计算机测控系统课程设计基于IPC和PLC的温度控制系统设计

1、重庆科技学院课程设计报告 院（系）:_电气与信息工程学院 专业班级: 测控普2008-1 学生姓名: 学 号: 设计地点（单位）_i502_ _ _ _ 设计题目:_ 基于ipc和plc的温度控制系统设计_ 完成日期：2011年 12 月 29 日 指导教师评语: _ _ _ 成绩（五级记分制）:_ _ 指导教师（签字）:_ _ 重庆科技学院课程设计任务书设计题目：基于ipc和plc的温度控制系统设计学生姓名课程名称计算机测控系统专业班级测控普2008地 点i504、i502起止时间11.12.1911.12.30设计内容及要求1. 使用ipc、s7-200 plc以及plc实验台的加热器实现

2、一个温度控制系统的所有接线图设计。2. 程序设计(1)界面设计：主界面设计、细目画面设计、温度实时变化趋势曲线和棒图的设计。(2)ipc和s7-200的数据通信程序设计：从plc接收实测温度；将温度设定值、pid控制参数等发送到plc。(3)s7-200 温度采集与pid控制程序设计，实现任意设定温度的实时控制。3. 单回路温度控制的pid参数整定和分析。要求：根据自己的学号与模10之余确定自己的温度设定值（40余数）及其相应的报警参数，据此设计相应的接线图；编写、调试和运行控制程序；整定pid参数满足相应的控制要求；撰写设计报告。设计参数1. 加热器参数：见实验室plc实验设备温度控制挂件标

3、示或说明2. 数据采集误差：0.5%3. 稳态误差：2%4. 动态误差：5%进度要求第1天：选题、讲解任务、cb编程培训；第2天：ipc、s7-200 plc和加热器的接线图设计、plc控制加热器的基本应用；第3和4天：在ipc/pc上完成界面程序设计、曲线显示、参数设定界面等；第5和6天：ipc和plc的通信程序设计；第7-8天： plc温度控制程序设计和调试；第9天：ipc和plc联调、pid参数整定、分析；第10天：撰写设计报告和检查设计结果参考资料胡文金等.计算机测控系统.重庆:重庆大学出版社,2003.6陈建明.电器控制与plc应用.北京:电子工业出版社,2006 李世平.pc计算机

4、测控技术及应用.西安:西安电子科技大学出版社,2003.9其它说明.本表应在每次实施前一周由负责教师填写二份，院系审批后交院系办备案，一份由负责教师留用。.若填写内容较多可另纸附后。3.一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。教研室主任： 指导教师：杨波、王雪2011 年 12月 16 日摘要温度是各种工业生产和科学实验中最普遍、也是最重要的热工参数之一。温度控制的精度对产品或实验结果会产生重大的影响。温度控制的模式多样，而plc可靠性高，抗干扰能力强，易学易用，采用plc控制是其中一种比较优越的控制。基于ipc和plc的温度控制系统设计硬件方面plc采用了cpu型号为22

5、4的s7-200、tkplc2型温度控制器。人机界面采用c+ builder 绘制的主界面包含有温度实时变化趋势曲线和棒图。在以plc控制为核心，加热炉为基础的温度自动控制系统中，plc将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差经pid运算后得到的信号控制输出电压的大小，从而调节加热器加热，实现温度自动控制的目的。文章介绍了基于s7-200温度控制系统的pid调节器的实现。关键词：plc 温度控制 pid 调节器 s7-200 温度传感器1 引言1.1 温度控制系统的意义温度及湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标

6、的温度、湿度信息是十分重要的，近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。1.2 温度控制系统背景近几年来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统发展迅速，并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，一日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都产生了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日

7、本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20实际80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的pid控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟。形成商品化并在仪表控制系统参数的自整定方面，还没开发性能可靠的自整定软件。参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。1.3 功能特点与技术参数 实践证明温度对象的特点是:时间常数大，滞后现

8、象严重，反应在控制系统上，就是被控温度的变化滞后于调节器的输出。我们知道热量的传递是需要一定时间的，温度上升的快慢与其热容量的大小有关，通常温度的上升与下降和时间的关系是一个指数曲线关系。而产生滞后则与热量的传递过程有关，再者测温元件也有一定的惯性，这些都会产生滞后现象。本次设计选用的是tkplc2型温度控制器，该温度控制器同样的具有滞后大和惯性大的特点。该加热器用的是0v到5v的电压加热。1.4 控制手段可编程控制器的英文名称是programmable logic controller，即可编程逻辑控制器，简称plc。现代制造业必须对市场需求做出快速反应，生产小批量、多品种、多规格、低成本和

9、高质量的产品，这便要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高可靠性和灵活性。可编程控制器正是顺应这一潮流而出现的，以微处理器为基础的通用工业控制装置。plc技术发展至今已十分成熟，生产plc产品的厂家多达200多个，其中较著名有德国的西门子（siemens）公司、美国的rockwell自动化公司所属的a-b（allen & bradly）公司、ge-fanuc公司、法国的施耐德（schneider）公司、日本的三菱公司和欧姆龙（omron）公司。本次设计主要采用的是pid算法，系统的总的滞后时间比较大，升温的滞后时间相对降温来说是比较小的。因此，在pid调节中，要使系统的品质变好，除了加

10、入适当的积分以消除静态误差外，还应该加强比例作用使调节更加灵敏，减小调节时间，同时还应该加入适当的微分作用，使系统的超调量减小。1.5 上位机即便远离生产现场，操作人员仍可以通过远程计算机即上位机直接向生产设备发出控制指令的。上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号变化（液压，水位，温度等），便是人机界面（human machine interface）。而下位机是获取设备状况及直接控制设备的计算机，一般是plc或单片机。2 硬件设计2.1 硬件配置2.1.1 西门子s7-200 cup224s7-200系列plc可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程

11、器、存储卡、写入器等。s7-200系列的基本单元如表2.1所示。表2.1 s7-200系列plc中cpu22x的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数s7-200cpu221640s7-200cpu222862个扩展模块s7-200cpu22424107个扩展模块s7-200cpu224xp24167个扩展模块s7-200cpu22624167个扩展模块本论文采用的是cup224。它具有24输入/16输出共40个数字量i/o点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量i/o点或35 路模拟量i/o点。26k字节程序和数据存储空间。6个独立的30khz高速计数器，2路独立的20khz高速脉冲

12、输出，具有pid控制器。2个rs485通讯/编程口，具有ppi通讯协议、mpi通讯协议和自由方式通讯能力。i/o端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。2.1.2 加热炉的选型本次实验选用的加热炉为tkplc-2型。这种加热炉集成有驱动模块和温度变送器使用简单，只需将输入端和输出端分别接到plc的输出模块和输入模块就可以了。免去了硬件设计的麻烦。tkplc-2型加热炉，也具有惯性大，滞后大的特点，在实际控制过程的过程中会比较麻烦，而且该加热炉是靠周边环境自然降

13、温，所以降温过程比较长。不过通过改良pid调节的参数，能勉强控制好加热炉的温度，使得稳态误差和动态误差都能达到任务的要求。2.2 s7-200温度控制系统的硬件组成温度控制系统的主要硬件组成：带有c+ builder软件的计算机、plc、ppi数据线、tkplc-2型加热炉。下面是本次系统的硬件组成图，如图2.2.1所示。上位机plcs7-200tkplc-2型加热炉图 2.2.1 系统硬件图 tkplc-2型加热炉，集成了加热炉驱动模块和加热炉变送器。这样使硬件系统的组成更简单、更容易。该系统是通过简单的闭环控制系统实现的。由plc控制的加热炉温度控制系统构成如图2.2.2所示，系统工作过程

14、：一是给定值（0100）通过键盘输入plc主机，再由plc主机传递给数字量输出模块，控制固态继电器的开关状态，从而控制电阻炉的加热情况；二是通过温度检测装置热电偶检测到的变换为电流信号的炉温值通过模拟量输入模块读入plc主机，由plc主机内部pid的程序与温度给定值相比较，对数字量输出模块进行下一度的控制。其中plc是整个系统的主控核心。plc主机计算机pid调节执行机构温度检测装置图2.2.2 电阻炉温度控制系统图实际温度电阻炉3 软件设计3.1 pid控制程序设计模拟量闭环控制较好的方法之一是pid控制，pid在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许

15、多的经验，pid的研究已经到达一个比较高的程度。比例控制(p)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。在积分控制(i)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。在微分控制(d)中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分控制具有超前作用，它能猜测误差变化的趋势。避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。pid控制，p、i、d各有自己的长处和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取pid值，就可以获得较高的控制质

16、量。3.1.1 pid控制算法图3.1 闭环控制系统如图3.1所示，pid控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差e和输入量r、输出量c的关系: （3-1）控制器的输出为： （3-2）-pid回路输出-比例系数p-积分系数i-微分系数dpid调节的传输函数为 （3-3）数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。其离散化的规律如表3.1所示：表3.1 模拟与离散形式模拟形式离散化形式所以pid输出经过离散化后，它的输出方程为: （3-4）式中， 称为比例项 称为积分项 称为微分项上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。计

17、算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。故可利用plc中的pid指令实现位置式pid控制算法量。3.2 s7-200 plc控制程序的设计硬件设计完成过后，就需要进行软件设计，通过软件设计使得系统能满足设计的要求，因此软件设计在设计的过程中也是相当的重要。有了好的合适的程序才能使系统发挥其最大的优势，来调节加热炉的温度。3.2.1 控制程序的组成控制程序主要由温度采集程序、数据接收和发送程序，温度输出程序。温度采集程序的作用是将温度值转换成plc能够识别的数值。数据接收程序是为了接受上位机发来的指令，数据发送程序是将采集到的温度信号转换为上

18、位机可以识别的温度信号传送给上位机。温度输出程序是通过aqw口将plc接收的上位机指令转化为电压信号来驱动tkplc-2型加热炉，从而达到设定的温度。3.2.2 温度采集程序设计图3.1温度采集程序温度采集程序，由于温度变送器送出的是4-20ma的标准电流信号，信号采集模块通过aiw0口将采集到的电流转化成数字信号过后，再通过一系列的数据类型的转换，使得采集到的数据变成标准的温度数据信号，方便识别。同时采集到的数值也需要转化成plc可识别的标准数据类型。炉温实际温度的检测是要将温度量转化为plc可识别的量，所以，将温度变送器输出的值先由16位的整型转化为32位的双整型，再由双整型转化为实型，实

19、型小数点后可有6位，故比较精确。此时得到测得温度值在plc中计算所对应的数，将该数送入变量寄存器vw20。3.2.3数据接收和发送程序设计图3.2数据接受程序数据接收程序，接收上位机发来的指令存放在vb200寄存器内。图3.3数据发送程序数据发送程序，把即将发送给上位机的数据保存到vb300寄存器内。3.3上位机控制界面 c+ builder是windows95/nt环境下的新一代面向对象、可视化的快速应用程序开发工具（rai），它是rad开发模式和可重用结构件的一个完美结合，代表着未来c+语言演化和发展的方向；同时c+语言程序代码仅次于汇编语言的编译和执行速度，能满足对系统实时性要求较高的应

20、用场合以及强大的图形绘制功能。因此，在上位机软件上，c+ builder语言是个不错的选择。3.3.1 上位机与plc之间的通信上位机与plc之间利用mscomm控件实现串行通信，只需要设置和响应mscomm控件有关的属性和事件即可，大大简化了变成难度。所有传送的数据都以字节为单位，每个字节分为高四位和低四位，每四位转化为一个ascii字符然后进行十六进制数据传送。图3.4 上位机工作流程图3.3.2上位机主控制界面功能图3.4上位机主控制界面趋势图中绿色的线为设定值的变化趋势线，蓝色的线为测量值的变化趋势，红的的线为pid调节的输出变化趋势线。右边棒图中红色显示为设定值，蓝色显示为测量值。4

21、 4 程序调试程序调试是非常重要的阶段，我们编写的程序只有经过不断的调试和修改才能使得程序正确，达到预期的功能，从而达到更高的要求，提高控制的质量。4.1 plc调试方法与结果plc程序的调试分为数据接收调试和发送调试两个调试过程，在此之前首先对plc外部接线作仔细检查，plc与温度控制箱之间的接线。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。为了安全考虑，最好将主电路断开。数据接收调试，由于加热炉温度控制输出端的模拟信号不便于测量，而且温度变化比较缓慢，调试的效果不够明显，所以将plc的模拟输入端接可变的电压源，改变电压源的电压值，明显的看到上位机的变化趋势图和棒图中

22、显示的数值与电压源的电压值一致。说明通信功能可以实现正确的通信。发送数据的调试，将上位机的设定值发送给plc。用万用表测试plc模拟量输出端aqw，可以看到有电压信号输出，虽然与设定值之间有一定的偏差但是可以说明数据发送功能可以工作。4.2 pid参数的整定 当加热炉刚启动加热时，设定的温度值为sp，当测到的炉温为pv，sp-pvu为正值且大于5，u为pid调节器的输入，此时pid调节器中p起主要作用，使plc为最大电压10v给加热炉加热。当加热炉温度达到u小于5时，减小plc的输出电压。sp-pvu为负值且大于5，经pid调节，使plc输出电压为0v，加热炉温度降低。从而使系统达到动态平衡。

23、5 总结运用c+builder来开发上位机软件，既能满足实时性要求较高的场合，又大大简化了编程难度、缩短了开发周期，同时还能方便地开发出丰富的图形界面，对于初学者是一种很好的选择。加热炉温度控制系统采用成熟的plc技术，采用软硬件结合，较好的解决了传统加热炉温控系统中出现的问题。本实验采用了s7-200可编程控制器，很好的实现了电阻炉温度的自动调节，涉及到的方法简单，设计便捷有效，精度高，工作可靠易于拓展。 利用c+ builder和plc配合可以很方便地实现过程控制的实时监控。当外加一个扰动后能够很快实现平衡从而符合我们系统所要求达到的目标。该系统具有良好的人机界面，能方便地在线修改参数，可

24、以实现对整个加热系统工艺流程的控制。参考文献1 程玉华西门子s7-200工程应用实例分析m北京：电子工业出版社2008：120-1662 刘华波.西门子s7-200plc编程及应用案例精选m.北京：机械工业出版社，2009.53 向晓汉等.西门子plc高级应用实例精讲m.北京：机械工业出版社，2010.1416.4 胡文金.计算机测控应用技术m.重庆：重庆大学出版社，2003.6:147-149附录/-#include #pragma hdrstop#include unit1.h/-#pragma package(smart_init)#pragma link mscommlib_ocx#p

25、ragma link mscommlib_ocx#pragma resource *.dfmtform1 *form1;float a=0,b=0,t=0;float ddd=30;float e500;float f500; ansistring tmp; float pwm_sum=40,kp=10,ki=5,kd=0.0; ansistring pid;double vsp=0,pv=0,hl;/-_fastcall tform1:tform1(tcomponent* owner) : tform(owner)/-void _fastcall tform1:button2click(to

26、bject *sender) mscomm2-portopen=false; close(); /-void _fastcall tform1:button3click(tobject *sender) edit1-clear();/-void _fastcall tform1:timer1timer(tobject *sender) static float sumerror = 0, lasterror = 0;float derror = 0,error = 0;double sum = 0.0; image2-picture-loadfromfile(bangtu.bmp); imag

27、e2- canvas-pen-color = clblue; image2- canvas-pen-width = 5; image2-canvas-moveto(65,294); image2-canvas-lineto(65,294-b*288/100); image2- canvas-pen-color = clred; image2-canvas-moveto(35,294); image2-canvas-lineto(35,294-a*288/100); for(int i=0;i479;i+)ei=ei+1; e479=b; for(int i=0;ipicture-loadfromfile(qushi.bmp); /重调趋势背景，清除当前趋势曲线 image1- canvas-pen-width = 2; /曲线粗细程度 image1- canvas-pen-color = clblue; /测量值曲线为红色 image1-canvas-moveto(0,297); /曲线起点 for(int i=0;icanvas-lineto(i,299-ei*298/100); /两点之间连一直线 image1