基于PLC和WinCC的空调温湿自控系统设计基于PLC和WinCC的空调温湿自控系统设计

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摘要为了提高空调温湿度的控制精度,本文介绍了一种基于PLC和WINCC的空调温湿度自动控制系统的方案。本文系统的介绍了PLC的特点、功能及相关技术。通过介绍WINCCS7200温度控制系统软硬件构成及其特点,详细论述了PLC和WINCC如何实现空调温度的监控。另外,本文的程序设计采用的是PID控制,PID在这个系统中占据着举足轻重的地位,在过程控制中,PID控制也是应用最广泛的,一个大型现代化控制系统的控制回路可能达二三百个甚至更多,其中绝大部分都采用PID控制。由此可见,在过程控制中,PID控制的重要性是显然的。实践证明,此控制系统提高了温湿度的控制精度,降低了工人的劳动强度和运行成本,完善了控制和管理功能。关键词空调温湿度;自动控制;PLC;WINCC;PID控制ABSTRACTINORDERTOIMPROVETHECONTROLACCURACYOFAIRHUMIDITY,THISPAPERRECOMMENDSATEMPERATUREANDHUMIDITYAIRCONDITIONINGAUTOMATICCONTROLSYSTEMBASEDONPLCANDWINCCPROJECTTHISARTICLESYSTEMATICALLYINTRODUCEDCHARACTERISTICSOFPLC,FUNCTIONANDRELATEDTECHNOLOGYBYINTRODUCINGTHEWINCCS7200TEMPERATURECONTROLSYSTEMHARDWAREANDSOFTWARECOMPOSITIONANDCHARACTERISTICOFPLCANDWINCCISDISCUSSEDHOWTOREALIZETHEAIRCONDITIONINGTEMPERATUREMONITORINGINADDITION,INTHISPAPER,THEPROGRAMDESIGNISUSEDINPIDCONTROL,PIDINTHESYSTEMOCCUPIESAPIVOTALPOSITION,INPROCESSCONTROL,PIDCONTROLISTHEMOSTWIDELYUSED,ANDALARGEMODERNCONTROLLOOPOFTHECONTROLSYSTEMCOULDREACHERSANBAIGEEVENMORE,MOSTOFTHEMAREUSINGPIDCONTROLTHUS,INPROCESSCONTROL,THEIMPORTANTOFPIDCONTROLISOBVIOUSPRACTICEHASPROVEDTHATTHISCONTROLSYSTEMIMPROVESTHECONTROLPRECISIONOFTHETEMPERATUREANDACCURACY,REDUCEDTHELABORINTENSITYOFWORKERSANDRUNNINGCOST,IMPROVETHECONTROLANDMANAGEMENTFUNCTIONSKEYWORDSAIRCONDITIONINGTEMPERATUREANDHUMIDITY;AUTOMATICCONTROL;PLC;WINCC;PIDCONTROL目录摘要IABSTRACTII目录V1绪论111本课题的研究内容和意义1111温度及湿度控制系统的意义1112温湿度控制系统背景112研究技术介绍1121传感技术1122PLC2123上位机2124组态软件213研究背景3131功能特点与技术参数3132控制手段414国内外的发展概况4141国内外实例42方案设计621现场总线概述622WINCCS7200温度控制系统的硬件组成8221传感器9223I/O分配表10224硬件接线图1123WINCCS7200温度控制系统的软件配置1224WINCCS7200温度控制系统的网络结构1625温度控制算法17251PID控制程序设计17252PID在PLC中的回路指令18253回路输入输出变量的数值转换方法19254实数归一化处理19255PID参数整定2026S7200程序设计流程图2127内存地址分配与PID指令回路表22271内存地址分配22272PID指令回路表2228S7200程序设计梯形图22281初次上电22282启动/停止阶段23283子程序24284中断程序,PID的计算253组态编程2731PLC通信配置与通信方式27311串行数据传送和并行数据传送27312异步方式与同步方式2732网络的通讯PPI协议2733组态软件KINGVIEW2834组态王定义外部设备和数据变量28341外部设备的定义28342定义数据变量28343数据类型3035组态王界面30351温度控制主界面3036启动组态王30361初次上电30362启动31363停止32364报警3237程序调试32371PLC程序调试方法与结果33372WINCC组态调试方法与结果334结论与展望3541结论3542不足之处及未来展望35致谢36参考文献371绪论11本课题的研究内容和意义111温度及湿度控制系统的意义温度及湿度的测量和控制对人类的日常生活、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,及时准确的获得目标温度及湿度的信息是十分重要的,近年来,温湿度控制系统的领域发展迅速,并且伴随着数字技术领域的发展,温湿度的测控芯片也都相应的登上了历史舞台,并且还能够在工业和农业等各领域中广泛的使用。112温湿度控制系统背景自从70年代以来,基于工业过程控制领域等方面的需要,更为重要的是随着微电子技术和计算机技术领域发展势头迅猛,并且在受自动控制理论和设计方法发展推动的情况下以及受国外温度控制系统迅速发展的带动下,国内的相应技术也有所发展,国外的温度控制系统在职能化、自适应、参数自整定等各方面都取得了重大成果,而且在这几个方面,以美国、德国、瑞典、日本等国家的技术遥遥领先,并且这些国家还产生了一批商品化、性能优异的温度控制器以及仪器仪表,这些东西还广泛应用于各行各业。虽然温度控制系统无论在国内还是在国外的各行各业的应用都非常广泛,但是从国内生产的温度控制器来说,总体发展水平依然不高,距离先进国家如美国、德国、日本等相比较仍然存在着比较大的差距。就这方面而言,我国目前总体的水平处在20世纪80年代中后期的水平,我国的成熟产品主要以“点位”控制以及常规的PID控制器为主,但它的缺点是不能适应需要拥有特别要求(如控制滞后、复杂、时变温度系统的控制)的温度控制系统,只适应一般要求的温度控制系统。而国内在适应于较高控制的场合智能化及自适应控制仪表等的技术还不是十分成熟。目前国内在商品化的形成以及在仪表控制系统参数自整定方面,还没有开发出性能比较可靠的自整定的软件。在这几个方面的确定我们可以参照靠人工经验及现场调试。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发展的必然趋势。12研究技术介绍121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GB76651987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的工作信息,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”。如果无法对现场数据进行准确、可靠、实时测量,那么监控也就无从谈起了16。122PLC可编程控制器的英文名称是PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER,即可编程逻辑控制器,简称PLC1。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1。早期的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1。国际电工委员会IEC在1987年2月通过了对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”1。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ABALLENBRADLY公司、GEFANUC公司、法国的施耐德SCHNEIDER公司、日本的三菱公司和欧姆龙OMRON公司等等。123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。上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号的变化(液压,水位,温度等),便是人机界面HUMANMACHINEINTERFACE。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2。124组态软件组态软件是数据采集监控系统SCADASUPERVISORYCONTROLANDDATAACQUISITION的软件平台工具,是工业软件的一个组成部分,处在自动控制系统监控层一级的软件开发平台和开发环境,使用灵活的组态方式,能够为用户提供其所需要的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。他具有的设置项目是丰富的,使用的方式是灵活的,功能比较强大的。OPCOLEFORPROCESSCONTROL的出现以及现场总线尤其是工业以太网的快速发展,大大简化了异种设备之间的互连,降低了开发I/O设备驱动软件的工作量。I/O驱动软件当然也能够逐渐向着标准化的方向发展22。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。实时数据库的作用进一步加强。实时数据库是SCADA系统的核心技术。从软件技术上讲SCADA系统的实时数据库,实质上就是一个可统一管理的、支持变结构的、支持实时计算的数据结构模型。在实时数据库技术中,还有对工业标准的支持如OPC规范等,对分布式计算的支持和对实时数据库系统冗余的支持,等等22。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9。社会信息化的加速是组态软件市场增长的强大推动力。在最终用户的眼里,组态软件在自动化系统中发挥的作用逐渐增大,甚至有的系统就根本不能缺少组态软件。其中的主要原因是软件的功能强大,用户也存在普遍的需求,广大用户逐渐认识了软件的价值所在22。13研究背景温度在生产及生活中是最基本的物理量之一,它代表的是物体的冷热程度。自然界中任何的物理变化、化学反应过程等都紧密地与温度联系在一起。在许多生产过程中,温度的控制和测量都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。自18世纪工业革命以来,工业过程更离不开温度的控制。温度控制广泛应用于社会生活及工业生产等其他的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等等。温度控制的精度以及在选择不同控制对象的控制方法上都起着至关重要的作用,温度是空调能够正常运行的重要指标,也是保证实现空调冷热程度的主要因素。基于此,运用反馈控制理论对空调进行温度控制,满足了工业生产的要求,也满足了广大消费者的需求,可谓是一举两得。131功能特点与技术参数本次设计是使用WINCC、PCACCESS和S7200PLC系统的一套温度控制系统。加热器温度控制系统主要是实现对温度的准确控制,能对温度控制回路相关参数的显示画面,温度趋势的显示画面,参数修改画面温度PID控制参数的整定等功能,其温度采集温度为05、控制精度为1。132控制手段温度模块的PT100温度变送出的温度模拟量送入S7PLC200进行数字量转换的温度值由温度控制加热模块,再把020MA运算成420MA的数字量后,再次把数字量转换成模拟量。经过滤波后把模拟数据通过PPI总线送入WINCC中进入人机界面显示,通过人为输入各种参数后,经过PPI网络传入S7PLC200中作PID运算。PID运算后经过数字转换转换成数字值,然后再把420MA的数字输出值再次换算成020MA的数字输出值,最后送入温度控制加热模块的驱动模块中。这样就能对温度进行控制了。14国内外的发展概况温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标,如在发酵过程控制,化工生产中的化学反应温度控制,冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上,且要求其波动幅度即稳态误差不能超过某一给定值。从工业温度控制器的发展过程来看,温度控制技术大致可分以下几种一定值开关温度控制法二PID线性温度控制法三智能温度控制法目前国内的温控仪表发展,在性能方面,相对国外而言还存在着一定的差距,但是它们之间最大的差别还是要数控制算法方面,主要体现于国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低,适应性能比较差。而这种不足的原因是由多方面造成的,如针对不同的温控对象,由于控制算法的不足进而导致控制精度的不稳定等4。141国内外实例甘肃大学的赵紫静研究了一种基于PID温度控制技术的X射线发生器。这种发生器需要将其精度控制在05℃左右,才能保证器件输出的X射线波长不发生超出要求的飘移,否则,X射线波长的超范围飘移将使整个设备难以正常使用7。在温控过程中,由于难以建立控制对象的精确数学模型,所以可以用PID技术根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过渡,最后达到控制范围精度内的稳定动态平衡。模糊温度控制是基于模糊逻辑描述的控制算法,主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。武汉科技大学信息科学与工程学院的贾静云等将模糊PID温度控制技术运用在烟气加热炉炉温控制系统中,使得烟气加热炉的运行状况和维护条件得到了明显的改善,提高了喷煤比和设备开机率,降低了能耗和设备故障次数,很大程度地提高了生产效率8。中国内蒙古科技大学信息工程学院的董志学等研究了一种基于模糊PID温度控制系统的热分析仪控制策略,结合了模糊控制技术和PID控制技术,提高了对控制对象的适应能力,进而提高了温度控制的精度。数字PID控制则是一种是以微处理器为基础,综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等高新技术的智能控制。海军航空工程学院基础实验部的李建海等设计了一种上位机监控采用组态软件,下位机采用西门子PLC的电路智能温度控制系统,实现了智能控制、闭环控制、多控制功能为一体的综合控制系统13。昆明理工大学信息工程与自动化学院的王清海等在锅炉温度控制研究中将神经网络PID与LABVIEW人及交互结合,实现对锅炉温度的数据采集、控制和现实,提高了锅炉温控系统的效率。英国的HAMID等将PID控制器应用到冰箱的温度控制中,通过使用MATLAB/SIMULINK软件仿真和误差分析图的方式与传统的ONOFF控制做了细致的比较。结果表明,PID控制无论是在精度和控制性能方面都优于ONOFF控制。日本KOMATSUELECTRONICS公司的KAZUHIROMIMURA对基于PID控制与现代控制理论相结合的离子化热水器温度控制开展了研究,结果证明这样的温度控制方法能够使用比传统控制系统更少的温度传感器,进而降低成本,提高了公司效益13。2方案设计随着科技的不断更新与发展,温度控制系统已经到了一个比较成熟的阶段。因此其方案是各种各样的。而本次的系统是由S7PLC200、PCACCESS和西门子WINCC组态软件通过PPI网络组成的。21现场总线概述现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络,也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号,通过通讯的数字化,使时间分割、多重化、多点化成为可能,从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线配线的共享。它是一种工业数据总线,是自动化领域中底层数据通信网络2。现场总线的特点及优点1全数字化通信2开放型的互联网络3互可操作性与互用性4现场设备的智能化5系统结构的高度分散性6对现场环境的适应性几种主流现场总线简介1基金会现场总线FOUNDATIONFIELDBUS简称FF这是以美国FISHERROUSEMOUNT公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以HONEYWELL公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WORLDFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用,具有良好的发展前景8。基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型1,2,7层,即物理层、数据链路层、应用层,另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率,前者传输速率为3125KBIT/秒,通信距离可达1900M,可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1MBIT/秒和25MBIT/秒,通信距离为750M和500M,支持双绞线、光缆和无线发射,协议符号IEC11582标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码8。2LONWORKS它由美国ECHELON公司推出,并由MOTOROLA、TOSHIBA公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议,采用面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质,通讯速率从300BIT/S至15M/S不等,直接通信距离可达2700M78KBIT/S,被誉为通用控制网络。LONWORKS技术采用的LONTALK协议被封装到NEURON神经元的芯片中,并得以实现。采用LONWORKS技术和神经元芯片的产品,被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业8。3CANCONTROLLERAREANETWORK控制器局域网最早由德国BOSCH公司推出,它广泛用于离散控制领域,其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准,得到了INTEL、MOTOROLA、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构,传输时间短,具有自动关闭功能,具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式,并采用了非破坏性总线仲裁技术,通过设置优先级来避免冲突,通讯距离最远可10KM/5KBPS/S,通讯速率最高可达40M/1MBP/S,网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片8。4PROFIBUSPROFIBUS是德国标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUSDP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输,适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型,服从IEC1158-2标准。PROFIBUS支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为96KBIT/S至12MBIT/S,最大传输距离在96KBIT/S下为1200M,在12MBIT/S小为200M,可采用中继器延长至10KM,传输介质为双绞线或者光缆,最多可挂接127个站点8。5DEVICENETDEVICENET是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案,有着开放的网络标准。DEVICENET具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DEBICENET基于CAN技术,传输率为125KBIT/S至500KBIT/S,每个网络的最大节点为64个,其通信模式为生产者/客户PRODUCER/CONSUMER,采用多信道广播信息发送方式。位于DEVICENET网络上的设备可以自由连接或断开,不影响网上的其他设备,而且其设备的安装布线成本也较低。DEVICENET总线的组织结构是OPENDEVICENETVENDORASSOCIATION开放式设备网络供应商协会,简称“ODVA”3。6CCLINKCCLINK是CONTROLCOMMUNICATIONLINK控制与通信链路系统的缩写,在1996年11月,由三菱电机为主导的多家公司推出,其增长势头迅猛,在亚洲占有较大份额。在其系统中,可以将控制和信息数据同是以10MBIT/S高速传送至现场网络,具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题,同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CCLINK是一个以设备层为主的网络,同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CCLINK被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件8。7HARTHART是HIGHWAYADDRESSABLEREMOTETRANSDUCER的缩写,最早由ROSEMOUNT公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层,支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和,难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电,可满足本质安全防爆的要求,并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统8。8WORLDFIPWORKDFIP的北美部分与ISP合并为FF以后,WORLDFIP的欧洲部分仍保持独立,总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位,特别是在法国占有率大约为60。WORLDFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求,而且没有任何网关或网桥,用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WORLDFIP与FFHSE可以实现“透明联接”,并对FF的H1进行了技术拓展,如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面,WORLDFIP做得最好,走在世界前列8。9INTERBUSINTERBUS是德国PHOENIX公司推出的较早的现场总线,2000年2月成为国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基于 plc 以及 wincc 空调 温湿 自控 系统 设计
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