2021年度基于的温度控制系统设计与调试设计

学号

苏州市职业大学

毕业设计

题目 基于SMART200温度PID
控制系统设计和调试

学院(部): 电子信息工程学院
校内指导老师: （副教授）
校外指导老师:

完

成

日

期

:

摘 要:
温度是工业和科学试验中最常见和最关键热工参数之一了。现在产品对于温度控制精度要求越来越高。不管是在科学领域还是我们生产实践中,温度控制全部是极其关键,尤其是像冶金、化工、 石油、 机械、 建材等大型工业中,全部占有着极大比重。而温度控制系统也有很多个,PLC凭借着它较高可靠性,较强抗干扰能力,已经成为很多用户信赖产品,而且她操作也较为简单。本文介绍了西门子S7-200smart设计硬件和Smart700IE7寸触摸屏。PLC是数字控制型电子计算机,她利用了可编程存放器储存指令,含有次序、逻辑、 计数、 计时等部分功效。 能够经过模拟输入、输出和数字输入输出等组件,进行控制多种程序和设备。

关键词: PLC 温度控制 PID 触摸屏

Abstract
Temperature industrial and scientific experiments, the most commonand the most important thermal parameters of. Now products areincreasingly high requirements for precision temperature control.Whether in science or our production practices, the temperaturecontrol is extremely important, especially as the metallurgical,chemical, petroleum, machinery, building materials and other largeindustry, has played a significant proportion. The temperaturecontrol system there are many, PLC With its high reliability, stronganti-jamming capability, many users have become reliable products,and his operation is relatively simple. This paper introduces the

screen. PLC is a computer numeric control type, he used a
designof hardware and Siemens S7-200smart Smart700IE 7-inch touch

and digital input and output components, control procedures and

equipment.

Keywords:PLC temperature control PID Touch screen

目录

1 引言.............................................................1
1.1 应用背景...................................................1
1.2 温度控制技术现实状况.......................................1
1.3 设计方案...................................................3
2 硬件系统设计.....................................................5
2.1 西门子smart200.............................................5
2.2 触摸屏.....................................................6
2.3 温度传感器................................................8
2.4 模拟量模块................................................9
3 软件系统设计和调试..............................................11
3.1 PID基础机理...............................................11
3.2 系统程序步骤..............................................14
结 论.............................................................24
致谢..............................................................25
参考文件...........................................................26

1 引言

1.1 应用背景

据

我

们

所

了

解

,

温

度

作

为

工

业

中

关

键

参

数

,

基础全部物理改变或化学反应全部和温度有所关联。

不管是在科学领域还是我们生产实践中,温度控制全部是极其关键,尤其是像冶金、化工、石油、机械、建材等大型工业中,全部占有着极大比重。不过她们所使用加热方法、燃料,还有控制方法全部是有所差异,毕竟它们生产情况和精度要求全部是不一样。

比如化工、冶金这类工业大全部采取加热炉,或反应炉; 而燃料则有天然气、煤气、电等。总而言之,温度控制过程很复杂而且多变, 可编程控制器（PLC）作为工业控制计算机一个,是集合了计算机、所以我们对系统要求更为优异控制技术和理论。

现现在PLC已经深入到工业控制各个领域中,并得到很高评价。

现阶段控制领域, 电子计算机已经逐步成为主流,像石油化工这类企业基础全部是使用分散控制系统（DCS）。

但假如从控制策略方面考虑,PID控制仍然是龙头。因为PID不仅结构简单,稳定性也不错,而且我们在使用时候不用担心系统数学模型。

即使PID已经有60多年历史了,但它还是这么炙手可热。

组态软件作为数据采集和过程控制专用软件,她们对监控层开发环境和软件平台创建全部有着一定作用。在过去,我们要完成部分任务,必需经过编程才能实现,这么不仅会有很大工作过量,而且会花费我们大量时间,而且我们还不能确保正确度。

但现在有了组态软件以后,我们工作就很简单了,

我们只需花费比以前小十几倍精力就能够完成了。

现现在组态软件已经在很多领域使用了。

1.2 温度控制技术现实状况

温度控制不仅在工业领域得到广泛使用,在农业方面、科研领域,日常生活中甚至国防领域全部占有一定比重。距今为止温度控制已经发展了200多年,经历了从低级阶段到高级阶段,从简单工艺到复杂过程发展阶段,伴伴随我们对温度控制精度要求越来越高,温度控制技术得到了极大发展。现在比较常见多个温度控制系统分别是:基于PLC温度控制系统、基于单片机温度控//基于工控机温度控制、集散型温度控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）。

（1）PLC是数字控制型电子计算机,她利用了可编程存放器储存指令,含有次序、逻辑、计数、计时等部分功效。能够经过模拟输入、输出和数字输入输出等组件,进行控制多种程序和设备。上文已经提到过,

FCS等所以PLC还是有很宽广发展前景。

（2）单片机即使发展时间不长,但已经在很多领域得到了使用,因为她不仅价格低,体积小,而且有很强大功效和很高可靠性。现在,单片机已经从刚开始4位机发展成现在32位机,这是一个巨大进步,不管是功效还是硬件全部是极大提升。它温控系统还是很稳定,工作精度也很高。但单片机也是有缺点,它响应速度较慢,而且中止源较少,所以在要求很高,工程比较复杂系统中通常不会使用。

（3）工控机（IPC）就是工业方面使用个人计算机。它凭借着可靠地性能、较低成本,丰富软件,已经在很多领域得到应用。

它含有其它温控系统所不含有优点,它能够适应很多恶劣工业环境,能够抗高温、抗震动,还能防灰尘和电磁辐射。

以往锅炉通常使用人工结合仪表进行监控,极难达成要求,因为工业锅炉燃烧系统是多变量输入系统。有着极其复杂影响原因,极难建立正确数学模型。而计算机能够提供比如滤波、用积分来分离PID、参数自行整定等多种算法,这些全部是常规仪表难以达成。能够这么说,工控机大大改善了对锅炉监控品质,极大提升了热效率。

（4）集散型温度控制系统（DCS）,它是功效上分散,管理上集中一个新型控制系统。集散型温控系统最关键还是她通信功效,她关键工作是为系统各个部分提供通信网络,而数据公路作为DCS关键部分,

集散型温度控制系统极大降低了使用人员工作量,而且还提升了系统工作效率。

（5）现场总线控制系统（FCS）集合了多个系统优点,包含:数字通信技术、计算机技术、自动化技术、智能仪表和网络技术等。

FCS能现场直接处理信息,能够直接进行传感、控制、报警和计算。它还有其它系统所不能比一点就是,她能够对现场装置进行远程诊疗和维护。
我们要依据温度控制系统各自优缺点,结合实际需要去选择配置,
有时也能够将多个系统组合起来使用,以达成愈加好控制。

在中国温度控制系统已经得到了很大发展,但和欧洲、

成品关键是“点位”控制和常规PID控制器为主,它只适用通常温控系统,部分复杂系统就难于控制了。中国技术还不是很成熟,而国外在仪表控制参数自整定方面已经有了比较成熟产品了。

1.3 设计方案

电炉关键应用在厂房、宾馆、学校、宿舍、商场等多种需要取暖供热场所,用PLC控制电炉温度替换用电控制炉子温度,

这么能够使炉子愈加安全和环境保护,效率也提升了很多。

（1）课题分析

以往电加热锅炉控制通常使用继电器和接触器进行控制,这就造成控制功效比较简单,而且电加热管也轻易损坏,系统可靠性和优化控制全部存在多种多样问题,面对这些问题,我们能够经过使用可编程序控制器（PLC）对它控制部分进行改善。

首先,将继电器硬件布线控制换成PLC软件,这么系统应用范围就愈加广了,其次,就像上文提到除了PLC抗干扰能力强,可靠性高,操作简单等优点外,

比微机控制中汇编语言要简单易学多。伴随现代工艺改变,接口功效变愈加完善,也更易于和计算机接口连接,也

自动改变热源能量大小,使炉温稳定在给定温度范围内。
本课题设计了一个电炉温度控制系统,依据炉温对给定温度偏差值,

给定值 被控对 温度调整仪 实施装置 被控对象 象

温度传感器

图1.1温控系统结构框图

（2）论文内容及工作安排

按要求做部分调查和研究,经过网络和书籍来搜集些资料;整理好资料,

列出关键参考文件,参考文件格式参见各类教材参考文件,
最好在说明书正文相关位置给予标注;
2.符合现实需要,表现时代精神; 反应客观事物本质;要有独到见解;
3.图注和表注要规范;图形要清楚, 不可出现网页背景;
4.结构是文章骨架,在考虑和安排文章整体结构时要围绕专题安排结构,
一定逻辑性, 有详有略,关键突出;
所研究课题关键有以下几,方面要求:
1.SMART200中国研究现实状况及其发展趋势
2.温度PID控制系统设计和调试方案确实定
3触摸屏设计方案
4.设计设备接线
5.连接线路
6.运行和调试,生成报表

2 硬件系统设计

2.1 西门子smart200

此次论文我选择是PLC是西门子S7-200smart。西门子S7-200smart含有两种不一样类型CPU模块,非别是标准型和经济型,能够满足大多数行业、用户或设备多种需求。 标准型是可扩展CPU模块,可满足对I/O规模有较大需求,逻辑控制较为复杂应用;而经济型CPU模块能够直接经过单机本体满足相对简单控制需求。

图2.1西门子Smart200西门子S7-200smartPLC有很多让我选择它理由。

（1）smart200机型更丰富,我们能够有很多不一样选择
首先它能够提供不一样类型,I/O 点数丰富CPU 模块,而且它单体I/O 点数最高可达60点, 基础满足了大部分小型自动化设备控制需求。同时, 用户能够依据自己需求,愈加灵活去选择产品配置,这么能够极大控制成本。

（2）连接方法为以太网连接,愈加经济和便捷

CPU模块含有以太网接口,集成了强大以太网通信功效。

经过网线就将程序下载到PLC中,这么就省去了编程专用电缆,节省了成本。

不仅如此,经过以太网接口你还可和经过它和其它CPU模块、

触摸屏或计算机进行通信,愈加便于我们建立连接。

（3）含有卓越性能高速芯片

Smart200配有西门子专用高速处理器芯片,所以它基础指令实施时间只需0.15

μS , 这在其它PLC里是找不到。即使是再繁琐程序逻辑,

我们也能够很快速处理它。

（4）人性化软件,使编程更高效

除了西门子编程软件所含有其它全部功效外,还融入了很多人性化设计,

增 加 了 带状 式 菜 单、 可 移 动 界 面 窗 口 ,

同时还有程序注释功效和更强密码保护功效。大大提升了我们使用效率,

节省了很多时间。

同时还降低了成本。

（6）多个设备结合,更全方面满足要求

西门子s7-200smart可编程控制器,Smart700IE触摸屏和SINAMICSV20

变频器结合起来,更高效处理了用户自动化问题,

同时对于用户对于人机交互、控制、 驱动等功效需求也得到了满足。

含有极高可靠性,操作也相对简单,便于我们掌控,同时,它含有强劲通讯能力和丰富扩展模块。

触摸屏也被叫做“触摸屏”或“触摸面板”,它是一个液晶显示装置,
用来接收触摸式输入信号,屏幕上通常设置一个按钮,当触碰按钮时,
屏幕上触觉反馈系统就会工作,她将依据预先编好程序去驱动多种连接装置。

这种装置能够替换机械按钮面板,并经过液晶显示器来创建生动视频效果。

据现在技术来看,触摸屏已经是最简练、方便电脑输入设备之一了。

触摸屏工作原理:当触摸屏被其它物体触碰时,

然后她会将接收到信息已坐标形式经过串行口发送到CPU中。这么就能够知道它所输入信息了。

触摸屏系统主体部分是触摸屏控制器和触摸检测装置。

触摸屏控制卡关键用来接收从检测装置上检测到触摸信息,

再将它转换成触点坐标,然后发送到CPU,同时它也能够接收来自CPU命令,

并加以实施。

根据触摸屏工作原理和传输信息介质来分,又能够把触摸屏分为四种,

分别是电阻式、电容感应式、红外线式和表面声波式。

我们要充足了解每一类触摸屏工作原理及其特点,

这么我们就能够知道它们能适适用于哪种场所。

电阻式触摸屏

电阻式触摸屏是由一块多层复合薄膜组成,

它以一层玻璃（或有机玻璃）作为它基层部分,

最终再在导电层上面盖上一层经过硬化处理,能够防刮塑料层。

这么两层导电层之间就会有很多细小透明隔离点,能够将它们绝缘开来。
塑 料 层 内 部 也 导 电 层 ,

其

这么会使侦测层电压从原来零变成非零,这这种连接状态会被控制器侦测到,

然后进行A/ D转换,将所得值和5V电压相比较就能够得到Y轴坐标,

这基础就是电阻技术触摸屏共有原理了。

2.3 温度传感器

金属电阻伴随温度改变会改变,而铂电阻就是用这种特征来测量温度。

铂电阻测温范围是-200℃～600℃,本设计选择就是铂电阻,

铂电阻和温度关系

依据国际温标要求,在-259.34℃～630.74℃温域内,以铂电阻阻值作基准器。

铂电阻和温度关系,在不一样温度算法也是不一样

温度在0～630.74℃时

Rt

?

R

0

( 1

?

At

?

Bt

2

)

（2-1）

温度在-190～0℃时

Rt

?

R

0 [ 1

?

At

?

Bt

2

?

C

( t

?

100 ) t

3

]

（2-2）

式中,Rt——表示温度为t℃时电阻;

R0——表示温度为0℃时电阻;

t ——表示任意温度;
C=-4.22×10-12/℃4。

温度变送器

温度变送器作用是把像热电偶这么温度敏感元件所产生微弱电压信号,变换成工业控制系统中通用电压(或电流信号）。

此次设计温度变送器采取是两线制,就是将热电阻微弱电压信号,变换成变送器直流馈电电源中电流改变。在工业控制系统中,电流改变通常要求在4～20mA内。

30%～+15%之间波动时通常全部不会影响输出电流精度。

2.温度变送器含有体积小优点,能够和温度敏感元件组合起来使用,安装在现场作为电流输出。

3.它干扰能力很强,能够进行远距离传输。

4..温度变送器采取两线制,降低了设备成本。

2.4 模拟量模块

本设计使用模拟量模块为四输入两输出（4AI/2AO）。型号为EWAM06,。

模拟量指是在一定范围内能够连续改变任意值,是和数字量相反一个表示。模拟量通常是用来采集和表示事物电压、 电流或频率等参数。

电流范围为0-20mA

3 软件系统设计和调试
伴随计算机等技术不停发展,
自动化技术已经成为衡量工业现代化一个关键指标。

控制理论发展也有一定历史了,关键经历了三个关键阶段,为别是:古典控制理论阶段、现代控制理论阶段和智能控制理论阶段。

控制系统由五个部分组成,分别是:控制器、传感器、变送器、实施机构和输入输出接口。控制系统控制器要先经过输出接口和实施机构,然后再经过传感器和变送器,最终经由输入接口送到控制器。

自动控制系统关键分为开环控制系统和闭环控制系统两类。

开环控制系统是指被控对象输出（被控制量）对控制器输出没有影响。在这种控制系统中,不依靠将被控量反送回来以形成任何闭环回路。

（2）闭环控制系统

闭环控制系统特点是系统被控对象输出（被控制量）会反送回来影响控制器输出,形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈,
若反馈信号和系统给定值信号相反,则称为负反馈,若极性相同,则称为正反馈,通常闭环控制系统均采取负反馈,又称负反馈控制系统。

（3）PID控制原理和特点

PID控制器从使用到现在已经有快要70多年历史了,
现在更是已经成为了工业控制中主流技术之一,原因无她, 因为她结构简单、
稳定性高,还有就是方便调整。在实际应用中,使用最多控制规律就是百分比、
积分和微分控制了,也就是我们将所说PID控制。
一、百分比控制

和其它控制方法相比较,百分比控制是其中最简单,
它控制器输出和输入误差信号成正比。假如系统只有百分比控制是,系统就会存在稳态误差。

二、积分控制

在积分控制中,控制器输出和输入误差信号积分成正比关系。

对于进入稳态后就出现稳态误差这类自动化系统,我们成为有差系统（Systemwith Steady-stateError）。

积分项也会增大,所以即使是误差很小系统,积分项也会随时间越来越大,能够这么说,拥有百分比项和积分项控制器,
能够使系统在进入稳态后没有稳态误差。

三、微分控制

因为自动化系统存在有大惯性组件（或滞后组件),它能够起到抑制误差作用,
所以在调整误差过程中有时会出现振荡甚至失稳现象。

能够经过使抑制误差作用“超前”,就是在误差靠近零时,
抑制误差作用也应该为零。所以,不仅要在控制器中加入百分比项,还应该加入微分项,百分比项关键是放大误差幅值,
而微分项则能估计到误差改变趋势。这种拥有百分比项和微分项控制器,

这么就能够避免被控量严重超调。所以那些有较大惯性或滞后被控对象,
就能够提前抑制误差控制作用,使之等于零, 甚至为负值,

要做好控制系统设计,我们就要把握好它关键部分——PID参数整定,

通常我们依据被控过程特征来确定PID控制器百分比系数、积分和微分时间大小。 即使PID控制器参数整定方法有很多,但概括起来一共分为两类:一类是理论计算整定法,
它关键是依据从系统中得到数学模型,经过计算得到控制器参数。

但有时经过这种方法得到数据无法直接使用,必需依据实际需要再去修改。

另一类是工程整定方法,这种方法尤其考验使用者经验,
有经验操作人员能够直接在控制系统中进行整定,它凭借着简单、易于操作特征,已经得到了大家认可。工程整定方法要是再划分话,

能够分为三种,分别是临界百分比法、反应曲线法和衰减法。

现在使用较多是临界百分比法,其方法步骤以下:

（1）确定采样周期,确保系统能够正常工作。

（2）加入百分比控制步骤,等到输入阶跃响应出现临界振荡时,

我们就记下此时百分比放大系数和临界振荡周期。

（3）在一定控制度下,我们就能够经过计算得出PID控制器参数。

（5）PID调整

百分比调整、积分调整、微分调整是闭环控制中常见调整规则。

它目标意在完善控制系统,确保系统偏差值e能够达成给定指标。

让系统变得愈加稳定。PID调整控制原理用下面方程式能够表示。

M(t)?Kce?Kc?
t

edtdt
式中M(t)——表示PID回路输出值（是时间函数）;

KC——表示PID回路增益,也可称为百分比常数;

e ——表示给定值和过程变量之间差值;

Minitial——表示PID回路输出初始值。

PID调整器基础框图下图3.1所表示。

D

KPTdS

测量电路

图3.1PID调整器

从实际情况去考虑,用PID来控制温度方法,能够利用到很多生产实践中。

3.2 系统程序步骤

为了完成任务,此次设计采取用2个加热管对电炉进行加热。

开始

系统初始化

模拟量采集

Y

电炉温度

加热管停止加热

是否超限

N

统计加热管加热时间

返回

图3.2系统步骤图

程序分5个网络:网络1:设置定时中止;

网络2:系统停止控制;

网络5:统计2号加热管加热时间。

下图是主程序梯形图

图3.7程序梯形图

3.3.1 PID控制算法程序设计

PID控制器输出是标准化0.0～1.0之间实数。

将PID控制器输出送给D/A转换器之前,必需将它转换成16位二进制整数。这一过程就是将PV和SP转换成标准化数值逆过程。

2）

式中,Rscal——表示PID控制器输出对应实数值

Mn——表示控制器输出实数值

下图为本系统PID控制算法梯形图及其对应STL语句。

图3.11系统程序图

上述梯形图对应STL语句为:

图3.12STL解释图

（2）MOVW IN, OUT 表示字之间传送。
说明:（1）SM0.5 表示此位提供高低电平各30s,周期为1s时钟脉冲。

3.4温度控制界面及调试分析

任何一个设计过程,系统调试全部是极其关键,同时也是最难。

系统设计出来就是为了进行一定工作,而调试就是检验设计能不能行通,而部分我们在设计时候没有发觉问题,在调试时我们也能够找到,从而进行改善完善。

（1）调试设备

一台电脑

一个万用表 PS207电源2.5A

西门子S7-200smart

Smart700IE触摸屏

模拟量模块（4AI/2AO）

（2）调试界面

（3）系统配置

在模拟量模块在接入电路工作之前,我们首先要完成配置及校准,

而校准指是仪器仪表使用前调零及调满度。

计算方程式:

满量程输入×衰减×增益=模拟量输入字中数据所对应模拟量

图3.13接线端子

图3.15输出格式

（1）表3.1列出了主程序中各个网络错误现象、原因和处理方法。 表3.4.1主程序中各个网络错误现象、原因和处理方法

（2）表3.4.2列出了子程序中各个网络错误现象、原因和处理方法。 表3.4.2子程序中各个网络错误现象、原因和处理方法

（3）表3.4.3列出了中止程序中各个网络错误现象、原因和处理方法。 表3.4.3 中止程序中各个网络错误现象、原因和处理方法

2.下载部分:

（1）错误:电脑主机不能和PLC正常通信。

原因: PLC没有上电,没有外接220V交流电源。

更正:接上220V交流电源。

（2）错误:提醒端口错误。

原因:PLC端口要选择到“COM1”才能够正常通信。更正:选择到“COM1”接口。

3.下位机部分:
（1）错误:运行以后,看不到现象。

原因:程序和硬件中CPU型号不一致。

更正:更换型号,重新编译下载。

（2）错误:手动开关没有反应。