2017毕业论文-基于plc的温度控制系统设计

2017毕业论文-基于plc的温度控制系统设计2017毕业论文-基于plc的温度控制系统设计内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：基于PLC的温度控制系统设计学生姓名：学号：专业：自动化班级：自06-3班指导教师：内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)基于PLC的温度控制系统设计摘要温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。一般来说,单片机在数据采集、数据处理等方面占据优势,其通用性和适应性较强。然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,而PLC在这方面却是公认的最佳选择。加热炉温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的。本设计是用电烤箱来模拟加热炉，利用西门子S7-200PLC控制电烤箱温度的控制系统。首先介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了西门子S7-200PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。关键词：西门子S7-200PLC、EM235、PID、温度传感器、固态继电器PLC-basedtemperaturecontrolsystemdesignAbstractTemperaturecontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrycontrolledfield,asthetemperaturecontrolsystemofboilersandweldingmachinesinsteelworks、chemicalplant、heat-engineplantetc.Heating-stovetemperaturecontrolhasalsobeenappliedwildlyinallkindsoffields.Ingeneral,theMCUtakesadvantageoftheirstrongversatilityandadaptabilityindatacollection,dataprocessingandsoon.YetthehardwareandsoftwaredesignofDDCsystemcontrolledbyMCUissomewhatcomplicated,it’snotanadvantageespeciallyrelatedtologiccontrol,howeveritisacceptedasthebestchoicewhenmentionedtoPLC.Thefurnacetemperatureofheating-stoveisalargeinertiasystem,sogenerallyusingPIDadjustingtocontrol.WiththeexpandingofPLCfunction,thecontrolfunctioninmanyPLCcontrollershasbeenexpanded.ThereforeitismorereasonabletoapplyPLCcontrollingintheapplicablefieldswherelogicalcontrolandPIDcontrolblendtogether.ThedesignistocometosimulateHeating-stove,usingSiemensS7-200PLCtocontroltheelectricoventemperaturecontrolsystem.Inthefirstplacethispaperpresentstheworkingprinciplesofthetemperaturecontrolsystemandtheelementsofthissystem.ThenitintroducesSiemensS7-200PLCandthespecificdesignproceduresofthehardwareandthesoftware.Keywords：SiemensS7-200PLC、EM235、PID、temperaturepickup、solidstaterelay目录摘要IAbstractII第一章绪论11.1系统设计背景11.2系统工作原理11.3技术综述2第二章系统设计32.1闭环控制系统特点32.2PID控制原理32.2.1PID控制器基本概念32.2.2PID控制器的参数整定42.3S7-200PLC在PID闭环控制系统中的应用62.3.1PLC实现PID控制的方式72.3.2PLC的PID控制器的实现72.3.3PID指令及其回路表102.4系统组成11第三章硬件设计123.1PLC基本概述123.2PLC的组成及功能133.3PLC的工作方式与运行框图163.4PLC的工作过程183.5S7-200PLC简介193.5.1S7-200PLC组成原理及技术指标193.5.2CPU224及EM235203.5.3S7-200网络213.6固态继电器223.7温度传感器27第四章软件设计294.1S7-200CPU的PID控制294.1.1PID算法在S7-200中的实现294.1.2PID控制器的调试304.2PIDWizard-PID向导314.3系统程序流程图404.4变量分配表414.5温控曲线41结束语44参考文献45附录46致谢49III第一章绪论1.1系统设计背景近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，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，传统继电器控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于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有普遍性意义。本课题类型属于工程设计型题目，用电烤箱来模拟加热炉，通过本设计可以熟悉并掌握西门子S7-200PLC的原理与功能以及它的编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制的问题。1.2系统工作原理电烤箱温度控制系统基本构成如图1.1所示，它由PLC主控系统、固态继电器、温度传感器、电烤箱等4个部分组成。图1.1电烤箱温度控制系统方框图电烤箱温度控制实现过程是:首先温度传感器将电烤箱的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-200PLC可识别的数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使电烤箱开始加热或停止加热，既电烤箱温度控制得到实现。其中PLC主控系统为电烤箱温度控制系统的核心部分起着重要作用。1.3技术综述自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国的技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。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，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。温度控制系统大致可分别用3种方式实现，一种是用仪器仪表来控制温度，这种方法控制的精度不高。另一种是基于单片机进行PID控制，然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,而PLC在这方面却是公认的最佳选择。随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能。因此本设计选用西门子S7-200PLC来控制电烤箱的温度。本章小结：本章从总体上介绍了本设计的设计背景以及系统的工作原理，并且简单介绍了目前国内外本领域的技术水平。第二章系统设计2.1闭环控制系统特点控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统(Open-loopControlSystem)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响，在这种控制系统中,不依赖将被控制量反送回来以形成任何闭环回路。闭环控制系统(Closed-loopControlSystem)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈(NegativeFeedback)；若极性相同，则称为正反馈。一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。可见，闭环控制系统性能远优于开环控制系统。2.2PID控制原理2.2.1PID控制器基本概念在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数选定比较简单，调整方便等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（如可为PI调节，PD调节等）。长期以来，PID控制器被广大科技人员及现场操作人员所采用，并积累了大量的经验。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时、控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合采用PID控制技术。（1）比例（P）控制比例控制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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。（2）积分（I）控制在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的运算取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，采用比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分（D）控制在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大的惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决