1、 青岛农业大学海都学院本科毕业论文（设计）青岛农业大学毕业论文(设计)题 目： 基于西门子 PLC 的温度 PID 调节 姓 名： 李海超 学 院： 青岛农业大学海都学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 09 级电气 2 班 学 号： 200901040 指导教师： 李波 2013 年 6 月 01 日青岛农业大学海都学院本科毕业论文（设计）1摘 要从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通
2、用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。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。温度控制系统 的工艺过程复杂多变，具
3、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。关键字：温度控制系统 、 西门子 S7-200PLC 、 PID 控制算法青岛农业大学海都学院本科毕业论文（设计）2ABSTRACTFrom the last century to 90 in the mid 80s, PLC has been rapid developmen
4、t in this period, PLC capability in dealing with analog and digital computing power, man-machine interface capabilities and network capabilities are greatly improved, PLC gradually entering the field of process control, replaced in some applications in the field of process control dominant DCS.PLC h
5、as the versatility, ease of use, wide adaptation, high reliability and strong anti-interference, simple to program and so on.PLC control, especially in the industrial automation sequence control the position, in the foreseeable future, is no substitute. This paper introduces the boiler as the charge
6、d object to the boiler water temperature of the main accused of the export parameters to furnace temperature as deputy accused of parameters to control the heating resistance wire voltage parameters to PLC, controller, constitutes a series of boiler temperaturelevel control system; using PID algorit
7、hm, the use of PLC ladder programming language, programming, boiler temperature control.Electric boilers a wide range of applications, in a considerable number of field, the electric boiler performance advantages and disadvantages of the decision The quality of the product.Electric boiler control sy
8、stems currently used mostly for computer control microprocessor core technology, both to improve the automation equipment have improved the control precision equipment. This paper on the heating boiler control system works, selection of temperature transmitter, PLC configurations, the configuration
9、software design aspects were described.Through the transformation of electric boiler control system has fast response, good stability, high reliability, control accuracy and good features, practical significance for industrial control.Key words: temperature control system SIMATIC S7-200 Programmable
10、 Logic Controller classic PID control青岛农业大学海都学院本科毕业论文（设计）3摘 要 .1第一章 绪论 .41.1 温度控制系统的意义 .41.2 温度控制系统背景 .42.1 传感技术 .52.2 PLC 技术 .62.3 PID 回路 算法 .7第三章 硬件设计 .123.1 西门子 PLC 的特点 .123.2 PLC 各部分的作用 .133.3 硬件配置 .153.4 硬件接线图 .18第四章 PLC 控制系统的软件设计 .184.1 PLC 程序设计的方法 .184.1 编程软件 STEP7-Micro/WIN 概述 .194.2. 计算机与 P
11、LC 的通信 .204.3 程序设计 .214.4 程序编写 .31第五章 系统仿真及调试 .345.1 控制程序运行及其分析 .345.2 PID 自整定失败 原因及解决方法 .37结 论 .40参考文献 .42青岛农业大学海都学院本科毕业论文（设计）4第一章 绪论1.1 温度控制系统的意义温度及湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的，近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。1.2 温度控制系统背景自
12、 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统发展迅速，并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，一日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都产生了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十分广泛，但从国内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仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于 20 实际 80 年代中后期水平，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
13、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系统参数的自整定方面，还没开发性能可靠的自整定软件。参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。青岛农业大学海都学院本科毕业论文（设计）5第二章 研究技术介绍2.1 传感技术传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础技术。国家标准GB7665-87 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则
14、)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成” 。“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件” 。 随着新的技术的发展，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多
15、新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 fm 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s 的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、
16、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。青岛农业大学海都学院本科毕业论文（设计）6由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。传感器的特点包括：微型化、 数字化、智能化、多功能化、系统化、 网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为 21 世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统（MEM
17、S）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器 。2.2 PLC 技术可编程控制器的英文名称是 Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器，简称 PLC。现代制造业必须对市场需求做出快速反应，生产小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，这便要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高可靠性和灵活性。可编程控制器正是顺应这一潮流而出现的，以微处理器为基础的通用工业控制装置。在 20 世纪 60 年代的汽车制造业，传统继电接触器控制装置广泛应用于生产流水线的自动控制系统中。这套装置设备体积庞大，可靠性差，同时维护不便，而且，完全由逻辑硬件构成，
18、接线十分复杂。一旦生产过程某一环节发生改变，控制装置就要重新设计改造。随着汽车生产工业的迅猛发展，对于汽车型号频繁改进，传统控制系统捉襟见肘，弊端日益放大，最终 PLC 应运而生。它开创性地引入程序控制功能，使计算机科学技术进入工业生产控制领域应用。早期 PLC 仅仅是替代继电器控制装置完成顺序控制、定时等任务，但是其简单易懂、安装方便、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用的特点，使得 PLC 很快就得到了推广应用。随着超大规模集成电路技术和微处理器性能的飞速发展，PLC 的软、硬件功能不能丰富、完善。青岛农业大学海都学院本科毕业论文（设计）72.3 PID 回路算法在过程控制中，按偏差的比
19、例（P） 、积分（I）和微分（D）进行控制的 PID 控制器（亦称 PID 调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID 控制器是一种最优控制。PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。 控制点包含三种比较简单的 PID 控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 这三种 PID 算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。 2.3.1 PID
20、 算法控制器的输出：公 式 （ 2-1）t diP teTteTteKtu0)()(1)()(注：各符号含义如下u(t); 控制器的输出值。e(t); 控制器输入与设定值之间的误差。Kp; 比例系数。Ti; 积分时间常数。Td; 微分时间常数。T; 调节周期。对于增量式算法，可以选择的功能有：(1) 滤波的选择青岛农业大学海都学院本科毕业论文（设计）8可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。(2) 系统的动态过程加速在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的
21、符号相反。由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围 v，当偏差|e(t)|= 时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)-e(t-1)|，其符号与积分项一致。利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。(3) PID 增量算法的饱和作用及其抑制在 PID 增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时
22、，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行 PID 位置算法离散公式：公式（2-2）dte()Te(t)i1Kc(t)u(t)0青岛农业大学海都学院本科毕业论文（设计）9对于位置式算法，可以选择的功能有：a、滤波：同上为一阶惯性滤波b、饱和作用抑制：遇限削弱积分法一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算
23、而停止进行增大积分项的运算。具体地说，在计算 Ui 时，将判断上一个时刻的控制量 Ui-1是否已经超出限制范围，如果已经超出，那么将根据偏差的符号，判断系统是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。积分分离法在基本 PID 控制中，当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时， 由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动。特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象将更严重。为此可以采用积分分离措施，即偏差较大时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。另外积分分离的阈值应视具体对象和要求而定。若阈值太大，达不到积分分离的目的，若太小又有可能因被控量无法跳出积分分离区，只进行 PD 控制，将会出现残差。离散化公式：u(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2) 公式（2-3）当|e(t)| 时q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T)q1 = -Kp(1+2Td/T)q2 = Kp Td /T
