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成都大学学士学位论文（设计）
基于PLC的模糊算法温度控制系统设计
摘要：介绍了基于SIEMENS公司S7—200系列可编程序控制器的模糊算法温度控制系统的设计过程．首先简要介绍了PLC可编程控制器的概念，结构和工作原理，其次简单介绍了本系统采用的模糊算法的基本内容，接下来讲解系统的组成和运行流程，最后给出了温度控制系统的硬件组成和软件设计，包括温度控制系统的硬件选择、输入／输出地址分配及外部接线图、内存变量分配表和系统的主控制程序及子控制程序．本系统通过PLC可编程控制器实现了生产一线的实际生产需求，达到了作为工业控制器的目的。
关键词：PLC控制系统；模糊经验算法；温度控制
PLC-based fuzzy algorithm for temperature control system
Abstract: the company SIEMENS S7-200 Based Series Programmable Logic Controller Fuzzy algorithm temperature control system design process. First introduces the concept of programmable logic controller PLC, structure and working principle, followed by a brief introduction system adopts the basic Neirong a fuzzy algorithm, the next to explain the composition and operation of the system process, given the temperature control system hardware composition and software design, including temperature control system hardware selection, input / output address assignment and external wiring diagram, the memory allocation table variables and the main control program and sub-control procedures. The PLC programmable controller system through the production line of the actual production needs, to achieve the purpose as industrial controllers.
Key words: PLC control system; fuzzy experience algorithm; temperature control
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成都大学学士学位论文（设计） 目 录
绪论 ................................................................................ 1 1. PLC可编程控制器介绍 .............................................................. 2 1.1 PLC的基本概念 ................................................................ 2 1.2 PLC的基本结构 ................................................................ 2 1.3 PLC的工作原理 ................................................................ 3 1.4 PLC的应用领域 ................................................................ 4 2. 模糊算法控制的简要介绍 ........................................................... 5 2.1 模糊控制理 ................................................................... 5 2.2 经典模糊算法 ................................................................. 5 2.3 模糊算法与PID算法 ........................................................... 6
2.3.1 PID控制的特点 .......................................................... 6 2.3.2 模糊控制的特点 ......................................................... 6
3. 油桶温度控制系统的总体介绍 ....................................................... 7 3.1系统介绍 ...................................................................... 7 3.2系统组成 ...................................................................... 7
3.2.1 锅炉蒸汽部分 ........................................................... 7 3.2.2 被控对象—油桶 ......................................................... 8 3.2.3 控制部分—PLC .......................................................... 8
4. 基于PLC的模糊算法温度控制系统运行原理 ........................................... 9 4.1 系统控制算法 ................................................................. 9 4.2 系统运行流程 ................................................................. 9 5. 系统的硬件设计 .................................................................. 11 5.1 硬件选择 .................................................................... 11
5.1.1 CPU224模块 ............................................................ 11 5.1.2 模拟量输入模块EM231 ................................................... 12 5.1.3 PT100温度传感器 ....................................................... 13 5.1.4 送风电机 .............................................................. 14 5.1.5 电磁阀 ................................................................ 16 5.2 硬件连接 .................................................................... 17 5.3 输入输出点地址分配 .......................................................... 18 5.4 内存变量分配表 .............................................................. 19 6. 系统程序设计 .................................................................... 21 6.1 主控制程序设计· OB1· ...................................................... 21 6.2 一号油桶子程序设计·SBR0· .................................................. 22 6.3 二号油桶子程序设计·SBR1· .................................................. 24 7. 系统仿真 ........................................................................ 26 结论 ............................................................................... 29 致谢 ............................................................................... 30 参考文献 ........................................................................... 31
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成都大学学士学位论文（设计） 绪论
论文题目为基于PLC模糊算法的温度控制系统设计。在当代工业体系中，对温度进行控制的方法很多，其中利用PLC可编程控制器进行控制占有很大的比例。在PLC控制中，可以分为以PID算法进行精确控制的PID控制，以及以经典模糊算法进行控制的模糊控制。也有将PID控制与模糊控制结合的PID自适应模糊控制。在本系统中采用经典模糊算法中的经验模糊算法作为系统的控制规则。
论文题目来源于工业体系中至关重要的温度控制，如锅炉温度控制，窑温控制，大鹏温度控制，室内温度控制等等。而在本系统中，采用某食品生产厂的储油桶作为被控对象，通过控制流经环绕油桶内壁的蒸汽管道内的蒸汽量的多少达到控制油桶温度的目的。
在现代工业体系中，温度的变化对生产生活的影响日渐增大。在生活中需要调节温度以使人们生活舒适，在生产中需要调节温度以使生产效率提高，产品质量得到保证，在科学研究中需要调节温度以使实验条件得到满足。总之对温度的有效控制已经成为现代社会的一个不可缺少的工作。
在冶金工业，化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等到许多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行监测和控制。因此，温度控制系统是工业控制中比较典型的控制系统，它是一个一阶纯滞后惯性系统，它具有明显的滞后特性，对于需要快速准确的获取和控制事实温度的场合（如制药、化工、石油、食品加工等）采用一般的控制方法很难获得满意的控制效果。采用可编程序控制器对它们进行控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够 大大提高产品的质量和数量。另外，可编程序控制器具有温度范围宽、抗干扰能力强的特点，故在强电场、强磁场的工业环境中有良好的工作性能，在温度变化范围大的恶劣条件下仍能可靠工作。
通常，温控制采用模糊控制法。模糊控制的原理是检测到的温度与设定的温度进行比较，经模糊控制计算后输出控制信号给调功器调节温度，以实现对温度的控制。在工业上，偏差控制又称为“PID控制”，这是工业过程控制中应用最广泛的一种控制形式，一般都能收到令人满意的效果。最近几年快速发展模糊控制、以及神经网络在温度控制中的应用已经非常普遍。所以本课题以PLC为基础，结合模糊控制理论，设计温度控制系统。其必然会有积极的现实意义及广泛的应用前景。
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成都大学学士学位论文（设计） 第1章 PLC可编程控制器介绍
1.1 PLC的基本概念
可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
1.2 PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图1-1所示：
图1-1 PLC控制系统示意图
a. 中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
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成都大学学士学位论文（设计） 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 b、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 C、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 d、输入输出接口电路
1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
1.3 PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
(一)输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
(二)用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三)输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
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