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基于PLC的温度控制系统设计（本科论文）.doc

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.25M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    Design of the temperature control Systems based on
    Abstract
    3.1 PLC的定义----------------------------------------
    3.2 PLC的发展----------------------------------------
    1.2 温度控制系统的发展状况
    3.2 PLC的发展
    3.2.1 我国PLC的发展
    3.3 PLC的系统组成与工作原理
    3.3.1 PLC的组成结构
    3.3.2 PLC的扫描工作原理
    3.4 PLC的发展趋势
    4.1PID控制程序设计
    4.1.1PID控制算法
    4.1.2 PID在PLC中的回路指令
    4.1.3 PID参数整定
    基于 PLC 的温度控制系统设计 摘要 可编程控制器(plc)作为传统继电器控制装置的替代产品已广泛应用工业控制的各个领域，由 于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小，组装灵活，编程简单抗干扰能力强及可 靠性高等特点，非常适合于在恶劣的工业环境下使用。本文所涉及到的温度控制系统能够监 控现场的温度，其软件控制主要是编程语言，对 PLC 而言是梯形语言，梯形语言是 PLC 目前 用的最多的编程语言。 关键字： PLC 编程语言 温度 Design of the temperature control Systems based on PLC Abstract Programming controler ( plc ) the replacing product as traditional relay control equipment each that already applies industrial control extensively field ，Since it can change control course through software ，It is little to have volume ， Assembly is flexible , the programming simple ability of interference rejection is strong and reliability higher characteristic, suit very much in bad industrial environment use. The temperature control system that this paper is concerned with can the temperature of monitoring , its software control is programming language mainly, for PLC is ladder-shaped language, ladder-shaped language is the most programming language that PLC now uses. Keyword： PLC Programming language Temperature 1
    目 录 摘要----------------------------------------------------------------------------------------------------1 Abstrack-----------------------------------------------------------------------------------------------1 1 引言-------------------------------------------------------------------------------------------------3 1.1 课题研究背景----------------------------------------------------------------------------------3 1.2 温度控制系统的发展状况----------------------------------------------------------------------3 1.3 总体设计分析----------------------------------------------------------------------------------6 2 系统结构模块 ------------------------------------------------------------------------------------6 3.1 PLC 的定义--------------------------------------------------------------------------------------7 3.2 PLC 的发展--------------------------------------------------------------------------------------8 3.2.1 我国 PLC 的发展-------------------------------------------------------------------------8 3.3 PLC 的系统组成和工作原理-----------------------------------------------------------------9 3.3.1 PLC 的组成结构--------------------------------------------------------------------------9 3.3.2 PLC 的扫描工作原理------------------------------------------------------------------9 3.4 PLC 的发展趋势------------------------------------------------------------------------------10 3.5 PLC 的优势--------------------------------------------------------------------------------------10 3.6 PLC 的类型选择--------------------------------------------------------------------------------11 PID 控制程序设计-----------------------------------------------------------------------------12 4.1 PID 控制算法---------------------------------------------------------------------------12 4.1.1 4.1.2 PID 在 PLC 中的回路指令-------------------------------------------------------------14 4.1.3 PID 参数设置-----------------------------------------------------------------------------16 4.2 3A 模块及其温度控制-------------------------------------------------------------------17 3A 模块的介绍--------------------------------------------------------------------------17 4.2.1 4.2.2 数据转换----------------------------------------------------------------------------------18 4.2.3 软件编程的思路---------------------------------------------------------------------------19 5 程序的流程图---------------------------------------------------------------------------------------19 6 整个系统的软件编程---------------------------------------------------------------------------20 7 结束语---------------------------------------------------------------------------------------------23 谢词------------------------------------------------------------------------------------------------24 参考文献------------------------------------------------------------------------------------------24 2
    1 引言 1.1 课题研究背景 温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相 关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、 化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺 要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食 品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天 然气、油、电等[1]。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为 先进的控制技术和控制理论。 可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技 术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简 单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此 PLC 已在工业控制的各 个领域中被广泛地使用[2]。 目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企 业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的 PID 控制。PID 结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型[3]。PID 的使用 已经有 60 多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。 1.2 温度控制系统的发展状况 温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生 活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出 现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对 温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温 度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于 PLC 的温度控制系统，基于工控机（IPC） 的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。 单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已 经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的 4 位机发展到 32 位机，其性能进一步 得到改善[5]。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。但相对其他温度系统而言， 单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。 PLC 是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻 辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械 或工作程序。PLC 可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前 在工业领域上被广泛应用[6]。相对于 IPC，DCS，FSC 等系统而言，PLC 是具有成本上的优势。 因此，PLC 占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。 工控机（IPC）即工业用个人计算机。IPC 的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋 广泛。它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电磁辐射。过去工业锅 炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是 一个多变量输入的复杂系统。影响燃烧的因素十分复杂，较正确的数学模型不易建立，以经 典的 PID 为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波，积 分分离 PID，选择性 PID。参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表 和人力难以实现或无法实现的[7]。在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对 锅炉的监控品质，提高了平均热效率[7]。但如果单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和 可靠性差的缺点。 3
    集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。 与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。DCS 的关键是通信。也可以说数据 公路是分散控制系统 DCS 的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此， 数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。基本 DCS 的温度控制系统提供了生产 的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率[8]。但 DCS 在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔， 由于设计上的高要求，导致 DCS 成本太高。 现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技 术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基于总线控制系统 （FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点，FCS 系统由于信息处理现 场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而且它可以对现场装置(含变送器、执行器 等)进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的[9]。但是，FCS 还没有完全成熟， 它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，另一方面， 目前现场总线的国际标准共有 12 种 之多，这给 FSC 的广泛应用添加了很大的阻力。 各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际 运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲， 总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。成熟产品主要 以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复 杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不 十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于 国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多 靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整 定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能 优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝 着高精度、智能化、小型化等方面快速发展[10]。 在现代化的今天，现代化控制是一个国家现代化水平的标志之一，在工业自动化领域， 可编程控制器(PLC)作为自动控制的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，成为 大多数自动化系统的设备基础。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工 业环境下应用设计，它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控定时、 计数和算术等操作的指令，并采用数字式、模拟式的输入和输出，控制各种的机械或生产过 程。长期以来，PLC 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备 提供了非常可靠的控制应用。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案， 适合于当前工业企业对自动化的需要。1969 年美国 DEC 公司研制出第一台可编程控制器，用 在 GM 公司生产线上的获得成功。其后日本、德国等相续引入，可编程控制器迅速发展起来。 进入 20 世纪 80 年代，由于计算机技术和微电子技术的迅速发展，极大的推动了 PLC 的发展， 使的 PLC 的功能日益增强。PLC 可进行模拟量控制、位置控制和 PID 控制等，易于实现柔性 制造系统。远程通信功能的实现更使 PLC 如虎添翼。目前，在先进国家中，PLC 已成为工业 控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业。之所以应用广泛，是因为 PLC 有很多优 点，本文涉及的温度监控系统是以 PLC 为核心的监控系统。该项目的最终目标是开发一个能 进行加热，能够通过传感器检测实际的温度值，而且能够显示温度值，当实际温度值和设定 温度值不相等时发出报警信号，以便让操作工控制。本系统在温度控制方面应用广泛，例如 面包的生产，工业中的锅炉加热等。 本系统的控制是采用 PLC 的编程语言------梯形语言，梯形语言是在可编程控制器中的应 用最广的语言，因为它在继电器的基础上加进了许多功能、使用灵活的指令，使逻辑关系清 晰直观，编程容易，可读性强，所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路。温度监控 4
    系统作为一个应用系统，要不断地完善，适应时代、市场的需要才能有所发展。 1.3 总体设计分析 根据温度系统的具体设计要求 ①要求 PLC 系统能够监控反应器的温度。 ②开始工作时全速加热，到设定值时停止加热。 ③保温过程中温度过高/低时能发出报警，声报警能用按钮手动解除，光报警在正常时自动 解除。 基于以上的要求，所设计的系统必须有以下结构模块：温度变送器单元、加热单元、PLC 模 拟量转换模块单元、SSR 单元 。 2 系统的结构模块 三菱 FX 系列 PLC 控制的温度控制系统，由 PLC 作为核心构成的系统可方便地运用软 件设置、调整参数，利用模拟功能模块和功能指令，在外围电路的配合下实现温度模拟信号 采集、Ａ／Ｄ转换与处理。 温度控制系统广泛运用在工业控制的各个领域，温控系统控制方法的好坏、运行性能的合适 与否，直接影响到产品质量、运行效率等。PLC 在温度控制系统中得到了有效的运用，为温 控系统提供安全可靠和比较完善的解决方案。三菱 FX 系列 PLC 控制的温度控制系统，由 PLC 作为核心构成的系统可方便地运用软件设置、调整参数，利用模拟功能模块和功能指令，在 外围电路的配合下实现温度模拟信号采集、Ａ／Ｄ转换与处理。如下图所示为温度控制系统 图。 I/O 分配： X0：开始控制 Y0：故障显示 Y1：电加热器 图 1 3.1 PLC 的定义 可编程控制器（Programmable Controller，简称 PC）是在传统的顺序控制器的基础上，为 满足不断发展的大规模工业生产柔性控制的要求而逐步发展起来的。其功能基本限于开关量 逻辑控制，仅执行逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能．所以当时称为可编程逻辑控制器 （Programmable Logic Controller，简称 PLC）。 由于可编程序控制器仍然处于不断发展之中，因此对它下一个确切的定义是困难的。为 5
    了使其生产和发展标准化，美国国际电工委员会(IEC)于 1982 年颁布了可编程序控制器标准 草案，1985 年提交了第二版，1987 年的第三版对可编程序控制器作了如下的定义“可编程序 控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制 程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作 的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程 序控制器及其相关的外围设备都应该按照易于与控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的 原则而设计。” 由此可见，可编程控制器是专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的 电子装置。 总之，可编程控制器也是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它 具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体 工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进 行设计编制。 3.2 PLC 的发展 提出 PLC 概念的是美国通用汽车公司。当时，根据汽车制造生产线的需要，希望用电子 化的新型控制器替代继电器控制柜，以减少汽车改型时重新设计制造继电器控制柜的成本和 时间。通用汽车公司对新型控制器提出了 10 项指标，概括起来，PLC 的基本设计思想有以下 4 个方面。 (1)把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便价格 便宜等优点结合起来。 (2)控制器的硬件是标淮的、通用的。 (3)根据应用对象、将控制内容编成软件写入控制器的用户程序内存里。 (4)控制器和被控对象连接方便。 随着微处理器和微型计算机技术的发展，70 年代中期以后，PLC 已广泛地用微处理器作 为中央处理器，输入/输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路， 这时的 PLC 已不再是仅具有逻辑判断功能，同时还具有数据处理、PID 调节和数据通信、联网 等功能，总之 PLC 一直处于快速发展之中。 3.2.1 我国 PLC 的发展 我国 PLC 产品的研制、生产，大体上经历了从顺序控制器到 1 位处理器为主体的工业控 制器，再到 8 位微处理器为主体的可编程控制器的三个发展阶段。 1974 年，国内一些高校、科研单位开始研制顺序控制器，大多使用分立元件。随着我国 改革开放政策的落实，同时国外 PLC 人大量进入我国市场，一部分随成套设备进口，一部分 直接引进中小型 PLC 产品(大多为 GE 公司、西门子公司、三菱公司、立石公司等)，开始进入 以 8 位微处理器为核心的 PLC 时代。 目前，可编程控制器已广泛应用子各个工业领域，并取得了明显的效益。主要表现出以 下特点：使用低档机型多，中、高档机型少，使用国外进口机型多，国产机型少；使用在经 济发达地区多，在经济落后地区少，用于单个设备或生产线的多、大批量产品配套的少。因 此，国产化 PLC 的前景是令人鼓舞的，我们必须加快 PLC 国产化步伐，进一步推广 PLC 应用 技术，努力培养相关专业技术人员。 6
    3.3 PLC 的系统组成与工作原理 3.3.1 PLC 的组成结构 PLC 本质上是一台用于控制的专用计算机，因此它与一般的控制机在结构上有很大的相似 性。PLC 的主要特点是能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕着适宜于过程控制的要求来 进行设计的。按结构形式的不同，PLC 可分为整体式和组合式两类。 整体式 PLC 是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等 组装成一体，构成主机。另外还有独立的 I/O 扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU 是 PLC 的核心，I/O 单元是连接 CPU 与现场设备之间的接口电路，通信接口用于 PLC 与编程器和上位 机等外部设备的连接。 组合式 PLC 将 CPU 单元、输入单元、输出单元、智能 I/O 单元、通信单元等分别做成相 应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有 CPU 单 元的底板称为 CPU 底板，其它称为扩展底板。CPU 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一 般不超过 10m。 3.3.2 PLC 的扫描工作原理 与其它计算机系统相同，PLC 的 CPU 采用分时操作原理，每一时刻执行一个操作，随时间 顺序执行各个操作。这种分时操作进程称为 CPU 对程序的扫描。PLC 上电后，首先进行初始化， 然后进入循环工作过程。一次循环可归纳为五个工作阶段，各阶段完成的任务如下： ·公共处理。复位监控定时器(WDT)，进行硬件检查，用户内存检查等。检查正常后，方 可进行下面的操作。如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止 PLC 运行。 ·I/O 刷新。输入刷新时，CPU 从输入电路中读出各输入点状态，并将此状态写入输入映 象寄存器中;输出刷新时，将输出继电器的元件映象寄存器的状态传送到输出锁存电路，再经 输出电路隔离和功率放大，驱动外部负载。 ·执行用户程序。在程序执行阶段，CPU 按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行解 释、执行，CPU 从输入映象寄存器和输出映象寄存器中读出各继电器的状态，根据用户程序给 出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入输出映象寄存器中。 ·外设端口服务。完成与外设端口连接的外围设备(如编程器)或通讯适配器的通信处理。 3.4 PLC 的发展趋势 目前的可编程控制器有以下几个方面的发展趋势： (1)向小型化、专用化方向发展。当前开发出许多简易、经济、超小型可编程控制器，以 使用于单机控制和机电一体化，真正成为继电器的替代品。 (2)向大型化、复杂化、高功能、分散型、多层分布式工厂自动化网络方向发展。可编程 控制器输入输出容量已超过 32K，扫描速度小于 1mS/千步。 （3）编程语言和编程工具朝着标准化和高级化方向发展。 可编程控制器问世时间虽然不长，但已步入成熟阶段。这种工业专用微机系统是高精技 7
    术普及化的典范，使计算机进入工业各行业，使机械设备和生产线控制更新换代。可编程控 制器将成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备。 3.5 PLC 的优势 PLC的主要优点可概括如下: 1、高可靠性 (1)所有的输入接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气 上隔离。 (2)各个输入端口均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms。 (3)各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 (4)采用性能优良的开关电源。 (5)对采用的器件进行严格的筛选。 (6)良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施， 以防止故障扩大。 (7)大型PLC还可以采用双CPU构成冗余系统或用三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步 提高。 2、丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号，如:交流或直流;开关量或模拟量;电压或电流;脉冲或电位; 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如:按钮;行程开关;接近开关;传 感器及变送器;电磁线圈;控制阀等直接连接。另外，为了提高操作性能，它还有多种人机对 话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。 3、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结 构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接 起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4、编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计 算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 5、安装简单，维修方便 PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备 与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户 了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过 更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 3.6 PLC 类型的选择 • 目前，各个厂家生产的 PLC 其品种、规格及功能都各不相同。本人选择了日本三菱电 工公司的 FX 系列 PLC，主要有 FX0N、FX1N 和 FX2N。之所以选择三菱公司的 PLC， 是因为其产品特点有以下几点。 8
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