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大连民族学院机电信息工程学院
自动化系
电气控制技术课程设计报告
题 目: PLC恒温控制器设计 专 业: 自动化 班 级: 自动化091班 学生姓名: 组长:xx
组员:xx
xx 指导教师: xx
设计完成日期: 2012年 6月30日
目 录
1 设计任务 1
2 电炉恒温控制系统的总体设计 1
2.1 电炉恒温控制系统的基本组成 2
2.2 电炉恒温控制系统的硬件总体方案 2
2.2.1 控制器 2
2.2.2 检测装置 2
2.2.3 执行机构 3
2.2.4 硬件连接 3
2.3 电炉恒温控制系统的软件总体方案 3
3 电炉恒温控制系统的设计与实现 5
3.1 控制器的设计 5
3.2 程序设计与实现 6
4 系统综合实验调试 7
4.1 调试方案 7
4.2 调试过程 7
4.2.1 模拟量采集的验证和调试 7
4.2.2 温度PID控制功能块FB58功能的实现和调试 7
4.2.3 PID参数整定与总体优化 7
结 论 11
参 考 文 献 12
附录A 温度PID控制功能块FB58的参数设置图 13
附录B 系统硬件组态与模块选择图 17
1 设计任务
设计题目要求采用所给的设备(S7-300系列PLC、固态继电器、温度传感器等)实现对电炉温度的恒温控制,完成对控制器的综合设计。该题目是基于PLC的电炉温度控制系统。
电炉是热处理常用设备之一,维持电炉某一范围的温度恒定是必须要解决的问题。电炉的发热体为电阻丝。电炉通常采用模拟仪表测量温度,并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率,由于模拟仪表本身的测量精度差,加上交流接触器的寿命短,通断比例低,故控制精度低。本次设计一个采用西门子公司S7-300系列PLC可编程序控制器实现对电炉温度的自动控制。PLC的模拟量输入模块反馈的炉温实际值与设定值的偏差进行PID运算,运算结果输出控制电炉平均功率的大小,来达到控制炉温的目的。
2 电炉恒温控制系统的总体设计
2.1 电炉恒温控制系统的基本组成
由PLC控制的电炉温度控制系统构成如图2.1所示,系统的主要工作过程是通过修改设定值(0~200℃)输入PLC主机,再通过PLC控制器传递给数字量输出模块,控制固态继电器的开关状态,继而控制电炉的加热情况;通过温度检测装置——热电阻检测到的变换为电流信号的炉温值通过模拟量输入模块读入PLC主机,由PLC主机内部PID的程序与温度设定值相比较,对数字量输出模块进行下一步的控制。整个系统PLC——西门子S7-300是整个系统的核心环节,也是整个控制系统的设计重点和难点。
2.2 电炉恒温控制系统的硬件总体方案
2.2.1 控制器
根据系统的总体设计方案,控制器的选择即为西门子S7-300PLC模块的选择。采用PLC的电源模块、CPU模块(313C_2DP)和模拟量输入模块(SM331 AI 2×12bit),由于所选用CPU属于紧凑型,32KB RAM,24VDC电源,内置16DI/16DO,带集成功能,MPI,PROFIBUS DP主/从接口;CPU运行需要MMC。由于系统的开关量输出仅需1个输入点,所以无需再选择附加的DO模块,也简化的硬件组态。
2.2.2 检测装置
温度检测环节,确定采用铂热电阻PT100,利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的,按0℃时的电阻值R(℃)的大小分为10欧姆(分度号为Pt10)和100欧姆(分度号为Pt100)等,测温范围均为-200~850℃
2.3 电炉恒温控制系统的软件总体方案
由于该电炉恒温控制系统是个闭环自动控制系统,选择采用PID控制规律。PID控制器的输入输出关系可表示为:
(2.1)
其中,为比例增益,为积分时间,为微分时间,e(t)为偏差,M(t)为输出。
数字P1D控制系统如图2.3所示,图中SP(t)是给定值PV(t)为反馈量,C(t)为输出值:
3 电炉恒温控制系统的设计与实现
3.1 控制器的设计
电炉恒温控制系统的控制器部分,属于软件程序的编译部分。由于西门子S7-300PLC提供了闭环控制系统的功能块和系统功能块。根据温度控制系统的特殊要求,这次课程设计采用了闭环控制功能块FB58和标度变换功能FC106。
在西门子S7-300PLC的编程软件Step7中,标准库(Libraries/Standard Library/PID Control Blocks)中的PID控制块中提供了两个用于温度控制的功能块FB58和FB59。其中,FB58用于具有连续或脉冲输入信号的执行器的温度控制器,而FB59用于类似于定位电机的执行器的步进温度控制器。除了基本的功能之外
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