传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术

1、传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术,山于采用固定接线的硬件实现逻辑魁，使控制系 统的体积増人，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展， 传统继电器揑制技术必然被基于计算机技术而产生的plc控制技术所取代。而plc本身优异的性能使基 t plc控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系 统冇普遍性意义。2加热炉温度控制系统基本构成加热炉温度控制系统基本构成入图1所示，它iii plc主控系统、移相触发模块整、流器scr、加热炉、传 感器等5个部分组成。该加热炉温度希望稳定在100°c丁作（其它

2、工作温度同样可以照此方法设计）。图1加热炉温度控制系统卑本组成加热炉温度控制实现过程是:首先传感器将迦遨炉的温度转化为电压信号，plc主控系统内部的a/d将送 进來的电压信号转化为plc可识别的数字量，然后plc将系统给定的温度值与反馈冋來的温度值进行处 理，给移和触发模块，再给三和整流电路（scr） 一个触发脉冲（既控制脉冲）,这样通过scr的输出我 们控制了加热炉电阻丝两端的电压，也既加热炉温度控制得到实现。其中plc主控系统为加热炉温度控制 系统的核心部分起重要作用。3plc控制系统3.1plc控制系统的硬件配置在加热炉温度控制系统中plc采用日木三菱公司fx2n,其破件采用模块化设计，

3、配仑了多种特殊功能模 块及功能扩展模块，可实现模拟量控制、位宣控制等功能。该系列plc可靠性高，抗干扰强、配置灵活、 性价比高。本温度控制系统中plc我们选择fx2n-48mr-001型，它与外部设备的连接如图2、表1所示。plcaddafx2n16模块模块哆动匕发器图2plci/0接线图表1plci/0地址分配表in编号out编号系统开x10髙温粕示灯y1系统关k15数据忌示y2-y5数钢显示片选yy93.2流程设计根据加热炉温度控制要求,木系统控制流程图如图3所示。版权所有ca800图3加热炉控制流程图3.3控制算法由丁温度控制木身有一定的滞厉性和惯性，这使系统控制出现动态误羞。为了减小误

4、差提高系统控制精度, 采用pid控制算法,另外考虑到系统的控制对象,采用增量型pid算法。av(n)=u(n)-u(n-l)玉£ ie(n)-2e(n-l) e(n-2)>)=kp ae(n) e(n) 丁 ae(n)-ae(n-1 )>式中c(n)、e(n-l). e(n-2)为pid连续三次的偏差输入。e(n)、e(nl)为系统连续两次执行的误差。kp为 比例放大系数t、ti、td分别为采样周期、积分时间、微分时间。当加热炉刚启动加热时,由于测到的炉温为常温，sp-pv = au为正值且较人，au为pid调节器的输入， 此时pid调节器中p起主耍作用，使scr为最大电

5、压给加热炉加热。当加热炉温度达到100°c以上时,sp-pv= !；为负值，经pid调节，使scr输出电压减小，加热炉温度降低。当温度正好达到1()()°c时，41为 零pid不调节，此时scr输出的屯压正好平衡泌炉消耗的热量，系统达到动态平衡。3.4k型热电偶分度电压拟合(1) 根据具体问题，确定拟合多项式的次数为n。(2) 由公式sk=z (k=022n)tr=yi (r=0j2n)计数出sk与tr(3) 写出正规方程0 q £rq£ 5 a孔j(4) 解正规方程组求ill a(), al, an(5) 写出拟合公式多项式pn (x)二右一次多项式也

6、叫作线性拟仑。由上述方法可拟合出k分度电压 随温度变化公式为：v=0.04t (其屮v为电压，t为温度)。此拟合公式是在温度从0°c到120°c之间变化 的近似公武，因此正规方程只用到so、si、s2拟合的多项武次数为n=l,电压随温度的变化可近似为线 性变化。如果温度变化范围比较大，则电压随温度变化为非线性变化，上述电压随温度变公式需要重新拟 合，拟合多项式的次数也必然大于2。3.5系统调试系统调试分为两大步骤，一是系统软件调试；二是系统駛件调试。(1) 系统软件调试。系统软件调试是在pc机上进行，我们将plc控制程序输入pc机后，根据运行要求, 设定若干数字开关量，模拟

7、屋，对系统的每一个功能进行检测测试并在此基础上不断完善程序以达到系统 要求。(2) 系统硕件调试。相应的系统硕件也是在实验室里进行，用一个设备來摸仪控制对象。首先检査设备的 诸个单元是否合乎要求，其次将软件和硕件结合起來进行测试。并不断完善plc软硕件的配置以达到最优 的结果。4结束语加热炉温度控制系统采用成熟的plc技术和电力电犷技术，采用软破件结合，较好的解决了传统加热炉温 控系统中出现的问题。针对我国大部分的加热炉用户来说木系统将是一个比较理想的温控系统。燃烧控制系统是电厂锅炉的上控系统，上要包括燃料控制系统、风最控制系统、炉膛压力控 制系统。日前人部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采用pi

8、d控制。燃烧控制系统由主蒸汽 压力控制和燃烧率控制组成串级控制系统，其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引 风量控制构成，各个子控制系统分别通过不同的测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧。 如图1所示。图1燃烧控制系统结构图2、控制方案锅炉燃烧自动控制系统的基木任务是使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽 负荷的要求，同时还要保证锅炉安全经济运行。一台锅炉的燃料量、送风量和引风屋三者的 控制任务是不可分开的，可以用三个控制器控制这三个控制变量，但彼此之间应直相协调, 才能可靠工作。对给足出水温度的情况，则需要调节鼓风暈与给煤暈的比例，使锅炉运行在 最佳燃烧状态。同时应使炉膛内存在

9、一定的负压，以维持锅炉热效率、避免炉膛过热向外喷 火，保证了人员的安全和环境卫生。2.1控制系统总体框架设计燃烧过程口动控制系统的方案，与锅炉设备的类型、运行方式及控制要求有关，对不同的情 况与要求，控制系统的设计方案不一样。将单元机组燃烧过程被控对象看作是一个多变量系 统，设计控制系统时，充分考虑工程实际问题，既保证符合运行人员的操作习惯，又要最大 限度的实施燃烧优化控制。控制系统的总体框架如图2所示。员关系计於5佰号主匕力拎制系览a糊计耳稅 块f。）«炉wft过程图2单元机组燃烧过程控制原理图p为机组负荷热量信号为d+dpbdt。控制系统包括：滑压运行主汽压力设定值计算模块(由

10、热力系统实验获得数据，再拟合成可用dcs折线功能块实现的曲线)、负荷一送风虽模糊 计算模块、主蒸汽压力控制系统和送、引风控制系统等。主蒸汽压力控制系统采用常规串级 pid控制结构。2.2燃料量控制系统当外界对锅炉蒸汽负荷的耍求变化时，必须相应的改变锅炉燃烧的燃料量。燃料量控制是锅 炉控制中最基本也是最主要的一个系统。因为给煤量的多少既影响主汽压力，也影响送、引 风量的控制，还彩响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温等参数，所以燃料暈控制对锅炉运行有重大 影响。燃料控制可用图3简单表示。主蒸汽压力徑制图3燃料量控制策略其中：nb为锅炉负荷要求；b为燃料量；f(x)为执行机构。设置燃料量控制了系统的u的之一就

11、是利川它来消除燃料侧内部的自发扰动，改善系统的调 节品质。另外，由于大型机组容量大，各部分z间联系密切，相互影响不可忽略。特别是燃 料品种的变化、投入的燃料供给装置的台数不同等因素都会给控制系统带來影响。燃料量控 制子系统的设置也为解决这些问题提供了手段。2.3送风量控制系统为了实现经济燃烧，当燃料量改变时，必须相应的改变送风量，使送风量与燃料量相适应。 燃料量与送风量的关系见图4。图4燃料量与送风量关系燃烧过程的经济为否可以通过剩余空气系数是否合适來衡量，过剩空气系数通常用烟气的含 氧量来间接表示。实现经济燃烧最基本的方法是使风量与燃料量成一定的比例。送风量控制子系统的任务就是使锅炉的送风量

12、与燃料量相协调，可以达到锅炉的最高热效 率，保证机组的经济性，但山于锅炉的热效率不能冑接测量，故通常通过一些间接的方法來 达到日的。如图5所示，以实测的燃料量b作为送风量调节器的给定值，使送风量v和燃 料量b成一定的比例。图5燃料量空气调节系统在稳态时，系统可保证燃料量和送风量问满足 选择使送风量略人于b完全燃烧所需要的理论空气量。这个系统的优点是实现简单，可 以消除來口负荷侧和燃料侧的各种扰动。2.4引风址控制系统为了保持炉腌压力在要求的范围内，引风量必须与送风量相适应。炉脾压力的高低也关系着 锅炉的安全和经济运行。炉膛压力过低会使大量的冷风漏入炉膛，将会增大引风机的负荷和 排烟损失，炉膛压

13、力太低甚至会引起内爆；反z炉膛压力高且高出人气压力的时候，会使火 焰和烟气冒出，不仅影响环境卫生，其至可能影响设备和人生安全。引风最控制子系统的任 务是保证一定的炉膛负压力，且炉膛负压必须控制在允许范围内，-般在-20pa左右。控制炉脾负压的手段是调节引风机的引风量，其主要的外部扰动是送风量。作为调节对象, 炉膛烟道的惯性很小，无论在内扰和外扰下，都近似一个比例环节。一般采用单回路调节系 统并加以前馈的方法进行控制，如图6所示。图6引风量控制子系统图屮为炉膛负压给定值，s为实测的炉膛负压，q为引风量，v为送风量。由于炉膛负压 实际上决定于送风量和引风量的平衡，故利用送风量作为前馈信号，以改善系

14、统的调节性能。 另外，由于调节对象相当于一个比例环节，被调量反应过于灵皱，为了防止小幅度偏差引起 引风机捞板的频繁动作，可设置调节器的比例带自动修正环节，使得在小偏差时增人调节器 的比例带。対于负压s的测量信号，也需进行低通滤波，以抑制测量值的剧烈波动。3、系统硕件配管在锅炉燃烧过程中，用常规仪表进行控制，存在滞后、间歇调节、烟气中氧含量超过给定值、 低负荷和烟气温度过低等问题。采用plc对锅炉进行控制时，由于它的运算速度快、精度 高、准确可靠，可适应复杂的、难于处理的控制系统。因而，可以解决以上由常规仪表控制 难以解决的问题。所选择的plc系统要求具有较强的兼容性，对用最小的投资使系统建成

15、及运转；其次，当设计的自动化系统要有所改变时，不需要重新编程，对输入、输出系统不 需要再重新接线，不须重新培训人员，就可使plc系统升级；最后，系统性能较高。硬件 结构图如图7所示。i位机s7-2oo cpu226 em 2311?块 cp2434hjkcmwsoo備入棋块i/ofta sv備出松块图7硬件结构图根据系统的要求，选取西门子plcs7-200 cpu226作为控制核心，同时还扩展了 2个em231模拟量输入模块和1个cp243-1以太网模块。cpu226的i0点数是2416,这样完 全可以满足系统的要求。同时，选用了 em231模块，它是ad转换模块，具有4个模拟量 输入，12位

16、ad,其采样速度25ps,温度传感器、压力传感器、流量传感器以及含氧检测 传感器的输出信号经过调理和放大处理后，成为05v的标准信号，em231模块白动完成 ad转换。s7-200的ppi接口的物理特性为rs-485,可在ppi、mpi和自由通讯口方式下工作。为实现plc与上位机的通讯提供了多种选择。为实现人机对话功能，如系统状态以及变量图形显示、参数修改等，还扩展了一块eview5 00系列的触摸显示屏，操作控制简单、方便，可用于设置系统参数，显示锅炉温度等。还 有一个以太网模块cp243-1,其作用是可以让s7-200直接连入以太网，通过以太网进行远 距离交换数据，与其他的s7-200进行

17、数据传输，通信基于tcpip,安装方便、简单。4、系统软件设计控制程序采用step7-microwin软件以梯形图方式编写，其软件框图如图8所示。主稈序开始mpmir警识别d/a. 岀串级控翻输出限幅结束图8软件主框图s7-200plc给出了一条pid指令，这样省去了复杂的pid算法编程过程，大大方便了用户 的使用。使用pid指令有以下耍点和经验：（1）比例系数和积分时间常数的确定。应根据经验值和反复调试确定。（2）调节量、给定量、输出量等参数的标准归一化转换。（3）按止确顺序境写pid回路参数表（loop table）,分配好各参数地址。5、结束语单元机组燃烧过程控制系统在某火电厂发电机组锅

18、炉i办调控制系统中投入使用。实际运行情 况表明：由于引入负荷模糊前馈，使得锅炉燃烧控制系统作为协调控制的子系统，跟随机纟f1 负荷变化的能力显著提高，风煤比能够在静态和动态过程屮保持一致；送、引风控制系统在 逻辑控制系统的配介下运行的平稳性和安全性提高，炉膛负压波动减小，满足了运行的要求; 在机组负荷不变时，锅炉燃烧稳定，各被调参数动态偏差显著减少，实现了锅炉的优化燃烧; 采用非线性pid调节方式，解决了引风挡板的晃动问题。采用西门子的plc控制，不仅简化了系统，提高了设备的可靠性和稳定性，同时也大幅地 提高了燃烧能的热效率。通过操作面板修改系统参数可以满足不同的工况耍求，机组的各种 信息，如

19、工作状态、故障情况等可以声光报警及文字形式表示出来，主要控制参数（温度值） 的实时变化情况以趋势图的形式记录显示，方便了设备的操作和维护，该系统通用性好、 扩展性强，直观易操作基于西门子s7-200 plc的温度控制系统设计毕业论文本 文 摘自单 片 机 开 发 平台:第一章前言1.1课题研究背景温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。 在科学研究和生产实践的诸多领域屮温度控制占有着极为重要的地位特别是在冶金、化 工、建材、食品、机械、石油等工业屮，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要 求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。

20、例如冶金、机械、食 品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天 然气、汕、电等1。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求 更为先进的控制技术和控制理论。可编程控制器（plc）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术 和通信技术为一体的新型自动装置。它具冇抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简 单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此plc已在工业控制的 各个领域中被广泛地使用。目询在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石汕化工企业普 遍采用了分散控制系统（dcs）。但就

21、其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的pid 控制。pid结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型3。pid的使 用已经有60多年了，有人称赞它是控制领 域的常青树。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是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。在组态概念出现z前，要实现某一任务，都是通过编写程序來 实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错 误，不能保证工期。组态软件的 出现，解决了这个问题。对于过去需要几个刀的工作，通过组态几天就可以完成.组态王是 国内一

22、家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画而，过程数据记录， 趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用4。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、取暧的主要设备的驱动 来源，它的出现 迄今已有两冇余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随若生产力的发展和对温 度控制精度耍求的不断提高，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

23、控制系统（dcs），现场总线控制系统（fcs）等。单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强人和可靠性高等特点，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，高要求的系统屮使用。plc是-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，易于被工程人员拿握和使用，

24、目前 在工业领域上被广泛应用。和対于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。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。影响燃烧的因素十分复杂，较止确的数学模型不易建立，以 经典的pid为基础的常规仪衣控制，己很难达到最佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波, 积分分离pid,选择性pid。参数

25、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7。在工业锅炉温度检测控制系统屮采用控机工可大人 改善了对锅炉的监控品质，提高了平均热效率7。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。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。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z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

26、减少操作人员的劳动强度，冇助于提高系统的效率8。但 dcs在设备配直上要求网络、控制器、电源其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。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。基于总线控制系统 （fcs）的温度控制系统具冇高精度，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、报警和计算功能。而口它nj以対现场装置（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9。但是，fcs还没有完全成 熟

27、，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，另一方面，1-1前现场总线的国际标准共有 12种z多，这给fsc的广泛应用添加了很大的阻力。各种温度系统都有口c的优缺点，用户需要根据实际需耍选择系统配置，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，做到互补长短。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li本、美国、徳国等先进国家相比冇着较大差距。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，难丁控制滞后、复杂、 时变温度系统控制。|何适应于较高控制场合的智能化、口适应控制仪衣，国

28、内技术述不十 分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方而，国外己有较多的成熟产品。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。控制参数人多 靠人工经验及现场调试确泄。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、口适应、参数口整 定等方面取得成果。h本、美国、德国、瑞典等技术领先，都牛产出了一批商品化的、性 能优界的温度控制器及仪器仪农，并在各行业广泛应用。冃前，国外温度控制系统及仪表止 朝着髙精度、智能化、小型化等方而快速发展10。1.3本文的研究内容 本论文主要是利用plc s7-200采用p1d控制技术做一个温度控制系统，耍求稳定误差不超 过正负1°

29、c,并1.用组态软件实现在线监控。具体有以下儿方面的内容：第一章，对plc系统应用的背景进行了阐述，并介绍当前温度控制系统的发展状况。第二章，简单概述了 plc的基本概念以及组成。第三章，介绍了控制系统设计所采用的硬件连接、使用方法以及编程软件的简单介绍。笫四章，介绍了本论文中用到的一些算法技巧和思想，包括pwm、p1d控制、pid在plc 中的使用方法以及pid的参数整定方法。第五章，介绍了设计程序的设计思想和程序，包括助记符语言表和梯形图。笫六章，介绍了组态画面的设计方法。第七章，进行系统设计，检验控制系统控制质量。笫八章对全文进行总结。第二章对编程控制器的概述2.1可编程控制器的产生可编

30、程控制器是一种丁业控制计算机，英文全称：programmable controller,为了和个人计 算机(pc)区分，一般称其为plco可编程控制器(plc)是继承计算机、自动控制技术和通信 技术为一体的新型口动装置。其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域。20壯纪60年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹 配、编程难度人，未能在工业领域中获得推广。1968年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(gm)提出了研制一种新型控制器的要求，并从 用户角度提出新一代控制器应具备十大条件，立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设 备公司(dec)研制出了世界上第一

31、台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。 可编程控制器自问世以來，发展极为迅速。1971年口本开始生产可编程控制器，而欧洲是 1973开始的。如今，lit界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产nj编程控制器11。对编 程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代，见表表11可编程控制器功能表 代次器件功能第一代1位处理器逻辑控制功能第二代8位处理器及存储器产品系列化笫三代高性能8位微处理器及位片式微处理器处理速度提高，向多功能及联网通信发展 第四代16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器 逻辑、运动、数据处理、联网功能 的多功能2.2可编程控制器的基本组成plc从组成形式上一般分为整体

32、式和模块式两种。整体式plc般rflcpu板、i/o板、显 示面板、内存和电源组成。模块式plc-*般由cpu模块、i/o模块、内存模块、电源模块、 底版或机架组成。本论文实物采用的是模块式的plc,不管哪种plc,都是属于总线式的 开发结构，其构成如图21所示12。dcpu （中央处理器）和一般的微机一样，cpu是微机plc的核心，主要山运算器、控制器、寄存器以及实现他 们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。cpu在很人程度上决定了 plc的整体 性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量。cpu控制着plc工作，通过读取、解释指令，指导plc有条不紊的工作。2）存储器存储器（内

33、存）主要用语存储程序及数据，是plc不可缺少的组成部分。plc中的存储器 一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序一般由厂家编写的，用户不 能修改；而用户程序是随plc的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而 编制的应用程序。3）输入输出模块输入模块和输出模块通常称为i/o模块或i/o单元。plc提供了各种工作电平、连接形式和 驱动能力的i/o模块，冇各种功能的i/o模块供拥护选用。按i/o点数确定模块的规格和数 量，i/o模块可多可少，但其最大数受plc所能管理的配置能力，即底版的限制。plc述提供了各种各样的特殊的i/o模块，如热电阻、热电偶、高速计算器、位置控制

34、、以 太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打印机等专用型或智能型模块，用以 满足各种特殊功能的控制要求。智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的cpu、 系统程序、存储器及与plc系统总线相连接的接口。4）编程装置编程器作用是将用八编写的程序下载至plc的用八程序存储器，并利用编程器检杳、修改 和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示plc状态、内部器件及系统的参数等。 常见的编程器冇简易手持编程器、智能图形编程器和棊于pc的专用编稈软件。丨1前plc 制造厂家大都开发了计算机辅助plc编程支持软件，当个人计算机女装了 plc编程支持 软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的

35、编辑、修改，并通过个人计算机和plc之间 的通信接口实现用户程序的双向传 送、监控plc运行状态等。5）电源plc的电源将外部供给的交流电转换成供cpu存储器等所需的直流电，是整个plc的能 源供给小心。plc大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多 plc电源还町向外部捉供直流24v稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。笫三章破件配置和软件环境3.1实验配置3.1.1 西门t s7-200s7-200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。其系统构成包括某木 单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。本论文采用的是c

36、up224。它 具有24个输入点和16个输出点。s7-200系列的基本单元如表3-1所示13。3.1.2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、允许误差、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 分度农，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从19烫年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

37、 我国统一设计型热电偶。本论文才用的是k型热电阻14。3.1.3 em 231模拟量输入模块传感器检测到温度转换成041mv的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号 转换成数字信号再送入plc中进行处理。在这里，我们选用了西门子em231 4tc模拟量输 入模块。em231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：j、k、e、n、s、 t和r型，它也允许连接微小的模拟量信号(±80mv范围)，所有连到模块上的热电偶必须是 相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。em231模块需要用八通过dip开关进行选择的有：热电偶的类型、断线检查、测量单位、 冷端补偿和开

38、路故障方向，用户可以很方便地通过位于模块下部的组 态dip开关进行以上 选择，如图3-2所示。本设计采用的是k型热电偶，结合其他的需要，我们设置dip jt关 为 00100000o对于em231 4tc模块，sw1sw3用于选择热电偶类型，见表33。sw4没有使用，sw5 用于选择断线检测方向，sw6用于选择是否进行断线检测，sw7用于选择测最单位，sw8 用于选择是否进行冷端补偿，见表3-415o为了使dip开关设置起作用，用户需要给plc的电源断电再通电。3.2 step 7 micro/win32 软件介绍step 7-mwin32编程软件是基于windows的应用软件，是西门子公司专

39、门为simtic s7-200系列plc设计开发的。该软件功能强人，界而友好，并有方便的联机功能。用八可 以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状态，该软件是simatic s7-200 拥护不可缺少的开发工具321 安装 step 7-mwin32 v4.0在开始安装的时候是选择语言界面，对于版本4.0來说，这时候没有选择屮文的，但可以先 选择其他语言，见图35。等软件安装好之厉再进行语言的切换。在安装的最后,会出现一个界面,按照硬件的配置,我们需要用232通信电缆,采用ppi 的通信方式，所以耍选择ppi/pc cable(ppi),这个时候在弹出來的窗口中选择端口地址，通 信

40、模式，一般选择默认就可以了，见图36。如果想改变编程界面的语言，可在软件的主界向的工具栏中选择tools目录下选择option选 项，在出现的界面中选择general然后在右下角就可以选择中文了。见图37所示。3.2.2系统参数设置系统块用来设置s7-200 cpu的系统选项和参数等。系统块更改后需要下载到cpu中，新的 设置才能牛效。系统块的设置如下，需耍注意的是，plc的地址默认是2,但本设计中需耍 用到的地址是1,如图通信端口的设置，同样的，我们用到的地址是1,如图39所示。 图3-9通信端口设置第四章控制算法描述4.1 pwm技术脉宽调制(pwm)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进

41、行控制的一种非常有效的技 术，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换的许多领域中。pwm是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占 空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。pwm信号仍然是数字的，因为在给 定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(on),耍么完全无(off) 16。本论文屮采样周期和加热周期都是10秒。采样厉，根据温差的人小进行pid调节，转化得 到一个加热时间(010秒)作为卜一个加热周期的加热时间。例如温差人，加热时间就人, 温差小，那么加热时间就小。程序采用的是粗调和微控两段式控制方式。在粗控调阶段，占 空比恒为一。在微控制阶段，占

42、空比就根据温差不停地变化。4.2 p1d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在工业领域的应用己经有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，pid的研究已经到达一个比较 髙的程度。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止比关系。积分控制可以消除余差, 但具有滞厉特点，不能快速对谋差进行有效的控制。在微分控制(d)屮，控制器的输出与输入误差信号的微分(即课差的变化率)成正比关系。 微分控制具冇超前作用，

43、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 除余差。pid控制，p、i、d各有口己的优点和缺点，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，就可以获得较髙的控制质量17o4.2.1 pid控制算法如图41所示，pid控制器可调节冋路输出，使系统达到稳定状态。偏差e和输入量、输 出量c的关系：(4.2)控制器的输出为:(4.3)上式中p1d回路的输出；比例系数p;积分系数i;微分系数d;pid调节器的传输函数为：(4.4)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4-5所示：校4-5模拟与离散形式模拟形

44、式离散化形式所以pid输出经过离散化后，它的输出方程为：式4.8中，称为比例项；称为积分项；称为微分项；上式屮，积分项是包括笫一个采样周期到当前采样周期的所有谋差的累积值17。计算中， 没有必要保留所有的采样周期的谋差项，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屮的pid指令实现位置式pid控制算法量18。4.2.2 p1d在plc中的回路指令现在很多plc c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冋路指令。见表47。表4-7 pid回路指令名称pid运算指令格

45、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是冋路表的起始地址，本文采用的是vb100,因为一个pid冋路占用了 32 个字节，所以vd100到vd132都被占用了。loop是冋路号，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4-8所示。表4-8 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，可止可负

46、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,必须是止数28积分项前值(mx)实数 必须在0.01.0之间32过程变量前值(pvn-1)实数 必须在().01.() z间1) 回路输入输出变量的数值转换方法本文中，设定的温度是给定值sp,需耍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。在本文中，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

47、压信号经过em231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。如本设计中，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 aiwo ac1dtr ac1 ac1movr ac1 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，其他儿个参数都要求输入或输出值0.010 z间，所以，在执行pid指令z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4.9:(4.9)式中标准化的实

48、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，为授大允许值减去授小允许值，单极性为32000.双极性为6400。本文中采用的是单极性，故转换公式为：(4.10)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h标 控制温度为100°c时，需要输入一个100()。另外一种实现方法就是，在归-化的时候，值域 大小可以缩小10倍，那么，填写1=1标温度的时候就可以把实际值直接写进去19o3) 回路输出变量的数据转换本设计中，利用冋路的输出值來设

49、定下一个周期内的加热时间。冋路的输出值是在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。(4.11)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：round ac1 ac1dti ac1 vw344.2.3 pid参数整定p1d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。一般町以通过理论 计算来确定，但课差太人。1=1前，应用最多的还是

50、工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临 界比例带法和反应illi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-组经 验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，対丁温度控制系统，工程上已经有大屋的经 验，其规律如表412所示。表412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2060 310 0.53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rti小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。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5（）80%,再

51、将积分时间置一个较人值，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20 o根据反复的试凑,调出比较好的结果是p=120.1=3.0 d=1.0o第五章程序设计5.1方案设计思路plc采用的是的s7-200, cpu是224系列，采用了 5个灯来显示过程的状态，分别是运行 灯，停止灯，温度正常灯，温度过高（警示灯）灯和加热灯，可以通过5个灯的开关状 况判断加热炉内的大概情况。k型传感器

52、负责检测加热炉中的温度，把温度信号转化成对应 的电压信号，经过plc模数转换后进行pid调节。根据pid输出值来控制下一个周期内（10s）内的加热时间和非加热时间。在加热时间内使得继电器接通，那加热炉就可处于加 热状态，反之则停 止加热21o1）硕件连线如图51所示。2）i/o点地址分配如表5-2所示。地址名称功能10启动按扭 按下开关，设备开始运行10.2开关按钮按下开关，设备停止运行10.3保护按钮按下开关，终止加热q0.0运行灯灯亮表示设备处于运行状态q0.1停止灯灯亮表示设备处于停止状态q0.3温度状态指示灯（止常灯亮表示炉温在止常范围内q0.4温度状态指示灯（危险）灯两表示炉温过高，

53、处于危险状态q0.5固态继电器灯亮表示加热炉正处于加热阶段3）程序地址分配如表5-3所示。表5-3内存地址分配地址说明vd0用户设定比例常数p存放地址vd4用户设定积分常数i存放地址vd8用户设定微分常数d存放地址vd12 1二|标设定温度存放地址vd16系统运行时间秒存放地址vd20系统运行时间分钟存放地址vd30当前实际温度存放地址vw34 一个周期内加热时间存放地址vw36 一个周期内非加热时间存放地址4）pid指令回路表如表5-4所示。表5-4 pid指令回路表地址名称说明vd100过程变量（pvn）必须在0.01.0之间vd104给定值（spn）必须在0.01.0之间vd108输出值

54、（mn）必须在0.01.0z间vd112增益（kc）比例常数,可正可负vd116采样时间（ts）单位为s,必须是止数vd120采样时间（ti）单-位为min,必须是正数vd124微分时问（td）单位为min,必须是正数vd128积分项前值（mx）必须在0.01.0z间vd132过程变量前值（pvn-1）必须在0.01.0z间5.2程序流程图程序流程图如图55所示,1个主程序,3个子程序。5.3助记符语言农主程序ld smo.o / smo.o 常 onlps / 将 smo.o 压栈ar= vd30 105.0/ 如果温度大于 105°cs q0.4 1 / 使 q0.4 保持 on

55、r q0.3 1 / 使 q0.3 保持 offld smo.olpsai0按下启动按扭，启动系统an 10.3 /10.3为保护关开，一般情况下保持ons m0.1 1r m0.2 1lppa 10.2 /按下关闭按扭，停止运行an 10.3rm0.1 1s m0.2 1ld smo.oan 10.3lpsam0.1s mo.o 1rq0.1 1 /s qo.o 1 /lppam0.2sqo.l 1 /r mo.o 1r qo.o 1 /ld mo.ocall sbro /调用子程序0使停止指示灯 使运行指示灯使停止指示灯使停止指示灯(q0.1)(qo.o)(q0.1)(q0.0)offon

56、onoffld mo.ocallsbr1 /调用子程序1ld mo.olpsan m0.3ton t50 100lppat50=m0.3 侮ios使中间继电器m0.3为onld m0.3call sbr2 每ios调用一次子程序2ld mo.oan 10.3lpsan t52 /t51炉子一个周期内的加热时间ton t51 vw34/t51炉子一个周期内的非加热时间lrdan t51= q0.5 使继电器(q0.5)接通，炉子加热lppat51ton t52 vw36子程序0ld m0.0lpsar= vd30 84.0 /如果温度人于84°cs 10.5 1 使 10.5 常 onr 10.4 1 使 10.4 常 offld m0.0 /常on继电器an m0.6a 10.4 /如果10.4为on,则执行以下程序movr 300.0 vd0 输入 p 值 300 到 vd0movr 999999.