課程設計報告論文-基于PLC的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計

1、-. z.第一章緒論1.1選題背景及意義加熱爐是利用電能來產(chǎn)生蒸汽或熱水的裝置。因為其效率高、無污染、自動化程度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，冶金、機械、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用電加熱爐對溫度進展控制。而傳統(tǒng)的加熱爐普遍采用繼電器控制。由于繼電器控制系統(tǒng)中，線路龐雜，故障查找和排除都相對困難，而且花費大量時間，影響工業(yè)生產(chǎn)。隨著計算機技術(shù)的開展，傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)勢必被PLC所取代。二十世紀七十年代后期，伴隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的快速開展，也使得PLC具有了計算機的功能，成為了一種以電子計算機為核心的工業(yè)控制裝置，在溫度控制領域可以讓控制系統(tǒng)變得更高效，穩(wěn)定且維護方便。在過去的幾十年里至今，

2、PID控制已在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。在工業(yè)自動化的三大支柱PLC、工業(yè)機器人、CAD/CAM中位居第一。由于其原理簡單 、使用方便、適應能力強，在工業(yè)過程控制中95%甚至以上的控制回路都采用了PID構(gòu)造。雖然后來也出現(xiàn)了很多不同新的算法，但PID仍舊是最普遍的規(guī)律。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及開展趨勢一些先進國家在二十世紀七十年代后期到八十年代初期就開場研發(fā)電熱鍋爐，中國到八十年代中期才開場起步，對電加熱爐的生產(chǎn)過程進展計算機控制的研究。直到九十年代中期，不少企業(yè)才開場應用計算機控制的連續(xù)加熱爐，可以說開展緩慢，而且對于國內(nèi)的溫度控制器，總體開展水平仍不高，不少企業(yè)還相當落后。與歐美、日本，德

3、國等先進國家相比，其差距較大。目前我國的產(chǎn)品主要以點位控制和常規(guī)PID為主，只能處理一些簡單的溫度控制。對于一些過程復雜的，時變溫度系統(tǒng)的場合往往束手無策。而相對于一些技術(shù)領先的國家，他們生產(chǎn)出了一批能夠適應于大慣性、大滯后、過程復雜，參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)。并且普遍采用自適應控制、模糊控制及計算機技術(shù)。近年來，伴隨著科學技術(shù)的不斷快速開展，計算機技術(shù)的進步和檢測設備及性能的不斷提升，人工智能理論的實用化。因此，高精度、智能化、人性化必然是國內(nèi)外必然的開展趨勢。1.3工程研究內(nèi)容 以PLC控制為核心，PLC將加熱爐溫度設定值與溫度傳感器的測量值之間的偏差，經(jīng)過PID運算后得到的信號控制輸出電壓

4、的大小，采用PID算法，運用PLC編程語言編程，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實現(xiàn)溫度的自動控制。 由兩個或兩個以上的控制器串聯(lián)，一個控制器的輸出是另一個控制器的設定而組成的串級控制系統(tǒng)。改善了主回路的響應速度。主調(diào)節(jié)器具有細調(diào)作用，副調(diào)節(jié)器具有粗調(diào)作用，從而改善了系統(tǒng)的品質(zhì)。第二章 系統(tǒng)設計2.1系統(tǒng)的過程控制設計 在本系統(tǒng)中假設采用以原料出口溫度為被控量的單回路系統(tǒng)，由于在加熱爐的過程控制中存在著時間滯后和容量滯后，系統(tǒng)不能立即感知。直到經(jīng)過大容量滯后，才能反映到原料的溫度變化。系統(tǒng)的控制作用才開場反映，但為時已晚。同樣，控制器的動作也必須經(jīng)過較大的容量滯后才能開場對輸出的改變做出調(diào)整，導致系統(tǒng)的品

5、質(zhì)變差。 因此，增設爐膛溫度作為另一個被控參量，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，如圖5-1副調(diào)節(jié)器可控硅爐膛出口副變送器主變送器+主調(diào)節(jié)器C2C1圖5-1 串級系統(tǒng)控制框圖當原料溫度變化時，首先使得爐膛溫度C2發(fā)生變化。而出口處的原料溫度C1還沒有發(fā)生變化。因此，主調(diào)節(jié)器輸出不變，爐膛溫度測量值發(fā)生變化。通過副變送器反響到副調(diào)節(jié)器。通過可控硅控制加熱元件的電流大小，使電爐保持在設定的溫度工作狀態(tài)。與此同時，爐膛溫度的變化也會引起管壁的溫度變化，從而影響出口C1溫度的變化，使主調(diào)節(jié)器的輸出發(fā)生變化。由于主調(diào)節(jié)器的輸出就是副調(diào)節(jié)器的輸入，而副調(diào)節(jié)器的輸出直接控制可控硅導通角的大小，進一步加速了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程

6、，使主被控量即加熱爐出口溫度恢復到設定值。2.1.1控制系統(tǒng)的性能1對二次擾動的抑制能力強，當二次擾動產(chǎn)生后，副被控量首先檢測到擾動的影響并及時控制操作變量，使副被控量恢復到設定值。從而使擾動對主被控量的影響減小，即副回路對擾動進展粗調(diào)，主回路對擾動進展細調(diào)。串級控制系統(tǒng)由于有副回路的存在改善副對象的動態(tài)特性，從而提高了整個系統(tǒng)的動態(tài)特性。串級控制系統(tǒng)由于副回路性能的改善，主控制器的比例帶可以變得更窄，從而提高了系統(tǒng)的工作頻率，即提高了系統(tǒng)的快速響應能力。有一定的自適應能力。在副回路的作用下，包括控制閥在內(nèi)的副對象在操作條件和負荷變化時，其特性變化對系統(tǒng)的影響顯著地削弱了。2.2 控制器的設計

7、2.2.1 控制器的控制規(guī)律選擇 PID控制器是應用最廣泛的一種控制器。包括P控制器、PD控制器，PI控制器及完整的PID控制器。P的作用是增加開環(huán)增益，降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但缺點是會使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。I的作用是消除靜差，但有過調(diào)現(xiàn)象且不及時。D的作用是增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但同時也放大了系統(tǒng)的高頻噪聲?？梢?，合理運用才能使系統(tǒng)的效益最大化。 1)比例P控制比例控制是最簡單的工作方式。其控制器輸入與輸出的誤差信號成比例關(guān)系。比例控制器的傳遞函數(shù)為：Gc(S)=KP2.1其中：Kp稱為比例系數(shù)或增益。其倒數(shù)稱為比例帶，也稱比例度。2比例積分PI控制具有比例加積分的控制規(guī)律的控制稱為比例

8、積分控制，即PI控制?？蓽p少或消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，但存在過調(diào)現(xiàn)象而且不及時，存在滯后。PI控制的傳遞函數(shù)及輸出信號為：Gc(S)=KP+KP/Ti1/S=KP(S+1/Ti)/S (2.2)u(t)=Kpe(t)+KP/Ti0te(t)d(t) (2.3)其中：Kp為比例系數(shù) Ti稱為積分時間常數(shù) 3比例微分PD控制具有比例加微分的控制規(guī)律的控制稱為比例微分控制，即PD控制。它能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，但具有放大高頻噪聲的缺點。PD控制的傳遞函數(shù)及輸出信號為：Gc(s)=KP+KPS (2.4)u(t)=KPe(t)+KPde(t)/dt (2.5)其中：KP為比例系數(shù) 為微分

9、時間常數(shù) 4)比例積分微分PID控制具有比例加微分和積分的控制規(guī)律的控制稱為比例積分微分控制，即PID控制。PID控制具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)點外，還可以還改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，消除誤差，縮小超調(diào)量，加快反映速度。PID控制的傳遞函數(shù)及輸出信號為：Gc(S)=KP+KP/TiS+KPs (2.6)u(t)=KPe(t)+KP/Ti0te(t)dt+Kpde(t)/dt (2.7)其中：KP為比例系數(shù) Ti稱為積分時間常數(shù) 稱為微分時間常數(shù) 三者都是可調(diào)常數(shù)。 因為采用串級控制，所以有主副調(diào)節(jié)器之分。主調(diào)節(jié)器起定值作用，副調(diào)節(jié)器起隨動作用。原料的出口溫度是系統(tǒng)的重要指標，它的允許波動的*圍小，且溫

10、度控制系統(tǒng)是容量滯后較大的系統(tǒng)，故主控制器選用PID控制，而副控制量采用P控制，因為副被控量的控制*圍在工藝上要求不是太嚴格，允許有余差，故副控制器選用P控制就行。這時如果引入積分就可能會降低副回路反響的快速性影響控制效果。2.2.2 主、副控制器的正反作用選擇副調(diào)節(jié)器作用方式確實定：從鍋爐的設備和平安出發(fā)，一旦系統(tǒng)故障就應自動切斷燃料供給。所以可控硅輸出電壓選用氣開式，調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)放大系數(shù)Kv大于0。然后確定副被控過程的K2。當可控硅的導通角增大，電壓增大，爐膛水溫上升，被控對象為正作用，所以K2大于0。再確定副調(diào)節(jié)器，為保證回路是負反響，各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘必須為負，所以副調(diào)節(jié)器K

11、2小于0，副調(diào)節(jié)器的作用方式為反作用方式 主調(diào)節(jié)器作用方式確實定：爐膛水溫升高，出口溫度也升高，被控對象為正作用，所以K1大于0。為保證主回路為負反響，各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)相乘必須為負，所以主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K1小于0。主調(diào)節(jié)器的作用方式為反作用方式。2.3 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)的構(gòu)造框如圖2-2所示變送器PLC熱電偶鍋 爐鍋爐可控硅圖2-2 系統(tǒng)組成的構(gòu)造框圖系統(tǒng)選用S7-300PLC為控制器，用熱電偶檢測爐溫，溫度變送器將熱電偶輸出的微弱信號轉(zhuǎn)換為標準信號。然后送給模擬量輸入模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。CPU將它與溫度設定值作比擬，并按PID控制算法對誤差進展運算，將結(jié)果送給模擬量輸出模塊，經(jīng)D/A

12、轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號。用來控制可控硅的導通角大小，從而調(diào)節(jié)電熱絲的加熱，改變溫度大小。第三章 硬件設計及網(wǎng)絡構(gòu)造3.1可編程控制器概述可編程控制器簡稱PLC，它幾乎完全占領了工業(yè)控制領域。由于PLC的應用面廣、功能強大、使用維護方便，已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領域得到了廣泛的使用。 PLC有兩種工作狀態(tài)，即運行RUN狀態(tài)和停頓STOP。其中運行狀態(tài)是執(zhí)行應用程序的狀態(tài)，在CPU執(zhí)行啟動操作時，去除沒有保持功能的位存儲器，定時器和計數(shù)器，去除堆棧內(nèi)容等。再執(zhí)行一次啟動組織塊OB100,它由用戶編寫，即完成對指定的初始化操作。之后反復不斷地重復執(zhí)行用戶程序。停頓狀態(tài)一般用于

13、程序的編制與修改。 除了執(zhí)行用戶程序外，PLC還要完成啟動循環(huán)時間監(jiān)，數(shù)據(jù)寫入輸出模塊，讀取輸入模塊狀態(tài)，并存入輸入過程映像區(qū)；在系統(tǒng)循環(huán)完畢時，接著執(zhí)行所有掛起的任務。最后返回第一階段。各個階段如圖3-1所示執(zhí)行OB100啟動循環(huán)時間監(jiān)控數(shù)據(jù)寫入輸出模塊讀取輸入模塊狀態(tài)執(zhí)行用戶程序執(zhí)行其他任務圖3-1 掃描過程PLC的特點如下：可靠性高，抗干擾能力強，適應性強。系統(tǒng)的安裝、設計和調(diào)試工作量小，維護方便。硬件配套齊全，編程方便易學，操作方便。體積小，功能強大，能耗低，性價比高。3.2 S7-300的輸入輸出模塊 S7-300屬于模塊式PLC，主要由CPU模塊、電源模塊、輸入輸出模塊組成圖3-2

14、。各種模塊安裝在機架上，通過通信模塊，PLC可以與計算機，其他PLC或其他設備進展通信。電源模塊接口模塊輸 入 模 塊CPU 模塊輸 出 模 塊通信接口其他設備其他PLC計算機通信網(wǎng)絡擴展機架圖3-2 PLC根本構(gòu)造模擬量輸入模塊在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度信號轉(zhuǎn)換成420mA的電流信號。模擬量輸入模塊SM331用于將模擬量信號轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理的數(shù)字信號。其主要組成局部是A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入模塊的輸入信號一般是模擬量變送器的標準輸出信號。為了減少電磁干擾，傳送模擬信號時使用雙絞屏蔽電纜。模擬信號電纜的屏蔽層兩端接地，如果電纜兩端存在電位差，將會造成對模擬信號的干擾。在這種情況

15、下，將電纜的屏蔽層一點接地。模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊SM332用于將CPU送給執(zhí)行元件的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成成比例的電流信號，其主要部件是D/A轉(zhuǎn)換器、模擬量輸出模塊為負載和執(zhí)行器提供電流或電壓，模擬信號使用屏蔽電纜或雙絞線電纜來傳送。數(shù)字量輸入模塊數(shù)字量輸入模塊SM321用于連接外部的機械觸點和電子式傳感器，比方接近開關(guān)，二線式開關(guān)等。數(shù)字量輸入模塊把外部傳來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為PLC的內(nèi)部信號，輸入電路中一般含有RC濾波器，防止由于外部干擾而引起的錯誤信號輸入。輸入電流一般為幾毫安。數(shù)字量輸出模塊 數(shù)字量輸出模塊SM322用于驅(qū)動接觸器，燈等小功率電機負載。數(shù)字量輸出模塊將PLC的內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換為

16、控制過程所需的外部信號。具有隔離和功率放大作用，其功率放大元件如大功率晶體管和場效應晶體管，固態(tài)繼電器，驅(qū)動交流負載的雙向晶體管等。輸出電流一般為0.52A 3.3 溫度傳感器溫度傳感器是最早開發(fā)，應用最廣的一種傳感器。它是把檢測到的溫度轉(zhuǎn)化為電量的裝置。按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶，熱電偶是將溫度轉(zhuǎn)化為電勢的變化，而熱電阻是將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。熱電阻熱電阻是金屬導體的電阻隨溫度的增加而增加的這一特性來測量溫度的，是測量低溫的溫度傳感器，一般測量溫度在-200800。熱電阻由金屬材料制成，應用最廣的是鉑和銅。熱電阻式溫度傳感器有如下特點:優(yōu)點：1準確度高 2)輸出信

17、號大，靈敏度高。3測量*圍廣，穩(wěn)定性好。4)輸出線性好 缺點：1抗機械沖擊與振動性能差 2元件構(gòu)造復雜，熱響應時間長，不適宜測量溫度瞬變區(qū)域。熱電偶將兩種不同的金屬導體焊接在一起，構(gòu)成閉合回路。在焊接端測量端加熱產(chǎn)生溫差，就會在回路里產(chǎn)生熱電流，相應地產(chǎn)生熱電動勢。這種以測量熱電動勢的方法來測量溫度的元件稱為熱電偶。一般測量*圍在4001800。熱電偶溫度傳感器有如下特點： 優(yōu)點：1構(gòu)造簡單，制造容易 2)價格廉價 3)準確度高 4測量*圍廣，能適應各種測量對象的要求，遠距離測量和控制 5具有極高的響應速度，可以測量極速變化的過程 缺點：靈敏度較低，容易受到環(huán)境干擾的影響。 本設計使用鎳鎘-鎳

18、硅N型熱電偶，具有線性度好，熱電動勢大，靈敏度穩(wěn)定性均較好的優(yōu)點。3.4 溫度變送器 變送器用于將傳感器提供的電量轉(zhuǎn)換為標準量程的直流電流或直流電壓信號。例如DC010V和420mA。變送器分為電流輸出型和電壓輸出型。PLC模擬量輸入模塊的電壓輸入端的輸入阻抗很高。如果變送器距離PLC較遠，傳送模擬量電壓信號時抗干擾能力會很差。當PLC的模擬量輸入模塊輸入電流時，產(chǎn)生的干擾較小，所以模擬量電流信號適合于遠距離傳送。本設計選用電流輸出型。3.5 溫度控制器 本設計采用可控硅作為開關(guān)元件，可以防止傳統(tǒng)繼電器的頻繁吸合造成損壞的問題。而且具有動作快，壽命長，可靠性好等優(yōu)點。通過將可控硅的導通角大小來

19、調(diào)節(jié)輸出功率，從而控制主回路加熱元件電流大小，使加熱爐保持在設定溫度工作狀態(tài)?？煽毓铚囟瓤刂破饔芍骰芈泛涂刂苹芈方M成，主回路由可控硅、快速熔斷器，加熱元件等局部組成?？刂苹芈酚呻娫?、熱電偶、PID調(diào)節(jié)器等局部組成。3.6系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)造西門子的STMATIC NET網(wǎng)絡系統(tǒng)可分為四層，如圖3-3管理層單元層現(xiàn)場層執(zhí)行器傳感器工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)ProfibusProfibusAS-i圖3-3 網(wǎng)絡系統(tǒng)1.現(xiàn)場層是通過連接如分布式I/O、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器和開關(guān)等現(xiàn)場設備，完成現(xiàn)場設備控制及設備的連接控制。西門子網(wǎng)路系統(tǒng)將執(zhí)行器與傳感器單獨分一層，并使用AS-i網(wǎng)絡。 2.單元層 單元層又稱車間監(jiān)控層

20、，用來連接車間的生產(chǎn)設備，實現(xiàn)車間級設備的監(jiān)控，設備故障報警及維護等。單元層車間監(jiān)控網(wǎng)絡采用PROFIBUS-FMS或工業(yè)以太網(wǎng)。PROFIBUS-FMS是一個多主網(wǎng)絡，能傳送大量信息。 3管理層 車間操作員工作站可以通過集線器與車間辦公管理網(wǎng)連接。通過工業(yè)以太網(wǎng)將車間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳送到車間管理層。工廠管理層通常采用TCP/IP通信協(xié)議標準，即符合IEC802.3標準的以太網(wǎng)。 S7-300PLC有PROFIBUS-DP和工業(yè)以太網(wǎng)的通信模塊以及點對點通信模塊。通過PROFIBUS-DP或AS-i現(xiàn)場總線，CPU與分布式I/O模塊之間周期性地自動交換數(shù)據(jù)。3.6.1 PROFIBUS現(xiàn)場總線 現(xiàn)

21、場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動裝置之間的數(shù)字式串行多點式通信的數(shù)據(jù)總線，具有如下優(yōu)點： 1現(xiàn)場總線使自動控制設備和系統(tǒng)組成了一個信息網(wǎng)絡 2多個控制設備可共用一對雙絞線，便于節(jié)省費用。 3具有維護方便，系統(tǒng)可靠性高。 4用戶可以靈活地自由集成系統(tǒng)。 工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS是用于車間級監(jiān)控單元層和現(xiàn)場層的通信系統(tǒng)。PROFIBUS是不依賴于生產(chǎn)廠家、開放式的現(xiàn)場總線，各種各樣的自動化設備都可以通過同樣的接口交換信息。PROFIBUS由三局部組成，即分布式外圍設備PROFIBUS-DP，用于自動化系統(tǒng)中單元級控制設備與分布式I/O的通信;報文規(guī)*PROFIBUS-FM

22、S，它定義了主站與主站之間的通信模型，用于系統(tǒng)級和車間級的不同級之間供給商的自動化系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù);過程自動化PROFIBUS-PA，用于過程自動化的現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器的低速數(shù)據(jù)傳輸。其中PROFIBUS-DP應用最廣。 S7-300PLC可以通過集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡上，具有快速、高效、低本錢等優(yōu)點及可以進展組態(tài)、診斷和報警處理。PROFIBUS-DP設備可以分為三類不同類型的設備：1類DP主站DPM1是系統(tǒng)的中央控制器，與DP從站循環(huán)地交換信息，對總線通信進展控制和管理;2類DP主站DPM2是DP網(wǎng)路中的編程、診斷和管理設備，除了具有DP

23、M1的功能外，在與一類DP主站進展數(shù)據(jù)通信時可以讀取DP從站的輸入/輸出數(shù)據(jù)和當前組態(tài)數(shù)據(jù)，可以給DP從站分配新的總線地址；3類DP從站是進展輸入信息采集和輸出信息發(fā)送的外圍設備，它只與組態(tài)它的DP主站交換用戶數(shù)據(jù)，可以向該主站報告本地診斷中斷和過程中斷。 本系統(tǒng)采用插有PROFIBUS網(wǎng)卡的PC機作為1類主站，PC機上裝有程序編程軟件STEP7，用PC機和MCGS組態(tài)軟件作監(jiān)控操作站，連接在PROFIBUS總線上，可以完成遠程編程組態(tài)以及在線監(jiān)控功能。西門子ET-200M作為從站，ET-200M是模塊化分布式I/O,具有集成的模塊診斷功能。3.6.2 MPI網(wǎng)絡MPI是多點接口的總稱，每個S

24、7-300CPU都集成了多點接口的通信協(xié)議，其物理層是RS-485,最大傳輸速率為12M bit/s,兩個相鄰節(jié)點最大傳輸距離為50m。PLC通過MPI可以訪問功能模塊，可以自動播送其總線參數(shù)組態(tài)，可以與多個設備同時建立通信連接，連接的設備有運行STEP7的PC機，HMI,及西門子其他型號的PLC。聯(lián)網(wǎng)的CPU可以通過MPI接口實現(xiàn)全局數(shù)據(jù)(GD)效勞，周期性地相互進展數(shù)據(jù)交換。西門子有兩種MPI連接器，一種有PG編程器接口，另一種則沒有PG接口，在PC機上插上了一塊MPI卡或使用PC/MPI適配器。3.6.3 AS-i網(wǎng)路 執(zhí)行器傳感器接口AS-i網(wǎng)路，用于傳感器和執(zhí)行器的雙向數(shù)據(jù)通信網(wǎng)路。

25、位于自動控制系統(tǒng)最底層的網(wǎng)路。AS-i用于連接需要傳送開關(guān)量的傳感器和執(zhí)行器，比方讀取溫度開關(guān)的狀態(tài)，控制各種閥門等，也可以傳送模擬量數(shù)據(jù)。AS-i屬于主從式網(wǎng)路，每個網(wǎng)段只能有一個主站，主站是網(wǎng)路通信的中心，用于網(wǎng)路的初始化，設置從站的地址和參數(shù)等。AS-i從站是AS-i系統(tǒng)的輸入通道和輸出通道。CP343-2通信處理器用于AS-i主站。AS-i的從站由專用的AS-i通信芯片和傳感器、執(zhí)行器局部組成，帶有集成的AS-i連接的傳感器和執(zhí)行器可以直接連接到AS-i上。第四章 軟件設計4.1 STEP7編程軟件 STEP7編程軟件是由西門子公司設計開發(fā)，具有提供編程、測試、參數(shù)設置、通信組態(tài)、維護

26、，監(jiān)控和參數(shù)設置的標準工具。本系統(tǒng)采用的是SETP7 V5.4版。 4.1.1 STEP7的硬件接口 為了在PC機上使用STEP7,應配置PC/MPI通信適配器。連接計算機的RS-232接口和PLC的MPI接口，將計算機連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡。計算機一側(cè)的通信速率為19.2Kbit/s,PLC一側(cè)的通信速率為19.2Kbit/s1.5Mbit/s。 在STEP7的管理器中執(zhí)行菜單命令：選項設置PG/PC接口。在翻開的對話框中可以選擇實際使用的硬件接口。如圖4-1，單擊選擇，可以安裝上述選擇框中沒有列出的硬件接口的驅(qū)動程序。圖4-14.1.2 STEP7的編程功能 STEP7的編程語

27、言有梯形圖LAD、功能圖FBD、語句表STL。梯形圖LAD是STEP7編程語言的圖形表示，適合于電氣行業(yè)的用戶；語句表STL是文本編程語言，與機器代碼類似，能夠節(jié)省輸入時間和存儲區(qū)域，適合于計算機技術(shù)領域的用戶；功能塊FBD也是STEP7編程語言的圖形表示，用邏輯框表示邏輯功能，類似于數(shù)字門電路，適合于電路工程領域的用戶 STEP7通過符號編輯器，可以管理所有的全局變量，用于設置符號名稱、定義數(shù)據(jù)類型、注釋及排序功能。STEP7的測試和效勞功能具有設置斷點、強制輸入輸出、調(diào)用塊等，同時檢測幾個塊的狀態(tài)的功能，還有幫助功能，包括在線幫助及從幫助菜單獲得幫助。4.2 STEP7工程的創(chuàng)立 在STE

28、P7中，用工程來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP7用SIMATIC管理器對工程進展集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的數(shù)據(jù)。 使用向?qū)韯?chuàng)立工程，雙擊Windows桌面上的SIMATIC管理器圖標，進入SIMATIC Manager窗口。如下列圖：圖4-2下一步，CPU類型中選擇CPU315-2DP,MPI缺省值為2。如下列圖：圖4-3下一步，塊名稱OB1作為主程序的組織塊，所選的語言為LAD。如下列圖:圖4-4下一步，輸入工程名稱，按完成生成工程，如下列圖：圖4-54.3 用變量表調(diào)試程序4.3.1 系統(tǒng)調(diào)試步驟 首先用變量表來測試硬件，同時觀察C

29、PU模塊上的故障指示燈，或者使用故障診斷工具來診斷故障；第二，下載用戶程序，在下載程序之前將CPU的存儲器復位，將CPU切換到STOP模式；第三，排除可能導致CPU停機的程序中的錯誤；最后調(diào)試用戶程序，在執(zhí)行用戶程序過程中來檢查系統(tǒng)的功能，在調(diào)試時記錄對程序的修改。 在調(diào)試時，最先調(diào)試啟動組織塊OB100,然后調(diào)試FB和FC，調(diào)試啟動組織塊后，接著應先調(diào)試嵌套調(diào)用最深的塊。如圖4-6。在FB1調(diào)試好后再調(diào)試FB1的FC2,指令BEU可以在完整的OB1中臨時插入只有BEU指令之前的局部被執(zhí)行。調(diào)試好后將它刪除掉。1啟動5OB1(4)FC1(3)FC2(2)FB1DB1圖4-6 程序調(diào)試的步驟4.

30、3.2 變量表的根本功能 使用變量表可以在一個畫面中同時監(jiān)視，修改和強制用戶感興趣的全部變量。為滿足不同的調(diào)試要求，一個工程可以生成多個變量表，在變量表中賦值的變量包括輸入輸出、定時器、計數(shù)器、位存儲器，DB在內(nèi)的存儲器和外設I/O。 利用變量表可以監(jiān)視變量，在計算機上顯示用戶程序或CPU中的每個變量的當前值。也可以對變量進展修改，將固定值賦給變量，對外設輸出賦值，在停機的狀態(tài)下將固定值賦給CPU的每個輸出點。強制變量，給*個變量賦予一個固定值，即使用戶程序被進展，也不會影響被強制變量的值。4.3.3 變量表的生成在SIMATIC管理器中，用菜單命令插入S7塊B變量表，出現(xiàn)一個對話框，在對話框

31、中可以給變量表取一個符號名，確定生成一個新的變量表，如圖4-7。也可以在變量表編輯器中，用菜單命令表格新建一個新的變量表，可以為一個用戶生成幾個變量表。輸入變量時，可以在地址欄輸入在符號表中定義過的地址。當用回車鍵完成輸入項時，其余的詳細資料會自動地出現(xiàn)，可以用選項中的符號表將地址粘貼到變量表中。圖 4-74.3.4 變量表的使用 為了監(jiān)視或修改在當前變量表中的輸入變量，要與監(jiān)視的CPU建立連接，選擇變量表的菜單命令PLC連接到建立此連接，建立與CPU的連接，可以方便地進展變量的監(jiān)視或修改。用菜單命令PLC斷開連接，可以斷開變量表和CPU的連接。 用菜單命令變量觸發(fā)器翻開對話框，選擇在程序中的

32、觸發(fā)來監(jiān)視或修改變量。變量表顯示的是被監(jiān)視的變量在觸發(fā)點的數(shù)值，同時也可以選擇監(jiān)視的觸發(fā)條件：一次或每次循環(huán)，如圖4-8。圖 4-8 將CPU的模式開關(guān)調(diào)到RUN-P位置，單擊變量監(jiān)視，執(zhí)行監(jiān)視功能，變量表中的狀態(tài)值按設定的觸發(fā)點和觸發(fā)條件顯示在變量表中。在STOP模式下修改變量時，因為用戶程序沒有被執(zhí)行，各個變量的狀態(tài)時相互獨立的，相互不會影響。一些數(shù)字量可以任意地置0或置1狀態(tài)，并且有保持的功能。這種通常用來測試數(shù)字量輸出點的硬件是否正常。在RUN模式下修改變量時，各變量受到用戶程序的控制，所以在RUN模式下不能改變數(shù)字量輸入的狀態(tài)，僅取決于外部電路的通斷狀態(tài)。 強制變量可以給用戶程序中的

33、變量賦一個固定的值，這個值不會由于用戶程序的被執(zhí)行而發(fā)生變化。被強制的變量只能讀取，不能用寫訪問來該變其強制值。用菜單命令變量更新監(jiān)視值翻開窗口，被強制的變量和它們的強制值都顯示在窗口中。其中顯示的黑體字表示該變量已被賦予了固定值，普通字表示該變量已在被編輯，灰色字表示該變量不存在。變量的監(jiān)視和修改只能在變量表中進展，而不能在強制數(shù)值窗口中進展。第五章 組態(tài)分布式I/O 在常規(guī)自動化系統(tǒng)中，連接傳感器和執(zhí)行器的這些電纜直接連接到中央可編程邏輯控制器的I/O模塊上，這就需要大量的接線。使用分布式I/O模塊，就可以把輸入輸出模塊放到離傳感器和執(zhí)行器較近的地方，從而省了很多接線。本設計使用PROFI

34、BUS-DP來建立可編程控制器、I/O模塊和現(xiàn)場設備之間的連接。5.1 STEP7硬件組態(tài)與診斷 硬件組態(tài)工具用于對自動化系統(tǒng)中使用的硬件進展配置和參數(shù)設置，包括系統(tǒng)組態(tài)，CPU的參數(shù)設置，模塊的參數(shù)設置。同時還可以進展通信組態(tài)，包括連接的組態(tài)和顯示，設置用MPI或PROFIBUS-DP連接的設備之間的周期性數(shù)據(jù)傳送的的參數(shù)，設置用于MPI,PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)的診斷為用戶提供自動化系統(tǒng)的狀態(tài)，可以通過瀏覽CPU的數(shù)據(jù)和用戶程序在運行中的故障原因。也可以用圖形方式顯示硬件配置，顯示模塊故障，顯示診斷和緩沖區(qū)的信息等。 在PLC控制系統(tǒng)設計前期，首先需確定系統(tǒng)的硬件配

35、置，確定了硬件組成后，需要在STEP7中完成硬件配置。硬件組態(tài)就是在STEP7中生成一個與實際的硬件系統(tǒng)相符的系統(tǒng)。PLC在啟動時，將在STEP7中生成的硬件設置與實際的硬件相比擬，如果發(fā)現(xiàn)不同，將立刻生成錯誤報告。同樣，也可以對以太網(wǎng)，PROFIBUS-DP和MPI等網(wǎng)絡系統(tǒng)的構(gòu)造和通信參數(shù)進展組態(tài)。 在SIMATIC管理器中雙擊硬件圖標，如下列圖。進入硬件組態(tài)窗口。在UR導軌中放置模塊。圖 5-1雙擊模塊，在對話框中設置模塊的參數(shù)，包括模塊的屬性和DP主站和從站的參數(shù)。例如翻開CPU315-2 DP(1)模塊的參數(shù)設置如下列圖圖 5-2在啟動選項卡中，勾中如果預設值組態(tài)與實際值組態(tài)不匹配則

36、啟動表示如果一個模塊沒有插在組態(tài)時指定的槽位，或者*個槽插入的不是組態(tài)模塊，CPU也會啟動。除了PROFIBUS-DP接口模塊外，CPU不會檢查I/O組態(tài)。按下保存編譯按鈕并下載到PLC中區(qū)，如下列圖圖5-35.2 參數(shù)設置1CPU模塊參數(shù)的設置S7-300各種模塊的參數(shù)用STEP7來設置，雙擊CPU315-2DP模塊，如圖5-2。在啟動選項卡中的監(jiān)視時間是CPU將參數(shù)傳送給模塊的最大時間，單位為100ms。如果超出了設置時間，CPU按如果預設置的組態(tài)與實際組態(tài)不匹配則啟動的設置進展處理。周期/時鐘選項卡中可以設置掃描循環(huán)、監(jiān)視時間。如果超過了設定值，CPU將進入STOP模式。診斷/時鐘選項卡

37、對系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障進展識別，并作出相應的響應及保存診斷結(jié)果。為了準確地記錄故障順序，由系統(tǒng)中的時鐘作出同步調(diào)整。保持存儲器用來設置從MBO，TO和CO開場的需要斷電保持的存儲器字節(jié)數(shù)，定時器和計數(shù)器的數(shù)量，在掉電或CPU突然由RUN進入STOP模式后，其余內(nèi)容保持不變。還有保護級別的選擇，在保護選項卡中，有3個保護級別：級別1沒有口令，在RUN位置只有讀操作；級別2，如果知道口令的用戶可以進展讀寫，但對于不知道口令的人員只能讀訪問；級別3不能讀寫。日時鐘中斷選項卡用來產(chǎn)生日期-時間中斷，中斷產(chǎn)生時調(diào)用組織塊OB10OB17,還可以設置中斷優(yōu)先級。2數(shù)字量輸入輸出模塊的參數(shù)設置在STEP7設置數(shù)

38、字量輸入輸出模塊的參數(shù)設置必須在CPU處于STOP模式下進展。設置參數(shù)完成后，把參數(shù)下載到CPU中區(qū)，雙擊四號機架的DI32DC24V,出現(xiàn)如5-4所示的屬性窗口。在地址中可以設置模塊的起始字節(jié)地址。用同樣的方法設置數(shù)字量輸出模塊的參數(shù)。圖 5-43模擬量輸入輸出模塊的參數(shù)設置 雙擊AI812Bit,彈出如圖5-5。選擇輸入選項卡，在該頁額可以選擇是否診斷中斷或超出限時的硬件中斷，也可以分別對模塊的每一個通道組選擇允許的任意量程，每兩個通道為一組。本設計選用TC-I熱電偶，選勾超出限時硬件中斷，上限和下限分別為200和20，如圖5-6。圖 5-6圖 5-75.3 組態(tài)DP主站系統(tǒng)在HW Con

39、fig中選擇槽2.1的DP主站，菜單命令插入主站系統(tǒng)，在對話框中使用默認地址，在子網(wǎng)中選擇PROFIBUS(1)，如圖5-8圖 5-8在硬件目錄下查找模塊B-16DI，在該模塊平移到DP主站系統(tǒng)(1)處，彈出一個對話框，如圖5-9，選擇默認地址然后確認。圖 5-9 選擇模塊B-16DO，用同樣的方法拖放到DP主站系統(tǒng)(1)，使用缺省地址，再將接口模塊IM153拖放到主站系統(tǒng)。選中IM153模塊，單擊4號槽，在硬件目錄下選擇ET-200M,其中的SM321 DI32DC24V。雙擊該模塊將其插入，如圖5-10，最后保存并編譯該組態(tài)。也可以在SIMATIC Manager中雙擊網(wǎng)絡PROFIBUS

40、(1)翻開NetPro窗口。按照上述方法把模塊拖放到PROFIBUS DP，如圖5-11。雙擊任意模塊對其組態(tài)，HW Config窗口被翻開。圖 5-10圖 5-11第六章 PLC控制程序設計6.1 用戶程序的根本構(gòu)造 PLC中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序，操作系統(tǒng)用于實現(xiàn)的功能與特定的控制任務無關(guān)。比方處理PLC的起動、調(diào)用用戶程序，管理存儲區(qū)和處理通信等。用戶程序在STEP7中生成，然后再下載到CPU，用戶程序包含控制任務所需的所有功能。 STEP7將用戶編寫的程序和相應的數(shù)據(jù)放在塊中。通過塊與塊之間的調(diào)用，和子程序類似，不僅可以簡化程序組織，而且使得程序易于修改，調(diào)試和過失。也變得更易理

41、解、易維護，增加了PLC程序的組織透明性。組織塊(OB) 組織塊用于控制掃描循環(huán)和中斷程序的執(zhí)行、PLC的起動等。是操作系統(tǒng)和用戶程序的接口，由操作系統(tǒng)調(diào)用。其中OB1用于循環(huán)處理，是用戶程序中的主程序。操作系統(tǒng)循環(huán)一次就調(diào)用一次組織塊OB1，組織塊可分為啟動組織塊、循環(huán)組織塊的程序組織塊、定期執(zhí)行的程序組織塊、事件驅(qū)動執(zhí)行的程序組織塊,OB1屬于循環(huán)執(zhí)行的程序組織塊，而且就僅此這一個。啟動組織塊有三個：OB100暖啟動、OB101(熱啟動)、OB102(熱啟動)。功能塊(FB)和功能(FC)功能和功能塊是用戶編寫的包含使用的子程序，然后在主程序OB1或其他程序塊中調(diào)用FB。每次調(diào)用功能塊時必

42、需提供各種類型的數(shù)據(jù)給功能塊，功能塊也要返回變量給調(diào)用它的塊。功能(FC)與功能塊(FB)類似，根本區(qū)別在于FB有自己的存儲區(qū)(背景數(shù)據(jù)塊)，而FC則沒有。數(shù)據(jù)塊(DB)數(shù)據(jù)塊的作用是存放執(zhí)行用戶程序時所需要的數(shù)據(jù)區(qū)域，STEP7按數(shù)據(jù)生成的順序自動地為數(shù)據(jù)塊中的變量分配地址。數(shù)據(jù)塊分為背景數(shù)據(jù)塊(DI)和共享數(shù)據(jù)塊(DB)。背景數(shù)據(jù)塊是調(diào)用FB和SFB時用于傳送參數(shù)的數(shù)據(jù)塊，自動生成數(shù)據(jù)。共享數(shù)據(jù)塊是為用戶程序提供可保存的數(shù)據(jù)區(qū)域，共享DB存儲的是全局數(shù)據(jù)，供所有塊共享。系統(tǒng)功能(SFC)和系統(tǒng)功能塊(SFB)系統(tǒng)功能和系統(tǒng)功能塊是為用戶預先編寫好程序的塊，它們已經(jīng)固化在S7PLC的CPU中。用戶在程序中可以調(diào)用它們，但不能修改。其中SFB有存儲功能，其變量保存在背景數(shù)據(jù)塊中，而SFC則無存儲區(qū)。6.2 PID溫度控制 STEP7包含了兩個溫度控制器。1、FB59TCONT_S(步進控制器)2、FB58TCONT_CP,該溫度控制器用于具有連續(xù)或脈沖輸入信號的執(zhí)