基于PLC的加热炉温度控制系统设计本科毕业设计论文

1、本 科 毕 业 设 计（论文）任 务 书基于 PLC的加热炉温度控制系统设计本科毕业设计论文题目 : 基于 PLC的加热炉温度控制系统设计原始依据 （包括设计（论文）的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等 ） ： 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛， 但从国内生产的温 度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家 相比，仍然有着较大的差距。 加热炉的温度控制系统具有较大的容量滞后， 采用 单回路控制往往会出现较大的动态偏差， 很难达到好的控制效果， 为提高系统对 负荷变化较大或其他扰动比较剧烈时的控制质量，采用基于 PLC的双闭环温度控 制系统来提高

2、加热炉的燃烧效率。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。通过本毕业设计培养学生综合运用所学的基础理论、 基础知识、基本技能进 行分析和解决实际问题的能力，使学生受到 PLC系统开发的综合训练，达到能够 进行 PLC系统设计和实施的目的。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。主要内容和要求（ 包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据课题性 质对学生提出具体要求 ）：如图 1 所示的加热炉，它是由温度内胆、夹套、加热器、温度检测变送器组 成。图 1 加热炉温度系统加热器采用传统的价格较低的电阻板加热， 水系统是加速加热炉温度恒定。通过检测内胆和夹套的温度来控制电阻板两端的电压变化，使炉温达到设定值。残骛楼諍锩瀨濟溆塹

3、籟。为提高系统对负荷变化较大或其他扰动比较剧烈时的控制质量， 采用串级控 制方案，主、副控制器采用 PID控制算法，手动整定或自整定 PID参数，实时计算 控制量，控制加热装置，使加热炉温度为 80左右，并能实时显示当前温度值。 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。毕业论文中需有与本课题有关的国内外的研究现状， 系统总体方案设计， 硬 件的工程设计与实现， PLC控制程序设计（ I/O 地址分配，程序流程图） ，总结。 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。日程安排：2010.12 -2011.4. 82011.4.9-2011.4.202011.4.20-2011.5.102011.5.11-2011.5.202011.

4、5.21-2011.5.282011.5.29-2011.6. 7 主要参考文献和书目：认真收集有关资料，完成开题报告提出总体方案并进行论证 论文主体设计 论文撰写，完成初稿 程序调试和修改论文 编写设计说明书，准备答辩提纲，进行答辩1 楼顺天、姚若玉、沈俊霞， MA TLAB7.x 程序设计语言， 西安电子科技大学出版社， 20082 黄友锐、曲立国， PID 控制器参数整定与实现，科学出版社， 20104 卢京潮，自动化控制原理，西北工业大学出版社， 20095 周美兰、周封、王岳宇， PLC 电气控制与组态设计，科学出版社， 20096 李科，温控系统的智能 PID 控制算法研究， 硕士

5、论文 ，中华科技大学， 20067 吴长胜，基于 PLC控制的加热炉温度控制系统设计， 学士论文 ，贵州师范大学， 20068 李世斌、李宏伟， PLC 在锅炉控制中的应用、自动化技术与应用， 2003 年第 22卷第 1 期9 欧祖鸿，基于 Wincc 和 S7-200 的温度测控系统， 学士论文 ，重庆科技学院， 201010 廖常初， PLC 编程及应用，机械工业出版社， 200511 顾占松、陈铁年，可编程控制器原理与应用，北京国防工业出版社， 199612 王伟、张晶逃、 柴天佑，PID 参数先进整定方法综述， 自动化学报， 2000,5（26）347355 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。1

6、3 胡学林，可编程控制器教程，电子工业出版社， 200514 张扬、蔡春伟、孙明健， S7-200PLC 原理与应用系统技术，机械工业出版社， 200715 Jurgen Muiler 、张怀勇，西门子自动化系统实战，人民邮电出版社， 2007指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日本科毕业设计（论文）开题报告（综述）题 目： 基于 PLC的加热炉温度控制系统设计 本课题来源及研究现状： 随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种 最常见的过程变量。 其中，温度是一个非常重要的过程变量。 例如：在冶金工业、 化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各

7、种加热炉、 热处理炉、 反应炉和锅炉的温度进行控制。 这方面的应用大多是基于单片机进行 的 PID 控制，然而单片机控制的 DDC 系统软硬件设计较为复杂，特别是设计到 逻辑方面更不是其长处，然而 PLC 在这方面却是公认的最佳选择。 厦礴恳蹒骈時盡继 價骚。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，通过 采用 PLC 来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优先，而且 可以大幅度提高被测温度的技术指标， 从而能够大大提高产品的质量和数量。 因 此，PLC 对温度的控制

8、是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。 这也是本次毕 业设计所重点研究的内容。 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。温度控制系统在国内各行业的应用虽然已经十分广泛，但从温度控制来讲， 总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大的差距。 目前我国在这方面总体技术水平处于 20实际 50 年代中后期水平，成熟产品主要 以点位控制及常规的 PID 控制为主。它只能适应一般的温度控制，难以控 制滞后、复杂、时变温度系统。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参数的自整定方面， 国外 已有较多的成熟产品。 但由于国外技术保密及我国开发工作的滞

9、后还没有开发出 性能可靠的自整定软件，控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。 鹅娅尽損鹌惨歷 茏鴛賴。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得 成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先的国家，都生产出了一批商品化得，性能优异的温度控制器及仪器仪表， 并在各行业广泛应用。 它们主要具有如下的 特点：是适应于大惯性、 大滞后等复杂温度控制系统的控制； 是能够适应于 受控数学模型难以建立的温度控制系统的控制； 是能够适应于受控系统过程复 杂、参数时变的温度控制系统的控制；是温度控制系统普遍采用自适应控制、 自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应

10、 的范围广泛；是温度控制器普遍具有参数自整定功能。 有的还具有自学习功能， 能够根据历史经验及控制对象的变化情况， 自动调整相关参数， 以保证控制效果 的最优化；是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温 度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。 籟丛妈羥为贍偾 蛏练淨。课题研究目标、内容、方法和手段： 本课题研究的主要目标是采用串级控制方案，主、副控制器采用 PID 控制 算法，手动整定或自整定 PID 参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉 温度为 80左右，并能实时显示当前温度值，其总体结构如图 1 所示。 預頌圣鉉儐 歲龈讶骅籴。系统硬件组成由

11、 PC机、 PLC控制器、晶闸管调功器、加热炉对象等组成； 加热炉对象由温度内胆、夹套、加热器、温度检测变送器等组成。 渗釤呛俨匀谔鱉调 硯錦。总体方案是采用 PLC 控制器来对系统进行总体控制，温度变送器采集夹套 和内胆温度信号；两个数显仪表分别对夹套温度和内胆温度的实际值进行实时显 示；两个启动按钮对系统的运行与停止进行手动控制； 指示灯来显示系统的运行状态；模拟量扩展模块承担两个模拟量输入和一个模拟量输出的任务； 调功器根 据 PLC的控制信号对加热器进行控制， 来实现对温度的控制。 其各个部分的组成 连接如图 2 所示。 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。图 2 设计总体方案连接图加热炉温的控制系

12、统实现过程是：首先温度传感器将加热炉的温度转化为 电压信号， PLC的扩展模块 EM235将送过来的电压信号转化为西门子 S7-200PLC 可识别的数字量， 夹套温度主给定量 SV1与夹套温度主反馈量 PV1比较后得到误 差信号 e1，然后 PLC 将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过 PID 运算处理，输出控制量 OUT1作为副控制器的给定，并与内胆温度副反馈量 PV0进行比较得到误差信号 e0，经福控制器进行 PID 运算输出控制量 OUT0作为 晶闸管调功器的输入信号， 来控制输出电压的变化， 从而控制内胆加热器上电压 的高低，实时控制内胆温度副被控量和夹套温度主被控量，

13、 构成双闭环温度控制 系统，其结构如图 3 所示。 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。图 3 串级控制系统方框图设计（论文）提纲安排：第一章 绪论：对课题研究背景国内外发展前景进行了阐述，并分别从基于 单片机的温度控制系统，基于 PLC 的温度控制系统，基于工控机（ IPC）的温 度控制系统，集散型温度控制系统（ DCS），现场总线控制系统（ FCS）等介绍 当前温度控制系统的发展状况。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。第二章 设计总体方案：简单的从硬件部分和软件部分介绍了系统的工作原 理，并对 PID控制算法做了基本介绍，简单阐述了 PID 运算在本设计中的用法， 和对相关参数进行了确定 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。第

14、三章，系统硬件设计： 介绍了硬件系统设计的组成和连线图， 对系统所用 到的硬件进行了介绍和选型。第四章，系统软件编程：对编程的思路和各个编程部分的任务、组成、流程 图和梯形图进行了详细介绍，并对编程用软件的安装进行了说明。 蜡變黲癟報伥铉锚 鈰赘。第五章，总结。设计（论文）提纲及进度安排：2010.13-2011.4. 8 认真收集有关资料，完成开题报告2011.4.9-2011.4.212011.4.20-2011.5.112011.5.11-2011.5.212011.5.21-2011.5.292011.5.29-2011.6. 7提出总体方案并进行论证论文主体设计论文撰写，完成初稿程序

15、调试和修改论文 编写设计说明书，准备答辩提纲，进行答辩主要参考文献和书目：1 廖常初 .S7-200PLC 编程及应用 M. 北京：机械工业出版社 ,2006.2 吴中俊，黄永红主编 . 可编程序控制器原理及应用M. 北京：机械工业出版社，北京.2004,4.買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。3 王永华.现代电气控制及 PLC应用技术 M.北京：北京航空航天大学出版社， 20084 马秀坤，史云涛，马学军 .S7-200PLC 与数字调速系统的原理及应用 M. 北京：国防工业 出版社， 2009 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。5 陈伯时主编 .电力系统自动控制系统 M. 北京：机械工业出版社 ,20036 张志杰

16、 加热炉控制系统的优化设计与应用 J.工业炉 ,2000,22(3):26-27.7 王浩宇 ,张云生 ,张果 .管式加热炉 PID 算法改进及其在虚拟仪器中的应用 J. 自动化仪 表,30(4):51-54 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。8 楼顺天、姚若玉、沈俊霞， MA TLAB7.x 程序设计语言， 西安电子科技大学出版社， 20089 黄友锐、曲立国， PID 控制器参数整定与实现，科学出版社， 201010 卢京潮，自动化控制原理，西北工业大学出版社， 200911 周美兰、周封、王岳宇， PLC 电气控制与组态设计，科学出版社， 200912 李科，温控系统的智能 PID 控制算法研究，

17、硕士论文 ，中华科技大学， 200613 吴长胜， 基于 PLC 控制的加热炉温度控制系统设计， 学士论文 ，贵州师范大学， 200614 李世斌、李宏伟， PLC 在锅炉控制中的应用、自动化技术与应用， 2003 年第 22 卷第 1期15 欧祖鸿，基于 Wincc 和 S7-200 的温度测控系统， 学士论文 ，重庆科技学院， 201016 廖常初， PLC 编程及应用，机械工业出版社， 200517 顾占松、陈铁年，可编程控制器原理与应用，北京国防工业出版社， 199618 王伟、张晶逃、 柴天佑，PID 参数先进整定方法综述， 自动化学报， 2000,5(26)347355 猫虿驢绘燈

18、鮒诛髅貺庑。19 胡学林，可编程控制器教程，电子工业出版社， 200520 张扬、蔡春伟、孙明健， S7-200PLC 原理与应用系统技术，机械工业出版社， 200721 Jurgen Muiler 、张怀勇，西门子自动化系统实战，人民邮电出版社，200722 刘迎春，叶湘滨 .传感器原理 .，国防科技大学出版社， 200223 付家才， PLC 实验与实践 .，北京高等教育出版社， 200624 袁宝歧，加热炉原理与设计，航空工业出版社 198925 Tracton.K. 、时光译，显示电子学，人们邮电出版社， 2002指导教师审核意见：教研室主任签字： 年 月 日摘要可编程控制器是一种应用

19、很广泛的自动控制装置， 它将传统的继电器控制技 术，计算机技术，通讯技术融为一体， 具有控制力强、 操作灵活方便、可靠性高、 适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。本文先从课题研究背景说起，通过几个温控系统简单介绍了国内外发展现 状。然后主要通过对系统的总体方案设计，硬件的选择、设计、使用，软件程序 的思路、流程图、编写等方面详细介绍了各个模块的原理、设计和使用，并对程 序中所使用的控制算法进行详细的介绍。 实验证明，以PLC作为控制核心， 在通 过 PLC编程控制温度对象， 这种设计方式可以方便快捷的设计出符合要求的温度 控制系统。通过本设计可以熟悉并掌握西

20、门子 S7-200PLC 的原理与功能及它的 编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制问题。 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。关键字： S7-200PLC；EM235；温度控制系统AbstractWith the continuous development of the industrial automatization, people s requirements for automatics become higher and higher. In recent years, rapid growing computer technology has been widely

21、 used, but in the meantime, traditional industrial control software has critical shortcomings such as long development cycle, low reusability, high price and costly modifications . As more and more automatic equipments are applied and the requirements for industrial control software are higher and h

22、igher, the traditional industrial control software can not meet the demand of consumers any more. How to design a flexible and effective automatic control system speedily and conveniently by using industrial control software has become a very important task. PLC (programmable logic controller) is a

23、kind of wildly used automatic control device, and it combines traditional relay control technology, computer technique and communication technology, and it characterized by strong control ability, flexible operation, high reliability and suitable for continuous working. This thesis introduces the pr

24、inciples, design and application of each module from the selection, design, and application of hardware, and selection, compile of software in details. Experiments prove that use PLC as the control centre and controtle mperature object through programming by PLC, we can design desirable temperature

25、control system conveniently andf lexiblely. 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。Key words: S7-200PLC; EM235; temperature control system. 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。目录第一章绪论 1 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。1.1 系统设计背景 1凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。1.2 温度控制系统的发展状况 1恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。1.3 本文的研究内容 3鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。第二章 设计总体方案及控制算法描述 4硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。2.1 系统总体方案 4阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。2.1.1 硬件方案设计 4氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。2.1

26、.2 软件方案设计 5釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。2.2 PID 控制算法 6怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。2.2.1 PID 算法 7谚辞調担鈧谄动禪泻類。2.2.2 PID 在 PLC 中的回路指令 8嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。2.2.3 PID 参数整定 10熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。第三章 系统硬件设计 12鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。3.1 系统的硬件组成 12纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。3.1.1 系统结构组成 12颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。3.1.2统各个组成部分完成的任务 12濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。3.2 可编程控制器 12銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。3.2.1PLC 的特点 12挤貼綬电麥结鈺贖哓类。3.2.2PLC

27、的选型 13赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。3.2.3西门子 S7-200 主要功能模块介绍 14塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。3.3 系统其他硬件选型及配置 17裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。3.3.2 显示模块 17仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。3.3.3温度传感器 18绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。3.3.4 调功器 20骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。4.4 系统硬件连接 23瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。第四章 系统软件设计 24 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。104.1系统设计软件 244.2方案设计思路 254.2 主程序部分 274.3标度变换子程序 304.4显示模块子程序 324.5PID 初始化子程序及中断程序 36第五章 总结 43致

28、谢 44参考文献 45附录 46栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。11江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文）第一章绪论1.1 系统设计背景温度与人们的生存生活生产息息相关。 从古人类的烧火取暖， 到今天的工业 温度控制， 处处都体现了温度控制。 随着生产力的发展， 人们对温度控制精确度 要求也越来越来高， 温度控制的技术也得到迅速发展。 各种温度控制算法如： PID 温度控制，模糊控

29、制算法， 神经网络算法，遗传算法等都应用在温度控制系统中。 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。近年来，加热炉的温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统， 温度是 工业生产中重要的被控参数之一，冶金、机械、食品、化工等各类工业生产过程 中广泛使用的各种加热炉、 热处理炉、 反应炉，对工件的处理均需要对温度进行 控制，因此， 在工业生产中和家居生活过程中对温度进行检测和监控， 由于许多 实践现场对温度的影响是多方面的， 使得温度的控制比较复杂， 而传统的温度控 制器多由继电器组成的， 但是继电器的触点的使用寿命有限， 故障率偏高， 稳定 性差，无法满足现代的控制要求。 而随着计算机技术的发展， 嵌入式微型计

30、算机 在工业中得到越来越多的应用。 将嵌入式系统应用在温度控制系统中， 使得温度 控制系统变得更小型，更智能。随着国家的“节能减排”政策的提出，嵌入式温 度控制系统能够降低能耗，节约成本这一优点使得其拥有更加广阔的市场前景， 而 PLC 就是最具代表性的一员。目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、 工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国 民经济的重要热工设备之一。 在现代化的建设中， 能源的需求非常大， 然而我国 的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极重要的实际意义。 懨俠 劑鈍触乐鹇烬觶騮。通过本设计可以熟悉并掌握西门子 S7-200PLC 的原

31、理与功能及它的编程语 言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制问题。 謾饱兗争 詣繚鮐癞别瀘。1.2 温度控制系统的发展状况温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用， 在工农业生产、 国防、 科研 以及日常生活等领域占有重要的地位。 温度控制系统是人类供热、 取暖的主要设 备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简 单到复杂， 随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高， 温度控制系统 的控制技术得到迅速发展。 当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文）制系统，基于 PLC 的温度控制系统，基

32、于工控机（ IPC）的温度控制系统，集 散型温度控制系统（ DCS），现场总线控制系统（ FCS）等。 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。单片机的发展历史虽不长， 但它凭着体积小， 成本低， 功能强大和可靠性高 等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。 单片机已经由开始的 4 位机发展到 32 位机，其性能进一步得到改善。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作 精度高。但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复 杂的，高要求的系统中使用。 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。PLC 是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令， 执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟

33、和数字输入、输出 等组件，控制各种机械或工作程序。 PLC 可靠性高、抗干扰能力强、编程简单， 易于被工程人员掌握和使用， 目前在工业领域上被广泛应用。 相对于 IPC，DCS， FSC 等系统而言， PLC 是具有成本上的优势。因此， PLC 占领着很大的市场份 额，其前景也很有前途。 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。工控机（ IPC）即工业用个人计算机。 IPC 的性能可靠、软件丰富、价格低 廉，应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘， 防电磁辐射。 过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控， 一般较难达到满意的 结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。 影

34、响燃烧的因 素十分复杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的 PID 为基础的常规仪表控 制，已很难达到最佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离PID，选择性 PID 。参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人 力难以实现或无法实现的。 在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改 善了对锅炉的监控品质， 提高了平均热效率。 但如果单独采用工控机作为控制系 统，又有易干扰和可靠性差的缺点。 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。集散型温度控制系统（ DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型 控制系统。与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。 DCS 的关 键是通信

35、。也可以说数据公路是分散控制系统 DCS 的脊柱。由于它的任务是为 系统所有部件之间提供通信网络， 因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵 活性和安全性。基本 DCS 的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平， 能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率。但 DCS 在设备配置上要 求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由 于设计上的高要求，导致 DCS 成本太高。 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。现场总线控制系统（ FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技 术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。 其优势在于网络化、 分散化控 制。基于总线控制系

36、统（ FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理 等特点，FCS系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文）能。而且它可以对现场装置 （含变送器、执行器等 ）进行远程诊断、维护和组态， 这是其他系统无法达到的。 但是， FCS还没有完全成熟， 它才刚刚进入实用化的 现阶段，另一方面，目前现场总线的国际标准共有 12 种之多，这给 FSC的广泛 应用添加了很大的阻力。 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。各种温度系统都有自己的优缺点， 用户需要根据实际需要选择系统配置， 当 然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，

37、做到 互补长短。 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛， 但从生产的温度控 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有着较 大差距。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 控制参数的自整定方面， 国外已有较多的成熟产品。 但由于国外技术保密及我国 开发工作的滞后， 还没有开发出性能可靠的自整定软件。 控制参数大多靠人工经 验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅

38、速，并在智能化、自适应、参数自 整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商 品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外 温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。 攙閿频嵘陣 澇諗谴隴泸。1.3 本文的研究内容本论文主要是利用 PLCS 7-200 作为可编程控制器， 系统采用串级控制方案， 主、副控制器采用 PID 控制算法，手动整定或自整定 PID 参数，实时计算控制 量，控制加热装置，使加热炉温度为 80左右，并能实现手动启动和停止，运 行指示灯监控实时控制系统的运行，实时显示当前内胆温度值与夹套温度值。 趕 輾

39、雏纨颗锊讨跃满賺。具体有以下几方面的内容：第一章 绪论：对课题研究背景国内外发展前景进行了阐述，并分别从基于 单片机的温度控制系统，基于 PLC 的温度控制系统，基于工控机（ IPC）的温 度控制系统，集散型温度控制系统（ DCS），现场总线控制系统（ FCS）等介绍 当前温度控制系统的发展状况。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。第二章 设计总体方案：简单的从硬件部分和软件部分介绍了系统的工作原 理，并对 PID控制算法做了基本介绍，简单阐述了 PID 运算在本设计中的用法， 和对相关参数进行了确定 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。第三章，系统硬件设计： 介绍了硬件系统设计的组成和连线图， 对系统所用 到的硬件进

40、行了介绍和选型。江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文）第四章，系统软件编程：对编程的思路和各个编程部分的任务、组成、流程 图和梯形图进行了详细介绍，并对编程用软件的安装进行了说明。 偽澀锟攢鴛擋緬铹 鈞錠。第五章，总结第二章 设计总体方案及控制算法描述2.1 系统总体方案加热炉温控制系统主要有软件与硬件两部分组成。2.1.1 硬件方案设计 硬件基本构成有 PLC 主控系统部分、调功器、加热炉、加热器、启动 /停止 开关按钮、数显表与温度变送器五部分组成。 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。 其结构硬件部分组成及其关系如图 2-1 所示。图 2-1 加热炉硬件部分组成图基本工作原理：加热炉是加热对

41、象（本设计采用自来水作为加热对象）的容 器，通过温度变送器检测炉内水温和夹套温度，产生 0100mV 电压信号，传送 给 S7-200PLC的模拟量扩展模块 EM235，由 PLC 主控系统部分进行运算和处理 后再由模拟量扩展模块 EM235 产生 05V 的控制信号传送给调功器，调功器根江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文）据不同的控制信号输出不同的电压来控制加热炉内的加热器来对水温进行加热 和控制，由此水温升高或降低会影响温度检测元件， 从而产生了一个闭环回路控 制，因此达到平衡控制水温的目的。 通过启动和停止产生的开关量数字信号来控 制系统运行于停止， 实现手动控制的功能。 两

42、个数显表分别用于显示夹套温度和 内胆温度，其分辨率为 1。 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。2.1.2 软件方案设计软件基本结构由主 /副控器 PID，控制对象温度调功器、 检测元件温度变送器 等部分组成。其基本工作原理：首先计算出两个控制器 PID 的有关参数，进行 PID 初始化，把夹套温度变送器和内胆温度变送器传送回来 0100mV 的电压信 号通过模拟量输入模块 EM235 的 A/D 转换变为 032000的数字量， 然后进行变 换变为 01的过程量形参，然后给定一个夹套温度给定量 SV 和夹套温度过程量 PV1 传送给主控制器 PID 运算，得到的结果 OUT1 作为副控制器的给定量 SV

43、与 内胆温度过程量 PV0 传送给副控制器 PID 运算，得到的结果 OUT0 经过标度变 换和模拟量输出模块 EM235 的 A/D 转换变为 05V 的控制信号传送给温度调功 器，对炉内加热器进行控制， 同时对内胆温度和夹套温度进行检测， 形成双闭环 回路控制。其组成图如图 2-2 所示，流程图如图 2-3所示。 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。图 2-2 加热炉软件控制部分组成图江西理工大学 2011 届本科生毕业设计(论文)2.2 PID 控制算法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多的经验，PI

44、D的研究已经到达一个比较高的程度。 镞锊过润启婭澗骆讕瀘。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。 榿贰轲誊 壟该槛鲻垲赛。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。 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。在微分控制 (D) 中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文）化率）成正比关系。微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势。 避免较大的误差出现，微分控制不能消除余

45、差。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。PID 控制， P、I 、D 各有自己的优点和缺点，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量。 该栎谖 碼戆沖巋鳧薩锭。2.2.1 PID 算法图 2-4 带 PID 控制器的闭控制系统框图如图 2-4 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：e(t) =r(t)-c(t)(2-1)控制器的输出为：1tde(t)u(t)K P e(t)Ti0 e(t)dt Tddt(2-2)上式中, u（t）PID回路的输出； Kp 比例系数 P；Ti 积分系数 I；Td 微

46、分系数 D;PID 调节器的传输函数为： 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。D(S)U (S)E(S)KPTdS(2-3)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 2-1 所示。 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。表 2-1 模拟与离散形式模拟形式离散化形式e(t) r(t) c(t)e(n) r(n) c(n)de(t)e(n) e(n 1)dTT7江西理工大学 2011 届本科生毕业设计(论文)t0e(t)dtnne(i)T T e(i) i 0 i0所以 PID 输出经过离散化后，它的输出方程为；Tnu(n) KP e(n) e(i) Td e(n)

47、 e(n 1)Ti i 0u0(2-4)uP(n) ui (n) ud(n) u0式 2-4 中，uP (n) KPe(n) 称为比例项；ui(n) Kp TT e(i)Ti i 0称为积分项；ud (n) K p T e(n) e(n 1) 称为微分项；n上式中，积分项 e(i) 是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的 i1累积值。计算中， 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。 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。2.2.2 PID 在 PLC 中的回路指令现在很多 PLC已

48、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 2-2。 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。表 2-2 PID 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，本文采用的是 VB100 ，因为 一个 PID 回路占用了 32 个字节，所以 VD100 到 VD132 都被占用了。 LOOP 是 回路号， 可以是 0

49、7，不可以重复使用。 PID 回路在 PLC 中的地址分配情况如表 2-3 所示。 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文）表 2-3 PID 指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程变量（ PVn ）实数必须在 0.01.0 之间4给定值（ SPn）实数必须在 0.01.0 之间8输出值（ Mn ）实数必须在 0.01.0 之间12增益（ Kc ）实数比例常数，可正可负16采样时间（ Ts）实数单位为 s，必须是正数20采样时间（ Ti ）实数单位为 min ，必须是正数24微分时间（ Td ）实数单位为 min ，必须是正数28积分项前值（ MX ）实数必须在

50、 0.01.0 之间32过程变量前值（ PVn-1 ）实数必须在 0.01.0 之间1）回路输入输出变量的数值转换方法 本设计中回路的输入为两个温度模拟量输入，夹套和内胆温度经过温度检 测模块，传送给 EM235经过 A/D转换后得到的是 16 为整数，而设计中所需要的 过程变量为实数，所以我们需要将整数转换为实数，这里就要用到I_DI ，DI_R指令，就如在标度变换中的转换一样，得到实际的温度值。输出为05V 的电压信号，所以我们输入到 EM235的数值也为 16 位整数类型，而经过 PID 回路运算 后得到的数据为 32 为实数，这里我就要用到 ROUND,DI_I指令，就如在副控制器 中

51、断程序一样，得到的数据从模拟量输出端口输出。 浹繢腻叢着駕骠構砀湊。2）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。归一化的公式为： 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。Rnoum Rraw /Span Offest2-5)式中 , Rnoum 标准化的实数值； Rraw 未标准化的实数值； Span 补偿值或偏置，单极性为 0.0，双极性为 0.5； Offest 值域大小，为最大允 许值减去最小允许值，单极性为 32000，

52、双极性为 6400。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。本文中采用的是单极性，故转换公式为：江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文）Rnoum （Rraw / 32000）（2-6 ）因为温度经过检测和标度变换后， 得到的值是实际温度值， 所以为了 SP 值 和 PV 值在同一个数量值 01.0 对应 0100，所以输入 SP 值的时候应该是填写 一个是实际温度 1/100 的数，即想要设定目标控制温度为 80时，需要输入一个 0.8。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。3）回路输出变量的数据转换 本设计中，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

53、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。 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。Rscal （M n Off est ）Span（2-7 ）S7-200 不提供直接将实数一步转化成整数的指令，必须先将实数转化成双 整数，再将双整数转化成整数。程序如下： 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。ROUND AC1, AC1DTIAC1, VW342.2.3 PID 参数整定PID 参数整定方法就是确定调节器的比例系数 P、积分时间 Ti 和和微分时间 Td，改善系统的静态和动态特性， 使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要 求。一般可以通过理论计算来确定

54、，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整 定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。 齡践砚语蜗铸转絹攤濼。经验法又叫现场凑试法， 它不需要进行事先的计算和实验， 而是根据运行经 验，利用一组经验参数， 根据反应曲线的效果不断地改变参数， 对于温度控制系 统，工程上已经有大量的经验，其规律如表 2-4 所示。 绅薮疮颧訝标販繯轅赛。表 2-4 温度控制器参数经验数据被控变量规律的选择比例度积分时间（分钟）微分时间（分钟）温度滞后较大2060204003实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分” 。 1）整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调

55、小的响 应曲线。2）整定积分环节先将步骤 1）中选择的比例系数减小为原来的 5080，再将积分时间置一 个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例10江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文）系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。3）整定微分环节环节 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。先置微分时间 TD=0，逐渐加大 TD，同时相应地改变比例系数和积分时间， 反复试凑至获得满意的控制效果和 PID 控制参数。 烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。 经过经验得出本设计的 PID 参数如下，主控制器的增益为 0.15，采样时间为 0.2S，积分时间为 30min，微分时间

56、为 3.0min；副控制器的增益位 2.0 ，采样时间为 0.2S，积分时间位 27min，微分之间为 0min。11江西理工大学 2011 届本科生毕业设计（论文）第三章系统硬件设计3.1 系统的硬件组成3.1.1 系统结构组成温度控制系统的结构包括一台可编程控制器、 一台调功器、 两个温度检测回 路、一个加热器、一个模拟量输入输出扩展模块 EM235、两个数显表、两个启动 /停止按钮，一个系统运行指示灯。 鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。3.1.2 统各个组成部分完成的任务（1）运行指示灯和启动按钮 / 停止按钮实现运行监控和启动和停止系统的控 制：按下启动按钮，系统开始运行，运行指示灯点亮；按下停止按钮，系统停止 运行系统指示灯熄灭。 撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。（2）数显表：根据 PLC的输出实时显示内胆温度和夹套温度的实际温度值， 便于控制和观察。（3）温度变送器：用来检测夹套和内胆温度，将温度值转换为PLC可以读取的电压模拟量信号，同时传送给 PLC模拟量输入模块 EM235。踪飯梦掺钓貞绫