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安徽三聯(lián)學(xué)院畢業(yè)論文 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)、創(chuàng)作） 題 目： 基于PLC的混合液體溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 宋道明 學(xué)號(hào)： 130102189 所在系院： 電子電氣工程學(xué)院專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 入學(xué)時(shí)間： 2013 年 9 月 指導(dǎo)教師1： 朱云云 職稱/學(xué)位：助教/學(xué)士 指導(dǎo)教師2： 王洪海 職稱/學(xué)位：副教授/碩士 _ 導(dǎo)師所在單位： 安徽三聯(lián)學(xué)院 完成時(shí)間： 2017 年 5 月 安徽三聯(lián)學(xué)院教務(wù)處 制 基于PLC的混合液體溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要：在煉油、化工、制藥等行業(yè)中，多種液體混合是必不可少的程序，而且也是其生產(chǎn)過程中十分重要的組成部分。但由于這些行業(yè)中多為易燃易爆、有毒有腐蝕性的介質(zhì)，以致現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境十分惡劣，不適合人工現(xiàn)場(chǎng)操作。另外，生產(chǎn)要求該系統(tǒng)要求對(duì)混合液體的溫度控制是非常的重要的，這也是人工操作和半自動(dòng)化控制所難以實(shí)現(xiàn)的。所以為了幫助相關(guān)行業(yè)，特別是其中的中小型企業(yè)實(shí)現(xiàn)多種液體控制溫度的目的,液合液體溫度控制程序就顯得尤為重要。 本文通過對(duì)合液體溫度控的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)能更好的應(yīng)用在化工和制藥的企業(yè)中去，plc功能是非常的重要的對(duì)于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制是非常的好的，所以對(duì)于混合液體的溫度的控制非常的實(shí)用。 關(guān)鍵詞:PLC;混合液；溫度設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng) Design of hybrid liquid temperature control system based on PLC Abstract: in the oil refining, chemical, pharmaceutical and other industries, a variety of liquid mixing is an essential procedure, but also a very important part of its production process. However, due to these industries are flammable and explosive, toxic corrosive medium, so that the working environment is very poor, is not suitable for manual operation. In addition, the production requirements of the system requirements for mixed liquid temperature control is very important, which is also difficult to achieve manual and semi-automatic control. Therefore, in order to help the relevant industries, especially small and medium enterprises to achieve a variety of liquid temperature control purposes, liquid liquid temperature control procedures are particularly important. This application can design better in pharmaceutical and chemical enterprise to go through the system to control the temperature of the liquid, the PLC function is very important for the realization of automatic control is very good, so the control for the temperature of liquid mixture is very practical. Key words: PLC; mixture; temperature control; control system 1緒論 1 1.1 概論 1 1.2 設(shè)計(jì)的目的及意義 1 1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 1 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 2 2.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理 2 2.1.1 PLC型號(hào)的選擇 2 2.1.2 PLC CPU的選擇 2 2.1.3 EM235 模擬量輸入/輸出模塊 3 2.1.4 傳感器 3 2.1.5 可控硅加熱裝置 4 2.1.6 系統(tǒng)組成原理圖 4 2.3 系統(tǒng)接線圖設(shè)計(jì) 6 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 3.1 控制程序流程圖設(shè)計(jì) 6 3.1.1 主程序 7 3.1.2 子程序 7 3.1.3 中斷程序 8 3.2 控制系統(tǒng)控制程序的開發(fā) 8 3.2.1 溫度設(shè)定 9 3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換功能模塊的控制程序 9 3.2.3 標(biāo)度變換程序 11 3.2.4 恒溫控制程序（PID）設(shè)計(jì) 12 3.2.5 數(shù)字觸發(fā)器程序設(shè)計(jì) 16 3.2.6 顯示程序 19 3.2.7 恒溫指示程序 20 3.2.8 報(bào)警程序 20 4 上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 4.1 PLC與上位監(jiān)控軟件通訊 21 4.1.1 串行數(shù)據(jù)傳送和并行數(shù)據(jù)傳送 21 4.1.2 異步方式與同步方式 21 4.1.3 網(wǎng)絡(luò)的通訊PPI協(xié)議 22 4.2 上位監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì) 23 4.2.1 外部設(shè)備的定義 23 4.4.2 定義數(shù)據(jù)變量 23 4.2.3 數(shù)據(jù)類型 23 4.3 實(shí)現(xiàn)的效果 24 4.3.1 初次上電 24 4.3.2啟動(dòng) 24 4.3.3停止 25 4.3.4報(bào)警 25 結(jié)束語 26 參考文獻(xiàn) 28 辭謝 30 附錄 31 1緒論 1.1概論 PLC一經(jīng)出現(xiàn)，由于它的自動(dòng)化程度高、可靠性好、設(shè)計(jì)周期短、使用和維護(hù)簡(jiǎn)便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，備受國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員和工業(yè)界廠商的極大關(guān)注，生產(chǎn)PLC的廠家云起。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在PLC中的應(yīng)用，使PLC的功能不斷得到增強(qiáng)，產(chǎn)品得到飛速發(fā)展。 采用基于PLC的控制系統(tǒng)來取代原來由單片機(jī)、繼電器等構(gòu)成的控制系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的可移植性和可維護(hù)性。對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)和管理自動(dòng)水平有很大的幫助，同時(shí)又提高了生產(chǎn)線的效率、使用壽命和質(zhì)量，減少了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。用PLC進(jìn)行開關(guān)量控制的實(shí)例很多，在冶金、機(jī)械、紡織、輕工、化工、鐵路等行業(yè)幾乎都需用到它，如燈光照明、機(jī)床電控、食品加工、印刷機(jī)械、電梯、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)、液體混合自動(dòng)配料系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線等方面的邏輯控制，都廣泛應(yīng)用PLC來取代傳統(tǒng)的繼電器控制。本次設(shè)計(jì)是將PLC用于多種液體混合灌裝設(shè)臵的控制，對(duì)學(xué)習(xí)與實(shí)用是很好的結(jié)合。 1.2設(shè)計(jì)的目的及意義 在眾多生產(chǎn)領(lǐng)域中，經(jīng)常需要對(duì)貯槽、貯罐、水池等容器中的液體的溫度進(jìn)行監(jiān)控，以往常采用傳統(tǒng)的繼電器接觸控制，這種控制方式自動(dòng)化程度不高，使用的硬件設(shè)備多，不易連接，可靠性差。目前已有許多企業(yè)采用先進(jìn)控制器對(duì)傳統(tǒng)控制器進(jìn)行改造，大大提高了控制系統(tǒng)的可靠性和自控程度，為企業(yè)提供了更可靠的生產(chǎn)保障。 溫度的測(cè)量和控制對(duì)人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)、物資倉(cāng)儲(chǔ)等都起著極其重要的作用。在許多場(chǎng)合，及時(shí)準(zhǔn)確獲得目標(biāo)的溫度、濕度信息是十分重要的。近年來，溫濕度測(cè)控領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，溫濕度的測(cè)控芯片也相應(yīng)的登上歷史的舞臺(tái)，能夠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域中廣泛使用，尤其是對(duì)混合液體的溫度的控制尤其的重要。 1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 主要是利用PLC S7-200作為可編程控制器，系統(tǒng)采用PID控制算法，手動(dòng)整定或自整定PID參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，控制加熱裝置，使加混合液體溫度為為一定值，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和停止，運(yùn)行指示燈監(jiān)控實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值。通過對(duì)混合液溫度控制的設(shè)計(jì)，提高在電子工程設(shè)計(jì)和實(shí)際操作方面的綜合能力，初步培養(yǎng)在完成工程項(xiàng)目中所應(yīng)具備的基本素質(zhì)和要求。培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神，科學(xué)的、實(shí)事求是的工作方法，提高查閱資料、語言表達(dá)和理論聯(lián)系實(shí)際的技能。 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理 2.1.1 PLC型號(hào)的選擇 本混合液溫度控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門子S7-200 PLC。S7-200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價(jià)格比。 2.1.2 CPU的選擇 S7-200 系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等類型。。S7-200PLC 硬件系統(tǒng)的組成采用整體式加積木式，即主機(jī)中包括定數(shù)量的I/O端口，同時(shí)還可以擴(kuò)展各種功能模塊。S7-200PLC由基本單元（S7-200 CPU模塊）、擴(kuò)展單元、個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）或編程器，STEP 7-Micro/WIN編程軟件及通信電纜等組成。 本設(shè)計(jì)采用的是CUP226。它具有24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35 路模擬量I/O點(diǎn)。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 CPU226模塊的I/O配置及四肢分配 主機(jī) 模塊0 模塊1 模塊2 模塊3 CPU226 8IN 4IN/4OUT 4AI/1AQ 4AI/1AQ I0.0-I2.7/ Q0.0-Q1,.7 I3.0-I3.7 I4.0/Q2.0 AIW0/AQW0 AIW8/AQW4 I4.1/Q2.1 AIW2 AIW10 I4.2/Q2.3 AIW4 AIW12 I4.3/Q2.3 AIW6 AIW14 2.1.3 EM235 模擬量輸入/輸出模塊 在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測(cè)到的溫度轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入PLC中進(jìn)行處理。在這里我們選擇西門子的EM235 模擬量輸入/輸出模塊。EM235 模塊具有4路模擬量輸入/一路模擬量的輸出。它允許S7-200連接微小的模擬量信號(hào)，80mV范圍。用戶必須用DIP開關(guān)來選擇熱電偶的類型，斷線檢查，測(cè)量單位，冷端補(bǔ)償和開路故障方向：SW1～SW3用于選擇熱電偶的類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測(cè)方向，SW6用于選擇是否進(jìn)行斷線檢測(cè)，SW7用于選擇測(cè)量方向，SW8用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償。所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型。 2.1.4 傳感器的選擇 熱電偶是一種感溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、應(yīng)答誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。本論文采用的是K型熱電阻。 2.1.5 可控硅加熱裝置 對(duì)于要求保持恒溫控制而不要溫度記錄的電阻爐采用帶PID調(diào)節(jié)的數(shù)字式溫度顯示調(diào)節(jié)儀顯示和調(diào)節(jié)溫度，輸出0～10mA作為直流信號(hào)輸入控制可控硅電 壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，完全可以滿足要求，投入成本低，操作方便直觀并且容易維護(hù)。溫度測(cè)量與控制是熱電偶采集信號(hào)通過PID溫度調(diào)節(jié)器測(cè)量和輸出0～10mA或4～20mA控制觸發(fā)板控制可控硅導(dǎo)通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設(shè)定的溫度工作狀態(tài)。可控硅溫度控制器由主回路和控制回路組成。主回路是由可控硅，過電流保護(hù)快速熔斷器、過電壓保護(hù)RC和電阻爐的加熱元件等部分組成。 3. 硬件設(shè)計(jì) 3.1. 3.2 系統(tǒng)變量定義及I/O分配表 3.2.1 符號(hào)表 序號(hào) 符號(hào) 地址 注釋 1 特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器1 SM0.0 CPU運(yùn)行時(shí)，該位始終為1 2 特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器2 SM0.1 首次掃描時(shí)該位為1 3 雙字變量存儲(chǔ)器1 VD104 將實(shí)數(shù)0.4送入VD104 4 雙字變量存儲(chǔ)器2 VD112 將實(shí)數(shù)0.15送入VD104 5 雙字變量存儲(chǔ)器3 VD116 將實(shí)數(shù)0.1送入VD104 6 雙字變量存儲(chǔ)器4 VD120 將實(shí)數(shù)30.0送入VD104 7 雙字變量存儲(chǔ)器5 VD124 將實(shí)數(shù)0.0送入VD104 8 特殊標(biāo)志位內(nèi)存字節(jié) SMB34 設(shè)置中斷控制字節(jié)（SMB34}=100 9 中斷連接指令 ATCH 建立中斷事件EVNT和程序INT 10 中斷允許指令 ENI 條件成立時(shí)，允許所有中斷事件 11 整數(shù)到雙整數(shù)轉(zhuǎn)換指令 I_DI 模擬量輸入映像寄存器AIW0的值送入累加器AC0 12 雙整數(shù)到實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換指令 DI_R 累加器AC0中的值轉(zhuǎn)換后存入累加器AC0 13 實(shí)數(shù)除法運(yùn)算指令 DIV_R 累加器AC0中的值除以32000后再送入AC0 14 回路指令 PID 根據(jù)TBL中的輸入VB108和配置信息對(duì)LOOP執(zhí)行PID循環(huán) 15 實(shí)數(shù)乘法指令 MUL_R 雙字變量存儲(chǔ)器VD108中的內(nèi)容與32000相乘結(jié)果送入累加器AC0 16 實(shí)數(shù)到雙整數(shù)轉(zhuǎn)換指令 ROUND 累加器AC0中的值轉(zhuǎn)換后存入累加器AC0 17 雙整數(shù)到整數(shù)轉(zhuǎn)換指令 DI_I 累加器AC0中的值轉(zhuǎn)換后存入累加器AC0 3.2.2 I/O分配表 輸入信號(hào) 輸出信號(hào) 名稱 地址 名稱 地址 脈沖輸入 I0.1 啟動(dòng)按鈕 停止按鈕 啟動(dòng)指示燈 Q0.1 停止指示燈 Q0.2 正常運(yùn)行指示燈 Q0.3 溫度越上限報(bào)警指示燈 Q0.4 加熱指示燈 Q0.5 2.3 系統(tǒng)接線圖設(shè)計(jì) 3.3 控制程序流程圖設(shè)計(jì) 3.3.1 主程序 運(yùn)行PLC 初始化運(yùn)行指示 SM0.1始終為1 調(diào)用子程序0 3.3.2 子程序 設(shè)定溫度值 導(dǎo)入PID設(shè)定參數(shù)值 每100ms調(diào)用一次中斷程序 中斷返回 3.3.3 中斷程序 讀入溫度并轉(zhuǎn)換 把實(shí)際溫度放入VD100 調(diào)用PID命令 物體的溫度上升？ N Y 停止加熱 繼續(xù)加熱 輸出PID值 3.2 控制系統(tǒng)控制程序的開發(fā) 按照本系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，嚴(yán)格要求控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)恒溫控制的功能，溫度需要在（280～700℃）范圍內(nèi)任意設(shè)定（X10-X21輸入給定值），經(jīng)過積分分離PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)恒溫控制，同時(shí)并對(duì)實(shí)際溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)LED數(shù)碼顯示，同時(shí)有恒溫指示和斷偶報(bào)警信號(hào)指示。故按要求特編寫以下控制程序。（PLC指令見附錄一，總程序見附錄二） 3.2.1 溫度設(shè)定 按照本設(shè)計(jì)系統(tǒng)所利用的是十鍵數(shù)字輸入指令，并設(shè)定恒溫給定值。故程序如圖3-1所示。 圖3-1 讀取溫度給定 當(dāng)溫度設(shè)定允許（X1=1）時(shí)，執(zhí)行十鍵輸入指令，輸入給定溫度值，送D38，當(dāng)給定值在280～700℃范圍內(nèi)時(shí)，將給定值（D38）再送D4保存。否則輸入將會(huì)出錯(cuò)報(bào)警（Y6=1）。 3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換功能模塊的控制程序 該溫度檢測(cè)硬件電路給定的A/D轉(zhuǎn)換通道號(hào)為CH2，用來完成爐溫的A/D轉(zhuǎn)換。為了提高抗干擾的能力，程序采用的是數(shù)字濾波措施，該濾波方法是取8次輸入的平均值作為檢測(cè)結(jié)果。 在此過程中的設(shè)定爐溫的模擬量會(huì)送入FX2N-4AD模塊的2#通道（CH2）。根據(jù)三菱公司的用戶手冊(cè)中的模塊編號(hào)規(guī)則，F(xiàn)X2N-4AD將會(huì)直接連PLC 的為0號(hào)模塊。A/D轉(zhuǎn)換功能的PLC的程序如圖3-2所示。 圖3-2 A/D轉(zhuǎn)換程序 當(dāng)控制周期到（M331=1）和X2為ON時(shí)，將FX2N-4AD在0#位置BFM#30中的識(shí)別碼（K2010）送D3，若識(shí)別碼為2010，則M1=1。進(jìn)而將H3330送BFM#0（A/D通道初始化），CH2為電壓輸入（DC ：-10～+10V），CH1、CH3和CH4關(guān)斷，采樣次數(shù)缺省為8次，正常速度）。然后再將BFM#29的狀態(tài)信息分別寫到M25～M10（16位）中，若無錯(cuò)（M10=0）和數(shù)字輸出值正常（M20=0），則BFM #6的內(nèi)容（CH2通道的平均輸入采樣值）將傳送到PLC的D0中。 本程序設(shè)計(jì)是按照以4.8s為一個(gè)控制周期，當(dāng)控制周期到才會(huì)讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。 控制周期計(jì)時(shí)中斷服務(wù)程序（I610）如圖3-3所示。 圖3-3計(jì)時(shí)中斷程序 I610為每計(jì)時(shí)10ms便會(huì)自動(dòng)執(zhí)行一次中斷的。當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到10ms時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)執(zhí)行I610中斷服務(wù)程序，控制周期計(jì)數(shù)器則會(huì)（D27）加1，將D27與480進(jìn)行比較，若相等時(shí)則M331為ON（4.8s計(jì)時(shí)到），同時(shí)將控制周期計(jì)數(shù)器（D27）進(jìn)行清0。 3.2.3 標(biāo)度變換程序 此外還需要針對(duì)本次設(shè)計(jì)所選擇的功能模塊FX2N-4AD的輸入輸出特性，有280～700℃經(jīng)零點(diǎn)遷移后所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量則為0～2047（0～10V對(duì)應(yīng)的數(shù)字量），通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將會(huì)得到的溫度的數(shù)字量存入D0，根據(jù)此特性，輸入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的模擬量大約應(yīng)該為數(shù)字量占2047的百分比，即實(shí)際溫度=（700-280）*數(shù)字量/2047+280≈?jǐn)?shù)字量*21/102+280。從而得到實(shí)際的溫度的數(shù)值而進(jìn)而會(huì)被送入D5，同時(shí)將所計(jì)算得到的余數(shù)與0.5℃所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量(約等于2)進(jìn)行比較，如果結(jié)果大于2，則將D5中的數(shù)進(jìn)行加一，反之則不會(huì)改變。所得結(jié)果將再加上280，從而這樣就會(huì)完成了對(duì)采樣溫度值的標(biāo)度變換。標(biāo)度變換功能的PLC程序如圖3-4所示： 圖3-4標(biāo)度變換程序 3.4恒溫控制程序（PID）設(shè)計(jì) （1）PID算法 根據(jù)本次設(shè)計(jì)給定的設(shè)計(jì)的要求，此次的溫度控制將會(huì)被分為三段：自由升溫段、恒溫段和自然降溫段。自然降溫是指不需要控制和檢測(cè)溫度，自由升溫則只需監(jiān)視爐溫是否到達(dá)恒溫值，即只有恒溫段需要控制與檢測(cè)爐溫。用于恒溫控制的調(diào)節(jié)器有許種形式，例如大林算法、PD調(diào)節(jié)、PID調(diào)節(jié)、開關(guān)調(diào)節(jié)等，本系統(tǒng)最終決定選用實(shí)際中切實(shí)可行的積分分離PID調(diào)節(jié)，因?yàn)樗軌蛴行У販p小系統(tǒng)的超調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差。 PID調(diào)節(jié)器的位置式控制方程為： （9） 式中，e（t）為t時(shí)刻給定的恒溫值Q0與實(shí)際爐溫Q之差。將其離散化，得 （10） 式中，T、、、分別為采樣周期、微分時(shí)間常數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和比例時(shí)間常數(shù)；e（k）為本次采樣時(shí)Q0與Q之差。 令 （11） 則有 式（12） （12） 式中，、、分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)(待定參數(shù))。 為了減少在線整定參數(shù)的數(shù)目，常常假定約束條件，以減少獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)，本次設(shè)計(jì)選取 T≈0.1 （13） ≈0.5 （14） ≈0.125 （15） 其中，為純比例控制時(shí)的臨界振蕩周期。即有 （16） （17） 因此，對(duì)四個(gè)參數(shù)的整定便簡(jiǎn)化成了對(duì)一個(gè)參數(shù)的整定。因而使調(diào)試較為簡(jiǎn)單方便。 （2） 恒溫控制程序 本次設(shè)計(jì)為了減少超調(diào)現(xiàn)象和消除振蕩現(xiàn)象，當(dāng)自由升溫小于所給定的恒溫值10℃，系統(tǒng)就會(huì)開始進(jìn)行具體的恒溫控制，恒溫控制則會(huì)將采用積分分離PID調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的控制算法如下： 每當(dāng)爐溫值Q大于給定恒溫值10℃時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行全速升溫，令u（k）=240，240指的是作為一個(gè)控制周期（4.8s）的工頻電源周波數(shù)。 每當(dāng)e（k）<5℃時(shí)，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。 除上述所表述的兩種情況外，系統(tǒng)均將進(jìn)行PD調(diào)節(jié)，去掉e（k）。 溫度數(shù)字調(diào)節(jié)器程序框圖如圖3-5所示。 溫度數(shù)字調(diào)節(jié)器的可編程控制PLC梯形圖則如圖16所示。 將實(shí)際溫度的值（D5）與設(shè)定的值（D4）比較得到的差值e（k）存在于D32。若e（k）大于10的時(shí)候，則送240給D30（u（k））；若e（k）小于10但大于5時(shí)，則會(huì)進(jìn)行PD算式運(yùn)算。若e（k）小于5時(shí)則會(huì)進(jìn)行PID算式運(yùn)算。最后則保存u（k），更新u（k-1）、e（k-1）和e（k-2）以備下次的運(yùn)算。 開始 e（k）=Q0-Q e（k）>10 Y 計(jì)算PD項(xiàng) u（k）=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] N e(k)<5 Y u(k)=240 N 計(jì)算PD+I項(xiàng) u(k)=u(k)+kie(k) u(k)->u(k-1) e(k-1)->e(k-2) e(k)->e(k-1) 保存u(k) 結(jié)束 圖3-5數(shù)字控制器程序 . 圖3-5數(shù)字控制器程序 3.2.5 數(shù)字觸發(fā)器程序設(shè)計(jì) （1）數(shù)字觸發(fā)器組成與原理 數(shù)字觸發(fā)器會(huì)按照調(diào)節(jié)器輸出的控制量將控制輸送給電阻爐的能量。由于晶閘管移相觸發(fā)存在很大的諧波干擾將會(huì)“污染”電網(wǎng)，本系統(tǒng)將采用過零觸發(fā)，觸發(fā)器的具體組成如圖3-6所示。 圖3-6 過零數(shù)字觸發(fā)器組成 工作原理具體如下：首先，數(shù)字觸發(fā)器的準(zhǔn)備程序?qū)?huì)進(jìn)行把控制量u（k）變換為晶閘管的導(dǎo)通周波數(shù)n，且當(dāng)n>0時(shí)，置晶閘管允許觸發(fā)標(biāo)志就會(huì)相應(yīng)的會(huì)成為1。準(zhǔn)備的程序則在每個(gè)控制周期會(huì)執(zhí)行一次。而當(dāng)電源正半波到來時(shí)（由低電平變高電平），若晶閘管允許觸發(fā)標(biāo)志的為1，則在Y0的端產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖，經(jīng)光電隔離和功率放大后觸發(fā)晶閘管VT1會(huì)導(dǎo)通，使電源正半波加到電阻絲上。當(dāng)電源負(fù)半波到來的時(shí)候（會(huì)由高電平變低電平），若晶閘管允許觸發(fā)標(biāo)志為1，則在Y1端產(chǎn)生一個(gè)的觸發(fā)脈沖，經(jīng)光電隔離和功率放大后觸發(fā)晶閘管VT2的導(dǎo)通，使電源負(fù)半波加到電阻絲上，使負(fù)載得到一個(gè)完整的電壓波形。程序還完成晶閘管已導(dǎo)通周波數(shù)計(jì)數(shù)的工作，當(dāng)已導(dǎo)通周波數(shù)等于n時(shí)，表示本控制的周期內(nèi)向電阻絲輸送的能量已達(dá)到控制的要求，將晶閘管允許觸發(fā)標(biāo)著志清0，Y0、Y1不會(huì)再輸出觸發(fā)脈沖。 （2） 數(shù)字觸發(fā)器程序 數(shù)字的觸發(fā)器程序由兩部分組成：準(zhǔn)備程序和觸發(fā)程序 其程序框圖如圖3-7和圖3-8所示。 電源在一個(gè)控制周期（4.8s）有240個(gè)周波，而u（k）的最大亦也為240，因此，晶閘管在一個(gè)控制周期的導(dǎo)通周波數(shù)為n與控制量u（k）的關(guān)系即為 n=u（k） （18） 脈沖輸出通道要求PLC輸出的觸發(fā)脈沖必須為正脈沖，所以程序應(yīng)該先使Y0（或Y1）由0變1，延時(shí)約為0.01s后（半個(gè)周波時(shí)間），再將Y0（或Y1）置為0，則會(huì)在Y0的（或Y1）端形成一個(gè)寬約0.01s的正脈沖。 圖3-7晶閘管觸發(fā)準(zhǔn)備程序 圖3-8數(shù)字觸發(fā)程序 數(shù)字觸發(fā)器功能的PLC程序如下圖3-9所示。 當(dāng)X2為ON時(shí)，將u（k）送到D25作觸發(fā)周波數(shù)n，將其與0比較，若當(dāng)n大于0，則置位D26（觸發(fā)允許標(biāo)志）的允許觸發(fā)并將Y0和Y1置為1。X0即為電源周波信號(hào)輸入端，當(dāng)允許晶閘管觸發(fā)時(shí)候，當(dāng)X0的上升沿（下降沿）到時(shí)Y0（Y1）輸出即為1，延時(shí)半個(gè)周波時(shí)間后Y0（Y1）輸出0，即在Y0（Y1）端口產(chǎn)生正脈沖去觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。同時(shí)每完成一個(gè)周波觸發(fā)，將D25減為1。直到D25為0止。D25即為0而采樣周期未到D26被清0，系統(tǒng)將不再對(duì)晶閘管輸出觸發(fā)脈沖。 圖3-9數(shù)字觸發(fā)器程序 3.2.6 顯示程序 該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是用三個(gè)LED數(shù)碼管（含BCD譯碼器）顯示溫度（本系統(tǒng)設(shè)定溫度范圍為280-700℃），需要先將實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換為BCD碼，即從Y10-Y23端口輸出，BCD碼經(jīng)過BCD譯碼器譯碼，由七段LED完成顯示功能。 顯示程序如圖3-10所示。 圖3-10顯示程序 先將實(shí)際溫度（D5）除以100得到百位數(shù)，存放D122中；同樣，所得到的余數(shù)（D103）將除以10得到十位數(shù)后，將其存放D121中；余數(shù)的D105為個(gè)位數(shù)存放在D120中。D122、D121和D120中的數(shù)據(jù)則將會(huì)分別從Y10-Y13、Y14-Y17和Y20-Y23端口輸出。然后會(huì)經(jīng)譯碼器譯成相應(yīng)的段碼后，最終將結(jié)果送七段LED顯示。 3.2.7 恒溫指示程序 根據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，每當(dāng)實(shí)際溫度與溫度給定值相等的時(shí)候，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出恒溫指示的信號(hào)（Y4=1，綠燈亮）。恒溫指示的具體的程序如圖3-11所示： 圖3-11 恒溫顯示程序 將實(shí)際的溫度值（D5）與溫度設(shè)定的值（D4）進(jìn)行一定的比較，如果相等則會(huì)將令Y4為ON，恒溫指示燈亮。同時(shí)會(huì)令觸發(fā)脈沖個(gè)數(shù)為0，這時(shí)候系統(tǒng)將不對(duì)電阻爐加熱。 3.2.8 報(bào)警程序 該報(bào)警系統(tǒng)是將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量與2047比較，若連續(xù)的兩次檢測(cè)到A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量將大于2047，則表示進(jìn)行相應(yīng)的斷偶，系統(tǒng)的輸出斷偶報(bào)警的信號(hào)，Y5將會(huì)變?yōu)镺N，此時(shí)即會(huì)亮紅燈。如圖3-12所示。 圖3-12 報(bào)警程序 4 上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 PLC與上位監(jiān)控軟件通訊 4.1.1 串行數(shù)據(jù)傳送和并行數(shù)據(jù)傳送 1) 并行數(shù)據(jù)傳送：并行數(shù)據(jù)傳送時(shí)所有數(shù)據(jù)位是同時(shí)進(jìn)行的，以字或字節(jié)為單位傳送。并行傳輸速度快，但通信線路多、成本高，適合近距離數(shù)據(jù)高速傳送。 2) 串行數(shù)據(jù)傳送：串行數(shù)據(jù)傳送時(shí)所有數(shù)據(jù)是按位(bit)進(jìn)行的。串行通信僅需要一對(duì)數(shù)據(jù)線就可以。在長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳送中較為合適。 PLC網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的方式絕大多數(shù)為串行方式，而計(jì)算機(jī)或PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)都是并行的。若要串行發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，則要進(jìn)行相應(yīng)的串行、并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即在數(shù)據(jù)發(fā)送前，要把并行數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)；而在數(shù)據(jù)接收后，要把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)后再處理。 4.1.2 異步方式與同步方式 根據(jù)串行通信數(shù)據(jù)傳輸方式的不同可以分為異步方式和同步方式。 1) 異步方式：又稱起止方式。它在發(fā)送字符時(shí)，要先發(fā)送起始位，然后才是字符本身，最后是停止位。字符之后還可以加入奇偶校驗(yàn)位。異步傳送較為簡(jiǎn)單，但要增加傳送位，將影響傳輸速率。異步傳送是靠起始位和波特率來保持同步的。 2) 同步方式：同步方式要在傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)，也傳遞時(shí)鐘同步信號(hào)，并始終按照給定的時(shí)刻采集數(shù)據(jù)。同步方式傳遞數(shù)據(jù)雖提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，但對(duì)通信系統(tǒng)要求較高。 PLC網(wǎng)絡(luò)多采用異步方式傳送數(shù)據(jù)。 4.1.3 網(wǎng)絡(luò)的通訊PPI協(xié)議 PPI是一種主從設(shè)備協(xié)議：主設(shè)備給從屬裝置發(fā)送請(qǐng)求，從屬裝置進(jìn)行響應(yīng)。從屬裝置不發(fā)出訊息，而是一直等到主設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求或輪詢時(shí)才作出響應(yīng)。 主設(shè)備與從屬裝置的通訊將通過按PPI協(xié)議進(jìn)行管理的共享連接來進(jìn)行。 圖4—1 如果在用戶程序中激活PPI主設(shè)備模式，則S7--200 CPU在處于RUN（運(yùn)行）模式時(shí)可用作主設(shè)備。激活PPI主設(shè)備模式之后，可使用“網(wǎng)絡(luò)讀取”或“網(wǎng)絡(luò)寫入”指令從其它S7--200讀取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入其它S7--200。當(dāng)S7--200用作PPI主設(shè)備時(shí)，它將仍然作為從屬裝置對(duì)來自其他主設(shè)備的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。 對(duì)于簡(jiǎn)單的單臺(tái)主設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，編程站和S7--200 CPU既可以通過PPI多臺(tái)主設(shè)備電纜連接，也可以通過安裝在編程站中的通訊處理器（CP）卡連接。 在圖上部的范例網(wǎng)絡(luò)中，編程站（STEP7--Micro/WIN）是網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備。在圖下部的范例網(wǎng)絡(luò)中，人機(jī)界面（HMI）設(shè)備（例如TD 200、TP或OP）是網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備。 在兩個(gè)范例網(wǎng)絡(luò)中，S7--200 CPU是對(duì)主設(shè)備的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)的從屬裝置。 圖4—2 單臺(tái)主設(shè)備PPI網(wǎng)絡(luò) 4.2 上位監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì) 4.2.1 外部設(shè)備的定義 組態(tài)王把那些需要與之交換數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備或軟件程序都做為外部設(shè)備使用。外部硬件設(shè)備在本文中就是PLC S7-200?？墒褂谩霸O(shè)備配置向?qū)А币徊讲酵瓿稍O(shè)備的連接。 4.4.2 定義數(shù)據(jù)變量 要實(shí)現(xiàn)組態(tài)王對(duì)S7-200的在線控制，就必須建立兩者之間的聯(lián)系，那就需要建立兩者的數(shù)據(jù)變量?；绢愋偷淖兞靠梢苑譃椤皟?nèi)存變量”和“I/O變量”兩類。內(nèi)存變量是組態(tài)王內(nèi)部的變量，不跟監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行交換。而I/O變量時(shí)兩者之間互相交換數(shù)據(jù)的橋梁，S7-200和組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換是雙向的，一者的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，另外一者的數(shù)據(jù)也跟著變化。所以需要在創(chuàng)建連接前新建一些變量。 本文中，PLC用內(nèi)存VD0來存放當(dāng)前的實(shí)際溫度。并規(guī)定溫度超過105℃為溫度過高，立即要作出相應(yīng)警示信號(hào)。 點(diǎn)擊工程管理器中的“數(shù)據(jù)詞典”再雙擊右邊窗口的新建，在出現(xiàn)的定義變量口中填寫相應(yīng)的要求項(xiàng)，并可在“報(bào)警定義”中設(shè)定報(bào)警。 4.2.3 數(shù)據(jù)類型 只對(duì)I/O類型的變量起作用，共有9種類型： Bit：1位， 0或1 Byte：8位， 一個(gè)字節(jié) Short：16位， 2個(gè)字節(jié) Ushort：16位， 2個(gè)字節(jié) BCD：16位， 2個(gè)字節(jié) Long：32位， 4個(gè)字節(jié) LongBCD：32位， 4個(gè)字節(jié) Float：32位， 4個(gè)字節(jié) String：128個(gè)字符長(zhǎng)度 4.3 實(shí)現(xiàn)的效果 4.3.1 初次上電 初次上電，沒有模擬量輸入，只顯示PID值和當(dāng)前溫度，曲線圖為鍋爐溫度的實(shí)時(shí)曲線圖。 4.3.2啟動(dòng) 啟動(dòng)后，鍋爐開始升溫，并維持在50攝氏度左右。 4.3.3停止 按下停止按鈕后，鍋爐停止加熱，停止燈亮，溫度開始下降。 4.3.4報(bào)警 當(dāng)溫度越上限時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。 5 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析 5.1 系統(tǒng)調(diào)試及解決的問題 5.2 結(jié)果分析 6 總結(jié) 本課題設(shè)計(jì)了基于PLC的混合液體溫度控制系統(tǒng)。 PLC（可編程控制器） 以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。 PID閉環(huán)控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛的一種控制算法，對(duì)大部分控制對(duì)象都有良好的控制效果。組態(tài)軟件組態(tài)王因其簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，在HMI設(shè)計(jì)中深受用戶的喜歡而得到廣泛的使用。 在西門子S7-200系列PLC和組態(tài)軟件組態(tài)王的基礎(chǔ)上，我們成功設(shè)計(jì)出了溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)達(dá)到了快、準(zhǔn)、穩(wěn)的效果，也達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。再加上由組態(tài)王設(shè)計(jì)的人機(jī)界面，整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。 該溫度控制系統(tǒng)也有一些有不足的地方需要改進(jìn)，編程時(shí)我們用了編程軟件自帶的PID指令向?qū)K，這樣雖然方便，但是使得控制系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都稍微偏大，若不直接調(diào)用該模塊，而是自己編寫PID控制子程序的話，控制效果可能會(huì)更好。還有人機(jī)界面內(nèi)容不夠豐富，若再加上報(bào)表系統(tǒng)、打印功能的話，那就更完美了。日后，隨著對(duì)PLC硬件系統(tǒng)和通信方式的深入了解，還可以豐富遠(yuǎn)程控制指令，以應(yīng)對(duì)運(yùn)行過程中的各種突發(fā)事件，增加其他PLC，通過構(gòu)建復(fù)雜的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)大型的工業(yè)控制，使該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定可靠，性能更加完善。 參考文獻(xiàn) [1]SIMATICS7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002. 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[20] 組態(tài)王6.53命令語言函數(shù)使用手冊(cè)[M].北京亞控,2007. 辭謝 通過這次論文的設(shè)計(jì)和研究，我從剛開始是不知道怎么去做，我剛開始做這個(gè)題目的時(shí)候頭是暈暈的慢慢的通過我問同學(xué)問老師慢慢的有了一點(diǎn)的思路，知道自己應(yīng)該怎么去做。首先我通過在網(wǎng)絡(luò)搜索的過程中找到了我的論文設(shè)計(jì)的基本的框架，然后在一點(diǎn)一點(diǎn)的進(jìn)行摸索，再通過在網(wǎng)絡(luò)上查閱大量的資料，進(jìn)行豐富框架里邊的內(nèi)容，有不懂得再進(jìn)行通過問同學(xué)和老師的方式進(jìn)行找到解決的方案，最終我成功的完成了我的論文的設(shè)計(jì)，當(dāng)我真正的完成這個(gè)論文我真正感覺到了人生中什么是成功，我只能對(duì)我的老師和同學(xué)說一句話，真的很感謝你們，我也非常感謝我的導(dǎo)師是他在我的背后默默的支持，再給我打進(jìn)鼓勵(lì)我才能把這個(gè)論文設(shè)計(jì)做了出來。從做這個(gè)論文設(shè)計(jì)的過程中我經(jīng)歷了很多的困難。我真正的認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)是非常的重要的，我們必須應(yīng)該把自己的理論融合到實(shí)踐的過程中去，這樣才能使實(shí)現(xiàn)和理論更好的去結(jié)合，才能更好的把自己的基礎(chǔ)知識(shí)打牢。 通過我這一次能夠順利地完成論文，我非常要感謝的一個(gè)人，是我的導(dǎo)師。在這個(gè)論文的設(shè)計(jì)的過程中，是他耐心的為我講解。在我不懂的時(shí)候也是他在為我講解。他沒有任何的反感對(duì)我非常細(xì)心的給我講解，我應(yīng)該怎么去做。與此同時(shí)，我還應(yīng)該感謝我們學(xué)院的各位領(lǐng)導(dǎo)，是他們?cè)谖业拇髮W(xué)四年對(duì)我的無微不至的關(guān)懷，我才能有今天的成就。非常的感謝他們，也是，他們給了我這一次難得的機(jī)會(huì)，讓我真正的踏入了社會(huì)，真正的用自己所學(xué)的理論，根據(jù)自己大學(xué)四年所學(xué)的理論知識(shí)完成了一篇具有理論意義的學(xué)術(shù)論文。在其中的過程中，我也學(xué)會(huì)了很多的事情，面對(duì)困難，我不應(yīng)該退縮，應(yīng)該勇往直前，因?yàn)橐坏┩顺?，就注定失敗，只有?jiān)持不懈的去努力，才能夠成功。 附錄： 33