基于PLC的PID温度控制系统设计（附程序代码）

1、沈阳理工大学课程设计论文摘 要自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着plc技术的飞速发展，通过plc对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。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。而温度控制在许多领域中也有广泛的应用。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。根据大滞后、大惯性、时变性的特点，一般采用pid调节进行控制。随着plc

2、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。 本设计是利用西门子s7-200plc来控制温度系统。首先研究了温度的pid调节控制，提出了pid的模糊自整定的设计方案，结合mcgs监控软件控制得以实现控制温度目的。关键词：plc；pid；温度控制28目录1 引言11.1 温度控制系统的意义11.2 温度控制系统背景11.3 研究技术介绍11.3.1 传感技术11.3.2 plc21.3.3 上位机31.3.4 组态软件31.4 本文研究对象42 温度pid控制硬件设计52.1 控制要求52.2 系统整体设计方

3、案52.3 硬件配置62.3.1 西门子s7-200 cup22462.3.2 传感器62.3.3 em235模拟量输入模块72.3.4 温度检测和控制模块82.4 i/o分配表82.5 i/o接线图83 控制算法设计93.1 p-i-d控制93.2 pid回路指令113.2.1 pid算法113.2.2 pid回路指令143.2.3 回路输入输出变量的数值转换163.2.4 pid参数整定174 程序设计194.1 程序流程图194.2 梯形图195 调试235.1 程序调试235.2 硬件调试23结束语24附录程序代码25参考文献271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

4、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温度控制系统背景自70年代以来，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

5、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

6、系统是国内外必然发展趋势。1.3 研究技术介绍1.3.1 传感技术传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础技术。中华人民共和国国家标准gb7665-1987对传感器（transducer/sensor）的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件或响应的被测量转换成适于传感器或被测量的电信号部分。”对生产过程的监控首先离不开采集设备工作信息，因此选用合适的传感器至关重要，如果把计算机看作是自动化系统的“大脑”，信道看作是“神经网络”的话，那么

7、传感器就是自动化系统的“五官”。无法对现场数据进行准确、可靠、实时测量，监控也就无从谈起了。1.3.2plc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。在20世纪60年代的汽车制造业，传统继电接触器控制装置广泛应用于生产流水线的自动控制系统中。这套装置设备体积庞大，可靠性差，同时维护不便，而且，完

8、全由逻辑硬件构成，接线十分复杂。一旦生产过程某一环节发生改变，控制装置就要重新设计改造。随着汽车生产工业的迅猛发展，对于汽车型号频繁改进，传统控制系统捉襟见肘，弊端日益放大，最终plc 应运而生。它开创性地引入程序控制功能，使计算机科学技术进入工业生产控制领域应用。早期plc仅仅是替代继电器控制装置完成顺序控制、定时等任务，但是其简单易懂、安装方便、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用的特点，使得plc很快就得到了推广应用。随着超大规模集成电路技术和微处理器性能的飞速发展，plc的软、硬件功能不能丰富、完善。国际电工委员会（iec）对plc的正式定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系

9、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、计数与算术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。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”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。1.3.3 上

10、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。1.3.4 组态软件组态软件，处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写hmi（人机接口软件）应用，开发时间长、效率低、可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的

11、系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，一旦工业被控对象有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格昂贵。通用工业自动化组态软件能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控

12、制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。1.4本文研究对象现代社会要求制造业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跃发展，计算机控制已扩展到所有控制领域。在建材、化工、食品、机械、钢铁、煤矿等工业生产中广泛应用时运输机运送原料物品。本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为被控参数，以以plc为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用pid算法，运用plc梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。 电热锅炉的应用领域相当广泛

13、，在相当多的领域里，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。 本文主要从温度控制算法角度进行阐述。通过改造电热锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。2温度pid控制硬件设计2.1控制要求本课设以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻检测到的锅炉内胆温度信号tt1作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。

14、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%。2.2系统整体设计方案系统选用plc cpu 224为控制器，pt100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转化为电压信号，经过em235模拟量输入模块转化成数字量信号并送到plc中进行pid调节，pid控制器输出转化为010ma的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，从而调节电热丝的加热。如图所示。图2-1 温度控制系统示意图pt100plc控制器锅炉em235模块可

15、控硅图2-2整体设计方案2.3硬件配置2.3.1 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2-1s7-200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14输入/10输出共24

16、个数字量i/o点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量i/o点或35 路模拟量i/o点。13k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高速脉冲输出，具有pid控制器。1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。2.3.2 传感器热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电

17、偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、答应误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按iec国际标准生产，并指定s、b、e、k、r、j、t七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。本论文采用的是k型热电阻。2.3.3em235模拟量输入模块em235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（st）单片集成变送器asic芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测

18、主回路交流电流转换成按线性比例输出的dc420ma（通过250电阻转换dc 15v或通过500电阻 转换dc210v）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。模拟量输入/出模块em235具有4个模拟量输入通道、1个模拟量输出通道。该模块的模拟量输入功能同em231模拟量输入模块，技术参数基本相同。模拟量输出功能同em232模拟量输出模块。如图2-3为em235的引脚图，模块上有12个端子，每3个点为一组（例ra、a-、a）可作为一路模拟量得输入通道，共4组，对于电压信号只用两个端子，电流信号需用3个端子，其中与端子短接。对于未用的输入通道应短接。模块下部左端ml两端 应接入dc

19、24v电源，右端分别是校准电位器和配置设定开关（dip）。图2-3 em235 cn连接图2.3.4温度检测和控制模块由学校提供，模拟真实锅炉的温度检测和控制模块，可自行将05v模拟信号转化为占空比对锅炉进行加热。输出的模拟信号也是05v，锅炉外接24v直流电源。2.4i/o分配表该系统所需的输入通道为1个，输出通道为1个，则可将i/o分配用下表表示：表2-2 i/o分配表模块端子05 +05 -+-out测温模拟量端子v0m0a+a-2.5i/o接线图图2-4 输入输出接线图注意事项： 接线时注意模块的输入端子应接变送器的输出，输出端子接驱动模块的正负端子，且注意极性不能接反，否则烧坏plc

20、。模拟量没用的端子应该短接，不能悬空。plc模块不需接电源，与自身电源提供。当发生意外情况时应立即切断电源，检查电路。系统调试时，应检查接线，检查无误后才可上电。3控制算法设计在生产过程自动控制的发展历史过程中，pid控制是历史最悠久，生命力最强的基本控制方式。pid控制具有以下优点：原理简单，使用方便:适应性强，可以广泛应用于化工，热工，冶金，炼油及造纸，建筑等各种生产部门：鲁棒性强，控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。3.1p-i-d控制1比例(p)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系

21、统有静差存在。其传递函数为：其中：比例系数kp的倒数,即当调节机关的位置改变100% 时，偏差应有的改变量, 称为比例带，越大比例作用越弱 。2比例积分(pi)调节pi调节器就是利用p调节快速抵消干扰的影响，同时利用i调节消除残差，但i调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。动态方程式：传递函数为：其中：ti为积分时间。积分时间常数增大时，积分作用减弱，统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是，消除稳态误差的速度减慢。3比例微分(pd)调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，

22、易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。动态方程为：传递函数为： 式中为微分时间。微分时间越长 , 表示微分作用越强;比例带不但影响比例作用的强弱而且也影响微分作用的强弱 .4比例积分微分(pid)调节器pid是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。动态方程为：传递函数为：图3-1 几种调节器的响应曲线5各种调节比较上图表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。与pd相比，pid提高了系统的无差度；与pi相比，pid多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。pid兼顾了静态和动态控制要

23、求。 6.pid控制原理-算法选择原则1广义过程控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，引入微分调节。若工艺容许有静差，可选用pd调节；若工艺要求无静差，可选用pid调节。2广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许有静差时，可以选择p调节。3广义过程控制通道时间常数较小、负荷变化不大、且工艺要求允许无静差时，可以选用pi调节。4广义过程控制通道时间常数很大、且纯时延较大、负荷变化剧烈时，不宜采用pid控制。3.2pid回路指令_pid控制环节e(t)c(t)u(t)r(t)被控对象反馈环节3.2.1pid算法图3-2 带pid控制器的闭控制系统框图如图3-2所示，pid控制器可

24、调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差e(t)和输入量r(t)、输出量c(t)的关系：e(t)=r(t)-c(t)(3-1)控制器的输出为：(3-2)上式中, pid回路的输出;比例系数p积分系数i微分系数dpid调节器的传递函数为：(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)为了能让数字计算机处理这个控制算式连续算式必须离散化为周期采样偏差算式才能用来计算输出值数字计算机处理的算式如下：其中：在第 n 采样时刻pid

25、回路输出的计算值pid 回路增益在第 n 采样时刻的偏差值在第 n-1 采样时刻的偏差值 (偏差前项)积分项的比例常数pid 回路输出的初值 微分项的比例常数从这个公式可以看出积分项是从第 1 个采样周期到当前采样周期所有误差项的函，数微分项是当前采样和前一次采样的函数，比例项仅是当前采样的函数在数字计算机中不保存所有的误差项，其实也不必要。由于计算机从第一次采样开始，每有一个偏差采样值必须计算一次输出值，只需要保存偏差前值和积分项前值。利用计算机处理的重复性可以化简以上算式为其中:在第 n 采样时刻pid 回路输出的计算值pid 回路增益在第 n 采样时刻的偏差值在第 n-1 采样时刻的偏差

26、值 (偏差前项)积分项的比例常数 积分项前值微分项的比例常数cpu 实际使用以上简化算式的改进形式计算 pid 输出。这个改进型算式是:其中:第n采样时刻的计算值第n采样时刻的比例项值第n采样时刻的积分项值第n采样时刻的微分项值1、比例项比例项 是增益 () 和偏差 () 的乘积其中 决定输出对偏差的灵敏度, 偏差 () 是给定值() 与过程变量值 () 之差 执行的求比例项算式是:其中:第n采样时刻比例项的值增益 第n采样时刻的给定值 第n采样时刻的过程变量值2、积分项积分项值 mi 与偏差和成正比cpu 执行的求积分项算式是:其中:第n采样时刻的积分项值增益采样时间间隔积分时间第n采样时刻

27、的给定值第n采样时刻的过程变量值第n-1 采样时刻的积分项 (积分项前值) (也称积分和或偏置)积分和 () 是所有积分项前值之和.在每次计算出 之后都要用 去更新 。其中可以被调整或限定。的初值通常在第一次计算输出以前被设置 (初值)。 积分项还包括其他几个常数：增益 () ，采样时间间隔 () 和积分时间 ()。 其中采样时间是重新计算输出的时间间隔而积分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小。3、微分项微分项值 md 与偏差的变化成正比其计算等式为：为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变假定给定值不变() 。这样可以用过程变量的变化替代偏差的变化计算算式可改进为:其中：第 n-1 采

28、样时刻的给定值第 n-1 采样时刻的过程变量值为了下一次计算微分项值必须保存过程变量而不是偏差在第一采样时刻初始化为：3.2.2pid回路指令现在很多plc已经具备了pid功能，step 7 micro/win就是其中之一有的是专用模块，有些是指令形式。西门子s7-200系列plc中使用的是pid回路指令。见表3-1。表3-1pid回路指令名称pid运算指令格式pid指令表格式pid tbl，loop梯形图使用方法：当en端口执行条件存在时候，就可进行pid运算。指令的两个操作数tbl和loop，tbl是回路表的起始地址，采用的是vb100，因为一个pid回路占用了32个字节，所以vd100到

29、vd132都被占用了。loop是回路号，可以是07，不可以重复使用。pid回路在plc中的地址分配情况如表3-2所示。表3-2 pid指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程变量（p）实数必须在0.01.0之间4给定值（s）实数必须在0.01.0之间8输出值（）实数必须在0.01.0之间12增益()实数比例常数，可正可负16采样时间（）实数单位为s，必须是正数20采样时间（）实数单位为min，必须是正数24微分时间（）实数单位为min，必须是正数28积分项前值（mx）实数必须在0.01.0之间32过程变量前值（p-1）实数必须在0.01.0之间在p,i,d这三种控制作用中，比例部分与误差部分信

30、号在时间上时一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比例的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数的系统来说，比例系数过大，会使系统的输出振荡加剧，稳定性降低。调节器中的积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化，因此，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度。但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性代来不良影响，因此很少单独使用。积分时间常数增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，

31、但是，消除稳态误差的速度减慢。根据误差变化的速度（即误差的微分），微分部分提前给出较大的调节作用，微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有预测的特点。微分时间常数增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但抑制高频干扰的能力下降。如果微分时间常数过大，系统输出量在接近稳态值时上升缓慢。采样时间按常规来说应越小越好，但是时间间隔过小时，会增加cpu的工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不易将此时间取的过小，另外，假如此项取比运算时间短的时间数值，则系统无法执行。3.2.3回路输入输出变量的数值转换1、回路输入输出变量的数值转换方法在设计中，设定的温度是给定值

32、sp，需要控制的变量是炉子的温度。但它不完全是过程变量pv，过程变量pv和pid回路输出有关。在论文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。温度输入变量的数10倍据转化。传感器输入的电压信号经过em235转换后，是一个整数值，他的值大小是实际温度的把a/d模拟量单元输出的整数值的10倍。但pid指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。使用指令dtr就可以了。论文是从aiw0读入温度被传感器转换后的数字量。其转换程序如下:movw aiw0, ac1dtr ac1, ac1movr ac1,

33、 vd1002、实数的归一化处理因为pid中除了采样时间和pid的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值0.01.0之间，所以，在执行pid指令之前，必须把pv和sp的值作归一化处理。使它们的值都在0.01.0之间。归一化的公式如3-5:(3-5)式中, 标准化的实数值； 未标准化的实数值；补偿值或偏置，单极性为0.0，双极性为0.5；值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000，双极性为6400。设计中，采用的是单极性，故转换公式为:(3-6)因为温度经过检测和转换后，得到的值是实际温度的10倍，所以为了sp值和pv值在同一个数量值，我们输入sp值的时候应该是填写一个是实际温度10倍的数，即想要设定目标控制温度为100时，需要输入一个1000。另外一种实现方法就是，在归一化的时候，值域大小可以缩小10倍，那么，填写目标温度的时候就可以把实际值直接写进去19。3、回路输出变量的数据转换在设计中，利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。回路的输出值是在0.01.0之间，是一个标准化了的实数，在输出变量传送给d/a模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。这一过程是实数值标准化过程。(3-7)s7-200不提供直接将实数一步转化成整数的指令，必须