PLC课程设计（论文）-PID温度控制系统设计.doc

大学 1 摘要 温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅 炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。加热炉温度控制在许多领域中 得到广泛的应用。这方面的应用大多是基于单片机进行pid 控制, 然而单片机 控制的ddc 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长 处, 然而plc 在这方面却是公认的最佳选择。加热炉温度是一个大惯性系统， 一般采用pid调节进行控制。随着plc功能的扩充在许多plc 控制器中都扩充了 pid 控制功能, 因此在逻辑控制与pid控制混合的应用场所中采用plc控制是较 为合理的。 可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机，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， 编程简单，易学易用等特点。在工业路领域中深受工程操作人员的喜爱。国际 电工委员会对 plc 的正式定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系 统，专为工业环境应用而设计，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储 程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算数操作等面向用户的指令， 并通过数字或模拟或输入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器 及有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的 原则设计。因此 plc 已经在工业控制的各个领域中被广泛地应用。 关键词：可编程控制器，pid，温度控制系统 大学 2 目 录 第一章 概述3 1.1 应用背景3 1.2 可编程控制器简介3 第二章 硬件设计6 2.1、控制要求.6 2.1.1 本实验说明.6 2.1.2 循环表工作过程.6 2.2、选择 plc 型号6 2.3、系统设计流程示意图.6 2.4、i/o 分配表.7 2.5、i/o 接线图.8 第三章 软件设计9 3.1、设计梯形图.9 3.2、设计指令表.13 第四章 调试16 结束语17 参考文献18 大学 3 第一章 概述 1.1 应用背景 现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、 低成本和高质量的产品。为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的 灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。随着微处理器、计算机和数字通信技 术的飞速发展，计算机控制已扩展到所有的控制领域。在建材，化工，食品，机械， 钢铁，煤矿等工业生产中广泛应用带式运输机运送原料物品。 1.2 可编程控制器简介 1)、p可编程逻辑控制器(programmable logic controller,简称 plc) 根 据国际电工委员会(iec)在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其作了 如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境 应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算， 顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输 入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备， 都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可 编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支 柱性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用。plc是可编程逻辑 电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可 以说有半导体的地方就有plc 将 plc 用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强 的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信 号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便的实现。目前大多品牌的 plc 内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。 由于 plc 本身具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行 统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。 2)、plc 的基本结构 plc 主要由 cpu 模块、输入模块、输出模块、和编程模块组成。 大学 4 图 1.1 plc 基本组成图 plc 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算 机相同，基本构成为： a、电源 plc 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可 靠的电源系统是无法正常工作的，因此 plc 的制造商对电源的设计和制造也十 分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 plc 直接连接到交流电网上去 b. 中央处理单元(cpu) 中央处理单元(cpu)是 plc 的控制中枢。它按照 plc 系统程序赋予的功能接 收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o 以及警戒 定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 plc 投入运行时，首先它 以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 i/o 映象区，然 后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行 逻辑或算数运算的结果送入 i/o 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执 行完毕之后，最后将 i/o 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相 应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高 plc 的可靠性，近年来对大型 plc 还采用双 cpu 构成冗余 系统，或采用三 cpu 的表决式系统。这样，即使某个 cpu 出现故障，整个系统 仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是 plc 与 现场控制的接口界面的输入通道。 大学 5 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成， 作用 plc 通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块。 f、通信模块 3)、plc 的工作原理: 当 plc 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程 序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运 行期间，plc 的 cpu 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，plc 以扫描方式依次地读入所有输 入状态和数据，并将它们存入 i/o 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后， 转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发 生变化，i/o 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入 是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情 况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，plc 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯 形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控 制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运 算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 ram 存储区中对应位的 状态；或者刷新该输出线圈在 i/o 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执 行该梯形图所规定的特殊功能指令。在程序执行的过程中如果使用立即 i/o 指 令则可以直接存取 i/o 点。即使用 i/o 指令的话，输入过程影像寄存器的值不 会被更新，程序直接从 i/o 模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这 跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，plc 就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu 按照 i/o 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动 相应的外设。这时，才是 plc 的真正输出。 大学 6 第二章 硬件设计 2.1、控制要求 2.1.1 本实验说明 本实验的给定值（目标值）可以预先设定后直接输入到回路中；过程变量 由在受热体中的pt100 测量并经温度变送器给出，为单极性电压模拟量；输出 值是送至加热器的电压，其允许变化范围为最大值的0% 至 100%。 2.1.2 循环表工作过程 循环表存储九个参数，用于控制和监控循环运算，包括程序变量、设置点、 输出、增益、样本时间、整数时间（重设） 、导出时间（速率）以及整数和（偏 差）的当前值及先前值。 如果循环表起始地址或指令中指定的 pid 循环号码操作数超出范围，cpu 编译 器将生成一则错误（范围错误） ，编译将会失败。pid 指令不对某些循环表输入 值进行范围检查。您必须保证程序变量和设置点（以及作为输入的偏差和先前 程序变量）是 0.0 和 1.0 之间的实数。如果进行 pid 计算的数学运算时遇到错 误，将设置 sm1.1（溢出或非法数值）并终止 pid 指令的执行。 （对循环表中的 输出数值的更新可能不完整，因此您应当忽略这些数值，并在执行下一个循环 pid 指令之前纠正引起数学错误的输入值。 ） 2.2、选择 plc 型号 在这里我们采用德国西门子公司的 s7-200 可编程控制器，它是积木式结构， 安装比较方便，中央处理单元和信号模板有多种类型，另外还具有如位控单元、 pd 调节等特殊功能模块。根据本系统输入点数及控制要求，中央处理单元可选 用 cpu224，该 cpu 板上本身具有 14 个数字量输入点，10 个非隔离数字量输出 点。 2.3、系统设计流程示意图 本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务 是对系统进行初始化，实现参数输入，并控制电加热炉的正常运行。主程序流 程图如图 2.3 所示。 大学 7 图 2-3 系统主程序 2.4、i/o 分配表 模块端子 05 + 05 - + - 模拟量端 子 v0m0 a+ a- out测温 开始 系统的初始化 温度数据采集及处理 温度值显示 计算温差 e（k）和温差变化率 智能控制算法程序 控制输出 求出输出控制量 ？）（0ke 结束 n y 大学 8 图 2-3 输入输出表 存储地址数值说明 vd104 50 度目标值 vd1160.1s 采样时间 vd1120.15 回路增益 vd12030min 积分时间 vd1240.0 关闭微分作用 smb34100 设定定时中断 0 的时间间 隔 int-010 设置定时中断 图 2-4 输入输出分配 2.5、i/o 接线图 图 2-5 输入输出接线 大学 9 第三章 软件设计 3.1、设计梯形图 main sbr_0 大学 10 大学 11 int_0 大学 12 大学 13 3.2、设计指令表 ld sm0.1 call sbr_0:sbr0 ld sm0.0 movr 0.1815, vd104 movr 0.15, vd112 movr 0.1, vd116 movr 30.0, vd120 movr 0.0, vd124 大学 14 movb 100, smb34 atch int_0:int0, 10 eni ld sm0.0 itd aiw0, ac0 dtr ac0, ac0 divr 32000.0, ac0 movr ac0, vd100 ld sm0.0 pid vb100, 0 ld sm0.0 lps movr vd108, ac0 mulr 16000.0, ac0 round ac0, ac0 dti ac0, ac0 movw ac0, mw0 movr vd100, ac1 -r vd104, ac1 ar ac1, 0.0015 movw +0, aqw0 aeno 大学 15 = m0.0 lrd ar= ac1, -0.005 ar= ac1, 0.0015 movw mw0, aqw0 aeno 大学 16 第四章 调试 本程序分为三部分：主程序，子程序，中断程序。 子程序主要是将各个 pid 运算所需的参数变量输入寄存器中。 中断程序主要是将模拟量输入到寄存器中，并将运算完毕的整数值写到模拟输 出寄存器中。 输入的数据时，装入设定值 0.1815，回路増溢 0.15，采样时间 0.1 秒，积分时 间 30 分钟，关闭微分作用。设定定时中断 0 的时间间隔是 100 ms 设定定时中 断，以定时执行 pid 指令。 检查程序有无错误，检查无误后接通电源 ，将程序下载到运行模拟平台上并运 行该程序，并检查运行情况看看是否运行正常。运行正常停止运行，关闭计算 机关闭电源，结束。 大学 17 结束语 通过本次课程设计，使我加深了对 plc 梯形图、指令表、外部接线图的理 解，还有经过在网上查找资料以及到图书馆学习，也使我更好的理解和认识了 关于 plc 设计原理和实际中的应用过程。在课程设计过程中我们互相讨论，请 教老师，在不断的调试各自的程序中，发现了很多各自的问题并进行研究解决。 我们试着用不同的设计方法来实现我们的课题，这样不仅可以拓宽我们的思路， 还可以使我们的设计成果更加严谨。本次课程设计可以为我以后工作打下一定 的基础，感谢本次课程设计，感谢我的指导老师！ 通过各方面的努力，最终设计出了自己较为满意的系统。虽然这一周过得 很辛苦，但是自己付出的努力得到了回报，那种成就感是任何事物