基于S7200的自制温度控制系统设计心得

1、 计算机控制技术实训报告题 目: 基于S7200的自制温度控制系统设计 系 别: 自动化系 _ 专 业: 电气工程及其自动化 姓 名: 学 号: 指导教师: 目 录一、概述2二、温度控制原理3三、自制温度控制方案设计4四、自制温度控制系统设计6实训心得参考书籍一、 概述这周实训任务是设计一种基于S7200的自制温度控制系统，并利用组态王软件组态较人性化的人机画面，组态软件采用组态王或者MCGS。阐述该系统的软硬件设计方案。采用模块化设计方法，通过EM235采集到的参数，利用西门子PLC200内部集成PID算法使被控对象的温度值趋于给定值。实验结果表明该系统具有良好的检测和自动控制功能。二、 温

2、度控制原理本系统是采用模块控制，原理框图如下图所示。通过EM235的AI口对温度变送器使出端进行数据采样、量化和工程标度变换，将采集的参数传到PLC的PID控制器中，通过和设定值的对比，然后将PLC中PID控制器输出通过EM235 得AO输出0-5V电压，作为驱动模块的输入信号，该模块将接收的0-5V可调电压变换成0-24V可调电压给电加热丝，从而控制电加热丝的加热强度，从而实现温度控制。三、 自制温度控制系统方案设计 本系统有两种控制方案：模块控制；继电器控制。计算机控制技术实训方案中控制器采用西门子PLC200，IO模版采用工控室与西门子配套的5套EM235(其中4个AI，1个AO)，被控

3、对象为温度对象。方案实现如图1和图2所示Ø 方案1：模拟量输出控制，将PLC中PID控制器输出通过EM235 AO输出0-5V电压，该0-5V电压作为方案1中驱动模块的输入信号，该模块将接收的0-5V可调电压变换成0-24V可调电压给电加热丝，从而控制电加热丝的加热强度，从而实现温度控制。Ø 方案2：继电器输出控制，将PLC中PID运算得到的变化的模拟信号转化为占空比可调的脉冲信号输出，该脉冲信号的占空比与模拟信号大小成比例，从而控制电加热丝的加热功率实现温度可控的目标。四、 自制温度控制系统设计该自制温度控制系统设计采用第一种方案，使用模块控制，硬件如下所示：Ø

4、 控制器：西门子PLC200。Ø IO模版：EM235，接收4-20mA或0-5V模拟信号，输出4-20mA或0-5V信号。Ø 被控对象：箱内温度。Ø 传感变送：热电偶+温度变送器，变送出标准电压信号或者电流信号都可。Ø 执行机构：驱动模块，开关电源。硬件接线的图：PID算法在稳定状态操作中，PID控制器管理输出数值，以便将错误（e）驱动为零。错误测量由定点（所需的操作点）和进程变量（实际操作点）之间的差别决定。PID控制原则基于以下公式，其中将输出M(t)表示为比例项、积分项和微分项的函数：其中：M(t) 作为时间函数的环路输出TD 环路增益E 环路错

5、误（定点和进程变量之间的差别）Minitial 环路输出的初始值为了在数字计算机中运行该控制函数，必须将连续函数量化为错误值的定期样本，并随后计算输出。数字计算机运算以下列相应的公式为基础：其中：Mn 采样时间n的环路输出计算值Kc 环路增益En 采样时间n的环路错误值En-1 环路错误的前一个数值（在采样时间n ?1）Ki 积分项的比例常量Minitial 微分项的比例常量KD 微分项的比例常量在该公式中，积分项被显示为全部错误项的函数，从第一个样本至当前样本。微分项是当前样本和前一个样本的函数，而比例项仅是当前样本的函数。在数字计算机中，既不可能也没有必要存储所有的错误项样本。因为从第一个

6、样本开始，每次对错误采样时数字计算机都必须计算输出值，因此仅需存储前一个错误值和前一个积分项数值。由于数字计算机计算结果的重复性，可在任何采样时间对公式进行简化。简化后的公式为：其中：Mn 采样时间n的环路输出计算值Kc 环路增益En 采样时间n的环路错误值En-1 环路错误的前一个数值（采样时间n ?1）Ki 积分项的比例常量MX 积分项的前一个数值（采样时间n ?1）KD 微分项的比例常量计算环路输出值时，CPU使用对上述简化公式的修改格式。修改后的公式为：其中：Mn 采样时间n的环路输出计算值MPn 采样时间n的环路输出比例项数值MIn 采样时间n的环路输出积分项数值MDn 采样时间n的

7、环路输出微分项数值比例项比例项MP是增益和错误（e）的乘积，其中增益控制输出计算的敏感度，错误是在某一特定采样时间定点（SP）和进程变量（PV）之间的差别。CPU采用的计算比例项的公式为：其中： MPn 采样时间n的环路输出比例项数值Kc 环路增益SPn 采样时间n的定点数值PVn 采样时间n的进程变量数值积分项积分项MI在时间上与错误（e）和成比例。CPU采用的积分项公式为：其中： MIn 采样时间n的环路输出积分项数值Kc 环路增益Ts 环路采样时间Ti 积分时间（亦称为积分时间或重设）SPn 采样时间n的定点数值PVn 采样时间n的进程变量数值MX 采样时间n - 1的积分项数值（亦称为

8、积分和或偏差）积分和或偏差（MX）是积分项所有先前数值的运行和。每次MIn计算后，根据MIn的数值更新偏差，该数值可能被调节或截取（详情请参阅“变量和范围”一节）。偏差的初始值通常被设为第一次环路输出计算之前的输出值Minitial。其他几个常量也是积分项的一部分，例如增益Kc、采样时间Ts（即PID环路重新计算输出值的循环时间）以及积分时间或重设Ti（即用于控制积分项对输出计算影响的时间）。微分项微分项MD与错误变化成比例。计算微分项的公式为：为了避免步骤改变或由于对定点变化求导带来的输出变化，对该公式进行修改，假定定点为常量 = 。如下所示，会导致计算进程变量的变化，而不计算错误的变化：或

9、：其中： MDn 采样时间n的环路输出微分项数值Kc 环路增益Ts 环路采样时间TD 环路微分阶段（亦称为导数时间或速率） SPn 采样时间n的定点数值SPn-1 采样时间n - 1的定点数值PVn 采样时间n - 1的进程变量数值PVn-1 采样时间n - 1的进程变量数值必须保存进程变量，而不必保存错误，用于下一次微分项计算。第一次采样时，数值PVn-1被初始化，等于PVn。PLC程序主程序子程序SBR_0子程序SBR_1中断程序工程转换实训编程过程中涉及到大量工程标度变换，现总结如以下所示：Ø 输入部分：温度变送器参数为：0-300度4-20mAEM235输入AI接收电流范围0

10、-20mA，为12位A/D转换器，其转换后数字量范围为：0-32000，故对应范围为：0-20mA0-32000。故编程时：0-300度-6400-32000PID子程序中检测值PV=AIW0, 归一化得 PV/32000=VD100Ø 输出部分：实际中，驱动模块调压范围为：1.3V-3.2V0-24VPLC的EM235中AO输出为0-10V0-32000实验中我们只需要0-5V电压给驱动模块，即数字量为0-16000PID运算输出范围为0-1之间小数，实训中我们需要将该0-1对应到1.3-3.2V因此PID运算输出对应数字量范围为：4160-10240因此， D/A转换器的数字量D

11、对应PID程序输出x之间关系为：D=f(x)= 4160+6080x驱动模块输入电压V与PID输出x之间关系为：V=x*（3.2-1.3）+1.3Ø PID子程序设定值VD104为归一化0-1之间的值0-300度-6400-320000-32000-0-1综合得0-300度-0.2-1X=T*(1-0.2)/300+0.2PID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确定，但是误差太大。目前，应用工程做多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例

12、带法和反应曲线法。 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，工程上有大量的经验，其规律如下表所示： 实验凑试法的整定步骤为“现比例，再积分，最后微分”。整定比例控制 将比例控制作用由下变大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。整定积分环节先将步骤 中选择的比例系数减小为原来的5080%，再将积分时间置一较大值，反复试凑至获得满意的控制效果，确定比例和积分参数。整定微分环节 先置微分时间Td=0，同时相应的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。根据经验，

13、微分环节一般都置为0，可以不调的尽量不要调。 根据反复的试凑，调出比较好的结果是P=30;I=0.5;D=0。人机界面实时曲线如下图所示：过程控制系统和现场总线控制系统 现场总线把单个分散的测量、控制设备变成网络的一各个节点，并以现场总线为纽带，把他们连接成可以互相沟通信息、共同完成自控任务的网络系统和控制系统。它不但克服了DCS那种系统结构复杂、造价昂贵、浪费大量铜线等缺点，而且是自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。因此，现场总线将工业过程控制引入一个新的时代。实训心得（重点）这周实训为期虽然很短，但我在老师和同学的帮助下成功运用了组态王和S7-200设计了一个人机监控的温度控制系统，系统采用位置式PID控制，得到了一个反应迅速，控制精度高、稳定可靠的温度控制系统。熟悉硬件电路，把理论和实践相结合，把各个部分对应起来，加深对PID控制器的了解和作用，尤其是在调试PID三个参数：比例系数、积分系数和微分系数，花了很多时间才能调试出令这个系统运行更快、更稳定的参数，并加深每个参数对