基于西门子s7-200plc温度控制系统的设计.doc
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1、1 ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 基于西门子 S7-200PLC 温度控制系统的设 计 The design of TemperatureControl System Based on Simon S7-200PLC 系(院)名称: 电子信息与电气工程系 专业班级: 05 自动化 2 班 学生姓名: 逯旭昌 指导教师姓名: 董昭 指导教师职称: 讲师 2 2009 年 5 月 目录目录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 课题的意义及应用背景 1 1.2 硫化的相关要求 1 1.5 本章小结 2 第二章第二章 硫化机温度控制系
2、统的设计硫化机温度控制系统的设计3 2.1 系统基本设计思想 3 2.2 PID 控制方案简介.3 2.3 PID 参数的整定.4 2.4 PID 参数仿真.6 2.4.1 MATLAB 软件简介6 2.5 测温元件及温度检测技术 9 2.5.1 温度变送器的选择 9 2.6 本章小结 .10 第三章第三章 硫化机硬件电路设计硫化机硬件电路设计.11 3.1 硫化机控制系统的组成 .11 3.1.1 系统设计的原则 .11 3.1.2 系统设计的内容 .12 3.2 可编程控制器 .15 3.3 可编程控制器的特点 .16 3.4 可编程控制器的工作原理 .16 3.5 西门子 S7-200P
3、LC 功能介绍 .17 3.5.1 S7-200 的技术指标 17 3.5.2 CPU224 的技术指标.18 3.5.3 模拟量输入模块 EM23120 3.5.4 模拟量输出模块 EM23220 3.6 硅调压模块 .21 3.7 测温元件及温度检测技术 .22 3.7.1 温度变送器的选择 .23 3.8 硬件电路图设计 .23 3.9 本章小结 .24 第四章第四章 软件设计软件设计.25 3 4.1 软件设计思想 .25 4.2 S7-200 的程序结构.25 4.3 S7-200 的编程.26 4.4 梯形图的基本绘制规则 .27 4.5 硫化机系统的 I/O 分配表 .28 4.
4、6 硫化机 PID 温度控制系统的逻辑图 .28 4.7 可编程控制器的软件 .30 4.8 PLC 程序32 4.9 本章小结 .35 结结 论论36 致致 谢谢37 参考文献:参考文献:.38 4 基于西门子基于西门子 S7-200PLCS7-200PLC 的温度控制系统的设计的温度控制系统的设计 专业班级 05 自动化 2 班 学生姓名:逯旭昌 指导教师: 董昭 职称:讲师 摘要:摘要: 在橡胶工业中,硫化工艺是最后一个工艺过程,也是最为关键的一个 环节,作为橡胶硫化主要设备的平板硫化机必须具备控制硫化条件(硫化温度、 硫化时间和硫化压力)的能力,其控制精度将直接影响橡胶硫化制品的质量好
5、 坏。而硫化温度的控制精度是其中最为重要的。硫化温度控制精度越高,则越 容易得到质量更好、性能更稳定的产品。但在实际生产中,普遍存在温度控制 系统精度不高,达不到硫化国家标准的温度。因此实现高精度的平板硫化机温 度控制以提高橡胶制品质量对橡胶工业生产具有重大意义。 本文在分析国内外平板硫化机温度控制系统的基础上,针对平板硫化对象 的可变性和强干扰等特点,提出了以西门子 S7-200PLC 为中心,在温度控制中 应用 PID 控制技术,从而有效提高温度控制精度满足不同产品对硫化温度的要 求。 关键词:关键词:温度控制 平板硫化机 硫化温度 西门子 S7-200PLC PID 控制 5 The d
6、esign of TemperatureControl System Based on Simon S7-200PLC Abstract:In the rubber industry, the vulcanization is the last process is also one of the most critical, As the main machine of the vulcanization, the flat vulcanization machine must have the capability to control the vulcanization conditio
7、n, including temperature time and pressure. The ability to control the accuracy of will directly affect the quality of rubber products quality. However, the control precision of temperature is the most important of them. However, in actual production, the prevalence of precision temperature control
8、system is not high, amounting to less than the national standard curing temperature. Therefore the realization of flat-panel high- precision temperature control the vulcanization to improve the quality of rubber products rubber industrial production is of great significance. Based on the analysis of
9、 domestic and international flat-panel vulcanize temperature control system, based on the object for the flat-panel sulfide interference variability and the characteristics of a Siemens S7-200PLC as the central temperature control in the application of PID control technology, so as to effectively im
10、prove the accuracy of temperature control products to meet different requirements of the curing temperature. Key words:Temperature control plate curing temperature vulcanize Siemens S7-200PLC PID control 6 引 言 在橡胶工业中,硫化工艺是最后一个工艺过程,也是最为关键的一个环节, 作为橡胶硫化主要设备的平板硫化机必须具备控制硫化条件(硫化温度、硫化 时间)大额能力,其控制的精度直接影响橡胶硫
11、化制品质量的好坏。而硫化温 度的控制的控制精度是最为重要的。硫化温度控制精度越高,则越容易得到质 量更好、性能更加稳定的产品。但在实际生产中,普遍存在温度控制系统精度 不高,达不到硫化国家标准的问题。因此实现高精度的平板硫化机温度控制,以 提高橡胶制品质量对橡胶工业生产具有重大的现实意义。 平板硫化机是橡胶中的主要设备其必须具备控制硫化条件的能力,也即对 硫化温度、硫化时间和硫化压力进行合理控制,其控制的直接影响着橡胶硫化 制品的质量好坏。控制精度越高,则越容易得到质量更好的、性能更稳定的产 品,这在特种橡胶生产上更为重要。另一方面,平板硫化机的加热分方式的好 坏、自动化程度的高低也是直接关系
12、到橡胶制品质量的重要因素,这往往也是 橡胶制品生产厂家选择平板硫化机的重要指标。硫化过程是橡胶大分子链发生 反应的过程。在工业生产中,这种交联反应是在一定温度、时间和压力的条件 下完成的,这写条件被称为硫化条件。由于这三个条件对橡胶制品的硫化质量 起着决定性的作用,因此通常又称之为“硫化三要素” 。如何制定硫化条件,特 别是橡胶的硫化温度是硫化工艺中的重要技术内容。 1 第一章 绪论 1.1 课题的意义及应用背景 在橡胶工业中,硫化工艺是最为关键的一个环节,如何对硫化温度进行控 制以提高产品的质量,是硫化工艺中必须解决的关键问题。硫化是橡胶制品生 产的最后一个工艺过程。在这个过程中,橡胶发生了
13、一系列化学变化,使塑性 状态橡胶转变为弹性或是硬质状态的橡胶制品,从而获得完善的物理机械性能 和化学性质,成为有用的高分子材料。 作为橡胶硫化主要设备的平板硫化机必须具备控制硫化条件的能力,也即 对硫化温度、硫化时间和硫化压力进行合理控制,其控制的直接影响着橡胶硫 化制品的质量好坏。控制精度越高,则越容易得到质量更好的、性能更稳定的 产品,这在特种橡胶生产上更为重要。另一方面,平板硫化机的加热分方式的 好坏、自动化程度的高低也是直接关系到橡胶制品质量的重要因素,这往往也 是橡胶制品生产厂家选择平板硫化机的重要指标。硫化过程是橡胶大分子链发 生反应的过程。在工业生产中,这种交联反应是在一定温度、
14、时间和压力的条 件下完成的,这写条件被称为硫化条件。由于这三个条件对橡胶制品的硫化质 量起着决定性的作用,因此通常又称之为“硫化三要素” 。如何制定硫化条件, 以及在生产中的实施硫化条件都是硫化条件硫化工艺中的重要技术内容。 1.2 硫化的相关要求 在橡胶工业中,硫化工艺是最后一个工艺过程,也是最为关键的一个环节, 作为橡胶硫化主要设备的平板硫化机必须具备控制硫化条件(硫化温度、硫化 时间)大额能力,其控制的精度直接影响橡胶硫化制品质量的好坏。而硫化温 度的控制的控制精度是最为重要的。硫化温度控制精度越高,则越容易得到质 量更好、性能更加稳定的产品。但在实际生产中,普遍存在温度控制系统精度 不
15、高,达不到硫化国家标准的问题。因此实现高精度的平板硫化机温度控制,以 提高橡胶制品质量对橡胶工业生产具有重大的现实意义 硫化的相关要求主要有硫化机的工艺流程和橡胶硫化的工艺要求。这两个 2 要求也是本设计主要要实现的。硫化机的工艺流程是:硫化硫化机升温到设定 温度橡胶磨具放入硫化机橡胶磨具加热硫化时间到汽缸运动时出 加热区。橡胶硫化的工艺要求是:当加热区内温度达到预定温度时(如:150 度)放入磨具。采用基于 PLC 的 PID 控制,使加热平板的温度达到升温保 温的要求。 加内容 1.5 本章小结 本章主要介绍了硫化工艺,以及温度控制对硫化产品的影响,和本次设计 的主要要求。 3 第二章第二
16、章 硫化机温度控制系统的设计硫化机温度控制系统的设计 2.1 系统基本设计思想 PID 控制是自动控制中产生最早的一种控制方法,在实际控制工程中的应 用最广。据不完全统计,在工业过程控制和航空航天控制等领域,应用 PID 控 制占 80%以上。本系统是以西门子 S7-200PLC 为主要控制原件,利用其内部的 PID 指令进行模拟量温度控制,此控制思路不尽设计思路简易,而且还省去了 买 PID 模块的成本。本课题的设计是基于 PLC 的温度控制系统,基于以上情况, 本设计以对 PID 控制(模拟和数字)理论深入研究的基础上,设计基于 PLC 的 PID 温度控制器,首先整定 PID 控制器控制
17、参数咬比例、积分、微分系数) 的初值,然后根据控制要求选择合适的温度传感器,选择 PLC 的具体型号以及 设计 I/O 接口的分配,本系统以晶闸管调压模块接 PLC 的输出信号用来控制加 热棒的加热功率,从而达到实时控制。本课题研究有利于称补老旧硫化温度控 制精度不高的缺点,推动 PLC 控制系统在硫化机上的广泛应用具有一定意义。 2.2 PID 控制方案简介 在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控 制,简称 PID 控制,又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 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
18、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 器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。 (1)比例(P)控制 4 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)
19、 。 (2)积分(I)控制 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(D)控制 在微分控制中,控制器的输
20、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
21、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。 2.3 PID 参数的整定 在常规控制系统中,PID 控制是迄今为止算法比较简单、功能比较完善、 效果比较好的一种控制算法,其一般形式为 )()()()(neKneKneKnU DIp 5 式中n 采样序号; u(n) 第n次采样时刻的控制器输出; e(n) 第n 次采样时刻输入的偏差; e(n) 第n 次采样时刻输入的偏差与第n-1次采样时刻输入的偏差之差; KP 比例增益; KI积分系数( 11 TTKK P ) KD 微分系数(TTKKPD) T 采样周期,TI 、TD分别为积分时间常数和微分时间常数。 典型
22、的数字 PID 控制系统如图 1 所示,图中SP(t)是给定值PV(t)为反馈量, C(t)为输出值,PID 控制器的输入输出关系可表示为: nnnnMDMIMPM 其中:KC Ki KD 为 PID 比例、积分、微分系数。 图 1 并分别用反应曲线法求出对象在各温区的近似数学模型为 1 TS K Gi 反应曲线如图 2 所示,Ki ,Ti ,A 可按表 1 经验公式求得各温区的调节器最佳 PI D 参数值 表 1 PID 参数的经验公式表 控制方式比例度 积分时间 STI/微分时间STD/ P (TAK iI /)100 6 PI 1.1(TAK iI /)1003.3 i A PID 0.
23、85(TAK iI /)1002 i A0.5 i A 图 2 反应曲线图 求的加热系统的特征参数为: K=1 T=5。采用阶跃相应法,根据柯恩库恩整定公式,初步测得参数为: KP = 2 ,Ti= 10 ,Td=2,KP = 3,Ti= 5, Td=1。 2.4 PID 参数仿真 2.4.1 MATLAB 软件简介 MATLAB 自 1984 年推向市场以来,历经十多年的发展和竞争,现已成为国际 认可的最优化的科技应用软件。与其他高级语言相比, MATLAB 提供了一个人机 交互的数学系统环境,可以大大节省编程时间。MATLAB 语法规则简单、容易掌 握、调试方便,具有高效、简单和直观的特性
24、。使用者只需输入一条命令而不 用编制大量的程序即可解决许多数字问题,正是由于 MATLAB 的强大功能,受到国 7 内外专家学者的欢迎和重视,他已成为许多大学生的重要工具。 在这次仿真中我们主要用到 MATLAB 软件中的 SIMULINK 交互式仿真集成环 境对传递函数和整定后的 PID 参数进行仿真。 (1)当 KP =2,Ti=10,Td=2。 图 3 PID 控制方框图 图 4 仿真波形图 (2)当 Td=2,KP =3,Ti=5,Td=1。 8 图 5 PID 控制方框图 图 6 仿真波形图 从上述两幅图图可以看出系统都有一定的超调,但是当 KP =2 ,Ti=10 ,Td=2 经过
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