智能化温度控制系统设计

1、东北大学秦皇岛分校控制工程学院过程控制系统课程设计设计题目：智能化温度控制系统设计学 生： 刘剑武专 业：测控技术与仪器班级学号： 5110918指导教师： 吕江涛设计时间：2013.7. 8-2013.7.19目录一、前言2二、设计任务2三、总体设计3温度测量与控制过程3四、选型4pt100热电阻温度传感器4PLC4EM2355三相可控硅交流调压移相和触发器6五、硬软件设计7硬件部分7总体设计图7主电路图8PLC控制连线图9软件部分10程序流程图10I/O地址分配表10PID控制编程实现11程序模块12六、总结分析及结论13七、参考文献13八、结束语13一、前言1987 年，国际电工委员会（

2、IEC）颁布的可编程控制器标准第三稿中，对可编程控制器的定义如下：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、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入/输出，控制各种机械或生产过程。电阻炉是热处理常用设备之一，电阻炉可以提供室温至1200范围的温场。维持电阻炉某一范围的温度恒定是必须要解决的问题。电阻炉的发热体为电阻丝。电阻炉通常采用模拟仪表测量温度，并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率，由于模拟仪表本身的测量精度差，加上交流接触器的寿命短，通断比例低，故控制精度低。本文设计一

3、个采用西门子公司S7-200可编程序控制器实现对电阻炉温度的自动控制。PLC的模拟量输入模块反馈的炉温实际值与给定值的偏差进行PID运算，运算结果输出控制电阻炉平均功率的大小，来达到控制炉温的目的。 二、设计任务1、系统构成：系统主要由温度传感器，PLC控制系统、锅炉温度对象、执行器（查找资料自己选择）等组成。温度传感器、控制器、执行器可查找资料自行选择，控制器选择PLC为控制器。PLC型号自选。2、写出温度测量与控制过程，绘制温度控制系统组成框图。3、（1）系统硬件电路设计自选。 （2）编制温度测量控制程序：软件采用模块化程序结构设计，由温度采集程序、温度校准程序、温度控制程序等部分组成。三

4、、总体设计PID调节执行机构图1 锅炉温度控制系统框图锅炉A/DPID调节D/A设定值温度检测装置实际温度PLC温度测量与控制过程PLC运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等存入数据寄存器，随后系统开始温度采样5，pt100热电阻温度变送器将采集到的出口水温度信号转换为4-20mA的电流信号，电流信号在通过AIW2进入PLC，作为温度的反馈值，经过控制器的PID运算产生输出信号，由AQW0输出，输出的4-20mA电流信号控制可控硅的导通角，从而控制电加热管的电压，完成对温度的控制。四、选型pt100热电阻温度传感器 pt100热电阻温度传感器标准

5、化输出信号主要为0mA10mA和4mA20mA（或1V5V）的直流电信号。不排除具有特殊规定的其他标准化输出信号。温度变送器按供电接线方式可分为两线制和四线制。变送器有电动单元组合仪表系列的（DDZ-型、DDZ-型和DDZ-S型）和小型化模块式的，多功能智能型的。前者均不带pt100温度传感器，后两类变送器可以方便的与热电偶或热电阻组成带传感器的变送器。pt100温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由

6、于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。 测量方法可采用恒流恒压法，在传统的仪器仪表中，一般都采用这种方法，在构建恒流或者恒压法后，在利用欧姆定律，算出Pt100的阻值，然后查询分度表，得到温度。这种方法最简单也最通用。PLC 提供8点、16点数字量输入输出扩展模块；提供电压、电流输入输出，热电阻等模拟量模块；可接受双极性、单极性电压，电流等输入信号。使用STEP 7-MircoWIN软件编程，可直接运行西门子S7-200程序；支持SIMATIC和IEC1131-1指令集，支持协议库指令；可使用STL

7、、梯形图、FBD三种编程器编程，支持中/英文编程。参数：继电器输出85 264 V AC24 V DC24 V DC, 24 230 V AC2 A,继电器EM235连接控制系统的模拟量过程信号向过程控制系统输出模拟量控制信号;将过程模拟量信号转换为在SIMATIC S7-200内所处理的数字量信号,将S7-200的数字信号转换为过程所需的模拟量信号.为PLC扩展模拟量输入输出接口。输入范围(额定值)，电流 0 - 20 mA电压输入 电压输入时允许的输入电压（破坏极限），最大30 V电流输入 电流输入时允许的输入电流（破坏极限），最大32 mA模拟量输出 模拟量输出点数1电压输出范围 -10

8、 至 +10 V电流输出范围 0 - 20 mA输入阻抗(在额定输出范围内) 电压输出时，最小5 k电流输出时，最大0.5 k模拟值生成 积分和转换时间/每个通道精度 过载区精度(包括符号位)，最大12 位；电流输出，11 位基本转换时间，ms< 0.25 ms干扰电压抑制，干扰频率 f1，Hz40 dB, DC - 60 Hz建立时间 用于电压输出100 µs用于电流输出2 ms可显示转换值范围 双极性信号-32000 至 +32000单极性信号0 至 32000误差/精度 整个温度范围内的工作极限 电压，相对于输出范围+/- 2 %电流，相对于输出范围+/- 2 %基本误差

9、极限(运行在25°C时） 电压，相对于输出范围+/- 0,5 %电流，相对于输出范围+/- 0,5 %干扰电压抑制 f = n x (fl +/- 1 %)；fl=干扰频率 最大共模电压12 V隔离 隔离，模拟量输入 隔离，模拟量输入x隔离,模拟量输出 光隔离,模拟量输出x尺寸和重量 三相可控硅交流调压移相和触发器五、硬软件设计硬件部分总体设计图EM235S7-200CPU222热电阻热电阻锅炉三相可控硅AQW0AQW0主电路图PLC控制连线图软件部分程序流程图开始初始化温度采集标度变换是否达到报警限红灯亮大于90度绿灯亮正常温度PID运算控制三相可控硅停止加热I/O地址分配表模块号

10、输入端子号输出端子号地址号信号名称说明CPU2221I0.0手动自动切换开关0Q0.0绿灯,”1”有效,正常指示灯1Q0.1红灯,”1”有效，大于90指示灯EM2352AIW2电流输入接传感器1AQW0电流输出接执行器PID控制编程实现编写PID控制程序时，首先要把过程变量（PV）转化为0.00-1.00之间的标准实数。根据PID指令回路表（如表5.2）对PID回路进行赋值及参数的设置。PID指令LOOP是回路号，可以是0-7的整数。PID运算结束之后，需要把回路输出（0.00-1.00之间的标准化实数）转换为可以送给模拟量输出模块的整数。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。偏移地址

11、参数格式I/O类型描述0过程变量（PVn）双字-实数输入过程变量必须在0.0-1.0之间4设定值（SPn）双字-实数输入给定值必须在0.0-1.0之间8输出值（Mn）双字-实数输入/输出输出值必须在0.0-1.0之间12增益（Kc）双字-实数输入增益是比例常数 可正可负16采样时间（Ts）双字-实数输入单位为秒 必须是正数20积分时间（TI）双字-实数输入单位为分钟 必须是正数24微分时间（Td）双字-实数输入单位为分钟 必须是正数28积分项前项（MX）双字-实数输入/输出积分项前项 必须在0.0-1.0之间32过程变量前值（PVn-1）双字-实数输入/输出最近一次PID运算的过程变量值表5.

12、2PID指令的回路表如表5.3所示。表中包含了9个参数。这些参数分别是过程变量当前值、过程变量值、设定值、输出值、增益、采样时间、积分时间、微分时间和积分项前值。该温度控制系统PID指令地址设定如表5.3地址名称说明VD100实际压力（PVn）必须在0.0-1.0之间VD104回路压力设定值（SPn）必须在0.0-1.0之间VD108输出压力（Mn）必须在0.0-1.0之间VD112回路增益（Kc）比例常数 可正可负VD116采样时间（Ts）单位为s 必须是正VD120积分时间（Ti）单位为min 必须是正VD124微分时间（Td）单位为min 必须是正表5.3PID运算之后的输出值（0.00

13、-1.00之间的标准化实数）经过标度变换，变为长整型数据（16位整数），传递给模拟量输出模块，由模拟量输出模块将其转化为4-20mA的电流来控制执行器。程序模块初始化模块模拟量输出模块模拟量输入模块报警模块PID运算模块六、总结分析及结论智能化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s7200可编程控制器，很好的实现了锅炉温度的自动调节，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，集成在PLC内部的PID指令使用简单易于上手，针对我国大部分的锅炉用户来说本系统将是一个比较理想的温度控制系统。通过对本系统的设计和调试

14、，我们认识到，对于复杂系统的控制，不仅系统繁琐，调试困难，故障概率大，而且对以后的维护也带来困难。用PLC控制除了能解决以上问题以外，还具有以下特点：1、控制条理清楚，接线简单明了。2、模块化程序设计，便于调试，并且方便功能的改进。3、编程图形化，使之一目了然。七、参考文献【1】自动控制原理任彦硕；【2】自动控制系统任彦硕、赵一丁；【3】现代电气控制技术及PLC应用技术王永华；【4】控制仪表及装置吴勤勤；八、结束语通过这一阶段的努力，我们的课程设计基于PLC的锅炉温度控制系统终于完成了，这意味着大学的所有课程即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在此我循循善诱的老师们表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学