开题报告：基于PLC与WinCC构架下的水温PID控制.doc

1、毕业设计（论文）开题报告自动化基于 PLC与 WinCC构架下的水温 PID控制1、选题的依据及意义：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，而温度控制在电子、冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业领域中应用非常广泛，具有举足轻重的作用。由于其具有工作状况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，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。因此，及时准确控制目标的温度是十分重要的。在工业自动化领域内

2、, PLC（可编程控制器）以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。目前的工业控制中,常常选用 PLC作为现场的控制设备,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制。而 PID控制器是应用最广泛的闭环控制器，由于其结构简单，容易实现，不需要被控对象的数学模型，有较强的灵活性和适应性，所以现在有90%以上的闭环控制都采用 PID控制器。S7-300 系列 PLC的 PID指令采用的是位置式输出的 PID控制算法，以西门子子 S7系列的 PLC提供了通用的 PID控制模块，可以很方便的使用 PID控制器以及处理设定值，过程反馈值

3、和对控制器的输出值进行处理。 组态软件 Wincc是数据采集监控系统 SCADA的软件平台工具，利用 WINCC不仅可以实现对闭环控制过程的监视，而且还可以通过 WINCC的组态界面实施设置和修改 PID参数，避免了在 S7中每次调试 PID的参数进行控制时,都得再次下载程序。因此，PLC和 Wincc技术结合，可以很方便的实现过程控制的事时监控，在工业控制中得到广泛应用。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）温度控制是工业控制中发展最早，最重要的分支之一。其应用已涉及到社会中的各个领域，如家电、材料、汽车、电力电子等各个领域，而且控制对象也多种多样，大到炼钢炉，小到加热器。对于一些运行环

4、境要求苛刻的场合，温度更是一个主要的控制参数。为了保证生产过程的正常进行，提高产品的数量和质量，减少工人的劳动轻度以及节约能源，常常要求被控的温度在指定的参数下，或者按照指定的规律变化。然而，温度控制是一种非线性的控制系统，因此会造成系统的不稳定或者降低系统的反馈性能，采用传统的经典控制方法很难获得静态和动态性能指标。传统控制方法是基于被控对象精确数学模型的控制方式，采用固定的控制算法，控制系统由于依赖于数学模型而缺乏灵活性和应变能力。随着技术的发展，被控对象越米越复杂，常常表现为高度的非线性、大惯性、犬滞后、时变性，不确定性等，这样的被控对象往往难以用精确的数学模型描述，实践证明，对于此类复

5、杂的控制对象采用智能控制性能要优于传统控制。温度控制技术的发展大致经历了定值开关控制、PID 控制和智能控制三个阶段。定值开关控制方法的原理是若所测温度比设定温度低，则开启控制开关加热，反之则关断控制开关，其控温方法简单，没有考虑温度变化的滞后性、惯性，导致系统控制精度低、超调量大、震荡明显。PID 控制温度的效果主要取决丁 P、I、D 三个参数。PID控制对于确定的温度系统，控制效果良好，但对于控制大滞后、大惯性、时变性温度系统，控制品质难以保证。水温的控制是由水壶电阻丝加热升温，靠自然冷却降温，当水的温度超调时无法靠控制手段降温，因而水温控制具有非线性、滞后性、惯性、不确定性等特点。目前国

6、内成熟的水温测控系统主要以 PID控制器为主，由于其参数整定不理想，因此很难保证水温控制系统的精度、稳定性等。三、研究内容及实验方案 论文主要从 3个方面对水温 PID控制系统进行阐述，包括 PLC可编程控制器与工控软件 WinCC的基础以及在本设计内的应用实践，还有 PID算法在此闭环控制系统中的作用，详细的阐明了如何在 PLC与 WinCC构架下实现 PID算法控制水温。以下为完整的控制系统简图：图 3.1 控制系统简图由于 PLC的电源模块输出为 5-24V电压，而要控制水温则必须使得加热电器（开水壶）工作，此时仅靠 PLC供电显然是不足以完成控制，而固态继电器的加入则可以S7-300

7、PLC控制器固态继电器温度传感器加热电器（水壶）上位机将低压（24V）转换达到正常的家用电压 220V-380V用以达成系统控制水温环节。水温的实时温度值则通过温度传感器反馈给 PLC，上位机在与 PLC建立通讯之后即可以通过工控软件 WinCC调节相应的 P、I、D 参数达到控制目的，从而构成完整的温控系统。四、目标、主要特色及工作进度1.目标：在上位机（Wincc）界面中采用 PID控制方式调控水温。2.主要特色：本系统是由 PLC和 WinCC组成的一个温度控制系统。采集的温度从 PLC模拟量输入通道进入，传输到上位机 WinCC人机界面显示，系统要达到恒温控制状态，当 PLC开始运行时

8、，温度传感器会将采集的温度测量值进行标准量转换，再通过模拟量输入通道 AI传到 PLC中，经 PID指令运算得到一个 O-1的实数，把该实数按比例换算成一个 0-100的整数，把该数作为一个范围为 0-1s的时间 t。设计一个周期为 1s的脉冲，脉冲宽度为 1，把脉冲加给电加热器，即可控制温度。3.工作进度：1、查阅资料、翻译英文资料并撰写开题报告 第 1-4周2、熟悉相关软件开发环境和用户手册 第 5-9周3、对必要的知识进行学习 第 10-14周4、实现水温的 PID控制水温 第 15-16周5、总结，撰写论文并准备答辩 第 17-18周5、参考文献1 柴瑞娟等，西门子 PLC高级培训教程

9、.北京：人民邮电出版社，20092 张运刚，从入门到精通西门子 S7-300/400 PLC技术应用，北京：人民邮电出版社，20073 廖常初，S7-300400 PLC 应用技术M北京：机械工业 出版社，20054 崔坚等，门子工业网络通信指南(上册)北京：机械工业出版社，2006，07 5 王实等，深入浅出西门子 Wincc V6(第 2版)M.北京：北京航空航天大学出版社，2005，096刘治强，师杨，辛峰WinCC 60 与 S7200 PLC在水源地三遥程控中的应用J，电气自动化，20097 秦益霖，西门子 S7-300 PLC应用技术，电子工业出版社，20078 Matsushit

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