PLC西门子S7-200温度

范文一：PLC西门子S7-200温度控制系统设计

佳木斯大学信息电子技术学院

2012届实训统设计

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指导教师:

2012年 12月 20日

摘要

在科学研究和生产实践的诸多领域中 , 温度控制占有着极为重要的地位 , 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制,所采用的加热方式,燃料, 控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等;燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变,具有不确定性,因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器 (PLC ) 可编程控制器是一种工业控制计算机, 是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强,价格便宜, 可靠性强,编程简单,易学易用等特点,在工业领域中深受工程操作人员的喜欢,因此 PLC 已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

关键字:温度控制 PLC 组态

第一章绪论

1.1 温度控制系统的意义

温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合,及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的,近年来,温湿度测控领域发展迅速,并且随着数字技术的发展,温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台,能够在工业、农业等各领域中广泛使用。

1.2 温度控制系统背景

自 70年代以来,由于工业过程控制的需要,特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下,国内外温度控制系统发展迅速,并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果,在这方面, 日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,都产生了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行各业广泛应用。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十分广泛,但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前,我国在这方面总体水平处于 20实际 80年代中后期水平,成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主,它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表,国内技术还不十分成熟。形成商品化并在仪表控制系统参数的自整定方面,还没开发性能可靠的自整定软件。参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。

随着科学技术的不断发展,人们对温度控制系统的要求越来越高,因此,

高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。

1.3 研究技术介绍

1.3.1 传感技术

传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础技术。中华人名共和国国家标准 GB7665-1987对传感器(transducer/sensor)的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。其中,敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中能将敏感元件或响应的被测量转换成适于传感器或被测量的电信号部分。 ”

对生产过程的监控首先离不开采集设备工作信息,因此选用合适的传感器至关重要, 如果把计算机看作是自动化系统的 “大脑” , 信道看作是 “神经网络” 的话, 那么传感器就是自动化系统的 “五官” 。无法对现场数据进行准确、可靠、实时测量,监控也就无从谈起了。

1.3.2 PLC

可编程控制器的英文名称是 Programmable Logic Controller ,即可编程逻辑控制器,简称 PLC 。

现代制造业必须对市场需求做出快速反应,生产小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品,这便要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高可靠性和灵活性。可编程控制器正是顺应这一潮流而出现的,以微处理器为基础的通用工业控制装置。

在 20世纪 60年代的汽车制造业,传统继电接触器控制装置广泛应用于生产流水线的自动控制系统中。这套装置设备体积庞大,可靠性差,同时维护不便,而且,完全由逻辑硬件构成,接线十分复杂。一旦生产过程某一环节发生改变,控制装置就要重新设计改造。随着汽车生产工业的迅猛发展,对于汽车型号频繁改进,传统控制系统捉襟见肘,弊端日益放大,最终 PLC 应运而生。它开创性地引入程序控制功能,使计算机科学技术进入工业生产控制领域应用。早期 PLC 仅仅是替代继电器控制装置完成顺序控制、定时等任务,但是其简单易懂、安装方便、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用的特点,使

得 PLC 很快就得到了推广应用。随着超大规模集成电路技术和微处理器性能的飞速发展, PLC 的软、硬件功能不能丰富、完善。

PLC 技术发展至今已十分成熟, 生产 PLC 产品的厂家多达 200多个, 其中较著名有德国的西门子 (Siemens ) 公司、美国的 Rockwell 自动化公司所属的 A-B (Allen & Bradly )公司、 GE-Fanuc 公司、法国的施耐德(Schneider )公司、日本的三菱公司和欧姆龙(OMRON )公司。

1.3.3 上位机

即便远离生产现场,操作人员仍可以通过远程计算机—即上位机—直接向生产设备发出控制指令的。上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号变化(液压,水位,温度等) ,便是人机界面(Human Machine Interface) 。而下位机是获取设备状况及直接控制设备的计算机,一般是 PLC 或单片机。

1.3.4 组态软件

组态软件,处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

在组态软件出现之前, 工控领域的用户通过手工或委托第三方编写 HMI (人机接口软件)应用,开发时间长、效率低、可靠性差;或者购买专用的工控系统,通常是封闭的系统,选择余地小,往往不能满足需求,很难与外界进行数据交互,升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能,构建一套最适合自己的应用系统。

随着工业自动化水平的迅速提高,计算机在工业领域的广泛应用,种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用,传统的工业控制软件已无法

满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时,一旦工业被控对象有变动,就必须修改其控制系统的源程序,导致其开发周期长;已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低,导致它的价格昂贵。通用工业自动化组态软件能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题, 使用户能根据自己的对象和控制目的的任意组态,完成最终的自动化控制工程。

第二章硬件设计

2.1 硬件配置

2.1.1 西门子 S7-200 CUP226

S7-200系列 PLC 可提供 4种不同的基本单元和 6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。 S7-200系列的基本单元如表 2.1所示。

表 2.1 S7-200系列 PLC 中 CPU22X 的基本单元

本论文采用的是 CUP226。它具有 24输入 /16输出共 40个数字量 I/O点。可连接 7个扩展模块,最大扩展至 248路数字量 I/O点或 35 路模拟量 I/O点。 26K 字节程序和数据存储空间。 6个独立的 30kHz 高速计数器, 2路独立的 20kHz 高速脉冲输出,具有 PID 控制器。 2个 RS485通讯 /编程口,具有 PPI 通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统,具有更多的输入 /输出点,更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

2.1.2 传感器

热电偶是一种感温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、应答误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范

围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从 1988年 1月 1日起,热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准生产,并指定 S 、 B 、 E 、 K 、 R 、 J 、 T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。本论文采用的是 K 型热电阻。

2.1.3 EM 235模拟量输入模块

EM 235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体(ST )单片集成变送器 ASIC 芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块,它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的 DC4~20mA (通过 250Ω电阻转换 DC 1~5V 或通过 500Ω电阻转换 DC2~10V )恒流环标准信号,连续输送到接收装置(计算机或显示仪表) 。

表 2-1所示为如何用 DIP 开关设置 EM 235模块。开关 1到 6可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。表 2.2所示为如何选择单 /双极性(开关 6) 、增益(开关 4和 5)和衰减(开关 1、 2和 3) 。下表 2.2中, ON 为接通, OFF 为断开。

表 2.2 EM 235选择模拟量输入范围和分辨率的开关表

根据温度检测和控制模块,我设置 PID 开关为 010001

图 2.1 DIP开关

2.1.4 温度检测和控制模块

由学校提供,模拟真实锅炉的温度检测和控制模块,可自行将 0~10V 模拟信号转化为占空比对锅炉进行加热。输出的模拟信号也是 0~10V , 锅炉外接 24V 直流电源。

2.2 I/O分配表

表 2.3 I/O分配表

2.3 硬件接线图

图 2.2 硬件连接图

电流变送器

电压变送器

未使用输入端

电载电载

图 2.3 EM 235 CN连接图

第三章软件设计

3.1 PID控制程序设计

模拟量闭环控制较好的方法之一是 PID 控制, PID 在工业领域的应用已经有 60多年,现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验, PID 的研究已经到达一个比较高的程度。

比例控制 (P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具有快速反应,控制及时,但不能消除余差。

在积分控制 (I)中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差,但具有滞后特点,不能快速对误差进行有效的控制。 3.1.1 PID控制算法

图 3.1 闭环控制系统

如图 3.1所示, PID 控制器可调节回路输出,使系统达到稳定状态。偏差 e 和输入量 r 、输出量 c 的关系 :

) () () (t c t r t e -= (3-1)

控制器的输出为:

]) () (1) ([) (1

0dt

t de T dt t e T t e K t u d i p ++=? (3-2)

) (t u ---------PID 回路输出

p K ----------比例系数 P i T -----------积分系数 I

d T -----------微分系数 D PID 调节的传输函数为

1[) () () (S T S

T K s E s U s D d i p ++==

(3-3) 数字计算机处理这个函数关系式,必须将连续函数离散化,对偏差周期采样后,计算机输出值。其离散化的规律如表 3.1所示:

表 3.1 模拟与离散形式

所以 PID 输出经过离散化后,它的输出方程为 :

) () () ()]}1() ([) () ({) (u n u n u n u n e n e T Td

i e T T

n e K n u d i p n

i i

p +++=--+

=∑= (3-4)

式中,

) () (n e K n u p p = 称为比例项 ∑==n

i i

i i e T T

K n u 0

) () ( 称为积分项

)]1() ([) (--=n e n e T

T K n u d

d 称为微分项上式中,积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。计算中,没有必要保留所有的采样周期的误差项,只需要保留积分项前值, 计算机的处理就是按照这种思想。故可利用 PLC 中的 PID 指令实现位置式 PID 控制算法量。

3.1.2 PID在 PLC 中的回路指令

西门子 S7-200系列 PLC 中使用的 PID 回路指令,见表 3.2

表 3.2 PID回路指令

使用方法:当 EN 端口执行条件存在时候,就可进行 PID 运算。指令的两个操作数 TBL 和 LOOP , TBL 是回路表的起始地址,本文采用的是 VB100,因为一个 PID 回路占用了 32个字节,所以 VD100到 VD132都被占用了。 LOOP 是回路号, 可以是 0~7,不可以重复使用。 PID 回路在 PLC 中的地址分配情况如表 3.3所示。

表 3.3 PID指令回路表

3.1.3 回路输入输出变量的数值转换方法

本文中,设定的温度是给定值 SP ,需要控制的变量是炉子的温度。但它不完全是过程变量 PV ,过程变量 PV 和 PID 回路输出有关。在本文中,经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量,所以,这两个数不在同一个

数量值,需要他们作比较,那就必须先作一下数据转换。传感器输入的电压信号经过 EM235转换后,是一个整数值,但 PID 指令执行的数据必须是实数型, 所以需要把整数转化成实数。使用指令 DTR 就可以了。如本设计中,是从 AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。其转换程序如下 :

MOVW AIW0 AC0 DTR AC0 AC0 MOVR AC0 VD100 3.1.4 实数归一化处理

因为 PID 中除了采样时间和 PID 的三个参数外,其他几个参数都要求输入或输出值 0.0~1.0之间,所以,在执行 PID 指令之前,必须把 PV 和 SP 的值作归一化处理。使它们的值都在 0.0~1.0之间。单极性的归一化的公式:

) 32000/(raw noum R R (3-5) 3.1.5 PID参数整定

PID 参数整定方法就是确定调节器的比例系数 P 、积分时间 Ti 和和微分时间 Td ,改善系统的静态和动态特性,使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定,但误差太大。目前,应用最多的还是工程整定法:如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。

经验法又叫现场凑试法,它不需要进行事先的计算和实验,而是根据运行经验,利用一组经验参数,根据反应曲线的效果不断地改变参数,对于温度控制系统,工程上已经有大量的经验,其规律如表 3.4所示

表 3.4 温度控制器参数经验数据

根据反复的试凑,调处比较好的结果是 P=15, I=2.0, D=0.5。

3.2 S7-200程序设计流程图

图 3.2 设计流程图

3.3 内存地址分配与 PID 指令回路表

3.3.1 内存地址分配

表 3.5 内存地址分配

主程序

子程序 0

中断程序

3.3.2 PID指令回路表

表 3.6 内存地址分配

3.4 S7-200程序设计梯形图

3.4.1 初次上电

1) 读入模拟信号,并把数值转化显示锅炉的当前电压

2) 判断炉温是否在正常范围,打亮正常运行指示灯 /温度越上限报警指示灯

3.4.2 启动 /停止阶段

启动过程:按下启动按钮后,开始标志位 M0.1置位, M0.2复位。打开运行指示灯 Q0.0,熄灭并停止指示灯初始化 PID 。开始运行子程序 0。

停止过程:按下停止按钮后,开始标志位 M0.1复位,点亮停止指示灯,熄灭运行指示灯。并把输出模拟量 AQW0清零,停止锅炉继续加热。停止调用子程序 0,仍然显示锅炉温度。

停止时模拟量输出清零,防止锅炉继续升温。

调用子程序。

3.4.3 子程序

1)输入设定温度

2)把设定温度、 P 值、 I 值、 D 值都导入 PID

3)每 100ms 中断一次子程序进行 PID 运算

导入 DIP 。

中断程序。

3.4.4 中断程序, PID 的计算

1)模拟信号的采样处理,归一化导入 PID

2) DIP 程序运算

3)输出 DIP 运算结果,逆转换为模拟信号

第四章组态编程

4.1 PLC通信配置与通信方式

4.1.1 串行数据传送和并行数据传送

1) 并行数据传送:并行数据传送时所有数据位是同时进行的,以字或字节为单位传送。并行传输速度快,但通信线路多、成本高,适合近距离数据高速传送。

2) 串行数据传送:串行数据传送时所有数据是按位 (bit)进行的。串行通信仅需要一对数据线就可以。在长距离数据传送中较为合适。

PLC 网络传送数据的方式绝大多数为串行方式, 而计算机或 PLC 内部数据处理、存储都是并行的。若要串行发送、接收数据,则要进行相应的串行、并行数据转换,即在数据发送前,要把并行数据先转换成串行数据;而在数据接收后,要把串行数据转换成并行数据后再处理。

4.1.2 异步方式与同步方式

根据串行通信数据传输方式的不同可以分为异步方式和同步方式。

1) 异步方式:又称起止方式。它在发送字符时,要先发送起始位,然后才是字符本身,最后是停止位。字符之后还可以加入奇偶校验位。异步传送较为简单,但要增加传送位,将影响传输速率。异步传送是靠起始位和波特率来保持同步的。

2) 同步方式:同步方式要在传送数据的同时,也传递时钟同步信号,并始终按照给定的时刻采集数据。同步方式传递数据虽提高了数据的传输速率,但对通信系统要求较高。

PLC 网络多采用异步方式传送数据。

4.2 网络的通讯 PPI 协议

PPI 是一种主从设备协议:主设备给从属装置发送请求, 从属装置进行响应。从属装置不发出讯息,而是一直等到主设备发送请求或轮询时才作出响应。主设备与从属装置的通讯将通过按 PPI 协议进行管理的共享连接来进行。

PPI 不限制与任何一个从属装置进行通讯的主设备的数目,网络上最多可安装 32个主设备。

图 4.1 PPI网络

如果在用户程序中激活 PPI 主设备模式, 则 S7--200 CPU 在处于 RUN (运行) 模式时可用作主设备。激活 PPI 主设备模式之后,可使用“网络读取”或“网络写入”指令从其它 S7--200读取数据或将数据写入其它 S7--200。当 S7--200用作 PPI 主设备时,它将仍然作为从属装置对来自其他主设备的请求进行响应。对于简单的单台主设备网络,编程站和 S7--200 CPU既可以通过 PPI 多台主设备电缆连接,也可以通过安装在编程站中的通讯处理器(CP )卡连接。在图上部的范例网络中,编程站(STEP7--Micro/WIN)是网络主设备。在图下部的范例网络中,人机界面(HMI )设备(例如 TD 200、 TP 或 OP )是网络主设备。

在两个范例网络中, S7--200 CPU是对主设备的请求进行响应的从属装置。

图 4.2 单台主设备 PPI 网络

4.3 组态软件 Kingview

组态王开发监控系统软件,是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层,对上连接管理层,它不但实现对现场的实时监测与控制,且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。

4.4 组态王定义外部设备和数据变量

4.4.1 外部设备的定义

组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都做为外部设备使用。外部硬件设备在本文中就是 PLC S7-200。可使用“设备配置向导”一步步完成设备的连接。

4.4.2 定义数据变量

要实现组态王对 S7-200的在线控制,就必须建立两者之间的联系,那就需要建立两者的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和“ I/O变量” 两类。内存变量是组态王内部的变量,不跟监控设备进行交换。而 I/O变量时两者之间互相交换数据的桥梁, S7-200和组态王的数据交换是双向的,一者的数据发生变化,另外一者的数据也跟着变化。所以需要在创建连接前新建一些变量。

本文中, PLC 用内存 VD0来存放当前的实际温度。并规定温度超过 105℃为温度过高,立即要作出相应警示信号。

点击工程管理器中的“数据词典”再双击右边窗口的新建,在出现的定义变量口中填写相应的要求项,并可在“报警定义”中设定报警。

4.4.3 数据类型

只对 I/O类型的变量起作用,共有 9种类型:

Bit :1位, 0或 1

Byte :8位, 一个字节

Short :16位, 2个字节

Ushort :16位, 2个字节

BCD :16位, 2个字节

Long :32位, 4个字节

LongBCD :32位, 4个字节

Float :32位, 4个字节

String :128个字符长度

4.5 组态王界面

4.5.1 温度控制主界面

图 4.5 监控画面

4.6 启动组态王

4.6.2 初次上电

初次上电,没有模拟量输入,只显示 PID 值和当前温度,曲线图为锅炉温度的实时曲线图。

图 4.6 初次上电

4.6.3 启动

启动后,锅炉开始升温,并维持在 50摄氏度左右。

图 4.7 启动加热

4.6.4 停止

按下停止按钮后,锅炉停止加热,停止灯亮,温度开始下降。

图 4.8 停止 4.6.5 报警

当温度越上限时,系统报警。

图 4.9 报警

结论

本课题设计了基于 PLC 的温度控制系统。

PLC (可编程控制器) 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。

PID 闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法, 对大部分控制对象都有良好的控制效果。组态软件组态王因其简单易用的特点,在 HMI 设计中深受用户的喜欢而得到广泛的使用。

在西门子 S7-200系列 PLC 和组态软件组态王的基础上,我们成功设计出了温度控制系统,该系统达到了快、准、稳的效果,也达到了预期的目标。再加上由组态王设计的人机界面,整个系统操作简单,控制方便,大大提高了系统的自动化程度和实用性。

该温度控制系统也有一些有不足的地方需要改进,编程时我们用了编程软件自带的 PID 指令向导模块,这样虽然方便,但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大,若不直接调用该模块,而是自己编写 PID 控制子程序的话, 控制效果可能会更好。还有人机界面内容不够丰富,若再加上报表系统、打印功能的话,那就更完美了。

日后,随着对 PLC 硬件系统和通信方式的深入了解,还可以丰富远程控制指令,以应对运行过程中的各种突发事件,增加其他 PLC ,通过构建复杂的多级网络适应大型的工业控制,使该系统运行时更加稳定可靠,性能更加完善。

本课题的研究是在我的导师赵老师的悉心指导下完成的,赵老师学识渊博、治学态度严谨、工作一丝不苟,更有诲人不倦的师者风范,在此谨向赵老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意!

毕业在即,衷心感谢指导过我的各位老师,四年的成长离不开他们的谆谆教诲; 感谢佳木斯大学 ,大学生涯是人生中的一笔宝贵财富;感谢 09级信息电子技术学院各位老师在四年的大学生活对我们关怀备至;感谢相伴度过四年的舍友、感谢同窗四年的同学、感谢帮助关心过我的学长,感谢默默关心我支持我的朋友们,祝大家在今后的生活中幸福快乐!

最后感谢含辛茹苦抚养我的父母,感谢他们多年来的支持与付出!

参考文献

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范文二：PLC西门子S7200温度控制系统毕业设计论文

1 引言 ................................................................ 2 1.1 温度控制系统的意义 ................................................ 2 1.2 温度控制系统背景 .................................................. 2

1.3 研究技术介绍 ...................................................... 2

2 硬件设计 ............................................................ 5 2.1 硬件配置 .......................................................... 5 2.2 IO分配表 .......................................................... 7

2.3 硬件接线图 ........................................................ 7

3 软件设计 ............................................................ 9 3.1 PID控制程序设计 ................................................... 9 3.2 S7-200程序设计流程图 ............................................. 12 3.3 内存地址分配与 PID 指令回路表 ..................................... 12

3.4 S7-200程序设计梯形图 ............................................. 13

4 组态编程 ........................................................... 19 4.1 PLC通信配置与通信方式 ............................................ 19 4.2 网络的通讯 PPI 协议 ............................................... 19 4.3 组态软件 Kingview ................................................. 20 4.4 组态王定义外部设备和数据变量 ..................................... 21 4.5 组态王界面 ....................................................... 23 4.6 启动组态王 ....................................................... 23 结论 .................................................................. 26 致谢 .................................................................. 27 参考文献 .............................................................. 28

1 引言

1.1 温度控制系统的意义

温度及湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合,及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的,近年来,温湿度测控领域发展迅速,并且随着数字技术的发展,温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台,能够在工业、农业等各领域中广泛使用。

1.2 温度控制系统背景

自 70年代以来,由于工业过程控制的需要,特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下, 国内外温度控制系统发展迅速,并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果,在这方面,一日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,都产生了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行各业广泛应用。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十分广泛, 但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前,我国在这方面总体水平处于 20实际 80年代中后期水平,成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主,它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表, 国内技术还不十分成熟。形成商品化并在仪表控制系统参数的自整定方面,还没开发性能可靠的自整定软件。参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。

随着科学技术的不断发展, 人们对温度控制系统的要求越来越高, 因此, 高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。

1.3 研究技术介绍

1.3.1 传感技术

传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础技术。

中华人名共和国国家标准 GB 对传感器(transducersensor )的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转换元件组成。其中,敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中能将敏感元件或响应的被测量转换成适于传感器或被测量的电信号部分。 ” 对生产过程的监控首先离不开采集设备工作信息, 因此选用合适的传感器至关重

要,如果把计算机看作是自动化系统的“大脑” ,信道看作是“神经网络”的话,那么传感器就是自动化系统的“五官” 。无法对现场数据进行准确、可靠、实时测量, 监控也就无从谈起了。

1.3.2 PLC

可编程控制器的英文名称是 Programmable Logic Controller,即可编程逻辑控制器,简称 PLC 。

现代制造业必须对市场需求做出快速反应,生产小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品, 这便要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高可靠性和灵活性。可编程控制器正是顺应这一潮流而出现的,以微处理器为基础的通用工业控制装置。

在 20世纪 60年代的汽车制造业, 传统继电接触器控制装置广泛应用于生产流水线的自动控制系统中。这套装置设备体积庞大,可靠性差,同时维护不便,而且,完全由逻辑硬件构成,接线十分复杂。一旦生产过程某一环节发生改变,控制装置就要重新设计改造。随着汽车生产工业的迅猛发展,对于汽车型号频繁改进,传统控制系统捉襟见肘,弊端日益放大,最终 PLC 应运而生。它开创性地引入程序控制功能,使计算机科学技术进入工业生产控制领域应用。

早期 PLC 仅仅是替代继电器控制装置完成顺序控制、定时等任务,但是其简单易懂、安装方便、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用的特点,使得 PLC 很快就得到了推广应用。随着超大规模集成电路技术和微处理器性能的飞速发展, PLC 的软、硬件功能不能丰富、完善。

国际电工委员会(IEC )对 PLC 的正式定义:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境应用而设计,它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟或输入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 ” PLC 技术发展至今已十分成熟,生产 PLC 产品的厂家多达 200多个,其中较著名有德国的西门子(Siemens )公司、美国的 Rockwell 自动化公司所属的 A-B (Allen & Bradly )公司、 GE-Fanuc 公司、法国的施耐德(Schneider )公司、日本的三菱公司和欧姆龙(OMRON )公司。

1.3.3 上位机

即便远离生产现场, 操作人员仍可以通过远程计算机—即上位机—直接向生产设备发出控制指令的。上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号变化(液压,水位,温度等) ,便是人机界面(Human Machine Interface) 。而下位机是获取设备状况及直接控制设备的计算机,一般是 PLC 或单片机。

1.3.4 组态软件

组态软件,处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态软件出现之前,工控领域的用户通过手工或委托第三方编写 HMI (人机接口软件)应用,开发时间长、效率低、可靠性差;或者购买专用的工控系统,通常是封闭的系统,选择余地小,往往不能满足需求,很难与外界进行数据交互,升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能,构建一套最适合自己的应用系统。

随着工业自动化水平的迅速提高,计算机在工业领域的广泛应用,种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用, 传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时,一旦工业被控对象有变动,就必须修改其控制系统的源程序,导致其开发周期长;已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低,导致它的价格昂贵。通用工业自动化组态软件能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题, 使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态,完成最终的自动化控制工程。

2 硬件设计

2.1 硬件配置

2.1.1 西门子 S7-200 CUP226

表 2.1 S7-200系列 PLC 中 CPU22X 的基本单元

本论文采用的是 CUP226。它具有 24输入 16输出共 40个数字量 IO 点。可连接 7个扩展模块,最大扩展至 248路数字量 IO 点或 35 路模拟量 IO 点。 26K 字节程序和数据存储空间。 6个独立的 30kHz 高速计数器, 2路独立的 20kHz 高速脉冲输出,具有 PID 控制器。 2个 RS485通讯编程口,具有 PPI 通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 IO 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统, 具有更多的输入输出点, 更强的模块扩展能力, 更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

2.1.2 传感器

热电偶是一种感温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、答应误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从 1988年 1月 1日起, 热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准生产, 并指定 S 、 B 、 E 、 K 、 R 、 J 、 T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。本论文采用的是 K 型热电阻。

2.1.3 EM 235模拟量输入模块

表 2-1所示为如何用 DIP 开关设置 EM 235模块。开关 1到 6可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。表 2.2所示为如何选择单双极性(开关 6) 、增益(开关 4和 5)和衰减(开关 1、 2和 3) 。下表 2.2中, ON 为接通, OFF 为断开。

表 2.2 EM 235选择模拟量输入范围和分辨率的开关表

根据温度检测和控制模块,我设置 PID 开关为 010001

图 2.1 DIP开关

2.1.4 温度检测和控制模块

2.2 IO分配表

表 2.3 IO分配表

2.3 硬件接线图

图 2.2 硬件连接图

电流变送器

电压变送器

未使用输入端

电载电载

图 2.3 EM 235 CN连接图

3 软件设计

3.1 PID控制程序设计

比例控制 (P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具有快速反应,控制及时,但不能消除余差。

在积分控制 (I)中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差,但具有滞后特点,不能快速对误差进行有效的控制。

在微分控制 (D)中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。微分控制具有超前作用, 它能猜测误差变化的趋势。避免较大的误差出现, 微分控制不能消除余差。

PID 控制, P 、 I 、 D 各有自己的长处和缺点,它们一起使用的时候又和互相制约, 但只有合理地选取 PID 值,就可以获得较高的控制质量。 3.1.1 PID控制算法

图 3.1 闭环控制系统

如图 3.1所示, PID 控制器可调节回路输出,使系统达到稳定状态。偏差 e 和输入量 r 、输出量 c 的关系 :

(3-1) 控制器的输出为:

])

() (1) ([) (1

0dt t de T dt t e T t e K t u d i p ++=? (3-2)

PID 回路输出

比例系数 P 积分系数 I 微分系数 D

PID 调节的传输函数为

1[) () () (S T S

T K s E s U s D d i p ++==

(3-3) 数字计算机处理这个函数关系式,必须将连续函数离散化,对偏差周期采样后, 计算机输出值。其离散化的规律如表 3.1所示:

表 3.1 模拟与离散形式

所以 PID 输出经过离散化后,它的输出方程为 :

) () () ()]}1() ([) () ({) (u n u n u n u n e n e T Td

i e T T

n e K n u d i p n

i i

p +++=--+

=∑= (3-4)

式中,

称为比例项称为积分项

)]1() ([) (--=n e n e T

T K n u d

d 称为微分项上式中,积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。计算中,没有必要保留所有的采样周期的误差项,只需要保留积分项前值,计算机的处理就是按照这种思想。故可利用 PLC 中的 PID 指令实现位置式 PID 控制算法量。 3.1.2 PID在 PLC 中的回路指令

西门子 S7-200系列 PLC

中使用的 PID 回路指令,见表 3.2

表 3.2 PID回路指令

使用方法:当 EN 端口执行条件存在时候,就可进行 PID 运算。指令的两个操作数 TBL 和 LOOP , TBL 是回路表的起始地址,本文采用的是 VB100,因为一个 PID 回路占用了 32个字节,所以 VD100到 VD132都被占用了。 LOOP 是回路号,可以是 0~7, 不可以重复使用。 PID 回路在 PLC 中的地址分配情况如表 3.3所示。

表 3.3 PID指令回路表

3.1.3 回路输入输出变量的数值转换方法

本文中, 设定的温度是给定值 SP , 需要控制的变量是炉子的温度。但它不完全是过程变量 PV ,过程变量 PV 和 PID 回路输出有关。在本文中,经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量,所以,这两个数不在同一个数量值,需要他们作比较,那就必须先作一下数据转换。传感器输入的电压信号经过 EM235转换后,是一个整数值,但 PID 指令执行的数据必须是实数型,所以需要把整数转化成实数。使用指令 DTR 就可以了。如本设计中,是从 AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。其转换程序如下 :

MOVW AIW0 AC0

DTR AC0 AC0

MOVR AC0 VD100

3.1.4 实数归一化处理

因为 PID 中除了采样时间和 PID 的三个参数外, 其他几个参数都要求输入或输出值 0.0~1.0之间,所以,在执行 PID 指令之前,必须把 PV 和 SP 的值作归一化处理。

使它们的值都在 0.0~1.0之间。单极性的归一化的公式:

(3-5)

3.1.5 PID参数整定

PID 参数整定方法就是确定调节器的比例系数 P 、积分时间 Ti 和和微分时间 Td , 改善系统的静态和动态特性,使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定,但误差太大。目前,应用最多的还是工程整定法:如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。

经验法又叫现场凑试法,它不需要进行事先的计算和实验,而是根据运行经验, 利用一组经验参数,根据反应曲线的效果不断地改变参数,对于温度控制系统,工程上已经有大量的经验,其规律如表 3.4所示

表 3.4 温度控制器参数经验数据

根据反复的试凑,调处比较好的结果是 P=15, I=2.0, D=0.5

3.2 S7-200程序设计流程图

图 3.2 设计流程图

3.3 内存地址分配与 PID 指令回路表

3.3.1 内存地址分配

表 3.5 内存地址分配

3.3.2 PID指令回路表

表 3.6 内存地址分配

3.4 S7-200程序设计梯形图

3.4.1 初次上电

1) 读入模拟信号,并把数值转化显示锅炉的当前电压

2) 判断炉温是否在正常范围,打亮正常运行指示灯温度越上限报警指示灯

3.4.2 启动停止阶段

启动过程:按下启动按钮后,开始标志位 M0.1置位, M0.2复位。打开运行指示灯 Q0.0,熄灭并停止指示灯初始化 PID 。开始运行子程序 0。

停止时模拟量输出清零,防止锅炉继续升温。

调用子程序。

3.4.3 子程序

1)输入设定温度

2)把设定温度、 P 值、 I 值、 D 值都导入 PID

3)每 100ms 中断一次子程序进行 PID 运算

导入 DIP 。

中断程序。

3.4.4 中断程序, PID 的计算

1)模拟信号的采样处理,归一化导入 PID

2) DIP 程序运算

3)输出 DIP 运算结果,逆转换为模拟信号

4 组态编程

4.1 PLC通信配置与通信方式

4.1.1 串行数据传送和并行数据传送

1) 并行数据传送:并行数据传送时所有数据位是同时进行的,以字或字节为单位传送。并行传输速度快,但通信线路多、成本高,适合近距离数据高速传送。

2) 串行数据传送:串行数据传送时所有数据是按位 (bit)进行的。串行通信仅需要一对数据线就可以。在长距离数据传送中较为合适。

PLC 网络传送数据的方式绝大多数为串行方式,而计算机或 PLC 内部数据处理、存储都是并行的。若要串行发送、接收数据,则要进行相应的串行、并行数据转换, 即在数据发送前,要把并行数据先转换成串行数据;而在数据接收后,要把串行数据转换成并行数据后再处理。

4.1.2 异步方式与同步方式

根据串行通信数据传输方式的不同可以分为异步方式和同步方式。

PLC 网络多采用异步方式传送数据。

4.2 网络的通讯 PPI 协议

PPI 是一种主从设备协议:主设备给从属装置发送请求,从属装置进行响应。从属装置不发出讯息,而是一直等到主设备发送请求或轮询时才作出响应。

主设备与从属装置的通讯将通过按 PPI 协议进行管理的共享连接来进行。 PPI 不限制与任何一个从属装置进行通讯的主设备的数目, 网络上最多可安装 32个主设备。

图 4.1 PPI网络

对于简单的单台主设备网络,编程站和 S7--200 CPU 既可以通过 PPI 多台主设备电缆连接,也可以通过安装在编程站中的通讯处理器(CP )卡连接。

在图上部的范例网络中,编程站(STEP7--MicroWIN )是网络主设备。在图下部的范例网络中,人机界面(HMI )设备(例如 TD 200、 TP 或 OP )是网络主设备。在两个范例网络中, S7--200 CPU是对主设备的请求进行响应的从属装置。

图 4.2 单台主设备 PPI 网络

4.3 组态软件 Kingview

范文三：PLC西门子S7-200温度控制系统毕业设计

本科毕业设计说明书(论文) 第 1页共 28 页

摘要

自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用,温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着 PLC 技术的飞速发展,通过 PLC 对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。温度控制系统广泛应用于工业控制领域,如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统。而温度控制在许多领域中也有广泛的应用。这方面的应用大多是基于单片机进行 PID 控制 , 然而单片机控制的 DDC 系统软硬件设计较为复杂 , 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处 , 然而 PLC 在这方面却是公认的最佳选择。根据大滞后、大惯性、时变性的特点,一般采用 PID 调节进行控制。随着 PLC 功能的扩充,在许多 PLC 控制器中都扩充了 PID 控制功能 , 因此在逻辑控制与 PID 控制混合的应用场所中采用 PLC 控制是较为合理的。本设计是利用西门子 S7-200PLC 来控制温度系统。首先研究了温度的 PID 调节控制,提出了 PID 的模糊自整定的设计方案,结合 MCGS 监控软件控制得以实现控制温度目的。

关键词 :PLC ; PID ;温度控制。

1 引言 ................................................................ 2 1.1 温度控制系统的意义 ................................................ 3 1.2 温度控制系统背景 .................................................. 3

1.3 研究技术介绍 ...................................................... 3

2 硬件设计 ............................................................ 6 2.1 硬件配置 .......................................................... 6 2.2 I/O分配表 ......................................................... 8

2.3 硬件接线图 ........................................................ 8

3 软件设计 ........................................................... 10 3.1 PID控制程序设计 .................................................. 10 3.2 S7-200程序设计流程图 ............................................. 14 3.3 内存地址分配与 PID 指令回路表 ..................................... 15

3.4 S7-200程序设计梯形图 ............................................. 15

4 组态编程 ........................................................... 22 4.1 PLC通信配置与通信方式 ............................................ 22 4.2 网络的通讯 PPI 协议 ............................................... 22 4.3 组态软件 Kingview ................................................. 23 4.4 组态王定义外部设备和数据变量 ..................................... 24 4.5 组态王界面 ....................................................... 26 4.6 启动组态王 ....................................................... 27 结论 .................................................................. 30 附录 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 致谢 .................................................................. 31 参考文献 .............................................................. 32

1 引言

1.1 温度控制系统的意义

1.2 温度控制系统背景

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十分广泛, 但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前,我国在这方面总体水平处于 20实际 80年代中后期水平,成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主,它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表, 国内技术还不十分成熟。形成商品化并在仪表控制系统参数的自整定方面,还没开发性能可靠的自整定软件。参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。

随着科学技术的不断发展, 人们对温度控制系统的要求越来越高, 因此, 高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。

1.3 研究技术介绍

1.3.1 传感技术

传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础技术。

中华人名共和国国家标准 GB7665-1987对传感器(transducer/sensor)的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。其中,敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中能将敏感元件或响应的被测量转换成适于传感器或被测量的电

信号部分。 ”

对生产过程的监控首先离不开采集设备工作信息, 因此选用合适的传感器至关重要,如果把计算机看作是自动化系统的“大脑” ,信道看作是“神经网络”的话,那么传感器就是自动化系统的“五官” 。无法对现场数据进行准确、可靠、实时测量, 监控也就无从谈起了。

1.3.2 PLC

可编程控制器的英文名称是 Programmable Logic Controller,即可编程逻辑控制器,简称 PLC 。

现代制造业必须对市场需求做出快速反应,生产小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品, 这便要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高可靠性和灵活性。可编程控制器正是顺应这一潮流而出现的,以微处理器为基础的通用工业控制装置。

在 20世纪 60年代的汽车制造业, 传统继电接触器控制装置广泛应用于生产流水线的自动控制系统中。这套装置设备体积庞大,可靠性差,同时维护不便,而且,完全由逻辑硬件构成,接线十分复杂。一旦生产过程某一环节发生改变,控制装置就要重新设计改造。随着汽车生产工业的迅猛发展,对于汽车型号频繁改进,传统控制系统捉襟见肘,弊端日益放大,最终 PLC 应运而生。它开创性地引入程序控制功能,使计算机科学技术进入工业生产控制领域应用。

国际电工委员会(IEC )对 PLC 的正式定义:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境应用而设计,它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟或输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 ” PLC 技术发展至今已十分成熟,生产 PLC 产品的厂家多达 200多个,其中较著名有德国的西门子(Siemens )公司、美国的 Rockwell 自动化公司所属的 A-B (Allen & Bradly )公司、 GE-Fanuc 公司、法国的施耐德(Schneider )公司、日本的三菱公司

和欧姆龙(OMRON )公司。

1.3.3 上位机

即便远离生产现场, 操作人员仍可以通过远程计算机—即上位机—直接向生产设备发出控制指令的。上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号变化(液压,水位,温度等) ,便是人机界面(Human Machine Interface) 。而下位机是获取设备状况及直接控制设备的计算机,一般是 PLC 或单片机。

1.3.4 组态软件

2 硬件设计

2.1 硬件配置

2.1.1 西门子 S7-200 CUP226

表 2.1 S7-200系列 PLC 中 CPU22X 的基本单元

本论文采用的是 CUP226。它具有 24输入 /16输出共 40个数字量 I/O点。可连接 7个扩展模块, 最大扩展至 248路数字量 I/O点或 35 路模拟量 I/O点。 26K 字节程序和数据存储空间。 6个独立的 30kHz 高速计数器, 2路独立的 20kHz 高速脉冲输出, 具有 PID 控制器。 2个 RS485通讯 /编程口,具有 PPI 通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统,具有更多的输入 /输出点,更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

2.1.2 传感器

2.1.3 EM 235模拟量输入模块

表 2.2 EM 235选择模拟量输入范围和分辨率的开关表

根据温度检测和控制模块,我设置 PID 开关为 010001

图 2.1 DIP开关

2.1.4 温度检测和控制模块

2.2 I/O分配表

表 2.3 I/O分配表

2.3 硬件接线图

图 2.2 硬件连接图

电流变送器

电压变送器

未使用输入端

电载电载

图 2.3 EM 235 CN连接图

3 软件设计

3.1 PID控制程序设计

比例控制 (P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具有快速反应,控制及时,但不能消除余差。

在积分控制 (I)中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差,但具有滞后特点,不能快速对误差进行有效的控制。

PID 控制, P 、 I 、 D 各有自己的长处和缺点,它们一起使用的时候又和互相制约, 但只有合理地选取 PID 值,就可以获得较高的控制质量。 3.1.1 PID控制算法

图 3.1 闭环控制系统

如图 3.1所示, PID 控制器可调节回路输出,使系统达到稳定状态。偏差 e 和输入量 r 、输出量 c 的关系 :

) () () (t c t r t e -= (3-1)

控制器的输出为:

])

() (1) ([) (1

0dt

t de T dt t e T t e K t u d i p ++=? (3-2)

) (t u ---------PID 回路输出

p K ----------比例系数 P i T -----------积分系数 I d T -----------微分系数 D PID 调节的传输函数为

1[) () () (S T S

T K s E s U s D d i p ++==

(3-3) 数字计算机处理这个函数关系式,必须将连续函数离散化,对偏差周期采样后, 计算机输出值。其离散化的规律如表 3.1所示:

表 3.1 模拟与离散形式

所以 PID 输出经过离散化后,它的输出方程为 :

) () () ()]}1() ([) () ({) (u n u n u n u n e n e T Td

i e T T

n e K n u d i p n

i i

p +++=--+

=∑= (3-4)

式中,

) () (n e K n u p p = 称为比例项 ∑==n

i i

i i e T T

K n u 0

) () ( 称为积分项

)]1() ([) (--=n e n e T

T K n u d

d 称为微分项上式中,积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。计算中,没有必要保留所有的采样周期的误差项,只需要保留积分项前值,计算机的处理就是按照这种思想。故可利用 PLC 中的 PID 指令实现位置式 PID 控制算法量。

3.1.2 PID在 PLC 中的回路指令

西门子 S7-200系列 PLC 中使用的 PID 回路指令,见表 3.2

表 3.2 PID回路指令

使用方法:当 EN 端口执行条件存在时候,就可进行 PID 运算。指令的两个操作数 TBL 和 LOOP , TBL 是回路表的起始地址,本文采用的是 VB100,因为一个 PID 回路占用了 32个字节,所以 VD100到 VD132都被占用了。 LOOP 是回路号,可以是 0~7, 不可以重复使用。 PID 回路在 PLC 中的地址分配情况如表 3.3所示。

表 3.3 PID指令回路表

3.1.3 回路输入输出变量的数值转换方法

本文中, 设定的温度是给定值 SP , 需要控制的变量是炉子的温度。但它不完全是过程变量 PV ,过程变量 PV 和 PID 回路输出有关。在本文中,经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量,所以,这两个数不在同一个数量值,需要他们

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第 13 页共 28 页

作比较,那就必须先作一下数据转换。传感器输入的电压信号经过 EM235转换后,是一个整数值,但 PID 指令执行的数据必须是实数型,所以需要把整数转化成实数。使用指令 DTR 就可以了。如本设计中,是从 AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。其转换程序如下 :

MOVW AIW0 AC0 DTR AC0 AC0 MOVR AC0 VD100 3.1.4 实数归一化处理

因为 PID 中除了采样时间和 PID 的三个参数外, 其他几个参数都要求输入或输出值 0.0~1.0之间,所以,在执行 PID 指令之前,必须把 PV 和 SP 的值作归一化处理。使它们的值都在 0.0~1.0之间。单极性的归一化的公式:

) 32000/(raw noum R R (3-5) 3.1.5 PID参数整定

PID 参数整定方法就是确定调节器的比例系数 P 、积分时间 Ti 和和微分时间 Td , 改善系统的静态和动态特性,使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定,但误差太大。目前,应用最多的还是工程整定法:如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。

经验法又叫现场凑试法,它不需要进行事先的计算和实验,而是根据运行经验, 利用一组经验参数,根据反应曲线的效果不断地改变参数,对于温度控制系统,工程上已经有大量的经验,其规律如表 3.4所示

表 3.4 温度控制器参数经验数据

根据反复的试凑,调处比较好的结果是 P=15, I=2.0, D=0.5

3.2 S7-200程序设计流程图

图 3.2 设计流程图

主程序

子程序 0

中断程序

3.3 内存地址分配与 PID 指令回路表

3.3.1 内存地址分配

表 3.5 内存地址分配

3.3.2 PID指令回路表

表 3.6 内存地址分配

3.4 S7-200程序设计梯形图

3.4.1 初次上电

1) 读入模拟信号,并把数值转化显示锅炉的当前电压

2) 判断炉温是否在正常范围,打亮正常运行指示灯 /温度越上限报警指示灯

本科毕业设计说明书(论文) 第 16页共 28 页

本科毕业设计说明书(论文) 第 17页共 28 页 3.4.2 启动 /停止阶段

启动过程:按下启动按钮后,开始标志位 M0.1置位, M0.2复位。打开运行指示灯 Q0.0,熄灭并停止指示灯初始化 PID 。开始运行子程序 0。

停止过程:按下停止按钮后,开始标志位 M0.1复位,点亮停止指示灯,熄灭运行指示灯。并把输出模拟量 AQW0清零,停止锅炉继续加热。停止调用子程序 0,仍然

显示锅炉温度。

停止时模拟量输出清零,防止锅炉继续升温。

调用子程序。

3.4.3 子程序

1)输入设定温度

2)把设定温度、 P 值、 I 值、 D 值都导入 PID

3)每 100ms 中断一次子程序进行 PID 运算

导入 DIP 。

中断程序。

3.4.4 中断程序, PID 的计算

1)模拟信号的采样处理,归一化导入 PID

2) DIP 程序运算

3)输出 DIP 运算结果,逆转换为模拟信号

本科毕业设计说明书(论文) 第 21页共 28

页

本科毕业设计说明书(论文) 第 22页共 28 页 4 组态编程

4.1 PLC通信配置与通信方式

4.1.1 串行数据传送和并行数据传送

1) 并行数据传送:并行数据传送时所有数据位是同时进行的,以字或字节为单位传送。并行传输速度快,但通信线路多、成本高,适合近距离数据高速传送。

2) 串行数据传送:串行数据传送时所有数据是按位 (bit)进行的。串行通信仅需要一对数据线就可以。在长距离数据传送中较为合适。

PLC 网络传送数据的方式绝大多数为串行方式,而计算机或 PLC 内部数据处理、存储都是并行的。若要串行发送、接收数据,则要进行相应的串行、并行数据转换, 即在数据发送前,要把并行数据先转换成串行数据;而在数据接收后,要把串行数据转换成并行数据后再处理。

4.1.2 异步方式与同步方式

根据串行通信数据传输方式的不同可以分为异步方式和同步方式。

PLC 网络多采用异步方式传送数据。

4.2 网络的通讯 PPI 协议

PPI 是一种主从设备协议:主设备给从属装置发送请求,从属装置进行响应。从属装置不发出讯息,而是一直等到主设备发送请求或轮询时才作出响应。

图 4.1 PPI网络

对于简单的单台主设备网络,编程站和 S7--200 CPU 既可以通过 PPI 多台主设备电缆连接,也可以通过安装在编程站中的通讯处理器(CP )卡连接。

在图上部的范例网络中,编程站(STEP7--Micro/WIN)是网络主设备。在图下部的范例网络中,人机界面(HMI )设备(例如 TD 200、 TP 或 OP )是网络主设备。在两个范例网络中, S7--200 CPU

是对主设备的请求进行响应的从属装置。

图 4.2 单台主设备 PPI 网络

4.3 组态软件 Kingview

组态王开发监控系统软件,是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层,对上连接管理层,它不但实现对

现场的实时监测与控制,且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题:画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析, 采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面,有利于试验者实时现场监控。而且,它能充分利用 Windows 的图形编辑功能,方便地构成监控画面,并以动画方式显示控制设备的状态,具有报警窗口、实时趋势曲线等, 可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

4.4 组态王定义外部设备和数据变量

4.4.1 外部设备的定义

4.4.2 定义数据变量

要实现组态王对 S7-200的在线控制,就必须建立两者之间的联系,那就需要建立两者的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和“ I/O变量”两类。内存变量是组态王内部的变量,不跟监控设备进行交换。而 I/O变量时两者之间互相交换数据的桥梁, S7-200和组态王的数据交换是双向的, 一者的数据发生变化, 另外一者的数据也跟着变化。所以需要在创建连接前新建一些变量。

本文中, PLC 用内存 VD0来存放当前的实际温度。并规定温度超过 105℃为温度过高,立即要作出相应警示信号。如图 4.3所示。

点击工程管理器中的“数据词典”再双击右边窗口的新建,在出现的定义变量口中填写相应的要求项,并可在“报警定义”中设定报警。如图 4.4所示。

图 4.3 定义画面变量设置

图 4.4 定义变量报警

4.4.3 数据类型

只对 I/O类型的变量起作用,共有 9种类型: Bit :1位, 0或 1

Byte :8位, 一个字节

Short :16位, 2个字节

Ushort :16位, 2个字节

BCD :16位, 2个字节

Long :32位, 4个字节

LongBCD :32位, 4个字节

Float :32位, 4个字节

String :128个字符长度

4.5 组态王界面

4.5.1 温度控制主界面

图 4.5 监控画面

4.6 启动组态王

4.6.2 初次上电

初次上电,没有模拟量输入,只显示 PID 值和当前温度,曲线图为锅炉温度的实时曲线图。

图 4.6 初次上电

4.6.3 启动

启动后,锅炉开始升温,并维持在 50摄氏度左右。

图 4.7 启动加热

4.6.4 停止

按下停止按钮后,锅炉停止加热,停止灯亮,温度开始下降。

图 4.8 停止

4.6.5 报警

当温度越上限时,系统报警。

图 4.9 报警

本科毕业设计说明书(论文) 第 30页共 28 页结论

本课题设计了基于 PLC 的温度控制系统。

PLC (可编程控制器) 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。

PID 闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法,对大部分控制对象都有良好的控制效果。组态软件组态王因其简单易用的特点,在 HMI 设计中深受用户的喜欢而得到广泛的使用。

该温度控制系统也有一些有不足的地方需要改进, 编程时我们用了编程软件自带的 PID 指令向导模块,这样虽然方便,但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大, 若不直接调用该模块, 而是自己编写 PID 控制子程序的话, 控制效果可能会更好。还有人机界面内容不够丰富,若再加上报表系统、打印功能的话,那就更完美了。日后,随着对 PLC 硬件系统和通信方式的深入了解,还可以丰富远程控制指令, 以应对运行过程中的各种突发事件,增加其他 PLC ,通过构建复杂的多级网络适应大型的工业控制,使该系统运行时更加稳定可靠,性能更加完善。

附录 2 PID 温度控制的 PLC 程序设计

需要设置的参数有六个,分别是比例带、积分时间、微分时间、滞后值、控制周期、偏移量。它们在 PLC 的地址与一些开关的地址如下所列。

比例带 : DM51

积分时间 : DM52

微分时间 : DM53

滞后值 : DM54

控制周期 : DM55

偏移量 : DM56

数据刷新 : 22905

PLC 程序部分

002:PID 的输入字

102:PID 的输出字

[NETWORK]

Name=

[STATEMENTLIST]

LD 253.13 //常 ON

OUT TR0

CMP 002 #FFFF //确定温控单元是否完成初始化

AND NOT 255.06 //等于

OUT 041.15 //初始化完成

LD TR0

AND 041.15

OUT TR1

AND NOT 040.10 //不在参数设置状态

MOV DM0050 102 //将设置温度 DM50传送给 PID 输出字

LD TR1

MOV 002 DM0057 //将 002传送到 DM57

[NETWORK]

Name=

[STATEMENTLIST]

LD 253.13

OUT TR0

AND 229.05 //触摸屏上的开始设置开关

DIFU 080.05 //设置微分

LD TR0

AND 041.15

AND 080.05

SET 040.01 //开始设置标志位 1

SET 040.10 //开始设置标志位 2

[NETWORK]

Name=

[STATEMENTLIST]

LD 040.01

OUT TR0

AND NOT 042.01

MOV #C110 102 //读输出边与输入边的比例带 CMP 002 #C110 //比较输入字是否变成 C110 AND 255.06 //等于

SET 042.01 //设置比例带标志

LD TR0

AND 042.01

MOV DM0051 102 //将比例带的设定值写入输出字 CMP 002 DM0051 //是否写入

AND 255.06

RSET 040.01 //复位标志 1

RSET 042.01 //复位比例带标志

SET 040.02 //向下继续设置标志

[NETWORK]

Name=

[STATEMENTLIST]

LD 040.02

OUT TR0

AND NOT 042.02

MOV #C220 102 //读输出边与输入边的积分

CMP 002 #C220 //比较输入字是否变成 C220 AND 255.06

SET 042.02 //设置积分标志

LD TR0

AND 042.02

MOV DM0052 102 //将积分的设定值写入输出字 CMP 002 DM0052 //是否写入

AND 255.06

RSET 040.02

RSET 042.02

SET 040.03 //向下继续设置标志

[NETWORK]

Name=

[STATEMENTLIST]

LD 040.03

OUT TR0

AND NOT 042.03

MOV #C330 102 //读输出边与输入边的微分 CMP 002 #C330 //比较输入字是否变成 C330 AND 255.06

SET 042.03 //设置微分标志

LD TR0

AND 042.03

MOV DM0053 102 /将微分的设定值写入输出字 CMP 002 DM0053 //是否写入

AND 255.06

RSET 040.03

RSET 042.03

SET 040.04 //向下继续设置标志

[NETWORK]

Name=

[STATEMENTLIST]

LD 040.04

OUT TR0

AND NOT 042.04

MOV #C440 102 //读输出边与输入边的滞后值 CMP 002 #C440 //比较输入字是否变成 C440 AND 255.06

SET 042.04 设置滞后值标志

LD TR0

AND 042.04

MOV DM0054 102 /将滞后值的设定值写入输出字 CMP 002 DM0054 //是否写入

AND 255.06

RSET 040.04

RSET 042.04

SET 040.05 //向下继续设置标志

[NETWORK]

Name=

[STATEMENTLIST]

LD 040.05

OUT TR0

AND NOT 042.05

MOV #C550 102 //读输出边与输入边的控制周期 CMP 002 #C550 //比较输入字是否变成 C550 AND 255.06

SET 042.05 //设置控制周期标志

LD TR0

AND 042.05

MOV DM0055 102 将控制周期的设定值写入输出字 CMP 002 DM0055 是否写入

AND 255.06

RSET 040.05

RSET 042.05

SET 040.06 //向下继续设置标志

[NETWORK]

Name=

[STATEMENTLIST]

LD 040.06

OUT TR0

AND NOT 042.06

MOV #C660 102 //读输出边与输入边的偏移量 CMP 002 #C660 //比较输入字是否变成 C660 AND 255.06

SET 042.06 //设置偏移量标志

LD TR0

AND 042.06

MOV DM0056 102 //将偏移量的设定值写入输出字 CMP 002 DM0056 //是否写入

AND 255.06

RSET 040.06

RSET 042.06

SET 040.00

[NETWORK]

Name=

[STATEMENTLIST]

LD 040.00

OUT TR0

AND NOT 042.00

MOV #C070 102 //读输入边的处理值

CMP 002 #C070 比较输入字变成 C070

AND 255.06

SET 042.00 //返回标志

LD TR0

AND 042.00

MOV DM0050 102 将设定温度值写入输出字 RSET 040.00

RSET 042.00

RSET 040.10

致谢

本课题的研究是在我的导师李强李老师的悉心指导下完成的,李老师学识渊博、治学态度严谨、工作一丝不苟,更有诲人不倦的师者风范,在此谨向李老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意!

此外,衷心感谢本组的其他成员,组长郑剑杰认真细致、责任感强烈,组员之间互相讨论帮助,若是没有他们,也就不会有这篇论文的产生。

毕业在即,衷心感谢指导过我的各位老师,四年的成长离不开他们的谆谆教诲; 感谢南京理工大学紫金学院,大学生涯是人生中的一笔宝贵财富;感谢 06级电光系郑浩主任,四年的大学生活对我们关怀备至;感谢相伴度过四年的舍友、感谢同窗四年的同学、感谢帮助关心过我的学长,感谢默默关心我支持我的朋友们,祝大家在今后的生活中幸福快乐!

最后感谢含辛茹苦抚养我的父母,感谢他们多年来的支持与付出!

参考文献

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范文四：基于西门子S7-200 PLC的温度控制系统设计毕业论

基于西门子 S7-200 PLC的温度控制系统设计毕业论文

第一章前言

1.1 课题研究背景

温度是工业生产中常见的工艺参数之一, 任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中温度控制占有着极为重要的地位特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制, 所采用的加热方式, 燃料, 控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等;燃料有煤气、天然气、油、电等 [1]。温度控制系统的工艺过程复杂多变,具有不确定性,因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器(PLC )可编程控制器是一种工业控制计算机,是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强,价格便宜, 可靠性强,编程简朴,易学易用等特点,在工业领域中深受工程操作人员的喜欢, 因此 PLC 已在工业控制的各个领域中

被广泛地使用 [2]。

目前在控制领域中, 虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具,特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统 (DCS ) 。但就其控制策略而言,占统治地位的仍旧是常规的 PID 控制。 PID 结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型 [3]。 PID 的使用已经有 60多年了,有人称赞它是控制领域的常青树。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件, 它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境, 使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前,要实现某一任务,都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长,而且轻易犯错误,不能保证工期。组态软件的出现,解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作,通过组态几天就可以完成 . 组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的,组态王具有流程画面,过程数据记录,趋势曲线,报警窗口,生产报表等功能,已经在多个领域被应用 [4]。

1.2 温度控制系统的发展状况

温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用,在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源,它的出现迄今已有两百余年的历史。期间,从低级到高级,从简单到复杂,随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高,温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比

较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统, 基于 PLC 的温度控制系统,基于工控机(IPC )的温度控制系统,集散型温度控制系统 (DCS ) ,现场总线控制系统(FCS )等。

单片机的发展历史虽不长,但它凭着体积小,成本低,功能强盛和可靠性高等特点, 已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的 4位机发展到 32位机,其性能进一步得到改善 [5]。基于单片机的温度控制系统运行稳定,工作精度高。但相对其他温度系统而言,单片机响应速度慢、中断源少,不利于在复杂的,高要求的系统中使用。 PLC 是一种数字控制专用电子计算机,它使用了可编程序存储器储存指令,执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过模仿和数字输入、输出等组件,控制各种机械或工作程序。 PLC 可靠性高、抗干扰能力强、编程简单,易于被工程人员把握和使用,目前在工业领域上被广泛应用 [6]。相对于 IPC , DCS , FSC 等 ?系统而言, PLC 是具有成本上的优势。因此, PLC 占领着很大的市场份额, 其前景也很有前途。工控机(IPC )即工业用个人计算机。 IPC 的性能可靠、软件丰富、价格低廉,应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境,抗 ...

?系统而言, PLC 是具有成本上的优势。因此, PLC 占领着很大的市场份额,其前景也很有前途。

工控机(IPC )即工业用个人计算机。 IPC 的性能可靠、软件丰富、价格低廉, 应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境, 抗振动、抗高温、防灰尘,防电磁辐射。过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控, 一般较难达到满意的结果, 原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输

入的复杂系统。影响燃烧的因素十分复杂,较准确的数学模型不易建立,以经典的 PID 为基础的常规仪表控制,已很难达到最佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波,积分分离 PID ,选择性 PID 。参数自整定等各种灵活算法,以及“模糊判定”功能, 是常规仪表和人力难以实现或无法实现的 [7]。在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的监控品质,提高了平均热效率 [7]。但假如单独采用工控机作为控制系统,又有易干扰和可靠性差的缺点。

集散型温度控制系统(DCS )是一种功能上分散,治理上集中上集中的新型控制系统。与常规仪表相比具有丰富的监控、协调治理功能等特点。 DCS 的要害是通信。也可以说数据公路是分散控制系统 DCS 的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络, 因此, 数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。基本 DCS 的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平,能减少操作人员的劳动强度, 有助于提高系统的效率 [8]。但 DCS 在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构,支持无扰切换和带电插拔, 由于设计上的高要求,导致 DCS 成本太高。

现场总线控制系统(FCS )综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基于总线控制系统(FCS )的温度控制系统具有高精度,高智能,便于管理等特点, FCS 系统由于信息处理现场化,能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而且它可以对现场装置 (含变送器、执行器等 ) 进行远程诊断、维护和组态,这是其他系统无法达到的 [9]。

但是, FCS 还没有完全成熟, 它才刚刚进入实用化的现阶段, 另一方面, 另一方面, 目前现场总线的国际标准共有 12种之多, 这给 FSC 的广泛应用添加了很大的阻力。

各种温度系统都有自己的优缺点, 用户需要根据实际需要选择系统配置, 当然,在实际运用中,为了达到更好的控制系统,可以采取多个系统的集成,做到互补长短。

温度控制系统在海内各行各业的应用虽然已经十分广泛, 但从生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍旧不高,同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主。它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表, 国内技术还不十分成熟,形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面, 国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后, 还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速,并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先,都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表, 并在各行业广泛应用。目前, 国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展 [10]。

1.3本文的研究内容

本论文主要是利用 PLC S7-200 采用 PID 控制技术做一个温度控制系统, ?要求稳定误差不超过正负 1℃, 并且用组态软件实现在线监控。详细有以下几方面的内容:第一章,对 PLC 系统应用的背景进行了阐述, 并介绍当前温度控制系统的发展状况。第二章,简单概述了 PLC 的基本概念以及组成。 ...

?要求稳定误差不超过正负 1℃, 并且用组态软件实现在线监控。详细有以下几方面的内容:

第一章, 对 PLC 系统应用的背景进行了阐述, 并介绍当前温度控制系统的发展状况。

第二章,简单概述了 PLC 的基本概念以及组成。

第三章, 介绍了控制系统设计所采用的硬件连接、使用方法以及编程软件的简单介绍。

第四章,介绍了本论文中用到的一些算法技巧和思想,包括 PWM 、 PID 控制、 PID 在 PLC 中的使用方法以及 PID 的参数整定方法。

第五章, 介绍了设计程序的设计思想和程序, 包括助记符语言表和梯形图。

第六章,介绍了组态画面的设计方法。

第七章,进行系统设计,检验控制系统控制质量。

第八章对全文进行总结。

第二章可编程控制器的概述

2.1 可编程控制器的产生

可编程控制器是一种工业控制计算机, 英文全称 :Programmable Controller ,为了和个人计算机 (PC)区分,一般称其为 PLC 。可编程控制器 (PLC)是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。其性能优越,已被广泛地应用于工业控制的各个领域。

20世纪 60年代, 计算机技术开始应用于工业控制领域, 但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大,未能在工业领域中获得推广。 1968年, 美国的汽车制造公司通用汽车公司 (GM)提出了研制一种新型控制器的要求, 并从用户角度提出新一代控制器应具备十大条件,立刻引起了开发热潮。 1969年,美国数字设备公司 (DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器,并应用于通用汽车公司的生产线上。

可编程控制器自问世以来, 发展极为迅速。 1971年日本开始生产可编程控制器,而欧洲是 1973开始的。如今,世界各国的一些闻名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器 [11]。可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代,见表 1-1。

表 1-1 可编程控制器功能表

代次器件功能

第一代 1位处理器逻辑控制功能

第二代 8位处理器及存储器产品系列化

第三代高性能 8位微处理器及位片式微处理器处理速度提高, 向多功能及联网通信发展

第四代 16位、 32位微处理器及高性能位片式微处理器逻辑、运动、

数据处理、联网功能的多功能

2.2 可编程控制器的基本组成

PLC 从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。整体式 PLC 一般由 CPU 板、 I/O板、显示面板、内存和电源组成。模块式 PLC 一般由 CPU 模块、 I /O模块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。本论文实物采用的是模块式的 PLC ,不管哪种 PLC ,都是属于总线式的开发结构,其构成如图 2-1所示 [12]。

1) CPU(中央处理器)

和一般的微机一样, CPU 是微机 PLC 的核心,主要由运算器、控制器、寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。 CPU 在很大程度上决定了 PLC 的整体性能,如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量。

CPU 控制着 PLC 工作, 通过读取、解释指令, 指导 PLC 有条不紊的工作。

2) 存储器

存储器 (内存) 主要用语存储程序及数据, 是 PLC 不可缺少的组成部分。 PLC 中的存储器一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序一般由厂家编写的,用户不能修改;而用户程序是随 PLC 的控制对象而定的, 由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。

3) 输入输出模块

输入模块和输出模块通常称为 I/O模块或 I/O单元。 PLC 提供了各种工作电平、连接形式和驱动能力的 I/O模块,有各种功能的 I/O模块供拥护选用。按 I/O点数确定模块的规格和数量, I/O模块可多可少,但其最大数受 PLC 所能管理的配置能力, 即底版的限制。 ? PLC还提供了各种各样的非凡的 I/O模块, 如热电阻、热电偶、高速计算器、位置控制、以太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打印机等专用型或智能型模块,用以满意各种非凡功能的控制要求。智能接口 ... ?

PLC 还提供了各种各样的非凡的 I/O模块,如热电阻、热电偶、高速计算器、位置控制、以太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打印机等专用型或智能型模块,用以满意各种非凡功能的控制要求。智能接口模块是一独立的计算机系统,它有自己的 CPU 、系统程序、存储器及与 PLC 系统总线相连接的接口。

4) 编程装置

编程器作用是将用户编写的程序下载至 PLC 的用户程序存储器, 并利用编程器检查、修改和调试用户程序, 监视用户程序的执行过程, 显示 PLC 状态、内部器件及系统的参数等。常见的编程器有简易手持编程器、智能图形编程器和基于 PC 的专用编程软件。目前 PLC 制造厂家大都开发了计算机辅助 PLC 编程支持软件, 当个人计算机安装了 PLC 编程支持软件后,可用作图形编程器,进行用户程序的编辑、修改,并通过个

人计算机和 PLC 之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控 PLC 运行状态等。

5)电源

PLC 的电源将外部供应的交流电转换成供 CPU 、存储器等所需的直流电, 是整个 PLC 的能源供应中央。 PLC 大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源,许多 PLC 电源还可向外部提供直流 24V 稳压电源, 用于向输入接口上的接入电气元件供电, 从而简化外围配置。

第三章硬件配置和软件环境

3.1实验配置

3.1.1 西门子 S7-200

S7-200系列 PLC 可提供 4种不同的基本单元和 6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。本论文采用的是 CUP224。它具有 24个输入点和 16个输出点。 S7-200系列的基本单元如表 3-1所示 [13]。

3.1.2 传感器

热电偶是一种感温元件, 它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、答应误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表, 主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国

范文五：基于西门子s7-200的温度控制系统设计

郑州大学毕业设计(论文)

题目

控制系统设计

院系

专业

年级

学生姓名

指导教师

2013 年 6 月 2 日

摘要

温度是各种工业过程最普遍、最重要的参数之一,温度控制的精度对实验结果或工业生产都会产生重要的影响。

传统的温控系统采用温控仪表和继电器式控制柜等进行控制,其主要缺点是结构复杂,体积大,故障率高,通用性差,控制精度低.人机交互困难,自动化程度低.难以满足现代生产加工的需要。随着现代传感技术与控制方法的不断革新和发展, 对实时温度控制的精度以及反应快速性的要求越来越高。本文就是基于 PLC 的温度控制系统设计。

本文主要介绍了 PLC 相关知识、温度控制系统的硬件设计、软件设计, 同时对传感技术、 PID 算法以及调压技术进行了涉及。在硬件上主要采用西门子 S7-200系列 CPU224XP , K 型热电偶传感器及 K 型热电偶变送器、柱式电压调压器以及 EM235模拟量输入输出扩展模块。热电偶作为温度采集元件,采集的信号经温度变送器转换盒放大后送到 EM235处理, 随后送入 PLC 进行 PID 运算, 运算结果控制调压器对加热过程进行调节实现自动化控制。

关键词温度控制 PLC PID

Abstract

Temperature is one of the most common variety of industrial processes, the most important parameter, the accuracy of temperature control will have an important impact on the results or industrial production.

The temperature control system is adopted in traditional temperature control meter and relay control cabinet control, its main disadvantage is the complicated structure, big volume, high failure rate, poor universality, low control accuracy. Human-computer interaction difficulties, low degree of automation. It is difficult to meet the needs of modern production and processing. With the continuous innovation and development of modern sensor technology and control method, the higher of the real-time temperature control precision and response speed are required. This article is based on the PLC temperature control system design. This paper mainly introduced the PLC related knowledge, the temperature control system hardware design, software design, at the same time, sensor technology, PID algorithm and the pressure regulating technology is involved. The hardware mainly adopts Siemens S7-200 series CPU224XP, the column voltage type K thermocouple sensor and K type thermocouple temperature transmitter, pressure regulator and EM235 analog input and output expansion module. Thermocouple as the temperature acquisition device, the signals collected by the temperature transmitter conversion kit amplified to EM235 processing, then sent to PLC PID operation, the control voltage regulator is adjusted to realize automatic control of heating process calculation results.

Keywords temperature control PLC PID

摘要 ......................................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................................... I I 第一章绪论 . .......................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究背景及意义:. ......................................................................................................... 1 1.2 课题研究的主要内容 . ............................................................................................................. 2 1.3 研究技术介绍 . ......................................................................................................................... 2 1.3.1 传感检测技术 . .............................................................................................................. 2 1.3.2 PLC ................................................................................................................................ 3 1.3.3 上位机 . .......................................................................................................................... 3 1.3.4 组态软件 . ...................................................................................................................... 4 第二章硬件设计 . .................................................................................................................................. 5 2.1 硬件配置 . ................................................................................................................................. 5 2.1.1 西门子 S7-200PLC . ...................................................................................................... 5 2.1.2 热电偶 . .......................................................................................................................... 8 2.1.3 电力调整器 . .................................................................................................................. 9 2.2 硬件连接 . ............................................................................................................................... 12 2.3 地址分配表 . ........................................................................................................................... 13 第三章软件设计 . ................................................................................................................................ 14 3.1 PID控制程序设计 ................................................................................................................. 14 3.1.1 PID控制内容 .............................................................................................................. 14 3.1.2 PID控制原理(PID 算法) ....................................................................................... 14 3.1.3 PID输入输出值转换 .................................................................................................. 15 3.1.4 PID在 PLC 中的回路指令 ......................................................................................... 17 3.1.5 PID参数调整的一般步骤 .......................................................................................... 18 3.2 程序设计流程图 . ................................................................................................................... 18 3.3 内存分配地址及 PID 指令回路表 ....................................................................................... 20 3.4 S7-200程序设计梯形图 ........................................................................................................ 21 3.4.1 启动 /停止 . ................................................................................................................... 21 3.4.2 初始化 . ........................................................................................................................ 21 3.4.3 调用子程序 . ................................................................................................................ 22 3.4.4 数据导入 . .................................................................................................................... 23 3.4.5 测量值归一处理 . ........................................................................................................ 24 3.4.6 计算设定量与过程变量差值 . .................................................................................... 25 3.4.7 根据具体情况选择合适的加热方式 ......................................................................... 25 第四章组态软件 Kingview ................................................................................................................ 27 4.1 外部设备定义 . ....................................................................................................................... 27 4.2 数据变量 . ............................................................................................................................... 28 4.3 组态王画面设计 . ................................................................................................................... 29 4.3.1 建立新画面 . ................................................................................................................ 29

4.3.2 实时趋势曲线制作 . .................................................................................................... 30 4.3.3 报警窗口制作 . ............................................................................................................ 32 4.3.4 指示灯 . ........................................................................................................................ 34 4.3.5 温度数值显示 . ............................................................................................................ 35 4.3 组态王与西门子 PLC 的通信 .............................................................................................. 36 第五章结论 . ........................................................................................................................................ 37 致谢 ...................................................................................................................................................... 38 参考文献 ............................................................................................................................................... 39

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义:

工业生产当中,温度是一个非常重要的参数,温度的轻微变化均可能带来较大的物理化学变化,从而给生产质量带来了巨大的挑战。在科学研究和生产实践当中 ——特别是在冶金、化工、建材、视频、机械、石油等工业当中,温度控制更是具有举足轻重的作用,而不同的工业生产和工业要求下的温度控制系统所采用的加热方式也各不相同,考虑到电阻炉能够实现较快的控制变化以适应复杂多变的工业生产过程,电阻炉温度控制系统的优劣更是衡量质量的重要属性,故而本课题主要以电阻炉为对象设计根据生产要求及实时状态不同的情况下均具有较好温度控制效果的温度控制系统。

传统的温控系统采用温控仪表和继电器式控制柜等进行控制,其主要缺点是结构复杂,体积大,故障率高,通用性差,控制精度低.人机交互困难,自动化程度低.难以满足现代生产加工的需要。随着现代传感技术与控制方法的不断革新和发展,对实时温度控制的精度以及反应快速性的要求越来越高。传统的模拟式温度控制方法已经不能适用干现代工业对系统稳定性和快速性的需求,特别是当系统的温度指令信号发生快速变化时,传统的模拟控制器固有的反应时间和器件特性使系统的反应稳定过程较慢、而且易受干扰,不能适应现代高精度温度控制的需求。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统,基于 PLC 的温度控制系统,基于工控机(IPC )的温度控制系统,集散型温度控制系统(DCS ) ,现场总线控制系统(FCS )等。就发展情况和使用现状而言, PLC 与集散控制系统的发展越来越接近,多数情况下已经可以实现功能的互相替代;而工业微机在要求快速、实时性强、模型复杂的工业控制系统中占有优势,但是最致命的弱点是尚不能适应复杂多变的工业现场环境且对操作人员要求比较高。综合对比而言, PLC 具有相当大的功能和成本优势:PLC 不仅具有传统继电器控制系统的控制功能.而且能扩展输入输出模块,特别是可以扩展一些智能控制模块.构成不同的控制系统,将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体,实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制系统 ;PLC 功能强、集成度高、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定, 编程简单,无论对编程人员还是对操作人员都无需较高的专业水平,具有更强大的适应性;另外一个比较关键的优势是, PLC 发展相对完善且具有明显的成本优势。故而,本课题选取的西门子 S7— 200PLC 作为控制元件。

1.2 课题研究的主要内容

本文主要以电阻炉为对象研究设计了能够根据实时状态采取不同温度控制方式的温度控制系统,并保证了用户可以调整预设温度来针对不同的生产实践过程,具有较强的适应性。对此,本文主要进行了以下几个方面的工作:

(1)较为简单明了的阐明了锅炉控制的主要机理, 并就整个温度控制过程给出了较为清晰明了的说明;

(2)介绍了西门子 S7— 200系列 PLC 的主要内容,并根据实际需要对型号和使用器件进行了对比选择;

(3)介绍了 PID 控制算法的相关内容以及 PLC 自带 PID 模块的使用,并就系统自调整的步骤给出了相关介绍;

(4)根据控制系统的设计要求进行 PLC 控制程序的编制;

(5)上位机监控软件的设计, 采用应用范围较大的组态王软件对整个温度控制过程进行监控。

1.3 研究技术介绍

1.3.1 传感检测技术

传感检测技术是应用传感器将被测量信息转换成便于传输和处理的物理量,进而进行变换、传输、现实、记录和分析数据处理的技术。随着科学技术和生产发展的需要,传感检测技术已经发展成为一门完整的交叉性技术学科,综合应用了现代电子技术、微电子技术、生物技术、材料科学、化学科学、光电技术、精密机械技术、微细加工技术等。

传感检测技术是实现自动控制、自动调节的关键环节,它与信息系统的输入端相连接,并将检测到的信号输送到信息处理部分,是机电一体化系统的感受器官。随着现代电子技术、微电子技术及信息技术的发展,在各种可用信号中电信号最便于处理、传输、显示和记录,因此传感器大多集中在“将外界非电信号转换成电信号输出” 。

传感器按工作原理可以分为电阻式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、电容式传感器光电式传感器、热电偶传感器等。其中热电势传感器时利用转换元件电磁参量岁温度变化的特性,对温度和与温度有关参量进行检测的装置,常用于温度监控系统的信息采集。

1.3.2 PLC

国际电工委员会(IEC )于 1982年颁布了 PLC 标准草案第一稿, 1987年颁布了第三稿,对可编程控制器(Programmable Logic Controller)定义如下:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统, 专业为工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定式、技术和算术运算等操作指令,并通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械动作过程。可编程控制器及其相关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则设计。

PLC 型号品种繁多,但实质都是一种工业控制计算机, PLC 内部组成分为中央处理器(CPU ) 、存储器、电源、输入输出单元和通信街头。 PLC 在运行状态执行用户指令分为 3个时间段,第一段是输入信号采集阶段,以扫描方式顺序读入外面信号的输入状态并将该状态输入到输入映像存储器中;第二阶段是用户指令执行阶段,按照梯形图的顺序先左后右、从上到下的对指令进行读取和解释,并从输入映像存储器和输出映像存储器中读取输入和输出的状态,结合原来的各软元件的数据及状态进行逻辑运算,运算的结果存入响应的寄存器,然后执行下一条指令直至 END ;第三阶段是结果输出阶段,输出映像存储器的状态将成批输出到输出锁存寄存器中,输出锁存寄存器一一对应着物理点输出口,这才是 PLC 的实际输出。世界上生产 PLC 的厂家非常多,著名的有美国 A ·B ,日本三菱,德国西门子等公司。 PLC 编程语言常用的有梯形图、指令图和 SFC 图,由于梯形图比较直观容易掌握,因此受到普通技术人员欢迎。 PLC 变成工具有手持式编程器,一般供现场调试及修改使用;个人电脑,利用专用的编程软件(STEP7-MicroWIN )进行编程。

1.3.3 上位机

上位机是可以直接发出操控指令的计算机, 一般为 PC 机; 与上位机对应的下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机, 一般为 PLC/单片机等。上位机发出命令给下位机,下位机根据命令解释成相应的时序信号直接控制响应设备;下位机不停读取设备状态数据,转换成数字信号以后反馈给上位机,而上位机的屏幕上可以显示各种信号的变化。

1.3.4 组态软件

在开发传统的工业控制软件时,当工业被控对象一旦变化就必须修改其控制系统的源程序,导致其开发周期长;已开发成功的工控软件业由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低,导致价格非常昂贵;在修改工控软件的源程序时,倘若原来的编程人员因工作变动离去时,则必须同其他人员或新手进行源程序的修改, 因而更是相当困难。组态软件的出现为解决上述问题提供了一个崭新的方法,因为它能够很好的解决传统工业控制软件存在的问题,使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态,完成最终的自动化控制工程。

组态软件是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控软件,即 SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)软件,亦称人机界面或 HMI/MMI(Human Machine Interface/Man Machine Interface)软件,俗称组态软件。简单的说,组态软件能够实现对自动化过程和装备的监视和控制,它能从自动化过程和装备中采集各种信息,并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示,将重要的信息以各种手段传递给相关人员,对信息执行必要的分析处理和存储,发出控制指令。组态软件提供了丰富的用于工业自动化监控的功能,用户根据自己工程的需要进行选择,配置等较为简单的工作来建立自己所需要的监控系统系统。

常用的组态软件有 iFLX 、 InTouch 、 Citech 、 WinCC 、 TraceMode 、组态王、力控。其中,组态王软件是国内开发较早的软件,界面操作灵活方便,有较强的通信功能,对比使用便捷性和功能性,本设计采用组态王软件。

第二章硬件设计

2.1 硬件配置

2.1.1 西门子 S7-200PLC

西门子 S7— 200系列 PLC 以其极高的可靠性、丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通信能力、丰富的扩展模块而适用于各行各业各种场合中的检测、监测及控制的自动化,其强大功能使其无论独立运行或连成网络皆能够实现复杂控制功能。 S7— 200系列 PLC 在集散自动化系统中发挥其强大功能,使用范围从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制,应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域,包括水电、核电、火电、各种输电、用电设施,各种机床、机械,环境保护设备及运动系统等。 SIMATIC S7— 200PLC 系统构成包括基本单元(CPU 模块) 、扩展单元(接口模块) 、编程器、通信电缆、存储卡、写入器、文本显示器等。

(1)基本单元(CPU )

S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量 I/O点集成在一个紧凑的封装中, 组成了一个功能强大的 PLC 。 CPU 的主要功能使进行逻辑运算及数学运算,并协调整个系统的工作。

西门子提供多种型号的 CPU 以适应不同的应用要求, 每种型号都具有不同的数字量 I/O点数、内存容量等规格参数。目前提供的 S7-200 CPU 型号有 CPU 221、 CPU 222、 CUP 224、 CPU 226、 CPU 226XM,其规格表如下:

表 2.1 西门子 S7-200各型号参数

对比较以上数据,考虑到传感器采取数据为模拟量,故而本文选择采用 CPU224XP , 由于本设计外部设备较少, 故而不再对电源供电等方面进行讨论, PLC 内部电源即可满足需求。

(2)扩展模块 EM235

为满足工业控制要求, S7— 200PLC 配有模拟量输入输出模块 EM235,它具有 4个模块量输入通道, 1个模拟量输出通道。该模块的模拟量输入功能同 EM231模拟量输入模块,特性基本相同,只是电压输入范围有所不同;该模块模拟量输出功能同 EM232模拟量输出模块,特性参数也基本相同。

该模块需要 DC24V 供电,可由 CPU 模块的传感器电源 DC24V/400mA供电, 也可由用户设置外部电源,本设计采用模块数量较少,从经济角度和工业结构稳定角度考虑内部供电。

下表描述了如何用设定开关 DIP 设置 EM235模块,开关 1到开关 6可选择模拟量输入范围和分辨率,所有输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。其中,开关 6为选择单双极性、开关 4和 5为选择增益,开关 1、 2和 3为选择衰减。表 2.2 EM235

设定开关 DIP

本设计选择单极性,开关为 010001。

(3)编程 /通信电缆

编程 /通信电缆是 PLC 用来实现与个人计算机 PC 通信的,连接 PLC 的 RS485口和计算机的 RS232可以用 PC/PPI电缆。西门子 PC/PPI电缆带有 RS232/RS485电平转换器, 是 PC 标准串口 RS232到 PPI 接口 (PLC 通信端口 RS485) 的转换电缆、

互连电缆,是一种低成本的通信方式。适用于西门子 S7— 200系列 PLC ,支持 PPI 协议和自由口通信协议,并可使用 MODEM (调制解调器)通过电话线远程通信。 PC/PPI电缆具有光电隔离和内置的防静电、浪涌等瞬态过电压保护电路,能够很好的保护电路,解决通信口易烧的问题。

表 2.3 PC — RS232插头和 PPI — RS485插头的信号定义

将 PC/PPI电缆的 RS485插头插入 S7— 200PLC 的编程口, RS232插头插入 PC 的 RS232口,并在编程软件上选择对应的 COM 口号,将 10bit 、 11bit 选择开关拨到 11bit 位置即可。 PC/PPI电缆的波特率为 0— 28.8kbit/s 自动适应无需设置。考虑到本设计 PC 机与 PLC 需要进行长距离通信, 需要外接电源, 并且在 RS485插头 3、 8之间并接 120Ω终端电阻以消除信号反射。

2.1.2 热电偶

热电偶是目前热电测温中普遍使用的一种温度计, 其工作原理是基于热电效应, 可广泛用来测量 -200— 1300℃范围内的温度。热电偶温度计具有结构简单,价格便宜,准确度高,测温范围广、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。由于热电偶直接将温度转换为热电势进行检测,使温度的测量、控制、远传以及对温度信号的放大和变换都非常方便,适用于远距离测量和自动控制。在接触式测温方式中,热电偶温度计应用最为普遍。

在我国常用用的热电偶达数十种,国际电工委员会 IEC 对其中已被国际公认的 8种热电偶制定了国际标准,这些热电偶称为标准热电偶。标准热电偶已列入工业化标准文件中,文件规定了其热电势与温度之间的关系、答应误差、并具有统一的分度表,标准热电偶具有与其配套的显示仪表可供选用;与此对应,非标准化热电

偶在适用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。本设计选择 K 型热电偶(镍铬-镍硅) ,其长期使用温度为 -270— 1000℃,短期使用温度可达到 1300℃,在工业中应用最多,适应氧化性环境、线性度好。下表为其分度表部分内容,参考端温度为 0℃。

表 2.4 K 型热电偶分度表(节选)

由温度传感器检测来的信号不是标准的电压(电流)信号,不能够直接传送给 PLC , 因此温度传感器采集到的温度信号要经过变送器的处理以后才能被 A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。

温度变送器由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、 V/I转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后,再由线性电路消除热电势与温度的非线性误差,最后放大转换为 4~20mA 电流输出信号。为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故,变送器中还设有断电保护电路。当热电偶断丝或接解不良时, 变送器会输出最大值 (28mA ) 以使仪表切断电源。

由于本设计采取了 K 型热电偶传感器,故而热电偶温度变送器采用 K 型热电偶温度变送器。

2.1.3 电力调整器

本设计采用的锅炉为电阻炉,电阻炉是基于电阻发热原理的加热设备。电阻炉温度控制系统一般包括控制回路和主回路两个部分,主回路是由可控硅、过电流保护快速熔断器、过电压保护 R C 和电阻炉的加热元件等部分组成;控制回路是由直流信号电源、直流工作电源、电流反馈环节、同步信号环节、触发脉冲产生器、温度检测器和 PID 温度调节器等部分组成,其中主回路根据控制回路 PID

控制信号经功率分配调节装置(调功器)来调整加热体能够获取的发热功率。调功器是加热主回路的核心部件,目前大多采用一体化的晶闸管电力控制器来实现电阻炉负载功率的调节分配。 “晶闸管”又称“可控硅” (SCR ) ,是一种四层三端半导体器件,具有体积小、结构简单、功能强大等有点。晶闸管门极与负极之间输入正向触发电压时晶闸管导通, 阳极 A 与阴极 K 之间外加正向电压; 若晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压,则在电压过零时晶闸管会自行关断。调功器主要利用了晶闸管的无触点开关特性,能够迅速的将器件从关闭或阻断状态转换为开启或导通状态,通过开端状态和导通状态时间的改变来调节负载上的电压波形;同时由于晶闸管具有较宽的电流电压控制能力,晶闸管的应用也逐渐普及起来,常用于高电压和大电流的控制,通常情况下以封装好的整体单元来进行使用。

晶闸管调功器一般由触发板、晶闸管模块、专用散热器、风机、外壳等组成, 其核心部件是控制板和晶闸管模块,散热系统采用高效散热、低噪音风机。晶闸管调功器一般与带有 0-5V , 4-20mA 的智能 PID 调节器或 PLC 配套使用,负载类型可以是三相阻性负载、三相感性负载及三相变压器负载。目前主流电力调整器都是调压与调功一体化的,调压采用移相控制方式,有定周期调功和变周期调功两种方式。

本设计主要采用 JK3S 系列调功器。 JK3S 系列调功器是具有高度数字化的新型功率控制设备,集移向调压型和变周期、定周期过零调功型三种触发方式于一体,通过外部转换开关可在三种触发方式之间任意转换;带有数码显示模块,能够实时显示输入信号、负载功率、负载电压以及负载电流,有斜率调整、缓启动、缓关断、电流限制、过流保护、电压限制、过压保护报警等功能,具有开环调压、闭环恒流、闭环恒压、闭环恒功率四种调节方式;参数设置方便,接线简单,具有通讯功能, RS485接口,标准 MODBUS RTU 通讯协议,计算机能够通过 485通讯数字量进行控制。 JK3S 型三相数字可控硅调压器与 0-5V 、 4-20ma 的智能 PID 调节器或 PLC 配套使用,能够实现精确的温度控制。

从北京佳凯中兴自动化技术有限公司网站上查阅到主要技术参数如下:

表 2.5 JK3S 系列三相全数字晶闸管功率控制器

2.2 硬件连接

图 2.1 硬件连接图电流变送器

电压变送器

未使用输入端

电载电载

图 2.2 EM235模拟量输出模块的端子接线图

2.3 地址分配表

表 2.6 I/O地址分配如表

第三章软件设计

3.1 PID控制程序设计

3.1.1 PID控制内容

PID 控制是比例积分微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中, PID 控制是历史最悠久生命力最强的基本控制方式。 PID 控制具有以下优点:

①原理简单,使用方便:PID 控制是由 P 、 I 、 D 三个环节的不同组合而成,其基本组成原理比较简单,很容易理解,参数的物理意义也比较明确;

②适应强:可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油等生产部门,按 PID 控制进行工作的自动化调节器已经商品化。

③鲁棒性强:控制品质对被控对象特征的变化不太敏感。 PID 控制中 P 、 I 、 D 分别代表比例调节、积分调节和微分调节:

比例控制 (P):最简单的控制方式, 最主要特点是有差调节, 即控制器的输出与输入误差信号成比例关系。调节特点是具有快速反应, 控制及时, 但不能消除余差。

在积分控制 (I):控制器的输出信号的变化速度与偏差信号成正比关系, 最主要的特点是无差调节,即调节阀开度与当时被调量的数值本身没有直接关系,故而被称为浮动调节。积分控制可以消除余差,但具有滞后特点,不能快速对误差进行有效的控制。

在微分控制 (D)中:控制器的输出信号与输入误差信号的微分成正比关系。微分控制具有超前作用,避免较大的误差出现,微分控制不能消除余差,只能够起到辅助调节的作用,可以与其他调节结合成 PI 、 PD 或 PID 等。

3.1.2 PID控制原理(PID

算法)

图 3.1 PIF闭环控制系统框图

连续 PID 算法方程用数学公式表达如下:

])

() (1) ([) (1

0dt

t de T dt t e T t e K t u d i p ++=? 式(4.1)

其中:) (t u 为 PID 回路输出; p K 为比例系数 P ; i T 为积分系数 I ; d T 为微分系数 D

由于 PLC 运算不可能做到连续,而是按照扫描周期进行,所以 PLC 中检测值是按照设定的时间周期进行采样,然后把采样值放到公式里进行运算。假设采样周期是 T ,初始时间为零,利用矩形积分代替精度连续积分,利用差分代替精度连续微分,可以把上式简化成:

[]0d i p n

i i

p u n u n u n u }1-n e -n e T T d

i e n {en u +++=++

=∑=)

() () () () () () () (T T

K 式(4.2)

式中, ) () (n e K n u p p = 称为比例项

∑==n

i i p

i i e T T

K n u 0

) () ( 称为积分项

)]1() ([) (--=n e n e T

T K n u d

p d 称为微分项

3.1.3 PID输入输出值转换

(1) 在实际应用中,设定值和检测值均为实际数值, 其大小、范围和工程单位可能不同。将这些实际数值用于 PID 指令操作之前,必须将其转化为标准化小数表示法。方法如下:

第一步是将实际数值从 16为整数数值转换成浮点或实数数值, 然后将这些小数数值转换成 0.0— 1.0之间的标准化数值。

转化公式:PID 标准值 =原值 ÷值域 +偏置

式中:偏置是单极性数值取 0.0, 是双极性数值取 0.5; 值域是可能的最大值减去可能的最小值的差值。

根据具体情况选择合适的加热方式

第四章组态软件 Kingview

组态王开发监控系统软件, 是亚控科技开发的新型工业自动控制系统, 组态王以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代了传统的封闭式系统,具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济和开发周期短等优点。

组态王软件结构是由工程管理器、工程浏览器以及运行系统三个部分构成。工程管理器主要用于新工程的创建和已有工程的管理, 对已有的工程进行搜索、添加、备份、回复以及实现数据词典的导入和导出等功能;工程浏览器是一个工程开发设计工具,用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画连接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具;运行系统是工程运行界面,可以从采集设备中获取通信数据,并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面,实现人与控制设备的交互操作。

通常情况下, 建立一个组态王应用工程大致可以分为以下几个步骤:1、创建新工程; 2、定义硬件设备并添加工程变量; 3、制作图形画面并定义动画连接; 4、编写命令语言; 5、进行运行系统配置; 6、保存工程并运行。需要注意的是,以上 6个步骤并不是完全独立,甚至大部分是交错进行的,在用组态王画面开发系统编制工程时,要依照以上步骤考虑三个方面的问题:图形、数据和连接。

4.1 外部设备定义

组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都做为外部设备使用。通常外部设备包括下位机(PLC 、仪表、模块、板卡、变频器) ,他们一般通过串行口和上位机交换数据;其他 Windows 应用程序,他们之间一般通过 DDE 交换数据; 外部设备还包括网络上的其他计算机。

本设计主要的控制功能由 PLC 实现,并在前文对 PLC 的控制进行了相应设计, 组态王主要实现监测功能,不与 Windows 程序或其他计算机实现交互,故而本设计的外部设备为“西门子 S7-200PLC ” ,并使用“设置配置向导”按照步骤完成设备的连接(如下图) 。

图 4.1

设置配置向导使用示意图

4.2 数据变量

若要实现组态王对下位机的在线检测和控制,就必须建立起组态王与下位机之间的联系,即建立两者的数据变量。

在组态王中, 变量的集合形象的称为 “数据词典” , 数据词典位于工程浏览器中的“数据库”项的下拉列表中,记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。数据词典中存放的是应用工程中定义的变量以及系统变量, 分为基本类型和特殊类型, 而基本类型有分为“内存变量”和“ I/O变量”两种,其中“ I/O变量”指的是组态王与外部设备或其他应用程序交换的变量。这种数据交换是双向的、动态的,即组态王系统运行过程中,每当“ I/O变量”的值变化时,该值就会自动写入外部设备或远程应用程序;每当外部设备或远程应用程序的值变化时,组态王系统的变量值也会自动改变。

定义数据变量可以在系统设计开始之前进行设计,即通过“数据库—数据词典 —新建”来定义变量,也可以在系统设计过程中进行定义,为了更好的展现变量应用的场合,本文采用的后一种设计方式,将在下文各步骤设计中体现。

4.3 组态王画面设计

本设计为 “基于西门子 S7-200PLC 的温度控制系统设计” , 主要控制由 PLC 进行实现,故而拟通过组态王实现简单的远程监测作用。在拟实现功能上,初步选定能够指示运行状态、实现实时温度反馈、实现温度变化趋势、实现报警记录查询等功能,组态王主画面设计如下:

其中:

状态指示灯能够根据加热运行状态进行反映, 保证用户最直接的判断运行状态; 实时温度反馈通过数字实现,精准的反映出锅炉实时温度;

温度变化趋势主要用来实现加热状态和趋势的初步判断;

报警记录能够对历史报警记录进行查询;

图 4.2

监控界面示意图

4.3.1 建立新画面

组态王开发系统可以为每个工程建立数目不限的画面,在每个画面上生成相互关联的静态或动态图形对象。组态王采用面向对象的编程技术,使用户可以方便的监理画面的图形界面,用户构图时,可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完

成画面的生成,同时支持画面之间的图形对象复制,可重复使用以前的开发结果。在工程浏览器左侧的“工程目录显示区”中选择“画面”选项,在右侧视图中双击“新建”图标,弹出新建画面对话框,如图:

图 4.3 新建画面操作示意图

4.3.2 实时趋势曲线制作

趋势曲线用来反应变量随时间的变化情况,组态王对趋势分析提供了强有力的支持和简单的控制方法。趋势曲线有实时曲线和历史趋势曲线两种,对于实时趋势曲线最多可以显示 4条曲线, 而历史趋势曲线最多可显示 16条曲线, 而一个画面中可以定义数量不限的趋势趋势。

趋势曲线中,工程人员可以规定时间间距、数据的数值范围、网络分辨率、时间坐标数目、数值坐标数目以及绘制曲线的“笔”的颜色属性。画面程序运行时, 实时曲线可以自动卷动,以快速反应变量随时间的变化;历史趋势曲线不能自动卷动,它一般与功能按钮一起工作以共同完成历史数据的查看工作。

本文选择“实时趋势曲线” :在制作画面中,选择菜单“工具—实时趋势曲线” 后鼠标变为“ +” ,随后在画面中拖动画出大小合适的曲线图标,并双击该图形进行参数设置和坐标轴设置, 将组态变量与 PLC 设备进行一一对应和进行报警上限设定, 同时对坐标轴网格状态和显示进行设定,如下图:

图 4.4a 定义基本属性

图 4.4b 定义报警

图 4.4c 定义坐标轴属性

4.3.3 报警窗口制作

报警窗口是用来显示组态王系统中发生的报警和事件信息,报警窗口分为实时报警窗口和历史报警窗口。实时报警窗口主要显示当前系统中发生的实时报警信息和报警确认信息,一旦报警回复后将从窗口中小时;历史报警窗口中显示系统发生的所有报警和事件信息,主要用于对报警和事件信息进行查询。本文采用后者,主要实现查询和记录功能,在设计上不进行单独窗口的设计,在原有窗口中通过“工具—报警窗口”绘制并进行属性设置。

(1)通用属性设置:设置窗口名称、窗口类型 (实时报警窗口、历史报警窗口) 、窗口显示属性以及日期和时间显示格式等

图 4.5a 通用属性设置

(2)列属性设置:设置报警窗口中显示的内容,包括报警日期时间显示与否、报警变量名称显示与否、报警限值显示与否、报警类型显示与否。

图 4.5b

列属性设置

(3)操作属性、条件属性、颜色和字体属性等内容按默认计。

4.3.4 指示灯

为了方便用户的使用,组态王软件专门设计了图库管理器,在图库管理器中有一些已制作成形的图素结合。使用图库管理器降低了工程人员设计页面的难度,用于更加集中精力于维护数据库和增强软件内部的逻辑控制,缩短开发周期;同时用图库开发的软件将具有统一的外观,方便工程人员学习和掌握;另外利用图库的开放性,工程人员可以生成自己的图库元素。

(1)选择指示灯类型:选择菜单栏“图库—打开图库” ,即出现图库管理器, 选择指示灯选项并选择合适的图形后双击,界面自动消失返回至设计图形,在合适位置单击鼠标即可出现选中图形。

图 4.6a

选择指示灯类型

(2)定义运行指示灯:按照惯例将运行指示灯正常运行颜色定义为绿色

图 4.6b 定义运行指示灯颜色

(3)定义停止指示灯:按照惯例将停止指示灯正常运行颜色定义为红色

图 4.6c

定义停止指示灯颜色

4.3.5 温度数值显示

尽管从实时曲线趋势图上能够读出实时温度值,但是考虑到用户使用方便,在设计中加入了实时温度数字显示部分。通过工具库进行图形设计之后,需要进行相关变量的设置以满足实时数据的及时反馈和显示,组态王使用说明书上有以下定义 “模拟值输出连接是使文本对象的内容在程序运行时被连接表达式的值所取代”, 故而在定义变量时选择“模拟量输出”选项。

(1)设定温度数值显示

图 4.7a 设定温度数值显示

(2)实时温度数值显示:表达式根据前文定义,可以从数据库中直接选择

图 4.7b

设置实时温度显示

4.3 组态王与西门子 PLC 的通信

组态王提供了多种方式与西门子 PLC 进行通信, 根据前文设计的 PLC 与 PC (计算机)通信方式,对应的组态王与西门子 PLC 通信方式为:使用西门子专用紫色电缆和网络接头 +常规有缘 RS-485/232转换模块进行 PLC RS-485编程口和计算机标准 232口进行连接。组态王对应驱动为“ PPI-西门子 -S7-200系列 -PPI ” ,需要注意的是,因为 PPI 协议的特殊性,读取一个数据包一般需要 400ms 的时间,当用户反馈 PPI 通信速度慢时,可以以此标准分析用户工程通信速度慢是否是在合理的范围。

另外需要注意的是,因为组态王和 PLC 编程软件使用的是同一个端口,故而两者不能够同时启动。若想在线利用组态王监控程序,就必须关闭组态王,将 PLC 程序下载到 PLC 中并运行,然后关闭编程软件,再启动组态王。

第五章结论

本课题为温度控制系统的设计。

PLC (可编程控制器)以其可靠性高、抗干扰能力强,编程简单、功能强大、性价比高、能耗小等众多显著特点广泛应用于现代工业控制当中,并具有较为成型的应用积累;而在在系统控制中, PID 算法是具有良好效果的控制算法,其算法简单、适应性强、并具有良好的鲁棒性。综合对比之后,本课题选择了德国西门子 S7-200系列的 PLC ,其自带的 PID 运算可以满足大部分小型控制运算需求。

出于对现代远程控制需要的考虑, 组态软件越来越广泛的应用在控制系统当中, 由亚控科技开发的组态王软件功能强大且更加符合中国用户操作习惯,深受用户喜欢而得到广泛应用。

基于西门子 S7-200 PLC 和组态软件组态王的基础上, 结合传感技术和调压技术, 本课题成功构建出了温度控制系统。该系统综合考虑了温度的采集和放大变送、 PLC 运算、调压器调节加热以及组态软件监控等过程,全程性展示了温度控制系统应涉及的各个方面,并对其中的关键问题进行了说明和定义,对于构建温度控制系统具有较大的参考意义。

该温度控制系统还有一些未能涉及的部分,例如在 PID 设定环节为了展示具体的内容采取的是编程定义而非 PID 指令向导模块,而事实上 PID 指令向导模块是初级技术人员最首选的定义方式。另外对于 PID 参数的调整环节也未能进行更深一步的调节,事实上,现场试验的方法虽然非常常用,但是对于更进一步的控制精度要求和更加迅速的变化环境就有些力所不能及,这也是目前模糊控制发展迅猛的重要原因。在组态软件设计方面,本课题主要实现了监控的作用,对于在组态软件上实现实时控制等部分并未进行深入的讨论和设计,而实际上组态王一个强大的功能就是能够与下位机实现数据的双向沟通。

随着控制技术的逐步完善, 我们有理由相信, PLC 依然具有进一步的发展空间, 特别是对于支持网络交换的特点来讲更是具有蓬勃生命力。

致谢

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