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基于PLC与Wincc构架下的水温PID控制.rar

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    基于 PLC Wincc 构架 水温 PID 控制
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    南昌航空大学科技学院 2014届学士学位论文毕业设计(论文)题目 : 基于 PLC与 Wincc构架下的水温 PID控制系 别: 信息工程系专业名称: 自 动 化班级学号: 108202231学生姓名: 谢 言指导教师: 刘 君二 O 一四 年 五 月 南昌航空大学科技学院 2014届学士学位论文学士学位论文原创性声明本人声明,所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期:学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。作者签名: 日期:导师签名: 日期:南昌航空大学科技学院 2014届学士学位论文基于 PLC 与 Wincc 构架下的水温 PID 控制学生姓名:谢 言 班级:1082022指导老师:刘 君摘要:随着整个行业自动化程度的提高,在工业领域内,用户对控制系统的控制精度要求越来越高。人机界面的出现恰好满足了用户这一需求,工业环境中PLC 与 WinCC 的软硬件结合无疑是人机界面与设备交互的典范。本文以西门子 S7-300(PLC)与工控机作为硬件平台,搭建设计了基于 PLC与 WinCC 构架下的水温 PID 控制系统, 该系统的设计包括上位机的温度控制、实时监控界面单元,上位机与 PLC 控制器通信、控制器执行单元及现场设备单元。以工业现场总线中常用的 MPI 作为通信的基础,PLC 控制器与 WinCC 工控软件分别作为硬件核心与上位机控制系统,完成上位机与控制单元通信。本设计的控制单元包括一个 S7-300 PLC、一台工控机和一个固态继电器,采用 MPI通信,通过从温度传感器反馈的温度值传送到 PLC,之后再通过 S7-300(PLC)中自带 PID 模块参数整定达到水温控制的目的。通过调试运行,本系统设计达到最初的各项指标,同时具有良好的稳定性和安全性。关键词:WinCC S7-300 水温 PID 控制 指导老师签字:南昌航空大学科技学院 2014届学士学位论文Water temperature of PID control system based on PLC and WinCC Student name: Xie Yan Class: 1082022Supervisor: Liu JunAbstract:With the increasing degree of automation of the whole industry comes higher demand from our customers for the control precision of control system.The innovation of human-computer interface meets that demand perfectly with a ourstanding representitive being the combination of PLC and WinCC.This paper is about the platform of S7-300(PLC)made by Siemens which is equipped with the PID water temperature control system based on PLC-WinCC framework.This whole system is made up of temperature control of the upper computer、interface units of real-time monitoring、controller communication between the upper computer and PLC、controller execute units and equipment units at site.The communication between the upper computer and the control units is achieved by using MPI as the basis for communication,PLC as the core hardware and WinCC as the control system. the control units of this design include a S7-300 PLC、an IPC and a SSR.With the assistance of the MPI which transfers the readings of the temperature created by temperature sensor and the PID Module Parameters of the PLC to finally control the water temperature.By debugging the system can default itself with both decent stability and safety.Keywords:WinCC S7-300 PLC Temperature of Water PID Control Signature of Supervisor:南昌航空大学科技学院 2014届学士学位论文目 录1 前言 ...........................................................11.1 研究的目的及意义 .........................................11.2 系统组成部分概述及相关领域的研究进展成果 .............21.2.1 PLC概述 ...............................................21.2.2 温度控制的研究现状 .....................................21.2.3 PID算法概述 ...........................................31.2.4 PID控制器 .............................................41.3 主要研究内容 ............................................52 PLC与 Wincc基础 .............................................72.1 可编程控制器(PLC)基础 .................................72.1.1 可编程控制器 ...........................................72.1.2 模块式 PLC的基本结构 ...................................72.1.3 PLC的功能 .............................................82.1.4 PLC的特点 .............................................92.2 WinCC工控软件 ...........................................102.2.1 WinCC概述 ............................................102.2.2 WinCC V6.0概述 .......................................112.2.3 WinCC V6.0的特点 .....................................113 控制系统硬件配置及软硬件组态 ............................133.1 PLC硬件部分 .............................................133.1.1 S7-300系列 PLC简介 ...................................133.1.2 CPU314C-2PN/DP介绍 ...................................143.2 温度传感器 ...............................................163.2.1 温度传感器概述 ........................................163.2.2 热电阻 ................................................173.3 固态继电器 ...............................................173.3.1 概述 ..................................................173.3.2 固态继电器的组成 ......................................193.3.3 固态继电器的特点 ......................................193.4 西门子编程软件 STEP7....................................19南昌航空大学科技学院 2014届学士学位论文3.4.1 STEP7概述 ............................................193.4.2 STEP7硬件组态 ........................................204 PLC控制系统设计 ............................................234.1程序设计 ..................................................234.1.1 设计思路 ..............................................234.1.2 控制系统流程图(PLC 部分) ............................234.1.3 控制系统关系图 ........................................244.1.3 PID参数调节 ..........................................244.2 程序梯形图 ...............................................255 WinCC人机界面 ..............................................295.1 人机界面设计 ............................................295.1.1 WinCC界面设计思路 ....................................295.1.2 人机界面简图 ..........................................295.2 图形编辑及内部变量图 ...................................305.2.1 图形编辑画面 ..........................................305.2.2 变量管理 ..............................................305.3 WinCC程序运行图 ........................................306 结论 ..........................................................34参考文献 .........................................................35致谢 ..............................................................36附录 A:PLC 程序图 .............................................37附录 B:WinCC 人机界面 ........................................39南昌航空大学科技学院 2014届学士学位论文1基于 PLC与 Wincc构架下的水温 PID控制1 前言1.1 研究的目的及意义本课题的选题依据源自于在工业环境下 PLC与 WinCC构成的控制系统应用广泛且相对来说系统安全性与稳定性兼顾,操作简单。而 PID算法在闭环控制系统当中的地位举足轻重,同样是工控系统中的主力军,基于 PLC与 WinCC的水温 PID控制为自动化行业当中必不可少的部分,掌握不同的软硬件知识以及其语言环境、软硬组态为每一个自动化出生学员的基本功底。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, 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。南昌航空大学科技学院 2014届学士学位论文2因此,PLC 和 Wincc技术结合,可以很方便的实现过程控制的实时监控,在工业控制中得到广泛应用。1.2 系统组成部分概述及相关领域的研究进展成果1.2.1 PLC概述可编程控制器(即 PLC)是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的,并逐渐发展成以微处理器为基础,综合计算机技术,自动控制技术和通信技术等现代技术于一体的新型工业控制扎装置。因早期的可编程控制器主要用于代替继电器实现逻辑控制,所以将它称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller) ,简称 PLC。近年来,随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展,可编程逻辑控制器不仅能实现逻辑控制,还具有数据处理及通信等功能,故称为可编程控制器,简称PC(Programmable Controller) 。由于个人计算机(Personal Computer)也简称为 PC,为了不使两者混淆,人们仍习惯地用 PLC作为可编程控制器的缩写,并沿用至今。1.2.2 温度控制的研究现状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,对于此类复杂的控制对象采用智能控制性能要优于传统控制。南昌航空大学科技学院 2014届学士学位论文3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。1.2.3 PID算法概述基于偏差的比例、积分和微分的控制器简称为 PID控制器,它是工业过程控制中最常见的一种过程控制器。PID 算法是一种基于偏差值在不同时间段落的控制算法。常规 PID控制系统原理图如图 1.2.1所示。图 1.2.1 PID控制框图整个系统主要由 PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器,PID控制器根据给定值 r和实际输出值 y构成控制偏差,即:(1-1))()(trtePID控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。在生产过程自动化控制的发展历程中,PID 控制是历史最悠久、生命力最强的基本控制方式,在目前的控制方案中仍占 80%以上,其数学模型可用下列公式表示:(1-2)])()(1)([)(0dteTtetKtUip式中: 一控制器的输出,V;t南昌航空大学科技学院 2014届学士学位论文4一控制器输入,它是给定值和被控对象输出值的差,称偏差信)(te号;一控制器的比例系数;Kp一控制器的积分时间,s;iT一控制器的微分时间,s;d1.2.4 PID控制器在 PID控制器中,它的数学模型由比例、积分、微分三部分组成,这三部分分别是1.比例部分系统误差一旦产生,控制器立即就产生控制作用,使被 PID控制的对象朝着减小误差的方向变化,控制作用的强弱取决于比例系数 的大小,比例系数Kp越大,则过渡过程越短,控制结果的静态偏差也越小,但对于具有自平衡Kp(即系统阶跃响应终值为一有限值)能力的被控对象存在静差。加大 可减小误差,但 过大,会导致系统超调增大,使系统的动态性能变坏。2.积分部分积分部分表达式为(1-3)tipdeTK0)(从积分部分的数学表达式可以知道,只要存在偏差,则它的控制作用就会不断增加。只有在偏差 为零时,它的积分才会为一个常数,控制作用才是)(te一个不会增大的常数。可见,积分部分的作用可以消除系统的偏差。积分时间 对积分部分的作用影响很大。当 较大时,积分作用较弱,iTiT这时,系统的过渡过程不易产生振荡。但是消除偏差所需的时间较长。当 较iT小时,则积分作用较强。这时系统过渡过程中有可能产生振荡,但消除偏差所需的时间较短。3.微分部分微分部分表达式为(1-4)dteTKp)(
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