冷凝器温度前馈-反馈控制系统设计与仿真(完整版)资料

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冷凝器温度前馈-反馈控制系统设计与仿真（完整版）资料(可以直接使用，可编辑优秀版资料，欢迎下载）开放性实验报告题目：冷凝器温度前馈-反馈控制系统设计与仿真院（系）：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：xx工业大学实验室开放项目任务书2021/2021学年第一学期实验项目冷凝器温度前馈—反馈控制系统设计与仿真所在单位实验类型□科学研究自拟课题综合设计□计算机应用□其它指导教师实验时数招收对象1=招收人数项目研究的意义及内容研究意义：1.掌握复合控制系统的原理。2.掌握反馈控制器的设计方法。3.掌握前馈控制器的设计方法，提高学生分析系统和设计系统的实践技能。4.提高学生的计算机应用能力，掌握MATLAB语言的使用及编程方法。5.训练学生编写程序及联机调试程序的能力，培养学生团队合作精神。6.为学生今后从事自动控制工作奠定理论和实践基础。内容： 分析前馈-反馈控制的原理；对被控对象和扰动通道的传递函数的延迟环节进行近似处理；根据设计要求完成反馈控制器和前馈控制器的设计，并用Simulink仿真验证设计结果的正确性。控制要求控制系统的参数和要求如下：1.被控对象的传递函数为；2.扰动通道的传递函数为；3.设计要求：阶跃给定响应超调量小于50%，阶跃扰动对系统无影响。注：此表用于申请教学计划外的开放项目，请如实填写，由各院（系）汇总后统一办理，报实践教学科一份。目录TOC\o"1-3"\f\h\z24281第1章绪论 131716第2章控制方案介绍 3213102.1概述 3100312.2控制原理 3115312.3实验内容 410074第3章系统设计与仿真 586973.1处理延迟环节 535623.2反馈控制系统设计 6116123.3前馈控制系统设计 8290第4章课程设计总结 11绪论冷凝器(Condenser)空调系统的机件，能将管子中的热量，以很快的方式，传到管子附近的空气，大部分的汽车置于水箱前方。把气体或蒸气转变成液体的装置。发电厂要用许多冷凝器使涡轮机排出的蒸气得到冷凝；在冷冻厂中用冷凝器来冷凝氨和氟利昂之类的致冷蒸气。石油化学工业中用冷凝器使烃类及其他化学蒸气冷凝。在蒸馏过程中，把蒸气转变成液态的装置称为冷凝器。所有的冷凝器都是把气体或蒸气的热量带走而运转的。对某些应用来说，气体必须通过一根长长的管子（通常盘成螺线管），以便让热量散失到四周的空气中，铜之类的导热金属常用于输送蒸气。为提高冷凝器的效率经常在管道上附加散热片以加速散热。散热片是用良导热金属制成的平板。这类冷凝器一般还要用风机迫使空气经过散热片并把热带走。一般制冷机的制冷原理压缩机的作用是把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽，使蒸汽的体积减小，压力升高。压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，从而完成制冷循环。液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后，汽化成低温低压的蒸汽、被压缩机吸入、压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷却介质(水或空气)放热，冷凝为高压液体、经节流阀节流为低压低温的制冷剂、再次进入蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。这样，制冷剂在系统中经过蒸发、压缩、冷凝、节流四个基本过程完成一个制冷循环。制冷剂包括：氟里昂12(CF2Cl2)代号R12氟里昂12是一种无色、无臭、透明、几乎无毒性的制冷剂，但空气中含量超过80%时会引起人的窒息。氟里昂12不会燃烧也不会爆炸，当与明火接触或温度达到400℃以上时，能分解出对人体有害的氟化氢、氯化氢和光气(CoCl2)。R12是应用较广泛的中温制冷剂，适用于中小型制冷系统，如电冰箱、冰柜等。R12能溶解多种有机物，所以不能使用一般的橡皮垫片(圈)，通常使用氯丁二烯人造橡胶或丁睛橡胶片或密封圈。氟里昂22(CHF2Cl)代号R22R22不燃烧也不爆炸，其毒性比R12稍大，水的溶解度虽比R12大，但仍可能使制冷系统发生“冰塞”现象。R22能部分地与润滑油互相溶解，其溶解度随着润滑油的种类及温度而改变，故采用R22的制冷系统必须有回油措施。R22在标准大气压力下的对应蒸发温度为-40.8℃，常温下冷凝压力不超过15.68×105Pa，单位容积制冷量与比R12大60%以上。在空调设备中，大都选用R22制冷剂。四氟乙烷R134a（ch2fcf3)代号R13是一种无毒无污染安全性最高的制冷剂。TLV1000pm,GWP1300.广泛应用于制冷设备中。特别是对制冷剂要求高的仪器中。蒸汽冷凝器这种冷凝常应用于多效蒸发器末效二次蒸汽的冷凝，保证末效蒸发器的真空度。例如喷淋式冷凝器，冷水从上部喷嘴喷入，蒸汽从侧面入口进入，蒸汽与冷水充分接触后被冷凝为水，同时沿管下流，部分不凝汽体也可能被带出。例如充填式冷凝器，蒸汽从侧管进入后一上面喷下的冷水相接触冷凝器里面装了满了瓷环填料，填料被水淋湿后，增大了冷水与蒸汽的接触面积，蒸汽冷凝成水后沿下部管路流出，不凝气体同上部管路被真空泵抽出，以保证冷凝器内一定的真空度。淋水板或筛板冷凝器，目的是增大冷水与蒸汽的接触面积。混合式冷凝器具有结构简单，传热效率高等优点，腐蚀性问题也比较容易解决。在制冷系统中，蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀是制冷系统中必不可少的四大件，这当中蒸发器是输送冷量的设备。制冷剂在其中吸收被冷却物体的热量实现制冷。压缩机是心脏，起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用。冷凝器是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机功所转化的热量一起传递给冷却介质带走。节流阀对制冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量，并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。实际制冷系统中，除上述四大件之外，常常有一些辅助设备，如电磁阀、分配器、干燥器、集热器、易熔塞、压力控制器等部件组成，它们是为了提高运行的经济性，可靠性和安全性而设置的。控制方案介绍概述采用前馈与反馈控制相结合的控制结构，既能发挥前馈控制对扰动的补偿作用，又能保留反馈控制对偏差的控制作用，前馈-反馈控制结构如图2.1所示。图2.1前馈-反馈控制结构图由图2.1可知，前馈-反馈控制结构是在反馈的基础上，增加了一个扰动的前馈控制，由于完全补偿的条件未变，因此仍有控制原理当干因为在工业生产过程中，对被控量的调节要求有较高精度，而且要有很强的抗扰动能力，因此在控制方案的选择上，只是使用反馈控制无法实现稳定准确的控制。根据控制特点，需要引入前馈控制，实现前馈-反馈控制。前馈控制系统在受控部位的活动发生偏差之前就发出控制指令了，反馈控制系统感受到受控部位的活动发生偏差之后才发出控制指令。例如：当体温降低时机体稳态被打破，产热反应的强度相对偏低（即发生偏差。.体温降低之前机体稳态尚未被打破产热反应的强度也尚未出现偏差，如果此时控制部位就开始发出指令使产热反应增强，就是前馈控制。心脏和血管的活动出现了偏差，这种偏差的结果导致血压降低，感受器感受到血压降低后，控制部位根据这一信息发出指令，使血压升高，就是（负）反馈控制。实验内容分析前馈—反馈控制的原理；对被控对象和扰动通道的传递函数的延迟环节进行近似处理；根据设计要求完成反馈控制器和前馈控制器的设计，并用Simulink仿真验证设计结果的正确性。系统设计与仿真控制系统的参数和要求如下：1.被控对象的传递函数为；2.扰动通道的传递函数为；3.设计要求：阶跃给定响应超调量小于50%，阶跃扰动对系统无影响。处理延迟环节为了便于计算将G0(s)与Gf(s)中的延迟环节用pade()函数进行近似处理，输入如下语句指令，如图3.1所示。图3.1ＭＡＴＬＡＢ语句指令输入指令后，点击运行，得到了G0(s)与Gf(s)的传递函数，如图3.2所示。3.2传递函数G0(s)的传递函数是Gf(s))的传递函数是反馈控制系统设计同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。比较环节用来将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。以炉温控制为例，受控对象为炉子；输出变量为实际的炉子温度;输入变量为给定常值温度,一般用电压表示。炉温用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。进行阶跃给定响应的仿真，其仿真结构框图，如图3.3所示。图3.3反馈系统仿真结构图进行系统阶跃响应仿真，并计算其性能指标，输入如下MATLAB程序：n1=[0.94];d1=[551];G1=tf(n1,d1);tau=8;[np,dp]=pade(tau,2);Gp=tf(np,dp);n2=[121.54.932];d2=[24.630];G2=tf(n2,d2);Gc=feedback(G1*G2,Gp);set(Gc,'Td',tau);figure(1);step(Gc);holdon[y,t]=step(Gc);[sigma,tp,ts]=perf(1,y,t);[ess,b1,b2,sigma,n,pusi,T,f]=targ(y,t);sys=feedback(G1*G2*Gp,1);t=[0:0.01:500]';figure(2);[ess]=ster(0,sys,t);[ess]=ster(1,sys,t);程序执行后，可得到如图3.4所示的阶跃给定响应曲线。图3.4阶跃给定响应曲线前馈控制系统设计利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制系统。这类按输入或扰动的开环控制通常与包含按偏差的闭环控制共同组成反馈-前馈控制系统，称为复合控制系统。由于按偏差确定控制作用以使输出量保持其在期望值的反馈控制系统，对于滞后较大的控制对象，其反馈控制作用不能及时影响系统的输出，以致引起输出量的过大波动，直接影响控制品质。如果引起输出量较大波动的主要外扰动参量是可量测和可控制的，则可在反馈控制的同时，利用外扰信号直接控制输出（实施前馈控制），构成复合控制能迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响，并利于提高控制精度。这种按外扰信号实施前馈控制的方式称为扰动控制，按不变性原理，理论上可做到完全消除主扰动对系统输出的影响。前馈控制系统利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制系统。这类按输入或扰动的开环控制通常与包含按偏差的闭环控制共同组成反馈-前馈控制系统，称为复合控制系统。由于按偏差确定控制作用以使输出量保持其在期望值的反馈控制系统，对于滞后较大的控制对象，其反馈控制作用不能及时影响系统的输出，以致引起输出量的过大波动，直接影响控制品质。如果引起输出量较大波动的主要外扰动参量是可量测和可控制的，则可在反馈控制的同时，利用外扰信号直接控制输出（实施前馈控制），构成复合控制能迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响，并利于提高控制精度。这种按外扰信号实施前馈控制的方式称为扰动控制，按不变性原理，理论上可做到完全消除主扰动对系统输出的影响。单纯前馈不存在被控变量的反馈，即对于补偿的效果没有检验的手段。这样在前馈作用的控制结果并没有最后消除被控变量偏差时，系统无法得到这一信息而做进一步的校正。其次，由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被控变量的影响,势必要设计多个前馈通道,这就增加了投资费用和维护工作量。此外前馈控制模型的精度也受多种因素的限制，对象特性要受负荷和工况等因素的影响而产生漂移，必将导致干扰通道和控制通道的变化，因此一个固定的前馈模型难以获得良好的控制品质。馈控制是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。前馈控制的特点有：前馈控制系统是开环控制系统，按干扰进行控制，控制及时，精度高，仅仅对前馈量有控制作用，前馈控制器为多用控制器，不能随时了解被控变量变化情况。前馈控制的典型结构如图3.5所示。图中Gn(s)是被控对象扰动通道的传递函数，Dn(s)前馈控制器的传递函数，G(s)是被控对象控制通道的传递函数，n,u,y分别为扰动量、控制量、被控量。图3.5前馈控制系统结构图为了方便进行阶跃扰动响应的仿真，特绘制出系统的对扰动的Simulink结构图如图3.6所示，将其文件名保存为mx071。图3.6前馈控制系统仿真结构图在程序文件方式下执行以下程序：[a,b,c,d]=linmod2('mx017');sys=ss(a,b,c,d);step(sys)程序执行后可得复合控制系统如图3.7所示阶跃扰动响应曲线。图3.7阶跃扰动响应曲线课程设计总结分析设计通过分析前馈-反馈控制的原理，对被控对象和扰动通道的传递函数的延迟环节进行近似处理，根据设计要求完成了反馈控制器和前馈控制器的设计，并用Simulink进行了仿真，验证设计结果的正确性。采用前馈与反馈控制相结合的控制结构，既能发挥前馈控制对扰动的补偿作用，又能保留反馈控制对偏差的控制作用。因为在冷凝器工作过程中，对温度的调节要求有较高精度，而且要有很强的抗扰动能力，因此在控制方案的选择上，只是使用反馈控制无法实现稳定准确的控制。根据控制特点，需要引入前馈控制，实现前馈-反馈控制。前馈控制系统在受控部位的活动发生偏差之前就发出控制指令了，反馈控制系统感受到受控部位的活动发生偏差之后才发出控制指令，通过这样的设计，能够很好的达到设计的要求。基于PLC和组态王的温度控制系统的设计目录第一章 系统及工控机的设计与选择 1.1 系统整体设计方案 1.2 系统硬件各部分选型 1.3 传感器Pt100的选型设计1.4温度变送器选型设计第二章 PLC和HMI基础 2.1 可编程控制器基础 2.2 人机界面基础 第三章 PLC控制系统硬件设计 3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 3.2 PLC的选型与硬件配置 3.3 I/O点分配及电气连接图 3.4 PLC控制器的设计 第四章 PLC控制系统软件设计 4.1 PLC程序设计方法 4.2 编程软件STEP7--Micro/WIN概述 4.3 程序设计 第五章 基于组态王的HMI设计 5.1 人机界面（HMI）设计 5.2 变量设置 5.3 动画连接4第六章 系统运行结果及分析 6.1 系统运行 6.2 运行结果分析 第七章总结 参考文献 摘要可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、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。在工业领域，随着自动化程度的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面的出现正好满足了用户这一需求。人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括过程监测、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得操作人性化、过程可视化，在自动控制领域的作用日益显著。本文主要介绍了基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器和亚控公司的组态软件组态王的炉温控制系统的设计方案。编程时调用了编程软件STEP7-MicroWIN中自带的PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。利用组态软件组态王设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。关键词：温度控制可编程控制器人机界面组态AbstractProgrammableLogicController(PLC)isakindofautomaticcontrolequipmentwhichiswidelyusedintheindustrialmanufacture.Itmergesthetraditionalcontroltechnology,computerandcommunicationtechnologieswithastrongabilitytocontrol,flexibleoperation,highreliabilityandsuitableforlong-termcharacteristicsofcontinuouswork.Itisverysuitablefortemperaturecontrolrequirements.Intheindustrialfield,withtherapidincreaseinthedegreeofautomation,itismoreandmoreimportanttomonitortheprocessofcontrolsystemfortheusers.Theemergenceofhuman-machineinterfacemeetstheneedsofusers.Man-machineinterfacecancomprehensivelymonitorthecontrolsystem,includingprocessmonitoring,alarm,dataloggingandotherfunctions,sothatthecontrolsystemshavebecomeuser-friendlyoperation,theprocessofvisualizationanditwillplaymoreandmoreimportantpartinthefieldofautomaticcontrol.ThisessaymainlyintroducesadesignoftemperaturecontrolsystemwithSIMATICprogrammablelogiccontroller(PLC)andconfigurationsoftwareKingviewwhichisdevelopedbyBeijingYakongCompany.Whenprogramming,weusethePIDcontrolarithmeticsoftwaremodulewhichiscontainedintheprogramsoftwareSTEP7-MicroWINsothattheprogramlookseasierandoperatesmorequickly.Inordertomonitorthecontrolsystemandprocessdatainactualtime,wedesignedHumanMachineInterface（HMI）withtheconfigurationsoftwareKingview.Theresultofexperimentprovesthatthistemperaturecontrolsystemcouldrunquickly,accuratelyandhavegoodstability,whichistheadvantageofthecontrolsystem.Thiscontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrialtemperaturecontrolfield.

Withthecontinuousdevelopmentofautomaticscienceandtechnology,high-precision,intelligent,user-friendlytemperaturecontrolsystemistheinevitabletrendofdevelopmentathomeandabroad.Keywords:TemperatureControlPLCHMIKingview系统及工控机的设计与选择1.1系统整体设计方案1.1.1系统整体设计原理要实现计算机控制，外部的设备（检测机构和执行机构）都是采用的模拟量信号，但是计算机不能识别模拟量信号，只能识别是数字量信号，所以要实现计算机控制必须实现模拟量信号到数字量转换和数字信号到模拟量信号的转换[3]。因此，根据设计要求，本设计以IPC板卡为核心，外加研华610H工业控制计算机、Pt100温度传感器、SBWZ温度变送器等其它外围设备搭建硬件线路构成一个单闭环温度控制系统；用工业控制计算机作控制器，通过IPC板卡的温度采集、模数转换和功放输出，搭建用数据采集板卡进行现场温度数据采集和用功放输出板卡进行输出控制的硬件线路，用工控机的组态软件编写板卡温度量采集与监控程序并设计PID控制算法，并用组态软件编制组态界面实现温度的显示控制，可以实时监测当前温度，并进行温度的实时控制，实现在0-100℃温度范围内控制精度为±0.5℃的温度控制。工控机IPC5373低压继电器接触器加热器锅炉PT100温度变送器接线端子A/D转换PCL818L系统具体组建方案：电加热锅炉中水的当前温度经过Pt100热电阻测量后得到对应电阻值变化，传送到SBWZ温度变送器，得到4-20mA的电流信号，经串联一个250Ω的电阻，得到1-5V模拟电压信号，通过研华的PCL-818L板卡的A/D转换，将采集外部温度传感器和变送装置测量现场得到的电压信号转换为计算机可识别的数字量信号，送入计算机，本设计用VB来读取这个数字量信号。为达到预期目标温度，选择控制算法，用组态软件自带的控制模块编写一个数字PID程序，对系统进行PID参数的调节，寻找最好的适合系统的最佳的PID参数的值。实现对输入的信号的分析处理，然后通过组态王控制算法PID算法程序进行运算调整，得出PID控制器的输出值，经康拓IPC5373板卡的D/A转换，将数字量信号转换成低压继电器可识别的开关量信号，输出控制中间继电器。中间继电器为接触器给定控制信号，接触器的通断则执行了对加热过程的控制，实现控制继电器的接通与断开时间，进而控制电加热锅炉的接通与断开来达到控制水温的目的，从而实现对锅炉温度的实时控制。如图1所示为计算机温度监控系统的原理框图。工控机IPC5373低压继电器接触器加热器锅炉PT100温度变送器接线端子A/D转换PCL818L 图1计算机温度监控系统原理框图 根据控制要求，温度单回路控制系统的控制参数是电加热锅炉中水的温度，课题设计要求实现的目标是电加热锅炉中水的温度达到设定值。在这里以研华610H工业控制计算机作为控制器，Pt100热电阻作为温度传感器，SBWZ温度变送器，PCL-818L板卡和IPC5373板卡分别作为信号输入和控制输出单元，完成系统的A/D和D/A转换，电磁低压继电器、交流接触器作为执行器，电加热丝为被控对象[4]。1.1.2系统设计过程流程图在系统设计过程中，首先应考虑控制任务中需要解决或重点探究的地方，根据任务需求，选择系统设计中需要的硬件和软件。在外围硬件电路搭建完成之后，根据硬件编写合适的控制程序。然后就可以进入到调试环节，调试，修改，调试，修改。从而达到所需要的控制效果。在本次系统设计中，评估控制任务的目的是为了考虑现场实际应用和控制要求、任务，从而确定系统设计的最后可行性方案。在方案设计完成以后，就需要选用一定的硬件和软件了，硬件是系统的肉体，软件是系统的灵魂，两者结合才会是一个完美的系统设计。在硬件中，对各部分的选型，对硬件的学习、了解等都是前期必须要掌握的内容，掌握好每个部分，才能够将部分联系成整体。将整体系统连接起来以后，开始联机调试，发现未处理、未考虑到的问题及时的处理，那么这套系统就可以完成了。系统设计图如图2所示。1.2系统硬件各部分选型1.2.1板卡选型设计板卡在系统设计中的作用就是信号处理，即模拟量到数字量的转换，数字量到模拟量的转换。为了能够满足设计要求，顺利地完成本次设计，查阅了相关的资料，结合对市场上的主流板卡品牌的了解，再综合考虑到学校实验室的具体情况，在此设计中，模拟量到数字量的转换即为A/D转换，本次设计所选用的数据采集输入板卡为研华PCL-818LA/D板卡，数字量到模拟量的转换即为D/A转换，本次设计所选用的数据输出板卡为康拓IPC5373板卡。1.2.1.1模拟量输入通道的板卡设计模拟量输入通道主要的设备就是数据采集输入板卡为研华PCL-818LA/D板卡，它的主要功能是实现模拟量到数字量的一个A/D转换。研华PCL—818LA/D板卡主要技术规格[5]如下：①12位A/D分辨率。②最高可达100kS/s的采样率。③16通道单端或8通道差分输入。④单极性或双极性模拟量输入范围。⑤双极模拟输入范围。⑥可编程的增益设置：×0.5，×1，×2，×4，×8。⑦输入范围：±10V、±5V、±2.5V、±1.25V、±0.625V、0-10V、0-5V、0-2.5V。⑧自动模拟输入扫描；模拟输入支持DMA传输方式。⑨2通道12位多路切换模拟输出，1通道16位通用定时/计数器。⑩16通道TTL数字输入和16通道TTL数字输出。PCL-818L是PCL-818系列中的入门级板卡。该板卡可以供要求低价位的用户使用。除了采样速率为40KHz，以及只能接受双极性输入外，其他功能和PCL-818HD和PCL-818HG完全相同。这样无需更改硬件或软件，就可以将应用升级到高性能的数据采集卡。PCL-818L具备所有数据采集卡的功能，例如，A/D、D/A转换、DIO和定时/计数器，本卡的高规格使其在需要高速采集的情况下得到广泛应用。PCL-818L为低电平输入(例如，热耦合信号测量)提供专门的高增益可编程仪表放大器。PCL-818L板卡在全部增益下最高可达到100kS/s高速采样率。PCL-818L具有16路单端输入和双极性输出，PCL-818L具有2路12位双缓冲模拟输出，16路数字输入和16路数字输出，1个通用定时/计数器。板卡完整详细原理及规格请参见《研华PCL-818系列板卡中文手册》。1.2.1.2数字量输出通道的板卡设计数字量输出通道主要的设备就是康拓IPC537332路光隔开关量功放输出板卡，它的主要功能是实现数字量到模拟量的一个D/A转换。IPC5373板是一种带光电耦合器件的开关量输出板，它可以实现PC总线与被测工业设备或数字仪器之间完全的电隔离，以消除公共地线和电源的干扰。从而使工业设备和微机系统可靠工作。此外，它还具有较强的输出驱动能力和电平转换能力。可直接驱动继电器、电磁阀等。其主要技术规格[6]如下：①PC总线与用户接口设备之间实现完全的电隔离，隔离电压2500Vrms。②32个开关量输出，占用4个连续口地址：154H-157H。③各输出信号具有锁存功能，上电复位清零。④采用达林顿管功放集电极开路输出，负载电源5～40V，驱动电流单路最大200mA，每片达林顿管负载电流最大500mA，可直接驱动继电器、电磁阀等。⑤用户接口为40芯扁平电缆插座（IPC5373）或37芯D型连接器（IPC5373D），IPC5373D板上带DC/DC，不用外接电源。详细功能以及电路原理请参见《IPC5373使用说明书》。1.2.2工控机的选型设计工控机就是工业控制用电脑，其主要是指用在是专供工业界使用的个人电脑，可作为工业控制器使用。工业电脑基本性能与相容性与同样规格的商用个人电脑相差无几，但是工业电脑更多的防护措施，注重的部份在不同环境下的稳定，如防尘、防水、防静电等。工业用电脑并不要求当前最高效能，只求达到符合系统的要求，需符合工业环境中的可靠性要求与稳定，否则用于生产线万一遇到电脑当机，则可能造成严重损失，因此工业用电脑所要求的标准值都有要求符合严格的规范与扩充性。结合本次设计和学校实验室的具体情况，本次设计所选用的安装配合所选用的板卡的计算机为研华610H工控机及其配套设备。其主要技术规格如下：①4U高度，支持14槽背板。②配置300WATXPFCPS/2电源。③前端可安装3个半高磁盘驱动器，一个3.5FDD和一个3.5磁盘驱动器。④前置USB/PS2接口。⑤前置系统状态监测模块。⑥能抗冲击，振荡，并且能在高温下稳定工作。⑦支持ATX母板和400WPFC电源。⑧IPC的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。在此设计中，值得注意的是实验室工控机的开关按钮也许是组装过或者维修过，不是只按下拨动开关就行了，而是按下“1”之后，还需要拨动它弹起来回到“0”处，才能正常的开机。1.3传感器Pt100的选型设计传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置设备，它能感受到被测量的信息信号，并能将检测感受到的信息信号，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。在此次系统设计中，我们的被测量是温度信号，即锅炉内的水温，为此考虑设计条件，我们选择较为成熟的Pt100。Pt100为铂热电阻。它的阻值会随着温度变化而变化，且成正比关系。Pt100的阻值与温度的变化关系为：当Pt100温度为0度时，它的阻值为100欧姆，在100度时它的阻值为138.5欧姆。它的工作原理是：当Pt100在0度的时候，它的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而匀速增长。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用下面这个近似的关系式来表示：Rt=Rt0[1+a（t-t0）]。式子中，Rt为温度t时的阻值，Rt0为温度t0时对应的电阻值，a为温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为：Rt=Aet/t。式子中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50~300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。热电阻实物如图6所示。工业上常用金属热电阻从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这个性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大（在同样灵敏度下减小传感器的尺寸）、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系（最好呈线性关系）。1.4温度变送器选型设计变送器（transmitter）是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成工业用标准的电信号，同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。SBWZ系列温度变送器是一种小型、高精度的测温仪表。与现场传感器连在一起构成测温回路。它采用二线制传送方式（两根导线作为电源输入，同时作为信号输出的公用传输线），将热电阻的信号变换成线性的4-20mA输出的电流信号。温度变送器作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油、化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。其应用特点如下：①采用密封结构，因此耐震，耐湿，适合恶劣现场环境中安装使用。②输出4-20mA，补偿导线费用低，信号长距离传送过程中的抗干扰能力强。③变送器具有输入端开路指示功能。④精度高、功耗低，使用环境温度范围宽，工作稳定可靠。温度变送器技术参数如下表1所示。表1温度变送器参数规格参数工作制式4-20ma输出（两线制或三线制）精度等级0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS。工作电压DC24V±1V量程范围-50℃-50℃；0℃-50℃;0℃-100℃;0℃-150℃;0℃-200℃;0℃-300℃;0℃-600℃工作环境温度:-0℃~85℃,湿度:0～95%RH负载能力≤500Ω.外形尺寸45mm×41mm（1）调试步骤:在左边输入端接入标准电阻箱（如ZX38/11型和ZX-25a型），其中上两路为电阻箱的公共端，在输出端串接上标准电流表和24VDC稳压电源。改变信号源发生器(电阻箱)，使之等于量程的下限对应阻值，调整调零电位器，使电流表的读数为4mA，改变信号源，使之等于量程的上限对应阻值，调整调满电位器，使电流表的读数为20mA即可。例：输入型号为Pt100，量程为0～100℃的温度变送器标定，正确接线后，电阻箱输出阻值100Ω，调整调零电位器，使电流表读数为4mA；电阻箱输出阻值为138.5Ω（即铂热电阻在100℃时对应的电阻值），调整调满电位器，使电流表的读数为20mA。（2）应用说明：PT100为热电阻传感器，采集到的电流信号给SBWZ温度变送器，进而转换为标准的4-20ma电流信号，然而PCL818L的模拟量输入通道接收的是电压信号，所以需要在其输出端并联上一个250Ω的电阻，转换为1-5V电压信号。1.5其它硬件设备选型1.5.1外部接线端子为配合各部件的整体互联，本次设计所选用的连接现场仪表变送器与数据采集输入板卡的接线端子为研华PCLD8115接线端子，其主要作用就是为了方便与数据采集输入板卡之间的接线，在温度变送器与输入板卡之间架起一道桥梁。其主要技术规格如下：①工业接线端子板；②用于818L/818HG/1800等；③支持PCL-818系列多功能数据采集控制卡；④易于安装的DIN导轨安装外壳；⑤低成本螺丝端子板；⑥能在恶劣环境中可靠连接的工业端子板。为了完善系统功能，完成外围控制硬件电路的完整搭建，还选用了以下元器件：低压中间继电器（24V）、交流接触器（220V）、小型加热锅炉、按钮开关、信号指示灯（220V）、空气开关、导线若干、接线端子排和电源排插。1.5.2继电器根据设计的要求，在选用继电器时主要考虑工作条件以及安装使用方便还有工作稳定性，加热丝功率是1500W，最大工作电流I=6.8A，因此选用HH52P型小型继电器，HH52P系列小型继电器，配套底座PYF08A,适用于交流50Hz或60Hz，可承受电流AC：7A,DC：5A，符合锅炉加热丝的负载要求，线圈的承受电压AC：6～380V，DC：5～220V，供电子设备、通讯设备、电子计算机控制设备、自动化控制装置等动作切换电路及扩大控制范围使用。其规格品种属于基型、磁保持性、带指示灯、带浪涌抑制；电寿命：50万次；安装方式：插拔式；特点：体积小、容量大、寿命长。底部有八个引脚，分别为1、2、3、4、5、6、7、8，说明如下：7、8为线圈1、3、5是一组触头，5是公共点，5与1为常闭，5与3为常开，2、4、6为一组触头，6是公共点，6与2为常闭，6与4为常开，当7、8得到线圈额定电压后，5、3闭合5、1断开；同时6、4闭合，6、2断开，失电后恢复原状。1.5.3交流接触器根据设计选用的加热丝功率为1500W，电压为220V，正常工作电流I=6.8A，没有特殊要求，所以接触器就可以选用使用广泛的、购买方便的、价格较低的CJ20-10型交流接触器。CJ20-10交流接触器（以下简称接触器）适用于50Hz，最大电压至660V电流至63A的电力系统中接通与分断电路，还可用于与适当的热继电器或电子式保护装置组合成电机起动器以保护可能发生过载的电路。进线接1/L13/L25/L37/L4三相四线制，出线接2/T14/T26/T38/T4三相四线制，如果只接三相可以只用前三对触头；11、12和41、42是两对常闭触头，接联锁电路和停机指示的；2324和3334是两对常开触头，接自锁电路和运行指示的。额定绝缘电压660V，额定工作电压220V；380V,约定发热电流10A，接380V的三相交流电时额定工作电流10A，机械寿命1000万次，在380V工作电压下电寿命100万次，在380V工作电压下操作频率1200次/时，接线能力截面积为1.5的铜导线。1.6PLC和HMI基础可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLC（ProgrammableLogicController），它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。1.6.1可编程控制器基础可编程控制器的产生和应用20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业领域，由于价格高、输入电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。1968年，美国通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引发了开发热潮。1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。随着PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。目前，PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。PLC的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等[5]。可编程控制器的组成和工作原理PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本相同。无论是整体式还是模块式，从硬件结构看，PLC都是由CPU、存储器、I/O接口单元及扩展接口和扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，各部分之间通过系统总线连接。PLC的基本结构如图2-1所示：输输入接口中央处理单元CPU输出接口主程序存储单元图2-1PLC基本结构图1）CPU（中央处理器）CPU是PLC的核心，由运算器、控制器、寄存器、系统总线，外围芯片、总线接口及有关电路构成。它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等，是PLC不可缺少的组成单元。主要功能包括以下几个方面。（1）接收从编程器或者计算机输入的程序和数据，并送入用户程序存储器存储。（2）监视电源、PLC内部各个单元电路的工作状态。（3）诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译。（4）在PLC进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执行该指令。（5）采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中。（6）按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据寄存器的内容。（7）根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。（8）响应中断和各种外围设备（如编程器、打印机等）的任务处理请求。2）I/O接口PLC是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块于外界联系来实现的。输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间的传递信息的作用。I/O模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。3）存储器存储器（内存）主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序存储器用于存储整个系统的监控程序，一般采用只读存储器（ROM），具有掉电不丢失信息的特性。用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或者控制功能设计的控制程序，早期一般采用随机读写存储器（RAM），需要后备电池在掉电后保存程序。目前则倾向于采用电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存(FlashMemory)，免去了后备电池的麻烦。4）电源模块PLC中的电源，是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。电源可分直流和交流两种类型，交流输入220VAC或110VAC，，直流输入通常是24V。5）智能模块除了上述通用的I/O模块外，PLC还提供了各种各样的特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、温度控制、中断控制、位置控制、以太网、远程I/O控制、打印机等专用型或智能型的I/O模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。I/O模块的类型、品种与规格越多，系统的灵活性越好，模块的I/O容量越大，系统的适应性就越强。6）编程设备常见的编程设备有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PC的专用编程软件。编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作些设定，监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程设备在PLC的应用系统设计与调试、监控运行和检查维护中是不可缺少的部件，但不直接参与现场的控制。PLC本质上就是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有计算机的许多特点。但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循环扫描的工作方式。工作时逐条顺序扫描用户程序，如果一个线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需等扫描到该触点时才会动作[6]。可编程控制器的分类及特点根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。还可以按I/O点数分类，根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型、大型和超大型四类:I／O点数在256以下为小型PLC；I／O点数在256～1024为中型PLC；I／O点数大于1024为大型PLC；I／O点数在4000以上为超大型PLC可编程控制器有可靠性高、编程简单易学、功能强、安装简单、维修方便、采用模块化结构、接口模块丰富、系统设计与调试周期短等特点[7]。1.7人机界面基础随着社会的进步，工业自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。人机界面（HMIHumanMachineInterface）以其美观易懂、操作人性化等显著特点，正好满足这种需求而得到广泛的应用。人机界面的定义人机界面是指连接可编程控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。人机界面产品的组成及工作原理人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如组态王等）。用户必须先使用组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。人机界面产品的特点(1)系统运行过程清晰化控制过程可以动态地显示在HMI设备上。例如：炉子加热通断可以通过指示灯亮灭来显示，炉子的温度大小可以用棒图来指示等等，使整个控制系统变得形象易懂，也更加清晰。(2)系统操作简单化操作员可以通过监控界面来控制过程。可从监控界面上启动和停止系统、设定温度上下限、设置PID参数等。(3)显示报警控制过程达到临界状态或系统运行错误时会自动触发报警，例如，当炉子温度超出温度上下限时自动触发报警。(4)数据归档HMI系统可以记录过程变量值和报警信息并归档。例如：通过归档数据，您可以查看过去一段时间的系统运行情况，过程变量等。(5)报表系统HMI系统可以输出报警和过程值报表。例如，您可以在生产某一轮班结束时打印输出生产数据[8]。PLC控制系统硬件设计在掌握了PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以PLC作为主要控制器来构造PLC控制系统。本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。PLC控制系统设计的基本原则和步骤弄懂PLC的基本工作原理和指令系统后,就可以把PLC应用到实际的工程项目中。无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图3-1所示的步骤。PLC控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。1.设计原则(1)完整性原则。最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。(2)可靠性原则。确保计算机控制系统的可靠性。(3)经济型原则。力求控制系统简单、实用、合理。(4)发展性原则。适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2.评估控制任务根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。(1)控制规模一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。(2)工艺复杂程度当工艺要求较复杂时,采用PLC控制具有更大的优越性.(3)可靠性要求目前,当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。(4)数据处理速度若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜[9]。评估控制任务评估控制任务PLC机型的选择控制柜设计及布线程序设计联机调试PLC安装程序检查、调试控制流程的设计程序备份修改软、硬件模拟运行投入使用是否满足要求图3-1PLC控制系统设计步骤PLC控制系统设计的一般步骤PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下5步进行。1.熟悉被控对象深入了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系;PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网;系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。2.硬件选择具体包括如下。(1)系统I/O设备的选择。输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。(2)选择PLC。PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。(3)PLC的I/O端口分配。在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。(4)绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。(5)计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。3.编写应用程序根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容：(1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。(2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。(3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。4.程序调试程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序模拟调试是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。(1)硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。(2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。现场调试。当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，及时更正软硬件方面的问题。5.编写技术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等[10]。PLC的选型与硬件配置PLC型号的选择本温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。S7-200PLC属于小型整体式的PLC,本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统[10]。S7-200CPU的选择S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。此系统选用S7-200CPU226，CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量I/O。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。还有13KB程序和数据存储空间空间，6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。配有2个RS485通讯口，具有PPI，MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4kbit/s，可用于较高要求的中小型控制系统[11]。本温度控制系统由于输入/输出点数不多，本可以使用CPU224以下的类型，不过为了能调用编程软件STEP7里的PID模块，只能采用CPU226及以上机种。EM231模拟量输入模块本温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成0～41mv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EM2314TC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模块需要用户通过DIP开关进行组态：SW1～SW3用于选择热电偶类型，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用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿。本系统用的是K型热电偶，所以DIP开关SW1～SW8组态为00100000；EM231具体技术指标见表3-1。表3-1EM231技术指标型号EM231模拟量输入模块总体特性外形尺寸：71.2mm×80mm×62mm功耗：3W输入特性本机输入：4路模拟量输入电源电压：标准DC24V/4mA输入类型：0~10V，0~5V，±5V,±2.5V,0~20mA分辨率：12Bit转换速度：250μS隔离：有耗电从CPU的DC5V（I/O总线）耗电10mADIP开关SW10,SW20,SW31（以K型热电偶为例）表3-2所示为如何使用DIP开关设置EM231模块，开关1、2和3可选择模拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。表中，ON为接通，OFF为断开。表3-2EM231选择模拟量输入范围的开关表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2.5mVONOFF0到5V1.25mV0到20mA5uA双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON±5V2.5mVONOFF±2.5V1.25mV热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度变化转换为电势变化,而热电阻是将温度变化转换为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛应用。该系统中需要用传感器将温度转换成电压，且炉子的温度最高达几百度,所以我们选择了热电偶作为传感器。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。国际标准热电偶有S、B、E、K、R、J、T七种类型，在本系统中，我们选用了K型热电偶，其测温范围大约是0～1000℃。系统里的烤炉最高温度不过几百度，加上一定的裕度就足够了，另外其成本也不算高[12]。I/O点分配及电气连接图输入触点功能说明输出触点功能说明IO.1启动按钮Q0.0运行指示灯（绿）I0.2停止按钮Q0.1停止指示灯（红）Q0.3固态继电器该温度控制系统中I/O点分配表如表3-4所示。表3-4I/O点分配表2)系统整体设计方案及硬件连接图。系统选用PLCCPU226为控制器，K型热电偶将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过EM231模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。PLC和HMI相连接，实现了系统的实时监控。整个硬件连接图如图3-4和3-5所示。机机PLCEM231模块固态继电器热电偶烤炉图3-4系统框架图PLC控制器的设计控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。控制系统数学模型的建立本温度控制系统中，传感器（电热偶）将检测到的温度信号转换成电压信号经过温度模块后，与设定温度值进行比较，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正，返回对应工况下的固态继电器导通时间，调节电热丝的有效加热功率，从而实现对炉子的温度控制。控制系统结构图如图3-5所示，方框图如图3-6所示。PLC控制器PLC控制器固态继电器烤炉温度模块热电偶图3-5控制系统结构图Gc(s)Go(s)R(s)+E(s)U(s)Y(s)Gc(s)Go(s)_图3-6控制系统方框图图3-7中，R(s)为设定温度的拉氏变换式；E(s)为偏差的拉氏变换式；Gc(s)为控制器的传递函数；Go(s)为广义对象，即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并；该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统，传递函数为Gs=K0T0式3-1中，QUOTEK0为对象放大系数；为对象时间常数；为对象时滞。K0=∆y∞∆由阶跃响应法求得，=0.5；=QUOTET0=2.5分钟；=QUOTEτ=1.2分钟。PID控制及参数整定比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基本的控制规律，具有反应速度快，控制及时，但控制结果有余差等特点。积分控制可以消除余差，但是工业上很少单独使用积分控制的，因为与比例控制相比，除非积分速度无穷大，否则积分控制就不可能想比例控制那样及时的对偏差加以响应，所以控制器的输出变化总是滞后与偏差的变化，从而难以对干扰进行及时且有效的控制。微分作用是对偏差的变化速度加以响应的，因此，只要偏差一有变化，控制器就能根据变化速度的大小，适当改变其输出信号，从而可以及时克服干扰的影响，抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。但是理想微分控制器的控制结果也不能消除余差，而且控制效果要比纯比例控制器更差。将三种方式加以组合在一起，就是比例积分微分（PID）控制,其数学表达式为ut=Kp式3-3中：为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。根据以上的分析，本温度控制系统适于采用PID控制。完成了上述内容后，该温度控制系统就已经确定了。在系统投运之前，还需要进行控制器的参数整定。控制器参数整定方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，通过理论计算（微分方程、根轨迹、频率法等），来求得最佳的整定参数。这类方法计算繁杂，工作量又大，而且由于用解析法或实验测定法求得的对象数学模型都只能近似的反映过程的动态特性，整定结果的精度是不高的，因而未在工程上受到广泛推广。对于工程整定法，工程技术人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所需的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛使用。常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法来整定控制器的参数值。下面介绍下方法步骤。经验整定法实质上是一种经验凑试法，是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数，并将系统投入运行，通过观察人为加入干扰（改变设定值）后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数值，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。由于比例作用是最基本的控制作用，经验整定法主要通过调整比例度的大小来满足质量指标。整定途径有以下两条：1）先用单纯的比例（P）作用，即寻找合适的比例度，将人为加入干扰后的过渡过程调整为4：1的衰减振荡过程。然后再加入积分(I)作用，一般先取积分时间T1为衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧，在加入的积分作用之前，要先衰减比例作用，通常把比例度增大10%-20%。调整积分时间的大小，直到出现4：1的衰减振荡。需要时，最后加入微分（D）作用，即从零开始，逐渐加大微分时间Td，由于微分作用能抑制振荡，在加入微分作用之前，可以把积分时间也缩短一些。通过微分时间的凑试，使过渡时间最短，超调量最小。2）先根据表选取积分时间Ti和Td，通常取Td=(1/3-1/4)Ti，然后对比例度进行反复凑试，直至得到满意的结果。如果开始时Ti和Td设置的不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。这时应适当调整Ti和Td，再重复凑试，使曲线最终符合控制要求[13]。表3-5控制器参数经验数据控制变量规律的选择比例度（%）积分时间Ti（分钟）微分时间Td（分钟）温度对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓，应小，Ti要长，一般需要微分20-603-100.5-3通过经验整定法的整定，PID控制器整定参数值为：比例系数=120，积分时间=3分钟，微分时间=1分钟。PLC控制系统软件设计PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分，上一章已经详细介绍了本项目硬件连接。本章在硬件设计的基础上，将详细介绍本项目软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法，编程软件STEP7--Micro/WIN的介绍以及本项目程序设计。PLC程序设计方法编写PLC程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。1.图解法编程图解法是靠画图进行PLC程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。（1）梯形图法梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法，其图形甚至元件名称都有继电器电路十分相似。这种方法很容易地把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一种编程方法。（2）逻辑流程图法逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反映输入与输出的关系。逻辑流程图会使整个程序脉络清晰，便于分析控制程序、查找故障点及调试和维修程序。（3）时序流程图法时序流程图法是首先画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把框图写成PLC程序。这种方法很适合以时间为基准的控制系统的编程方法。（4）步进顺控法步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂的程序都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序可以看成整个控制过程的一步。2.经验法编程经验法是运用自己的或者别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。3.计算机辅助设计编程计算机辅助设计是通过PLC编程软件（比如STEP7--Micro/WIN）在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。使用编程软件可以很方便的在计算机上离线或在线编程、在线调试，在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE文件[14]。编程软件STEP7--Micro/WIN概述STEP7--Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为s7-200系列可编程控制器设计开发，它功