恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u2448恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計案例 118352一、恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計 2154491.1恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置總體方案設(shè)計 2136771.2恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置硬件組成 2226481.2.1PLC 2189981.2.2溫度變送器 349421.2.3固態(tài)繼電器 341581.2.5鋁塊 4141371.2.6觸摸屏 4137181.2.7熱電阻 5149801.2.8其他附件 5240241.3主電路設(shè)計 717851.1.1主電路組成 756131.1.2測溫電路設(shè)計 8161191.1.3控溫電路設(shè)計 990461.4系統(tǒng)搭建 10297471.5本章小結(jié) 1029277第二章恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計 1096162.1人機(jī)交互界面設(shè)計 11171672.1.1監(jiān)控界面設(shè)計 11175912.2PLC程序開發(fā)與設(shè)計 12294422.2.1測溫程序 12187622.2.2加熱程序 13292202.2.3風(fēng)冷程序 15181622.3本章小結(jié) 15一、恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計第二章詳細(xì)介紹了恒溫系統(tǒng)PID控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計主要工作原理發(fā)展以及各個功能模塊組成，本章將對其硬件信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單介紹，包括可編程邏輯控制器（PLC）、溫度變送器、固態(tài)繼電器、觸摸屏以及一系列附件。然后介紹實(shí)驗(yàn)裝置硬件系統(tǒng)的電路設(shè)計，包括主電路設(shè)計、加熱電路、散熱電路和溫度控制電路。完成對整個系統(tǒng)的最終構(gòu)建，最終可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的硬件功能。1.1恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置總體方案設(shè)計系統(tǒng)采用西門子SP-200系列PLC控制系統(tǒng)，通過PT100熱電阻進(jìn)行鋁塊溫度采集，溫度變送器將模擬量傳輸給PLC；威綸觸摸屏顯示界面，通過觸摸屏進(jìn)行互動與溫度監(jiān)視；PLC通過相應(yīng)控制算法對其實(shí)現(xiàn)溫度控制，其中電加熱器作為控制對象，如圖3-1是溫度控制系統(tǒng)方案設(shè)計示意圖。圖3-1溫度控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計圖1.2恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置硬件組成1.2.1PLCPLC通常是工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容組成的一部分。它們在制造業(yè)、化學(xué)工業(yè)和過程工業(yè)中涉及過程和輔助部件的順序控制和同步的應(yīng)用中非常有效和可靠。在本控制系統(tǒng)中，作為核心控制器選擇的是西門子SP-200系列PLC控制系統(tǒng)，如圖3-2所示。圖3-2西門子SP-200系列PLC1.2.2溫度變送器溫度變送器是將溫度控制變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)輸出一個信號的儀表，如圖3-3所示。溫度變送器的測溫元件通常使用熱電偶、熱電阻，首先通過將信號傳導(dǎo)到測溫元件，然后再傳輸?shù)綔囟茸兯推?，中間通過對信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，包括放大信號、矯正信號、穩(wěn)壓濾波、反向保護(hù)以及V/I轉(zhuǎn)換等電路處理。將輸入其中的包含0-5V/0-10V電壓信號以及4～20mA電流信號，通過一定關(guān)系轉(zhuǎn)化成為電流與溫度成線性關(guān)系或者電壓與溫度成線性關(guān)系的模擬量信號。最終，在本設(shè)備中，溫度變送器輸出的模擬量信號將會輸送到PLC中。圖3-3溫度變送器1.2.3固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器本質(zhì)上是一種無觸點(diǎn)開關(guān)，其內(nèi)部機(jī)構(gòu)由電力電子電力器件、微電子電路和分立電子器件組成。其輸入端采用微小的控制系統(tǒng)信號，就可以進(jìn)行驅(qū)動發(fā)展較大的電流負(fù)載。見圖3-4。加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的高級科學(xué)家說，由于這種繼電器具有隔離、非接觸式開關(guān)控制，在開關(guān)的開啟和關(guān)閉過程中沒有機(jī)械觸點(diǎn)或電火花，因此它不僅具有與電磁繼電器相同的功能，而且還具有優(yōu)異的防潮和防腐特性，在爆炸性和臭氧污染環(huán)境中工作得很好，輸入功率低，靈敏度高，功率低，具有良好的電磁兼容性和抗干擾能力REF_Ref6659\r\h[25]。圖3-4固態(tài)繼電器1.2.5鋁塊作為本次溫控實(shí)驗(yàn)的控制對象，鋁合金不僅比銅便宜，而且導(dǎo)熱能力弱，適合溫控，如圖3-5所示，是安裝在實(shí)驗(yàn)裝置上的鋁塊，插有PT100熱電阻和加熱器。在控溫過程中，鋁塊被插入其中的加熱棒加熱。隨著鋁塊溫度的升高，PT100的電阻值發(fā)生變化，從而達(dá)到控溫測溫的目的。圖3-5鋁塊1.2.6觸摸屏為了搭建一個人機(jī)交互平臺，希望觸摸屏既能將鋁塊的溫度變化信息與給定的目標(biāo)溫度同步，又能掌握鋁塊的溫度。還可以簡化操作，降低操作門檻。通過對比選擇威綸觸摸屏作為人機(jī)交互平臺，觸摸屏通過通訊電纜（DVI）與PLC相連接，觸摸屏內(nèi)需要提前編譯人機(jī)交互界面程序，用來控制PLC使用PID算法從而控制鋁塊溫度。在其實(shí)際運(yùn)行時，顯示溫度實(shí)際值、溫度設(shè)定值、比例（P）、積分（I）、微分（D）、加熱按鈕、加熱停止以及事實(shí)的溫度變化曲線，并且可以對溫度設(shè)定值、以及比例（P）、積分（I）、微分（D）值進(jìn)行分別設(shè)定。如圖3-6為威綸觸摸屏。圖3-6威綸觸摸屏本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行選擇威綸觸摸屏作為一個人機(jī)交互技術(shù)平臺，下表3-1即為威綸觸摸屏詳細(xì)各項工作性能參數(shù)。表3-1威綸TK6071iQ1觸摸屏性能參數(shù)表名稱參數(shù)核心處理器ARMRISC528MHzSDRAM128MBNANDFLASH128MB串口COM1:RS-232,COM2:RS-4852W/4W輸入電源10.5~28VDC工作溫度-20°~60°C(-4°~140°F)工作濕度10%~90%(非冷凝)防護(hù)等級IP65屏幕分辨率800x4801.2.7熱電阻金屬熱電阻是根據(jù)不同金屬在其工作溫度發(fā)生發(fā)展變化的同時，其自身的電阻阻值也同時發(fā)生了一些相應(yīng)的變化進(jìn)行制作而成。同時電阻變化與溫度變化有一定的函數(shù)關(guān)系。通過測量電阻變化和溫度變化，可以確定相關(guān)函數(shù)表達(dá)式的常數(shù)，這就是金屬熱阻的測溫原理REF_Ref31940\r\h[19]。本文所采用的測溫元件即PT100熱電阻，當(dāng)其溫度發(fā)生變化時，其對應(yīng)的阻值也隨之發(fā)生線性變化。具體來說，當(dāng)PT100熱電阻溫度從0攝氏度增長至100℃時，其所對應(yīng)的阻值也會從100歐姆增長到138.5Ω。PT100鉑電阻如圖3-7所示。圖3-7PT100熱電阻當(dāng)溫度在0℃~200℃時：R其中A、B為實(shí)驗(yàn)室測得常數(shù)：A=0.00396847Ω/℃，B=-5.847×10-7Ω/℃，Rt為t℃時的電阻值，R0為0℃時的電阻值。1.2.8其他附件斷路器為了對電源管理以及相關(guān)線路信息進(jìn)行環(huán)境保護(hù)，當(dāng)其發(fā)生發(fā)展嚴(yán)重的過載或者短路情況以及欠壓等故障時能夠?qū)崿F(xiàn)自動切斷電路，在電路中加入斷路器，如圖3-8所示。同時，在電路中，斷路器還起著分配電能的作用。圖3-8斷路器開關(guān)電源切換電源是電壓或電流，通過不同形式的架構(gòu)將有點(diǎn)精確的電壓轉(zhuǎn)換為用戶方所需的電壓或電流，如圖3-9所示。通過上文介紹的斷路器將220V交流電輸送給開關(guān)電源，然后輸出直流DC24V，從而滿足PLC、觸摸屏、溫度變送器以及下文將介紹的用于系統(tǒng)散熱的小風(fēng)扇。圖3-9開關(guān)電源風(fēng)扇本文研究旨在通過設(shè)計一款基于PID算法需要進(jìn)行工作溫度控制的實(shí)驗(yàn)裝置，當(dāng)目標(biāo)物體被加熱后僅僅依靠自然散熱降溫過于緩慢，為了能夠提高實(shí)驗(yàn)效率，引入小風(fēng)扇進(jìn)行散熱。同時，在系統(tǒng)的參數(shù)整定完成后，也可以利用小風(fēng)扇的散熱作為外部擾動來觀察系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)。小風(fēng)扇的實(shí)物圖示如圖3-10所示。小風(fēng)扇由上述開關(guān)電源供電。圖3-10風(fēng)扇交流接觸器由于實(shí)驗(yàn)中要頻繁地接通斷開線路，引入一個中間控制系統(tǒng)元件交流接觸器，如圖3-11所示。其原理是利用電磁力和彈簧力的組合來實(shí)現(xiàn)觸頭的接通和斷開，對負(fù)載設(shè)備起到過載保護(hù)作用。主要有兩種工作狀態(tài):斷電狀態(tài)和通電狀態(tài)。當(dāng)交流接觸器中通電時，此時吸引線圈會流過電流，從而產(chǎn)生磁力，靜鐵芯則會被線圈產(chǎn)生的磁力吸引，此時銜鐵也被吸引，從而整個交流接觸器通電。而當(dāng)吸引線圈斷電，吸引線圈產(chǎn)生的磁力也會消失，銜鐵則不會被吸引，在彈簧的作用下電路斷開，交流接觸器也處于斷路。圖3-11交流接觸器加熱棒為滿足本實(shí)驗(yàn)對鋁塊的加熱要求，引入了加熱棒。其原理的核心是能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換：將電能可以轉(zhuǎn)換成一種熱能。圖3-12加熱棒啟動、停止、急停按鈕最后通過按鈕來控制交流接觸器，如圖3-13為啟動、停止以及急停按鈕。圖3-13啟動、停止、急停按鈕1.3主電路設(shè)計1.1.1主電路組成下圖3-14為主電路圖，其中主電路由220V供電，并聯(lián)出一條支路線路通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成直流24V，從而達(dá)到給西門子PLC、觸摸屏、風(fēng)扇以及溫度變送器的供電的目的。圖3-14主電路圖1.1.2測溫電路設(shè)計根據(jù)第二章測溫分析表明，溫度采集主要由溫度傳感器和測溫裝置組成，該測溫裝置適用于PT100鉑電阻的動態(tài)測量，采用三線制測量補(bǔ)償方式對電路中由于電阻產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，即將測量電阻的信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后將模擬量傳遞給PLC。其主要結(jié)構(gòu)圖如圖3-15所示：圖3-15測溫模塊主要結(jié)構(gòu)圖測量鋁塊溫度時，將表面涂有導(dǎo)熱硅脂的PT100鉑電阻插入鋁塊最中間，可以較為準(zhǔn)確客觀地反映鋁塊溫度的變化，同時PT100鉑電阻的阻值也會發(fā)生變化，通過三線制補(bǔ)償電路與溫度變送器將電阻的變化轉(zhuǎn)變成電壓變化，再通過PLC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，計算得到相應(yīng)的溫度值，將其與威綸觸摸屏連接，然后將其溫度值顯示在觸摸屏上，如圖3-16是測溫電路圖：圖3-16測溫電路圖1.1.3控溫電路設(shè)計當(dāng)鋁塊溫度發(fā)生變化時，鉑電阻的阻值也隨之不斷發(fā)生發(fā)展變化，導(dǎo)致工作溫度壓力變送器輸出給PLC的電壓值也會發(fā)生變化。然后PLC采集模擬量的變化，通過預(yù)編的程序轉(zhuǎn)換成溫度值，在觸摸屏上反映出來。然后根據(jù)PLC中預(yù)先編制的程序，決定如何控制鋁塊的溫度，主要分為加熱和散熱。加熱電路圖如圖3-17所示，散熱電路圖如圖3-18所示：圖3-17加熱電路圖圖3-18散熱電路圖1.4系統(tǒng)搭建根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計以及電路設(shè)計搭建系統(tǒng)，最終恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-19所示。圖3-19恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置1.5本章小結(jié)本章主要闡述了恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置的硬件系統(tǒng)電路組成和單元電路設(shè)計。在控制管理系統(tǒng)設(shè)計溫度時主要可以使用制冷與加熱兩種溫控方式，信號由觸摸屏上人工操作指令下達(dá)，然后根據(jù)指令需要通過觸摸屏與PLC通訊電纜傳遞，再通過PLC對制冷與加熱時間進(jìn)行有效控制。恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計在恒溫系統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)裝置的硬件系統(tǒng)設(shè)計完成后，為了實(shí)現(xiàn)更好的處理，人機(jī)交互模塊是必要的。在一般的智能控制系統(tǒng)中，硬件部分僅局限于硬件控制功能的實(shí)現(xiàn)，而不能根據(jù)現(xiàn)場的工業(yè)條件實(shí)時進(jìn)行參數(shù)修改。將觸摸屏幕引入控制管理系統(tǒng)，可以通過提供具有以下主要功能：實(shí)時輸入溫度控制企業(yè)相關(guān)參數(shù)，實(shí)時讀取并且顯示被控物體的溫度信息，實(shí)時監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計工作生活狀態(tài)等等。與觸摸屏實(shí)時通信的PLC也需要預(yù)先設(shè)置內(nèi)置的軟件，以便按照觸摸屏的指示完成溫度控制系統(tǒng)。2.1人機(jī)交互界面設(shè)計2.1.1監(jiān)控界面設(shè)計為了滿足溫度控制的實(shí)用性，監(jiān)控界面可以隨意啟動和停止系統(tǒng)是否對鋁塊進(jìn)行加熱和散熱，實(shí)時監(jiān)測鋁塊溫度值的數(shù)值變化和期間的溫度變化曲線。同時可以隨時調(diào)整預(yù)期目標(biāo)值、比例、積分、微分，實(shí)現(xiàn)更深層次的溫度控制?？紤]到人機(jī)界面和數(shù)據(jù)處理的友好特性，監(jiān)控界面需要滿足以下功能要求：在觸摸屏幕上可以設(shè)置目標(biāo)溫度，并且需要設(shè)置的同時將不同目標(biāo)溫度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的指令發(fā)送給PLC?；赑LC的溫度控制實(shí)驗(yàn)裝置可以對PID參數(shù)進(jìn)行修改。在整個溫控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行中，實(shí)時接受采集并且同步顯示鋁塊的實(shí)時溫度。它可以隨意開啟和關(guān)閉加熱和冷卻。在整個溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，鋁塊的實(shí)時溫度采集并同步顯示。根據(jù)上述功能和要求，設(shè)計了系統(tǒng)觸摸屏監(jiān)控界面，其界面渲染如下圖4-1所示：圖4-1監(jiān)控界面設(shè)計圖其中溫度實(shí)際值對應(yīng)的PLC中的地址為VD354，溫度設(shè)定值以及PID算法中比例、積分以及微分的參數(shù)所對應(yīng)的地址為VD324、VD344、以及VD334，加熱啟動按鈕和散熱啟動按鈕所對應(yīng)的地址為M0.1以及M0.2，能夠反映加熱狀態(tài)與散熱狀態(tài)的指示燈對應(yīng)PLC的Q0.6以及Q0.7通道是否對外輸出。為了我們更能直觀地反映溫度的變化曲線，同時可以加入溫度發(fā)展趨勢圖。為了方便整體控制，引入總開關(guān)，其地址為M0.0。2.2PLC程序開發(fā)與設(shè)計其中PLC工作流程圖如圖4-2所示，隨著PLC通電后，系統(tǒng)開始運(yùn)行。當(dāng)總開關(guān)打開后，測溫模塊會開始工作，實(shí)時同步鋁塊溫度值到PLC中。觸摸屏輸入的比例、微分、積分目標(biāo)溫度值等參數(shù)會直接進(jìn)入PLC中的PID算法中，倘若加熱開關(guān)打開，PID算法將會通過控制固態(tài)繼電器對鋁塊進(jìn)行加熱,。而測量溫度也會實(shí)時與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，當(dāng)測量溫度高于目標(biāo)溫度，并且同時散熱開關(guān)打開時，風(fēng)扇將會運(yùn)轉(zhuǎn)，對鋁塊進(jìn)行散熱。如果總開關(guān)關(guān)閉，則整個PLC會停止運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4-2PLC工作流程圖2.2.1測溫程序溫度測量程序是本控制實(shí)驗(yàn)裝置的核心，它是由PT100熱阻隨被測對象溫度的變化而產(chǎn)生的，然后通過溫度變送器將相應(yīng)的電壓變化值傳送給PLC，變送器的相應(yīng)電壓變化值為0~10V。PLC接收到模擬量輸入，將其電壓值轉(zhuǎn)化為實(shí)際溫度值，其中的轉(zhuǎn)化程序如圖4-3所示，最終溫度實(shí)際值地址為VD354。具體過程：首先獲得模擬輸入量（地址Alw0），然后將其由整數(shù)轉(zhuǎn)為雙整數(shù)（地址AC0），然后將整數(shù)轉(zhuǎn)為實(shí)數(shù)（地址仍為AC0），隨后通過實(shí)數(shù)相除，將輸入其中的模擬量分為32000份（溫度測量范圍0-100℃，PLC中模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）為15位，所以對應(yīng)PLC里面的值為0-32000，輸出地址仍為AC0），隨后將AC0中的數(shù)據(jù)傳送給VD100（PID算法中過程變量的當(dāng)前值的地址），然后通過實(shí)數(shù)相乘，乘以100得到實(shí)際溫度值（地址為VD290），最終通過取整得到顯示在觸摸屏上的整數(shù)溫度值（地址為VD354）。最后，在溫度實(shí)際值的基礎(chǔ)上減少1℃使散熱達(dá)到較好的效果（由于實(shí)際溫度具有滯后性），即當(dāng)實(shí)際溫度大于目標(biāo)溫度1℃時，風(fēng)扇才會運(yùn)行。圖4-3模擬量轉(zhuǎn)化程序圖2.2.2加熱程序?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)對鋁塊溫度的控制，同時要在PLC中引入PID控制算法，如圖4-4是導(dǎo)入觸摸屏輸入的比例、積分、微分以及溫度設(shè)定值，其中采樣時間設(shè)定為0.1s。圖4-4觸摸屏數(shù)值導(dǎo)入程序圖如圖4-5為PID算法程序圖，如圖表4-1為PID各參數(shù)地址。圖4-5PID算法程序圖表4-1PID各參數(shù)地址地址實(shí)際意義VD100過程變量當(dāng)前值VD104給定值VD108輸出值VD112增益VD116采樣時間VD120積分時間VD124微分時間控制溫度過程由閃爍電路完成，如圖4-6所示。閃爍電路：隨著總開關(guān)打開，SM0.0始終接通，然后T37開始計時，（VW2*0.1）秒后T37接通，同時T38開始計時，（VW0*0.1）秒后T37斷開，同時T37、T38復(fù)位，以此循環(huán)