机电一体化实习报告

S7-200的温度控制系统设计实习报告一、实验目的

1、掌握温度控制系统工作原理、系统框图及传递函数

2、掌握S7200编程软件及梯形图编程

3、掌握电气原理图及接线

4、掌握温度信号的标定

5、掌握组态软件采集飞升曲线，并根据飞升曲线进行参数识别

6、掌握PID 算法及编程,并分析PID参数对控制性能的影响二、实验电路和原理

1、温度控制系统电气图

如图1，S7200CPU226通过EM231模拟量采集模块将温度采集

下来，并根据反馈控制Q0.0口输出占空比可调的脉冲(PWM波形)，

来控制主电路上固态继电器的通断，从而控制加热功率，实现温

度的控制。

PLC直流供电方式: 选择Q0.0输出接线图:

S7-200型PLC的CPU电源的接线直流供电图 S7-200型PLC的输出的接线图模块EM231输入接线方法:

S7-200型PLC

模块EM231输入接线图

最终电气接线图:

图1 电气接线图(改正图)

图2 PWM控制原理

PWM温度控制的原理如图2。图中，固态继电器的3、4端口接收控制信号，电压U如图所示，当其为高电平时，1和2之间34

导通，所以加热电阻两端的电压U如图。从宏观上而言，加热电阻的加热功率为P=Us*Ton/T，通过程序控制Ton的大小，就可以改变加热电阻的功率，从而实现温度控制。

2、系统传递函数模型

系统的组成图如图3。PLC控制程序中先将设定的温度值减去反馈的温度值得到e(k)，再将e(k)经过PID变换求的u(k)，然后将u(k)赋值给PWM波形的Ton，T为PWM的周期，再将固态继电器到加热电阻到水温作为是1阶纯滞后环节，如此可得系统的传递函数如图4。其中，1阶纯滞后环节的参数K，T1，τ通过实验测定飞升曲线的方法来确定。

设定值固态继电ρUs*ρP水温PLC加热电阻水壶里的水器

EM231(A/变送器Pt100D)

图3 温度控制系统框图

u(k)Tρone(k)R(s)C(s)-τ*s+PID11/TK*e/(T1*S+1)-

B(s)

1

图4 温度控制系统传递函数

3、温度标定

PLC通过EM231模块读取的值为1个数字，地址为AIW6，需

要进行标定才能知道。标定过程如图5，先标定2点，本例是测定

0度和100度时的AIW6，设为X、Y，即(0,X)，(100,Y)，设该2

点之间为直线，则根据线性关系可以将读取的AIW6转换为温度。

公式为:(AIW6-X)/(Y-X)=T/100，则T=(AIW6-X)/(Y-X)*100。T

为转换后的温度。

图5 温度标定

三、系统参数的整定

飞升曲线的测定

为了设计使系统获得较好的性能指标的数字控制器,首先要了解被控对象的特性,并用以作为设计自动控制系统的依据。可以利用动特性(飞升曲线)来识别传递函数。具体做法如下:

1) 编制温度采集PLC程序，下载至PLC中。程序如下，程序中M10.0

的值通过组态软件中开始采集按钮设定。(其中标定温度经过计算

得到:0度对应AIW6的值为6400.0,100度对应AIW6的值为

32000.0)

具体程序如下:

2) 编制温度采集组态软件对PLC的温度进行采集，存盘。操作过程如下:

a)创建设备窗口。打开mcgs组态环境，新建一个工程，进入设备窗口，如图。双击设备窗口，进入设备组态窗口，在空白处单击右键，弹出对话框选设备工具箱，单击设备管理，双击通用串口父设备，然后单击PLC，单击西门子，选

S7200-PPI，在设备管理器里就上述2个设备，然后再双击该设备，则设备组态窗口就存在该2个设备，如图。

双击串口父设备，将串口端口号设置和S7200的通讯号相同;将数据校验方式设置为偶校验。

双击S7200PPI，弹出对话框，在内部属性里增加2个通道，1个通道的寄存器类型选V寄存器，数据类型选32位浮点数，寄存器地址设为0，通道数量设为1，即创建一个通道指向PLC中的VD0;另1个通道的寄存器类型选M寄存器，数据类型选通道的00位，寄存器地址设为10，通道数量设为1，即创建一个通道指向PLC中的M10.0。在选中通道连接，在该地址上输入data01和data02，如图。

变量data01就对应M10.0，data02对应VD0，组态软件对该2个变量进行读写就相当于对M10.0和VD0进行读写。至此设备窗口设置完毕。

b)创建用户窗口如图，图中实时曲线中的画笔属性中，曲线1对应data02，即可显示PLC中VD0的值，开始采集按钮的操作属性设为数据对象值操作将data02置1即将M10.0置1，结束按钮将M10.0置0。

C)设置存盘属性，点击实时数据库，双击data01、data02，将它们的存盘属性设为定时存盘，存盘周期1s。

3) 进入组态运行环境，点击开始按钮，开始采集存盘。观察温度曲线，直至到达稳态值，结束采集。用excel打开存盘文件，绘制

曲线，根据曲线的特点确定和1阶纯滞后环节的参数K，T1，τ。

,,0.06如图，则,本例，T1和τ从图中直接读出。 k,c(,)/,

4) 确定PID参数。PID参数按照如下经验公式选取，

，，，式中T为PWM的周期。 T,2,T,0.5,K/T,1.2T1/Kidp

经过曲线的分析我们知道K，T，τ，最后得到K=0.4 ，T=6，piT=1.5。 d

实验所得的飞升曲线

5)PID算法

开始SBR0开始Main

AIW6转化为温度赋值给VD44初始化Kp?VD0，Ti?VD4，

Td?VD80?SMW70T2?VD12,0?VD16,0?VD20，PLS 00?VD24，50?VD28，

VD28?VD4416#DB?SMB67,200?SMW68VD0*(1+VD12/VD4+VD8/VD12)?VD32,YVD0*(1+2*V D8/VD12)?VD36VD28-VD44?VD48VD0*VD8/VD12?VD40

VD24+VD32*VD48-VD36*VD16+VD40*VD20?VD52T31开始计时(计时时间设采用周期T2)

VD52为u(k)VD52?VD24VD24为u(k-1)T32计时时间等待到,

VD16为e(k-1)VD16?VD20VD20为e(k-2)

调用子程序SBR0复位T32VD48?VD16VD48为e(k)

SWM70为PWM的VD52?SMW70Ton

PLS 0

VD16对应e(k-1)，VD20对应e(k-2)，VD24对应u(k-1)，VD28对应设定的温度，VD32为a0，VD36为a1，VD40为a2。本程序将PID变换后的u(k)赋值给SWM70作为PWM波形Ton的大小。

6)结果分析与结论