基于PLC加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計

基于PLC加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計,基于,plc,加熱爐,溫度,控制系統(tǒng),設計 龍巖學院 畢業(yè)設計 題目：基于PLC加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計 專業(yè)：　電子信息工程 　　　 學號： 　　 　 作者：　 　 指導教師(職稱)： 二0 一五 年 一 月 十九 日 基于PLC加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計 【摘　要】溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。加熱爐的溫度控制系統(tǒng)具有較大的容量滯后，采用單回路控制往往會出現(xiàn)較大的動態(tài)偏差，很難達到好的控制效果，為提高系統(tǒng)對負荷變化較大或其他擾動比較劇烈時的控制質(zhì)量，采用基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)來提高加熱爐的燃燒效率。可編程序控制器（PLC）是一種新型的通用的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，是功能加強、編程簡單、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點。PLC的應用領域已經(jīng)拓寬到了各個領域，PLC的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。在傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。PLC最基本最廣泛的用于開關量的邏輯控制，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制，順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機，印刷機，訂書機，組合搶答器，磨床，包裝等。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵，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)，使用廣泛。 本設計將以PLC為核心設計了系統(tǒng)結構圖、程序指令、梯形圖以及輸入輸出端子的分配方案，在保留了原始加熱爐溫度控制系統(tǒng)的基本功能的同時又增加了一系列的實用功能并簡化其電路結構，其將以控制方便，靈活，只要改變輸入PLC的控制程序，就能夠實現(xiàn)對加熱爐溫度的控制。 ? 【關鍵詞】 加熱爐溫度控制系統(tǒng) 可編程控制器 燃燒效率 System design of heating furnace temperature control based on PLC 【Abstract】: Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. This article is mainly of the PLC manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic .The principle, technical pare-maters, transmiting system and main parts structure of mincing ma-chine were introduced.The PLC was analysed.Keywords Mincing machine Holds plate Cutting blade Transfer auger 【Keywords】：pneumatic manipulator PLC pneumatic loop Four degrees of freedom. 目錄 第一章、緒論 5 1.1 本課題的發(fā)展概況 6 1.2 加熱爐溫控系統(tǒng)的實現(xiàn)過程概述 6 1.3 本課題研究的內(nèi)容和意義 7 1.4 PLC簡介 7 1.4.1 PLC的定義 9 1.4.2 PLC的基礎知識 11 1.4.3 PLC的用途 12 1.5 PLC的組成 13 1.5.1中央處理單元 13 1.5.2存儲器 15 1.5.3輸入輸出單元 15 1.5.4通訊接口 16 1.5.5智能接口模塊 16 1.5.6編程裝置 16 1.5.7電源 16 第二章、加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體方案與PID算法的設計 17 2.1 總體方案的設計 17 2.1.1硬件模塊的設計 17 2.1.2軟件模塊的設計 17 2.2 PID控制算法的介紹 17 2.2.1 PID控制算法的設計 17 2.2.2 PID控制器參數(shù)的整定 17 第三章、加熱爐溫度控制系統(tǒng)的PLC設計 17 3.1 輸入輸出點分配 18 3.2 PLC的選擇 19 3.3 加熱爐溫度控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)接線圖 20 3.4 加熱爐溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖的確定 20 3.5 加熱爐溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)圖的確定 20 第四章、加熱爐溫度控制系統(tǒng)PLC控制程序 21 4.1西門子S7-200的介紹 22 4.2加熱爐溫度控制系統(tǒng)西門子S7-200程序的實現(xiàn) 24 結論 25 致謝 26 參考文獻 27 第一章 緒論 1.1 本課題的發(fā)展概況 溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研以及日常生活等領域占有重要的地位。溫度控制系統(tǒng)是人類供熱、取暖的主要設備的驅動來源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。期間，從低級到高級，從簡單到復雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對溫度控制精度要求的不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術得到迅速發(fā)展。當前比較流行的溫度控制系統(tǒng)有基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC?的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機（IPC）的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）等。 ? 單片機的發(fā)展歷史雖不長，但它憑著體積小，成本低，功能強大和可靠性高等特點，已經(jīng)在許多領域得到了廣泛的應用。單片機已經(jīng)由開始的4位機發(fā)展到32位機，其性能進一步得到改善。基于單片機的溫度控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，工作精度高。但相對其他溫度系統(tǒng)而言，單片機響應速度慢、中斷源少，不利于在復雜的，高要求的系統(tǒng)中使用。 ? PLC是一種數(shù)字控制專用電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)與演算等功能，并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程序。PLC可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單，易于被工程人員掌握和使用，目前在工業(yè)領域上被廣泛應用。相對于IPC，DCS，F(xiàn)SC等系統(tǒng)而言，PLC是具有成本上的優(yōu)勢。因此，PLC占領著很大的市場份額，其前景也很有前途。 工控機（IPC）即工業(yè)用個人計算機。IPC的性能可靠、軟件豐富、價格低廉，應用日趨廣泛。它能夠適應多種工業(yè)惡劣環(huán)境，抗振動、抗高溫、防灰塵，防電磁輻射。過去工業(yè)鍋爐大多用人工結合常規(guī)儀表監(jiān)控，一般較難達到滿意的結果，原因是工業(yè)鍋爐的燃燒系統(tǒng)是一個多變量輸入的復雜系統(tǒng)。影響燃燒的因素十分復雜，較正確的數(shù)學模型不易建立，以經(jīng)典的PID為基礎的常規(guī)儀表控制，已很難達到最佳狀態(tài)。而計算機提供了諸如數(shù)字濾波，積分分離PID，選擇性PID。參數(shù)自整定等各種靈活算法，以及“模糊判斷”功能，是常規(guī)儀表和人力難以實現(xiàn)或無法實現(xiàn)的。在工業(yè)鍋爐溫度檢測控制系統(tǒng)中采用控機工可大大改善了對鍋爐的監(jiān)控品質(zhì)，提高了平均熱效率。但如果單獨采用工控機作為控制系統(tǒng)，又有易干擾和可靠性差的缺點。 ? 集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS）是一種功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系統(tǒng)。與常規(guī)儀表相比具有豐富的監(jiān)控、協(xié)調(diào)管理功能等特點。DCS的關鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性?；綝CS的溫度控制系統(tǒng)提供了生產(chǎn)的自動化水平和管理水平，能減少操作人員的勞動強度，有助于提高系統(tǒng)的效率。但DCS在設備配置上要求網(wǎng)絡、控制器、電源甚至模件等都為冗余結構，支持無擾切換和帶電插拔，由于設計上的高要求，導致DCS成本太高。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）綜合了數(shù)字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網(wǎng)絡技術和智能儀表等多種技術手段的系統(tǒng)。其優(yōu)勢在于網(wǎng)絡化、分散化控制?；诳偩€控制系統(tǒng)（FCS）的溫度控制系統(tǒng)具有高精度，高智能，便于管理等特點，F(xiàn)CS系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場化，能直接執(zhí)行傳感、控制、報警和計算功能。而且它可以對現(xiàn)場裝置(含變送器、執(zhí)行器等)進行遠程診斷、維護和組態(tài)，這是其他系統(tǒng)無法達到的。但是，F(xiàn)CS還沒有完全成熟，它才剛剛進入實用化的現(xiàn)階段，另一方面，目前現(xiàn)場總線的國際標準共有12種之多，這給FSC的廣泛應用添加了很大的阻力。各種溫度系統(tǒng)都有自己的優(yōu)缺點，用戶需要根據(jù)實際需要選擇系統(tǒng)配置，當然，在實際運用中，為了達到更好的控制系統(tǒng)，可以采取多個系統(tǒng)的集成，做到互補長短。 ? 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比有著較大差距。成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國外技術保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試確定。國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國、德國、瑞典等技術領先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 1.2 加熱爐溫控系統(tǒng)的實現(xiàn)過程概述 加熱爐溫的控制系統(tǒng)實現(xiàn)過程是：首先溫度傳感器將加熱爐的溫度轉化為電壓信號，PLC的擴展模塊EM235將送過來的電壓信號轉化為西門子S7-200PLC可識別的數(shù)字量，夾套溫度主給定量SV1與夾套溫度主反饋量PV1比較后得到誤差信號e1，然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行比較并經(jīng)過PID運算處理，輸出控制量OUT1作為副控制器的給定，并與內(nèi)膽溫度副反饋量PV0進行比較得到誤差信號e0，經(jīng)?？刂破鬟M行PID運算輸出控制量OUT0作為晶閘管調(diào)功器的輸入信號，來控制輸出電壓的變化，從而控制內(nèi)膽加熱器上電壓的高低，實時控制內(nèi)膽溫度副被控量和夾套溫度主被控量，構成雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，其結構如圖1所示。 1.3 本課題研究的內(nèi)容和意義 本論文主要是利用PLCS7-200作為可編程控制器，系統(tǒng)采用串級控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手動整定或自整定PID參數(shù)，實時計算控制量，控制加熱裝置，使加熱爐溫度為80℃左右，并能實現(xiàn)手動啟動和停止，運行指示燈監(jiān)控實時控制系統(tǒng)的運行，實時顯示當前內(nèi)膽溫度值與夾套溫度值。在保留了原始加熱爐溫度控制系統(tǒng)的基本功能的同時又增加了一系列的實用功能并簡化其電路結構，其將以控制方便，靈活，只要改變輸入PLC的控制程序，就能夠實現(xiàn)對加熱爐溫度的控制。 1.4 PLC簡介 1.4.1 PLC的定義 ? PLC即可編程控制器（Programmable?Logic?Controller），是指以計算機 技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International?? Electrical?Committee頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義;PLC英文全 稱Programmable?Logic?Controller，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是： 一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編 程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算 術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC是可編程邏輯控制電路，也是一種和硬件結合很緊密的語言，在半導體方面有很重要的應用，可以說有半導體的地方就有PLC。 PLC的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條 件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù) 據(jù)采集。在傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。PLC最基本 最廣泛的用于開關量的邏輯控制，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制， 順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑 機，印刷機，訂書機，搶答器，磨床，包裝等。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應 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)，使用廣泛。 隨著應用領域的日益擴大，PLC技術及其產(chǎn)品仍在繼續(xù)發(fā)展，主要朝著以下的方面發(fā)展。? 微型化、網(wǎng)絡化、開放性； ?2）智能模塊化； ?3）編程語言的標準化和高級化； 網(wǎng)絡通信功能標準化。 5.7PLC的選型及硬件配備 根據(jù)上述控制特點，采用小型PLC即可滿足功能要求。由于西門子S7-200 系列屬于小型PLC，其許多功能達到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC的一樣。特別是S7-2000PU22*系列PLC，由于它具有多種功能模塊和人機界面可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡?？捎锰菪螆D、語句表和功能圖三種語言來編程。且指令功能強，易于掌握、操作方便。近年來，S7-200PLC 已在工業(yè)各領域得到了廣泛的應用。S7-200?CPU22*系列PLC共有五種CPU模塊其各自的技術指標見表3.2。，由于存在模擬量輸入輸出，需要增加模擬量輸入輸出模塊，在西門子S7-200系列PLC中有專門的模擬量I/O擴展模塊。 1.4.2 PLC的用途 目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、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)，使用情況大致可歸納 為如下幾類。 1、開關量的邏輯控制 ? 這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控 制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。 如注塑。 2、模擬量控制 ? 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和 數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A 轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 3、運動控制 ? PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用16路的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、搶答器、機器人、電梯等場合。 4、過程控制 ? 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機， PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行16路的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 1.5 PLC的組成 PLC的硬件主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴展接口電源等部分組成。其中，CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場輸入/輸出設備與CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機等外設連接。 對于整體式PLC，所有部件都裝在同一機殼內(nèi)，其組成框圖如圖1所示；對于模塊式PLC，各部件獨立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機架或導軌上，其組成框圖如圖所示。無論是哪種結構類型的PLC，都可根據(jù)用戶需要進行配置與組合。 盡管整體式與模塊式PLC的結構不太一樣，但各部分的功能作用是相同的，下面對PLC主要組成各部分進行簡單介紹。 1.5.1中央處理單元（CPU） ? 同一般的微機一樣，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU 隨機型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如Z80、8086、80286等）、單片微處理器（如8031、8096等）和位片式微處理器(如AMD29W等) 。小型PLC大多采用8位通用微處理器和單片微處理器；中型PLC大多采用16位通用微處理器或單片微處理器；大型PLC大多采用高速位片式微處理器。 ? 目前，小型PLC為單CPU系統(tǒng)，而中、大型PLC則大多為雙CPU系統(tǒng)，甚至有些PLC中多達8 個CPU。對于雙CPU系統(tǒng)，一般一個為字處理器，一般采用8位或16位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設計制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能，監(jiān)視內(nèi)部定時器，監(jiān)視掃描時間，處理字節(jié)指令以及對系統(tǒng)總線和位處理器進行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實現(xiàn)PLC編程語言向機器語言的轉換。位處理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地滿足實時控制要求。 ? 在PLC中CPU按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進行工作，歸納起來主要有以下幾個方面： 1）接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。 2）診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。 3）通過輸入接口接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄有器或數(shù)據(jù)寄存器中。 4）從存儲器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過解釋后執(zhí)行。 5）根據(jù)執(zhí)行的結果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，通過輸出單元實現(xiàn)輸出控制。有些PLC還具有制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 1.5.2存儲器 存儲器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機存儲器RAM，另一種是只讀存儲器ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM。在PLC中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。 ? 系統(tǒng)程序是由PLC 的制造廠家編寫的，和PLC的硬件組成有關，完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調(diào)用管理、邏輯運算、通信及各種參數(shù)設定等功能，提供PLC運行的平臺。系統(tǒng)程序關系到PLC的性能，而且在PLC使用過程中不會變動，所以是由制造廠家直接固化在只讀存儲器ROM、PROM或EPROM中，用戶不能訪問和修改。編程裝置的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控PLC內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進行人機對話。它是開發(fā)、應用、維護PLC不可缺少的工具。編程裝置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機系統(tǒng)。專用編程器是由PLC廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些PLC產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存儲器接插口等部件組成。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。簡易型編程器只能聯(lián)機編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形圖程序轉化為指令表程序才能輸入。簡易編程器體積小、價格便宜，它可以直接插在PLC的編程插座上，或者用專用電纜與PLC相連，以方便編程和調(diào)試。有些簡易編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序，如三菱的FX-20P-E簡易編程器。智能編程器又稱圖形編程器，本質(zhì)上它是一臺專用便攜式計算機，如三菱的GP-80FX-E智能型編程器。它既可聯(lián)機編程，又可脫機編程?？芍苯虞斎牒途庉嬏菪螆D程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復雜。大多數(shù)智能編程器帶有磁盤驅動器，提供錄音機接口和打印機接口。 用戶程序是隨PLC的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應用程序。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于CMOS靜態(tài)RAM中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。為了防止干擾對RAM中程序的破壞，當用戶程序經(jīng)過運行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器EPROM中?，F(xiàn)在有許多PLC直接采用EEPROM作為用戶存儲器。工作數(shù)據(jù)是PLC運行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。存放在RAM中，以適應隨機存取的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲器中，設有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等邏輯器件的存儲區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設置和運行情況而確定的。根據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在掉電時用后備電池維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在掉電時可保存數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域稱為保持數(shù)據(jù)區(qū)。由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系，所以在PLC 產(chǎn)品樣本或使用手冊中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。當PLC提供的用戶存儲器容量不夠用，許多PLC還提供有存儲器擴展功能。 1.5.3輸入/輸出單元 ? 輸入/輸出單元通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件。 PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為PLC對被控制對象進行控制的依據(jù)；同時PLC又通過輸出接口將處理結果送給被控制對象，以實現(xiàn)控制目的。 由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而PLC內(nèi)部CPU的處理的信息只能是標準電平，所以I/O接口要實現(xiàn)這種轉換。I/O接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高PLC的抗干擾能力。另外，I/O接口上通常還有狀態(tài)指示，工作狀況直觀，便于維護。 PLC提供了多種操作電平和驅動能力的I/O接口，有各種各樣功能的I/O接口供用戶選用。I/O接口的主要類型有：數(shù)字量（開關量）輸入、數(shù)字量（開關量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。 常用的開關量輸入接口按其使用的電源不同有三種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交/直流輸入接口，其基本原理電路如圖3所示。 1.5.4通信接口 ? PLC配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。PLC通過這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機、其它PLC、計算機等設備實現(xiàn)通信。PLC與打印機連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打?。慌c監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其它PLC連接，可組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡，實現(xiàn)更大規(guī)?？刂?。 與計算機連接，可組成多級分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結合。 遠程I/O系統(tǒng)也必須配備相應的通信接口模塊。 1.5.5智能接口模塊 智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的CPU、系統(tǒng)程序、存儲器以及與PLC系統(tǒng)總線相連的接口。它作為PLC系統(tǒng)的一個模塊，通過總線與PLC相連，進行數(shù)據(jù)交換，并在PLC的協(xié)調(diào)管理下獨立地進行工作。 PLC的智能接口模塊種類很多，如：高速計數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。 1.5.6編程裝置 編程裝置的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控PLC內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進行人機對話。它是開發(fā)、應用、維護PLC不可缺少的工具。編程裝置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機系統(tǒng)。專用編程器是由PLC廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些PLC產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存儲器接插口等部件組成。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。 簡易型編程器只能聯(lián)機編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形圖程序轉化為指令表程序才能輸入。簡易編程器體積小、價格便宜，它可以直接插在PLC的編程插座上，或者用專用電纜與PLC相連，以方便編程和調(diào)試。有些簡易編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序，如三菱的FX-20P-E簡易編程器。 智能編程器又稱圖形編程器，本質(zhì)上它是一臺專用便攜式計算機，如三菱的GP-80FX-E智能型編程器。它既可聯(lián)機編程，又可脫機編程?？芍苯虞斎牒途庉嬏菪螆D程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復雜。大多數(shù)智能編程器帶有磁盤驅動器，提供錄音機接口和打印機接口。 專用編程器只能對指定廠家的幾種PLC進行編程，使用范圍有限，價格較高。同時，由于PLC產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，所以專用編程器的生命周期也十分有限。因此，現(xiàn)在的趨勢是使用以個人計算機為基礎的編程裝置，用戶只要購買PLC廠家提供的編程軟件和相應的硬件接口裝置。這樣，用戶只用較少的投資即可得到高性能的PLC程序開發(fā)系統(tǒng)。 基于個人計算機的程序開發(fā)系統(tǒng)功能強大。它既可以編制、修改PLC的梯形圖程序，又可以監(jiān)視系統(tǒng)運行、打印文件、系統(tǒng)仿真等。配上相應的軟件還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析等許多功能。 1.5.7電源 PLC配有開關電源，以供內(nèi)部電路使用。與普通電源相比，PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。對電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15% 的范圍內(nèi)波動。許多PLC還向外提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電。 第二章、加熱爐溫度控制系統(tǒng)總體方案與PID算法的設計 2.1 總體方案的設計 加熱爐溫度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)組成主要分為兩個部分，一個是硬件部分，另一個是軟件部分，硬件部分包括一些功能硬件組成。軟件部分主要是有PLC，以及一些相關的控制電路等等組成。 2.1.1硬件模塊的設計 加熱爐溫度控制系統(tǒng)主要有幾大部分構成，其硬件模塊基本構成有PLC主控系統(tǒng)部分、調(diào)功器、加熱爐、加熱器、啟動/停止開關按鈕、數(shù)顯表與溫度變送器五部分組成。 ? 硬件部分構成圖如下圖所示： 2.1.2軟件模塊的設計 軟件基本結構由主/副控器PID，控制對象溫度調(diào)功器、檢測元件溫度變送器等部分組成。其基本工作原理：首先計算出兩個控制器PID的有關參數(shù)，進行PID初始化，把夾套溫度變送器和內(nèi)膽溫度變送器傳送回來0~100mV的電壓信號通過模擬量輸入模塊EM235的A/D轉換變?yōu)?~32000的數(shù)字量，然后進行變換變?yōu)?~1的過程量形參，然后給定一個夾套溫度給定量SV和夾套溫度過程量PV1傳送給主控制器PID運算，得到的結果OUT1作為副控制器的給定量SV與內(nèi)膽溫度過程量PV0傳送給副控制器PID運算，得到的結果OUT0經(jīng)過標度變換和模擬量輸出模塊EM235的A/D轉換變?yōu)?~5V的控制信號傳送給溫度調(diào)功器，對爐內(nèi)加熱器進行控制，同時對內(nèi)膽溫度和夾套溫度進行檢測，形成雙閉環(huán)回路控制。 2.2 PID控制算法的介紹 工程實際中，應用最為廣泛調(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70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)控制主要技術之一。當被控對象結構和參數(shù)不能完全掌握，或不到精確數(shù)學模型時，控制理論其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器結構和參數(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﹐或不能有效測量手段來獲系統(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控制器就是系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。 2.2.1 PID控制算法的設計 PID控制算法廣泛應用于各種行業(yè)，通過對目標對象的模糊計算，通過合理取值，可以獲得較高的質(zhì)量數(shù)據(jù)。其閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如下： 控制點目前包含三種比較簡單的ＰＩＤ控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。這三種是最簡單的基本算法，各有其特點，一般能滿足控制的大部份要求： 1、PID增量式算法 離散化公式（注：各符號含義如下）： 　　 u(t)----- 控制器的輸出值。 　　 e(t)----- 控制器輸入與設定值之間的誤差。 　　 Kp------- 比例系數(shù)。 　　 Ti------- 積分時間常數(shù)。 　　 Td------- 微分時間常數(shù)。 　　 T-------- 調(diào)節(jié)周期。 2、積分分離法 離散化公式： 　　 Δu(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2) 　　 當|e(t)|≤β時 　　 q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T) 　　 q1 = -Kp(1+2Td/T) 　　 q2 = Kp Td /T 　　 當|e(t)|＞β時 　　 q0 = Kp(1+Td/T) 　　 q1 = -Kp(1+2Td/T) 　　 q2 = Kp Td /T 　　 u(t) = u(t-1) + Δu(t) 　　 注：各符號含義如下 　　 u(t)----- 控制器的輸出值。 　　 e(t)----- 控制器輸入與設定值之間的誤差。 　　 Kp------- 比例系數(shù)。 　　 Ti------- 積分時間常數(shù)。 　　 Td------- 微分時間常數(shù)。（有的地方用"Kd"表示） 　　 T-------- 調(diào)節(jié)周期。 　　 β------- 積分分離閾值 3、微分先行PID算法 離散化公式： u(t)----- 控制器的輸出值。 　　 e(t)----- 控制器輸入與設定值之間的誤差。 　　 Kp------- 比例系數(shù)。 　　 Ti------- 積分時間常數(shù)。 　　 Td------- 微分時間常數(shù)。（有的地方用"Kd"表示） 　　 T-------- 調(diào)節(jié)周期。 　　 β------- 積分分離閾值 PID控制：? 因為PI系統(tǒng)中的I的存在會使整個控制系統(tǒng)的響應速度受到影響，為了解決這個問題，我們在控制中增加了D微分項，微分項主要用來解決系統(tǒng)的響應速度問題，其完整的公式如下：?? u(t) = Kp*e(t) + Ki∑e(t) + Kd[e(t) – e(t-1)]+u0? 在PID的調(diào)試過程中，我們應注意以下步驟：? 1、 關閉I和D，也就是設為0.加大P，使其產(chǎn)生振蕩；? 2、 減小P，找到臨界振蕩點；? 3、 加大I，使其達到目標值；? 4、重新上電看超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時間是否吻合要求；? 5、 針對超調(diào)和振蕩的情況適當?shù)脑黾右恍┪⒎猪棧? 6、 注意所有調(diào)試均應在最大爭載的情況下調(diào)試，這樣才能保證調(diào)試完的結果可以在全工作范圍內(nèi)均有效； 2.2.1 PID控制器參數(shù)的整定 ??? PID控制器參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計核心內(nèi)容。它是被控過程特性確定PID控制器比例系數(shù)、積分時間和微分時間大小。PID控制器參數(shù)整定方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主依據(jù)系統(tǒng)數(shù)學模型，理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所到計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接控制系統(tǒng)試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是試驗，然后工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但采用哪一種方法所到控制器參數(shù)，都需要實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)一般采用是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)整定步驟如下：???? （1）首先預選擇一個足夠短采樣周期讓系統(tǒng)工作；???? （2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；???? （3）一定控制度下公式計算到PID控制器參數(shù)。? 第三章、加熱爐溫度控制系統(tǒng)的PLC設計 3. 1 輸入輸出點分配 加熱爐溫度控制系統(tǒng)的輸入輸出點的分配由以上條件可知，14個輸入點，12個輸出點，根據(jù)電壓的不同選用輸入有2個點的輸入模塊，分別為M0、i1、i2、i3;Q輸出有4個點的模塊分別為Q0、Q1、Q2、Q3等等。其具體地址分配表如下： 3. 2 PLC的選擇 根據(jù)課題要求，我們選擇西門子S7-200來實現(xiàn)加熱爐溫度控制系統(tǒng)。其因為邏輯回路簡單，易用，且能夠實現(xiàn)很多功能。 3.3 加熱爐溫度控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)接線圖 根據(jù)如上所述，畫出加熱爐溫度控制系統(tǒng)PLC控制接線圖如下圖 所示: 3.4 加熱爐溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖的確定 加熱爐溫的控制系統(tǒng)實現(xiàn)過程是：首先溫度傳感器將加熱爐的溫度轉化為電壓信號，PLC的擴展模塊EM235將送過來的電壓信號轉化為西門子S7-200PLC可識別的數(shù)字量，夾套溫度主給定量SV1與夾套溫度主反饋量PV1比較后得到誤差信號e1，然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行比較并經(jīng)過PID運算處理，輸出控制量OUT1作為副控制器的給定，并與內(nèi)膽溫度副反饋量PV0進行比較得到誤差信號e0，經(jīng)福控制器進行PID運算輸出控制量OUT0作為晶閘管調(diào)功器的輸入信號，來控制輸出電壓的變化，從而控制內(nèi)膽加熱器上電壓的高低，實時控制內(nèi)膽溫度副被控量和夾套溫度主被控量。其主程序流程圖如下： 3.5 加熱爐溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)圖的確定 根據(jù)如上所述，畫出加熱爐溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)框圖如下圖 所示: 第四章、加熱爐溫度控制系統(tǒng)PLC控制程序 4.1西門子S7-200的介紹 西門子公司推出的是S5系列PLC ； 2、1996年，西門子公司推出 S7-200/21X系列PLC ， 它有CPU212、 CPU214、 CPU215、 CPU216； 3、 1999年，西門子公司推出 S7-200/22X系列PLC ； 4、另外， 西門子公司推出了S7-300、S7-400等大型 PLC。 4.2加熱爐溫度控制系統(tǒng)西門子S7-200程序的實現(xiàn) 根據(jù)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的各個功能要點，利用西門子S7-200編制程序如下：該程序通過模塊化設計，能夠滿足加熱爐溫度控制系統(tǒng)的各個需求。 結 論 時間過得真快啊，轉眼間四年時間都過去了，在這四年中，我學到了許多專業(yè)知識，就拿這次的畢業(yè)設計來說吧，我查閱了《西門子PLCS7-200編程實例》，《PLC控制系統(tǒng)的設計》，使我充分掌握了加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計方法和步驟，更重要的復習所學專業(yè)的知識，以前總認為學這些專業(yè)知識沒用，那是我太天真了，當這次的畢業(yè)設計，它幫了我不少的忙，特別是《PLC控制系統(tǒng)的設計》這課對我的畢業(yè)設計幫助特別大，都怪上課沒認真聽講，導致做畢業(yè)設計時要問比我學的好的同學，通過這次做畢業(yè)設計讓我認識到學習不是個壞事，是為了自己的，還有學習這些知識精通的話對我們找個好工作有大大的幫助，總之我除了感謝我的老師和幫助過我的同學外更要感謝自己的。 致 謝 當我寫到這里的時候，我心里是別提有多么的開心，不管前面的對與錯，總之，我覺得自己做到這里已不錯了，感謝我的老師和幫助我的同學一起到圖書館查資料的那些同學們，要不是你們恐怕我現(xiàn)在真不知道自己能做到哪里，首先您不僅在學習學業(yè)上對我以精心的指導，同時還在我改寫論文時給我鼓勵和支持，從這點看出老師當初選你當我的老師我是明智的，而且，通過這次寫論文我知道遇到什么事總要靠別人來完成，現(xiàn)在我覺得這種想法是我錯啦，也許自己做的比那些人做的會更好，同時，我要把這種態(tài)度放到工作當中，我相信我自己一定可以比別人做的出色。說實話，我從開始認真做畢業(yè)設計的時候，才領悟到知識確實是種強大的工具，我現(xiàn)在想來前面失去的，我想在通過在工作中補回來，想到這里自己說了句“呵呵”，但是話說回來，這次的畢業(yè)設計我花了挺大的功夫，雖然是苦，但心里挺開心的，我想如果大學這三年我好好來利用它的話，我的畢業(yè)設計不談在班里第一個交，最少也在前十個人之前交，最后在這里衷心的對所有關心我?guī)椭业谋磉_我由衷敬意，謝謝各位同學的幫助。 參考文獻 [1]張福學編著.加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計及其應用.北京：電子工業(yè)出版社，2000。 [2]何發(fā)昌著，邵遠編著.智能 西門子PLC控制系統(tǒng)的原理及應用.北京：高等教育出版社，1996。 [3]張利平著. 控制技術速查手冊. 北京：化學工業(yè)出版社，2006.12。 [4]李寶仁著. 控制技術—低成本綜合自動化. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.9。 [5]宋學義著.加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計速查手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，1995.3。 [6]陳奎生著. 控制與氣壓傳動. 武漢：武漢理工大學出版社，2008.5。 [7]SMC（中國）有限公司.加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計實用技術. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.10 [8]徐文燦著.加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計. 北京：機械工業(yè)出版社，1995。 [9]曾孔庚.控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢. 機器人技術與應用論壇。 [10]壽慶豐.一種多指多關節(jié)機器手爪. 機械設計1999年第3期，第3卷。 [11]高微,楊中平,趙榮飛等.西門子PLC控制系統(tǒng)的設計. 機械設計與制造2006.1。 [12]孫兵,趙斌,施永輝.西門子系統(tǒng)的設計與研制. 中國期刊全文數(shù)據(jù)庫。 [13]馬光,申桂英.工業(yè)機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 中國期刊全文數(shù)據(jù)庫2002年。 [14]李如松.控制系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀與展望. 中國期刊全文數(shù)據(jù)庫1994年第4期。 [15]李明.加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計.制造技術與搶答器2005年第7期。 [16]李杜莉，武洪恩，劉志海.西門子PLC控制系統(tǒng)的運動學分析. 煤礦機械2007年2月[17]成大先主編.機械設計手冊（第三版）.北京：化學工業(yè)出版社，1994。 [17]Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. 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