[信息與通信]爐窯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 PLC課程設(shè)計 21

貴州大學(xué)PLC課程設(shè)計PLC課程設(shè)計 設(shè)計題目： 爐窯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 院： 職業(yè)技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 班 級： 081班 學(xué) 號： 082002110467 學(xué)生姓名： 陳井朋 指導(dǎo)教師： 王世蓉 2011年6月 15日 前言 可編程控制器是60年代末在美國首先出現(xiàn)的，當(dāng)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(shè)計思想是把計算機(jī)功能完善、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)結(jié)合起來，控制器的硬件是標(biāo)準(zhǔn)的、通用的。根據(jù)實際應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)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(yùn)算，順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的設(shè)計。 可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點(diǎn)設(shè)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(qiáng)有力工具，得到了廣泛的普及推廣應(yīng)用。可編程控制器是面向用戶的專用工業(yè)控制計算機(jī)，具有許多明顯的特點(diǎn)。 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)； 編程直觀、簡單； 適應(yīng)性好； 功能完善，接口功能強(qiáng)。 從20世紀(jì)20年代起，人們把各種繼電器、定時器、接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機(jī)械，這就是大家熟悉的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。到20世紀(jì)60年代，小型計算機(jī)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(biāo)，對新的汽車流水線控制系統(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(yīng)用面也越來越廣。目前，PLC在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通常可分為開關(guān)邏輯控制、運(yùn)動控制、過程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)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(jié)構(gòu)上基本相同。無論是整體式還是模塊式，從硬件結(jié)構(gòu)看，PLC都是由CPU、存儲器、I/O接口單元及擴(kuò)展接口和擴(kuò)展部件、外設(shè)接口及外設(shè)和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。關(guān)鍵詞：恒溫養(yǎng)護(hù)爐溫度控制；PID算法；PLC編程；目錄緒論第一章 爐窯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容及要求·················第一章 系統(tǒng)硬件設(shè)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(guān)及電動機(jī)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(yīng)的I/O地址.第三章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計.4.1 S7200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(jié).參考文獻(xiàn).緒論人類社會已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)高度發(fā)達(dá)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(zhuǎn)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(shè)備及過程控制的要求也越來越嚴(yán)格，對各種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的要求也越來越高。在當(dāng)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(jī)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(yīng)爐，對工業(yè)的處理溫度等均需要對溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。這方面的應(yīng)用大多基于單片機(jī)進(jìn)行PID控制，然而單片機(jī)的DDC系統(tǒng)軟件硬件設(shè)計較為復(fù)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(rèn)的最佳選擇。 在恒溫養(yǎng)護(hù)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(yán)格，它不能低于或高于生產(chǎn)設(shè)備正常工作的溫度值太多。養(yǎng)護(hù)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(jìn)行精確的控制，對爐內(nèi)溫度的控制的好壞直接關(guān)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(hù)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(hù)爐溫度精確控制的效果。在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)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(shè)計通過結(jié)合PID算法，運(yùn)用S7200軟件以及以前所學(xué)的知識，經(jīng)過對任務(wù)的分析，設(shè)計，編程，調(diào)試來完成。 第一章 爐窯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容及要求 1.1 任務(wù)描述某恒溫養(yǎng)護(hù)爐根據(jù)工藝控制要求，需要對養(yǎng)護(hù)爐窯內(nèi)的溫度進(jìn)行嚴(yán)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(shè)置有啟動、停止和急停的按鈕開關(guān)，同時還設(shè)有總啟動和總停止按鈕。要求設(shè)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(yùn)行，如果按下總停止按鈕，則禁止系統(tǒng)運(yùn)行。 （2）每個爐窯具體的控制要求如下：按下啟動按鈕，啟動風(fēng)機(jī)電機(jī)，使?fàn)t窯內(nèi)的熱氣流循環(huán)； 打開進(jìn)氣閥，使熱氣流（蒸汽）進(jìn)入爐窯； 經(jīng)過一定時間的恒溫控制（如10h），關(guān)閉進(jìn)氣閥。 打開排氣閥，排出熱氣流； 按下停止按鈕，則關(guān)閉風(fēng)機(jī)，延時10s后關(guān)閉排氣閥； 按下急停按鈕，禁止各窯輸出控制（即關(guān)閉風(fēng)機(jī)電機(jī)、排氣閥、進(jìn)氣閥）； 每個爐窯的進(jìn)氣閥只有在總進(jìn)氣閥打開5s后才能打開； 只要一個爐窯的進(jìn)氣閥需要排氣，就要打開總排氣閥；每個爐窯通過一只熱敏電阻進(jìn)行溫度檢測。（3） 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)本次設(shè)計系統(tǒng)具體指標(biāo)要求，可以對每一個具體部分進(jìn)行分析設(shè)計。整個控制系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)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(jié)合體，但是又可以分開討論。當(dāng)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(zhuǎn)換成電信號送入PLC模塊。PLC將這個測量信號與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后，發(fā)出控制信號，經(jīng)電動調(diào)節(jié)閥的控制，達(dá)到溫度的恒溫控制,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NY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NY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NY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NY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NY圖3.5皮帶秤控制系統(tǒng)流程圖 流程圖是流經(jīng)一個系統(tǒng)的信息流、觀點(diǎn)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(wù)必需的管理過程。 流程圖作為一種直觀的圖形，對準(zhǔn)確了解事情是如何進(jìn)行的，以及決定應(yīng)如何改進(jìn)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(shè)計的過程，也能讓我們更清楚明了的看見控制系統(tǒng)運(yùn)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S7-200PLCCPU運(yùn)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定流量S7-200PLCCPU運(yùn)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S7-200PLCCPU運(yùn)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S7-200PLCCPU運(yùn)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S7-200PLCCPU運(yùn)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)的溫度控制通常采用模糊控制算法或PID算法。本設(shè)計要求采用PID 算法，每個爐窯的進(jìn)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(jìn)氣量，完成恒溫控制。第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)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(shè)計緊湊，價格低廉，并且具有良好的可擴(kuò)展性以及強(qiáng)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(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強(qiáng)的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)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)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上?？刂坪诵牟捎梦鏖T子PLC的CPU224，提供數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)14點(diǎn)，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)10點(diǎn)(提供給擴(kuò)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(guān)量輸入輸出點(diǎn)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(diǎn),這些都被集成在一個緊湊,獨(dú)立的設(shè)備中。CPU 負(fù)責(zé)執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號,輸出部分則輸出控制信號,驅(qū)動外部負(fù)載.從 CPU 模塊的功能來看, CPU 模塊為CPU22*,它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置CPU 單元：CPU221 它有 6 輸入/4 輸出,I/0 共計 10 點(diǎn).無擴(kuò)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(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。CPU222 它有8 輸入/6 輸出，I/0 共計 14 點(diǎn)，和 CPU 221 相比,它可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個模塊的擴(kuò)展,因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。CPU224 它有 14 輸入/10 輸出，I/0 共計 24 點(diǎn)，和前兩者相比,存儲容量 擴(kuò)大了一倍,它可以有 7 個擴(kuò)展模塊,有內(nèi)置時鐘,它有更強(qiáng)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。CPU226 它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計 40 點(diǎn),和 CPU224 相比,增加了 通信口的數(shù)量,通信能力大大增強(qiáng)。它可用于點(diǎn)數(shù)較多,要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。CPU226XM 它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進(jìn)行了擴(kuò)展,其他指標(biāo)和 CPU226相同。 (2)開關(guān)量 I/O 擴(kuò)展模塊 當(dāng) CPU 的 I/0 點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時,就要進(jìn)行 I/O 擴(kuò) 展,I/O 擴(kuò)展包括 I/O 點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。通常開關(guān)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(shù)措施。如光電隔離,輸入保護(hù)(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(yīng)根據(jù)負(fù)載進(jìn)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(guān)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(yīng)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(yīng)仔細(xì)查看開關(guān)量 I/O 模塊的技術(shù)特性，按照實際情況進(jìn)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標(biāo)，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010V020mACPU224XP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032000，雙極性模擬信號的數(shù)值范圍是-32000+320002.2 溫度傳感器的選擇 在此設(shè)計中, 爐窯窯頂安裝兩個熱電偶傳感器進(jìn)行爐內(nèi)溫度采集。按照測溫的范圍，選擇熱電偶傳感器。熱電偶傳感器的測量范圍為-501600，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(jìn)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(dǎo)體材料構(gòu)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(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的典型特點(diǎn)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(fù)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(dǎo)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(gòu)成閉合回路,當(dāng)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(yīng), 該電動勢稱為熱電勢。這兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，導(dǎo)體A、B稱為熱電極。 兩個接點(diǎn)，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(dǎo)線與顯示儀表相連。 圖 2.2 熱電偶流量傳感器是對進(jìn)入養(yǎng)護(hù)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)（8×103Re5×107）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(dāng)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(guān)及電動機(jī)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(lǐng)域的自動化程度越來越高正被越來越多的應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)林宇中。與傳統(tǒng)的氣動調(diào)節(jié)閥相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)電，環(huán)保，安裝便捷?？煽亻y門是對進(jìn)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(fēng)機(jī)電動機(jī)的額定功率22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。電機(jī)使氣流在爐窯內(nèi)循環(huán)，因此應(yīng)該考慮其功率和電流的大小，所以選擇YC YCL系列的電動機(jī)。 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(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。對軟件來說，I/O地址分配以后才可進(jìn)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(yīng)的I/O地址 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書所給資料和設(shè)計任務(wù)要求，現(xiàn)把各元器件對應(yīng)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SF1I0.0二號進(jìn)氣閥-AIW1總停止按鈕SF2 I0.1一號排氣閥-AQW0一號爐急停SF3I0.2二號排氣閥-AQW1二號爐急停SF4I0.3總進(jìn)氣閥-AIW2風(fēng)機(jī)一啟動SF5I0.4總排氣閥-AQW2風(fēng)機(jī)二啟動 SF6I0.5風(fēng)機(jī)一MB1Q0.0風(fēng)機(jī)一停止SF7I0.6風(fēng)機(jī)二MB2Q0.1風(fēng)機(jī)二停止SF8I0.7一號爐MB3Q0.2一號進(jìn)氣閥-AIW0二號爐MB4Q0.3第四章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計4.1 S7200軟件的介紹 S7200 PLC編程軟件是由西門子公司專為S7-200系列PLC設(shè)計開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，例如創(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(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運(yùn)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(jī)工作方式（在線方式）下進(jìn)行，部分功能的實現(xiàn)也可以在離線工作方式下進(jìn)行。聯(lián)機(jī)方式：有編程軟件的計算機(jī)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(jī)與PLC 斷開連接，此時能完成大部分基本功能。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(jī)上。兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機(jī)方式下可直接針對相連的PLC進(jìn)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(jī)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)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(shù)。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(jìn)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(guān)系。當(dāng)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，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(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(yīng)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(yù)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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)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算法的數(shù)字化處理 為了能讓數(shù)字計算機(jī)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(jī)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(dāng)前采樣周期所有誤差項的函數(shù)，微分項是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項是當(dāng)前采樣的函數(shù)，在數(shù)字計算機(jī)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(jī)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(jī)解決的重復(fù)性的結(jié)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 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(jìn)形式計算PID輸出，這個改進(jìn)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（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(shè)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(jié)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(jìn)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(shè)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(fù)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(shè)為0.0，系統(tǒng)會在計算積分項和微分項時，把增益當(dāng)做1.0看待。本系統(tǒng)設(shè)計采用PID算法閉環(huán)控制系統(tǒng)程序，優(yōu)點(diǎn)是: PID算法蘊(yùn)涵了動態(tài)控制過程中過去、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(yīng)性好，有較強(qiáng)的魯棒性，對各種工業(yè)應(yīng)用場合，都可在不同的程度上應(yīng)用。PID算法簡單明了，各個控制參數(shù)相對較為獨(dú)立，參數(shù)的選定較為簡單，形成了完整的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。PID控制根據(jù)不同的要求，針對自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn)，形成了一系列改進(jìn)的PID算法。4.4 程序編輯和調(diào)試子程序注釋 第五章 總結(jié)通過本學(xué)期我的課程設(shè)計，是我們對大大三學(xué)習(xí)的一次總結(jié)，它是教學(xué)計劃中學(xué)生必修的最后一個教學(xué)環(huán)節(jié)，是教學(xué)、科研、工程實踐結(jié)合的重要結(jié)合點(diǎn)。它的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)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(shù)問題，建立正確的設(shè)計思想，掌握工程設(shè)計的一般程序和方法。通過課程設(shè)計，進(jìn)行工程知識和工程技能的綜合訓(xùn)練，使我們一走上工作崗位，就具有較強(qiáng)的應(yīng)用生產(chǎn)現(xiàn)場正在使用和近期可能推廣使用的技術(shù)去解決工程實際問題的能力。在課程設(shè)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(shè)計我根據(jù)設(shè)計要求考慮許多工程實際問題，并根據(jù)設(shè)計要求選擇PLC型號、以及其它元件、設(shè)計程序等讓我把以前學(xué)過的知識真正的應(yīng)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(shè)計基本上達(dá)到了設(shè)計目的,利用PLC實現(xiàn)了對的各種控制，通過合理的設(shè)備選型、參數(shù)設(shè)置和軟件設(shè)計，提高了爐窖運(yùn)行的可靠性，改善了爐窖運(yùn)行的舒適感。經(jīng)過這次設(shè)計得到了如下幾點(diǎn)感想：1）由于本次設(shè)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(qiáng)、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(shè)備所需的控制要求。還有西門子最大的優(yōu)點(diǎn)就是穩(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(jì)。2）實踐結(jié)果證明, PLC 爐窖溫溫度控制系統(tǒng)是一種切實可行、運(yùn)行可靠的控制系統(tǒng)。利用現(xiàn)場總線方式進(jìn)行微機(jī)監(jiān)控是一種比較先進(jìn)的方式，也是今后發(fā)展的趨勢之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過設(shè)計，我學(xué)到不少東西，基本上使我以前所學(xué)的相關(guān)專業(yè)知識結(jié)合起來，讓我對大學(xué)三年以來的學(xué)業(yè)有了一個完整的綜合，但還需做進(jìn)一步的研究。另外，我的知識領(lǐng)域得到進(jìn)一步擴(kuò)展，專業(yè)技能得到進(jìn)一步提高，同時增強(qiáng)了分析和解決工程實際的綜合能力，以其控制的先進(jìn)性、快速性、準(zhǔn)確性和可靠性亦是溫度控制的發(fā)展潮流。 本文介紹了一種利用S7-200型PLC的PID控制技術(shù)來實現(xiàn)砌塊養(yǎng)護(hù)窯的自動控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件配置以及軟件設(shè)計流程圖，并介紹了編程中的關(guān)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(qiáng)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(yīng)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(yīng)地提高了砌塊的抗壓強(qiáng)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(qiáng)，可靠性高，以一臺PLC控制2個養(yǎng)護(hù)窯為例，用戶也可根據(jù)控制需要，對系統(tǒng)的I/O模塊進(jìn)行擴(kuò)展，控制多個養(yǎng)護(hù)窯。所以，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng),但有很多還比較模糊，以后還要多加努力學(xué)習(xí)，在此多謝老師 參考文獻(xiàn)范永勝 王岷 主編 電氣控制PLC應(yīng)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(jī)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(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社盧金鼎等機(jī)電一體化技術(shù)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(yīng)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(shè)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(yīng)用技巧（第二版）M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.4齊占慶機(jī)床電氣控制技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.5