1、1毕业设计开题报告电气工程与自动化基于PLC的模糊PID温度控制系统的应用研究一、选题的背景与意义随着我国国民经济的快速发展，锅炉的使用范围越来越广泛。而锅炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量和产量。现代锅炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为锅炉的自动化提供了有利条件。锅炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。目前，锅炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面。实现锅炉自动化能够提高锅炉运行的安全性、经济性和劳动生产率，改善劳动条件，减少运行人员。锅炉是工业企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳
2、定的蒸汽或热水，以满足负荷的需要。锅炉设备是一个复杂的控制对象，燃气燃油锅炉主要输入变量包括负荷、给水、燃料量、送风和引风量等，主要调节变量包括水位、温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等；电加热锅炉主要输入变量包括负荷、锅炉给水和电阻丝电压等，主要调节变量包括水位和温度等。锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。锅炉系统是一个具有时变和时滞的比较复杂的系统，因此，对锅炉温度进行控制是工业过程控制中一个重要而且困难的问题。在生产过程控制中，一些复杂环节，往往需要进行串级控制。即把两个控制器串联起来，第一个控制器的设定值是控制目标，它的输出传给第二个控制器，作为它的设定值，第二个控制器的输出作为串级
3、控制系统的输出，送到被控系统，作为它的控制“动作”。控制系统的这种串级形式对于复杂对象的控制往往比单回路控制的效果更好。串级控制对克服被控系统的时滞之所以能收到好的效果，是因为当用两个控制器进行串级控制时,每个控制器克服时滞的负担相对减小,这就使得整个控制系统克服时滞的能力得到加强。在锅炉自动控制系统中，除了应用基于反馈控制原理而设计的各种调节器系统以外，计算机技术的应用也越来越普及。由于PLC具有高可靠性、易于实现等优点，在工业控制领域中得到了广泛的应用。进入21世纪以来，PLC已经由原来的逻辑控制器发展成具有较强的数据处理能力、通讯能力的标准工控设备，用其进行各种算法的实现是工控领域的发展
4、趋势。2本设计以电加热锅炉为被控对象，以锅炉夹套温度为主被控参数，以锅炉内胆温度为副被控参数，以加热炉电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统，实现锅炉水温的定值控制。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容1对系统进行建模，形成我们所熟悉的系统框图。2学习西门子的PLC的资源和编程语言。3用西门子PLC来编写PID和模糊PID的控制算法4使用WINCC组态软件做监控界面5在AE2000A型系统中来进行调试，进行各个参数的调整拟解决的主要问题1建立系统框图对AE2000A型系统中的温度控制的回路进行了解，确定使用串级控制，因为串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象
5、的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，控制及时。同时，由于串级系统具有主副两只控制器的总放大倍数增大，系统的扰干扰能力的增强。因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。在设计串级控制系统时，要求系统副对象的时间常数要远小于主对象。此外，为了指示系统的控制精度，一般主调节器设计成模糊PID调节器，而副调节器一般设计为PID控制，以提高副回路的快速响应。2学习用西门子PLC来编写PID和模糊PID的算法程序通过对西门子PLC编程的学习，来编写PID和模糊PID这两个控制器的控制算法3使用WINCC组态软件做个监控界面通过这个软件的使用来熟悉系
6、统的监控，可以看出它的动态性和实时性，可以通过修改参数看出输出的情况，也可以通过外加扰动看系统的动态响应。4系统调试把编写好的控制算法程序下载到西门子的PLC中，启动AE2000A型系统，运行PLC中的程序，通过WINCC组态软件进行监控。三、研究的方法与技术路线3本设计是通过PLC编写控制算法来控制AE2000A型系统中的加热原件和阀门的开度进而控制系统的温度。系统框图涡轮流量计电动调节阀扰动阀门压力表调节阀支路动力泵溢流口出水口放水口电加热管内胆夹套锅炉储水箱阀1阀2阀3阀4阀10阀11阀14PT1002锅炉内胆阀门主阀门阀174AE2000A型系统图5四、研究的总体安排与进度201011
7、201012熟悉西门子的PLC和串级控制的原理；201101201102学会西门的PLC的编程语言，组态软件的使用和模糊PID控制；201103201104；编写程序在工业控制设备上进行调试，根据结果对自己的程序进行修改和PID参数的修改，直到得到满意的解时为止。201105201106完善程序，完成毕业论文及答辩。五、主要参考文献1路俊峰，PLC高温烧结炉的智能温度控制，硕士论文D，上海交通大学，20012郁汉琪主编，电气控制与可编程序控制器应用技术M，南京，东南大学出版社，200313廖常初主编，S7300/400PLC应用技术M，北京，机械工业出版社，200514刘士荣主编，计算机控制系
8、统M，北京，机械工业出版社，200795SIEMENSAGSTANDARDPIDCONTROLMANUAL,20036SIEMENSAGFUNCTIONBLOCKDIAGRAMFBDFORS7300ANDS7400PROGRAMMINGREFERENCEMANUAL,20027浙大中控集团编，AE2000APLC实验指导手册Z，20048席爱民主编，模糊控制技术M，西安，西安电子科技大学出版社，200869胡寿松主编，自动控制原理M，第4版，北京，科学出版社，200110西门子中国有限公司自动化与驱动集团编，使用SFB/FB41,SFB/FB42,SFB/FB43实现PID控制用户手册Z，20
9、0411汪晓平主编，PLC可编程控制器系统开发实例导航M，北京，人民邮电出版社，2004712张智焕主编，计算机检测与控制M，杭州，浙江科学技术出版社，2004813常健生主编，检测与转换技术M第3版，北京，机械工业出版社，2000214朱晓青主编，过程检测控制技术与应用M，北京冶金工业出版社，2002615王兆安、黄俊主编，电力电子技术M，北京，机械工业出版社，200016瞿枫，徐中宏，孙冀，基于西门子S7300PLC的模糊控制实现J，南京师范大学学报，2007232717金以慧，过程控制M，北京，清华大学出版社，200318王曙光，杨春杰，魏秋月等，S7300/400PLC入门与开发实例M
10、，北京，人民邮电出版社，2009219陶权，谢彤，基于PLC的过程控制实验装置温度模糊PID控制J，自动化技术与应用，2010，2910222620LEIWANG,WENCAIDU,HAIWANG,HONGWUFUZZYSELFTUNINGPIDCONTROLOFTHEOPERATIONTEMPERATURESINATWOSTAGEDMEMBRANESEPARATIONPROCESSJJOURNALOFNATURALGASCHEMISTRY200840941421MSANTOS,ALDEXTERCONTROLOFACRYOGENICPROCESSUSINGAFUZZYPIDSCHEDULERJ
11、CONTROLENGINEERINGPRACTICE2002114711526毕业设计文献综述电气工程与自动化基于PLC的模糊PID温度控制系统的应用研究1、串级控制系统的组成温度串级控制系统，这种系统具有2个调节器和2个闭合回路和两个执行对象，2个调节器分别设置在主、副回路中，设在主回路的调节器称主调节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副回路的给定量，主、副调节器的输出分别去控制二个执行元件。主对象的输出为系统的被控制量锅炉夹套温度，副对象的输出是一个辅助控制变量。2、串级系统的抗干扰能力串级系统由于增加了副回路，对于进入副环内的干扰具有很强的抑制作用
12、，因此作用于副环的干扰对主变量的影响就比较小，系统的主回路是定值控制，而副回环是一个随动控制。在设计串级控制系统时，要求系统副对象的时间常数要远小于主对象。此外，为了指示系统的控制精度，一般主调节器设计成模糊PID调节器，而副调节器一般设计为PID控制，以提高副回路的快速响应。在搭实验线路时，要注意到两个调节器的极性（目的是保证主、副回路都是负反馈控制）。3、串级控制系统与单回路的控制系统相比串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，控制及时。同时，由于串级系统具有主副两只控制器的总放大倍数增大，系统
13、的扰干扰能力的增强。因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。4、串级控制系统的运行和整定有一步整定法，也有两步整定法，即先整定副回路，后整定主回路。5、模糊控制具有以下特点1模糊控制是一种基于规则的控制它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应7用；2由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用；3基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一
14、个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器；4模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平；5模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性，时变及纯滞后系统的控制。除此，模糊控制还有比较突出的两个优点第一，模糊控制在许多应用中可以有效且便捷地实现人的控制策略和经验；第二，模糊控制可以不需被控对象的数学模型即可实现较好的控制，这是因为被控对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入，输出模糊集及模糊规则中。模
15、糊控制也有缺陷，主要表现在1精度不太高；2自适应能力有限；3易产生振荡现象。6、模糊PID控制器，模糊PID控制器的研究是将模糊技术与常规的PID控制算法相结合的一种控制方法，得到了许多学者的关注模糊PID控制器是一种双模控制形式这种改进的控制方法的出发点主要是消除模糊控制的系统稳态误差，利用PID控制器提高控制精度，消除误差，增加稳态控制性能。从PID控制角度出发，提出FIPI，FIPD，FIPID三种形式的模糊控制器，并能运用各种方式得出模糊控制器中量化因子，比例因子同PID控制器的因子KP，KI，KD之间的关系式对基于简单线性规则TS模型的模糊控制器进行了分析，指出这类模糊控制器是一种非
16、线性增益PID控制器有人试图利用GA算法，通过性能指标评价函数，决定模糊控制器的KE，KEC，KU等参数。7、PID参数模糊自整定算法的实现，自适应模糊PID控制器以误差E和误差变化率EE作为输入，可以满足不同时刻的E和EE对PID参数自整定的要求。利用模糊规则在线对PID参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制器。PID参数模糊自整定是找出PID三个参数KP、KI、KD与E和EE之间的模糊关系，KP、8KI、KD三个参数的模糊规则控制表建立好后，可根据各模糊子集的隶属度，各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，在运行中通过不断检测E和EE，根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改，以
17、满足不同E和EE时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。令YK表示离散化的当前温度的实际值，RK表示离散化的当前设定值，EK表示离散化的当前采样时刻的误差值，EEK表示离散化误差变化率，EK1、EK2分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值，UK为FUZZY一PID控制器的输出量，则有EKRKYK，EEKEKEK1；EEK1EK1EK2。在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的在线自矫正。8、WINCC监控软件设计上位机软件设计采用西门子WINCCV6软件。西门子视窗控制中心SIMATICWINCCWINDOWSCONTROLCENT
18、ER是HMI/SCADA软件中应用非常广泛的一个。通过WINCC开发的组态系统能够使整个系统通过完整和丰富的编程系统实现了双向的开放性；实现了数据库系统的全面开放；广泛的采用了最新的开放性软件技术和标准，能面向多种操作系统平台。在本系统中，依靠WINCC系统开发过程流程画面、监控画面、实时调节曲线、历史曲线、报警画面、历史报警信息、用户登录系统，从而实现对现场的实时监控9、AE2000A型系统介绍，AE2000A型过程控制实验装置是根据工业自动化及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪表加组态软件控制
19、系统、DCS分布式集散控制系统，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出的一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设备。该设备涵盖了信号和信息处理、传感技术、工程检测、模式识别、控制理论、自动化技术、智能控制、过程控制、自动化仪表、计算机应用和控制、计算机控制系统等课程的教学实验与研究。整个系统美观实用，功能多样，使用方便，既能进行验证性、设计性实验，又能提供综合性实验，可以满足不同层次的教学和研究要求。AE2000A型过程实验装置的检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，9即电压15V，电流420MA。实验系统供电要求三相380V交流电，外型尺寸18501450900MM，重量
20、300KG10、AE2000A型系统主要特点1被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。2执行器中既有电动调节阀（或气动调节阀）、三相SCR移相调压等仪表类执行机构，又有变频器等电力拖动类执行器。3调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还有在对象中通过另一动力支路或电磁阀和手操作阀制造各种扰动。4一个被调参数可在不同动力源、不同的执行器、不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。5某些检测信号、执行器在本对象中存在相互干扰，二者同时进行时要对原独立调节系统的被调参数进行重新整定，还可对复杂调节系统比较优劣。6各种控制算法和调节规律在开放的组态实验软件平
21、台上都可以实现。7实验数据及图表在MCGS组态软件中永久存储可随时调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。该系统设计本着工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才的培养原则出发。实验对象采用了很多工业现场常用检测控制装置，仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件，基型产品控制系统既有上位监控机加智能仪表控制系统，又有上位监控机加远程数据采集计算机DDC控制系统。扩展的信号接口用于控制系统二次开发。对象系统预留有扩展连接口，进行DCS控制，计算机DDC控制，PLC控制开发。扩展控制系统为DCS分布式集散控制系统，西门子S7300PLC加上位WINCC
22、组态软件。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能够很快适应环境进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发平台。参考文献1路俊峰，PLC高温烧结炉的智能温度控制，硕士论文D，上海交通大学，20012郁汉琪主编，电气控制与可编程序控制器应用技术M，南京，东南大学出版社，200313廖常初主编，S7300/400PLC应用技术M，北京，机械工业出版社，20051104刘士荣主编，计算机控制系统M，北京，机械工业出版社，200795SIEMENSAGSTANDARDPIDCONTROLMANUAL,20036SIEMENSAGFUNCTIONBLOCKDIAGRAMFBDF
23、ORS7300ANDS7400PROGRAMMINGREFERENCEMANUAL,20027浙大中控集团编，AE2000APLC实验指导手册Z，20048席爱民主编，模糊控制技术M，西安，西安电子科技大学出版社，200869胡寿松主编，自动控制原理M，第4版，北京，科学出版社，200110西门子中国有限公司自动化与驱动集团编，使用SFB/FB41,SFB/FB42,SFB/FB43实现PID控制用户手册Z，200411汪晓平主编，PLC可编程控制器系统开发实例导航M，北京，人民邮电出版社，2004712张智焕主编，计算机检测与控制M，杭州，浙江科学技术出版社，2004813常健生主编，检测与
24、转换技术M第3版，北京，机械工业出版社，2000214朱晓青主编，过程检测控制技术与应用M，北京冶金工业出版社，2002615王兆安、黄俊主编，电力电子技术M，北京，机械工业出版社，200016瞿枫，徐中宏，孙冀，基于西门子S7300PLC的模糊控制实现J，南京师范大学学报，2007232717金以慧，过程控制M，北京，清华大学出版社，200318王曙光，杨春杰，魏秋月等，S7300/400PLC入门与开发实例M，北京，人民邮电出版社，2009219陶权，谢彤，基于PLC的过程控制实验装置温度模糊PID控制J，自动化技术与应用，2010，2910222620LEIWANG,WENCAIDU,H
25、AIWANG,HONGWUFUZZYSELFTUNINGPIDCONTROLOFTHEOPERATIONTEMPERATURESINATWOSTAGEDMEMBRANESEPARATIONPROCESSJJOURNALOFNATURALGASCHEMISTRY200840941421MSANTOS,ALDEXTERCONTROLOFACRYOGENICPROCESSUSINGAFUZZYPIDSCHEDULERJCONTROLENGINEERINGPRACTICE20021147115211本科毕业设计（20届）基于PLC的模糊PID温度控制系统的应用研究12摘要【摘要】可编程控制器（PLC）
26、是近年来发展极为迅速，应用极广，以微处理器为核心，集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。它作为控制系统的核心装置，功能强大、性能稳定，在工业控制方面得到了广泛的应用。本文采用西门子公司的S7300系列PLC作为控制系统的核心部件，通过STEP7编程软件调用PLC中的PID功能模块来实现控制算法，通过与计算机的通信对数据进行自动处理和远程控制。其中,模糊PID是采集输入量与设定值的偏差量和偏差的变化率，来运用模糊控制的理论，来得到PID控制器的三个参数值，即KP、TI、TD。采用西门子公司的WINCC组态软件来制作监控画面，从而实现对P、I、D三参数的在线修改，以及实时监视被
27、控对象的运行状态。【关键词】可编程控制器；闭环控制；模糊PID控制；WINCC组态软件。13ABSTRACT【ABSTRACT】PROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLCISEXTREMELYRAPIDDEVELOPMENTINRECENTYEARS,AVERYWIDEAPPLICATION,WITHAMICROPROCESSORCORESETOFCOMPUTERTECHNOLOGY,AUTOMATIONTECHNOLOGY,COMMUNICATIONTECHNOLOGY,GENERALINDUSTRIALCONTROLDEVICESCONTROLSYSTEMASTHECOR
28、EDEVICE,POWERFUL,STABLEPERFORMANCE,INTHEINDUSTRIALCONTROLHASBEENWIDELYUSEDINTHISPAPER,SIEMENSS7300SERIESPLCCONTROLSYSTEMASTHECORECOMPONENT,CALLEDBYSTEP7PLCPROGRAMMINGSOFTWAREFUNCTIONMODULESOFTHEPIDCONTROLALGORITHMTOACHIEVETHROUGHTHECOMMUNICATIONWITHTHECOMPUTERFORAUTOMATICDATAPROCESSINGANDREMOTECONTR
29、OLFUZZYPIDISTOCOLLECTINPUTANDSETTHEVALUEOFTHEDEVIATIONANDDEVIATIONRATEOFCHANGETOTHETHEORYOFFUZZYCONTROL,PIDCONTROLLERTOGETTHETHREEPARAMETERS,NAMELY,KP,TI,TDSIEMENSWINCCCONFIGURATIONSOFTWARECOMPANIESTOMAKETHEMONITORSCREEN,ENABLINGTHEP,I,DLINETOMODIFYTHETHREEPARAMETERS,ASWELLASREALTIMEMONITORINGTHEOPE
30、RATIONALSTATUSOFTHECONTROLLEDOBJECT【KEYWORDS】PROGRAMMABLECONTROLLER；CLOSEDLOOPCONTROL；FUZZYPIDCONTROL；WINCCCONFIGURATIONSOFTWARE14目录1前言1611研究的背景与意义162可编程控制器1721PLC的基本概念17211S7300PLC的基本结构17212PLC的特点18213PLC的应用领域1922PLC的工作原理20221PLC的循环处理过程20222循环扫描时间21223输入/输出滞后时间213PID控制系统2331PID控制系统简介2332数字PID控制算法25
31、33S7300在闭环控制中的应用26331闭环控制系统的组成26332闭环控制的性能指标27333S7300实现闭环控制的方法27334PID控制功能块FB412734PID控制器的参数整定方法30341PID参数对系统性能影响30342确定PID参数初值的工程方法304温度控制的系统的硬件组成3241PLC控制柜的组成3242温度控制实验装置介绍33421AE2000A型过程控制实验装置介绍33422AE2000A型系统主要特点33423AE2000A装置的组成33424测量元件3515425执行元件355温度串级控制系统3751串级控制系统37511串级控制的组成37512串级控制的特点3
32、752模糊控制系统38521模糊控制器的组成38522模糊控制器的设计39523模糊PID在S7300PLC的实现446温度控制系统的设计5761PLC的硬件组态和控制程序设计57611PLC的硬件组态57612控制程序设计6162WINCC组态界面的设计647温度控制系统实验结果分析8071建立被控对象的数学模型80711一阶惯性环节拟合的近似法80712锅炉对象特性曲线测试及对象数学模型的建立8072控制器的初始参数调整8373温度控制器的结果分析84731普通PID调节器84732模糊PID调节器85733串级的调节器868结论88参考文献89致谢错误未定义书签。161前言11研究的背景
33、与意义随着国家经济的快速发展,锅炉的使用频率越来越高。而锅炉的温度控制仍然是工业生产过程中经常遇到的过程控制问题,有些工艺过程其温度的控制效果是可以直接影响着产品的质量的好坏,因而我们非常需要设计一种较为理想的适应能力强的温度控制系统。随着现代工业生产过程向着大型化、连续化的方向发展，对控制系统的也提出了越来越高的控制要求，而锅炉系统是一个具有时变和滞后的比较复杂的系统，因此，锅炉温度的控制一直是工业过程控制中的一个难题，特别是如何更好的控制效果。采用简单的单回路控制器已经很难满足得了这些比较复杂的控制要求，于是我们就必须采用一种新的控制系统来代替单回路控制以此来满足这些要求，即可采用串级控制
34、系统。由于串级控制可以有效的改善动态过程的特性、提高工作频率、减小等效过程的时间常数和加快响应速度等特点，所以在克服被控系统的滞后方面能够取得不错的效果。在工业生产中，串级控制系统广泛应用于各个领域，如锅炉的液位控制系统，造纸厂网前箱温度控制系统，锅炉温度控制系统，隔焰式隧道窑燃烧室温度控制系统，加热炉出口温度的控制等等。由于PLC具有易于实现、抗干扰强、高可靠性等优点，在工业控制领域中得到了广泛的应用。进入21世纪以后，PLC已经由原来的单一的逻辑控制器发展成具有较强的数据处理能力、通讯能力的标准的工业控制设备，在工业控制领域的发展趋势是用其实现各种算法成。本设计以锅炉为被控对象，以锅炉的夹
35、套温度为主被控参数，以锅炉内胆温度为副被控参数，以加热锅炉的电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用模糊PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。172可编程控制器21PLC的基本概念可编程控制器是可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER）的简称，我们通常简称为PLC，它是计算机家族中的重要成员之一，它在工业控制领域中占有很强的地位。早期的可编程控制器它主要是用来代替继电器的，是用它来在实现逻辑电平控制的功能。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了原来的逻辑控制的范围，因此，现在这种装置我们称为可编
36、程控制器，可以简称为PC。但是习惯上人们还是将它称为PLC，这是因为个人计算机（PERSONALCOMPUTER）的简称也是PC。1PLC的应用范围广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化控制中的主要支柱之一，在工业生产领域得到了广泛的应用。在1985年1月国际电工委员会（IEC）制定了关于PLC的标准，并给它做了如下的定义“可编程控制器是一种电子系统基于数字运算操作的，它设计的原因是为了可以在复杂的工业环境下使用，它采用的存储器是可以编写程序的，它的内部可以存储执行算术运算、计数、定时、逻辑运算和顺序控制等操作的指令，并且通过模拟、式数字式的输出和输入，控制各种类型的生产过程或机械。可
37、编程控制器和它的外围设备，都应该是很容易同工业控制系统成为一个整体，它的功能易于扩充其的原则而设计。”2211S7300PLC的基本结构本毕业设计使用的是西门子公司的S7300系列PLC。西门子的PLC以其很高的性价比，在我国占有很大的市场份额，在我国的控制行业得到了广泛的使用。S7300属于模块式的PLC，它是由各种各样的模块组合而来的，自己需要什么就可以配什么，它主要是由机架、接口模块、电源模块、信号模块、CPU模块、功能模块、通信处理器和编程设备等组成，一般各种模块都是安装在机柜上的。PLC通过通信模块或CPU模块上的通信接口，可以与计算机、其它PLC或其它设备进行组网，实现之间的相互通
38、信。它的主要组成为31CPU模块CPU模块主要由存储器和微处理器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相于人的大脑，是PLC的控制中枢，PLC在CPU的控制下有条不紊的协调工作，它不断的循环执行，输入信号的采集，用户程序的执行，系统的输出的刷新。存储器是用来存储数据，系统程序和用户程序的。2信号模块输出（OUTPUT）模块和输入（INPUT）模块简称I/O模块,开关量输出、输入模块简称为DO模块和DI模块，模拟量输出、输入模块简称为AO模块和AI模块，它们统称为信号模块。输入模块用来采集和接收输入信号，开关量输入模块用来接收从光电开关、限位开关、接近开关、选择开关、压力继电器、按钮、数字拨码开关
39、等处的开关量的输入信号；模拟量输入模块用来接收各种变送器、电位器和测速发电机等提供的连续变化地模拟量电压电流信号。开关量输出模块用来控制指示灯、报警装置、电磁铁、数字显示装置、接触器和电磁阀等输出设备，模拟量输出模块用来控制变频器、三相可控硅的移相电路和电动调节阀等执行器。18CPU模块内部的工作电压一般为直流5V，而PLC的输出/输入信号的电压一般都比较高，例如直流24V或交流220V。引入外部的尖峰电压或干扰噪声可能会损坏CPU模块中的元器件，或可能使PLC不能正常的工作。在信号模块中，用小型继电器、光耦合器、光敏晶闸管等器件来让PLC的内部电路同外部的输入、输出电路形成隔离。信号模块除了
40、需要传递信号，还要起到电平隔离与转换的作用。3功能模块为了增加PLC的功能，扩大它的应用领域，减轻CPU的负荷，PLC厂商研发出来很多功能模块。它们主要被用来完成某些对存储容量和实时性需求较高的任务。4接口模块中央机架就是CPU模块所在的机架，如果这些所有的模块在这个机架不能全部放下，我们就需要增加一个或多个机架。接口模块是让中央机架同后增加的机架之间通信的桥梁，某些接口模块还能够为扩展机架提供电源。5通信处理器通信处理器主要用于PLC与计算机和其他智能设备之间、多台PLC之间、PLC与远程I/O的通信，可以将PLC接入ASI、MPI、PROFIBUSDP和工业义太网中，或者可以用于点对点通信
41、等。6电源模块PLC经常使用的是直流24V的电源或交流220V的电源，将输入电压转换为DC5V电压和DC24V电压是由电源模块完成的，转换后的电压可以直接供给其他模块使用。7编程设备S7300使用的是STEP7编程软件，它是安装在个人电脑上的一个软件，在计算机上打开这个软件可以编辑各种图形程序或者文本程序，可以相互转换成各种不同的编程语言。通过编译后的程序直接下载到PLC中，我们也可以通过STEP7软件将PLC中的程序逆向上传给电脑。程序可以打印或存盘，我们也可以通过网络实现远程监控和程序的编写。STEP7编程软件还具有硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。212PLC的特点1编程方法简单
42、易学2PLC的编程语言使用得最多的是梯形图，它的表达形式和电路符号与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观、简单、易懂易学，熟悉电路图的人员只需花一点时间就可以熟练的运用梯形图语言，来编写用户程序。2功能强，性价比高一台PLC内部有很多可以让用户使用的编程空间和元件，可以用来实现比较复杂的控制功能。同一样功能的继电器系统相比较而言，PLC具有更高的性价比。PLC还可以运用通信功能来联接网络，完成分散控制，集中管理的任务。3硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC产品已经模块化、标准化、系列化，现在它有各种各样的硬件装置提供给用户选择,用户可以很灵活方便的进行各种系统配置，形成各种不同规模、
43、不同功能的控制系统。PLC的接线安装很简单，一般只需要把接线端子同外部连接起来即可。PLC有很强的驱动负载的能力，一般中小型交流接触器和电磁阀可以用它直接进行驱动。4可靠性高，抗干扰强对于使用了很多的时间继电器、中间继电器的传统的继电器控制系统来说，可能会因为触点的接触不良，而出现故障。PLC中使用软件来代替时间继电器和中间继电器，这样就只剩下同输出、输入有关的很少的硬件，这样可以将接线减少到继电器控制系统的十分之一19以下，很大程度上避免了因这种原因造成的故障。PLC使用了很多的软件和硬件来抵抗干扰，具有很强地抗干扰能力，它可以无故障的运行数万小时以上的时间，直接可以用于有强烈干扰的工业生产
44、的现场，PLC已被广大用户公认为最可靠地工业控制设备之一。PLC对器件选择进行了严格的筛选，PLC的输入输出电路均采用光电隔离技术，屏蔽工业现场的干扰信号对它的影响。在输入电路中还普遍采用了RC滤波电路。PLC的CPU具有自诊断功能，能有效的处理异常情况。大型PLC还采用冗余的做法来使系统的可靠性得到了进一步提高，一般可能由三CPU构成表决系统或由双CPU构成冗余系统。5系统地设计、安装、调试工作量少继电器控制系统中大量地计数器、时间继电器、中间继电器等器件的功能被PLC用软件取代了，这样使控制柜地安装、设计、接线的工作量都在很大程度上得到了减少。我们一般可以用顺序控制法来设计PLC的梯形图程
45、序。这种设计方法的特点是很容易学习，而且有很强的规律性。需要设计复杂的控制系统时，只要我们的设计方法正确，梯形图的设计时间会比继电器系统的时间要少许多。我们可以在实验室对用户程序进行PLC的模拟调试，模拟输入信号用小开关来代替，我们可以通过观察各个发光二极管的状态来得到与之对关的输出信号的状态。系统的接线和安装完成后，我们需要在现场进行调试，一般可以通过程序的修改来解决现场发现的问题，与继电器系统相比系统的调试时间已经很少了。6维修方便，且工作量少PLC的出现故障的频率本来就很低，而且它还有很好的诊断故障的能力。当外部的执行机构和输入装置或者PLC发生故障时，我们可以根据编程软件提供的信息或者
46、PLC上的发光二极管，可以很方便的知道故障发生的原因，可以迅速有效的解除故障需用的方法是更换模块。7体积小，能耗低就一些复杂的控制系统来说，可以通过使用PLC，来减少使用中间继电器和时间继电器，几个继电器的体积就和一个小型PLC的大小差不多，因此可以通过使用PLC来缩小开关柜的体积，一般可以在原来的1/21/10之间变化。与继电器控制系统相比PLC控制系统的配线用量少，安装接线工时短，开关柜体积小，因此费用可以节省很多。213PLC的应用领域在工业发达的国家，PLC已经广泛地应用在所有的工业部门，随着其性价比的不断提高，不断的扩大其应用范围，主要应用有以下几个方面21开关量逻辑控制这是PLC的
47、最古老的应用。PLC具有“与”、“非”、“或”等逻辑指令，可以实现电路和触点的并、串联，可以代替继电器来进行定时控制、组合逻辑控制与顺序逻辑控制。开关量的逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线上，其应用领域已遍及所有各业，甚至深入到家庭和民用中去了。2运动控制PLC使用运动控制模块或专用的指令，对圆周运动或直线运动的位置、加速度和速度进行控制，可以实现双轴、单轴、3轴和多轴联动的位置控制，使顺序控制与运动控制功能有机的结合在一起。PLC的运动控制功能广泛应用于各种各样的机械，例如机器人、装配机械、金属成形机械、金属切削机床、电梯等场合。3闭环过程控制20闭环过程控制是指对流量、温度、压
48、力等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现数字量和模拟量之间的D/A转换与A/D转换，并对模拟量实施闭环PID控制。S7300中有闭环控制模块、闭环控制软件包和用于闭环控制的系统功能块可以提供用户选择使用。其中闭环控制功能已经广泛地应用于热处理器、加热炉、锅炉、塑料挤压成形机等设备，以及电力、机械、建材、冶金、轻工、化工等行业。4数据处理现代的PLC具有循环、求反、字逻辑运算、矩阵运算、整数四则运算、浮点数运算、移位、函数运算等运算功能，还具有数据转换、位操作、查表、传送、排序等功能，可以完成数据的采集、处理和分析的能力。这些数据可以与存储在存储器中的参考值进行比较，也可
49、以使用通信功能传送到别的智能装置上，或者将它们打印出来制作成表格。5通信联网PLC的通信包括PLC与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。22PLC的工作原理221PLC的循环处理过程我们可以将CPU中的程序分为用户程序和操作系统程序。调用用户程序、中断和错误的处理、PLC的起动、管理存储区和通信、刷新输出/输入过程映像区等任务是通过操作系统来完成的。用户自己编写程序，可以实现用户需求的任务。STEP7将程序所需要的数据和用户编写的程序保存在块中，功能块FC和功能FB我们可以把它看成是我们自己的一个子程序，操作系统也给我们提供了标准的子程序即系统功能块SFC和系统功能SFB，这些块我们称之为逻辑块。采用循环扫描程序的执行方式是PLC特有的工作方式，这种运行方式我们也称之为扫描工作方式。用于循环处理的组织块是OB1块，它和我们所写的主程序是一样的作用，它可以调用其它的逻辑块，或自己被中断程序调用。PLC上电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU将执行启动操作，清除那些没有保持功能的定时器、位存储器和计数器，清除块堆栈和中断堆栈的内容，复位已经保存好的硬件中断等。此外还需要执行我们自己写的OB100块也就是“系统
