温度控制系统设计[1]

1、理学院School of Sciences嵌入式系统设计考试论文报告学生姓名：邵明江学生学号：200701090所在班级： 电子07.1所在专业：电子信息科学与技术实习成绩总评第一项第二项智能温度采集和显示系统设计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中 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、石油等工业中，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。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；

2、燃料有煤气、天然气、油、电等。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，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，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。 目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不

3、必弄清系统的数学模型。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。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错 误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经

4、在多个领域被应用。1温度控制原理现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号，经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器，信号放大后送模/数转换器转换为数字信号送PLC，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。当通过热电偶采集的被测温度偏离所希望的给定值时，PID控制可根据测量信号与给定值的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，从而输出某个适当的控制信号给执行机构，促使测量值恢复到给定值，达到自动控

5、制的效果。2自制温度控制系统方案设计利用搭建的回路，采用相应的控制算法实现对对象的良好控制，算法采用常规PID控制器、改进PID控制器，并利用组态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。温度控制系统是以EM235(其中4个AI，1个AO)单片机为控制核心。整个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、A/D转换、PLC、I/O设备、控制执行系统等。利用模拟量输出控制，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

6、实现温度控制。方案实现如下图所示：温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到PLC可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入PLC。在PLC中对信号进行采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号再进行数字滤波。PLC将检测到的温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按PID控制算法设计控制量，触发程序根据控制量控制执行单元。如果检测值高于设定值，系统控制降温；如果检测值低于设定值，系统控制升温，提高环温度，达到控制温度的目的。 3自制温度控制系统设计3.1 硬件3.1.1 所用硬件温度控制系统设计采用EM 235单片机为控制核心，与CPU

7、PLC224、PT100温度变送器检测环境温度以及驱动模块所组成的温度控制系统。整个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、A/D转换、PLC、I/O设备、控制执行系统等。1、EM235 模块本次实训我们选用的控制器是西门子PLC200，实验室中与之配套使用的A/D转换模块中使用的是EM235（其中4个AI，1个AO），属于模拟量扩展模块。通过EM235接收4-20mA或0-5V模拟信号，输出0-10V信号，实现模拟量与数字量的转换，在系统中它主要完成对温度信号的检测工作和模拟电压量的输出，也就是可控硅触发单元的控制输入。2、 CPU控制器该次实训我们选择西门子PLC200（221、224

8、、226都可），和一般的微机一样，CPU是微机PLC的核心，主要由运算器、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在很大程度上决定了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。S7-200 系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。3、 温度变送器模块实训中的变送器主要用于将由PT100检测到的实时温度转换为4-20MA的电流量，采用的是两线制接法。4、 驱动模块执行机构模块

9、有驱动模块和继电器，在该实训中我们选用驱动模块来作为自制温度控制系统的执行机构，在前面的方案设计选择中我们已经对选用（模拟量输出模块）驱动模块作为改变加热器的执行机构。3.1.2 硬件接线图：3.2 系统设计3.2.1 系统设计原理图 3.2.2参数变换1、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0-20mA，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=VD1002、输出部分：实际中，

10、驱动模块调压范围为：1.3V-3.2V0-24VPLC的EM235模块中AO输出为0-10V0-32000设计中我们只需要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：1.3*3200=4600V，3.2*3200=10240V因此，D/A转换器的数字量D对应PID程序输出x之间关系为：D=f(x)= X*(10240-4160)+4160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）+1.33、设定部分：PID子程序设定值VD104为归一化0-1之间

11、的值0-300度-6400-320000-32000-0-1综合得0-300度-0.2-1X=T*(1-0.2)/300+0.23.2.3 工程转换1、信号变换中的数学问题 信号的变换需要经过以下过程：物理量传感器信号标准电信号A/D转换数值显示。假定物理量为A，范围即为A0Am，实时物理量为X；标准电信号是B0Bm，实时电信号为Y；A/D转换数值为C0-Cm，实时数值为Z。 如此，B0对应于A0，Bm对应于Am，Y对应于X，及Y=f(X)。由于是线性关系，得出方程式为Y=(Bm-B0)*(X-A0)/(Am-A0)+B0。又由于是线性关系，经过A/D转换后的数学方程Z=f(X)可以表示为Z=

12、(Cm-C0)*(X-A0)/(Am-A0)+C0。那么就很容易得出逆变换的数学方程为X=(Am-A0)*(Z-C0)/(Cm-C0)+A0。方程中计算出来的X就可以在显示器上直接表达为被检测的物理量。2、PLC中逆变换的计算方法 以S7-200和420mA为例，经A/D转换后，我们得到的数值是640032000，及C0=6400，Cm=32000。于是，X=(Am-A0)*(Z-6400)/(32000-6400)+A0。例如某温度传感器和变送器检测的是-1060，用上述的方程表达为X=70*(Z-6400)/25600-10。经过PLC的数学运算指令计算后，HMI可以从结果寄存器中读取并直

13、接显示为工程量。3.3程序设计3.3.1 内存变量分配表1、程序地址分配地址说明VD12目标设定温度存放地址VD300当前实际温度存放地址2、 PID指令回路表3.3.2 PLC程序1、主函数利用特殊寄存器字节SM0.1调用两个初始化程序，分别为SBR_0；中断初始化子程序和SBR_1；PID参数初始化子程序。2、中断初始化、开启中断对中断事件进行初始化，设定定时中断0的时间间隔为200ms，用ATCH指令连接定时中断0与中断处理程序INT_0，并开启中断。3、PID参数初始化对PID指令的参数回路表进行设定。4、中断执行的程序（INT_0）程序的核心部分，由于PID接受的数据要在0.01.0

14、之间，要进行比较多的工程量变化。对PID检测值、设定值、输出值全部都需进行归一化。主要有五个部分。1）检测值归一化：从传感器采集到的模拟量A/D转换后，转换为实数后，按公式VD100=PV/32000转换为0.01.0的数。2）检测值转换为0到300度，在组态王界面显示3）设定值归一化：主要把组态王中给定温度值0300度按公式X=T*(1-0.2)/300+0.2转换为PID指令接受的范围（0.21.0）。4）调用PID程序：在此调用PLC200的PID指令，对检测输入值和给定值进行PID运算，得到输出值。5） 输出反归一化：PID运算后得到的控制执行器运作的输出值，在0.01.0内的某值，不

15、能直接为执行器所用，需要转换为EM235模拟量扩展模块中D/A对应的数值量，再由EM235转换为相应的模拟量控制加热丝加热。3.3 PID参数整定及运行结果3.3.1 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，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。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

16、有大量的经验，其规律如下表所示：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20603100.53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 将比例控制作用由小变到大，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

17、获得满意的控制效果和PID控制参数。3.4.2 运行结果此次是温度的PID控制，温度具有比较严重的滞后性，所以一般为了增强系统动态响应，比例、积分、微分全投入使用，经过多次参数设定比较后，当设定比例系数P为10，积分时间I为0.15，微分时间D为0.01时，系统能得到比较满意的控制效果，最大超调只有两度多，稳定后能保持在+0.5度以内，系统控制效果如下：4、过程控制系统和现场总线控制系统的区别和联系 1、过程控制系统过程控制系统是以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参

18、量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。 过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。 本次实训的过程控制系统采用智能调节器作为控制器

19、，通过整定PID参数实现水箱水位的控制，经过多次整定PID参数进行比较, 当设定比例系数P为4，积分时间I为60，微分时间D为0时，系统具有较好的稳态精度和较小的超调。2、现场总线控制系统现场总线控制系统主要由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（即现场级设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系。可以是PLC或PC，通过总线接口整个系统进行管理和控制。 现场总线控制是工业（建筑）设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。它是属于最底层的网络系统，是网络集成式全分布控制系统，它将原来集散型的DCS系统现场控制机，功能，全部分散在各个网络节点处。为此，可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。本次实训的现场总线控制系统采用PLC作为控制器，通过整定组态王监控界面上的PID三个参数实现水箱水位的良好控制。经过多次整定PID参数进行比较, 当设定比例系数P为9，积分时间I为20，微分时间D为0时，系统具有较好的稳态精度和较小的超调。通过这次的实训，让我受益匪浅。在