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温度控制系统设计[1]


理学院
School of Sciences

嵌入式系统设计 考试论文报告
学生姓名: 学生姓名: 学生学号: 学生学号: 所在班级: 所在班级: 所在专业: 所在专业:
邵明江 200701090 电子 07.1 电子信息科学与技术

实习成绩 第一项 第二项

总评

智能温度采集和显示系统设计
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,是继续计算机、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,编程简朴,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。 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,占统治地位的仍旧是 常规的 PID 控制。PID 结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模 型。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。 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件, 它们是在自动控制系统监控层 一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制 系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前,要实现某一任务,都是 通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长,而且轻易犯错 误,不能保 证工期。组态软件的出现,解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作,通过组态几 天就可以完成。组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的,组态王具有 流程画面,过程数据记录,趋势曲线,报警窗口,生产报表等功能,已经在多个领域被 应用。

1 温度控制原理 现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号, 经低通滤波滤掉干扰信号后送 放大器,信号放大后送模/数转换器转换为数字信号送 PLC,模拟量输出控制,将 PLC 中 PID 控制器输出通过 EM235 AO 输出 0-5V 电压,该 0-5V 电压作为方案 1 中驱动模块 的输入信号,该模块将接收的 0-5V 可调电压变换成 0-24V 可调电压给电加热丝,从而
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控制电加热丝的加热强度,从而实现温度控制。 当通过热电偶采集的被测温度偏离所希望的给定值时,PID 控制可根据测量信号与 给定值的偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)运算,从而输出某个适当的控制 信号给执行机构,促使测量值恢复到给定值,达到自动控制的效果。

2 自制温度控制系统方案设计 利用搭建的回路,采用相应的控制算法实现对对象的良好控制,算法采用常规 PID 控制器、改进 PID 控制器,并利用组态软件组态较人性化的人机画面,组态软件采用组 态王或者 MCGS。温度控制系统是以 EM235(其中 4 个 AI,1 个 AO)单片机为控制核心。整 个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、A/D 转换、PLC、I/O 设备、控制执 行系统等。利用模拟量输出控制,将 PLC 中 PID 控制器输出通过 EM235 AO 输出 0-5V 电 压,该 0-5V 电压作为方案 1 中驱动模块的输入信号,该模块将接收的 0-5V 可调电压变 换成 0-24V 可调电压给电加热丝,从而控制电加热丝的加热强度,从而实现温度控制。 方案实现如下图所示:

温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后,将电压信号放大到 PLC 可以处理的 范围内,经过低通滤波,滤掉干扰信号送入 PLC。在 PLC 中对信号进行采样,为进一步 提高测量精度,采样后对信号再进行数字滤波。PLC 将检测到的温度信息与设定值进行 比较,如果不相符,数字调节程序根据给定值与测得值的差值按 PID 控制算法设计控制

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量,触发程序根据控制量控制执行单元。如果检测值高于设定值,系统控制降温;如果 检测值低于设定值,系统控制升温,提高环温度,达到控制温度的目的。

3 自制温度控制系统设计 3.1 3.1 硬件 所用硬件 3.1.1 所用硬件 温度控制系统设计采用 EM 235 单片机为控制核心,与 CPU PLC224、PT100 温度变 送器检测环境温度以及驱动模块所组成的温度控制系统。 整个系统硬件部分包括温度检 测系统、信号放大系统、A/D 转换、PLC、I/O 设备、控制执行系统等。 1、EM235 模块 本次实训我们选用的控制器是西门子 PLC200,实验室中与之配套使用的 A/D 转换 模块中使用的是 EM235(其中 4 个 AI,1 个 AO) ,属于模拟量扩展模块。 通过 EM235 接收 4-20mA 或 0-5V 模拟信号,输出 0-10V 信号,实现模拟量与数字量 的转换,在系统中它主要完成对温度信号的检测工作和模拟电压量的输出,也就是可控 硅触发单元的控制输入。

2、 CPU 控制器 该次实训我们选择西门子 PLC200(221、224、226 都可) ,和一般的微机一样,CPU 是微机 PLC 的核心, 主要由运算器、 控制器、 寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、 数据总线和控制总线构成。CPU 在很大程度上决定了 PLC 的整体性能,如整个系统的控 制规模、工作速度和内存容量。CPU 控制着 PLC 工作,通过读取、解释指令,指导 PLC 有条不紊的工作。 S7-200 系列出色表现在以下几个方面:极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌 握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。

3、 温度变送器模块 实训中的变送器主要用于将由 PT100 检测到的实时温度转换为 4-20MA 的电流量, 采用的是两线制接法。

4、 驱动模块 执行机构模块有驱动模块和继电器, 在该实训中我们选用驱动模块来作为自制温度
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控制系统的执行机构,在前面的方案设计选择中我们已经对选用(模拟量输出模块)驱 动模块作为改变加热器的执行机构。 3.1.2 硬件接线图: 3.1.2 硬件接线图:

系统设计 3.2 系统设计 .2.1 3.2.1 系统设计原理图

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3.2.2 参数变换 .2.2 参数变换 1、输入部分: 温度变送器参数为:0-300 度——4-20mA EM235 输入 AI 接收电流范围 0-20mA, 12 位 A/D 转换器, 为 其转换后数字量范围为: 0-32000,故对应范围为:0-20mA——0-32000。 故编程时: 0-300 度-----------6400-32000 PID 子程序中检测值 PV=AIW0, 归一化得 PV/32000=VD100 2、输出部分: 实际中,驱动模块调压范围为:1.3V-3.2V——0-24V PLC 的 EM235 模块中 AO 输出为 0-10V——0-32000 设计中我们只需要 0-5V 电压给驱动模块,即数字量为 0-16000 PID 运算输出范围为 0-1 之间小数,实训中我们需要将该 0-1 对应到 1.3-3.2V 因此 PID 运算输出对应数字量范围为:1.3*3200=4600V,3.2*3200=10240V 因此,D/A 转换器的数字量 D 对应 PID 程序输出 x 之间关系为: D=f(x)= X*(10240-4160)+4160 驱动模块输入电压 V 与 PID 输出 x 之间关系为: V=x*(3.2-1.3)+1.3 3、设定部分: PID 子程序设定值 VD104 为归一化 0-1 之间的值 0-300 度---6400-32000 0-32000-----0-1
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综合得 0-300 度------0.2-1 X=T*(1-0.2)/300+0.2

3.2.3 工程转换 .2.3 1、信号变换中的数学问题 信号的变换需要经过以下过程:物理量-传感器信号-标准电信号-A/D 转换-数 值显示。 假定物理量为 A,范围即为 A0-Am,实时物理量为 X;标准电信号是 B0-Bm,实时 电信号为 Y;A/D 转换数值为 C0-Cm,实时数值为 Z。 如此,B0 对应于 A0,Bm 对应于 Am,Y 对应于 X,及 Y=f(X)。由于是线性关系,得出 方程式为 Y=(Bm-B0)*(X-A0)/(Am-A0)+B0。又由于是线性关系,经过 A/D 转换后的数学 方程 Z=f(X)可以表示为 Z=(Cm-C0)*(X-A0)/(Am-A0)+C0。 那么就很容易得出逆变换的数 学方程为 X=(Am-A0)*(Z-C0)/(Cm-C0)+A0。方程中计算出来的 X 就可以在显示器上直接 表达为被检测的物理量。 2、PLC 中逆变换的计算方法 以 S7-200 和 4-20mA 为例,经 A/D 转换后,我们得到的数值是 6400-32000,及 C0=6400,Cm=32000。于是,X=(Am-A0)*(Z-6400)/(32000-6400)+A0。 例如某温度传感器和变送器检测的是-10-60℃,用上述的方程表达为 X=70*(Z-6400)/25600-10。经过 PLC 的数学运算指令计算后,HMI 可以从结果寄存器中 读取并直接显示为工程量。 程序设计 3.3 程序设计 3.3.1 内存变量分配表 .3.1 1、程序地址分配 地址 VD12 VD300 说明 目标设定温度存放地址 当前实际温度存放地址

2、 PID 指令回路表 3.3.2 PLC 程序 .3.2 1、主函数

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利用特殊寄存器字节 SM0.1 调用两个初始化程序,分别为 SBR_0;中断初始化子程 序和 SBR_1;PID 参数初始化子程序。

2、中断初始化、开启中断 中断初始化、 对中断事件进行初始化,设定定时中断 0 的时间间隔为 200ms,用 ATCH 指令连接定 时中断 0 与中断处理程序 INT_0,并开启中断。 3、PID 参数初始化 对 PID 指令的参数回路表进行设定。 4、中断执行的程序(INT_0) 程序的核心部分,由于 PID 接受的数据要在 0.0~1.0 之间,要进行比较多的工程量 变化。对 PID 检测值、设定值、输出值全部都需进行归一化。主要有五个部分。 1)检测值归一化: 检测值归一化: 归一化 从传感器采集到的模拟量 A/D 转换后,转换为实数后,按公式 VD100=PV/32000 转 换为 0.0~1.0 的数。 2)检测值转换为 0 到 300 度,在组态王界面显示 3)设定值归一化: 设定值归一化: 主要把组态王中给定温度值 0~300 度按公式 X=T*(1-0.2)/300+0.2 转换为 PID 指令 接受的范围(0.2~1.0) 。 程序: 4)调用 PID 程序 在此调用 PLC200 的 PID 指令,对检测输入值和给定值进行 PID 运算,得到输出值。 输出反归一化: 5) 输出反归一化: PID 运算后得到的控制执行器运作的输出值,在 0.0~1.0 内的某值,不能直接为执 行器所用,需要转换为 EM235 模拟量扩展模块中 D/A 对应的数值量,再由 EM235 转换为 相应的模拟量控制加热丝加热。
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参数整定及运行 及运行结果 3.3 PID 参数整定及运行结果 3.3.1 PID 参数整定 PID 参数整定方法就是确定调节器的比例系数 P、 积分时间 Ti 和和微分时间 Td, 改 善系统的静态和动态特性,使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以 通过理论计算来确定,但误差太大。目前,应用最多的还是工程整定法:如经验法、衰 减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。 经验法又叫现场凑试法,它不需要进行事先的计算和实验,而是根据运行经验,利 用一组经验参数,根据反应曲线的效果不断地改变参数,对于温度控制系统,工程上已 经有大量的经验,其规律如下表所示: 被控变量 温度 规律的选择 滞后较大 比例度 20~60 积分时间(分钟) 微分时间(分钟) 3~10 0.5~3

实验凑试法的整定步骤为"先比例,再积分,最后微分"。 1)整定比例控制 将比例控制作用由小变到大,观察各次响应,直至得到反应快、超调小的响应曲 线。 2)整定积分环节 先将步骤 1)中选择的比例系数减小为原来的 50~80%,再将积分时间置一个较大 值,观测响应曲线。然后减小积分时间,加大积分作用,并相应调整比例系数,反复试 凑至得到较满意的响应,确定比例和积分的参数。 3)整定微分环节环节 先置微分时间 TD=0,逐渐加大 TD,同时相应地改变比例系数和积分时间,反复试 凑至获得满意的控制效果和 PID 控制参数。 3.4.2 运行结果 此次是温度的 PID 控制,温度具有比较严重的滞后性,所以一般为了增强系统动态 响应,比例、积分、微分全投入使用,经过多次参数设定比较后,当设定比例系数 P 为 10,积分时间 I 为 0.15,微分时间 D 为 0.01 时,系统能得到比较满意的控制效果,最 大超调只有两度多,稳定后能保持在+0.5 度以内,系统控制效果如下: 4、过程控制系统和现场总线控制系统的区别和联系 过程控制系统和现场总线控制系统的区别和联系 过程控制系统和现场总线控制系统的 1、过程控制系统 过程控制系统是以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在 给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质

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和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、 成分、浓度等。通过对过程参量的控制,可使生产过程中产品的产量增加、质量 提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式,这是过程控制 的主要方式。 过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20 世纪 50 年代, 过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变,从而保证产量和质量稳定。 60 年代,随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现,过程控制已开始过渡到集中 监视、操作和控制。70 年代,出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的 多级计算机控制系统。80 年代,过程控制系统开始与过程信息系统相结合,具有 更多的功能。 本次实训的过程控制系统采用智能调节器作为控制器, 通过整定 PID 参数实现水箱 水位的控制,经过多次整定 PID 参数进行比较, 当设定比例系数 P 为 4,积分时间 I 为 60,微分时间 D 为 0 时,系统具有较好的稳态精度和较小的超调。 2、现场总线控制系统 现场总线控制系统主要由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成,是一种串 行的数字数据通讯链路,它沟通了生产过程领域的基本控制设备(即现场级设备)之间 以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备 (即车间级设备) 之间的联系。 可以是 PLC 或 PC,通过总线接口整个系统进行管理和控制。 现场总线控制是工业(建筑)设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具 有检测、控制、通信能力的微处理芯片,数字化仪表(设备)在现场实现彻底分散控制, 并以这些现场分散的测量,控制设备单个点作为网络节点,将这些点以总线形式连接起 来,形成一个现场总线控制系统。它是属于最底层的网络系统,是网络集成式全分布控 制系统,它将原来集散型的 DCS 系统现场控制机,功能,全部分散在各个网络节点处。 为此,可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。 本次实训的现场总线控制系统采用 PLC 作为控制器, 通过整定组态王监控界面上的 PID 三个参数实现水箱水位的良好控制。经过多次整定 PID 参数进行比较, 当设定比例 系数 P 为 9,积分时间 I 为 20,微分时间 D 为 0 时,系统具有较好的稳态精度和较小的 超调。 通过这次的实训,让我受益匪浅。在实训期间通过与同学们之间的交流和老师的指 导,使自己学到了不少知识。除了学会了西门子 S7—200 的基本知识,并掌握了 S7—
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200 的工作原理和一些指令的功能以外,还掌握了组态王、传感器和扩展模块 EM235 的 使用方法,并且深化了我对 PID 控制技术的理解。 五 结论 在这次实验中我觉得最重要的就是要有自学能力, 因为这次实训中有部分知识我们之前 还没有接触过,所以自己必须学会查找相关的资料。另外就是在遇到实际问题的时候, 要认真思考, 运用所学的知识, 一步一步的去探索, 是完全可以解决遇到的一般问题的。 而在这次设计程序的过程中,我一开始时走了很多弯路,这也是自己的知识不够扎实的 原因。不过经过自己几天的努力,最后还是做了出来,而且还做得挺不错的。 经过这次的课程设计,让我深深的感受到理论联系实践的重要性,平时在学习中不 能够透彻理解的知识,通过动手,会有更好的认知。本次课程设计虽然不长,但是它给 我们带来了很多收获。 它使我意识到自己的操作能力的不足, 在理论上还存在很多缺陷。 所以在以后的学习生活中,我会更加努力地加强理论联系实践的学习,在努力学好专业 知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力,使自己的知识在实践中不断增长,在 实践中锻炼自己,培养自己各方面的能力,不断提高自己 参考文献 1. 《计算机控制技术》,于海生主编,北京:机械工业出版社. 2007 年 5 月 2.《PLC 原理与实践》 ,殷洪义、吴建华主编,北京:清华大学出版社. 2008 年 10 月 3.《PLC 可编程控制器技术开发与应用实践》 ,方强、李丽娜、孙宏昌主编,北京:电子 工业出版社. 2009 年 8 月

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