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1、计算机掌握技术实训报告题 目：基于 S7200 的自制温度掌握系统设计系 别： 自动化系 专业： 电气工程及其自动化姓名： 学号： 指导教师： 一、概述错误！未定义书签。二、温度掌握原理错误！未定义书签。三、自制温度掌握方案设计错误！未定义书签。四、自制温度掌握系统设计 . . 错 误！未定义书签。实训心得 .参考书籍 .概述2这周实训任务是设计一种基于 S7200 的自制温度掌握系统，并利用组态王 软件组态较人性化的人机画面，组态软件承受组态王或者MCGS。阐述该系统 的软硬件设计方案。承受模块化设计方法，通过EM235 采集到的参数，利用西门子PLC200 内部集成PID 算法使被控对象的
2、温度值趋于给定值。试验结果表 明该系统具有良好的检测和自动掌握功能。温度掌握原理本系统是承受模块掌握，原理框图如以下图所示。通过EM235 的 AI 口对温 度变送器使出端进展数据采样、量化和工程标度变换，将采集的参数传到PLC 的PID 掌握器中，通过和设定值的比照，然后将PLC 中PID 掌握器输出通过 EM235 得AO 输出0-5V 电压，作为驱动模块的输入信号，该模块将接收的 0-5V 可调电压变换成 0-24V 可调电压给电加热丝，从而掌握电加热丝的加热 强度，从而实现温度掌握。三、自制温度掌握系统方案设计本系统有两种掌握方案：模块掌握；继电器掌握。计算机掌握技术实训方案中掌握器承
3、受西门子 PLC200, IO 模版承受工控室与 西门子配套的 5 套EM235其中 4 个 AI，1 个A0，被控对象为温度对象。方案 实现如图 1 和图 2 所示EM235FH：4 鶴權送耀图 1 计算机掌握系统实训方案 1 模块掌握屮图 2 计算机掌握系统实训方案 2 继电器掌握*方案 1 模拟量输出掌握，将PLC 中PID 掌握器输出通过EM235 AO 输 出 0-5V 电压，该 0-5V 电压作为方案 1 中驱动模块的输入信号，该模块 将接收的 0-5V 可调电压变换成 0-24V 可调电压给电加热丝，从而掌握电 加热丝的加热强度， 从而实现温度掌握。方案 2:继电器输出掌握，将P
4、LC 中PID 运算得到的变化的模拟信号转 化为占空比可调的脉冲信号输出，该脉冲信号的占空比与模拟信号大小 成比例，从而掌握电加热丝的加热功率实现温度可控的目标。四、 自制温度掌握系统设计该自制温度掌握系统设计承受第一种方案，使用模块掌握，硬件如下所 示： 掌握器：西门子PLC200。10 模版：EM235,接收 4-20mA 或 0-5V 模拟信号，输出 4-20mA 或 0-5V 信号。被控对象：箱内温度。传感变送：热电偶+温度变送器，变送出标准电压信号或者电流信号都可。 执行机构：驱动模块，开关电源。硬件接线的图：PID 算法在稳定状态操作中，PID 掌握器治理输出数值，以便将错误e驱动
5、为零。 错误测量由定点所需的操作点和进程变量实际操作点之间的差异打算。PID 掌握原则基于以下公式,其+函数：中将输出e Mt表示为+比例项、积分项和微分项的0二匕匕例项+积分项+徽分项其中:Mt = KC *eM(t)TD EMi nitial作为时间函数的环路输出环路增益环路错误定点和进程变量之间的差异 环路输出的初始值的=K+nK 片+M initial=匕例项335为了在数字计算机中运行该掌握函数，必需将连续函数量化为错误值的定期样 本，并随后计算输出。数字计算机运算以以下相应的公式为根底：4其中：Mn Kc En En-1KiMini tial KD采样时间n 的环路输出计算值环路增
6、益采样时间n 的环路错误值环路错误的前一个数值在采样时间 n ?1 积分项的比例常量微分项的比例常量微分项的比例常量在该公式中，积分项被显示为全部错误项的函数，从第一个样本至当前样本。微分项是当前样本和前一个样本的函数，而比例项仅是当前样本的函数。在数字计算机中，既不行能也没有必要存储全部的错误项样本。由于从第一个样本开头， 每次对错误采样时数字计算机都必需计算输出值，因此仅需存储前一个错误值和 前一个积分项数值。由于数字计算机计算结果的重复性，可在任何采样时间对公式进展简化。简化后的公式为：Mn= 叱码*output =proportional term+K|*en+MXintegral t
7、erm*+Ken-e n_idifferential term其中：Mn Kc En En-1Ki采样时间n 的环路输出计算值环路增益采样时间n 的环路错误值环路错误的前一个数值采样时间积分项的比例常量n ?1MX积分项的前一个数值采样时间 n ?1KD微分项的比例常量计算环路输出值时，CPU 使用对上述简化公式的修改格式。修改后的公式为:Mn =输出MF出例项+_积分项锻分项其中：Mn MPn MInMDn比例项采样时间n 的环路输出计算值采样时间n 的环路输出比例项数值采样时间n 的环路输出积分项数值采样时间n 的环路输出微分项数值比例项MP 是增益和错误e的乘积，其中增益掌握输出计算的敏
8、感度， 错误是在某一特定采样时间定点SP和进程变量PV之间的差异。CPU 采 用的计算比例项的公式为：Mpn=Kc5其中:MPn KcSPn PVn积采样时间n 的环路输出比例项数值环路增益采样时间n 的定点数值采样时间n 的进程变量数值分项6积分项Ml 在时间上与错误e和成比例。CPU 承受的积分项公式为:Mln= Kc*Ts/T|*SPn-PVn +MX其中：MIn Kc Ts TiSPn PVn采样时间n 的环路输出积分项数值环路增益环路采样时间积分时间亦称为积分时间或重设 采样时间n 的定点数值采样时间n 的进程变量数值MX采样时间n - 1 的积分项数值亦称为积分和或偏差积分和或偏差
9、MX 是积分项全部从前数值的运行和。每次 Mln 计算后，依据 Mln 的数值更偏差，该数值可能被调整或截取详情请参阅“变量和范围”一 节。偏差的初始值通常被设为第一次环路输出计算之前的输出值Minitial。其他几个常量也是积分项的一局部，例如增益 Kc、采样时间Ts 即PID 环路重计 算输出值的循环时间以及积分时间或重设Ti即用于掌握积分项对输出计算影 响的时间。微分项微分项MD 与错误变化成比例。计算微分项的公式为：Dn= KC *TD /Ts*SPn-PVn .SPn ! - PVn1为了避开步骤转变或由于对定点变化求导带来的输出变化，对该公式进展修改， 假定定点为常量=。如下所示，
10、会导致计算进程变量的变化，而不计算错误的 变化：MDh = KC*TD/TS *SPn- PVn- SPn + PVn _ 1或：;*TD/Ts*(PVn_i-PVn)其中：MDn Kc TsTD SPn SPn-1PVn PVn-1采样时间n 的环路输出微分项数值环路增益环路采样时间环路微分阶段亦称为导数时间或速率 采样时间n 的定点数值采样时间n - 1 的定点数值采样时间n - 1 的进程变量数值采样时间n - 1 的进程变量数值必需保存进程变量，而不必保存错误，用于下一次微分项计算。第一次采样时, 数值PVn-1 被初始化，等于PVn。PLC 程序主程序子程序SBR 0|中断SMOO2
11、00- INOUT -SMB34ENI)ENINT_O- INT K-ATCHENO符号INT O地址INTO注解中斷例行程序淀辭子程序SBR_1比例系数Hft 1SM011MOV.RENENO1 1Zl10.1INOUT”VD112网鉛 2|栗祥时间MQVR01-OUTVD116ENEND中断程序9给定值的归一5M0.0 1 1Fiji1 1MUIRENO0J -IH1VD12-IN2OUTACOrhjDIV_REND/nACO-IN13oao- IN2OUT-ACO网踣 3ENADD_RENO -UTACO-IN1IN20.2AC0MOV_RENENDACO-INOUT VD10410工程
12、转换实训编程过程中涉及到大量工程标度变换，现总结如以下所示: 输入局部： 温度变送器参数为：0-300 度4-20mAEM235 输入AI 接收电流范围 0-20mA，为 12 位A/D 转换器，其转换后数字量范围为：0-32023,故对应范围为：0-20mA 0-32023。故编程时：0-300 度6400-32023PID 子程序中检测值PV=AIW0,归一化得PV/32023=VD100输出局部： 实际中，驱动模块调压范围为：1.3V-3.2V 0-24V PLC 的 EM235 中 AO 输出为 0-10V 0-32023试验中我们只需要 0-5V 电压给驱动模块，即数字量为 0-16
13、000PID 运算输出范围为 0-1 之间小数，实训中我们需要将该 0-1 对应到 1.3-3.2V因此PID 运算输出对应数字量范围为：4160-10240因此，D/A 转换器的数字量D 对应PID 程序输出x 之间关系为： D=f(x)= 4160+6080X驱动模块输入电压V 与PID 输出x 之间关系为：V=x* ( 3.2-1.3)+1.3PID 子程序设定值VD104 为归一化 0-1 之间的值0-300 度-6400-320230-32023-0-1综合得 0-300 度0.2-1 X=T*(1-0.2)/300+0.2PID 参数整定PID 参数整定方法就是确定调整器的比例系数
14、 P、积分时间Ti 和微分时间Td， 改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程到达最为满足的质量指标要求。 一般可以通过理论计算确定，但是误差太大。目前，应用工程做多的还是工程整定法：如阅历法、衰减曲线法、临界比例带法和反响曲线法。阅历法又叫现场凑试法，它不需要进展事先的计算和试验，而是依据运行经 验，利用一组阅历参数，依据反响曲线的效果不断地转变参数，对于温度掌握系 统，工程上有大量的阅历，其规律如下表所示：表 4-12据被控变凰P淋度比例糜30-60枳分时何(分钟】3*100.5-3试验凑试法的整定步骤为“现比例，再积分，最终微分”。 整定比例掌握将比例掌握作用由下变大，观看各次响应，直
15、至得到反响快、超调小的响应 曲线。 整定积分环节先将步骤 中选择的比例系数减小为原来的 5080%再将积分时间置一 较大值，反复试凑至获得满足的掌握效果，确定比例和积分参数。 整定微分环节先置微分时间Td=0,同时相应的转变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满足的掌握效果和PID 掌握参数。依据阅历，微分环节一般都置为的尽量不要调。0，可以不调依据反复的试凑，调出比较好的结果是设定值：00. 00人机界面P=30;l=0.5;D=0。检测值：04 00输出值：00. 00比例系数 g00积分系数：00. 00给定值 检测值 输出值微分系数!-00实时曲线如以下图所示:过程掌握系统和现场总线掌握
16、系统现场总线把单个分散的测量、掌握设备变成网络的一各个节点，并以现场 总线为纽带，把他们连接成可以相互沟通信息、 共同完成自控任务的网络系统和 掌握系统。它不但抑制了 DCS那种系统构造简单、造价昂贵、铺张大量铜线等缺 点，而且是自控系统与设备具有了通信力量， 把它们连接成网络系统，参加到信 息网络的行列。因此，现场总线将工业过程掌握引入一个的时代。实训心得重点这周实训为期虽然很短，但我在教师和同学的帮助下成功运用了组态王和 S7-200 设计了一个人机监控的温度掌握系统，系统承受位置式 PID 掌握，得到 了一个反响快速， 掌握精度高、稳定牢靠的温度掌握系统。生疏硬件电路，把理 论和实践相结
17、合， 把各个局部对应起来， 加深对 PID 掌握器的了解和作用， 尤其 是在调试 PID 三个参数：比例系数、积分系数和微分系数， 花了很多时间才能调 试出令这个系统运行更快、更稳定的参数，并加深每个参数对系统的影响。组态王操作便利，简洁上手，功能强大，为我们在调试程序和系统测试的 时候供给了很大的帮助。 通过实时趋势曲线可以很好的了解系统的动态特性， 方 便修正 PID 参数。固然，此温度掌握系统还存在一些缺乏的地方： 由于此系统散热慢，掌握与外界温度的转变由很大相关，虽然最终都能把温 度掌握在要求的范围内，但是调整时间有时过大。 程序设计不够合理。五、 参考资料马莹，基于 PLC 和组态软件的加热炉温度掌握掌握系统S7-200 中文系统手册