(duì)溫度進(jìn)行PID調(diào)理，PID運(yùn)算的結(jié)果去控制接通電加熱器，但加熱器采用的是穩(wěn)定功率的加熱器，其狀態(tài)只能是開或關(guān)，不能接受模擬量調(diào)理。在實(shí)現(xiàn)PID控制時(shí)采用了“占空比〞的控制方法，即將溫度傳感器檢測(cè)到的溫度值送入PLC后，經(jīng)PID指令運(yùn)算成為一個(gè)0~1的實(shí)數(shù)，把該實(shí)數(shù)按比例換算成一個(gè)0-100的整數(shù)，把該整數(shù)作為一個(gè)范圍為0-10s的時(shí)間t。設(shè)計(jì)周期為10s的脈沖，脈沖寬度為t,把該脈沖加給電加熱器即可像模擬量一樣去控制溫度。

關(guān)于對(duì)溫度的設(shè)定、輸出顯示等則采用組態(tài)王監(jiān)控界面進(jìn)行。組態(tài)王有著強(qiáng)大的監(jiān)控功能，通過其與PLC連接可以顯示PLC內(nèi)部的各個(gè)接口或者存儲(chǔ)器的內(nèi)容和狀態(tài)以及各種控制信號(hào)狀態(tài)，在組態(tài)王的界面上還可以進(jìn)行設(shè)定值的設(shè)定，能記錄歷史曲線，能報(bào)警，完成監(jiān)控任務(wù)。而且這種監(jiān)控可以在計(jì)算機(jī)上形象的表示出來，有利于工作人員對(duì)各種數(shù)據(jù)的記錄和分析。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)PLCEM231模塊熱電偶固態(tài)繼電器圖1溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

加熱器

本系統(tǒng)是基于西門子S7-200小型PLC所研制的，在整個(gè)系統(tǒng)中有如下部分：

采樣輸入：主要是采集現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)，包括溫度、流量，和各種開關(guān)量信號(hào)。

轉(zhuǎn)換器：將各種采集到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的0—20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。此處采用EM231模擬量輸入模塊。

S7-200PLC：完成對(duì)各個(gè)輸入量的采集和處理并輸出控制信號(hào)。

信號(hào)轉(zhuǎn)換：將各種弱電的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換成強(qiáng)電的控制信號(hào)，如各種繼電器，功率轉(zhuǎn)換裝置?？刂茖?duì)象：本系統(tǒng)中的控制對(duì)象主要有：進(jìn)水泵、攪拌電機(jī)、冷卻風(fēng)扇、排水閥門、報(bào)警器。

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姜大巍：基于PLC和PID的溫度控制系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)的整個(gè)控制功能圖如圖2所示

啟動(dòng)水泵進(jìn)水否是否有流量報(bào)警中止關(guān)閉水泵關(guān)閉風(fēng)扇開啟排水閥門是否液位是否到溫度檢測(cè)終止是是否<Ts+5否Ts+5<T<Ts+10?是報(bào)警是液位是否超限是PID控制否否溫度是否超限否關(guān)閉水泵啟動(dòng)攪拌機(jī)中止關(guān)閉水泵關(guān)閉風(fēng)扇開啟排水閥門啟動(dòng)風(fēng)扇是報(bào)警終止圖2溫度控制系統(tǒng)工作流程圖

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2023年畢業(yè)設(shè)計(jì)摘要

4系統(tǒng)的I/O分派

表1溫度控制系統(tǒng)中數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)分派

數(shù)字量輸入名稱啟動(dòng)按鈕中止按鈕液位開關(guān)（中）液位開關(guān)（警惕位）

熱保護(hù)

端口I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4

數(shù)字量輸著名稱水泵攪拌電機(jī)冷卻風(fēng)扇排水閥門報(bào)警器電加熱器

端口Q0.0Q0.1Q0.2Q0.4Q0.5Q0.6

表2溫度控制系統(tǒng)中模擬量輸入點(diǎn)分派

模擬量輸入溫度采集信號(hào)流量采集信號(hào)

端口AIW0AIW2

本溫度控制系統(tǒng)中，除了有開關(guān)量輸入外，還有溫度、流量等模擬量。對(duì)于各種開關(guān)量，可以直接分派端口，讓PLC讀取其狀態(tài)即可。輸入量如啟動(dòng)按鈕、中止按鈕等，輸出量如水泵、攪拌電機(jī)的啟動(dòng)等。在本系統(tǒng)中還有模擬量，如溫度、流量，這些量由傳感器測(cè)得，但是其信號(hào)并不統(tǒng)一，需經(jīng)過變送器將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的0-20mA電流信號(hào)以后才能送給PLC進(jìn)行處理。

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姜大?。夯赑LC和PID的溫度控制系統(tǒng)開發(fā)

5系統(tǒng)的硬件連接

計(jì)算機(jī)組態(tài)監(jiān)控通信線纜SB1KM1啟動(dòng)Q0.0水泵中止