基于PLC的恒溫控制系統(tǒng)(共48頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設計）題 目： 基于PLC的恒溫控制系統(tǒng) 院 系： 專 業(yè)： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 二 一 四 年 五 月專心-專注-專業(yè)摘 要在工業(yè)控制領域，基于運行穩(wěn)定性考慮，要對生產過程中的各種物理量進行詳細的檢測和控制。這在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。其中溫度控制又以其較為復雜的工藝過程而備受人們關注。所以各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等得到了廣泛應用。這些都對溫度控制系統(tǒng)的設計提出了更高的要求。本設計采用S7-200PLC對加熱爐溫度進行控制。隨著自動控制技術的迅速發(fā)展，PLC對溫度的控制技術應用越

2、來越廣泛。本文采用PLC對溫度進行控制，通過合理的設計，提高溫度控制水平，進而改善溫度運行的穩(wěn)定性，使其更加精確。本文主要介紹了溫度控制的PLC控制系統(tǒng)總體方案設計、設計過程、組成、梯形圖，并給出了系統(tǒng)組成框圖，分析流量邏輯關系，提出PLC的編程方法。本系統(tǒng)分析了加熱爐溫度控制的PID控制原理，設計了系統(tǒng)的數學控制模型以及系統(tǒng)控制框圖，用組態(tài)王軟件組態(tài)配置工業(yè)控制監(jiān)控系統(tǒng)，對數據進行實時監(jiān)控。通過對單回路控制系統(tǒng)的參數整定以及組態(tài)王的PID控制程序，實現了加熱爐溫度的精確控制。通過對PLC程序的仿真調試以及對組態(tài)的系統(tǒng)仿真，驗證了本加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計合理性，系統(tǒng)動態(tài)響應符合了最初的設計要

3、求，也具有一定的實用價值。關鍵詞：溫度控制，可編程控制器，PID，組態(tài)王 AbstractIn the field of industrial control, based on the operational stability considerations, detection and control of various physical quantities in the production process. In the metallurgical, chemical, building materials, food, machinery, oil industry, which

4、 plays a decisive role. Temperature control and its more complex processes have attracted much attention. Various furnace, heat treatment furnaces, reactors, etc. has been widely applied. These are put forward higher requirements for the design of the temperature control system.This design uses the

5、S7-200PLC as the core of the furnace temperature control. With the rapid development of automatic control technology, PLC temperature control technology is applied more and more widely. This paper used PLC to temperature control, through reasonable design, improve the temperature of control level, t

6、hereby improving the temperature stability of running, making them more precise. This article mainly introduced the temperature of PLC control system design, design process, composition, lists the flow ladder diagram, and gives the block diagram of the system, analyzes the flow of logic relation, pu

7、t forward PLC programming method. Giving some suggestions, basic principle, basic flow programming ideas have roughly understanding.The system analysis of the PID control principle of pipeline temperature control, has designed the system mathematical model and control block diagram of control system

8、, using the Kingview configuration software configuration control monitoring system, real-time monitoring of data. The parameters of single loop control system tuning and Kingview PID control procedures, to achieve the precise control of pipeline flow. Through the simulation and debugging of PLC pro

9、gram and system simulation of the Kingview, verify the rationality of the control system of the pipeline temperature design, dynamic response of the system in line with the requirements of the original design, and also has a certain practical value.Keywords: Temperature Control, PLC,PID,Kingview目 錄

10、第一章 前言1.1 恒溫控制的現狀與意義溫度的測量和控制對人類日常生活、工業(yè)生產、氣象預報、物資倉儲等都起著極其重要的作用。在許多場合，及時準確獲得目標的溫度、濕度信息是十分重要的，近年來，溫濕度測控領域發(fā)展迅速，并且隨著數字技術的發(fā)展，溫濕度的測控芯片也相應的登上歷史的舞臺，能夠在工業(yè)、農業(yè)等各領域中廣泛使用。近年來，國內外對溫度控制器的研究進行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計算機技術的發(fā)展，溫度控制器的研究取得了巨大的發(fā)展，形成了一批商品化的溫度調節(jié)器，如:職能化PID、模糊控制、自適應控制等，其性能、控制效果好,可廣泛應用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關設備的技術改造服務。在工業(yè)自動化領域內,P

11、LC（可編程控制器） 以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應用于現代工業(yè)的自動控制之中。目前的工業(yè)控制中,常常選用PLC 作為現場的控制設備,用于數據采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機則是利用HMI 軟件來完成工業(yè)控制狀態(tài)、流程和參數的顯示,實現監(jiān)控、管理、分析和存儲等功能 。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了PLC 和計算機各自的特點,得到了廣泛的應用。在這種方式的基礎上設計了一套溫度控制系統(tǒng)。以基于PLC 的下位機和完成HMI功能的上位機相結合,構建成分布式控制系統(tǒng),實現了溫度自動控制。

12、PLC 不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴展輸入輸出模塊，特別是可以擴展一些智能控制模塊，構成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現代控制方法融為一體，實現智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制?，F代PLC 以集成度高、功能強、抗干擾能力強、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定受到普遍歡迎，在傳統(tǒng)工業(yè)的現代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用,尤其適合溫度控制的要求。此外，隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，人機界面（HMI）的出現正好滿足了用戶這一需求。人機界面可以對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，包括參數監(jiān)測、信息處理、在線優(yōu)化、報警提示、數據記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得

13、簡單易懂、操作人性化，深受廣大用戶的喜歡。人機界面（）在自動控制領域的作用日益顯著。正在成為引導工業(yè)生產制造走向成功的重要因素，因為這些系統(tǒng)越來越多的用于監(jiān)控生產過程，讓過程變得更加準確、簡潔和快速。 在工業(yè)生產中加熱鍋爐在全球使用非常廣泛，對其控制技術的先進程度決定著對其使用率的高低。順應這種理念的發(fā)展，加熱爐的控制系統(tǒng)大都采用以微處理器為核心的計算機控制技術，既提高設備的自動化程度又提高設備的控制精度。這些核心技術主要體現在如今發(fā)展較為成熟的PLC領域。PLC的快速發(fā)展發(fā)生在上世紀80年代至90年代中期。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到了很大的提高

14、和發(fā)展。PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。加熱鍋爐是機電一體化的產品，它很好的將前面所述的技術運用到實際當中去。除此之外，它可將電能直接轉化成熱能，具有效率高，體積小，無污染，運行安全可靠，供熱穩(wěn)定，自動化程度高的優(yōu)點，是理想的節(jié)能環(huán)保的供暖設備。再者人們的環(huán)保意識的提高，電熱鍋爐越來越受人們的重視，在工業(yè)生產和民用生活用水中應用越來越普及。電熱鍋爐目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的溫度，保證恒溫供水。1.2 系統(tǒng)設計要求本設計的原理是利用擴展模塊EM

15、235（AI4/AQ1*12位）進行數據采集，然后把采集到的數據利用程序進行工程量轉換，給定量與輸入量相減得出偏換，送到執(zhí)行器，從而構成的是單閉環(huán)控制。(1) 根據鍋爐溫度單回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨立設計控制方案，正確選用傳感器。(2) 根據流量單回路過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關I/O的需要，正確選用PLC過程模塊。(3) 根據與計算機串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉換與通訊模塊。(4) 編寫基于西門子S7200的恒溫控制方案，選擇合適CPU的和模塊，給出PLC的信號輸入輸出，設計PLC的電氣原理接線圖，并且編寫PID恒溫控制程序。(5) 運用組態(tài)軟件，正確

16、設計溫度單回路過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。(6)編寫組態(tài)王程序，使鍋爐的出口溫度輸出值恒定。程序界面上要有輸入構件以設置流量，要有顯示構件顯示實際溫度，界面要美觀，要有運算代碼（推薦PID運算）根據目標量和測量量產生相應的輸出。1.3 設計主要內容 可編程控制器(PLC)是集計算機技術、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域，并已成為工業(yè)自動化的三大支柱(PLC、工業(yè)機器人、CAD/CAM)之一。PLC的應用已成為一個世界潮流，在不久的將來PLC技術在我國將得到更全面的推廣和應用。本論文研究的是PLC技術在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的

17、應用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設計、程序設計，控制對象數學模型的建立、控制算法的選擇和參數的整定，人機界面的設計等。本論文通過德國西門子公司的S7-200系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測到的實際爐溫轉化為電壓信號，經過模擬量輸入模塊轉換成數字量信號并送到PLC中進行PID調節(jié)，PID控制器輸出量轉化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實現對加熱爐溫度的控制。同時利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設計一個人機界面（HMI），通過串行口與可編程控制器通信，對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便。總體上包括的技術路線：硬件設計，軟件編程，參數整定等。全論文分七章

18、,各章的主要內容說明如下。第一章，對溫度控制系統(tǒng)應用的背景及國內外的發(fā)展狀況進行了闡述，指出了本文的研究意義所在。第二章，主要從系統(tǒng)設計結構和硬件設計角度,介紹該項目的PLC控制系統(tǒng)設計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設計以及PLC控制器的設計和參數的整定。第三章，在硬件設計的基礎上，詳細介紹了本項目軟件設計，主要包括軟件設計的基本步驟、方法，編程軟件STEP7-Micro/WIN的介紹以及本項目程序設計。第四章，詳細介紹了如何在亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”的基礎上進行人機界面的設計。第五章，展示了系統(tǒng)運行結果，然后對其分析得出結論。第六章，總結全文。第二章 恒溫控制系統(tǒng)硬件設計在掌握了PLC

19、的硬件構成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可以PLC作為主要控制器來構造PLC控制系統(tǒng)。本章主要從系統(tǒng)設計結構和硬件設計角度，介紹該項目的PLC控制系統(tǒng)設計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設計以及PLC控制器的設計和參數的整定。2.1 總體分析學習了PLC的硬件系統(tǒng)、指令系統(tǒng)和編程方法以后，對設計一個PLC系統(tǒng)時，要全面考慮許多因素，不管所設計的控制系統(tǒng)的大小，要按照下列設計步驟進行系統(tǒng)設計。如圖2-1：分析評估控制任務PLC機型選擇，I/O設備選擇I/O地址分配電氣系統(tǒng)安裝程序設計程序調試N設計硬件系統(tǒng)接線圖和控制柜滿足要求？Y連機調試NN滿足要求？使用圖2=1 PLC控制系統(tǒng)設計步驟

20、2.2 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟弄懂PLC的基本工作原理和指令系統(tǒng)后,就可以把PLC應用到實際的工程項目中。無論是用PLC組成集散控制系統(tǒng)，還是獨立控制系統(tǒng)，PLC控制部分的設計都可以參考圖2-1所示的步驟。2.2.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現被控對象(生產設備或生產過程)的工藝要求，以提高生產效率和產品質量。而在實際設計過程中，設計原則往往會涉及很多方面，其中最基本的設計原則可以歸納為4點。1. 設計原則 (1)完整性原則。最大限度的滿足工業(yè)生產過程或機械設備的控制要求。 (2)可靠性原則。確保計算機控制系統(tǒng)的可靠性。 (3)經濟型原則。力求控制

21、系統(tǒng)簡單、實用、合理。(4)發(fā)展性原則。適當考慮生產發(fā)展和工藝改進的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。 2. 評估控制任務 根據系統(tǒng)所需完成的控制任務，對被控對象的生產工藝及特點進行詳細分析，特別是從以下幾個方面給以考慮。 (1) 控制規(guī)模 一個控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的I/O設備總數來衡量。當控制規(guī)模較大時,特別是開關量控制的I/O設備較多時，最適合采用PLC控制。 (2) 工藝復雜程度 當工藝要求較復雜時,采用PLC控制具有更大的優(yōu)越性.(3) 可靠性要求 目前,當I/O點數在20甚至更少時，就趨向于選擇PLC控制了。 (4) 數據處理速度 若數據處理程度較低，而主要以工業(yè)過

22、程控制為主時，采用PLC控制將非常適宜。2.2.2 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟 PLC控制系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計。所謂硬件設計，是指PLC外部設備的設計，而軟件設計即PLC應用程序的設計。整個系統(tǒng)的設計分以下5步進行。 1. 熟悉被控對象 深入了解被控系統(tǒng)是設計控制系統(tǒng)的基礎。設計人員必須深入現場，認真調查研究，收集資料，并于相關技術人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設計中出現的問題。這一階段必須對被控對象所有功能全面的了解，對對象的各種動作及動作時序、動作條件、必要的互鎖與保護;電氣系統(tǒng)與機械、液壓、氣動及各儀表等系統(tǒng)間的關系;PLC與其他設備的關系，PLC之間是否通信

23、聯網;系統(tǒng)的工作方式及人機界面，需要顯示的物理量及顯示方式等。 2. 硬件選擇 具體包括如下。 (1) 系統(tǒng)I/O設備的選擇。輸入設備包括按紐、位置開關、轉換開關及各種傳感器等。輸出設備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等。(2) 選擇PLC。PLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。 (3) PLC的I/O端口分配。在進行I/O通道分配時應給出I/O通道分配表，表中應包含I/O編號、設備代號、名稱及功能等。(4) 繪制PLC外圍硬件線路圖。畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系

24、統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經確定。 (5)計數器、定時器及內部輔助繼電器的地址分配。 3. 編寫應用程序 根據控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設計方法來設計PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實現各控制功能或各子任務的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常還應包括以下內容： (1)初始化程序。在PLC上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動作必要的準備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。初始化程序的主要內容有：對某些數據區(qū)、計數器等進行清零，對某些數據區(qū)所需數據進行恢復，對某些繼電器進行置位或復位，對某些初始狀態(tài)進行顯示等等。 (2)檢測、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對獨立

25、，一般在程序設計基本完成時再添加。 (3)保護和連鎖程序。保護和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。 4. 程序調試程序調試分為2個階段，第一階段是模擬調試、第二階段是現場調試。程序模擬調試是，以方便的形式模擬產生現場實際狀態(tài)，為程序的運行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據產生現場信號的方式不同，模擬調試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。 (1)硬件模擬法是使用一些硬件設備（如用另一臺PLC或一些輸入器件等）模擬產生現場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時效性較強。 (2)軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套模擬程序，模擬提供

26、現場信號，其簡單易行，但時效性不易保證。模擬調試過程中，可采用分段調試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。 現場調試。當控制臺及現場施工完畢，程序模擬調試完成后，就可以進行現場調試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時更正軟硬件方面的問題。 5. 編寫技術文件技術文件包括設計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、PLC程序以及使用說明書等。2.3 PLC的選型與硬件配置2.3.1 PLC型號的選擇本溫度控制系統(tǒng)選擇德國西門子公司的S7-200系列的PLC。S7-200 PLC屬于小型整體式的PLC, 本機自帶RS-485通信接口、內置電源和I/O接口。它的硬件配置靈活，既可用一個單

27、獨的S7-200 CPU構成一個簡單的數字量控制系統(tǒng)，也可通過擴展電纜進行數字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴展，構成較復雜的中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)。完整的S7-200系列PLC實物如圖2-2所示。圖2-2 S7-200系列PLC實物圖2.3.2 S7-200 CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型。此系統(tǒng)選用S7-200 CPU226，CPU226集成了24點輸入/16點輸出，共有40個數字量I/O?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至248點數字量或35點模擬量I/O。還有13KB程序和數據存儲空間空間，6個獨立的

28、30KHz高速計數器，2路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。配有2個RS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為38.4 kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)。本溫度控制系統(tǒng)由于輸入/輸出點數不多，本可以使用CPU224以下的類型。2.3.3 EM231模擬量輸入模塊本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉換成041mv的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉換成數字信號再送入PLC中進行處理。在這里，我們選用了西門子EM231 4TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊提供一個方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N、S、

29、T和R型，它也允許連接微小的模擬量信號(±80mV范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。EM231模塊需要用戶通過DIP開關進行組態(tài)： SW1SW3用于選擇熱電偶類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進行斷線檢測，SW7用于選擇測量單位，SW8用于選擇是否進行冷端補償。本系統(tǒng)用的是K型熱電偶，所以DIP開關SW1SW8組態(tài)為；EM231具體技術指標見表2-1。表2-1 EM231技術指標型號EM231模擬量輸入模塊總體特性 外形尺寸：71.2mm×80mm×62mm 功耗：3W輸入特性本機輸入：

30、4路模擬量輸入電源電壓：標準DC 24V/4mA輸入類型：010V，05V，±5V,±2.5V,020mA分辨率：12 Bit轉換速度：250S隔離：有耗電從CPU的DC 5V （I/O總線）耗電10mADIP開關SW1 0, SW2 0, SW3 1（以K型熱電偶為例）2.3.4 熱電偶溫度傳感器熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系，并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準

31、化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。本論文采用的是K型熱電阻。鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型熱電偶）是目前用量最大的廉價金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。正極（KP）的名義化學成分為：Ni:Cr=90:10，負極（KN）的名義化學成分為：Ni:Si=97:3，其使用溫度為-200-1300。K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所

32、采用。K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。EM235模塊是組合強功率精密線性電流互感器、意法半導體（ST）單片集成變送器ASIC芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊，它可以直接將被測主回路交流電流轉換成按線性比例輸出的DC420mA（通過250電阻轉換DC 15V或通過500電阻 轉換DC210V）恒流環(huán)標準信號，連續(xù)輸送到接收裝置（計算機或顯示儀表）。EM235熱電偶模塊提供一個方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N、S、T和R型，它允許連接微小的模擬量信號(±80mV范圍)，所有連到模塊上的熱電偶

33、必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。EM235模塊需要用戶通過DIP開關進行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷端補償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組態(tài)DIP開關進行以上選擇。表2-2 EM231選擇模擬量輸入范圍的開關表單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2.5mVONOFF0到5V1.25mV0到20mA5uA雙極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON±5V2.5mVONOFF±2.5V1.25mVEM235校準和配置位置圖如圖2-3所示，本次設置PID開關為。圖2-3 DIP配置EM2

34、312.4 I/O地址分配及電氣連接圖1) 該溫度控制系統(tǒng)中I/O點分配表如表2-3所示。表2-3 I/O點分配表輸入I0.0啟動按鈕I0.1停止按鈕輸出Q0.0運行指示燈Q0.1停止指示燈Q0.2正常指示燈Q0.3溫度越上限報警指示燈Q0.4鍋爐加熱指示燈2)系統(tǒng)整體設計方案及硬件連接圖。系統(tǒng)選用PLC CPU226為控制器， K型熱電偶將檢測到的實際爐溫轉化為電壓信號，經過EM231模擬量輸入模塊轉換成數字量信號并送到PLC中進行PID調節(jié)，PID控制器輸出量轉化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制加熱爐加熱的通斷來實現對爐子溫度的控制。PLC和HMI相連接，實現了系統(tǒng)的實時監(jiān)控。整個硬件連接圖如

35、圖2-4所示。計算機PLCEM231模塊固態(tài)繼電器熱電偶加熱爐 圖2-4 系統(tǒng)框架圖2.5 PLC硬件接線圖根據系統(tǒng)設計要求，PLC外部接線圖如下所示：圖2-5 PLC硬件連接圖第三章 PLC控制系統(tǒng)軟件設計PLC控制系統(tǒng)的設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分，上一章已經詳細介紹了本項目硬件連接。本章在硬件設計的基礎上，將詳細介紹本項目軟件設計，主要包括軟件設計的基本步驟、方法，編程軟件STEP7-Micro/WIN的介紹以及本項目程序設計。3.1 PLC程序設計方法編寫PLC程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。1. 圖解法編程圖解法是靠畫圖進行PLC程序設計。常見的主要有梯形圖法

36、、邏輯流程圖法、時序流程圖法和步進順控法。（1）梯形圖法梯形圖法是用梯形圖語言去編制PLC程序。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法，其圖形甚至元件名稱都有繼電器電路十分相似。這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成PLC的梯形圖語言。這對于熟悉繼電器控制的人來說，是最方便的一種編程方法。（2）邏輯流程圖法邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示PLC程序的執(zhí)行過程，反映輸入與輸出的關系。邏輯流程圖會使整個程序脈絡清晰，便于分析控制程序、查找故障點及調試和維修程序。（3）時序流程圖法時序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時序圖（即到某一個時間應該進行哪項控制的控制時序圖），再根據時序關系畫出對應的控制任務的程序

37、框圖，最后把框圖寫成PLC程序。這種方法很適合以時間為基準的控制系統(tǒng)的編程方法。（4）步進順控法步進順控法是在順控指令的配合下設計復雜的控制程序。一般比較復雜的程序都可以分成若干個功能比較簡單的程序段，一個程序可以看成整個控制過程的一步。2. 經驗法編程經驗法是運用自己的或者別人的經驗進行設計。多數是設計前先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己的“試驗程序”。結合自己工程的情況，對這些“試驗程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。3.計算機輔助設計編程計算機輔助設計是通過PLC編程軟件（比如STEP7-Micro/WIN）在計算機上進行程序設計、離線或在線編程、離線仿真和在線調試

38、等。使用編程軟件可以很方便的在計算機上離線或在線編程、在線調試，在計算機上進行程序的存取、加密以及形成EXE文件14。3.2 編程軟件STEP7-Micro/WIN概述STEP7-Micro/WIN編程軟件是基于Windows的應用軟件，由西門子公司專為s7-200系列可編程控制器設計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。它是西門子s7-200用戶不可缺少的開發(fā)工具。現在加上中文程序后，可在全中文的界面下進行操作，用戶使用起來更加方便。3.2.1 STEP7-Micro/WIN簡單介紹以STEP7-Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通STEP 7-M

39、icro/WIN，可雙擊STEP 7-Micro/WIN圖標，或選擇開始（Start）> SIMATIC >STEP 7 Micro/WIN 4.0菜單命令。如圖4-1所示，STEP 7-Micro/WIN項目窗口將提供用于創(chuàng)建控制程序的便利工作空間。工具欄將提供快捷鍵按鈕，用于經常使用的菜單命令，可顯示或隱藏工具欄的任何按鈕。瀏覽條給出了多組圖標，用于訪問STEP 7-Micro/WIN的不同編程特性。指令樹將顯示用于創(chuàng)建控制程序的所有項目對象和指令?？蓪蝹€的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個指令，以便將其插入到程序編輯器中光標的當前位置。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，

40、可在其中分配臨時局部變量的符號名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部均按標簽顯示。單擊標簽可在子程序、中斷程序和主程序之間來回變換。STEP 7-Micro/WIN提供了用于創(chuàng)建程序的三個編輯器：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。盡管有某些限制，在這些程序編輯器的任何一個中編寫的程序均可用其它程序編輯器進行瀏覽和編輯。用的比較多的是梯形圖（LAD）編程語言。下面詳細介紹梯形圖的特點。圖3-1 編程軟件STEP7-Micro/WIN主界面3.2.2 STEP7-Micro/WIN參數設置（通訊設置） 本項目中PLC要與電腦正確通信，安裝完STEP7-Micro/WIN編

41、程軟件且設置好硬件后，可以按下列步驟進行通訊設置。 （1）在STEP7-Micro/WIN運行時單擊通訊圖標，或從“視圖”菜單中選擇選項“通信”，則會出現一個通信對話框（如圖3-2所示）。 圖3-2 通信參數設置（2）在對話框中雙擊PC/PPI電纜的圖標，將出現PG/PC接口對話框或者直接單擊“檢視”欄中單擊“設置PG/PC接口”也行。如圖4-3所示。圖3-3 PG/PC接口對話框（3）單擊Properties按鈕，將出現接口屬性對話框，檢查各參數的屬性是否正確，其中通信波特率默認值為9.6kbps（如圖3-4所示）。圖3-4 通信參數設置3.3 基于S7200的PID控制控制器的設計是基于模

42、型控制設計過程中最重要的一步。首先要根據受控對象的數學模型和它的各特性以及設計要求，確定控制器的結構以及和受控對象的連接方式。然后根據所要求的性能指標確定控制器的參數值。3.3.1 控制系統(tǒng)數學模型的建立本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器（電熱偶）將檢測到的溫度信號轉換成電壓信號經過溫度模塊后，與設定溫度值進行比較，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法進行修正，返回對應工況下的固態(tài)繼電器導通時間，調節(jié)電熱絲的有效加熱功率，從而實現對加熱爐的溫度控制。控制系統(tǒng)結構圖如圖3-5所示，方框圖如圖3-6所示。PLC控制器固態(tài)繼電器烤爐溫度模塊熱電偶 圖3-5 控制系統(tǒng)結構圖Gc(s)Go(s) R(s)

43、 + E(s) U(s) Y(s) _ 圖3-6 控制系統(tǒng)方框圖圖3-7中，R(s)為設定溫度的拉氏變換式；E(s)為偏差的拉氏變換式； Gc(s)為控制器的傳遞函數；Go(s)為廣義對象，即控制閥、對象控制通道、測量變送裝置三個環(huán)節(jié)的合并；該溫度控制系統(tǒng)是具有時滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數為 （3-1）式3-1中，為對象放大系數；為對象時間常數；為對象時滯。 （3-2） 由階躍響應法求得， =0.5；=2.5分鐘；=1.2分鐘。3.3.2 PID在PLC中的回路指令西門子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，見表3-1。表3-1 PID回路指令名稱PID運算指令格式PID指令表格式PI

44、D TBL,LOOP梯形圖使用方法：當EN端口執(zhí)行條件存在時候，就可進行PID運算。指令的兩個操作數TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VD100，因為一個PID回路占用了32個字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號，可以是0-7，不可以重復使用。PID回路在PLC中的地址分配情況如表3-2所示。表3-2 PID指令回路表偏移地址名稱數據類型說明0過程變量（PVn）實數必須在0.0-1.0之間4給定值（SPn）實數必須在0.0-1.0之間8輸出值（Mn）實數必須在0.0-1.0之間12增益（Kc)實數比例常數，可正可負16采樣時間（Ts）實數單位為s，

45、必須是正數20積分時間（Ti）實數單位為min，必須是正數24微分時間（Td）實數單位為min，必須是正數28積分項前值（MX）實數必須在0.0-1.0之間32過程變量前值（PVn-1）實數必須在0.0-1.0之間3.4 內存地址分配與PID指令回路表S7200的PID內存地址如表3-3所示。表3-3 內存地址分配地址說明VD0實際溫度存放VD4設定溫度存放VD30當前溫度存放VD100過程變量（PVn）必須在0.0-1.0之間VD104給定值（SPn）必須在0.0-1.0之間VD108輸出值（Mn）必須在0.0-1.0之間VD112增益（Kc）比例常數，可正可負VD116采樣時間（Ts）單位

46、為s，必須是正數VD120積分時間（Ti）單位為min，必須是正數VD124微分時間（Td）單位為min，必須是正數VD128積分項前值（MX）必須在0.0-1.0之間VD132過程變量前值（PVn-1）必須在0.0-1.0之間系統(tǒng)控制流程圖如下所示：運行PLC初始化PID初始化指示燈調用子程序設定溫度設定PID值每100ms調用中斷程序讀入溫度并轉換把其溫度值放入VD100調用PID指令輸出PID值返回主程序 子程序中斷程序圖3-7 系統(tǒng)設計流程圖3.5 程序設計梯形圖3.5.1 初次上電a.讀入模擬信號，并把數值轉化顯示鍋爐的當前電壓。b.判斷爐溫是否在正常范圍。實數歸一化處理將AC1還原

47、溫度值存入VD30雙字整數 實數用于PID指令的執(zhí)行從AIWO讀入溫度值整數 雙字整數Q0.2：正常運行指示燈輸出Q0.3：溫度越上限報警指示燈Q0.4：鍋爐加熱指示燈3.5.2 啟動/停止階段啟動過程：按下啟動按鈕后，開始標志位M0.1置位，M0.2復位。打開運行指示燈Q0.0，熄滅停止指示燈初始化PID。開始運行子程序0。停止過程：按下停止按鈕后，開始標志位M0.1復位，熄滅運行指示燈，停止標志位M0.2置位，點亮停止指示燈。并把輸出模擬量AQW0清零，停止鍋爐繼續(xù)加熱。停止調用子程序0，仍然顯示鍋爐溫度。停止時模擬量輸出清零，防止鍋爐繼續(xù)升溫。調用子程序03.5.3 子程序0a.輸入設定

48、溫度50b.把設定溫度、P值、I值、D值都導入PIDc.每100ms中斷一次子程序進行PID運算將設定溫度存放到VD40將D參數Td導入VD124將I參數Ti導入VD120VD116為采樣時間存放地址將P參數KC導入VD112使VD104在0.1-1.0之間中斷連接指令ATCH3.5.4 中斷程序、PID的計算a.模擬信號的采樣處理，歸一化導入PIDb.PID程序運算c.輸出PID運算結果，逆轉換為模擬信號調用PID運算第四章 基于組態(tài)軟件恒溫監(jiān)控系統(tǒng)設計4.1 組態(tài)王軟件介紹計算機技術和網絡技術的飛速發(fā)展，為工業(yè)自動化開辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶可以方便快捷地組建優(yōu)質高效的監(jiān)控系統(tǒng)，并且通過采

49、用遠程監(jiān)控及診斷、雙機熱備等先進技術，使系統(tǒng)更加安全可靠，在這方面，組態(tài)王工控組態(tài)軟件提供強有力的軟件支持。組態(tài)王軟件為用戶建立全新的過程測控系統(tǒng)提供了一整套解決方案。組態(tài)王工控組態(tài)軟件是一套32位工控組態(tài)軟件，集動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出、網絡數據傳輸、雙機熱備、工程報表、數據與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內外眾多數據采集與輸出設備，廣泛應用于石油、電力、化工、鋼鐵、礦山、冶金、機械、紡織、航天、建筑、材料、制冷、交通、通訊、食品、制造與加工業(yè)、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實驗室等多種工程領域。 組態(tài)王服務器版本，集工業(yè)現場的集散控制和各類歷史、實時數據及相關曲線的WWW

50、發(fā)布于一體，可以解決整個企業(yè)的Internet/Intranet方案，也可以非常方便的與您已有的企業(yè)網絡相銜接，讓您從具體的技術環(huán)節(jié)和繁雜的數據堆中脫身，隨時隨地掌握工業(yè)現場與企業(yè)運營狀態(tài)，了解所需的各項信息，大幅度提高工作效率，實現成功決策。 組態(tài)王軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五部分構成，每一部分分別進行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性。1、主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一個設備窗口和多個用戶窗口，負責調度和管理這些窗口的打開或關閉。主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設計封面圖形，確定自動啟動的窗口，設定

51、動畫刷新周期，指定數據庫存盤文件名稱及存盤時間等。2、設備窗口：是連接和驅動外部設備的工作環(huán)境。在本窗口內配置數據采集與控制輸出設備，注冊設備驅動程序，定義連接與驅動設備用的數據變量。3、用戶窗口：本窗口主要用于設置工程中人機交互的界面，諸如：生成各種動畫顯示畫面、報警輸出、數據與曲線圖表等。4、數據詞典：是工程各個部分的數據交換與處理中心，它將組態(tài)王工程的各個部分連接成有機的整體。在本窗口內定義不同類型和名稱的變量，作為數據采集、處理、輸出控制、動畫連接及設備驅動的對象。5、運行策略：本窗口主要完成工程運行流程的控制。包括編寫控制程序（ifthen腳本程序），選用各種功能構件，如：數據提取、

52、歷史曲線、定時器、配方操作、多媒體輸出等。4.2 組態(tài)軟件開發(fā)過程使用組態(tài)王完成一個實際的應用系統(tǒng)，首先必須在組態(tài)王的組態(tài)環(huán)境下進行系統(tǒng)的組態(tài)生成工作，然后將系統(tǒng)放在組態(tài)王的運行環(huán)境下運行。本章逐步介紹在組態(tài)王組態(tài)環(huán)境下構造一個用戶應用系統(tǒng)的過程，以便對組態(tài)王系統(tǒng)的組態(tài)過程有一個全面的了解和認識。4.2.1 工程整體規(guī)劃在實際工程項目中，使用組態(tài)王構造應用系統(tǒng)之前，應進行工程的整體規(guī)劃，保證項目的順利實施。對工程設計人員來說，首先要了解整個工程的系統(tǒng)構成和工藝流程，弄清測控對象的特征，明確主要的監(jiān)控要求和技術要求等問題。在此基礎上，擬定組建工程的總體規(guī)劃和設想，主要包括系統(tǒng)應實現哪些功能，控制

53、流程如何實現，需要什么樣的用戶窗口界面，實現何種動畫效果以及如何在實時數據庫中定義數據變量等環(huán)節(jié)，同時還要分析工程中設備的采集及輸出通道與實時數據庫中定義的變量的對應關系，分清哪些變量是要求與設備連接的，哪些變量是軟件內部用來傳遞數據及用于實現動畫顯示的等問題。作好工程的整體規(guī)劃，在項目的組態(tài)過程中能夠盡量避免一些無謂的勞動，快速有效地完成工程項目。4.2.2 工程建立組態(tài)王中用“工程”來表示組態(tài)生成的應用系統(tǒng)，創(chuàng)建一個新工程就是創(chuàng)建一個新的用戶應用系統(tǒng)，打開工程就是打開一個已經存在的應用系統(tǒng)。工程文件的命名規(guī)則和Windows系統(tǒng)相同。保存新工程時，可以隨意更換工程文件的名稱。缺省情況下，所有的工程文件都存放在組態(tài)王安裝目錄下的Work子目錄里，用戶也可以根據自身需要指定存放工程文件的目錄。4.2.3 構造數據詞典實時數據庫是組態(tài)王系統(tǒng)的核心，也是應用系統(tǒng)的數據處理中心，系統(tǒng)各部分均以實時數據庫為數據公用區(qū)，進行數據交換、數據處理和實現數據的可視化處理。定義數據對象的過程，就是構造實時數據庫的過程。定義數據對象時，在組態(tài)環(huán)境工作臺窗口中，選擇“實時數據庫”標簽，進入實時數據庫窗口頁，顯示已定義的數據對象，置增加一個新的對象時，可在該處選定數據對象，鼠標單擊“新增對象”按鈕，則在選中的對象之后增加一個新的數據對象；如不指定位置，則在對象表的最后增加