温度pid控制课程设计

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编号《电气控制与PLC技术》课程设计（2010届本科）题目：基于S7-200的家用浴缸水温PID的控制系（部）院：专业：电气工程及其自动化作者姓名：指导教师：职称：完成日期：2013年月日二○一三年六月 目录摘要1第一章概述21.1PLC简述21.2PLC工作原理2第二章硬件设计32.1控制要求32.2选择PLC型号和硬件42.2.1PLC型号选择42.2.2硬件选择42.3S7-200PLC的PID功能指令42.4系统设计流程图52.5I/O分配表62.6I/O接线图8第三章软件设计93.1软件梯形图93.2语句表12第四章程序调试13结束语14参考文献15 摘要14从上世纪80年代到90年代中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，PLC在处理模拟量能力，数字运算能力，人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐步进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域上处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强，使用方便，适用面广，可靠性高，抗干扰能力强，易于编程等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。随着现代工业的发展，在工业生产中，温度,流量，压力和液位是最常见的四种过程变量。其中温度是一个重要的变量。例如在冶金工业，化工工业和电力工业等诸多领域，都需要对加热炉，热处理炉和锅炉等的温度进行控制。本次试验模拟工业控制中对温度的控制。本次PLC课程设计为温度PID控制，顾名思义就是用PID的算法去控制温度，使之快速、稳定、准确的达到要求的温度值。在硬件方面主要用到温度控制单元、计算机、S7-200PLC；而软件方面则通STEP7-Micro/WIN32编程软件对PLC的PID指令进行操作。实验需要在温度控制单元上进行连线，应用PLC的扩展模块——模拟量输入模块和模拟量输出模块对反馈回来的值进行处理,然后再送往PLC的CPU。可以用软件进行监控，观察系统达到稳定的时间，然后不断改变PID系数，使系统达到最佳。关键字：PLC；PID；受热体；加热器；温度控制14 第一章概述1.1PLC简述可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），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具有控制能力强、可靠性高、使用灵活方便和易于编程、扩张、通信等一系列优点，是当今及今后工业控制的主要手段和控制核心，因此PLC技术、数控计数、计算机辅助设计、计算机辅助生产以及机器人技术、已并列为现代工业生产自动化的四大支柱。西门子是中国多个业务领域的领先工业解决方案供应商，在制造业自动化、流程工业自动化、运动控制、驱动、低压控制以及电气安装技术方面提供了各类创新、可靠、高效和优质的产品。并全面提供系统的解决方案和服务，产品涵盖范围广，在信息、通信、自动化与控制、电力、交通医疗、照明等各个行业领域处于优势。1.2PLC工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的，即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器的程序。按指令序号（或地址号）做周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和输出状态的刷新等工作。PLC的扫描一个周期必须输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。输出刷新阶段14 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进行程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果在写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。此课程设计使用S7-200实现温度PID控制第二章硬件设计2.1控制要求欲使受热体维持一定的温度，则需要降温工具不断给其降温。这就需要同时有一加热器以不同加热量给受热体加热，这样才能保证受热体温度恒定。本系统的给定值（目标值）可以预先设定后直接输入到回路中；过程标量由在受热体中的Pt100测温并进过温度变送器给出，为单极性电源模拟量；输出值是送至加热器的电源，其允许变化范围为最大的0%至100%。14 2.2选择PLC型号和硬件2.2.1PLC型号选择本温度控制系统采用德国西门子S7—200PLC。S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。2.2.2硬件选择S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号CPU供您使用，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。此系统选用S7-200CPU226型号，　CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。2.3S7-200PLC的PID功能指令PID循环（PID）指令根据表格(TBL)中输入和配置信息对引用LOOP执行PID循环计算。提供PID循环指令（成比例、整数、导出循环）进行PID计算。逻辑堆栈（TOS）顶值必须是“打开”（功率流）状态，才能启用PID计算。本指令有两个操作数：表示循环表起始地址的TBL地址和0至7常量的“循环”号码。循环表存储九个参数，用于控制和监控循环运算，包括程序变量、设置点、输出、增益、样本时间、整数时间（重设）、导出时间（速率）以及整数和（偏差）的当前值及先前值。14 如果循环表起始地址或指令中指定的PID循环号码操作数超出范围，CPU编译器将生成一则错误（范围错误），编译将会失败。PID指令不对某些循环表输入值进行范围检查。您必须保证程序变量和设置点（以及作为输入的偏差和先前程序变量）是0.0和1.0之间的实数。如果进行PID计算的数学运算时遇到错误，将设置SM1.1（溢出或非法数值）并终止PID指令的执行。（对循环表中的输出数值的更新可能不完整，因此您应当忽略这些数值，并在执行下一个循环PID指令之前纠正引起数学错误的输入值。）在PID指令框中输入的表格（TBL）起始地址为循环表分配三十六个字节。表2.1回路表格式偏移量域格式类型说明0PVn/进程变量双字-实数入包含进程变量，必须在0.0至1.0范围内。4SPn/定点双字-实数入包含定点，必须在0.0至1.0范围内。8Mn/输出双字-实数入/出包含计算输出，在0.0至1.0范围内12Kc/增益双字-实数入包含增益，此为比例常量，可为正数或负数。16Ts/样本时间双字-实数入包含样本时间，以秒为单位，必须为正数。20Ti/积分时间或重设双字-实数入包含积分时间，以分钟为单位，必须为正数。24Td/微分时间或速率双字-实数入包含微分时间速率，以分钟为单位必为正数。28Mx/偏差双字-实数入/出包含0.0和1.0之间的偏差或积分和数值。32PVn-1以前的进程变量双字-实数入/出包含最后一次执行PID指令存储的进程变量以前的数值。2.4系统设计流程图本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统初始化，实现参数输入并控制电加热炉的正常运行。主程序流程图14 开始计算温差e(k)和温差变化率温度值显示温度数据采集及处理系统的初始化 |e(k)|>α 智能控制算法程序 求出输出控制量 控制输出 结束图2.1主程序流程图2.5I/O分配表模块端子0~24+0~24-+-OUT→测温模拟量端子V0M0A+A-表2.2I/O分配表14 存储地址数值说明VD10443度目标值VD1160.1s采样时间VD1120.25回路增益VD12030min积分时间VD1240.0关闭微分作用SMB34100设定定时中断0的时间间隔INT-010设置定时中断表2.3输入输出分配14 2.6I/O接线图图2.2硬件接线图（Ｍ，Ｌ为正负接线端子：Ａ，Ｂ代表内部触点）Pt温度变送驱动模块RAA+A-RBB+B-RCC+C-RDD+D-MLEM231M0V0MLEM232未用图2.3I/0接线图14 第三章软件设计3.1软件梯形图主程序：打开电源，运行PLC，接通SM0.0，开始调用子程序。14 VD104………目标值43度VD112………增益0.25VD116………采样时间0.1sVD120………积分时间30minVD124………微分时间0s输入设定温度，把设定温度、各个值都导入PID，每个一定设置的时间中断一次子程序进行PID运算。14 模拟信号的采样处理，归一化导入PID，读入温度并转换，把实际温度值放入VD100中，调用PID指令，PID程序进行运算，输出PID的运算结果，逆转换为模拟信号。停止过程中，把模拟量AQW0清零，停止继续加热，停止调用子程序，仍然显示原温度。14 3.2语句表LDSM0.1CALLSBR_0:SBR0LDSM0.0MOVR0.6,VD104MOVR0.25,VD112MOVR0.1,VD116MOVR30.0,VD120MOVR0.1,VD124MOVB100,SMB34ATCHINT_0:INT0,10ENILDSM0.0ITDAIW0,AC0DTRAC0,AC0/R32000.0,AC0MOVRAC0,VD100LDI0.0PIDVB100,0LDI0.0MOVRVD108,AC0*R32000.0,AC0ROUNDAC0,AC0DTIAC0,AC0MOVWAC0,AQW014 第四章程序调试本程序分为三部分：主程序、子程序、中断程序。子程序主要是将各个PID运算所需的参数变量输入寄存器中；中断程序主要是将模拟量输入寄存器中，并将运算完毕的整数值写到模拟输出寄存器中；输入数据时，装入设定值是0.1815，回路增益0.25，采样时间0.1秒，积分时间30分钟，关闭微分作用。设定定时中断0的时间间隔是100ms，设定定时中断以定时执行PID指令。检查程序有误错误，检查无误后接通电源，将程序下载到运行模拟平台上并运行该程序，并检查运行情况看看是否运行正常。当程序下载正常开始运行时，测温表上显示温度慢慢开始上升，当上升到一定后，温度不再上升，维持在一个固定温度。正常运行一段时间后，停止运行，关闭计算机关闭电源，结束。程序调试图如下图所示　14 结束语通过本次课程设计，是我加强了对PLC地形图、指令表、外部接线的理解，还有经过在网上查找资料以及到图书馆学习，也使我更好的理解和认识了关于PLC设计原理和实际中的应用过程。在课程设计过程中我们互相讨论，请教老师，在不断地调试各自的程序中，发现了很多各自的问题并进行研究解决。我们试着用不同的设计方法来实现我们的课题，这样不仅可以拓展我们的思路，还可以使我们的设计成果更加严谨。本次课程设计可以为以后工作打下一定的基础，感谢本次课程设计，感谢我的指导老师！在这次课程设计中，我以前关于PLC的知识面得到了拓展，知道的得到了巩固，不知道的借助于图书馆和网络得到了解决，很棘手的疑难杂症在老师的帮助下得到了很好的解决。在相关的资料的查询中，我对信息的筛选能力有得到了提升。再次感谢指导老师不惜浪费自己的时间来帮助我们解决问题14 参考文献[1]吴中俊黄永红编《可编程序控制器原理及应用》机械工业出版社2004；[2]孙金根康代红编《PLC课程设计指导书》沈阳理工大学自控教研室2011；[3]章文浩编《可编程控制器原理及实验》国防工业出版社2003；[4]田淑珍编《S7-200PLC原理及应用》机械工业出版社2009。[5]谭浩强编《MCS-51单片机应用教程》清华大学出版社2001[6]张晓峰编《电气控制与可编程控制技术及应用》国防工业出版社2010　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　14