温控系统的PLC智能控制45960.docx
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温控系统的PLC智能控制45960
摘要
房间温度控制系统利用可编程控制器(简称PLC)对房间的温度进行控制,PLC具有控制精度高的特点,能够把室温精确的控制在±0.1ºC围。
温度测控领域发展迅速,并且随着数字技术的发展,温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台,能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
设计了房间温度控制系统。
该系统由西门子系列的PLC、温度传感器、A/D转换器、D/A转换器、加热器等组成。
该温度控制系统采用闭环控制,当室温低于30ºC时进行加热,超过30ºC时开启风扇进行降温,以保证控制温度在30±0.1ºC,该系统具有运算简单、调整方便的特点。
并且介绍了房间温度控制系统的组成、特殊功能模块、PLC系统控制程序、系统的调试和安装使用时的注意事项等。
从参数整定和调试的结果来看,本文研究的温度控制系统在一定条件下能够稳定、准确和及时地对被控量——温度进行有效地控制,达到了预期效果。
关键词:
PLC;温度控制系统;PID
Abstract
Roomtemperaturecontrolsystemoftheplcprogrammablecontroller(PLC)shortoftheroomtemperatureforcontrol,plchashighprecisionoftheroomtemperaturecontrolisaccurately±0.1mmº.Thetemperaturefieldindevelopingrapidly,andtrackingcontrolasadigitaltechnology,thetemperatureofthetrackingcontrolthechipalsorelatedtothehistoricalstage,theindustrialandagriculturalareasinwideuse,inthistypeneedtotranslatewords.
Theroomtemperaturecontrolsystemdesign.ThissystemconsistsofSiemensPLCofseries,thetemperaturesensor,A/Dconverter,D/Aconverter,heater,etc.Thetemperaturecontrolsystemadoptsclosedloopcontrol,whentemperaturebelow30°Cforheating,morethan30°Ctoopenwhen,inordertoensurethatthecoolingfancontroltemperaturein30±0.1°C,thissystemhasasimple,convenientadjustment.Andintroducestheroomtemperaturecontrolsystem,specialfunctionmoduleandPLCcontrolsystem,thesystemofdebuggingandprograminstallationusethemattersneedingattention.
Parametersanddebuggingfromtheresultsofresearch,thetemperaturecontrolsystemingivenconditionstostableandaccurateandtimelytothecontroloftemperature——aneffectivecontrolandachievethedesiredeffect.
Keyword:
PLC;Temperaturecontrolsystem;PID;
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1引言1
1.2PLC概述2
1.3本文的主要工作3
第二章温度控制系统理论设计4
2.1模拟量闭环控制的基本概念4
2.1.1模拟量闭环控制系统的组成4
2.1.2闭环控制的主要性能指标4
2.2PID原理5
2.2.1PID(Proportional,IntegralandDerivative)简介5
2.2.2PID控制算法6
2.2.3PID参数的整定方法6
2.2.4PID参数工程整定法6
2.2.5PID各参数在系统中的作用9
2.3温度控制系统概述10
2.3.1温度控制系统工作原理10
2.3.2系统要求11
2.3.3PLC控制系统的构成11
第三章硬件系统设计12
3.1总体方案12
3.2硬件系统方案设计12
3.3控制器的选择13
3.4信号采集与变换15
3.5执行模块17
3.5.1固态继电器17
3.5.2加热器19
第四章软件系统设计20
4.1S7-300实现PID闭环控制的方法20
4.2连续PID控制器20
4.2.1设定值与过程变量的处理20
4.2.2控制器输出值的处理22
4.3系统实现与PLC编程22
4.3.1软件编程方框图22
4.4调试结果25
第五章系统安装27
第六章结束语28
6.1本文总结28
6.2展望28
致30
参考文献31
第一章绪论
1.1引言
房间温湿度状态参数对人体的热舒适性和房间物品的存放有着很大的影响。
特别是对于那些对温、湿度要求比较高的场所,传统的控制方法已不能够满足控制要求,其主要的缺点是通用性差、灵活性差、控制精度和稳定性差,控制运算功能简单,不能实现复杂的过程控制等。
随着电子技术的发展,新型的过程控制计算机不断涌现,较为流行的有STD总线计算机、可编程调节器(PSC)、集散型控制系统(DCS)。
其中,可编程调节器PSC是在电动型仪表的基础上采用微处理器发展起来的第四代仪表,它的功能较强,在灵活性、可靠性、控制精度、数字通信能力等方面都是模拟仪表无法比拟的。
因此,PSC与PLC一样都是工业控制装置。
PSC与PLC相比,PLC以开关量控制为主,模拟量控制为辅;而PSC则以闭环控制为主,开关量控制为辅。
房间温度控制系统利用可编程控制器(简称PLC)对房间的温度进行控制,可编程控制器具有控制精度高的特点,能够把室温精确的控制在±0.1ºC围。
图1-1控制监控图
图1-1就是温度控制系统的控制监控图。
直观的触摸屏更有效的显示了运行状态图,趋势图,具有越限报警功能,能够直接人工控制及自动控制。
在TP270的全程监控下使得温控更直观更精确有效。
温度及湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。
在许多场合,及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的,近年来,温湿度测控领域发展迅速,并且随着数字技术的发展,温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台,能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
设计了房间温度控制系统,该系统由西门子系列的PLC、温度传感器、A/D转换器、D/A转换器、加热器等组成。
该温度控制系统采用闭环控制,当室温低于30ºC时进行加热,超过30ºC时开启风扇进行降温,以保证控制温度在30±0.1ºC,该系统具有运算简单、调整方便的特点。
并且介绍了房间温度控制系统的组成、特殊功能模块、PLC系统控制程序、系统的调试和安装使用时的注意事项等。
而且网络化、远程化控制越来越受到各行各业的重视。
从参数整定和调试的结果来看,本文研究的温度控制系统在一定条件下能够稳定、准确和及时地对被控量——温度进行有效地控制,达到了预期效果。
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展,计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。
当前用于工业控制的计算机控制系统主要有:
PLC控制系统、基于PC总线的工业控制计算机(IPC)系统、基于单片机的测控系统、集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)。
而其中的PLC因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置,成为当代工业自动化的主要支柱之一。
因此用PLC来控制温度也是在实际的控制系统中应用非常广泛,非常有实际价值。
1.2PLC概述
当今世界,可编程控制器(简称PLC)技术已经成为我国工业控制的三大支柱产业。
特别是近几年大规模集成电路的迅猛发展,使得PLC技术应用的领域越来越广泛。
由于PLC具有可靠性高、抗干扰能力强等特点,因此在我国工业控制量使用。
随着PLC技术的发展,它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。
PLC具有可靠性高、灵活性好、开关量控制能力及通信联网能力强等特点,使其在开关量控制上发挥了巨大的威力。
同时,PLC在模拟量控制上也富有特色,具有配置灵活、通用性好、价格便宜等特点,特别在开关量、模拟量混合控制的系统上更显出独特的优越性。
在可编程序控制器问世之前,继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。
继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。
如果生产工艺发生变化,就必须重新设计,改变硬件机构,这样造成时间和金钱的浪费。
另外,大型控制系统用继电器接触器控制,使用的继电器多,控制系统的体积大,耗电多,工作频率低等缺点,为了解决这些问题,早在1968年,美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM公司),为了适应汽车型号的不断翻新,提出要用一种新型的控制装置取代它,为此,特定以下10项公开招标的技术要求,即:
(1)编程简单方便,可在现场修改程序。
(2)硬件维护方便,采用插件式结构。
(3)可靠性高于继电器接触器控制装置。
(4)体积小于继电器控制装置。
(5)可将数据直接送入计算机。
(6)用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。
(7)输入可以是交流115V。
(8)输出为交流115V,能直接驱动电磁阀,交流接触器等。
(9)通用性强,扩展方便。
(10)成本上要有竞争力。
美国数字设备公司根据GM公司招标的技术要求,于1969年研制出世界上第一台可编程序控制器,并在GM公司汽车自动装配线上试用,获得成功。
80年代以后,随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。
这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信功能,从而使PLC的应用围和应用领域不断扩大。
PLC是综合继电器接触控制的有点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的,这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点:
(1)可靠性高,抗干扰能力强。
(2)配套齐全,功能完善,适用性强。
(3)易学易用,深受工程技术人员欢迎。
(4)系统设计、建造工作量小,维护方便。
(5)体积小,重量轻,能耗低。
PLC具有可靠性高、灵活性好、开关量控制能力及通信联网能力强等特点,使其在开关量控制上发挥了巨大的威力。
同时,PLC在模拟量控制上也富有特色,具有配置灵活、通用性好、价格便宜等特点,特别在开关量、模拟量混合控制的系统上更显出独特的优越性。
1.3本文的主要工作
利用可编程控制器(简称PLC)对房间的温度进行控制,可编程控制器具有控制精度高的特点,能够把室温精确的控制在±0.1ºC围。
首先详细介绍了温度控制系统的一些理论基础,阐述了模拟量闭环控制系统的组成,闭环控制的主要性能指标。
接着系统介绍了PID控制的算法及各参数在系统中的作用。
之后对PROFIBUS的结构协议和类型和物理结构作出了详细的介绍。
通过输入数值或激活所组态的软键,可以对设定值或控制单元设置值进行修改在全图形的动态画面上对过程、机械设备和系统进行显示,通过输出域、棒图或趋势曲线对过程报警和变量进行显示。
第二章温度控制系统理论设计
2.1模拟量闭环控制的基本概念
2.1.1模拟量闭环控制系统的组成
典型的PLC模拟量单闭环控制系统如下图2-1所示。
在模拟量闭环控制系统中,被控量c(t)(例如压力、流量、温度、转速等)是连续变化的模拟量,大多数执行机构(例如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等)要求PLC输出模拟信号mv(t),而PLC的CPU只能处理数字量。
c(t)首先被测量元件(传感器)和变送器转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号pv(t),例如4~20mA,1~5V,0~10V,PLC用A/D转换器将它们转换为数字量pv(n)。
三相电源
SCR
加热炉
传感器
A/D
D/A
PLC控制器
PLC
spT
图2-1典型的PLC模拟量单闭环控制系统
模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序执行都是周期性的操作,其间隔时间称为采样时Ts。
各数字量括号中的n表示该变量是第n次采样计算的数字量。
图中的sp(n)是给定值,pv(n)为A/D转换后的反馈量,误差ev(n)=sp(n)-pv(n)。
D/A转换器将PID控制器输出的数字量mv(n)转换为模拟量(直流电压或直流电流)mv(t),再去控制执行机构。
模拟量控制系统分为恒值控制系统和随动系统。
恒值控制系统的给定值是由操作人员提供,一般很少变化,例如温度控制系统,转速控制系统等。
随动控制系统的输入量是不断变化的随机量,例如高射炮的瞄准控制系统和电动调节阀的开度控制系统就是典型的随动控制系统。
闭环负反馈控制可以使系统的反馈量pv(n)等于设定值sp(n)。
例如,假设输出的温度值c(t)低于给定的温度值,反馈量pv(n)小于给定值sp(n),误差 ev(n)为正,控制器的输出量mv(t)将增大,使执行机构(电动调节阀)的开度增大,进入加热炉的天然气的流量增加,加热炉的温度升高,最终使实际温度接近或等于给定值。
天然气压力的波动、工件加入加热炉,这些因素称为扰动量,它们会破坏炉温的稳定。
闭环控制可以有效地抑制闭环中各种扰动的影响,使被控量趋近于给定值。
闭环控制系统的结构简单,容易实现自动控制,因此在各个领域得到了广泛的应用。
2.1.2闭环控制的主要性能指标
由于给定输入信号或扰动输入信号的变化,系统的输出量达到稳定值之前的过程称为过渡过程或动态过程。
系统的动态性能常用阶跃相应(阶跃输入时输出量的变化)的参数来描述。
阶跃输入信号在t=0之前为0,t>0时为某一恒定值。
图2-2被控对象的阶跃响应曲线。
输出量第一次达到稳定值的时间tr称为上升时间,上升时间反映了系统在相应初期的快速性。
系统进入并停留在稳定值c(∞)上下±5%(或2%)的误差带的时间ts称为调节时间达到调节时间表示过渡过程基本已结束。
设动态过程中输出的最大值为
如果它大于输出量的稳态值c(∞),超调量
反映了系统的相对稳定性,它越小越好,一般希望超调量小于10%。
系统的稳态误差是进入稳态后的期望值与实际值之差,它反映了系统的稳态精度。
图2-2被控对象的阶跃响应曲线
2.2PID原理
2.2.1PID(Proportional,IntegralandDerivative)简介
PID控制问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
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,最适合用PID控制技术。
PID控制,实际中也有PI和PD控制。
PID控制就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
目前PID控制在工业控制系统中无处不见,随着控制效果的要求不断提高,PID逐渐向智能化发展,但形形色色“时髦”的现代控制理论中的PID最终还是源自经典PID理论。
为什么PID应用如此广泛、又长久不衰?
是因为PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题,既系统的稳定性、快速性和准确性。
调节PID的参数,可实现在系统稳定的前提下,兼顾系统的带载能力和抗扰能力,同时,在PID调节器中引入积分项,系统增加了一个零积点,使之成为一阶或一阶以上的系统,这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。
由于自动控制系统被控对象的千差万别,PID的参数也必须随之变化,以满足系统的性能要求。
这就给使用者带来相当的麻烦。
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智慧控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和死循环控制系统。
一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口﹑执行机构﹐加到被控系统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前,PID控制及其控制器或智慧PID控制器(仪表)已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator),其中PID控制器参数的自动调整是通过智慧化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器(PLC)是利用其死循环控制模块来实现PID控制。
2.2.2PID控制算法
在生产过程的自动控制系统中,控制器上很重要的组成部分。
控制器将系统被控变量测量值与设定值相比较,如果存在偏差,就按预先设置的不同控制规律发出控制信号,控制生产过程,使被控变量的测量值与设定值相等。
控制器的输出信号随偏差的变化而变化的规律叫做控制规律。
通常常用的控制规律有比例(P)控制、比例积分(PI)控制、比例微分(PD)控制和比例积分微分(PID)控制。
2.2.3PID参数的整定方法
PID参数整定是控制系统设计的核心容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID参数整定的方法很多,概括起来有两大类:
一是理论计算整定法,它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改;二是工程整定法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。
2.2.4PID参数工程整定法
PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
1.控制器参数经验方法
控制器参数经验方法实质上是一种经验凑试法,是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。
它不需要进行事先的计算和实验,而是根据运行经验,先确定一组控制器参数(见表2-1),并将系统投入运行通过观察认为加入干扰(改变设定值)后的过渡过程曲线,根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数制,进行反复凑试,直到获得满意的控制质量为止。
由于比例作用是最基本的控制作用,经验整定法主要通过调整比例度的大小来满足质量指标,有以下两条整定途径:
表2-1控制器参数经验数据
被控变量
规律的选择
比例度
积分时间Ti(min)
微分时间Td(min)
流量
对象时间常数小,参数有波动,要大;Ti要短;不用微分
40%~100%
0.3~1
温度
对象容量滞后较大,即参数受干扰变化迟缓,应小;Ti要长;一般需要微分
20%~60%
3~10
0.5~3
压力
对象的容量滞后不算大,一般不需要微分
30%~70%
0.4~3
液位
对象时间常数围较大,要求不高时,可在一定围选取,一般不用微分
20%~80%
①先用单纯的比例(P)作用,即寻找合适的比例度,将人为加入干扰后的过渡过程调整为4:
1的衰减振荡过程。
然后再加入积分(I)作用,一般先取积分时间Ti衰减振荡周期的一半左右。
由于积分作用将使振荡加剧,在加入积分作用之前,要先减弱比例作用,通常把比例度增加10%~20%。
调整积分时间的大小,直到出现4:
1的衰减振荡。
需要时,最后加入微分(D)作用之前,可把比例度调整到比纯比例度作用时更小一些,还可以把积分时间缩短一些。
通过微分时间的凑试,使过渡时间最短,超调最小。
②先根据表2-1选取积分时间Ti和微分时间Td,通常取Td设置得不合适,则有可能得不到要求的理想曲线。
这时应适当调整Ti和Td,再重新凑试,使曲线最终符合控制要求。
经验整定法适用于各种控制系统,特别适用对象干扰频繁、过渡过程曲线不规则的控制系统。
但是,使用此方法主要靠经验,对于缺乏经验的操作人员来说,整定所花费的时间较多。
2.临界比例度法
所谓临界比例度法,是在系统闭环的情况下,用纯比例控制的方法获得临界振荡数据,即临界比例度k和临界振荡周期Tk,如图2-3所示,然后利用一些经验公式,求取满足4:
1衰减振荡过渡过程的控制器参数。
其整定计算公式见表2-2。
具体整定步骤如下:
①将控制器的积分时间放在最大值(Ti=∞),微分时间放在最小值(Td=0),比例度放在较大值后,让系统投入运行。
②逐渐减小比例度,且每改变一次值时,都通过改变设定值给系统施加一个阶跃干扰,同时观察系统的输出,直到过渡过程出现等幅震荡为止。
此时的过渡过程称为临界振荡过程,k为临界比例度,Tk为临界振荡周期。
③利用k和Tk这两个试验数据,按照表中的相应公式,求出控制器的各整定参数。
④将控制器的比例度换成整定后的值,然后依次放上积分时间和微分时间的整定值。
如果加入干扰后,过渡过程与4:
1衰减还有一定差距,可适当调整值,直到过渡过程满足要求。
图2-3曲线图
临界比例度法应用时简单方便,但必须要注意以下两点:
①此方法在调整过程中必定出现等幅振荡,从而限制了此方法的使用场合。
对于工艺上不允许出现等幅振荡的系统,如锅炉水位控制系统,就无法使用该方法;对于某些时间常数较大的单容量对象,如液位对象或压力对象,在纯比例作用下是不会出现等幅振荡的,因此不能获得临界振荡的数据,从而也无法使用该方法。
②使用该方法时,控制系统必须工作在线性区,否则得到的持续振荡曲线可能是极限环,不能依据此时的数据计算整定参数。
表2-2临界比例度法控制器参数计算
控制规律
比例度(%)
积分时间Ti(min)
微分时间Td(min)
P
2k
PI
2.2k
0.85Tk
PD
1.8k
0.1Tk
PID
1.7k
0.5Tk
0.125Tk
3.衰减曲线法
该方法与临界比例度法的整定过程有些相似,
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