PLC在PID控制系统中的应用

1、第1章 绪论1.1 温度控制系统概述温度是工业生产和生活中最常用的参数之一，温度控制系统广泛应用于民用工业、机电设备测控系统、电炉箱以及大型实验室的各种实验箱。温度控制指的是将温度控制在所需要的温度范围内，然后进行加工与处理。温度是由温度传感器测量后，经过A/D转换器将模拟信号变成数字信号，送到计算机，由它产生相应的控制信号去控制被控对象。随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，在冶金、化工、机械等各类工业控制过程中，电加热炉得到了广泛的应用。电加热炉的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。电加热炉由电阻丝加热，温度控制具有非线性、大滞后、大惯性、多变量、时变性、声音单向性等特点。目前，国内的电加热炉温度控制器大多还停留在国际60年代水平，仍在使用继电-接触器控制。继电-接触器控制是自动化程度非常低的控制策略，对于像电加热炉这样的复杂控制对象，已经不能满足日益发展的工艺技术要求，将逐渐被淘汰。基于PLC技术的控制器自80年代以来，取得了巨大的成就，尤其是微型计算机的蓬勃发展，使得PLC控制器具有强劲的优势。因此，寻求适合PLC控制器的控制技术一直是控制人员关

2、心的课题。在现有设备及技术条件下，应用现代控制理论很难设计出有效而且实用的控制器，在工业控制领域，应用现代控制理论设计出来的控制器的效果往往还不如根据经典PID理论设计的过程控制器的控制效果。到目前为止，在工业控制过程中，占统治地位的仍然是经典的PID控制调节器，其比例达到了90%以上。以PID算法为核心，各种形式的DDC控制系统，是目前电加热炉温度控制系统较普遍使用的方法。当然，常规PID算法简单、鲁棒性好、可靠性好，但其参数一经调整，在生产过程中不能自动修改。1.2 PLC概述可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，英文缩写PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通讯网络技术而发展起来的一种工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（三大支柱包括：PLC、机器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化控制系统的基本装置。在PLC问世之前，工业控制领域中是以继电器占主导地位。继电器控制系统有

3、着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工业发生变化时，就必须重新设计、重新安装。造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用公司（GM）提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求，即：（1）编程方便简单；（2）硬件维护方便；（3）可靠性要高于继电器控制装置；（4）体积小于继电器控制装置；（5）可将数据直接送入管理计算机；（6）成本上可与继电器控制装置竞争；（7）输入可以是交流115V；（8）输出是交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；（9）扩展时，原系统只需做很小的改动；（10）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。从此，可编程序控制器这一新的控制技术迅速发展起来，而且，在工业发达国家发展很快。国际电工委员会在1987年2月颁布了相关草案，该草案中对可编程控制器的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电

4、子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令。并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。这是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。虽然PLC只有30多年的历史，但其发展势头迅猛，目前PLC的年生产增长率仍保持在30%至40%的水平。成为当今增长速度最快的工业控制器，而且还将要继续发展下去。PLC将向着两个方向发展：一方面向着大型化的方向发展，另一方面向着小型化的方向发展，以适应不同场合和不同要求的控制需要。为适应大规模控制系统的需求，大型PLC向着大容量、高速度、高性能、增加I/O点数的方向发展，主要表现为：增强网络通讯能力、发展只能模块、外部故障诊断功能、编程语言、编程工具标准化、高级化等。发展小型PLC，其目的是为了占领分散的中小型的工业控制场所。小型PLC向着简易化、体积小、功能强、价格低的方向发

5、展，便于实现机电一体化。1.3 PLC的主要功能和特点1. PLC的主要功能PLC在不断的发展，其性能在不断的完善、功能在不断地增强。其主要功能有：（1）开关量逻辑控制，模拟量控制；（2）定时控制；（3）顺序（步进）控制；（4）数据处理；（5）通信和联网。2. PLC的特点PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。主要表现有：（1）可靠性高；（2）抗干扰能力强；（3）通用性强，灵活性好，功能齐全；（4）编程简单，使用方便；（5）模块化结构，安装简单，调试方便；（6）网络通信。1.4 PLC的分类PLC一般可按控制规模和结构形式分类。1. 按PLC的控制规模分类按PLC的控制规模分类，PLC可分为小型机、中型机、大型机。通常小型机的控制点数小于256点，用户程序存储器的容量小于8K字。例如，西门子公司的S7-200PLC就属于小型机。小型机中，控制点数小于64点的为超小型机或微型PLC。中型机的控制点数一般在256点到2048点范围内，用于程序存储器的容量小于50K字。中心及控制点数较多，控制能力强，常用于中型控制场合，在通讯网络中也可作为主站也可作从站。大型机的

6、控制点数都在2048点以上，用于程序存储器的容量达50K字以上。常用于大型控制场合，在通信网络中常作为主站。以上分类没有十分严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，这些界限会发生变更。2. 按PLC的结构形式分类PLC按结构形式可分为整体式、模块式和叠装式三类。1.整体式PLC：整体式PLC是将电源、I/O部件都集中在一个机箱内。其结构紧凑、体积小、价格低。一般小型PLC采用这种结构。整体式PLC由不同的I/O点数的基本单元和扩展单元组成，基本单元内有CPU、I/O和电源。扩展单元内只有I/O和电源。例如，美国GE公司的GE-I/J系列PLC。2.模块式PLC：模块式结构是将PLC各部分分成若干个单独的模块，如模块电源、CPU模块、I/O模块和各种功能模块。模块式PLC有机架和各种模块组成。模块式PLC配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型PLC都采用模块式结构。例如，西门子S7-300、400系列PLC。3.叠装式PLC：将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。它除了基本单元外还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较方便。叠装式PLC集整体式PLC和模块式PLC优点于一身，它

7、结构紧凑、体积小、配置灵活、安装方便。例如，西门子S7-200系列PLC。1.5 PLC的基本组成和工作原理1.5.1 PLC的基本组成从广义上说，PLC也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。所以PLC与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器（CPU）、存储器、输入输出（I/O）接口、电源等。根据物理结构形式的不同，PLC可分为整体式（也称单元式）和组合式（也称模块式）两类，如图1.1、1.2所示。计算机或PLC等用户输入设备特殊功能单元I/O扩展单元用户输出设备中央处理器（CPU）电源存储器系统程序存储器用户程序存储器外设接口输入单元输出单元I/O扩展口主机图1.1 整体式PLC的组成示意图通信单元输出单元输入单元CPU单元只能I/O单元PLC或计算机控制系统现场过程编程器图1.2 组合式PLC的组成示意图1.5.2 PLC各主要组成部分的作用1.央处中理器（CPU）CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊的工作。CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力和速度，CPU位数越

8、高，系统处理的信息量越大，运算速度也就越快。随着芯片技术的不断发展，PLC所用的CPU芯片也越来越高档。2.存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由PLC产生厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。用户存储器包括用于程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用于程序存储器用来存放用户针对具有控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。3.输入、输出接口它是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集输入信号；输出接口用来连接被控对象中各种执行元件。4.电源小型整体式可编程序控制器内部有一个开关稳压电源。此电源一方面可为CPU板、I/O板及扩展单元提供工作电压（5V DC），另一方面可为外部输入元件提供24V DC电源。5.扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活。6.通信接口为了实现“人机”或“机人”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机以及其他的PLC或计算机相连。7.智能I/O接口用于满足复杂的控

9、制功能的需要。1.5.3 PLC的工作原理PLC上电后，在系统程序的监视下，周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序环扫描的过程。执行一个循环扫描过程所需的时间称为扫描周期。如图1.3所示。初始化CPU自诊断通信信息处理与外部设备交换信息执行用户程序输入输出信息处理图1.3 PLC的工作过程PLC的工作过程与CPU的操作方式有关。CPU有三个操作方式：STOP方式、TERM方式和RUN方式。开关拨到RUN时，CPU运行；开关拨到STOP时，CPU停止；开关拨到TERM时，不改变当前操作模式。如果需要CPU在上电时自动运行，模式开关必须在RUN位置。PLC对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输出采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。第2章 方案设计电炉主要应用在工厂、宾馆、学校、宿舍、商场等各种需要取暖供热的场合，用电控制炉子的温度比以往的炉子更加安全、准确、高效和环保，用PLC控制电炉的温度，尤其是进行闭环回路的控制，有着其独一无二的优势。2.1 题目分析以往的电加热锅炉的控制大多采用继电器、接触器控制，控制功能简单，电加热管容易损坏，系统在可靠性和优化控制上存在一定的不足，针对这些问题，采用可编程序控制器（PLC）对它的控制部分进行了改良。首先，用PLC的软件编程代替了原有继电器硬件的布线控制，使控制系统具有了极大的柔性和通用性，其次，PLC的可靠性高，抗干扰能力强，编程直观、简单，并且PLC没有采用微机控制中的汇编语言，而是采用了一种面向可管制过程的梯形图语言，易学易懂。随着现代工艺的改变，接口功能更加完善，更易于与计算机接口连接，也可以很方便的将PLC与各种不同的外部控制设备连接，省略了接口电路的设计。本题目要求设计一个电炉温度控制系统，根据炉温对给定温度的偏差

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