基于PLC的PID恒温控制系统

四川师范大学成都学院电子工程系课程设计基于S7-200型PLC的PID恒温箱控制学生姓名范永林学号2008103054所在系电子工程系专业名称自动化班级2008级1班指导教师程诚段纯爽成绩四川师范大学成都学院二○一一年六月四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告摘要：本论文阐述了利用PLC模块通过数模转换模块和温度检测模块等，并运用梯形图编写程序，实现对液体加热及对温度的保持。本系统的适用性很强，稳定性、精确性良好，程序开发通俗易懂，可以适应农业和工业生产中恒温系统的需求。本文主要介绍了恒温系统的硬件及软件设计方案。关键字：PLC，数模转换，恒温系统Abstract:ThispaperdiscusseshowtousethePLCmodulethroughtheanalog-to-digitalconversionmoduleandtemperaturedetectionmodule,andusedtheladder-diagramprogramming,realizetheliquidheatingandtemperatureismaintained.Thissystemapplicabilityisverystrong,stability,accuracy,goodprogramdevelopmentunderstandable,canadapttotheagriculturalproductionconstanttemperaturethatrequiredbythesystem.Thisarticlemainlyintroducedtheconstanttemperatureandthehardwareandsoftwareofthesystemdesign.Keywords:PLC、Analog-to-digital、Theconstanttemperature四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告目录前言....................................................11．PLC简介..............................................22．PID指令与模拟量控制..................................32.1PID算法················································································32.2PID控制回路选项····································································32.3回路输入量转化和标准化··························································42.4PID回路输出转换成比例的整数·················································43．控制方案设计.........................................53.1任务及器件选型····································································53.1.1任务要求······································································53.1.2PLC选型·····································································53.1.3加热器件选型································································53.1.4温度传感器选择·····························································53.1.5继电器选型···································································63.2具体方案············································································63.2.1方案简介······································································63.2.2地址分配及符号表························································73.3放大电路图··········································································83.4流程图·················································································83.5程序梯形图··········································································94．系统功能............................................115．设计总结............................................126．参考文献............................................12四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告1前言恒温系统装置是一个模拟生产使用恒温系统。他使用了PLC，数模转换功能模块，温度传感器，电热棒等。实现系统的加热，以及恒温保持。使用PID算法可以精确的控制系统温度。该模拟系统可用于对室温的加热，以及保温。外面虽然可以买到类似的商品，但是却不如该系统灵活。随着经济的增长，有些农业生产对温度的要求相当严格，例如，农场的养殖场就对温度非常讲究。据研究表明禽类不仅对光照有严格要求,对温度更有严格要求，温度会下降到15度左右,禽类的产蛋率成明显下降趋势,而温度高于30度左右，禽类的产蛋率同样受到影响，此时我们就得严格控制室温在20-25摄氏度为最佳温度，才能提高养殖场的经济效益。该系统主要划分为PLC主模块，数模转换功能模块，温度监控模块，加热模块。主要功能有：PLC模块将数据信号传送到功能模块使之转换成模拟信号使温度传感器工作，温度传感器检测当前系统温度，转化成模拟电压信号，然后通过EM235CN模块将温度信号转化成数据信号，从而达到控制温度的目的。四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告21．PLC简介PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。国际电工委员会(IEC)在其标准中将PLC定义为:可程式逻辑控制器是一种数位运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可程式逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告32．PID指令与模拟量控制2.1PID算法典型PID算法包括三项：比例项、积分项和微分项。即：输出=比例项+积分项+微分项计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算，算法如下：Mn=Kc*(SPn-PVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPn-PVn）+Mx+Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVn)比例项：Kc*（SPn-PVn）积分项：Kc*(Ts/Ti)*（SPn-PVn）+Mx微分项：Mx+Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVn)2.2PID控制回路选项常用的控制回路有PI、PID。（1）如果不需要积分回路（即在PID算法中无“I”），则应将积分时间Ti设为无穷大。由于积分项Mx的初始值，虽然没有积分运算，积分项的数值也可能不为零。（2）如果不需要微分运算，则应将微分时间Td设定为0.0四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告42.3回路输入量转化和标准化在PLC进行PID控制之前，必须将其转换成标准化浮点表示法。（1）将回路输入量数值从16位整数转换成32位浮点数或实数。如下：ITDAIW0,AC0//将输入数值转化成双字DTRAC0，AC0//将32位整数转换成实数（2）将实数转换成0.0-1.0之间的标准化数值。/R32000.0，AC0//是累加器中数值标准化+R0，AC0//加偏移量0MOVRAC0，VD100//将标准化数值写入PID回路参数表中2.4PID回路输出转换成比例的整数程序执行后，PID回路输出0.0-1.0之间的标准化实数值，必须被转换成16位成比例整数数值，才能驱动模拟输出。PID回路输出成比例实数数值=（PID回路输出标准化实数值-偏移量）*取值范围MOVRVD108，AC0//将PID回路输出送入AC0*R32000.0，AC0//将实数四舍五入取整，变为32位整数DTIAC0，AC0//32位整数转换成16位整数MOVWAC0,AQW0//16位整数写入AQW0四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告53．控制方案设计3.1任务及器件选型3.1.1任务要求对恒温箱进行恒温控制，对温度进行PID调节，PID运算结果去控制接通电加热器或者制冷风扇，但由于电加热器或制冷风扇只能为OFF和ON，为开关量，不能接受模拟量调节，故采用“占空比”的调节方法。温度传感器检测到的温度值送入PLC后，若经过PID指令运算得到一个0-1的实数，把该实数按比例换算成一个0－100的整数，把该整数作为一个范围为1-10S的时间ｔ。设计一个时间周期为10S的脉冲，脉冲宽度为ｔ，把该脉冲加给电加热器或制冷风扇，即可控制温度。3.1.2PLC选型选用实验室具备的SIEMENSS7-200CN(CPU226)型PLC及EM235CN模块。3.1.3加热器件选型电热棒的功率考虑到继电器的成本随负载功率的增大而增大应尽量选择小功率的电热棒3.1.4温度传感器选择使用Pt100热敏电阻传感器。用高纯度铂做电阻导体，具有非常好的线性、高温稳定性和复现性。在现代工业生产过程中具有十分广泛的应用。测量范围：-200°C~+850°C允许偏差0.15°C四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告63.1.5继电器选型选择驱动电压为24V的继电器，负载考虑到使用电热棒功率较大，选择使用10A的负载避免继电器被烧坏。3.2具体方案3.2.1方案简介在恒温箱内有一个加热元件和一个制冷风扇，电加热元件和风扇的工作状态只有OFF和ON，即不能自行调节，现要使恒温箱的温度恒定，且能在25—10