基于西门子sPLC的恒温控制的专业课程设计.doc

大连民族学院机电信息工程学院
自动化系

电气控制技术课程设计汇报

题 目：
恒温控制
专 业：
自动化
班 级：
自动化104
学生姓名：
金政宏、邓新义、李喆
毕琳、杜晓敏、邓凯什
指导老师：
孙进生

设计完成日期： 7月3日

课程设计任务书
题目： 恒温控制
课程设计时间： .6.17~.7.5
一、设计任务
采取西门子S7-300系列PLC，使用Step-7编写并调试PLC控制程序，控制电炉丝加热，实现手动调温、自动恒温、超温报警、显示温度等功效。
二、设计内容及要求
1. 掌握温度变送器工作原理；
2. 掌握固态继电器工作原理；
3. 恒温控制装置总体方案设计；
4. PLC控制系统硬件设计；
5. PLC控制系统软件设计和调试；
6. 撰写课程设计汇报。
三、设计关键
PLC控制系统软件设计和现场调试。
四、课程设计进度要求
⒈ .6.17~.6.18 学习温度变送器和固态继电器工作原理；
⒉ .6.19~.6.21 总体方案及PLC硬件设计；
⒊ .6.22~.6.26 PLC控制系统软件设计和仿真调试；
⒋ .6.27~.7.1 PLC控制系统现场调试；
⒌ .7.2~.7.3 撰写设计汇报；
⒍ .7.4 验收答辩。
五、参阅书目
[1] SIEMENS SIMATIC 温度控制手册，12月版
[2] SIEMENS SIMATIC 使用STEP7编程手册，8月版

目 录
1任务分析和性能指标 1
1.1任务分析 1
1.2性能指标 1
2总体方案设计 2
2.1硬件方案 2
2.2软件方案 3
3硬件设计和实现 4
3.1检测电路 4
3.2控制电路 4
4软件设计和实现 6
4.1 主程序 6
4.2中止程序 7
5 调试及性能分析 8
5.1 调试分析 8
5.1.1 软件调试 8
5.1.2 硬件调试 8
5.1.3 系统功效调试 8
总 结 9
参考文件 10
附录1 调试系统照片 11

1任务分析和性能指标
1.1任务分析
伴随现代工业逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见过程变量。其中，温度是一个很关键过程变量。比如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等很多领域，全部需要对多种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉温度进行控制。
这方面应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制DDC系统软硬件设计较为复杂,尤其是包含到逻辑控制方面更不是其优点,然而PLC在这方面却是公认最好选择。
伴随电子技术发展，可编程序控制器（PLC）已经由原来简单逻辑量控制，逐步含有了计算机控制系统功效。在现代工业控制中，PLC占有了很关键地位，它能够和计算机一起组成控制功效完善控制系统。在很多行业工业控制系统中，温度控制全部是要处理问题之一。
1.2性能指标
本PLC温度控制系统具体指标要求是：对加热器加热温度调整范围为40℃—200℃，温度控制精度小于2℃，系统超调量须小于15%。考虑到本系统控制对象为电炉，是一个大延迟步骤，且温度调整范围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。
对给定值（目标值）能够预先设定后直接输入到回路中；过程变量由在受热体中Pt100测量并经温度变送器给出，为单极性电压模拟量；输出值是送至固态继电器PWM，其许可改变范围为最大值0% 至100% 
2总体方案设计
依据系统具体指标要求，能够对每一个具体部分进行分析设计。整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。 
系统硬件框图结构图所表示: 
-
PWM生成
SSR
炉丝子
Pt100
给定温度
S7-300 PLC
CPU运算处理
温 度
变送器

图2.1系统硬件框图 
被控对象为炉内温度，温度传感器检测炉内温度信号，经温度变送器将温度值转换成4~20mA电流信号送入PLC AI模块。PLC把这个测量信号经过标度变换和设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出PWM控制信号，经PWM来控制固态继电器，来调整炉丝两端电压，从而实现炉丝温度连续控制。
2.1硬件方案
经过资料查找，并观看了课程设计设备，确定了以下硬件方案，由西门子s7-300 PLC做控制器，经过PWM控制固态继电器来调整炉丝电压，检测变送步骤由Pt100检测，并由变送器变送给PLC。电流信号在PLC内经标度变换后给PID模块进行调整。

2.2软件方案
从AI端口读取变送器变送温度信号并进行标度变换
将标度变换后测量值和给定值进行比较，PID模块经过偏差值计算控制量，并输出PWM信号。
读取按键
返回
开始
程序初始化
经过考虑，选择了次序控制作为软件设计模板，并在OB35模块中对采样和偏差计算部分进行调用。并对PID参数进行初步调整。
3硬件设计和实现
3.1检测电路
这里检测电路关键由Pt100测量电路和变送器变送电路组成。

除了 用于测量温度热电偶，实际生产中常常使用热电阻。  这些设备直流电阻改变（几乎）作为线性温度函数。  或许其中最常见是PT100，铂为基础传感器，其电阻在0℃，正是100欧姆。  因为传感器温度升高其电阻也是如此，在一个合理线性方法。  显示了一个PT100传感器电阻随温度改变。  而温度系数略有不一样在一个很宽温度范围内，（通常为0.0036至0.0042欧姆/ º C），它能够被认为是合理恒定在50或100 º C范围内。  普遍接收平均温度系数为0.00385欧姆每º C。  据此，PT100往往能够在不超出这个范围线性化使用提供对应系数进行评定。  这个装置也能承受温度范围很广，从-200到800 º C能力，和部分应用中温度系数改变能够容忍。  另外，PT100提供了稳定和可反复温度特征。

仪器仪表应用常常使用可编程逻辑控制器（PLC）来存放和处理数据，所以在检测设备模拟输出信号必需为AD转换器缩放PLC输入卡合适关注。  这通常是由传感器来完成驱动电路。  有多个标准电压由制造商使用范围 ，这些包含0至1，0至5和0至10伏

3.2控制电路

控制电路则由PLCDO端口输出PWM对固态继电器进行连续控制。

固态继电器(Solid State Relays,缩写SSR)是一个无触点电子开关，由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片，采取混合工艺组装来实现控制回路(输入电路)和负载回路(输出电路)电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载通断切换功效，内部无任何可动部件。尽管市场上固态继电器型号规格繁多，但它们工作原理基础上是相同。关键由输入(控制)电路，驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。

固态继电器输入电路是为输入控制信号提供一个回路，使之成为固态继电器触发信号源。固态继电器输入电路多为直流输入，部分为交流输入。直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。阻性输入电路输入控制电流随输入电压呈线性正向改变。恒流输入电路，在输入电压达成一定值时，电流不再随电压升高而显著增大，这种继电器可适适用于相当宽输入电压范围。
4软件设计和实现
4.1 主程序

4.2中止程序

5 调试及性能分析
5.1 调试分析
5.1.1 软件调试
在最开始，软件没有使用OB35中止模块，而且没用使用背景数据块和共享数据块，在部分参数调用上会出现错误，而且PID模块FB58也无法正常工作，以后查找了部分资料，并问询了后知道了并不能这么调用。
需要另外建立一个共享数据块对设定值进行存放，这么OB1和OB35全部能够调用这个变量且不会产生错误。
至于背景数据块则是在运行过程中对PID参数进行存放，不至于产生别影响，使程序正常运行。
5.1.2 硬件调试
在最开始时候，硬件问题关键集中在程序无法下载中，以后使用下载线进行程序下载。
在使用了下载线后，程序能够下载了，不过FC105模块使能信号一经触发便会产生错误，经过老师检验发觉是AI接口错误，AI接口无法采集数据，在数次调试无效后换了一台试验台，这个现象就消失了。
5.1.3 系统功效调试
进过调试后，系统平稳运行，即使还有2℃以内误差，不过基础符合了系统设计要求，PID参数也进行了人工整定，控制状态良好
总 结
本设计研究了电炉温度控制，系统采取西门子S7-300PLC为控制器，利用了PID算法对炉丝温度进行控制，最终可在监控电压表上观察到温度变送器实时改变。
该系统采取S7-300PLC对电炉丝温度进行控制，虽说之前有学过该类PLC，但S7-300PLC软硬件学习还不是很熟悉，虽说经过实际操作很轻易掌握。不过对于操作该类PLC配套人来说还是有些地方有混淆，不过能够经过人机界面方便监控PLC运行状态。
本设计系统虽说成功实现了电炉丝恒温控制，但在系统设计中也存在部分问题，如：PID参数整定，利用PLC内部功效模块对PID参数进行整定时，并不是每次全部会得到理想参数，而且参数自整定需要花很成长时间；系统硬件部分过于复杂，该系统在PLC输入和输出端全部需要加变送器，使得整个系统硬件过于繁杂。这些问题全部是需要深入研究改善。
参考文件
[1] SIEMENS SIMATIC 温度控制手册，12月版
[2] SIEMENS SIMATIC 使用STEP7编程手册，8月版
附录1 调试系统照片