温控系统的PLC智能控制

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摘 要

房间温度控制系统利用可编程控制器（简称PLC）对房间内的温度进行控制，PLC具有控制精度高的特点，能够把室温精确的控制在±0.1oC范围内。温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温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。

设计了房间温度控制系统。该系统由西门子系列的PLC、温度传感器、A/D转换器、D/A转换器、加热器等组成。该温度控制系统采用闭环控制，当室温低于30oC时进行加热，超过30oC时开启风扇进行降温，以保证控制温度在30±0.1oC，该系统具有运算简单、调整方便的特点。并且介绍了房间温度控制系统的组成、特殊功能模块、PLC系统控制程序、系统的调试和安装使用时的注意事项等。

从参数整定和调试的结果来看，本文研究的温度控制系统在一定条件下能够稳定、准确和及时地对被控量——温度进行有效地控制，达到了预期效果。

关键词： PLC；温度控制系统；PID

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Abstract

Room temperature control system of the plc programmable controller （PLC ） short of the room temperature for control, plc has high precision of the room temperature control is accurately ± 0.1 mm & ordm. The temperature field in developing rapidly, and tracking control as a digital technology, the temperature of the tracking control the chip also related to the historical stage, the industrial and agricultural areas in wide use，in this type need to translate words.

The room temperature control system design. This system consists of Siemens PLC of series, the temperature sensor, A/D converter, D/A converter, heater, etc. The temperature control system adopts closed loop control, when temperature below 30 ° C for heating, more than 30 ° C to open when, in order to ensure that the cooling fan control temperature in 30 ± 0.1 ° C, this system has a simple, convenient adjustment. And introduces the room temperature control system, special function module and PLC control system, the system of debugging and program installation use the matters needing attention.

Parameters and debugging from the results of research, the temperature control system in given conditions to stable and accurate and timely to the control of temperature — — an effective control and achieve the desired effect.

Keyword: PLC;Temperature control system;PID;

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目 录

摘 要 ................................................................................................................................................. I ABSTRACT ............................................................................................................................................ II 第一章 绪论...................................................................................................................................... 1 1.1 引言 ........................................................................................................................................ 1 1.2 PLC概述 ................................................................................................................................. 2 1.3 本文的主要工作 .................................................................................................................... 3 第二章 温度控制系统理论设计 ........................................................................................................ 4 2.1 模拟量闭环控制的基本概念 ............................................................................................... 4 2.1.1 模拟量闭环控制系统的组成 ........................................................................................ 4 2.1.2 闭环控制的主要性能指标 ............................................................................................ 4 2.2 PID 原理 ............................................................................................................................... 5 2.2.1 PID（Proportional, Integral and Derivative）简介 ........................................ 5 2.2.2 PID控制算法 ................................................................................................................. 6 2.2.3 PID参数的整定方法 ..................................................................................................... 6 2.2.4 PID参数工程整定法 ..................................................................................................... 6 2.2.5 PID各参数在系统中的作用 ......................................................................................... 9 2.3 温度控制系统概述 .............................................................................................................. 11 2.3.1 温度控制系统工作原理 .............................................................................................. 11 2.3.2 系统要求 ...................................................................................................................... 11 2.3.3 PLC控制系统的构成 ................................................................................................... 11 第三章 硬件系统设计...................................................................................................................... 12 3.1 总体方案 .............................................................................................................................. 12 3.2 硬件系统方案设计 .............................................................................................................. 12 3.3 控制器的选择 ...................................................................................................................... 13 3.4 信号采集与变换 .................................................................................................................. 15 3.5 执行模块 .............................................................................................................................. 17 3.5.1 固态继电器 .................................................................................................................. 17 3.5.2 加热器 .......................................................................................................................... 19 第四章 软件系统设计...................................................................................................................... 20 4.1 S7-300实现PID闭环控制的方法 ...................................................................................... 20 4.2 连续PID控制器 .................................................................................................................. 20 4.2.1 设定值与过程变量的处理 ............................................................................................ 20 4.2.2 控制器输出值的处理 .................................................................................................. 22 4.3 系统实现与PLC编程 ........................................................................................................ 22 4.3.1 软件编程方框图 .......................................................................................................... 22 4.4 调试结果 ................................................................................................................................ 25 第五章 系统安装.............................................................................................................................. 27 第六章 结束语.................................................................................................................................. 28

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6.1 本文总结 ................................................................................................................................ 28 6.2 展望 ........................................................................................................................................ 28 致 谢 ................................................................................................................................................. 30 参考文献............................................................................................................................................ 31

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第一章 绪论

1.1 引言

房间温湿度状态参数对人体的热舒适性和房间内物品的存放有着很大的影响。特别是对于那些对温、湿度要求比较高的场所，传统的控制方法已不能够满足控制要求，其主要的缺点是通用性差、灵活性差、控制精度和稳定性差，控制运算功能简单，不能实现复杂的过程控制等。随着电子技术的发展，新型的过程控制计算机不断涌现，较为流行的有STD总线计算机、可编程调节器（PSC）、集散型控制系统（DCS）。其中，可编程调节器PSC是在电动型仪表的基础上采用微处理器发展起来的第四代仪表，它的功能较强，在灵活性、可靠性、控制精度、数字通信能力等方面都是模拟仪表无法比拟的。因此，PSC与PLC一样都是工业控制装置。PSC与PLC相比，PLC以开关量控制为主，模拟量控制为辅；而PSC则以闭环控制为主，开关量控制为辅。房间温度控制系统利用可编程控制器（简称PLC）对房间内的温度进行控制，可编程控制器具有控制精度高的特点，能够把室温精确的控制在±0.1oC范围内。

房 间

图1-1 控制监控图

图1-1就是温度控制系统的控制监控图。

直观的触摸屏更有效的显示了运行状态图，趋势图，具有越限报警功能，能够直接人工控制及自动控制。在TP270的全程监控下使得温控更直观更精确有效。

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

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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。

设计了房间温度控制系统，该系统由西门子系列的PLC、温度传感器、A/D转换器、D/A转换器、加热器等组成。该温度控制系统采用闭环控制，当室温低于30oC时进行加热，超过30oC时开启风扇进行降温，以保证控制温度在30±0.1oC，该系统具有运算简单、调整方便的特点。并且介绍了房间温度控制系统的组成、特殊功能模块、PLC系统控制程序、系统的调试和安装使用时的注意事项等。而且网络化、远程化控制越来越受到各行各业的重视。

从参数整定和调试的结果来看，本文研究的温度控制系统在一定条件下能够稳定、准确和及时地对被控量——温度进行有效地控制，达到了预期效果。

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。当前用于工业控制的计算机控制系统主要有：PLC 控制系统、基于PC 总线的工业控制计算机（IPC）系统、基于单片机的测控系统、集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）。而其中的PLC 因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。因此用PLC来控制温度也是在实际的控制系统中应用非常广泛，非常有实际价值。

1.2 PLC概述

当今世界，可编程控制器（简称PLC）技术已经成为我国工业控制的三大支柱产业。特别是近几年大规模集成电路的迅猛发展，使得PLC技术应用的领域越来越广泛。由于PLC具有可靠性高、抗干扰能力强等特点，因此在我国工业控制中大量使用。随着PLC技术的发展，它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。

PLC具有可靠性高、灵活性好、开关量控制能力及通信联网能力强等特点，使其在开关量控制上发挥了巨大的威力。同时，PLC在模拟量控制上也富有特色，具有配置灵活、通用性好、价格便宜等特点，特别在开关量、模拟量混合控制的系统上更显出独特的优越性。

在可编程序控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。如果生产工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件机构，这样造成时间和金钱的浪费。另外，大型控制系统用继电器接触器控制，使用的继电器多，控制系统的体积大，耗电多，工作频率低等缺点，为了解决这些问题，早在1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司），为了适应汽车型号的不断翻新，提出要用一种新型的控制装置取代它，为此，特定以下10项公开招标的技术要求，即：

（1）编程简单方便，可在现场修改程序。 （2）硬件维护方便，采用插件式结构。 （3）可靠性高于继电器接触器控制装置。 （4）体积小于继电器控制装置。 （5）可将数据直接送入计算机。

（6）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。 （7）输入可以是交流115V。

（8）输出为交流115V，能直接驱动电磁阀，交流接触器等。 （9）通用性强，扩展方便。 （10）成本上要有竞争力。

美国数字设备公司根据GM公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程

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序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，获得成功。

80年代以后，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信功能，从而使PLC的应用范围和应用领域不断扩大。

PLC是综合继电器接触控制的有点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点：

（1）可靠性高，抗干扰能力强。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强。 （3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。 （4）系统设计、建造工作量小，维护方便。 （5）体积小，重量轻，能耗低。

PLC具有可靠性高、灵活性好、开关量控制能力及通信联网能力强等特点，使其在开关量控制上发挥了巨大的威力。同时，PLC在模拟量控制上也富有特色，具有配置灵活、通用性好、价格便宜等特点，特别在开关量、模拟量混合控制的系统上更显出独特的优越性。

1.3本文的主要工作

利用可编程控制器（简称PLC）对房间内的温度进行控制，可编程控制器具有控制精度高的特点，能够把室温精确的控制在±0.1oC范围内。

首先详细介绍了温度控制系统的一些理论基础，阐述了模拟量闭环控制系统的组成，闭环控制的主要性能指标。接着系统介绍了PID控制的算法及各参数在系统中的作用。之后对PROFIBUS的结构协议和类型和物理结构作出了详细的介绍。

通过输入数值或激活所组态的软键，可以对设定值或控制单元设置值进行修改在全图形的动态画面上对过程、机械设备和系统进行显示，通过输出域、棒图或趋势曲线对过程报警和变量进行显示。

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第二章 温度控制系统理论设计

2.1 模拟量闭环控制的基本概念

2.1.1 模拟量闭环控制系统的组成

典型的PLC模拟量单闭环控制系统如下图2-1所示。

在模拟量闭环控制系统中，被控量 c(t)（例如压力、流量、温度、转速等）是连续变化的模拟量，大多数执行机构（例如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号mv(t)，而PLC的CPU只能处理数字量。c(t)首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号pv(t)，例如4～20mA,1～5V,0～10V,PLC用A/D转换器将它们转换为数字量pv(n)。

PLC 三相电源 sp T SCR D/A PLC控制器 加热炉 A/D 传感器 图2-1 典型的PLC模拟量单闭环控制系统

模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样时Ts。各数字量括号中的 n表示该变量是第n次采样计算的数字量。

图中的sp(n)是给定值，pv(n)为A/D转换后的反馈量，误差ev(n)=sp(n)-pv(n)。 D/A转换器将PID控制器输出的数字量mv(n)转换为模拟量（直流电压或直流电流）mv(t),再去控制执行机构。

模拟量控制系统分为恒值控制系统和随动系统。恒值控制系统的给定值是由操作人员提供，一般很少变化，例如温度控制系统 ，转速控制系统等。随动控制系统的输入量是不断变化的随机量，例如高射炮的瞄准控制系统和电动调节阀的开度控制系统就是典型的随动控制系统。闭环负反馈控制可以使系统的反馈量 pv(n)等于设定值sp(n)。

例如，假设输出的温度值c(t)低于给定的温度值，反馈量pv(n)小于给定值sp(n)，误差 ev(n)为正，控制器的输出量mv(t)将增大，使执行机构（电动调节阀）的开度增大，进入加热炉的天然气的流量增加，加热炉的温度升高，最终使实际温度接近或等于给定值。

天然气压力的波动、工件加入加热炉，这些因素称为扰动量，它们会破坏炉温的稳定。闭环控制可以有效地抑制闭环中各种扰动的影响，使被控量趋近于给定值。

闭环控制系统的结构简单，容易实现自动控制，因此在各个领域得到了广泛的应用。

2.1.2 闭环控制的主要性能指标

由于给定输入信号或扰动输入信号的变化，系统的输出量达到稳定值之前的过程称为过

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渡过程或动态过程。系统的动态性能常用阶跃相应（阶跃输入时输出量的变化）的参数来描述。阶跃输入信号在t=0之前为0，t>0时为某一恒定值。图2-2被控对象的阶跃响应曲线。

输出量第一次达到稳定值的时间tr称为上升时间，上升时间反映了系统在相应初期的快速性。

系统进入并停留在稳定值c(∞)上下±5%（或2％）的误差带内的时间ts称为调节时间达到调节时间表示过渡过程基本已结束。

设动态过程中输出的最大值为Cmax(t),如果它大于输出量的稳态值c(∞), 超调量

?%?c

max(t)?c???c????100%

反映了系统的相对稳定性，它越小越好，一般希望超调量小于10％。

系统的稳态误差是进入稳态后的期望值与实际值之差，它反映了系统的稳态精度。

10%c???c?t?c???c???tt2.2 PID 原理

rts 图2-2 被控对象的阶跃响应曲线

2.2.1 PID（Proportional, Integral and Derivative）简介

PID控制问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

目前PID控制在工业控制系统中无处不见，随着控制效果的要求不断提高，PID逐渐向智能化发展，但形形色色“时髦”的现代控制理论中的PID最终还是源自经典PID理论。 为什么PID应用如此广泛、又长久不衰？是因为PID解决了自动控制理论所要解决的最

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基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。

由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求。这就给使用者带来相当的麻烦。

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智慧控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和死循环控制系统。一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。控制器的输出经过输出接 口﹑执行机构﹐加到被控系统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。

不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智慧PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智慧化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其死循环控制模块来实现PID控制。

2.2.2 PID控制算法

在生产过程的自动控制系统中，控制器上很重要的组成部分。控制器将系统被控变量测量值与设定值相比较，如果存在偏差，就按预先设置的不同控制规律发出控制信号，控制生产过程，使被控变量的测量值与设定值相等。控制器的输出信号随偏差的变化而变化的规律叫做控制规律。通常常用的控制规律有比例（P）控制、比例积分（PI）控制、比例微分（PD）控制和比例积分微分（PID）控制。

2.2.3 PID参数的整定方法

PID参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改；二是工程整定法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

2.2.4 PID参数工程整定法

PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

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1.控制器参数经验方法

控制器参数经验方法实质上是一种经验凑试法，是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数(见表2-1)，并将系统投入运行通过观察认为加入干扰（改变设定值）后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数制，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。

由于比例作用是最基本的控制作用，经验整定法主要通过调整比例度?的大小来满足质量指标，有以下两条整定途径：

表2-1 控制器参数经验数据

被控变量 规律的选择 对象时间常数小，参数有波动，?要大；Ti要短；不用微分 对象容量滞后较大，即参数受干扰变化迟缓，?应小；Ti要长；一般需要微分 对象的容量滞后不算大，一般不需要微分 对象时间常数范围较大，要求不高时，?可在一定范围内选取，一般不用微分 比例度? 积分时间Ti(min) 微分时间Td(min) 流量 40%~100% 0．3~1 温度 20%~60% 3~10 0．5~3 压力 30%~70% 0．4~3 液位 20%~80%

①先用单纯的比例（P）作用，即寻找合适的比例度?，将人为加入干扰后的过渡过程调整为4：1的衰减振荡过程。然后再加入积分（I）作用，一般先取积分时间Ti衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧，在加入积分作用之前，要先减弱比例作用，通常把比例度增加10%~20%。调整积分时间的大小，直到出现4：1的衰减振荡。

需要时，最后加入微分（D）作用之前，可把比例度调整到比纯比例度作用时更小一些，还可以把积分时间缩短一些。通过微分时间的凑试，使过渡时间最短，超调最小。

②先根据表2-1选取积分时间Ti和微分时间Td，通常取Td设置得不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。这时应适当调整Ti和Td，再重新凑试，使曲线最终符合控制要求。

经验整定法适用于各种控制系统，特别适用对象干扰频繁、过渡过程曲线不规则的控制系统。但是，使用此方法主要靠经验，对于缺乏经验的操作人员来说，整定所花费的时间较多。

2.临界比例度法

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所谓临界比例度法，是在系统闭环的情况下，用纯比例控制的方法获得临界振荡数据，即临界比例度?k和临界振荡周期Tk，如图2-3所示，然后利用一些经验公式，求取满足4：1衰减振荡过渡过程的控制器参数。其整定计算公式见表2-2。具体整定步骤如下：

①将控制器的积分时间放在最大值（Ti=∞）, 微分时间放在最小值（Td=0），比例度?放在较大值后，让系统投入运行。

②逐渐减小比例度，且每改变一次?值时，都通过改变设定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察系统的输出，直到过渡过程出现等幅震荡为止。此时的过渡过程称为临界振荡过程，?k为临界比例度，Tk为临界振荡周期。

③利用?k和 Tk这两个试验数据，按照表中的相应公式，求出控制器的各整定参数。 ④将控制器的比例度换成整定后的值，然后依次放上积分时间和微分时间的整定值。 如果加入干扰后，过渡过程与4：1衰减还有一定差距，可适当调整?值，直到过渡过程满足要求。

图2-3 曲线图

临界比例度法应用时简单方便，但必须要注意以下两点： ①此方法在调整过程中必定出现等幅振荡，从而限制了此方法的使用场合。对于工艺上不允许出现等幅振荡的系统，如锅炉水位控制系统，就无法使用该方法；对于某些时间常数较大的单容量对象，如液位对象或压力对象，在纯比例作用下是不会出现等幅振荡的，因此不能获得临界振荡的数据，从而也无法使用该方法。

②使用该方法时，控制系统必须工作在线性区，否则得到的持续振荡曲线可能是极限环，不能依据此时的数据计算整定参数。

表2-2 临界比例度法控制器参数计算 控制规律 P PI PD PID 比例度?（%） 2?k 2.2?k 1.8?k 1.7?k 积分时间Ti(min） 0.85Tk 0.5Tk 微分时间Td(min) 0.1Tk 0.125Tk 3.衰减曲线法 该方法与临界比例度法的整定过程有些相似，即也是在闭环控制系统中，先将积分时间置于最大值，微分时间置于最小值，比例度置于最大值，然后让设定值的变化作为干扰输入，逐渐减小比例度? 值，观察系统的输出响应曲线。按照过渡过程的衰减情况改变? 值，直到系统出现4：1的衰减振荡，如图2-4所示。记下此时的比例度?s和衰减振荡周期Ts，然后根据相应的经验公式，求出控制器的整定参数。其整定计算公式见表2-3。

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图2-4 曲线图

衰减曲线法对大多数的系统均可使用，且由于试验过渡过程振荡的时间较短，又都是衰减振荡，易为工艺人员所接受，故这种整定方法应用较为广泛。

表2-3 衰减曲线法控制器参数计算表（4：1衰减比）

控制规律 P PI PID 比例度?（%） ?s 1.2?s 0.8?s 积分时间Ti（min） 0.5Ts 0.3Ts 微分时间Td(min) 0.1Ts 4． 反应曲线法

反应曲线法是根据广义对象的时间特性，通过经验公式的求取的。这是一种开环的整定方法，又Ziegler和Nichols于1942年首先提出的。

当操纵变量做阶越变化时，被控变量随时间的变化曲线称为反应曲线。对自衡的非振荡

过程，广义对象的传递函数常用

G0(s)?K?eT?1 来近似的，Ko,?和To可由反应曲线用图解

O?sO法得出。控制器参数整定的反应曲线法是根据广义对象的Ko, ?和To。确定控制器的参数的方法。

有了参数Ko, ?和To，就可以根据经验公式，计算出满足4：1衰减振荡的控制器的整定参数。见表2-4。

表2-4 反应曲线法控制器参数计算表（4：1衰减比）

控制规律 P PI PID 比例度?（%） Ko(?/T) 1.1 Ko(?/T) 0.8Ko(?/T) 积分时间Ti（min） 3.3? 2.2? 微分时间Td(min) 0.5? 2.2.5 PID各参数在系统中的作用

在单回路控制系统中，由于干扰作用使被控参数偏离给定值，从而产生偏差。自动控制系统的调节单元将来自变送器的测量值与给定值想比较后产生的偏差进行比例、积分、微分

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（PID）运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺参数的自动控制。

被控参数能否回到给定值上来，以及通过怎样的途径，经过多长的时间回到设定值上来，及控制过程的品质如何，这不仅与对象的特性有关，而且还与调节器的特性即调节器的运算规律（或称调节规律）有关。

比例作用P只与偏差成正比；积分作用I是偏差对时间的积累；微分作用D是偏差的变化率。

自动调节系统中当干扰出现的时候微分D立即起作用，P 随偏差增大而明显起来，两者首先起克服偏差的作用，使被控量在新值上稳定，次新值与设定值的偏差叫余差，而I随时间增加逐渐增强，直至克服掉余差，使被控量从返设定值上来。

1．比例调节

调节作用快，能迅速反应误差，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大1/P倍输出。 系统存在余差比例带越大，过渡过程越平稳，但余差越大，比例带越小，过渡过程易振荡，比例带太小时，就可能出现发散振荡。

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

2．积分调节

积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分调节作用的输出不仅取决与偏差信号的大小，还取决于偏差存在的时间，只要有偏差存在,尽管偏差可能很小，但它存在的时间越长，输出信号就越大，只有消除偏差，输出才停止变化。

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3．微分调节

微分调节的输出是与被调量的变化率成正比。在比例微分调节作用下，有时尽管偏差很小，但其变化速度很快，则微分调节器就有一个较大的输出。

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

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2.3 温度控制系统概述

2.3.1 温度控制系统工作原理

当房间内温度变化时会引起温度传感器输出电压信号的变化，通过与温度传感器连接的信号线把变化的电压信号送入A/D模块，A/D模块将其转换为对应的数字信号并送入PLC进行运算处理来控制D/A模块输出电压的大小，D/A模块输出的电压信号送给调压模块的控制端来控制加热器两端电压，以达到改变加热器加热量的目的。PLC的控制可以通过计算机进行控制也可以通过触摸屏进行控制，触摸屏并具有参数预置和数据显示功能。

2.3.2 系统要求

将房间内的温度控制在30±0.1oC，当室温低于29.9oC或高于30.1oC时系统应能自动进行调整，系统设置一个启动按钮和停止按钮来控制程序的运行和停止。

2.3.3 PLC控制系统的构成

该系统由温度传感器、PLC、人机界面、模拟量输入A/D模块、模拟量输出D/A模块及执行机构等组成。

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第三章 硬件系统设计

3.1 总体方案

系统方框图如图3-1所示：

图3-1 系统方框图

3.2 硬件系统方案设计

先确定硬件系统设计后就可以进行控制器的选择。另外本设计系统中还需选购传感器、变送器、固态继电器、加热器和断路器。其中传感器和变送器用于将现场的实际物理量经检测后转换为标准信号;态继电器作为执行机构将控制回路与主电路隔离并控制作为控制对象

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的加热器的工作（通电和断电），断路器对主电路起到过载和短路保护。系统控制原理图如3-2图所示。

被控量为加热器的温度值，用Pt100型热电阻与变送器的一体机将检测出来的温度信号转变为4～20mA的标准电流信号，再经过一个500欧姆的电阻转换为2～10V的电压信号，送入ET200S分布式I/O的模拟量输入模块（AI），并由之转换为数字量，送入PLC的CPU单元处理。经过数字量处理、PID运算，输出值再经过ET200S分布式I/O的2PULSE模块的脉冲宽度调制并输出产生相应的一系列的PWM脉冲，这一系列的PWM脉冲控制信号加到固态继电器的3，4输入端上，通过控制1，2输出端的通断来改变加热器工作电压值的大小，从而达到了控制加热器温度的目的。

硬件系统原理图：

图3-2 硬件系统原理图

3.3 控制器的选择

当今市场中成型的产品均为以单片机为控制器的温度控制器，而一般的单片机的速度较慢，更重要的是其ROM和RAM空间较小，不能运行较大的程序，因为基于多任务的操作系统需要的任务堆栈很多，需要的RAM空间很大，故其在发展上受到了很大的限制。而传统的加热电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高而且容易出现故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机技术的发展，传统的继电器控制技术必然会被基于计算机技术而产生的PLC控制技术取代。

PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计的，它采用可编程序的存储器存储程序，通过执行程序实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机电设备和生产过程。它具有高可靠性、可编程、丰富的I/O接口模块、采用模块化结构以适用于各种工业控制需要、编程简单易学、安装简单和维护方便这六大特点。除此之外，正是由于PLC具有多种功能，并集三电（电控装置、电仪装置、电气传动装置）于一体，使得PLC在工厂中倍受欢迎，用量高居榜首，成为现代工业自动化的三大支柱之一。而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的

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温度控制系统变得更经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性的意义。基于此，本设计选用PLC作为控制器是最合适不过了。西门子自动化与驱动公司的PLC以其极高的性能价格比，在我国占有很大的市场份额，在我国的各行各业都得到了广泛的应用。其中，S7-300是模块化的中小型PLC，见图3-3，见表3-1。

适用于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信功能，使其应用十分灵活。

图3-3 S7-300 CPU 表3-1 CPU315-2PN/DP性能指标

指标 存储器 工作存储器/KB 装载存储器（内部集成RAM）/KB 装载存储器（Flash EPROM） 地址I/O区 DI/DQ AI/A1 本机I/O点 执行时间 位指令 字指令 整数运算 浮点数运算 存储器标志位 存储器标志位 计数器/定时器

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CPU315-2PN/DP 128 128 随MMC卡插入（最大8M） 1024 256 － 最少0.1us 最少0.2us 最少2.0us 最少3.0us 2048 山东科技大学自动化专业毕业设计（论文）

计数器/定时器 接口 第1个接口 接口类型 物理组成 电隔离 接口电源（15到30V DC） 功能 MPI PROFIBUS DP 点对点连接 PROFINET 第2个接口 接口类型 物理组成 电隔离 自动检测 功能 PROFINET MPI PROFIBUS DP 点对点

256/256 集成RS485接口 RS485 是 最大为200mA 是 是 是 是 PROFINET 以太网 RJ45 是 是 是 是 是 是 3.4 信号采集与变换

检测变送环节的作用是将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测、变送单元转换为标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用1～5mA、4～20mA、0～10V电流或电压信号，20～100kPa气象信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字信号。如图3-4所示为检测变送环节的工作原理。

图3-4 检测变送环节的工作原理图

检测元件和变送器的基本要求是准确、迅速和可靠。准确是指检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差应小；迅速是指应能及时反映被控或被测变量的变化；可靠是指测量元件和变送器的基本要求，应能在环境工况下长期稳定运行。

由于检测元件直接与被控或被测介质接触，因此，在选择检测元件时，应首先考虑该元件能否适应工业生产过程中的高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境，能否长期温度运行；其次，应考虑检测元件的精确度和响应的快速性等。除了这些选择检测元件和变送器的要求外，还应考虑检测元件和变送器的线性特性等。

变送器分为两线式和四线式，四线式变送器有4根线：电源线、信号线和公共线。两线

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式变送器只有外部接线，它们既是电源线又是信号线，输出4～20mA的信号电流，DC24V电源串接在回路中。通过调试，在被检测信号量程的下限时输出电流为4mA，被检测信号满量程时输出电流为 20mA。两线式变送器的接线少，信号传递远，在工业中得到了广泛的应用。

因此根据实际要求，本设计中选用的是CGWD—401B一体化温度变送器（电流型、两线式）。 1．概述

CGWD—401B 一体化温度变送器是一种价廉物美的24VDC、两线或三线制的一体化温度变送器，产品采用集成电路，将热电阻信号放大并转换为4～20mA(两线制)或0～10mA（旧国标三线制）电流或0～5V（非标三线制）电压输出。电流输出型变送器有如下特点：可远传（最大1000m）、精度高、抗干扰强、稳定性好、免维护，可广泛应用在过程控制、锅炉控制、环境控制、冶金工业、石油化工、水力电力、医药食品等工业领域。

CGWD—401B一体化温度变送器与其他变送器相比，具有极高的性价比。 2．工作原理

温度传感器受温度的影响产生电阻或电势效应，经转换产生一个电压信号，此信号经过运算放大电路放大后输出与量程对应的4～20mA、0～20mA电流或0～5V的电压信号。 3．主要技术参数

1）热电阻测量范围：PT100：-50～+200℃

2）测量精度：热电阻：?0.2%

3) 温度漂移：?0.025%℃,年漂移

5）供电电压：24VDC?10%（4～20mA电流型模块最低工作电压需要10V余下供负载） 6）负载能力：0～600欧姆（24V电压时）电压变化影响

1）安装与接线

变送器系统连接如图3-5所示，24VDC通过屏蔽电缆给变送器供电，变送器‘+’接 24VDC的正极，‘—’输出4~20mA的电流，接各种显示仪表的‘+’端或计算机的取样电阻，显示仪表的‘—’端与24VDC的负极共地。

图3-5 变送器系统连接图

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24VDC通过屏蔽电缆给变送器供电，把信号经过500欧姆电阻后变为2～10V的电压采样，然后经过A/D转换，送到SM334。

2）校准

将变送器接到标准信号源上，在信号源给出零点和满度信号时反复调整零点及满度调节电位计，即可精确调整量程。变送器上，‘Z’为零点调整电位计，‘S’为满度调整电位计。所有电位计在出厂前均已调好。在使用中因线阻和环境温度而产生误差时，只调节零点电位计‘Z’即可校正。本校正方法也可用于修正系统误差。 5．注意事项

CGWD—401B一体化温度变送器使用过程中注意如下事项：

1）电源应使用仪表电源不得有尖峰、慎用开关类电源，特别是智能表自带开关电源 ，否则容易自激损坏变送器。

2）变送器校准应在加电两分钟后进行，测量温度尽量不超过满量程的70%，更不能超量程使用。

3）如果要测高温（>100℃）或低温（<5℃）传感器腔与接线盒之间应用耐温材料隔离，密封防止接线盒温度过高烧坏变送器或传感器内部低温结露。

4）电源应采用屏蔽层接地防雷，压线螺母应旋紧以保证气密性和防潮。

5）传感器的绝缘耐压必须达到要求防止现场漏电，传感器激励电流为0.8mA,耗能功率<0.1MW。

6）变送器每6个月应校准一次。

7）量程最小选择范围：Pt100电流型为50℃，电压型为100℃。 6．常见故障分析

1）如果电流型输出>20mA时或电压型>5V时，一般为传感器断丝或接触不良，如果老是低于零点可能是传感器短路或者是极性接反。输出值与测量温度不对应或者跳动可能是传感器绝缘不好，如果显示表与温度不符可能是变送器与显示表的量程不对应。

2）变送器输出不稳定时检查与外壳的绝缘是否达标，绝缘不良（在现场有电动机或感应电压时）及电表功率不足都会引起变送器输出不稳定。电压型一般易受干扰，不宜远传。

3.5 执行模块

3.5.1 固态继电器

固态继电器(SOLID STATE RELAYS) ,简写成“SSR”,是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件 ,它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性 ,可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的 ,因此又被称为“无触点开关”,它问世于 70年代 ,由于它的无触点工作特性 ,使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。

1 固态继电器的原理及结构

SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类 ,它们分别在交流或直流电源上做负载的开关 ,不能混用。

下面以交流型的 SSR为例来说明它的工作原理 ,图3-6是它的工作原理框图 ,图3-6中的部件①- ④构成交流 SSR的主体 ,从整体上看 ,SSR 只有两个输入端(A 和B)及两个输出端(C和D) ,是一种四端器件。工作时只要在A、B 上加上一定的控制信号 ,就可以控制 C、D 两端之间的“通”和“断”,实现“开关”的功能 ,其中耦合电路的功能是为 A、B

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端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道 ,但又在电气上断开 SSR中输入端和输出端之间的(电)联系 , 以防止输出端对输入端的影响 ,耦合电路用的元件是“光耦合器”,它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高;由于输入端的负载是发光二极管 ,这使 SSR 的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配 ,在使用可直接与计算机输出接口相接 ,即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号 ,驱动开关电路 ④工作 ,但由于开关电路在不加特殊控制电路时 ,将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网 ,为此特设“过零控制电路”。所谓“过零”是指 ,当加入控制信号 ,交流电压过零时 ,SSR 即为通态;而当断开控制信号后 ,SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时 ,SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压) 对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的 ,一般是用“R - C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器) 。

图3-6 SSR工作原理框图

2 固态继电器的特点

SSR成功地实现了弱信号(Vsr)对强电(输出端负载电压)的控制。由于光耦合器的应用, 使控制信号所需的功率极低(约十余毫瓦就可正常工作) ,而且 Vsr所需的工作电平与 TTL、 HTL、CMOS等常用集成电路兼容 ,可以实现直接联接。这使 SSR 在数控和自控设备等方面得到广泛应用。在相当程度上可取代传统的“线圈 —簧片触点式”继电器(简称“MER”) 。 SSR由于是全固态电子元件组成 ,与 MER 相比 ,它没有任何可动的机械部件 ,工作中也 没有任何机械动作;SSR由电路的工作状态变换实现“通”和“断”的开关功能 ,没有电接触点 ,所以它有一系列 MER不具备的优点 ,即工作高可靠、长寿命(有资料表明 SSR 的开关次数可达 10?10次 ,比一般 MER 的 10 高几百倍) ，无动作噪声;耐振耐机械冲击，

89安装位置无限制，很容易用绝缘防水材料灌封做成全密封形式 ,而且具有良好的防潮防霉防腐性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳。这些特点使 SSR 可在军事(如飞行器、火炮、舰船、车载武器系统) 、化工、井下采煤和各种工业民用电控设备的应用中大显身手 ,具有超越 MER 的技术优势。

交流型 SSR由于采用过零触发技术 ,因而可以使 SSR 安全地用在计算机输出接口上 ,不必为在接口上采用 MER而产生的一系列对计算机的干扰而烦恼。此外 ,SSR还有能承受在数值上可达额定电流十倍左右的浪涌电流的特点。

在本设计当中，使用的是功率为1500W、额定电压为220V的电加热壶，工作电流有6.8A, 因此根据实际需要我选择用美国OPTO22公司的型号为240D10的交流型固态继电器。

其实际图形和技术参数如图3-7

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图3-7 交流型固态继电器

1,2 为输出（负载回路）最大10A/250V AC. 3,4 为输入（信号）3-32V DC.

3.5.2 加热器

技术参数如下： 1）型号WL—S15

2）额定电压：220V、50Hz 3）额定功率：1500W

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第四章 软件系统设计

4.1 S7-300实现PID闭环控制的方法

S7-300为用户提供了功能强大、使用方便简单的模拟量闭环控制功能。 1．闭环控制模块

S7-300的FM355闭环控制模块是智能化的4路通用闭环控制模块，可以用于化工和过程控制，模块上带有A/D转换器和D/A转换器。

2．闭环控制用的系统功能块

除了专用的闭环控制模块外，S7-300也可用PID控制功能块实现PID控制。但是需要配置模拟量输入模块和模拟量输出模块（或数字量输出模块）。连续控制器通过模拟量输出模块输出模拟量数值，步进控制器输出开关量（数字量），例如二级或三级控制器可用数字量输出模块输出脉冲宽度可调的方波信号。

在S7-300PLC中，通过调用系统功能块SFB41、SFB42或SFB43。SFB41（CONT_C）用于连续控制方式，SFB42(CONT_S)用于步进控制方式，SFB43(PULSEGEN)用于脉冲宽度控制方式。

3．闭环控制软件包 安装了标准PID控制（Standard PID Control）软件包后，文件夹“\\Libraries\\Standard Library\\PID Controller”中的FB41～FB43用于PID控制，FB58~FB59用于PID 温度控制。其中FB41~FB43和SFB41~SFB43兼容。

模糊控制软件包适合于对象模型难以建立 ，过程特性缺乏一致性，具有非线性，但是可以总结出操作经验的系统。

神经网络控制系统（Neuronal Systems）适用于不完全了解其结构和解决方法的控制问题。它可以用于自动化的各个层次，从单独的闭环控制器到工厂的最优控制。

PID自整定(PID Self Tuner)软件包可以提供控制优化支持。 基于现有的准备知识结构、现有的实际条件以及经济性，本设计采用的是PLC内部所提供的PID控制功能模块FB41来进行PID闭环控制。

4.2 连续PID控制器

本次设计用的是以FB41“CONT_C”（连续控制器）的输出为连续变量。可以用FB41“CONT_C”作为单独的PID恒值控制器，或在多闭环控制中实现级联控制器、混合控制器和比例控制器。控制器的功能基于模拟信号采样控制器的PID控制算法。如果有需要的话，在软件上FB41可以和FB43脉冲发生器进行扩展，产生脉冲宽度调制的输出信号；在硬件上也可和2PULSE脉冲发生器进行扩展，同样可以产生脉冲宽度调制的输出信号。

4.2.1 设定值与过程变量的处理

1．设定值的输入

浮点数格式的设定值（setpoint）用变量SP_INT（内部设定值）输入（见图4-1）

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图4-1 PID算法结构图

2．过程变量的输入

可以用两种方式输入过程变量（即反馈值）： 1）、用PV_IN（过程输入变量）输入浮点格式的过程变量，此时开关量PVPER_ON（外围设备过程变量ON）应为0状态。

2）、用PV_PER（外围设备过程变量）输入外围设备（I/O）格式的过程变量，即用模拟量输入模块输出的数字值作为PID控制的过程变量，此时开关量PVPER_ON应为1状态。

3．外围设备过程变量转换为浮点数

外围设备（即模拟量输入模块）正常范围的输出值（100.0%）为27648（6C00H），功能CRP_IN将外围设备输入值转换为-100.0%~+100.0%之间的浮点数格式的数值，CPR_IN的输出（以％为单位）用下式计算：

PV_R=PV_PER×100/27648（％）

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4．外围设备过程变量的标准化

PV_NORM功能用下面的公式将CRP_IN的输出PV_R格式化：

PV_NORM的输出＝PV_R×PV_FAC＋PV_OFF

式中，PV_FAC为过程变量的系数，默认值为1.0；PV_OFF为过程变量的偏移量，默认值为0.0。PV_FAC和PV_OFF用来调节过程输入的范围。

如果设定值有物理意义，实际值（即反馈量）也可转换为该物理值。

4.2.2 控制器输出值的处理

1．手动模式

参数MAN_ON（手动值ON）为1时为手动模式，为0时为自动模式。在手动模式中，控制变量（Manipulated Variable,即控制器的输出值）被手动循选择的值MAN（手动值）代替。

在手动模式时如果令微分项为0，将积分部分（INT）设置为LMN-LMN_P-DISV,可以保证手动到自动的无忧切换，即切换时控制器的输出值不会突变，DISV为扰动输入变量。 2．输出限幅

LMNLIMIT(输出量限幅)功能用于将控制器输出值（Manipulated Variable）限幅。 LMNLIMIT功能的输入量超过控制器的输出值的上极限MN_HLM时，信号位QLMN_HLM（输出超出上限）变为1状态；小于下极限值LMN_LLM时，信号位QLMN_LLM（输出超出下限）变为1状态。

3．输出量的格式化处理

LMN_NORM(输出量格式化)功能用下述公式来将功能LMNLIMIT的输出量LMN_LIM 格式化：

LMN=LMN_LIM×LMN_FAC＋LMN_OFF

式中，LMN式格式化后浮点数格式的控制器输出值；LMN_FAC位输出量的系数，默认值位1.0；LMN_OFF位输出量的偏移量，默认值为0.0；LMN_FAC和LMN_0FF用来调节控制器输出量的范围。

4．输出量转换为外围设备（I/O）格式

控制器输出值如果要送给模拟量输出模块中的D/A转换器，需要用“CPR_OUT”功能转换为外围设备(I/0)格式的变量LMN_PER。转换公式为：

LMN_PER=LMN×27648/100

用参数赋值工具可以进行参数检查，给出错误消。

4.3 系统实现与PLC编程

4.3.1 软件编程方框图

PID控制的程序方框图

应在启动时执行的组织块OB100中和在定时循环中断OB35中调用PID功能块FB41。执行OB35的时间间隔（ms，即PID控制的采样周期CYCLE）在CPU属性设置对话框的循环中

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断选项卡中设置，在本设计中OB35定时中断的执行间隔时间设置为100ms。

调用功能块FB41时应指定相应的背景数据块。功能块的参数保存在背景数据块中，可以通过数据块的编号、偏移地址或符号地址来访问背景数据块。

软件流程图见图4-2,首先应将锅炉实际温度值转换为数字量，和设定温度值进行比较，得到偏差ER。通过FB41进行PID运算，运算结果通过FC106转化为一个整型值输出。

图4-2 软件流程图

ET200S是一种模块式DP从站，它的输入区域和输出区域是可变的，可以用STEP7组态软件HW Config定义它们。它需要一块ET200S接口模块（IM 151）来实现与S7-300主站的通信。

在组态STEP7时自动分配它的输入/输出地址，就像访问主站内部的输入/输出模块一样，DP主站S7-300可以通过这些地址直接访问DP从站ET200S。

下图4-3 为DP主站S7-300和DP从站ET200S的硬件组态图：

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图4-3 S7-300和ET200S的硬件组态图

下图4-4 为调用FB41:

图4-4 调用FB41

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下图4-5 为数据块DB1

图4-5 数据块DB1

4.4 调试结果

当设定值为60℃，实际控制变量的曲线图如图4-6所示：

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图4-6 控制变量的曲线图

对上图进行分析： ①超调量：

Cmax(t)＝61，C??? =60

maxc ?%?(t)?c???c????100%?61?60?1.6700<10% 60超调量达到了闭环控制系统的指标要求。 ②控制精度：

当系统进入稳态时最终能够将被控变量（实际控制温度）钳制在（当时环境温度C?t??C????2%?60?1℃范围内，控制精度较高，比较符合预期要求。为28℃）。

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第五章 系统安装

虽然PLC具有很高的可靠性，并且有很强的抗干扰能力，但在过于恶劣的环境或安装使用不当等情况下，都有可能引起PLC内部信息的破坏而导致控制混乱，甚至造成内部元件损坏。为了提高PLC系统的运行的可靠性，安装时应注意以下几方面的问题。

(1) 环境温度适宜

通常PLC允许的环境温度约在0～55oC。安装时不要把发热量大的元件放在PLC的下方；PLC四周要有足够的通风散热空间；不要把PLC安装在阳光直接照射或离暖气、加热器、大功率电源等发热器件很近的场所。

(2) PLC工作环境

PLC工作环境的空气相对湿度一般要求小于85%，以保证PLC的绝缘性能。湿度太大会影响模拟量输入/输出装置的精度。

(3) 注意环境污染

不一把PLC安装在有大量污染物（如灰尘、油烟、铁粉等）、腐蚀性气体和可燃性的场所，尤其是有腐蚀性气体的地方，易造成元件及印刷线路板的腐蚀。

(4) 远离振动和冲击源

安装PLC的控制柜应当远离有强烈振动和冲击的场所，尤其是连续、频繁的振动。必要时可以采取相应措施来减轻振动和冲击的影响，以免造成接线或插件的松动。

(5) 远离强干扰源

PLC应远离强干扰源，如大功率晶闸管装置、高频设备和大型动力设备等，同时PLC应该远离强电磁场和强放射源，以及易产生强静电的地方。

(6) 正确的接地

良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件。为了抑制干扰，PLC最好单独接地，与其他设备分别使用各自的接地装置。

(7) 安全保护

当PLC输入设备短路时，为了避免PLC内部输出元件损坏，应该在PLC外部的输出回路中装上熔断器，进行短路保护。

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第六章 结束语

6.1 本文总结

本文研究的是温度控制系统，下面将论文的主要工作作一个简要的总结： 1. 首先本文介绍了大时滞、大惯性温度控制系统的相关的理论基础，并且针对温度控制系

统的这一特性从理论上重点阐述了当今温度控制的常用的控制方法——PID（比例、微分、积分）的特点、优点、算法和各个参数的具体作用，为本次研究的课题打下了理论基础。

2. 其次本文确定了本次研究的课题的硬件系统的总体设计方案并结合实际对所涉及的相

关硬件设备进行了比较深入、具体的分析和选型，为本次研究的课题构建了一个设计合理的硬件设计平台。

3. PID控制算法作为本次研究课题——温度控制系统的核心算法，本文具体阐述了PID控

制算法在PLC中的具体实现方法。利用S7-300内部所提供的闭环控制软件包FB41“CONT_C”来具体实现了PID的闭环控制功能，为保证温度控制系统能够精确控制提供了结构合理的软件设计系统。 4. 最后，作为PID控制系统中的重点同时也是难点的PID控制器的参数整定环节，本文给

了较多篇幅的详细论述，详细介绍了PID控制器参数整定的工程整定法：控制器参数经验法、临界比例度法、衰减曲线法和反映曲线法。并且通过采用控制器参数经验法对本次设计的温度控制系统进行参数整定和调试，结果显示本次设计的温度系统能够在一定条件下达到了较好的控制效果。

通过以上所做的工作，本文解决了传统温度控制系统的体积大，耗电多，效率不高而且容易出现故障，控制精度不高，不能保证正常的工业生产等问题。本设计系统运行状态良好，效果不错，达到了预期的目标，为以后进一步的研究工作并向实用化推广打下了坚实的基础。

6.2 展望

温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量。其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。温度变化缓慢的熔炉，回转窑以及所有热容量大的设备的温度回路响应都很缓慢。 对个响应缓慢的温度回路，整定控制参数需要经验和耐心。如果没有冷却作用，设备的加热过程通常要比放热过程快的多。因此，如果温度经常上下波动，过程对象的时间常数将会有很大的变化。 在时间常数和滞后时间变化的情况下，用PID来控制会很容易产生振荡或控制作用缓慢。在一定的操作范围内，可以通过调整PID的参数实现对过程的控制。

随着电子器件的发展,控制电路的形式也多种多样,无论是神经网络,模糊控制还是遗传算法,都属于人工智能领域,同PID结合以调节PID参数,适应温控系统非线性,干扰多,大时延,时变和分布变化的特点。神经网络采用自适应的方法,具有很强的鲁棒性,动态响应快。缺点是容易陷入局部最优,采用遗传算法来训练神经网络可以实现结构与参数的快速全局寻

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优。模糊控制适应大惯性和纯延滞后系统,不需要知道系统的精确信息,与神经网络结合,能向自适应的方向发展。综上所述,实现温控系统的参数自调整,将线性控制与非线性相结合,使温度能满足用户的需要是温控系统的最终目的。在实际应用中,应该根据具体的应用场合、不同的加热对象和所要求的控制曲线和控制精度,选择不同的系统方法。

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致 谢

四年的大学生涯即将结束，在这三个多月的毕业设计过程中学到了许多在书本上所学不到的知识，使我对以前学的理论知识有了更深刻的理解，通过实际的操作对我的动手能力有了很大的提高，使我受益匪浅。在此，我要特别感谢我的指导老师---尊敬的吉顺平老师。在毕业设计过程中，他都耐心指导我，在他的引导下让我解决了许多难题，学到了许多有用的东西，在此向他致以最衷心的感谢!

感谢一直陪伴在我身边的同学，有了他们的帮助和鼓励才使我的步伐更加坚定！ 最后，还是要衷心感谢在毕业设计中给予我帮助过的老师、同学，还有我的朋友们！ 谢谢你们！

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山东科技大学自动化专业毕业设计（论文）

参考文献

[1] 胡建. 西门子S7-300 PLC 应用教程[M]. 北京：机械工业出版社，2007. [2] 廖常初. S7-300/400 PLC应用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2005.1.

[3] 吉顺平，孙承志，路明. 西门子PLC与工业网络控制[M]. 北京：机械工业出版社，

2008.8.

[4] 赵玉刚，邱东. 传感器基础[M]. 北京：中国林业出版社；北京大学出版社，2006.8. [5] 宋辉. Siemens PLC 在闭环控制系统中PID算法的实现[J]. PLC、工控机与集散控制系

统,2003.33-35.

[6] 李庭弼，饶依群. 利用PLC实现PID控制的方法[J]. 工业现场，2002，第13期 总第

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[7] 吴波，张静. 在热处理电阻炉温度控制系统设计中的应用[J]. 热处理技术与装备，

2006，第27卷第6期：39-43. [8] 王振，李建朝. PWM在真空加热控制中的应用[J]. 商丘职业技术学院学报，2005，第4

卷第2期：49-51.

[9] 刘焕志. 直接用D/A输出驱动固态继电器进行温度控制[J]. 电子与自动化，1996，第

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[10] 赵艳. DCS中PID参数整定技巧[J]. 氯碱工业,2005,第6期：43-45.

[11] 邱丽，曾贵娥等. 几种PID控制器参数整定方法的比较研究[J]. 工业控制与应用，

2005，第24卷第11期：28-31.

[12] 王新山. PID调节器的参数整定和正确应用[J]. 炼油化工自动化，1992，第6期：

31-33.

[13] 西门子公司. SIMATIC 用于 S7-300和 S7-400 的标准软件PID 控制用户手册

(A5E00447392-01).

[14]西门子公司. SIMATIC ET 200S Technological Functions Operating

Instructions,2007.

[15] 西门子公司. SIMATIC ET 200S分布式I/O IM151-1 STANDARD接口模块

(6ES7151-1AA04-0AB0)设备手册，2007.

[16] 西门子公司. SIMATIC ET 200S分布式I/O 2AI U ST模拟电子模块

(6ES7134-4FB01-0AB0)设备手册,2007.

[17] 西门子公司. SIMATIC S7-300/400 Tips，1996.

[18] 俞金寿，蒋慰孙.过程控制工程（第3版）[M] .北京：电子工业出版社，2007. [19] Training Material of 2nd Siemens Automation &Drives Summer School at

University of Applied Sciences ,Esslingen FHTE, 2005. [20] Modular Production System Hand book，FESTO公司1997，10.

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山东科技大学自动化专业毕业设计（论文）

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