[信息與通信]爐窯溫度控制系統(tǒng)設計 PLC課程設計 21

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1、 貴州大學PLC課程設計 PLC課程設計 設計題目： 爐窯溫度控制系統(tǒng)設計 學 院： 職業(yè)技術學院 專 業(yè)： 自動化 班 級： 081班 學 號： 082002110467 學生姓名： 陳井朋 指導教師： 王世蓉 2011年6月 15日

2、 前言 可編程控制器是60年代末在美國首先出現(xiàn)的，當時叫可編程邏輯控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用來取代繼電器。以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。提出PLC概念的是美國通用汽車公司。PLC的基本設計思想是把計算機功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結合起來，控制器的硬件是標準的、通用的。根據(jù)實際應用對象，將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內(nèi),使控制器和被控對象連接方便。 　　 70年代中期以后，PLC已廣泛地使用微處理器作

3、為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的PLC已不再是僅有邏輯(Logic)判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。國際電工委員會(IEC)頒布的可編程控制器標準草案中對可編程控制器作了如下的定義：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外圍設備，易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的設計。 　　 可編程控制器

4、對用戶來說，是一種無觸點設備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的普及推廣應用。 　　可編程控制器是面向用戶的專用工業(yè)控制計算機，具有許多明顯的特點。 　　 ①可靠性高，抗干擾能力強； 　　 ②編程直觀、簡單； 　　 ③適應性好； 　　 ④功能完善，接口功能強。 從20世紀20年代起，人們把各種繼電器、定時器、接觸器及其觸點按一定的邏輯關系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機械，這就是大家熟悉的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。到20世紀60年代，小型計算機的發(fā)展仍未能滿足人們所需要的要求。1968年美國通用汽車公司招標，對新的汽車流水線控制系

5、統(tǒng)提出具體要求。隨著PLC功能的不斷完善，性價比的不斷提高，PLC的應用面也越來越廣。目前，PLC在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。PLC的應用范圍通?？煞譃殚_關邏輯控制、運動控制、過程控制、機械加工中的數(shù)字控制、機器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等。PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結構上基本相同。無論是整體式還是模塊式，從硬件結構看，PLC都是由CPU、存儲器、I/O接口單元及擴展接口和擴展部件、外設接口及外設和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。 關鍵詞：恒溫養(yǎng)護爐溫度控制；PID算法；PLC編

6、程； 目錄 緒論 第一章 爐窯溫度控制系統(tǒng)設計的內(nèi)容及要求················· 第一章 系統(tǒng)硬件設計………………………………………………… 2.1 選取PLC的類型及容量……………………………………. 2.2 溫度傳感器的選擇…………………………………………. 2.3 控制開關及電動機的選擇……………………………….. 第二章 I/O地址的分配…………………………………………… 3.1 I/O地址的簡介…………………………………………… 3.2 系統(tǒng)各元件對應的I/O地址……………………………..

7、 第三章 軟件系統(tǒng)的設計…………………………………………. 4.1 S7—200軟件的介紹............................. 4.2 系統(tǒng)PID算法及流程圖......................... 4.2.1 PID算法的簡介………………………………………. 4.2.2 PID算法的數(shù)字化處理………………………………. 4.2.3 程序流程圖……………………………………………. 4.3 主程序清單…………………………………………………. 4.4 程序編輯和調(diào)試……………………………………………. 第四章 總結……………………………………………

8、…………….. 參考文獻…………………………………………………………………. 緒論 人類社會已經(jīng)進入了工業(yè)高度發(fā)達的時代，現(xiàn)在我們對各種工業(yè)產(chǎn)品的要求已經(jīng)從原來的量向質(zhì)轉變，對各種工業(yè)產(chǎn)品的要求越來越高，因此，對各種生產(chǎn)設備及過程控制的要求也越來越嚴格，對各種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的要求也越來越高。 在當今的工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種常見的過程變化量。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。溫度控制系統(tǒng)是比較常見的，是典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中重要的被控制參數(shù)之一，冶金、機械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐，對工業(yè)的處理溫度等均需

9、要對溫度進行嚴格控制。這方面的應用大多基于單片機進行PID控制，然而單片機的DDC系統(tǒng)軟件硬件設計較為復雜，特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處，但PLC在這方面卻是公認的最佳選擇。 在恒溫養(yǎng)護爐的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，爐窖內(nèi)的溫度控制是一個非常重要的環(huán)節(jié)，因此對溫度的控制要求也很嚴格，它不能低于或高于生產(chǎn)設備正常工作的溫度值太多。養(yǎng)護爐內(nèi)溫度控制需要通過對氣流量的控制來實現(xiàn)，必須對爐內(nèi)溫度的升溫、恒溫和降溫進行精確的控制，對爐內(nèi)溫度的控制的好壞直接關系到生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率和廠家的生產(chǎn)成本以及安全。 本文針對養(yǎng)護爐內(nèi)恒溫過程，在PID調(diào)節(jié)方法中，采用西門子S7-200 PLC，實現(xiàn)了養(yǎng)護爐

10、溫度精確控制的效果。 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，常常需要用閉環(huán)控制方法來控制溫度、壓力、流量和液位連續(xù)變化的量。PID調(diào)節(jié)是經(jīng)典控制理論中最典型的用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法。 本設計通過結合PID算法，運用S7—200軟件以及以前所學的知識，經(jīng)過對任務的分析，設計，編程，調(diào)試來完成。 第一章 爐窯溫度控制系統(tǒng)設計的內(nèi)容及要求 1.1 任務描述 某恒溫養(yǎng)護爐根據(jù)工藝控制要求，需要對養(yǎng)護爐窯內(nèi)的溫度進行嚴格的控制，爐窯溫度控制系統(tǒng)的示意圖如圖1 所示，圖中有兩個爐窯，分別設置有啟動、停止和急停的按鈕開關，同時還設有總啟動和總停止按鈕。要

11、求設計滿足下述控制要求的程序。 1.2 控制要求 （1）系統(tǒng)總的控制過程 按下總啟動按鈕后，允許兩個爐窯按照各自的控制要求運行，如果按下總停止按鈕，則禁止系統(tǒng)運行。 （2）每個爐窯具體的控制要求如下： ①按下啟動按鈕，啟動風機電機，使爐窯內(nèi)的熱氣流循環(huán)； ②打開進氣閥，使熱氣流（蒸汽）進入爐窯； ③經(jīng)過一定時間的恒溫控制（如10h），關閉進氣閥。 ④打開排氣閥，排出熱氣流； ⑤按下停止按鈕，則關閉風機，延時10s后關閉排氣閥； ⑥按下急停按鈕，禁止各窯輸出控制（即關閉風機電機、排氣閥、進氣閥）； ⑦每個

12、爐窯的進氣閥只有在總進氣閥打開5s后才能打開； ⑧只要一個爐窯的進氣閥需要排氣，就要打開總排氣閥； ⑨每個爐窯通過一只熱敏電阻進行溫度檢測。 （3） 系統(tǒng)組成總體結構 根據(jù)本次設計系統(tǒng)具體指標要求，可以對每一個具體部分進行分析設計。整個控制系統(tǒng)分為硬件設計和軟件設計兩部分。 系統(tǒng)硬件框圖如下圖所示： 整個控制系統(tǒng)是一個相對聯(lián)系的結合體，但是又可以分開討論。 當被控對象為爐內(nèi)溫度，溫度傳感器檢測爐內(nèi)的溫度信號，經(jīng)變送器將溫度值轉換成電信號送入PLC模塊。PLC將這個測量信號與設定值比較得到偏差，經(jīng)PID運算后，發(fā)出控制信號，經(jīng)電動調(diào)節(jié)閥的控制，達到溫度的恒溫控制,

13、下面為溫度控制流程圖： 爐窯溫度采集 比較 判斷 PID算法 輸出控制 N Y 圖3.1爐窯溫度控制系統(tǒng)流程圖 高爐煤氣流量采集 比較 判斷 PID算法 輸出控制 N Y 圖3.2高爐煤氣流量控制系統(tǒng)流程圖 燃燒空氣流量采集 比較 判斷 PID算法 輸出控制 N Y 圖3.3燃燒空氣流量控制系統(tǒng)流程圖 冷卻空氣流量采集 比較 判斷 PID算法 輸出控制 N Y 圖3.4冷卻空氣控制系統(tǒng)流程圖 皮帶秤石料采集 比較 判斷 PID算法 輸出控制 N Y 圖3.5皮帶秤控制系

14、統(tǒng)流程圖 流程圖是流經(jīng)一個系統(tǒng)的信息流、觀點流或部件流的圖形代表。在企業(yè)中，流程圖主要用來說明某一過程。這種過程既可以是生產(chǎn)線上的工藝流程，也可以是完成一項任務必需的管理過程。 流程圖作為一種直觀的圖形，對準確了解事情是如何進行的，以及決定應如何改進過程極有幫助。畫出正確的流程圖不僅可以幫我們直觀的分析設計的過程，也能讓我們更清楚明了的看見控制系統(tǒng)運作方向。 爐窯溫度控制系統(tǒng)流程圖如下所示： 可控閥門 石灰窯爐 溫度傳感 器 給定溫度 S7-200PLC CPU運算處理 變送器 圖3.6 溫度系統(tǒng)硬件框圖 可控閥門 煤氣輸送管道 煤氣流量傳感器 給

15、定流量 S7-200PLC CPU運算處理 變送器 圖3.7 高爐煤氣系統(tǒng)硬件框圖 可控閥門 燃燒空氣輸送管道 燃燒空氣流量傳感器 給定流量 S7-200PLC CPU運算處理 變送器 圖3.8燃燒空氣系統(tǒng)硬件框圖 可控閥門 冷卻空氣輸送管道 冷卻空氣傳感器 給定流量 S7-200PLC CPU運算處理 變送器 圖3.9 冷卻空氣系統(tǒng)硬件框圖 可控閥門 上料皮帶 皮帶秤傳感器 給定值 S7-200PLC CPU運算處理 變送器 圖3.10 皮帶秤系統(tǒng)硬件框圖 1.3 爐窯內(nèi)的溫度控制 爐窯內(nèi)的溫度

16、控制通常采用模糊控制算法或PID算法。本設計要求采用PID 算法，每個爐窯的進氣閥采用電動閥（模擬量輸出），通過調(diào)節(jié)電動閥門的開度來調(diào)節(jié)蒸汽進氣量，完成恒溫控制。 第二章 系統(tǒng)硬件設計 2.1 選取PLC的類型及容量 S7-200 系列 PLC 是由德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能夠滿足多種自動化控制的需求，其設計緊湊，價格低廉，并且具有良好的可擴展性以及強大的指令功能，可代替繼電器在簡單的控制場合，也可以用于復雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強的通信功能，在大型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。 S7-200系列可以根據(jù)對象的不同, 可以選用不同的型號和不同數(shù)量

17、的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機架上。 控制核心采用西門子PLC的CPU224，提供數(shù)字量輸入點數(shù)14點，數(shù)字量輸出點數(shù)10點(提供給擴展單元DC5V電流能力為660mA)，完全滿足系統(tǒng)的數(shù)字量和開關量輸入輸出點數(shù)的要求。CPU224本身不具備模擬量輸入和輸出單元， SiemensS7-200 主要功能模塊介紹： (1)CPU 模塊S7-200的CPU 模塊包括一個中央處理單元,電源以及數(shù)字I/O 點,這些都被集成在一個緊湊,獨立的設備中。CPU 負責執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)場設備中采集信號,輸出部分則輸出控制信號,驅動外部負載.從 CPU 模塊的功能來看, CPU 模塊為CPU22

18、*,它具有如下五種不同的結構配置CPU 單元：①CPU221 它有 6 輸入/4 輸出,I/0 共計 10 點.無擴展能力,程序和數(shù)據(jù)存 儲容量較小,有一定的高速計數(shù)處理能力,非常適合于少點數(shù)的控制系統(tǒng)。②CPU222 它有8 輸入/6 輸出，I/0 共計 14 點，和 CPU 221 相比,它可以進行一定的模擬量控制和2個模塊的擴展,因此是應用更廣泛的全功能控制器。③CPU224 它有 14 輸入/10 輸出，I/0 共計 24 點，和前兩者相比,存儲容量 擴大了一倍,它可以有 7 個擴展模塊,有內(nèi)置時鐘,它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力,是使用得最多 S7-200 產(chǎn)品。④CPU226

19、 它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計 40 點,和 CPU224 相比,增加了 通信口的數(shù)量,通信能力大大增強。它可用于點數(shù)較多,要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。⑤CPU226XM 它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進行了擴展,其他指標和 CPU226相同。 (2)開關量 I/O 擴展模塊 當 CPU 的 I/0 點數(shù)不夠用或需要進行特殊功能的控制時,就要進行 I/O 擴 展,I/O 擴展包括 I/O 點數(shù)的擴展和功能模塊的擴展。通常開關量 I/O 模塊產(chǎn)品 分 3 種類型:輸入模塊,輸出模塊以及輸入/輸出模塊。為了保證 PLC 的工作可 靠性,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術措

20、施。如光電隔離,輸入保護(浪 涌吸收器,旁路二極管,限流電阻),高頻濾波,輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。由于 PLC 要控制的對象有多種,因此輸出模塊也應根據(jù)負載進行選擇,有直流輸出模塊, 交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開關器件種類不同又分為 3 種：繼電 器輸出型,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中,從輸出響應速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中；若從 與外部電路安全隔離角度看,繼電器輸出型最好。在實際使用時，亦應仔細查看開關量 I/O 模塊的技術特性，按照實際情況進行選擇。 由于本系統(tǒng)是單回路的反饋系統(tǒng)，CPU224XP相比與其他型號具有更好的硬件指

21、標，其上自帶有模擬量的輸入和輸出通道，因此節(jié)省了元器件的成本，CPU224XP自帶的模擬量I/O規(guī)格如表： 表2.1模擬量I/O配置表 I/O信號 信號類型 電壓信號 電流信號 模擬量輸入*2 ±10V / 模擬量輸出 0~10V 0~20mA CPU224XP自帶的模擬量輸入通道有2個，模擬量輸出通道1個。 在S7-200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號的數(shù)值范圍是0~32000，雙極性模擬信號的數(shù)值范圍是-32000~+32000 2.2 溫度傳感器的選擇 在此設計中, 爐窯窯頂安裝兩個熱電偶傳感器進行爐內(nèi)溫度采集。按照測溫的范圍，選擇熱電偶傳感器。熱電偶傳

22、感器的測量范圍為-50℃~1600℃，精度為±（1%~5%）。1號爐和2號爐的溫度分別由兩個熱敏電阻傳感器進行采集。按照測溫的范圍，選擇熱敏電阻傳感器。 熱敏電阻：由具有很高電阻溫度系數(shù)的固體半導體材料構成的熱敏類型的溫度檢測元件。熱敏電阻器是敏感元件的一類，按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時電阻值越大，負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時電阻值越低，它們同屬于半導體器件。熱電偶溫度傳感器的工作原理：兩種不同的金屬A和B構成閉合回路

23、,當兩個接觸端T﹥ T0時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應, 該電動勢稱為熱電勢。這兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為熱電偶，導體A、B稱為熱電極。 兩個接點，一個稱熱端，又稱測量端或工作端，測溫時將它置于被測介質(zhì)中;另一個稱冷端，又稱參考端或自由端，它通過導線與顯示儀表相連。 圖 2.2 熱電偶 流量傳感器是對進入養(yǎng)護爐空氣流量的檢測部件，在此論文中選擇法蘭式V錐流量傳感器FFM61S。 工作原理：V錐流量計是由V錐傳感器和差壓變送器組合而成的一種差壓流量計，可精確測量寬雷諾數(shù)（8×103≤Re≤5×10

24、7）范圍內(nèi)各種介質(zhì)的流量。 其測量理論是：由于實際流體都具有粘性，不是理想流體，當其在管道中流動時，在充分發(fā)展管內(nèi)流動的前提下，具有層流和紊流兩種流動狀態(tài)。根據(jù)連續(xù)流動的流體能量守恒原理和伯努力方程：對于以層流狀態(tài)流動的流體，其流速分布是以管道中心線為對稱的一個拋物面，流體通過一定管道的壓力降與流量成正比；對于紊流狀態(tài)流動的流體，其流速分布是以管道中心線為對稱的一個指數(shù)曲面，流體通過一定管道的壓力降與流量的平方成正比。 2.3 控制開關及電動機的選擇 電動調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動化過程控制中的重要執(zhí)行單元儀表。隨著工業(yè)領域的自動化程度越來越高正被越來越多的應用在各種工業(yè)生產(chǎn)林宇中。

25、與傳統(tǒng)的氣動調(diào)節(jié)閥相比具有明顯的優(yōu)點，節(jié)電，環(huán)保，安裝便捷。 可控閥門是對進出爐窯內(nèi)空氣流量的控制部件，在此論文中選擇電動調(diào)節(jié)閥。 風機電動機的額定功率22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉速1450rpm。電機使氣流在爐窯內(nèi)循環(huán)，因此應該考慮其功率和電流的大小，所以選擇YC YCL系列的電動機。 第三章 I/O地址的分配 3.1 I/O地址的簡介 輸入/輸出信號在PLC接線端子上的地址分配是進行PLC控制系統(tǒng)設計的基礎。對軟件來說，I/O地址分配以后才可進行編程；對控制柜及PLC的外圍接線來說，只有I/O地址確定以后，才可

26、以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配人員根據(jù)線路圖和安裝圖安裝控制柜。 3.2 系統(tǒng)各元件對應的I/O地址 根據(jù)設計任務書所給資料和設計任務要求，現(xiàn)把各元器件對應的I/O地址列在下表： I/O地址分配表 名稱 代碼 地址編號 名稱 代碼 地址編號 總啟動按鈕 SF1 I0.0 二號進氣閥 - AIW1 總停止按鈕 SF2 I0.1 一號排氣閥 - AQW0 一號爐急停 SF3 I0.2 二號排氣閥 - AQW1

27、 二號爐急停 SF4 I0.3 總進氣閥 - AIW2 風機一啟動 SF5 I0.4 總排氣閥 - AQW2 風機二啟動 SF6 I0.5 風機一 MB1 Q0.0 風機一停止 SF7 I0.6 風機二 MB2 Q0.1 風機二停止 SF8 I0.7 一號爐 MB3 Q0.2 一號進氣閥 - AIW0 二號爐 MB4 Q0.3 第四章 軟件系統(tǒng)的設計 4.1 S7—200軟件的介紹 S7—200 PLC編程軟件是由西門子公司專為S7-200系列PLC設計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，例

28、如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單語法檢查功能。同時它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設置PLC的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控等。 程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯誤。梯形圖中的錯誤處的下方自動加紅色曲線，語句表中錯誤行前有紅色叉，且錯誤處的下方加紅色曲線。 軟件功能的實現(xiàn)可以在聯(lián)機工作方式（在線方式）下進行，部分功能的實現(xiàn)也可以在離線工作方式下進行。 聯(lián)機方式：有編程軟件的計算機與PLC 連接，此時允許兩者之間做直接通信。 離線方式：有編程軟件的計算機與PLC 斷開連接，此時能完成

29、大部分基本功能。如編程、編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等，但所有的程序和參數(shù)都只能存放在計算機上。 兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機方式下可直接針對相連的PLC進行操作，如上載和下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等；而離線方式下不直接與PLC 聯(lián)系，所有程序和參數(shù)都暫時存放在磁盤上，等聯(lián)機后在下載到PLC 中。 4.2 系統(tǒng)PID算法及流程圖 4.2.1 PID算法的簡介 在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)

30、不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的。 比例（P）控制：比例控制是一種最簡單,最常用的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出

31、與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的

32、調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 4.2.2 PID算

33、法的數(shù)字化處理 為了能讓數(shù)字計算機處理這個控制式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值，數(shù)字計算機處理的算式如下： Mn =Kc*en +Ki*∑ex+Mintial+Kd*(en-en-1) 輸出=比例項+積分項+微分項 其中：Mn 在采樣時刻n，PID回路輸出的計算值 Kc PID回路增益 en 采樣時刻n回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的前一個值 ex 采樣時刻x的回路偏差值 Ki 積分項的比例常數(shù) Mintial 回路輸出

34、的初始值 Kd 微分項的比例常數(shù) 從這個公式可以看出，積分項是從第一個采樣周期到當前采樣周期所有誤差項的函數(shù)，微分項是當前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項是當前采樣的函數(shù)，在數(shù)字計算機中，不保存所有的誤差項，實際上也不必要。 其中：MIn 第n采樣時刻積分項的值由于計算機從第一次采樣開始，每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，只要保存偏差前值和積分項前值。作為數(shù)字計算機解決的重復性的結果，可以得到在任何采樣時刻必須計算的方程的一個簡化算式。簡化算式是： Mn =Kc*en +Ki*en +MX+Kd*(en-en-1) 輸出=比例項+積分項+微分項 其中：Mn

35、 在第n采樣時刻，PID回路輸出的計算值 Kc PID回路增益 en 采樣時刻n回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的起一個值 Ki 積分項的比例常數(shù) MX 積分項前值 Kd 微分項的比例常數(shù) CPU實際上使用以上簡化算式的改進形式計算PID輸出，這個改進型算式是： Mn =MPn +MIn +MDn 輸出=比例項+積分項+微分項 其中：Mn 第n采樣時刻的計算值 MPn 第n采樣時刻的比例項值 Min 第n采樣時刻的積分項值 MDn 第n采樣時刻的微分項值 比例項MP是增益（

36、Kc）和偏差（e）的乘積。其中Kc決定輸出對偏差的靈敏度，偏差（e）是給定值（SP）與過程變量值（PV）之差，S7-200解決的求比例項的算式是： MPn=Kc*（SPn-PVn） 其中：MPn 第n采樣時刻比例項的值 Kc 增益 SPn 第n采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值 積分項值MI與偏差和成正比。S7-200解決的求積分的算式是： MIn=Kc*Ts/Ti*(SPn-PVn)+MX Kc 增益 Ts 采樣時間間隔 Ti 積分時間 SPn 第n采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時

37、刻的過程變量的值 MX 第n-1采樣時刻積分項（積分項前值） 積分和（MX）是所有積分項前值之和，在每次計算出MIn后，都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被調(diào)整或限制，MX的處置通常在第一次計算輸出以前被設為Minitial（初值）。積分項還包括其他幾個常數(shù)：增益（Kc），采樣時間（Ts）和積分時間（Ti）。其中采樣時間是重新計算輸出的時間間隔，而積分時間控制積分項在整個輸出結果中影響的大小。 微分項值Md與偏差的變化成正比，S7-200使用下列算式來求解微分項： Mdn=Kc*Td/Ts*((SPn-PVn)-(SPn-1-PVn-1)) 為了避免給定值變化的微分作用

38、而引起的跳變，假定給定值不變SPn=SPn-1，這樣可以用過程變量的變化替代偏差的變化，計算算式可改進為： Mdn=Kc*Td/Ts*(SPn-PVn-SPn+PVn-1) 或 Mdn=Kc*Td/Ts*(PVn-1+PVn) 其中：Mdn 第n采樣時刻的微分項值 Kc 回路增益 Ts 回路采樣時間 Td 微分時間 SPn 第n采樣時刻的給定值 SPn-1 第n-1采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值 PVn-1 第n-1采樣時刻的過程變量的值 為了下一次計算微分項值，必須保存過程

39、變量，而不是偏差，在第一采樣時刻，初始化為PVn-1=PVn。 在許多控制系統(tǒng)中，只需要一兩種回路控制類型。例如只需要比例回路或者比例積分回路，通過設置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類型。 如果不想要積分動作（PID計算中沒有“I”），可以吧積分時間（復位）置為無窮大“INF”。即使沒有積分作用，積分項還是不為零，因為有初值MX。 如果不想要微分回路，可以把微分時間置為零。 如果不想要比例回路，但需要積分或積分微分回路，可以把增益設為0.0，系統(tǒng)會在計算積分項和微分項時，把增益當做1.0看待。 本系統(tǒng)設計采用PID算法閉環(huán)控制系統(tǒng)程序，優(yōu)點是: PID算法蘊涵了動態(tài)控制過程中過去、

40、現(xiàn)在、將來的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。PID控制適應性好，有較強的魯棒性，對各種工業(yè)應用場合，都可在不同的程度上應用。PID算法簡單明了，各個控制參數(shù)相對較為獨立，參數(shù)的選定較為簡單，形成了完整的設計和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術人員所掌握。PID控制根據(jù)不同的要求，針對自身的缺陷進行了不少改進，形成了一系列改進的PID算法。 4.4 程序編輯和調(diào)試 子程序注釋

41、 第五章 總結 通過本學期我的課程設計，是我們對大大三學習的一次總結，它是教學計劃中學生必修的最后一個教學環(huán)節(jié)，是教學、科研、工程實踐結合的重要結合點。它的主要目的是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識和技能去分析和解決本專業(yè)范圍內(nèi)的一般工程技術問題，建立正確的設計思想，掌握工程設計的一般程序和方法。通過課程設計，進行工程知識和工程技能的綜合訓練，使我們一走上工作崗位，就具有較強的應用生產(chǎn)現(xiàn)場正在使用和近期可能推廣使用的技術去解決工程實際問題的能力。 在課程設計中，我是采用PLC來實現(xiàn)爐窖溫度控制系統(tǒng)控制，這次課程設計我根據(jù)設計要求考慮許

42、多工程實際問題，并根據(jù)設計要求選擇PLC型號、以及其它元件、設計程序等讓我把以前學過的知識真正的應用了溫度控制系統(tǒng)西門子PLC S7-200為核心控制爐窖。 本次設計基本上達到了設計目的,利用PLC實現(xiàn)了對的各種控制，通過合理的設備選型、參數(shù)設置和軟件設計，提高了爐窖運行的可靠性，改善了爐窖運行的舒適感。經(jīng)過這次設計得到了如下幾點感想： 1）由于本次設計采用的是西門子PLC，對其有了一定的了解后才明白為何國內(nèi)這么多企業(yè)為何要不約而同的選擇西門子PLC。采用功能強、安全系數(shù)高的德國SIEMENS SIMATIC S7-200可編程控制器完全企業(yè)的設備所需的控制要求。還有西門子最大的優(yōu)點就

43、是穩(wěn)定性好、安全系數(shù)高，常?？梢詿o故障工作好幾年，而且就算是哪里壞了也只要換其中的一個模塊，既方便又經(jīng)濟。 2）實踐結果證明, PLC 爐窖溫溫度控制系統(tǒng)是一種切實可行、運行可靠的控制系統(tǒng)。利用現(xiàn)場總線方式進行微機監(jiān)控是一種比較先進的方式，也是今后發(fā)展的趨勢之一，具有廣闊的應用前景。 通過設計，我學到不少東西，基本上使我以前所學的相關專業(yè)知識結合起來，讓我對大學三年以來的學業(yè)有了一個完整的綜合，但還需做進一步的研究。另外，我的知識領域得到進一步擴展，專業(yè)技能得到進一步提高，同時增強了分析和解決工程實際的綜合能力，以其控制的先進性、快速性、準確性和可靠性亦是溫度控制的發(fā)展潮流。 本文介

44、紹了一種利用S7-200型PLC的PID控制技術來實現(xiàn)砌塊養(yǎng)護窯的自動控制系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的硬件配置以及軟件設計流程圖，并介紹了編程中的關鍵問題。該控制系統(tǒng)提高了砌塊的生產(chǎn)周期和質(zhì)量，創(chuàng)新了"強制式熱交換、使窯內(nèi)溫度場、濕度場、壓力場、速度場、聲能場分布均勻，使水泥制品水化反應具備良好條件，提高水泥砌塊等制品密實度和彈性模量，相應地提高了砌塊的抗壓強度、抗凍性能、抗?jié)B透性能，減少相對含水率，有效地解決了砌塊建筑存在的熱、裂、滲等難題。 該控制系統(tǒng)實用性強，可靠性高，以一臺PLC控制2個養(yǎng)護窯為例，用戶也可根據(jù)控制需要，對系統(tǒng)的I/O模塊進行擴展，控制多個養(yǎng)護窯。所以，系統(tǒng)的可擴展

45、性強,但有很多還比較模糊，以后還要多加努力學習，在此多謝老師 參考文獻 范永勝 王岷 主編 電氣控制PLC應用 中國電力出版社 張鳳珊．電氣控制及可編程序控制器（第二版）．北京：中國輕工業(yè)出版社，1999.4． 袁任光．可編程序控制器選用手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2002.7． 何友華．可編程序控制器及常用控制電器[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1999.9． 吳麗 主編 電氣控制與PLC實用教程 黃河水利出版社 廖常初 主編 FX系列PLC編程及應用 機械工業(yè)出版社 盧金鼎等．機電一體化技術[M]．北京：中國輕工業(yè)出版社，1996.5． 宮淑貞，王冬青，徐世許．可編程序控制器原理及應用[M]．北京：人民郵電出版社．2002.7． 謝克明，夏路易．可編程序控制器原理與程序設計[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002.8． 何衍慶，戴自祥，俞金壽．可編程序控制器原理及應用技巧（第二版）[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2003.4． 齊占慶．機床電氣控制技術[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1993.5