基于PLC的水箱溫度控制系統(tǒng)

【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完成對(duì)水箱中液體的液位和溫度檢測，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)非常重要的局部。通過鉑熱電阻對(duì)溫度進(jìn)行測量，將測量到的溫度傳到PLC中。PLC對(duì)采集到的溫度值與給定值進(jìn)行比擬，經(jīng)過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)硬件局部主要由CPU224、EM235、雙向晶閘管等組成；軟件局部主要由PID控制來完成。關(guān)鍵詞：PLCCPU224EM235雙向晶閘管PID控制Abstract:Inthispaper,istheprogrammablecontrollerinthewatertanktemperaturecontrolsystemapplication,watertanktemperaturecontrolsystemismainlyusedtocompletethetankliquidlevelandtemperaturedetection,andadjustthetemperatureparameters.System,temperaturecontrolisaveryimportantpart.ByplatinumRTDtemperaturemeasurementwillbemeasuredinthetemperaturereachedthePLC.PLConthecollectedtemperaturevaluescomparedwithagivenvalue,afteraPIDoperation,theregulatorTriacoffthesetperiodoftimetheratioofchangeinheatingwireinthecurrentsizeandheatingtimetocompletetherighttemperaturecontrolrequirements.ThesystemhardwaremainlybytheCPU224,EM235,bi-directionalthyristoretc.;software,someofthemajorbythePIDcontroltocomplete.Keywords:PLCCPU224EM235TriacPIDControl目錄1.前言11.1恒溫系統(tǒng)應(yīng)用11.2PLC的結(jié)構(gòu)1中央處理單元(CPU)1存儲(chǔ)器1電源21.3PLC的工作原理21.3.1PLC的根本工作原理21.3.2PLC編程方式31.4PLC的控制系統(tǒng)開展趨勢31.5PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成設(shè)計(jì)原那么及步驟41.5.1PLC的設(shè)計(jì)原那么41.5.2PLC的設(shè)計(jì)步驟52硬件設(shè)計(jì)72.1工作過程72.2I/O地址分配72.3選擇硬件82.3.1CPU2248雙向晶閘管9熱電阻原理構(gòu)造103PID的介紹113.1PID的工作原理113.2PID參數(shù)整定123.3PID模塊介紹133.3.1PID回路表的格式及初始化133.3.2PID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25謝辭26參考文獻(xiàn)271.前言1.1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)的開展根底上開發(fā)出來的，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，并通過數(shù)字量和模擬量是輸入/輸出來控制設(shè)備或生產(chǎn)過程。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的恒溫檢測控制系統(tǒng)。1.2PLC的結(jié)構(gòu)PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)其硬件結(jié)構(gòu)根本上與微型計(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)；并能診斷用戶程序中的語法錯(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)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后，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)存放器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出存放器內(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)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器；存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。(1)PLC常用的存儲(chǔ)器類型①RAM(RandomAssessMemory)，這是一種讀/寫存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。②EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)，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)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)。③EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)，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)；用戶程序存儲(chǔ)區(qū)。①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、系統(tǒng)診斷子程序、等由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取，它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的性能。②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)以及各類軟設(shè)備如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)存放器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址存放器、累加器、等存儲(chǔ)器。aI/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)，這些單元稱作I/O映象區(qū)，一個(gè)開關(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)，因此整個(gè)I/O映象區(qū)可看作兩個(gè)局部組成：開關(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)部各類軟設(shè)備(邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)存放器和累加器等)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用戶程序存儲(chǔ)區(qū)用戶程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶編制的用戶程序，不同類型的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。如果沒有一個(gè)良好的可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(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。1.3PLC的工作原理1.3.1P〔1〕PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)〞的工作方式1〕每次掃描過程。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)，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時(shí)，新狀態(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〕元件映象存放器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。5〕掃描周期的長短由三條決定：CPU執(zhí)行指令的速度；指令本身占有的時(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?！?〕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編程語言有梯形圖、布爾助記符語言，等等。尤其前兩者為常用。梯形圖語言特點(diǎn)：〔1〕每個(gè)梯形圖由多個(gè)梯級(jí)組成?！?〕梯形圖中左右兩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?！?〕繼電器線圈只能出現(xiàn)一次，而它的常開、常閉觸點(diǎn)可以出現(xiàn)無數(shù)次?！?〕每一梯級(jí)的運(yùn)算結(jié)果，立即被后面的梯級(jí)所利用?！?〕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。1.4PLC的控制系統(tǒng)開展趨勢〔1〕PLC開展的潮流目前，國外PLC制造商不斷推出新產(chǎn)品。西門子最初推出S5系列，然后推出S7系列；三菱開始是F系列，F(xiàn)X系列，現(xiàn)在是Q系列〔A1、A2、A2X〕。大趨勢是功能越來越多，集成度越來越高，網(wǎng)絡(luò)功能越來越強(qiáng)。特別是網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槁?lián)網(wǎng)是一個(gè)大潮流。現(xiàn)在各種PLC都在開展自己的網(wǎng)絡(luò)，一般從結(jié)構(gòu)上有兩種，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〕；另一種是通過多點(diǎn)聯(lián)接〔RS485聯(lián)接〕，這適用于多層PLC。這方面，西門子的產(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)國家接受，幾乎已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，獲得廣泛的應(yīng)用。目前網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開展趨勢。網(wǎng)絡(luò)的控制中心一般有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過電纜與現(xiàn)場的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，這樣本錢就大大降低了?！?〕PLC的最新開展動(dòng)態(tài)一是PLC網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的開展，其中有兩個(gè)趨勢，一方面，PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開放式系統(tǒng)開展，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)的一局部。另一方面，現(xiàn)場總線技術(shù)得到廣泛的采用，PLC與其他安裝在現(xiàn)場的智能化設(shè)備，比方智能化儀表，傳感器，智能型電磁閥，智能型驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，通過一根傳輸介質(zhì)〔比方雙絞線，同軸電纜，光纜〕連接起來，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，也更具開放意義。二是PLC向高性能小型化開展。PLC的功能正越來越豐富，而體積那么越來越小。比方三菱的FX-1S系列PLC，最小的機(jī)種，體積僅為60×90×75mm，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位四那么運(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)行開關(guān)量邏輯運(yùn)算的產(chǎn)品了，而是具有越來越強(qiáng)的模擬量處理能力，以及其他過去只有在計(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，PLC系統(tǒng)與DCS〔集散控制系統(tǒng)〕的差異已經(jīng)越來越小了。用PLC同樣可以構(gòu)成一個(gè)過程控制系統(tǒng)。1.5PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成設(shè)計(jì)原那么及步驟PLC的設(shè)計(jì)原那么1〕硬件設(shè)計(jì)：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)遵循的原那么：〔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)：軟件就是編寫滿足生產(chǎn)控制要求的PLC用戶程序，即繪制梯形圖，或編寫語句表。軟件設(shè)計(jì)原那么：〔1〕邏輯關(guān)系要簡單明了，易于編程；如繼電器的觸點(diǎn)可以使用無數(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，但要防止使用不必要的觸點(diǎn)?！?〕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1－1所示：程序設(shè)計(jì)與調(diào)試程序設(shè)計(jì)與調(diào)試分析生產(chǎn)過程，明確設(shè)計(jì)要求電器電路設(shè)計(jì)試運(yùn)行繪制系統(tǒng)原理圖選擇PLC的型號(hào)總裝調(diào)試圖1－1PLC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)?？刂坪芎唵?，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)的工作過程及所有功能要求，從而分析被控對(duì)象的控制過程，輸入/輸出量是開關(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的可靠性上是沒有問題的，機(jī)型的選擇主要是考慮功能上滿足系統(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)場對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度要求控制室與現(xiàn)場的距離等?！?〕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、行程開關(guān)、接近開關(guān)等。輸出設(shè)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?！?〕設(shè)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?！?〕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工作過程〔1〕翻開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開始運(yùn)行，使水的溫度均勻上升?！?〕設(shè)定給定溫度值為60℃?！?〕當(dāng)實(shí)際溫度高于60℃時(shí)，開通SV1和SV2，并運(yùn)行攪拌電機(jī)M；當(dāng)實(shí)際溫度低于〔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，重新開始啟動(dòng)。圖2－1實(shí)驗(yàn)水箱溫度控制系統(tǒng)符號(hào)描述2.2I/O地址分配根據(jù)圖2-1及以上工作過程分析，統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、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]時(shí)為1，露出時(shí)為0。表2－1I/O分配名稱符號(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，系統(tǒng)共有5個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)，4個(gè)開關(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)。參照西門子S7-200產(chǎn)品目錄及市場實(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)的配置如下圖。主機(jī)單元CPU224AC/DC/繼電器模擬量單元EM2354AI/1AO圖2－2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I／O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I／O點(diǎn)或35路模擬量I／O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。I／O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。如下列圖所示圖2－3CPU224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2－4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。為防止電源畸變?cè)斐筛蓴_，此處采用雙向晶閘管固定周期控制方式。工作原理為：，選定控制脈沖的周期Tc=1s，100個(gè)工頻電源半周期即為10ms。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器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測量帶來影響。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)：①熱電阻和顯示儀表的分度號(hào)必須一致。②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。3PID的介紹3.1PID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3－1所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對(duì)象組成。圖3－1PID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：〔3.2〕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)；Td——微分時(shí)間常數(shù)。簡單說來，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，反之那么越強(qiáng)。積分控制：Gc(s)=Kp/Tis微分環(huán)節(jié)：反偏差信號(hào)的變化趨勢〔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。微分控制：Gc(s)=KpTds根本PID控制器的理想算式為：〔3.4〕式中u(t)——控制器(也稱調(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〕，u(k)的值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置〔如閥門開度〕一一對(duì)應(yīng)，所以通常稱式(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，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。3.2PID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)，可以適中選擇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)選擇包含積分控制的PI或PID控制器。一般來說，PI、PID和P控制器應(yīng)用較多。對(duì)于有滯后的對(duì)象,往往都參加微分控制?！?〕選擇參數(shù)控制器結(jié)構(gòu)確定后，即可開始選擇參數(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)自身性能來說，有些是矛盾的。我們必須滿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"。①整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反響快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。②整定積分環(huán)節(jié)假設(shè)在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需參加積分控制。先將步驟①中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測響應(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)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。③整定微分環(huán)節(jié)假設(shè)經(jīng)過步驟②，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意，那么應(yīng)參加微分控制，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)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。3.3PID模塊介紹3.3.1PID回路表的格式及初始化〔1〕PID回路表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3－2所示。表3－1PID回路表偏移地址〔VB〕變量名數(shù)據(jù)格式輸入輸出類型取值范圍T+0反響量〔PVn〕雙字實(shí)數(shù)輸入應(yīng)在0.0～1.0之間T+4給定值(SPn)雙字實(shí)數(shù)輸入應(yīng)在0.0～1.0之間T+8輸出值(Mn)雙字實(shí)數(shù)輸入輸出應(yīng)在0.0～1.0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0.0～1.0之間T+32反響量前值(PVn-1)雙字實(shí)數(shù)輸入輸出最后一次執(zhí)行PID指令的過程變量值說明：①PLC可同時(shí)對(duì)多個(gè)生產(chǎn)過程〔回路〕實(shí)行閉環(huán)控制。由于每個(gè)生產(chǎn)過程的具體情況不同，PID算法的參數(shù)亦不同。因此，需建立每個(gè)控制過程的參數(shù)表，用于存放控制算法的參數(shù)和過程中的其它數(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。②反響量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。通常反響量來自模擬量輸入模塊，給定量來自人機(jī)對(duì)話設(shè)備，如TD200、觸摸屏、組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)等。③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。該值還需用戶按工程量標(biāo)定通過編程轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字值，送往PLC的模擬量輸出存放器AQWx。④表中增益〔KC〕、采樣時(shí)間〔TS〕、積分時(shí)間〔TI〕、微分時(shí)間TD是由用戶事先寫入的值，通常也可通過人機(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。⑤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0.0～0.1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〕。按照地址偏移量寫入到變量存放器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)通過人機(jī)界面直接輸入。3.3.2PID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〔3－2〕；子程序用來建立PID回路初始化參數(shù)表和設(shè)置中斷〔圖3－3〕，采用定時(shí)中斷來定時(shí)采樣，設(shè)置定時(shí)時(shí)間和采樣時(shí)間為100ms,并寫入SMB34；中斷程序用于執(zhí)行PID運(yùn)算〔圖3－4〕。標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)采用用單極性〔取值范圍為0～32000〕。圖3－2主程序中的調(diào)用PID初始化指令圖3－3PID子程序圖3－4PID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)。順序控制法的根本思想是將一個(gè)復(fù)雜的控制過程分成一系列“狀態(tài)〞或稱為“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4－1所示。SM0.1SM0.1S0.0S0.1S0.3S0.4PID.S0.6S0.5S0.2Q0.2AQQ0.2AQQ0.0Q0.0Q0.0Q0.1ATCHQ0.2ATCHAQQ0.2I0.0啟動(dòng)按鈕I0.3下限位I0.2上限位ATCH中斷判斷VD250>R溫度高VD250<R溫度低ATCH·I0.3I0.1S0.7Q0.3I0.3水位過低圖4－1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4－1所示。表4－1程序中使用的PLC元件地址及其功能器件地址功能VB100過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值PVnVD100過程變量標(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)程序中所用到的局部指令及功能說明如表4－2所示。表4－2局部所用指令梯形圖程序語句表程序說明CALLSBR0子程序調(diào)用指令：子程序的編號(hào)從0開始，隨著子程序個(gè)數(shù)的增加自動(dòng)生成，可以0～63MOVBIN，OUTMOVWIN，OUTMOVRIN，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。ATCHINT，EVNT中斷指令：用來建立中斷事件〔EVNT〕與中斷程序〔INT〕之間的聯(lián)系。ITDIN，OUTDITIN，OUT整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)DTRIN，OUT雙字整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)PIDTBL，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/RIN1，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4－2所示。因?yàn)槌绦蜉^長，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4－2水箱溫度控制系統(tǒng)梯形圖程序結(jié)束語在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我學(xué)到了許多東西。整個(gè)做設(shè)計(jì)的過程是訓(xùn)練我獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)研究的過程。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)研究的過程，掌握如何收集、整理和利用材料；如何利用圖書館，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)極好的時(shí)機(jī)，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)研究工作的全過程及其各環(huán)節(jié)，是