PLC温度程序控制器设计.doc

毕业设计（论文） 题 目 PLC温度程序控制器设计 院 （系） 专业班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 评阅教师 职称 2014年 6 月 6 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它学生毕业设计（论文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业设计（论文）作者（签字）： 2014 年 6月 6日摘要在现代化生产中，温度是最基本的重要参数，任何数据都离不开温度的影响！因此，对温度的控制显得尤为重要！尤其是在化工、冶金、机械、食品、石油等工业中显得特别重要！因此，设计出一种能够控制温度的系统是当今迫切需要的，本设计即是针对温度程序控制而进行的一系列探究。根据设计的要求对硬件进行了选择，然后设计出硬件连接原理图。根据设计出的硬件图，完成PLC的端口设计，然后就开始用PLC编写梯形图，然后利用PID调节控制温度，完成整个设计的控制。设计的最后完成了温度的程序控制要求，并且调试出的结果达到了温度程序控制的效果。关键词：温度程序控制 PLC 核心ABSTRACTIn the modernization of production,temperature is an important parameter inthe most basic,the impact of anydatacannot do withouttemperature!Therefore,the temperaturecontrol isparticularly importantfor!Especiallyin thechemical industry,metallurgy,machineryis,food,petrole.umindustryis.particularlyimportant!Therefore,to design asystem cancontroltemperatureisin urgent need,the design isa series ofresearchfor the temperatureprogram controlof.The temperature programcontrolsystem is already verypopularproductsin the modernization ofall walks of life,they havethe same principle,theprinciple is different,but in generalcan be divided intodynamic temperaturecontrol andconstanttemperature controlin two categories,different products mayuse differentequipment to completecontrol correspondingly,and thisdesign isto controlthetemperature by usingPLC program,the regulatortreatment ontemperature changetomeet theneeds of peopleto control the temperaturechangesby PID.The design offinishingtemperature control requirements,butin some placescan not achieve theearliest expectedresults,but thedesignis not the end,the systemwill be updatedwith the progress of the times andprogress.Keywords: Temperature control； PLC； Kernel目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 本课题的目的及意义11.2 国内外研究现状分析11.2.1 传感器研究现状分析21.2.2 PLC的研究现状分析31.2.3 触摸屏研究现状分析31.3 设计内容32 硬件设计52.1 传感器选择52.2 PLC选择62.3模拟量输入模块（AD转换模块）82.4 固态继电器92.5 触摸屏选择102.6 硬件设计图123 温度控制算法143.1 温度控制与PID运用143.2 PID算法154.程序设计184.1程序设计流程图184.2内存地址分配184.3 PID指令回路表194.4程序设计205 WinCC flexible设计265.1 创建一个新画面265.2 组态画面对象275.2.1 变量的生成与组态285.2.2 开关和按钮的生成与组态285.3 画面设计296 系统调试306.1 PLC调试方法306.2 PLC调试结果337 结论37参考文献38致 谢391 绪论1.1 本课题的目的及意义随着现代工业的快速发展，温度在工业生产的作用越来越重要，工厂需要对该工业生产中的温度进行系统的控制，如冶炼钢铁工业进程中，需要对刚刚出炉的钢铁进行热处理，还有各种反应炉、锅炉、加热炉等都需要进行温度的实时监控和控制温度的精确度，尤其在养殖行业里面，温度的偏差或许会直接导致养殖群的集体死亡。温度是一个在日常生活、医院、环境、钢铁生产等众多行业的常见物理量。并且，在很多的行业温度控制的范围不是人能够靠近控制的，比如钢铁加热炉，几千摄氏度的高温，人根本无法靠近，或者有些地方根本不需要人为的去控制。现如今有很多加热炉只是采用简单的温度控制仪表和电路来控制温度，这样的控制很难达到控制要求，有很多的缺点。各个行业都存在不少这样的情况，因此设计一个比较通用的温度控制系统是非常有意义的，而对于控制，PLC能使操作更简单方便，也更显得现代化，并且它还能胜任很多危险的环境，所以，此设计选用PLC控制。温度控制技术可以根据控制目标的不同分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。什么是动态温度控制呢？其实就是预先绘制出温度变化的轨迹，然后控制系统温度随着此轨迹进行发展的控制系统。那什么又是恒温控制系统呢?相对无言，恒温就是温度恒定不变，由于外界因素可能导致温度的变化，此系统即是为了消除这些变化而达到一定波动范围调节温度的系统。从工业控制温度的变化来看，温控系统可以大致分为3种：1.定值开关温度控制法；2.PID线性温度控制法；3.智能温度控制法；本设计最终选择采用PID线性温度控制法来达到温度控制，因为这种最适合本设计的要求，且最容易实现。1.2 国内外研究现状分析大概从一九七几年左右，大量的工业生产环境都需要得到需要的温度环境，并且随着相应科学技术的快速发展，大量理论和设计的发展推动，国外在温度控制这个领域就一直不停的研究，并取得了大量的成果，尤其是在智能化控制系统，参数的自动整定以及自动适应等等众多方面取得硕果，其中尤以美国、英国、印度、日本等国在这方面的发展遥遥领先，不但满足本国的需求，还生产了大批量出口的，且性能强劲的控制器及相关仪表，并且在各行各业广泛应用，它们注意有以下几个特点：1. 适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；2. 能在即使控制系统的数字模型都不容易建立的情况下也能使用的温度控制系统；3. 他们采用智能控制、自动适应控制、误差控制等理论和世界先进的计算机技术设计的系统，能够处理过程复杂，参数易变的温度系统控制,能够应用于很多环境；4.大多数的温度控制器都具备有参数的自动控制的功能。靠着他们领先世界的计算机先进技术，温度控制器不仅仅能够对控制对象的特性并且还能进行参数自动整定。而且有的还具有自学效仿的能力，它能根据以往经验和对象的变化，自动调整控制参数，以能更好的控制系统；5. 并且国外的温度控制系统的控制精度已经非常高，抗干扰能力也非常强，他们现如今的发展方向已经是转向更高精度和智能化及缩小体积了；在我们的国家，温度控制系统的已经在很多行业应用起来，但是在国内自己生产的温度控制仪器的技术水平还非常的低，能够达到的要求还很低，根本无法和国外如印度、日本相比。我们目前的水平还只是别人80年代左右的水平，相差甚大。稍稍能够拿得出去比较的PID控制及点位控制技术都只能适应一些简单的温度控制，难以在滞后、时变的高难度控制中应用。对于那些高难度的控制技术还不是很成熟，自产的此类商品根本无法和国外的相比较，也根本没有市场，靠着价格低廉苟延残喘。我们必须克服这些差距，随着我国的经济发展，并且加入WTO的影响，政府对企业也是非常的重视，相继创建了国家研发中心，并和企业合资，或让企业独资，合作等关系，促使我国的温度控制领域的迅猛发展。1.2.1 传感器研究现状分析作为信息技术的核心基础技术的传感技术，是当代所有发达国家都争相投资科研的重要技术，是在21世纪乃至很长一段时间都最优先发展的先进技术。该领域所涉及的知识非常广泛，它的研究和发展与其他行业科技也越来越关系紧密。国外传感技术都是诞生成长于他们迅敏发展的工业化浪潮，并且多数是经过国家首先开创研究应用于军事、航天等领域的研究实验，最终带入了民用工业。随着工业不断的发展，电子、自动化、计算机技术等的不断进步，日本、美国等发达国家的传感器技术已经在国际市场起了领导地位。而在我国传感器检测这方面技术的发展非常的停滞，要不是经过一次次的国家政策的鼓励，比如“六五”、“九五”，最终才得到了初步的进步，形成了传感器研发、生产和应用的体系，而且在某些地方取得了为世界瞩目的成果，如数控机床上的应用及工矿监控系统、仪器。但是，传感器在我国的总体情况依然是非常依赖国外的技术支持，我国大多数传感器产品还是进口于国外，自己生产的产品在市场的占有率非常低，主要是国内的创新和改进还很差。1.2.2 PLC的研究现状分析 在西方发达国家，可编程控制器（PLC）都已经投入工业生产的使用，并且越来越受到企业的欢迎，市场需求年年增长，据估计，1998年全球的可编程控制器（PLC）的市场有接近5000万美元，到2001年可编程控制器（PLC）的市场可能高达2亿5000万美元，后面更是逐年上升。目前，西方各发达国家都已经把可编程控制器（PLC）当成战略发展对象来研究开发。工业领域对可编程控制器（PLC）的应用已经非常广泛，并且被使用的趋势越来越高。可编程控制器（PLC）差不多是在1997年引进国内的。现在国内的一些研究这方面的公司及相关机构也得到了些许的基础技术，不过始终是发展太晚，至今仍没有任何的企业或者机构设计出一款完整的设备出来。不过，在国内还是有一些人在不断努力，开发一款具有自己版权的中国人自己语言编程的可编程控制器。国人的实力还是有的，只不过起步晚，但不一定就会永远落在别人的后面，比如我国自行开发的DCS系统，就已经能够媲美国外领先的系统了。1.2.3 触摸屏研究现状分析1971年，世界上第一个触摸传感器被一个美国人创造了出来，虽然和如今的触摸屏有所差异，不过却为触摸屏的发展奠定了基础。触摸屏最初多数是为了工控计算机和POS机等设备设计的，发展至今，触摸屏已经实现在了方方面面，比如如今的手机行业，电脑行业等；但目前的触摸屏技术主要还是掌握在美国、日本等发达国家。在中国，触摸屏行业还正在起步阶段，不过他的发展潜力巨大，有可能成为我国电子工业的重要领域。现如今，所有的控制都是朝着方便的方向发展，其中就包括触控和遥控，所以全触屏产品是发展的必然趋势，在不久的将来，触控、遥控设备将处处可见。而且触摸屏将更进一步，利用大脑和眼睛感应作出指示，给人们带来更多的方便。1.3 设计内容本设计是针对现代化需要，利用PLC程序控制，传感器检测技术，触摸屏显示来完成整个设计。本设计主要研究对象是一个恒温箱，要求对交变温度试验箱进行温度程序控制，温度控制的范围在0-100度之间，精度要求为0.5度，必须采用热平衡法实现加热功能，采用触摸屏进行输入操作和输出显示，可进行温度程序曲线设定值、PID控制参数、温度超限报警设定值设置，可显示当前温度设定值和实际测量值。并且要求对制冷压缩机进行过载保护、超压保护，循环风机进行过载保护，试验箱进行超温保护。根据设计要求，开始进行后面的设计。 2 硬件设计2.1 传感器选择温度传感器的种类繁多，总体来说大致分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器13。接触式传感器即字面意思一样，传感器会和被测物体接触，进行温度传递，进而测出温度，但由于被测物会有能量传递出来，也就会降低被测物体的温度，也就是说得到的温度会比实际的低，测量精度就低了，也就成了这种传感器的缺点，因此这种传感器就应该适用于那种热量大的被测物。非接触式传感器则是利用红外线，由于物体发热都会产生红外线，而其强度能够反应出温度的大小，这种测量温度的方法可以实现远距离测量，不吸收被测物体的热量，切测量速度快，但是其制造成本很高，测量精度也较低。热电阻传感器和热电偶传感器是接触式传感器里面使用最多的种类，他们的区别在于热电阻是通过温度影响电阻的变化而测出温度值，而热电偶是利用温度使电动势的变化来反应温度值。对应于本设计的要求，最终选择了热电阻温度传感器，确定为pt100温度传感器。Pt100温度传感器属于热电阻传感器，当然也就具有热电阻传感器的一切特性，它是采用聚四西三芯，而且聚四西三芯是能在高达200摄氏度左右的温度仍能运行的镀了银的线条，该传感器的精度很高、非常稳定、安装方便、使用简单、体积又很小、很轻、不怕震动，是非常实用的一种温度传感器，因此它的应用也是非常广泛，包括航天航空、汽车、医疗设备等等众多领域。大多数的金属热电阻的电阻值和温度的函数关系总结成如下式表示： (2.1)其中：Rt 是t时刻的电阻值 是温度为 时对应的电阻值 是温度系数Pt100温度传感器测量温度与电阻之间的关系经过长时间的实践，总结了更为简单的函数关系，如下函数： （2.2）其中： 是Pt转换后得到的最终电阻值t 是当前传感器的实际温度图2.1 传感器图示选择该传感器还是因为后面会选择EM231，配套使用！2.2 PLC选择本设计的要求是使用西门子S7-200PLC，而此PLC系列一共有4个不同的基本型号8种CPU提供选择，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。S7200PLC应用广泛，基本所有的自动检测、自动化控制相关工业及民用企业都用到此PLC，如各种机床，电力设备，民用设备等等，具体的如空调、电梯，磨床等。用可编程控制器（PLC）来控制的系统使用灵活，并且可以随时扩展，它与其他控制最大的区别就在与它是用开关量来控制，这样使得使用起来非常简单，编程就容易得多了，并且可以采用更加容易看懂的梯形图、逻辑图或者语句表等编程语言，不需要使用者拥有高深的电脑知识就能使用可编程控制器（PLC）的一切功能设计。而且一个可编程控制器（PLC）控制的系统设计不需要长时间的开发，也能随时随地的进行更改，随时随地的更改程序改变控制，而且可编程控制器（PLC）能在各种恶劣的环境下应用，抵抗干扰的能力非常强大，而可靠性还非常高，都远远优于其他控制。根据设计的要求，能够满足要求的切最适合的，最终确定CPU224型号。此CPU外形图及型号参数如下：图2.2 PLC 224外形图表2.1 PLCCPU 224参数信息表电源电压DC 24V，AC 100230V电源电压波动DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）环境温度、湿度水平安装0550C，垂直安装0450C，595%大气压8601080hPa保护等级IP20到IEC529输出给传感器的电压DC 24V （20.4-28.8V）输出给传感器的电流280mA，电子式短路保护（600mA）为扩展模块提供的输出电流660mA程序存储器8K字节/典型值为2.6K条指令数据存储器2.5K字存储器子模块1个可插入的存储器子模块数据后备整个BD1在EEPROM中无需维护在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400C时120h），插入电池后备200天编程语言LAD，FBD，STL程序结构一个主程序块（可以包括子程序）程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1255ms）子程序级8级用户程序保护3级口令保护指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37s扫描时间监控300ms（可重启动）内部标志位256，可保持：EEPROM中0112计数器0256，可保持：256，6个高速计数器定时器可保持：256，4个定时器，1ms30s16个定时器，10ms5min236个定时器，100ms54min接口一个RS485通信接口可连接的编程器/PCPG740P = 2 * ROMAN II，PG760P = 2 * ROMAN II，PC（AT）本机I/O数字量输入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能数字量输出：10，其中2个可用作本机功能，模拟电位器：2个可连接的I/O数字量输入/输出：最多94/74模拟量输入/输出：最多28/7（或14）AS接口输入/输出：496最多可接扩展模块7个2.3模拟量输入模块（AD转换模块）对应设计的要求，需要选择对温度的转换模块，即把温度这个模拟量转换成PLC能够读取的数字量！综合考虑选择了EM231AD转换模块！针对该模块的有如下几种模块：表2.2 EM系列模块参数输入模块通道数量程范围EM231普通模块4 单极性：0-10V;0-5V;0-20mA或0-40mA 双极性：5V；2.5V 8EM231热电偶模块4支持：S,T,R,E,N,K,J,不支持B型热电偶8EM231热电阻模块2铂（Pt），铜（Cu），镍（Ni）或电阻（R120dB120V ACLED灯指示24V DC电源供电良好ON=无错，OFF=无24V DC电源，SF：ON=模块故障，闪烁=输入信号错误,OFF=无错输入分辨率模拟量输入特性温度0.1/0.1输入类型模块参考接地热电阻电压15位加符号位输入范围热电阻类型(选一种):测量原理Sigma-DeltaPt-100，200，500，1000(=3850PPm，3920PPM，3850.55 PPM，3916PPM，3902PM)模块更新时间(所有通道)425ms825msPt-10000(=3850PPM)到传感器的导线长度最大100米Cu-9.035(=4720PPM)导线回路电阻20，Cu型2.7Ni-10，120，1000(=6720PPM，6178PPM)噪声抑制85dB 50Hz/60Hz/400HzR-150，300，600数据字格式电阻：-27648至+27648输入点数24输入阻抗10M输入滤波衰减-3dB 21kHz最大输入电压30V DC（检测），5V DC（源）基本误差0.1% FS(电阻)分辨率15位+符号位重复性0.05% FS2.4 固态继电器固态继电器（简称SSR）是一种随着现代化应运而生的新型无触电开关，组成它的主要元件是固体电子，它是利用电子组件的开关特性，达到无触点、火花、且能起到接通和断开电路的目的，所以又叫无触电开关14。固态继电器的作用是扩大电流输出，就如输入小电流，输出大电流，在一些高电压作业的场所这种设备是保障安全的必要措施。固态继电器由三部分组成：输入电路，隔离（耦合）和输出电路；1）输入电路输入电路就是信号的传人电路，可以根据传入电压的不同分成三种电路：直流输入电路、交流输入电路以及交直流输入电路,有的输入电路还能和TTL/CMOS组合，以得到逻辑控制和反相等等新功能，电路连接方便14。2）隔离（耦合）固态继电器的输入输出电路的隔离和耦合有两种方式：光电耦合和变压器耦合14。3）输出电路固态继电器的输出电路和输入电路一样，也分成三种不同的电路，分别是直流输出电路、交流输出电路和交直流输出电路14。固态继电器的输出电路就是一个开关负载的原件。通过PLC把控制的温度经DA转换，然后传入固态继电器信号，使固态继电器驱动发热原件工作。在最后的考虑中，决定了用GOLD固特三相交流固态继电器SA3-4080D 80A SA34080D，该型号的具体主要参数如下：表2.4 SA3-4080D 80A SA34080D固态继电器参数信息 此固态继电器连线图：图2.3 固态继电器接线图2.5 触摸屏选择触摸屏，也叫做触控屏、触控面板。它利用屏幕上的感应系统反馈对屏幕触碰的信息的一种新型设备，然后该系统会根据事先编程规定的指令运行接下来的步骤。触摸屏是现今最流行的输入设备，已经应用在了很多的领域，比如我们最常见的手机，已经普遍是触摸屏控制的了，还有其他很多的领域都使用了触摸屏的控制，因为它是目前为止最简单方便的人机交流设备。触摸屏按照其技术原理大概可以分为五个种类：矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏16。其中优缺并存，根据不同的场合选择不同的类型。另外触摸屏还可以按照它不同的工作原理和信息传输的方式分为电阻式触摸屏、电容感应式触摸屏、红外线式触摸屏以及表面声波式触摸屏16。它们各自有自己独有的，但也都存在着缺陷，这就根据需要选择不同的原理的触摸屏。本设计选用触摸屏来进行参数显示和设置，使其系统显得更加人性化，操作更加方便简单。生产应用于PLC的触摸显示屏的厂商主要是国外的发达国家，其中以三菱，欧姆龙，keyence，proface，西门子等公司的产品应用最多，本设计采用西门子PLC，因此选择西门子触摸屏以达到匹配。最终确定型号为西门子触摸屏 Smart700IE 6AV6 648-0BC11-3AX0，该型号主要参数如下表：表2.5 Smart700IE 6AV6 648-0BC11-3AX0参数信息上显示尺寸（英寸）7英寸宽屏开孔尺寸（mm）192138前面板尺寸（mm）213159显示类型LCD-TFT分辨率（宽高.像素）800480颜色65536亮度250cd/m2亮度调节背光寿命（25）最大40000小时（屏保）触屏类型4线电阻式触摸屏CPUARM.400MHZ供电电源24VDC电压允许范围19.2V-28.8VDC内存64MSDRAM+8MFlash蜂鸣器时钟软件时钟通信接口1422/485以太网接口1RJ45USB-MMC/SD/CF卡槽-功能键-表2.6 Smart700IE 6AV6 648-0BC11-3AX0参数信息下环境条件操作温度0-50存储运输温度2060最大相对湿度90%耐冲击性15g/11ms防护等级前面IP65背面IP20软件功能组态软件SIMATIC WinCC flexible 2008可连接的西门子PLCS7-200变量800画面数100报警缓存256配方5趋势曲线报警缓冲脚本/存档认证CE下面即列出西门子S7-200系列匹配触摸屏的一种外观图： 图2.4 西门子s7-200触摸屏2.6 硬件设计图根据前面选择好的硬件，最终设计出总的硬件连接图如下：图2.5 硬件设计总连接图3 温度控制算法3.1 温度控制与PID运用图3.1 PID温度过程控制图上图就是一个在工业生产或现实生活中常用的过程控制闭环系统，它主要作用就是控制一个特定的环境的温度保持在设定的温度范围内。该系统有温度传感器获得温度信息，用来采集实际的温度获得和需要的温度的误差值，然后利用PID调节器的运算，得到控制系统调节的数据，然后驱动固态继电器控制发热管的发热量，来克服这个温度变化，保证它的误差趋近于无。就比如，假如某一瞬间，恒温箱里面的热量散失很多，也就是温度变化很大，这个时候就会通过反馈调节，使温度返回到变化之前的温度，它的温度调节过程如下图：图3.2 PID温控关系变化图温度控制输出是靠固态继电器，固态继电器是以脉宽可调电压作为输出端口。当固态继电器的输入端传人信号，输出端就会有电压加载到驱动的发热原件两顿，使其工作。当SSR没有接收到输入信号时，SSR就会断开。所以，发热原件两端的电压平均值就为： （3.1）其中K=是在一个周期里面SSR运行的比率，叫做占空比或者负载电压系数，K值一般在0-1之间。调节K值的方式，因为周期一般是固定的，所以就调节t值，使发热管电压变化，这种调节方法叫做定频调宽法。PID调节器的作用就是任一时刻它都能够计算出为了使加热区抵消在外界干扰情况下的温度变化调节的K值，保障系统的温度。温控系统的惯性比较大，所以在给加热区加热时，并不能马上达到设定的温度，而是会经过一段时间的缓冲，同理，当停止加热的时候，它也不能马上就把温度定下来，而是会仍然有一小段时间的加热。温控系统的惯性大就给温度控制造成了比较大的麻烦，也就是假如我们在系统达到我们设定的温度停止加热，那么最终的温度可能会超过预计的温度，而如果我们在没达到温度就停止加热又怕会达不到预期的温度。这就是温度难以控制的根源。因此，我们为了处理这样的情况把温度控制划分成PID调节前阶段和PID调节阶段两部分，下面就是对这两部分的讲解：1）PID调节前阶段在这个阶段，实际温度离我们预期的温度还相差很远，因此可以通过SSR 调节K值，使发热原件满负荷运行，即使K=1，使系统响应时间更短，更快达到要求，而当温度上升的速率超过了某一个上限值的时候，就直接关闭SSR，即使K=0，停止系统加热输出。因此，在这个阶段，根本没用到PID调节，完全靠加速速率调节SSR的K值在控制温度变化。2）PID调节阶段这个阶段就是靠PID控制输出了，PID根据算出的偏差值控制K值，来控制此偏差值一直保持在接近于零这个界限，就算是有外界干扰，也能使这个系统稳定。3.2 PID算法PID其实是P、I、D三个字母合并来的，也就当然代表着三种不同的意思组合而成的一种功能。它是原理基础来自如下面的公式： （3.2）输出= 比例项 + 积分项 + 微分项 + 常数项其中： PID控制得到的输出，是关于时间的函数； PID控制的比例增益； e PID控制产生的偏差，即初始值与变化值之差； PID控制的静态输出值；由于公式（3.2）是理论算法，计算机并不能处理无限运算次数的式子，因此，必须转换成有限次数的算式，才能利用计算机计算输出，转换成的算式为： （3.3）输出=比例项 + 积分项 + 微分项 + 常数项从公式（3.3）可以看出来，PID运算的积分项只计算第一个周期和当前周期的偏差的函数，微分项则是当前和当前前一次偏差结果的函数，而比例项就只是当前采样的函数。由于利用计算机计算并不是所有误差项都会存储，而是计算一次，就会被下一次的覆盖，也就是说最多只保存当前和前一次的值，利用计算机重复处理的高效性，可以把上面的公式再变换为下面的公式： （3.4）输出 = 比例项 + 积分项 + 微分项 + 常数项其中： 是在第n 次采样时刻，PID回路的输出计算值； SV PID 控制设定值； 是在第n 次采样时刻的变化量值； 是在第n1 次采样时刻的变化量值； 积分前项值； PID控制的静态输出值； PID控制的比例增益； 积分项的比例常数 是离散化时的采样时间间隔 是积分时间参数； 微分项的比例常数 ； 是离散化时的采样时间间隔 是微分时间参数；从上面的一系列公式大致可以看出、 、在控制中的主要作用：1)的比例调节作用：比例项是按照比例反映系统偏差的，系统一出现偏差，比例项就会朝使偏差消失的方向调节。比例调节是大范围的调节，因此对于偏差很大的情况能够很快的调节回来，但是就因为比例调节比较大，从而导致系统很不稳定。2）的积分调节作用：积分项是消除系统稳态误差，提高无差度的。积分是随着偏差的存在而存在的，它总是输出一个固定的值。积分项是提高系统的精度，单是它反应缓慢，同时也就降低了系统的响应速度。3） 的微分调节作用：微分调节环节是不能单独使用的，必须和前面的两种调节配合使用，它对干扰有扩大的作用，因此微分调节太强，对于系统的抗干扰能力会有所下降，在我看来，微分调节最大的作用在于他能预测变化趋势，从而在偏差产生之前就消除它产生的原因，提高系统的动态性能。如果微分参数 选择恰当，还可以减少调节时间，加快系统响应。4.程序设计运行PLC初始化PID初始化运行指示灯调用子程序1-5设定温度t1-5设定PID值每100ms调用一次中断程序读入温度并转换把实际温度值放入VD100调用PID指令输出PID值返回主程序子程序1-5中断程序4.1程序设计流程图图4.1 程序流程图4.2内存地址分配表4.1 内存地址分配表地址说明VD0实际温度存放VD5设定温度t5存放VD4设定温度t4存放VD3设定温度t3存放VD2设定温度t2存放VD1设定温度t1存放输入端口地址0.0SB10.1SB20.2FR10.3FR2输出端口地址0.0KM10.1KM20.2超温报警器4.3 PID指令回路表表4.2 PID指令回路表偏移量名称说明0过程变量（）在0.01.0之间取值4给定值（SPn）在0.01.0之间取值8输出值（）在0.01.0之间取值12增益（）比例常数，可正可负16采样时间（）单位（s），而且必须是正数20采样时间（）单位（min），而且必须是正数24微分时间（）单位（min），而且必须是正数28积分项前值（）在0.01.0之间取值32过程变量前值（）在0.01.0之间取值4.4程序设计4.4.1启动设备的第一次采集读取模拟温度信号，并把获得的模拟温度数据转换为PLC识别的16位数字代码；4.4.2判断恒温箱温度是否在要求范围之内，打开正常运行指示灯、超温报警灯4.4.3 启动过程：按下开始运行开关后，立即就会置位标志位SB1，而使FR1复位。正常运行指示灯Q0.0则会点亮，停止指示灯则不会亮，并且恢复默认PID设置。开始运行子程序0。停止过程：按下停止运行开关后，立即就会复位标志位SB2，停止指示灯马上点亮，并且熄灭运行指示灯。并会把输出模拟量AQW0归零，停止恒温箱继续加热。终止程序调用，但仍会显示恒温箱温度，以完成后续的要求。4.4.4 判断是否在加热。4.4.5 停止时模拟量输出清零，防止恒温箱继续升温。4.4.6 调用子程序1-54.4.7 子程序1）分别输入设定温度2）把设定温度、P值、I值、D值都导入PID3）每100ms中断一次子程序进行PID运算4.4.8 中断程序，PID的计算1）模拟信号的采样处理，归一化导入PID2） DIP程序运算3） 输出DIP运算结果，逆转换为模拟信号 5 WinCC flexible设计5.1 创建一个新画面WinCCflexible是德国西门子公司开发的一款用于组态用户界面操作和监视机器设备设计的组态软件，是应用与触摸屏设计的软件，该软件的操作界面图如下：图5.1 WinCCflexible软件界面图在WinCCflexible里面创建一个新画面的具体步骤如下： 1.在打开的项目窗口中，从左侧的“项目视图”中选择“画面”组。2.双击快捷菜单中的 “新建画面”，画面在项目中生成并出现在项目窗口中间的工作区域，画面属性显示在下方的“属性视图”中，如下图所示。 图5.2 WinCC flexible画面设计图5.2 组态画面对象变量编辑器用来创建和编辑变量。 在打开的项目窗口中，双击左侧“项目视图”中“通讯”组下方的“变量”图标，在工作区域将打开如下图所示的变量编辑器。 图5.3 WinCC flexible画面按钮设计图5.2.1 变量的生成与组态 所打开项目中所有的变量将显示在该编辑器中，编辑器的表格中包括变量的属性：名称、连接、数据类型、地址、数组计数、采集周期和注释，可以在变量编辑器的表格中或在表格下方的属性视图中编辑变量的这些属性。 图5.4 WinCC flexible变量设计图5.2.2 开关和按钮的生成与组态“开关”的生成与“域”的生成类似，其组态也是在工作区域下方的属性视图进行。 如下图所示，在属性视图中“常规”组的“设置”区域可以设置开关的格式。 图5.5 WinCC flexible画面开关设计图图5.6 WinCC flexible画面开关设计图5.3 画面设计根据设计的要求，在触摸屏的显示界面上设计了需要的内容，具体图形如下：图5.7 触摸屏界面图6 系统调试6.1 PLC调试方法首先打开s7_200模拟仿真器，界面如图:图6.1 s7_200模拟仿真器界面然后设置CPU型号为选定型号CPU224，设置图如下：图6.2 选择CPU型号然后选择选定好的模块，如下图：图6.3 选择模块最后装载程序，如下图：图6.4 装载程序点击确定按钮，选择编好的程序文件：图6.5 选择程序图最后生成对应的程序：图6.6 程序生成图然后点击绿色三角按钮，进入运行状态：图6.7 程序启动6.2 PLC调试结果图6.6 程序运行中图6.9 前期满负荷运行，检测并输出图6.10 变化过程图6.11 随着输入变化，输出也变化图6.12 随着输入变化，输出也变化图6.13 高温报警图6.14 高温报警图图6.15 解除报警7 结论本设计采用西门子可编程控制器（PLC） S7-200为核心控制，最终设计出的温度控制系统。PLC的实用性强，且抗干扰能力强，是众多现代化工业控制的常用选择，本设计选择PLC虽然是设计要求，不过也是出题人精心策划确定下来的。 然后，本设计选择PID调节器对温度的准确进行控制，这种方法也是在绝大多数的温度控制系统中应用很广泛的一种控制算法，大多数的产品应用都比较的成功。本设计经过几个月的精心查阅，对众多资料参考，最终成功的完成了一个能够有效控制温度的系统。当然，此温度控制系统不可能非常完美，仍然有很多的缺点，比如对于温度的控制精度还不够高，达不到工业生产的需求，并不能真正的得到应用，但是我相信经过长时间的改进，最终该系统会应用于生活，应用于工业生产。最后，此系统暂时没有调试，有兴趣的朋友可以阅读本文进行调试，加深对本文的理解。参考文献1 SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册M.北京:机械工业出版社,2002.2 Frank.D.Petruzella.PLC教程（第三版）M.北京:人民邮电出版社,2007.3 西门子（中国）有限公司.深入浅出西门子S7-200PLC（第三版）M.北京:北京航空航天大学出版社,2007.4 陈建明.电气控制与PLC应用M.北京:电子工业出版社,2009.5 郑凤翼,金沙.图解西门子S7-200系列PLC应用88例J.北京:电子工业出版社,2009.6 袁任光.可编程序控制器选用手册M.北京:机械工业出版社,2002.7 戴仙金.西门子S7-200系列PLC应用与开发M.中国水利水电出版社,2007.8 柳梁.编程控制器（PLC）入门PLC及其硬件组成J.计算机时代,1996（5）.9 毛联杰.S7-300系列PLC与组态软件Wincc实现通信的方法J.国内外机电一体化技术,2006（4）.10 曲还波.有效扩展可编程控制器I/O的实用方法J.设备管理与维修,2007.11 焦海生.可编程程序控制器梯形图的顺序控制设计J.内蒙古电大学刊,2006（6）.12 张仑.可编程序控制器中PID控制的研究J.电子电气教学学报,2005（3）.13 丁镇生.传感器及传感技术应用M.北京:电子工业出版社,1998.14 胡鹏程交流固态继电器及其在电机可逆运转中的应用J电工技术，2000（5）.15 李以农，郑玲，郝奕，等基于参数自整定模糊PID的汽车纵向控制J江苏大学学报，2006年第27卷第1期.16 百度.百度百科：触摸屏EB/OL. http:/baike.baidu.com/view/10658.htm?fr=aladdin.致 谢本设计的进行是在我的导师沈老师的悉心指导下完成的，沈老师学识渊博，对于我们的提问都能一一解答、治学态度严谨，针对我们在设计中所犯下的错误都能一一的指出、工作一丝不苟，对于我们的交流从来没有迟到，更有诲人不倦的师者风范，在此谨向沈老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。此外，衷心感谢本组的其他成员，对于设计的探讨也是非常重要的一环，和他们的交谈对我的指导非常关键，正是有了他们才会有这篇论文的产生。毕业在即，衷心感谢指导过我的各位老师，四年的成长离不开他们的谆谆教诲；感谢重庆科技学院，大学生涯是人生中的一笔宝贵财富；感谢辅导员几年的大学生活对我们关怀备至；感谢相伴度过四年的舍友、感谢同窗四年的同学、感谢帮助关心过我的学长，感谢默默关心我支持我的朋友们，祝大家在今后的生活中幸福快乐！最后感谢含辛茹苦抚养我的父母，感谢他们多年来的支持与付出！