基于PLC的温度模糊控制设计与实现-河南工程学院本科毕业设计.doc

1、 目 录 摘 要 . 1 ABSTRACT . 2 第 1 章 绪论 . 1 1.1 温度控制系统的研究背景 . 1 1.2 温度控制系统的研究现状 . 1 1.3 温度控制系统的基本控制要求 . 2 1.4 本论文的主要内容 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 系统硬件设计 . 4 2.1 系统总体方案设计 . 4 2.2 系统硬件设计 . 4 第 3 章系统软件设计 . 10 3.1 模糊控制器设计 . 10 3.2 程序流程图 . 错误 !未定义书签。 3.3 程序设计 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 组态 设计 . 25 4.1 OPC 与 PLC 连接 . 25 4.2 Wi

2、nCC 组态软件 . 26 4.3 系统测试结果 . 30 第 5 章 总结与展望 . 33 5.1 总结 . 33 5.2 展望 . 33 参考文献 . 34 致 谢 . 35河南工程学院本科毕业设计 1 摘 要 在工业控制的各个领域，温度控制都有着广泛的应用。 如钢铁厂、火电厂、化工厂等锅炉的温度控制系统。 由于 控制过程复杂 且干扰多 ，具有大时滞性，不确定性，因此，要求 有先进的控制系统和理论 。 常用的控制算法有 PID 算法，但它适用于线性的控制系统，需要不断调整参数。智能控制算法对于非线性的控制系统控制效果比较好，例如模糊 PID 算法。通过计算偏差与偏差变化率，查询模糊规则 表

3、，得出 PID 控制器的参数。本文就是采用这种控制算法对温度进行控制。 本文基于西门子 S7-200 PLC，设计了一个温度自动控制系统。利用 OPC 技术实现了 PLC和 WinCC 组态软件的数据通信和控制 ，对温度控制过程进行实时监控、报警和分析。本文主要完成 以下方面的工作。 首先介绍了温度控制系统的研究背景和研究现状，然后介绍了模糊 PID 算法，最后介绍了本系统的硬件系统和软件系统的设计、组装和配置过程， 以 PLC 为控制核心， PT100 温度传感器测量温度，通过变送器转换为电流信号， 输入 模拟量模块。 经过模糊 PID 程序运算得出 PID 参数，占空比输出控制 中间继电器

4、 接通 ， 实现对温度精确控制的目的。 本系统将 PLC、 WinCC 组态软件和实物 模型 三者结合在一起，通过 这三者之间的通讯和监控，实现了对温度的自动控制，增强了系统的自动化水平，具有重要的实际意义。 关键词： 温度控制 ；模糊 PID； S7-200 PLC； WinCC 河南工程学院本科毕业设计 2 ABSTRACT In all areas of industrial control, temperature control has a wide range of applications. Such as steel plants, thermal power plants,

5、chemical plants and other boiler temperature control system. As the control process is complex and interference, with large delay, uncertainty, therefore, requires advanced control systems and theory. Commonly used control algorithms have PID algorithms, but it is suitable for linear control systems

6、 and requires constant adjustment of parameters. Intelligent control algorithm for non-linear control system control effect is better, such as fuzzy PID algorithm. By calculating the deviation and deviation rate of change, query fuzzy rules table, obtained PID controller parameters. This paper is to

7、 use this control algorithm to control the temperature. Based on Siemens S7-200 PLC, this paper designs a temperature automatic control system. Using OPC technology to achieve the PLC and WinCC configuration software data communication and control, the temperature control process for real-time monit

8、oring, alarm and analysis. This article mainly completes the following work. Firstly, the research background and research status of the temperature control system are introduced. Then the fuzzy PID algorithm is introduced. Finally, the hardware system and the software system are designed, assembled

9、 and configured. The PLC is the control core and the PT100 temperature sensor measures the temperature , Through the transmitter into a current signal, enter the analog module. After the fuzzy PID program to calculate the PID parameters, duty cycle output control intermediate relay connected to achi

10、eve the purpose of precise temperature control. The system combines the PLC, the WinCC configuration software and the physical model together to realize the automatic control of the temperature through the communication and monitoring between the three, and enhance the automation level of the system

11、, which is of great practical significance. Key words: temperature control, fuzzy PID, S7-200 PLC, WinCC河南工程学院本科毕业设计 1 第 1 章 绪论 温度作为一种 非常 重要的参数，与科学实验和工业生产都紧密相连，具有不可忽略的影响，发挥着重要作用；对温度进行精确的控制，不仅影响到工业生产过程的质量，还对试验结果的好坏起着不可忽略的关键作用，特别是在机械加工、食品生产、石油勘探、冶金冶炼等行业中；温度控制系统 的 工艺过程 一般都是 复杂多变的， 影响因素很多， 易干扰等特点，因此急需研究

12、先进的控制理论，幵发更为智能化的控制技术 1。 1.1 温度控制系统的研究背景 可编程逻辑控制器 PLC 是一种数字运算操作的电子系统，专为工业应用而设计。它性能卓越，满足各 种各样的要求。 组态软件是数据采集监控系统 SCADA 的软件平台，是以 计算机为基础的 生产过程控制 与调度自动化系统 ；它操作简单、功能强大，可以设置多种多样的项目类别；组态方式灵活，可以为用户快速方便的构成自动控制系统的数据采集和监控功能 2。 西门子视窗控制中心 WinCC 是上个世纪九十年代进入市场的 HMI/SCADA 软件，它可以为用户提供适用于工业自动化控制的图像显示、数据归档、报表以及报警等功能； Wi

13、nCC 内包含 PLC 驱动程序，与上位机连接方便。它可以方便的建立模拟工业现场的独特人机界面，满足各种不同的需要 。 1.2 温度控制系统的研究现状 温度控制存在于生产生活的方方面面，在很多领域 发挥着重要的作用。温度控制系统 经过两百多年的发展 ，人们对温度控制系统的研究越来越深入，对控制性能的要求 越来越 高， 比如精度 高，稳定性好，因此，温度控制技术 飞速发展 。 对于温度控制系统，目前 常用的 包括以下 5 类：基于单片机的温度控制系统，基于 IPC（工控机）的温控系统， DCS（集散控制系统）， FCS（现场总线控制系统）以及基于 PLC 的温度控制系统： 单片机应用广泛，功耗较

14、低，控制能力强，方便灵活的扩展能力，体积小，可靠性高等优点 。但单片机 中断源少，响应速度偏慢，不能直接与传感器对接，不适用于复杂的环境中。 河南工程学院本科毕业设计 2 工控机（ IPC）是一种可以用于工业或相关场合下的工业级 PC 机。它具有抗高温、抗振动等特性， 可以在 工业恶劣 的 环境中 使用 。 但 IPC 也有自身的局限性，譬如较差的数据处理能力和较低的数据安全性，如果仅仅用 IPC， 会导致 抗干扰能力弱 ，可靠性差。 DCS 即集散型控制系统 ，它具有监控功能丰富，管理协调灵活多变的优点，这种系统的控制单元通常采用双冗余的结构，性能很稳定。将 DCS 应用于温度控制领域，能提

15、高自动化水平 ，同时具有灵活的管理能力及高可靠性，由于 DCS 良好的扩展性，系统的抗干扰能力和工作效率也能达到满意效果。但也不是完美的、最为理想的控制方法，主要是由于它的幵放性不高，还需要与第三方仪表或控制系统通信，而实现正常通讯的硬件成本又过高。 现场总线控制系统（ FCS）是一种融合了多种先进技术的综合系统，由于 FCS的自主化程度高，高开放性、高智能性及集成性，不仅使用户易于安装，使用方便，节省了投资费用和维护开销，还便于用户集中管理，同时便于远程维护、诊断。将FCS 应用于温度控制领域，不仅系统的智能化程度高，同时可以使系统具有更高的精度，管理方便；当然， FCS 也存在不足，由于发

16、展时间较短，目前还处在发展初期， FCS 的国际标准很多，简单统计约有 12 种之多，众多的标准导致各个厂商不知道究竟该遵循或使用哪一种标准，限制了 FCS 的广泛应用。 PLC 是一种微处理器，同时综合计算机、自控以及通信技术等先进技术的控制专用计算机，它可以与 HMI 结合，做成非常友好的界面， PLC 性能强大，有较强的抗干扰性，编程使用梯形图简单易学，方便用户扩充，在工业上有广泛的应用 。相对于IPC、 DCS、 FCS 等系统而言， PLC 性能优越，价格实惠，尤其在发达的工业国家，PLC 在各个领域都有应用 3。 这 5 种控制系统各有优缺点， 考虑到稳定性通用性， 本实验 采用

17、PLC 进行温度控制。 1.3 温度控制系统的基本控制要求 温度信号经过 PT100， 温度变送器 ，变成电流信号，输入 PLC。经过 PLC 内部模糊 PID 程序运算 得到输出，占空比输出 控制两个中间继电器线圈的通断。一个中间继电器 KA1 控制电阻炉加热，另一个中间继电器 KA2 控制电风扇降温。比例 Kp，积分 Ti，微分 Td 三个值由偏差 E 和偏差变化率 EC 查表得出，使之动态变化。设定河南工程学院本科毕业设计 3 温度为 50 C，温度偏差 E, 偏差变化率 EC 较大时，在一个周期内电阻炉加热时间长，随着温 度偏差 E 变小，偏差变化率 EC 变 小 ，在一个周期内电阻炉

18、加热时间逐渐变短。快到达 50 C 时不再加热，防止超调量过大。电风扇开始工作，使温度稳定在 50 C 左右。 1.4 本论文的主要内容 本文主要内容就是设计，实现电阻炉的恒温控制，以及系统中硬件和软件的调试工作。 第 1 章是绪论，对国内外温度控制的发展情况进行介绍，并说明研究温度控制系统的意义和目的。 第 2 章阐述 该控制系统的总体控制框图，对其中的温度检测框图和中间继电器控制框图进行 分析， 介绍 系统的硬件，包括 PLC，输入输出各种元器件的选型，温度传感器，变送器的基本结 构。 第 3 章阐述 电阻炉温度控制方面应用的模糊算法，对算法的基本意义和应用进行分析，并绘制系统控制算法的框

19、图。 并介绍 系统的梯形图。包括启动，停止的编程，查表程序等。 第 4 章 主要介绍 WinCC 组态的设计。包含按钮，指示灯， 输入 /输出域的调试，整体画面的搭建。 并总结这次实验，分析温度曲线。 第 5 章主要是总结与展望， 总结完成的工作，不足的地方。 河南工程学院本科毕业设计 4 第 2 章 系统硬件设计 2.1 系统总体方案设计 根据 整体的控制系统的组成部分，可分为 PLC、 PLC 模拟量模块、中间继电器、温度变送器 、 温度传感器 PT100、 电阻炉 、 风扇 、 按钮 、 指示灯 、 上位机。温度模拟量 作为 PLC 的 输 入 量进行采集， 通过 PLC 程序运算输出信

20、号 控制 中间继电器，组成整个 控制系统 ，如图 1 所示。 图 1 控制系统框图 PLC 是整个控制系统的核心，给 PLC 写入模糊控制程序，通过温度传感器 PT100和温度变送器把温度信号输入 PLC。通过模糊程序运算，使 PLC 输入控制中间继电器。从而控制电阻炉的温度，使系统稳定运行。 由 PLC 输出控制中间继电器线圈，中间继电器线圈控制触点，完成小负载拖动大负载。 温度低于设定温度时 PLC 控制中间继电器 KA1 的输出闭合， KA1 线圈得电，触点闭合，电阻炉工作。温度高于设定温度时 PLC 控制中间继电器 KA2 的输出闭合， KA2线圈得电，触点闭合，电扇工作。从而控制温度

21、的变化。 2.2 系统硬件设计 2.2.1 PLC 选型 河南工程学院本科毕业设计 5 根据输入输出点数，本 设计 控制核心采用西门子公司的 S7-200 系列 PLC。该系列 PLC 为小型 PLC，有各种功能模块，便于扩展，功能也很强大。它采用晶体管输出，响应时间很快 4。 PLC 如图 2 所示。 图 2 S7-200 PLC 模拟量模块选用 S7-200 系列的 EM235 模块，为四通道模拟量输入，一通道模拟量输出。模拟量输入量程有 0 20mA,0 10V,0 5V等多种模式，便于用户选择 5。模拟量模块如图 3 所示。 图 3 模拟量模块 2.2.2 温度检测系统设计 根据温度控

22、制的要求，我制定了两种控制方案。方案一：温度传感器 PT100 检河南工程学院本科毕业设计 6 测温度，经过变送器把信号转换为 PLC 模拟量模块能识别的电流信号，输入 PLC。方案二： AD590 作为温度传感器，设计电路，进行焊接，再把信号输入 PLC。因为PT100 性能稳定，便于接线，维护。 工业上大多数使用 PT100（或 PT1000）作为温度传感器。综上所述，我选用方案一，以 PT100 作为温度传感器，组 成温度控制系统的信号输入。 PT100 温度传感器，在 0 C 时电阻大约 100，在 100 C 时电阻大约 138.5，可以近似的看成线性变化 6。温度曲线如图 4 所示。 图 4 PT100 温度曲线 但电阻信号 PLC 模块 EM235 无法识别，需要经过转换。温度变送器就是把电阻信号转换为 4 20mA 电流或者 0 5V/0 10V 的电压信号，能被 PLC 模块识别。本设计采用的温度变送器为 0 100 C,4 20mA 输出的电流。采用 4 20mA 输出，而不 采用 0 20mA,是为了当电流输出为 0 时，无法判断是硬件故障还是输出为最 小值。4 20mA 输出就不会出现这个问题。 4mA 对应 0 C， 20mA 对应 100 C，线性变化7。所以用电流可以计算出温度。温度变送器如图 5 所示。