基于PLC的水箱温度控制系统.doc

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1、 【摘要】 本文研究的是可编程控制器在水箱恒温控制系统中的应用，水箱恒温控制装置主要 用来完成对水箱中液体的液位和温度检测，并对温度参数进行调节。系统中温度控制是 一个非常重要的部分。通过铂热电阻对温度进行测量，将测量到的温度传到 PLC 中。 PLC 对采集到的温度值与给定值进行比较，经过 PID 运算后，调节双向晶闸管在设定周 期内通断时间的比例，改变加热丝中电流大小及加热时间，以完成对温度的控制要求。 本系统硬件部分主要由 CPU224、EM235、双向晶闸管等组成；软件部分主要由 PID 控制来完成。 关键词关键词：PLC CPU224 EM235 双向晶闸管 PID 控制 Abstr

2、act:Abstract: In this paper, is the programmable controller in the water tank temperature control system application, water tank temperature control system is mainly used to complete the tank liquid level and temperature detection, and adjust the temperature parameters. System, temperature control i

3、s a very important part. By platinum RTD temperature measurement will be measured in the temperature reached the PLC. PLC on the collected temperature values compared with a given value, after a PID operation, the regulator Triac off the set period of time the ratio of change in heating wire in the

4、current size and heating time to complete the right temperature control requirements. The system hardware mainly by the CPU224, EM235, bi-directional thyristor etc.; software, some of the major by the PID control to complete. KeyKey words:words: PLC CPU224 EM235 Triac PID Control 目录目录 1.1.前言前言.1 1.1

5、 恒温系统应用.1 1.2 PLC 的结构.1 1.2.1 中央处理单元(CPU).1 1.2.2 存储器.1 1.2.3 电源.2 1.3 PLC 的工作原理.2 1.3.1 PLC 的基本工作原理.2 1.3.2 PLC 编程方式.3 1.4 PLC 的控制系统发展趋势.3 1.5 PLC 控制系统的构成设计原则及步骤.4 1.5.1 PLC 的设计原则.4 1.5.2 PLC 的设计步骤.5 2 2 硬件设计硬件设计.7 2.1 工作过程.7 2.2 I/O 地址分配.7 2.3 选择硬件.8 2.3.1 CPU224.8 2.3.2 双向晶闸管.9 2.3.3 热电阻原理构造.10 3

6、 3 PIDPID 的介绍的介绍.11 3.1 PID 的工作原理.11 3.2 PID 参数整定.12 3.3 PID 模块介绍.13 3.3.1 PID 回路表的格式及初始化.13 3.3.2 PID 程序.14 4 4 程序程序.18 4.1 顺序功能流程图.18 4.2 程序设计.20 结 束 语.25 谢 辞.26 参考文献.27 1.1.前言前言 1.11.1 恒温系统应用恒温系统应用 在日常生活、工业生产和实验室中电热恒温箱的应用随处可以见到。在生活中我们 保存食物用到恒温箱，工业生产中一些生产原料的保存用到恒温箱，实验室里，特别是 生物的培育实验室，恒温箱的应用更是普遍。 可编

7、程控制器即 PLC 是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开 发出来的，现在已经广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写程 序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量是输入/输出来控 制设备或生产过程。在本设计中，我们针对实验水箱而设计的一个恒温系统，针对温度 控制的特点以及实现准确温度控制的意义，设计了一种基于 PID 的恒温检测控制系统。 1.21.2 PLCPLC 的结构的结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机相同。 1.2.11.2.1 中央处理单元中央处理单元(CPU)(CPU) 中央处理单元(CPU

8、)是 PLC 的控制中枢，它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存 储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器 I/O 以及警戒定时器的状态；并 能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输 入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户 程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算, 运算的结果送入 I/O 映象 区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态 或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。 为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年

9、来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统或 采用三 CPU 的表决式系统，这样即使某个 CPU 出现故障整个系统仍能正常运行。 1.2.21.2.2 存储器存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器； 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 (1) PLC 常用的存储器类型 RAM (Random Assess Memory)，这是一种读/写存储器(随机存储器) ，其存取速 度最快，由锂电池支持。 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种可擦除的只读存 储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变(在紫外线连续照射下可

10、擦除存储器 内容)。 EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电 可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。 (2) PLC 存储空间的分配 虽然各种 PLC 的 CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据 PLC 的工作原理其存储 空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区；系统 RAM 存储区(包括 I/O 映象区和系 统软设备等)；用户程序存储区。 系统程序存储区 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管 理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程

11、序、等由制造厂商将其固化在 EPROM 中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该 PLC 的性能。 系统 RAM 存储区 系统 RAM 存储区包括 I/O 映象区以及各类软设备如：逻辑线圈、数据寄存器、计 时器、计数器、变址寄存器、累加器、等存储器。 a I/O 映象区 由于 PLC 投入运行后只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据在输出刷新 阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元(RAM)以 存放 I/O 的状态和数据，这些单元称作 I/O 映象区，一个开关量 I/O 占用存储单元中 的一个位(bit)，一个模拟量 I/O 占用存储单元中的一个字(16

12、个 bit)， 因此整个 I/O 映象区可看作两个部分组成：开关量 I/O 映象区，模拟量 I/O 映象区。 b 系统软设备存储区 除了 I/O 映象区区以外，系统 RAM 存储区还包括 PLC 内部各类软设备(逻辑线圈、 计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区，该存储区又分为具有失电保持的 存储区域和无失电保持的存储区域，前者在 PLC 断电时由内部的锂电池供电，数据不会 遗失，后者当 PLC 断电时数据被清零。 c 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的 PLC 其存储容量各不相同。 1.2.31.2.3 电源电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得

13、作用。如果没有一个良好的可靠得电源系 统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电 压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将 PLC 直接连接到交流电网上去。 1.31.3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 1.3.11.3.1 PLCPLC 的基本工作原理的基本工作原理 （1）PLC 采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式 1）每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。 2）输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新 状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 3）一个扫

14、描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 5）扫描周期的长短由三条决定：CPU 执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令 条数。 6）由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输 出响应延迟。 （2）PLC 与继电器控制系统、微机区别 1）PLC 与继电器控制系统区别 前者工作方式是“串行” ，后者工作方式是“并行” 。 前者用“软件” ，后者用“硬件” 。 2）PLC 与微机区别 前者工作方式是“循环扫描” 。后者工作方式是“待命或中断” 。 1.3.21.3.2 PLCPLC 编程方式编程方式 PLC 最突出

15、的优点采用“软继电器”代替“硬继电器” 。用“软件编程逻辑”代替 “硬件布线逻辑” 。 PLC 编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。 梯形图语言特点： （1）每个梯形图由多个梯级组成。 （2）梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果 是“1” ，有假想的电流流过。 （3）继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。 （4）每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。 （5）输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。 1.41.4 PLCPLC 的控制系统发展趋势的控制系统发展趋势 （1）PLC 发展的潮流 目前，国外 PL

16、C 制造商不断推出新产品。西门子最初推出 S5 系列，然后推出 S7 系列；三菱开始是 F 系列，FX 系列，现在是 Q 系列（A1、A2、A2X） 。大趋势是功能越来 越多，集成度越来越高，网络功能越来越强。特别是网络，因为联 网是一个大潮流。 现在各种 PLC 都在发展自己的网络，一般从结构上有两种，一种在 PLC 模块上做了 一个通信输出口，可以直接与计算机联接实现点对点通信（RS232 联接） ；另一种是通过 多点联接（RS485 联接） ，这适用于多层 PLC。这方面，西门子的产品具有代表性，它具 有自己的 PROFIBUS 协议的网络标准，现在已经被世界上绝大多数国家接受，几乎已经

17、 成为国际标准，获得广泛的应用。目前网络是一个发展趋势。网络的控制中心一般有两 台计算机，通过电缆与现场的 PLC 站相连，每个站就放在被控设备的附近，从设备到 PLC 站之间的电缆很短，从 PLC 站到控制中心只需一根电缆线，这样成本就大大降低了。 （2）PLC 的最新发展动态 一是 PLC 网络化技术的发展，其中有两个趋势，一方面，PLC 网络系统已经不再是 自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌 PLC 除了形成自己各具特 色的 PLC 网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现 信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。另一方面，现场总线技术得到

18、广泛的采用， PLC 与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型电磁阀，智能 型驱动执行机构等，通过一根传输介质（比如双绞线，同轴电缆，光缆）连接起来，并 按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的 PLC 远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开 放意义。 二是 PLC 向高性能小型化发展。PLC 的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比 如三菱的 FX-1S 系列 PLC，最小的机种，体积仅为 6090 75mm，相当于一个继电器， 但却具有高速计数、斜坡、交替输出及 16 位四则运算等能力，还具有可调电位

19、器时间 设定功能。PLC 已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越 强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点 数运算，PID 调节，温度控制，精确定位，步进驱动，报表统计等。从这种意义上说， PLC 系统与 DCS（集散控制系统）的差别已经越来越小了。用 PLC 同样可以构成一个过 程控制系统。 1.51.5 PLCPLC 控制系统的构成设计原则及步骤控制系统的构成设计原则及步骤 1.5.11.5.1 PLCPLC 的设计原则的设计原则 1）硬件设计： 硬件设计内容：PLC 机型的选择； 输入/输出设备的选择； 图样（如接线图等）绘制；

20、 硬件设计应遵循的原则： （1）经济性 （2）可靠性 （3）先进性及可扩展性 2） 软件设计： 软件就是编写满足生产控制要求的 PLC 用户程序，即绘制梯形图，或编写语句表。 软件设计原则： （1）逻辑关系要简单明了，易于编程； 如继电器的触点可以使用无数次，只要在实现某个逻辑功能所需要的地方，可以随 时使用，使得编制程序具有可读性，但要避免使用不必要的触点。 （2）保证程序功能的前提下尽量减少指令和程序的运行时间。 1.5.21.5.2 PLCPLC 的设计步骤的设计步骤 PLC 系统设计的一般方法和步骤如图 11 所示： 程序设计与调试 分析生产过程，明确设计要求 电器电路设计 试运行 绘

21、制系统原理图 选择 PLC 的型号 总装调试 图 11 PLC 的设计流程 （1）确定方案： 被空对象环境较差，系统工艺复杂，考虑用 PLC 控制系统。控制很简单，可以考虑 用继电器控制系统。用 PLC 控制，首先要了解系统的工作过程及所有功能要求，从而分 析被控对象的控制过程，输入/输出量是开关量还是模拟量，明确控制要求，绘制系统 流程图。 （2）选择 PLC 的机型： PLC 的可靠性上是没有问题的，机型的选择主要是考虑功能上满足系统要求。机型 的选择依据：控制对象的输入量，输出量工作电压输出功率现场对系统的响应速度要求 控制室与现场的距离等。 （3）选择 I/O 设备，列出 I/O 地址

22、分配表： 输入设备：控制按钮、行程开关、接近开关等。 输出设备：接触器、电磁阀、信号灯等。确定输入/输出设备的型号和数量。 列写输入/输出设备与 PLC 的 I/O 端口地址对照表，绘制接线图及编写程序。 分配 I/O 地址时应注意以下几点：把所有按钮、行程开关等集中配置，按顺序分配 I/O 地址；每个 I/O 设备占用地址；同一类型的 I/O 点应尽量安排在同一个区。 彼此有关的输出器件，如电动机的正反转，其输出地址应连续分配。 1）绘制电动机的主电路及 PLC 外部的其它控制电路图。 2）绘制 PLC 的 I/O 接线图。 注：接在 PLC 输入端的电器元件一律为常开触点，如停止按钮等。

23、3）绘制 PLC 及 I/O 设备的供电图。 输入电路一般由 PLC 内部提供电源，输出电路根据负载的额定电压外接电源。 （4）设计电气线路图： （5）程序设计与调试 程序设计可以用经验设计或者功能表图设计法，或两者结合使用。 （6）总装调试： 接好硬件线路，把程序输入 PLC 中，联机调试 2 2 硬件设计硬件设计 2.12.1 工作过程工作过程 （1）打开 SV1 充冷水，当水到达上限位，使上限位传感器输出有信号时，停止供 冷水，关闭 SV1。 （2）当水到达下限位时，启动加热器 H，让其加热水，同时让搅拌电动机 M 开始运 行，使水的温度均匀上升。 （3）设定给定温度值为 60。 （4）

24、当实际温度高于 60时，开通 SV1 和 SV2，并运行搅拌电机 M；当实际温度低 于 60时，开通加热器 H 并运行搅拌电机 M。以此进行循环。 （5）当水低于下限位传感器时，报警灯亮。人工按下停止按钮，重新开始启动。 图 21 实验水箱温度控制系统符号描述 2.22.2 I/OI/O 地址分配地址分配 根据图 2-1 及以上工作过程分析，统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地 址编号，如表 2-1 所示。水位上下限位信号分别为 I0.2、I0.3,它们在水淹没时为 1， 露出时为 0。 表 21 I/O 分配 名称符号地址编号 启动按钮QS2I0.0 停止按钮QS1I0.1 水池水位上

25、限信号SLHI0.2 水池水位下限信号SLLI0.3 热继电器信号QSI0.4 输入信号 铂电阻信号AI4AIW0 控冷水电磁阀SV1Q0.0 控热水电磁阀SV2Q0.1 搅拌电机MQ0.2 报警指示灯HLQ0.3 加热器HAQ 输出信号 PID 输出模拟信号A00AQW0 2.32.3 选择硬件选择硬件 从上面分析可以知道，系统共有 5 个开关量输入点，4 个开关量输出点，1 个模拟 量输入点，1 个模拟量输出点。参照西门子 S7-200 产品目录及市场实际价格，选用主机 为 CPU224(14 入/10 继电器输出)一台，再扩展一个模拟量模块 EM235(4AI/1AO)。这样 的配置是最

26、经济的。整个 PLC 系统的配置如图所示。 主机单元 CPU224 AC/DC/继电器 模拟量单元 EM235 4AI/1AO 图 22 恒温水箱的 PLC 系统的配置 2.3.12.3.1 CPU224CPU224 CPU224 集成 14 输入10 输出共 24 个数字量 IO 点。可连接 7 个扩展模块，最大 扩展至 168 路数字量 IO 点或 35 路模拟量 IO 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。1 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

27、能力。IO 端 子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。如下图所示 图 23 CPU224 的接线图 2.3.22.3.2 双向晶闸管双向晶闸管 双向晶闸管工作原理:双向可控硅具有两个方向轮流导通、关断的特性。双向可控 硅实质上是两个反并联的单向可控硅，是由 NPNPN 五层半导体形成四个 PN 结构成、有 三个电极的半导体器件。 图 24 双向可控晶闸管 液温的电加热一般采用移相触发可控硅调节方式。即 PLC 根据 PID 公式计算出控制 电压值，经 D/A 变换成模拟量输出给晶闸管，控制可控硅导通角。为避免电源畸变造成 干扰，此处采用双向晶闸管固定周期控制方式。工作原理为：，选

28、定控制脉冲的周期 Tc=1 s，100 个工频电源半周期即为 10 ms。根据 PID 计算结果，微机在 1 秒固定周期 内，发出不同宽度的电脉冲去控制双向晶闸管的门极，改变其导通时间，从而控制加热 器的平均输出功率。 2.3.32.3.3 热电阻原理构造热电阻原理构造 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳 定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标 准的基准仪。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化 来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为 消除引线电阻的影响一

29、般采用三线制或四线制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导 线和显示仪表等组成。必须注意以下两点： 热电阻和显示仪表的分度号必须一致 。 为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。 3 3 PIDPID 的介绍的介绍 3.13.1 PIDPID 的工作原理的工作原理 在控制系统中,控制器最常用的控制规律是 PID 控制。PID 控制系统原理框图如图 31 所示。系统由 PID 控制器和被控对象组成。 比例 微分 积分 被控对象 Rin(k) Yout(k) + - + + 图 31 PID 控制系统原理框图 PID 控制器是一种线性控制器,一种它根据给定值 rin(t)与实际输出值 y

30、out(t)构成 控制偏差： Error(t)=rin(t)-yout(t) （3.1） PID 控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成一种控制规律。即， 控制器的输出为： （3.2） t D p dt tderrorT dtterror T terrorktu 0 1 )( )( 1 )()( 或写成传递函数的形式： （3.3） sT sT k sE sU sG Dp 1 1 1 )( )( )( 其中， kp比例系数；Ti积分时间常数；T d微分时间常数。 简单说来，PID 控制器各校正环节的作用如下： 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号 error(t),偏差一旦产生，

31、控制器立 即产生控制作用，以减小偏差。 比例控制： Gc(s)= Kp 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强尽弱取决于积分 时间常数 Ti，Ti 越大，积分作用越弱，反之则越强。 积分控制： Gc(s) = Kp/T is 微分环节：反偏差信号的变化趋势（变化速率） ，并能在偏差信号变得太大之前， 在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 微分控制： Gc(s) =KpT ds 基本 PID 控制器的理想算式为： （3.4） 式中 u(t)控制器(也称调节器)的输出； e(t)控制器的输入（常常是设定值与被控量之差，即 e(t)=r(t)

32、-c(t)） ； Kp控制器的比例放大系数； Ti 控制器的积分时间； Td控制器的微分时间。 设 u(k)为第 k 次采样时刻控制器的输出值，可得离散的 PID 算式 （3.5） 式中 。 由于计算机的输出 u(k)直接控制执行机构（如阀门） ，u(k)的值与执行机构的位置 （如阀门开度）一一对应，所以通常称式(4.3)为位置式 PID 控制算法。 位置式 PID 控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时 要对 e(k)进行累加，运算量大；而且控制器的输出 u(k)对应的是执行机构的实际位置， 如果计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。 3

33、.23.2 PIDPID 参数整定参数整定 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。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 控制器参数整定的方法很多， 本设计采用实验凑试法 （1）确定控制器参数 数字 PID 控制器控制参数的选择，可按连续-时间 PID 参数整定方法进行。 在选择数字 PID 参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差） 的系统，可以适当选择 P 或 PD 控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态 误差的系统，应选择包含积分控制的 PI 或 PID 控制器。一般来说，PI、PID 和 P 控制器 应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。 （2）选择参数 控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性 和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的 变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值； 当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能 来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处