基于PID的温度串级闭环控制系统设计

综合5 基于PID的温度串级闭环控制系统设计

一、项目重点

采用S7-200PLC进行双闭环温度串级控制系统的硬件与软件设计；PLC模拟量输入/输出与组态王通讯时的定义、连接与趋势显示等。

二、系统组成

系统由“PC上位机、PLC控制器、晶闸管调功器、加热炉对象”等组成；加热炉对象由温度内胆、夹套、水系统、加热器、温度检测变送器等组成。

上位机装有和组态王监控软件，完成PLC控制程序设计与系统监控等功能。控制器采用S7-200PLC并扩展四路模拟量输入/一路模拟量输出的EM235模块，模拟量输入端口可实现电流输入和电压输入，当要输入电流时，须把RA和A+端口短接，RB和B+端口短接；模拟量输出端口可输出电压信号也可输出电流信号，模拟量输入/输出选用4～20mA电流信号。晶闸管调功器接收PLC输出的4～20mA电流信号，控制加在内胆加热器两端的0～220VAC 电压的变化。

控制过程是：夹套温度主给定量SV1与夹套温度主反馈量PV1比较后得到误差信号e1，经主控制器进行PID算法运算，输出控制量OUT1作为副控制器(设定在外给定)的给定，并与内胆温度副反馈量PV0进行比较得到误差信号e0，经副控制器进行PID运算，输出控制量OUT0作为晶闸管调功器的输入信号，来控制输出电压的变化，从而控制内胆加热器上电压的高低，实时控制内胆温度副被控量和夹套温度主被控量，构成双闭环温度控制系统。

硬件系统设计

控制器选用S7-200PLC，CPU为226，数字量输入为24点DC输入，数字量输出为16点晶体管输出，并扩展了模拟量EM235模块(4路模拟量输入，1路模拟量输出)。被控对象为加热炉内胆与夹套的温度, PLC自动控制加热炉的温度。设计出的系统方框图和硬件接线图如图5-52、5-53所示。

(1)系统方框图

SV为夹套给定温度(主给定量)，偏差e1=SV-PV1，OUT1为PLC主控制器输出

的控制量，偏差e0=OUT1-PV0, OUT0为PLC副控制器输出的控制量，U为晶闸管调功器输出的电压，PV0内胆实际温度(副被控量)，PV1为夹套实际温度(主被控量)，

-PV0为内胆温度变送器检测的反馈量，-PV1为夹套温度变送器检测的反馈量。

图5-52 加热炉温度串级控制系统方框图

四、控制要求

1.采用串级控制方案，外环由主控制器、夹套主被控对象、温度变送器2组成；内环由副控制器、晶闸管调功器、内胆副被控对象、温度变送器1组成，

主控制器的控制量输出作为副控制器的给定。

2．主、副控制器采用PID控制算法，手动整定或自整定PID参数，实时计算出控制量，由PLC的模拟量输出口输出。

3. 夹套与内胆温度由温度变送器1和温度变送器2检测，实时反馈给PLC模拟量输入口。

4. 采用组态王设计出上位监控系统，测取系统参数与输出特性。

5. 采用功能指令、配置PID模板和模块化程序结构(包括主程序、子程序)设计出控制程序，并定义程序符号表。

五、预习报告设计要求

1. 实验前，根据控制内容设计出系统的接线图、程序流程图、时序图；

2. 设计出控制程序，并创新出一个以上的控制功能。

六、系统调试及问题分析

1. 实验中，先把事先设计好的控制程序输入编程计算机，编译无错误后(只说明编程语法无错误)下载到PLC的CPU中。

2. PLC控制器控制温度系统运行，如果控制功能不满足要求，再进行控制程序调试(可在监控状态下)，反复修改控制程序直到满足控制功能为止。

3. 在调试中所遇到的问题，要运用所学的理论知识或实践经验独立解决，逐步提高分析问题及解决问题的能力。

七、设计报告要求

1. 实验结束后，要书写出设计报告，报告中要求有系统接线图、程序流程图、带有功能注释的控制程序等；

2. 报告中必须有调试过程中遇到的问题及解决方法；收获、体会及建议。