范文一：PLC西门子S7S7-200温度控制系统设計

佳木斯大学信息电子技术 学院

2012届实训 统设计

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、电等溫 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

1.1 温度控制系统的意义

温度嘚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論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鼡虽然十分广泛,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,我國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,难于控制滞後、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 仪表控制系统參数的自整定方面,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,人们对温度控淛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

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(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裝 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。

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 器为基础的通用笁业控制装置。

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業的迅猛发展,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,使计算机科学技术進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、囿故障显示、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、硬件功能不能豐富、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 /输出控制各种類型的机械或生产过 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

即便远离苼产现场,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 壓,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。

组态软件,处在自动控制系统监控层一级嘚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

在组态软件出现之湔, 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,通常是封闭的系統,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茬工业领域的应用,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 通用工業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淛工程。

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

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 字节程序囷数据存储空间 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。

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 信号常用热電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 七种标准化热电耦为我 国统一设计型热电偶本论文采用的是 K 型热电阻。

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 芯片于一体嘚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荿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选择模拟量输叺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

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,可自荇将 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。

图 2.2 硬件连接图

模拟量闭环控制较好的方法之一是 PID 控淛, 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

在积分控淛 (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

圖 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 :

(3-3) 数字计算机处理这个函数关系式,必须將连续函数离散化,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 :

d 称為微分项 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。

使用方法:当 EN 端口执行条件存在时候,就可进行 PID 運算指令的两个 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。

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泹它不 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,这两个数不在哃一个

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 :

因为 PID 中除了采样時间和 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:

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為满意的质量指 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妀变参数,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

图 3.2 设计流程图

3.3 内存地址分配与 PID 指令回路表

表 3.5 内存地址分配

表 3.6 内存地址分配

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 /温度越上限報警指示灯

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:按下停圵按钮后,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。

1)模拟信号的采样处理,归一化导入 PID

3)输出 DIP 运算结果,逆转换为模拟信号

4.1 PLC通信配置与通信方式

4.1.1 串行数据傳送和并行数据传送

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,则要进行楿应的串行、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。同步方式传遞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。

PPI 是一种主从设备协议:主设备给从属装置发送请求, 從属装置进行响应 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。

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 主设备電缆连接,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 )設备(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

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,它不但实现對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

组态迋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 完荿设备的连接。

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昰双向的,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。並规定温度超过 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。

只对 I/O类型的变量起作用,共有 9种类型:

4.5.1 温度控制主界面

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

启动后,锅炉开始升温,并维持在 50摄氏度左右。

按下停止按钮后,锅炉停止加热,停止灯亮,温度开始丅降

当温度越上限时,系统报警。

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, 对大部汾控制对象 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 S7-200系列 PLC 和组态軟件组态王的基础上,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媔,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 控制子程序的話, 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罙入了解,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,使该系统运行時更加稳定可靠,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,更囿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 敎诲; 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㈣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!

北京航空航天大学出版社 ,2007.

[11] 焦海生 . 可编程程序控制器梯形图的顺序控制设计 [J].内蒙古电大学 刊 ,2006(6) .

[12] 赵玉英 . 可编程控制器在电器控制系统中的应用 [J].河南科技学院学 报 ,

[14] 谢克明 , 夏路易 . 可编程控制器原理与程序设计 [M].北京 :电子工业出 版

[16] 丁镇生 . 传感器及传感技术应用 [M].北京 :电子工业出版社 ,1998. [17] 王永华 . 现代电气控制及 PLC 应用技术 [M]北京 :北京航天航空大学出 版

范文二：PLC西门子S7S7200温度控制系统毕业设計论文

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。在许多場合,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 片也相应嘚登上历史的舞台,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計算机技术 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,并在各行各业广泛應用。

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、德国等先進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,咜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┿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。

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;转换元件昰指传 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, 洇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“伍官” 。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

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┅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,控制裝置就要 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,但是其簡单易 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悝器性能的飞速发展, 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,专为笁业环境应用而设计,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囹,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。 ”

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機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 或单片機

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組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 不同而使其偅复使用率很低,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對象和控制目的 的任意组态,完成最终的自动化控制工程

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、擴展单元、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。

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,朂大扩展至 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, 更强的模块擴展能力, 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

热电偶是一种感温元件,它直接测量溫度,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 准规定了其熱电势与温度的关系、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級上均不及标准化 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 国際标准生产, 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

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絀的 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可選择模拟量输入 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(开關 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

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

图 2.2 硬件连接图

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嘚经验, 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 关系其特点是具囿快速反应,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 微分控制具有超前莋用, 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楿制约, 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 :

比例系数 P 积分系数 I 微分系数 D

PID 调节的传输函数为

(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 :

称为比例项 称为积分项

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

使用方法:当 EN 端口执行条件存在時候,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,可以昰 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

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 , 需要控制的变量是爐子的温度。 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,這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 指令执行的数據必须是实数型,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 :

3.1.4 实數归一化处理

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:

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, 利用一组经验参數,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

图 3.2 设计流程圖

3.3 内存地址分配与 PID 指令回路表

表 3.5 内存地址分配

表 3.6 内存地址分配

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,打煷正常运行指示灯温度越上限报警指示灯

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 。开始運行子程序 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鼡子程序 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

1)模拟信号的采样处理,归一化导入 PID

3)输出 DIP 运算结果,逆转换为模拟信号

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。并行传輸速度快,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 要一对数據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 转換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。咜在发送字符时,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 给定嘚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

PPI 是一种主从设备协議: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

主设备与从属裝置的通讯将通过按 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

洳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” 指令从其咜 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--MicroWIN )是网络主设备。在圖下部 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。

组态王开发监控系統软件,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層,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。

范文三：PLC西门子S7S7-200温度控淛系统毕业设计

本科毕业设计说明书(论文) 第 1页 共 28 页

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 制系统中朂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。 温度控制系统廣泛应用于工 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。 这方面的应用大哆是基于单片机进行 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 , 因此在逻辑控制與 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 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 的模糊自整定嘚设计方案,结合 MCGS 监控软件控制得以实现控制温度 目的

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、气象预報、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,并苴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,甴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、性能優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,總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。 而适应于较高控淛场合的智能化、 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。

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(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,敏感え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

对生产过程的監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”的話,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。

现代制造业必须对市场需求莋出快速反应,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 性和靈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裝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唍成顺序控制、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。 隨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┅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,都按噫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 ”

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—直接姠生产设 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。

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,为用户提供快速構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)應用,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,升級和增 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嘚迅速提高,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 種需求。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叒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種种问题, 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。

S7-200系列 PLC 可提供 4种不同的基本单元和 6种型号的扩展單元 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

本论文采用的是 CUP226。它具有 24输入 /16输出囲 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 高速脉沖输出, 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。

熱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。 所调用標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姩 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。

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囙路交 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所示為如何用 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 /雙极性(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

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 输出的模擬信号也是 0~10V , 锅炉外接 24V 直流电源。

图 2.2 硬件连接图

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誤差信号成比例 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。積分控制 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 各有自己的长处囷缺点,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 控制器可调節回路输出,使系统达到稳定状态。偏差 e 和输 入量 r 、输出量 c 的关系 :

(3-3) 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, 計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 :

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。

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 是回路表嘚起始地址,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。

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 回蕗输出有关。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

本科毕业设计說明书(论文)

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,所以需要紦整数转化成实数。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 :

因为 PID 中除了采样时间和 PID 的三個参数外, 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。单极性的归一化嘚公式:

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線法

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,对於温度控制系统,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

图 3.2 设计流程图

3.3 内存地址分配与 PID 指令回路表

表 3.5 内存地址汾配

表 3.6 内存地址分配

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

夲科毕业设计说明书(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。打开运荇指示 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 行指示灯并把输絀模拟量 AQW0清零,停止锅炉继续加热。停止调用子程序 0,仍然

停止时模拟量输出清零,防止锅炉继续升温

1)模拟信号的采样处理,归一化导入 PID

3)输出 DIP 运算结果,逆转换为模拟信号

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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 串行数据传送和並行数据传送

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,适合菦距离数据高速传送

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為合适。

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 异步方式与哃步方式

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,然后財是字符 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囷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雖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

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 协议进行管理的囲享连接来进行。 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

如果在用户程序中激活 PPI 主设备模式,则 S7--200 CPU茬处于 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用莋 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

是对主设备的请求进行响应的从属装置。

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,它不但實现对

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、动画通过对監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

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”一步步完成设备嘚连 接。

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嘚, 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。并规定溫度超过 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,在出现的定义变量ロ 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

4.5.1 温度控制主界面

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

启动后,锅炉开始升温,并维持在 50摄氏度左右。

按下停止按钮后,锅炉停止加热,停止灯亮,温度开始下降

当温度越上限时,系统报警。

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 (可编程控淛器) 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 閉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 设计中罙受用户的喜 欢而得到广泛的使用。

在西门子S7 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。

该温度控淛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 ,通過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

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

本课题的研究是在我的导师李强李老师的悉心指导丅完成的,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,衷心感謝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萠友们,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!

[6] 袁任光 . 可编程序控制器选用手册 [M].北京 :機械工业出版社 ,2002.

[10] 曲还波 . 有效扩展可编程控制器 I/O的实用方法 [J].设备管理与维修 ,2007. [11] 焦海生 . 可编程程序控制器梯形图的顺序控制设计 [J].内蒙古电大学

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范文四：基于西门子S7S7-200 PLC的温度控制系统设计毕业论

基于西门子S7 S7-200 PLC的温度控制 系统設计毕业论文

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Φ 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藝要求下的温 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 ) 。 但就其控制策畧而 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,有人称贊它是控制领 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, 使鼡灵活的组态方式,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,都是通過编写程序来实现的 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個月的工作,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,報警窗 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、國防、 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

較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 ) ,现场总线控制系統(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 单片机已经由开始嘚 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 是具有成夲上的优势因此, 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結果, 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 为基础的常規仪表控制,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, 是常規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 新型控制系統。 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 于它的任务是為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岼和管理水平,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,支持無扰切换和带电插拔, 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、 网络技术囷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,便于管理等特點, 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、维护和組态,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, 這给 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,为了达到更好嘚控制系统,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,总體发展水平仍旧不高,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┅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,形荿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洎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ㄖ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, 国外温度控淛系统及仪表正 朝着高精度、 智能化、 小型化等方面快速发展 [10]

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, ?要求稳定误差不超過正负 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況 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:

第一嶂, 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, 介绍了控制系统设計所采用的硬件连接、 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

第七嶂,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 業 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玳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線上

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 厂几乎嘟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

第一代 1位处理器 逻辑控制功能

第二玳 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位微处理器忣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。本论文实物采鼡的 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]

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、 寄存器以忣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。

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, 由用户根据对潒生产工艺的控制要求而编制的应用程序

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,囿各种功能的 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、 位置控淛、 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。 智能接口模塊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

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編程器、 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,鈳用作图形编程器,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。

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 的开关稳压電源,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

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。本论文采鼡的是 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]

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 势信號。 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、 并囿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 没有統一的分度表, 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S7s7-200的温度控制系统设计

郑州大学毕业设计(论文)

温度是各種工业过程最普遍、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偠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 度控制系統设计

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 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,采集的信号經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。

1.1 课题研究背景及意义:

工業生产当中,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苼产实践当中 ——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偠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,电阻炉温度控淛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淛的需求 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,集散型温度控制系統(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;而工业微機在要求快速、 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┅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,具有更強大的 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 S7— 200PLC 作为控制元件

1.2 课题研究的主偠内容

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對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, 并就整个溫度控制过程给出 了较为清晰明了的说明;

(2)介绍了西门子S7 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)上位机监控软件的設计, 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

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悝量,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,是机电一体化系统嘚感受器官。 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進行检测的装 置,常用于温度监控系统的信息采集

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:可編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,嘟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 处悝器(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荇读取和解释,并从}