毕业论文-基于PLC与Wincc构架下的水温PID控制.doc

南昌航空大学科技学院2014届学士学位论文 毕业设计（论文）题目 ： 基于PLC与Wincc构架下的水温PID控制 系 别： 信息工程系专业名称： 自 动 化班级学号： 108202231学生姓名： 谢 言指导教师： 刘 君二O一四 年 五 月 学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期：基于PLC与Wincc构架下的水温PID控制学生姓名：谢 言 班级：1082022指导老师：刘 君摘要：随着整个行业自动化程度的提高，在工业领域内，用户对控制系统的控制精度要求越来越高。人机界面的出现恰好满足了用户这一需求，工业环境中PLC与WinCC的软硬件结合无疑是人机界面与设备交互的典范。本文以西门子S7-300（PLC）与工控机作为硬件平台，搭建设计了基于PLC与WinCC构架下的水温PID控制系统， 该系统的设计包括上位机的温度控制、实时监控界面单元，上位机与PLC控制器通信、控制器执行单元及现场设备单元。 以工业现场总线中常用的MPI作为通信的基础，PLC控制器与WinCC工控软件分别作为硬件核心与上位机控制系统，完成上位机与控制单元通信。本设计的控制单元包括一个S7-300 PLC、一台工控机和一个固态继电器，采用MPI通信，通过从温度传感器反馈的温度值传送到PLC，之后再通过S7-300（PLC）中自带PID模块参数整定达到水温控制的目的。通过调试运行，本系统设计达到最初的各项指标，同时具有良好的稳定性和安全性。关键词：WinCC S7-300 水温 PID控制 指导老师签字：Water temperature of PID control system based on PLC and WinCC Student name: Xie Yan Class: 1082022Supervisor: Liu JunAbstract: V6c能，可使得更好的观测到先自动化”的组成部分，适用与组态， Withtheincreasingdegreeofautomationofthewholeindustrycomeshigherdemandfromourcustomersforthecontrolprecisionofcontrolsystem.Theinnovationofhuman-computerinterfacemeetsthatdemandperfectlywithaourstandingrepresentitivebeingthecombinationofPLCandWinCC. This paper is about the platform of S7-300（PLC）made by Siemens which is equipped with the PID water temperature control system based on PLC-WinCC framework.This whole system is made up of temperature control of the upper computer、interface units of real-time monitoring、controller communication between the upper computer and PLC、controller execute units and equipment units at site. The communication between the upper computer and the control units is achieved by using MPI as the basis for communication,PLC as the core hardware and WinCC as the control system. the control units of this design include a S7-300 PLC、an IPC and a SSR.With the assistance of the MPI which transfers the readings of the temperature created by temperature sensor and the PID Module Parameters of the PLC to finally control the water temperature.By debugging the system can default itself with both decent stability and safety.Keywords：WinCC S7-300 PLC Temperature of Water PID Control Signature of Supervisor：目 录1 前言11.1 研究的目的及意义11.2 系统组成部分概述及相关领域的研究进展成果21.2.1 PLC概述21.2.2 温度控制的研究现状21.2.3 PID算法概述31.2.4 PID控制器41.3 主要研究内容52 PLC与Wincc基础72.1 可编程控制器（PLC）基础72.1.1 可编程控制器72.1.2 模块式PLC的基本结构72.1.3 PLC的功能82.1.4 PLC的特点92.2 WinCC工控软件102.2.1 WinCC概述102.2.2 WinCC V6.0概述112.2.3 WinCC V6.0的特点113 控制系统硬件配置及软硬件组态133.1 PLC硬件部分133.1.1 S7-300系列PLC简介133.1.2 CPU314C-2PN/DP介绍143.2 温度传感器163.2.1 温度传感器概述163.2.2 热电阻173.3 固态继电器173.3.1 概述173.3.2 固态继电器的组成193.3.3 固态继电器的特点193.4 西门子编程软件STEP7193.4.1 STEP7概述193.4.2 STEP7硬件组态204 PLC控制系统设计234.1程序设计234.1.1 设计思路234.1.2 控制系统流程图（PLC部分）234.1.3 控制系统关系图244.1.3 PID参数调节244.2 程序梯形图255 WinCC人机界面295.1 人机界面设计295.1.1 WinCC界面设计思路295.1.2 人机界面简图295.2 图形编辑及内部变量图305.2.1 图形编辑画面305.2.2 变量管理305.3 WinCC程序运行图306 结论34参考文献35致谢36附录A：PLC程序图37附录B：WinCC人机界面39基于PLC与Wincc构架下的水温PID控制1 前言1.1 研究的目的及意义 本课题的选题依据源自于在工业环境下PLC与WinCC构成的控制系统应用广泛且相对来说系统安全性与稳定性兼顾，操作简单。而PID算法在闭环控制系统当中的地位举足轻重，同样是工控系统中的主力军，基于PLC与WinCC的水温PID控制为自动化行业当中必不可少的部分，掌握不同的软硬件知识以及其语言环境、软硬组态为每一个自动化出生学员的基本功底。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，而温度控制在电子、冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业领域中应用非常广泛，具有举足轻重的作用。由于其具有工作状况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，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。因此，及时准确控制目标的温度是十分重要的。在工业自动化领域内, 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。目前的工业控制中,常常选用PLC作为现场的控制设备,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制。而PID控制器是应用最广泛的闭环控制器，由于其结构简单，容易实现，不需要被控对象的数学模型，有较强的灵活性和适应性，所以现在有90%以上的闭环控制都采用PID控制器。S7-300系列PLC的PID指令采用的是位置式输出的PID控制算法，以西门子子S7系列的PLC提供了通用的PID控制模块，可以很方便的使用PID控制器以及处理设定值，过程反馈值和对控制器的输出值进行处理。 组态软件Wincc是数据采集监控系统SCADA的软件平台工具，利用WINCC不仅可以实现对闭环控制过程的监视，而且还可以通过WINCC的组态界面实施设置和修改PID参数，避免了在S7中每次调试PID的参数进行控制时,都得再次下载程序。因此，PLC和Wincc技术结合，可以很方便的实现过程控制的实时监控，在工业控制中得到广泛应用。1.2 系统组成部分概述及相关领域的研究进展成果1.2.1 PLC概述可编程控制器（即PLC）是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通信技术等现代技术于一体的新型工业控制扎装置。因早期的可编程控制器主要用于代替继电器实现逻辑控制，所以将它称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。近年来，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程逻辑控制器不仅能实现逻辑控制，还具有数据处理及通信等功能，故称为可编程控制器，简称PC（Programmable Controller）。由于个人计算机（Personal Computer）也简称为PC，为了不使两者混淆，人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写，并沿用至今。1.2.2 温度控制的研究现状温度控制是工业控制中发展最早，最重要的分支之一。其应用已涉及到社会中的各个领域，如家电、材料、汽车、电力电子等各个领域，而且控制对象也多种多样，大到炼钢炉，小到加热器。对于一些运行环境要求苛刻的场合，温度更是一个主要的控制参数。为了保证生产过程的正常进行，提高产品的数量和质量，减少工人的劳动轻度以及节约能源，常常要求被控的温度在指定的参数下，或者按照指定的规律变化。然而，温度控制是一种非线性的控制系统，因此会造成系统的不稳定或者降低系统的反馈性能，采用传统的经典控制方法很难获得静态和动态性能指标。传统控制方法是基于被控对象精确数学模型的控制方式，采用固定的控制算法，控制系统由于依赖于数学模型而缺乏灵活性和应变能力。随着技术的发展，被控对象越米越复杂，常常表现为高度的非线性、大惯性、犬滞后、时变性，不确定性等，这样的被控对象往往难以用精确的数学模型描述，实践证明，对于此类复杂的控制对象采用智能控制性能要优于传统控制。温度控制技术的发展大致经历了定值开关控制、PID控制和智能控制三个阶段。定值开关控制方法的原理是若所测温度比设定温度低，则开启控制开关加热，反之则关断控制开关，其控温方法简单，没有考虑温度变化的滞后性、惯性，导致系统控制精度低、超调量大、震荡明显。PID控制温度的效果主要取决丁P、I、D三个参数。PID控制对于确定的温度系统，控制效果良好，但对于控制大滞后、大惯性、时变性温度系统，控制品质难以保证。水温的控制是由水壶电阻丝加热升温，靠自然冷却降温，当水的温度超调时无法靠控制手段降温，因而水温控制具有非线性、滞后性、惯性、不确定性等特点。目前国内成熟的水温测控系统主要以PID控制器为主，由于其参数整定不理想，因此很难保证水温控制系统的精度、稳定性等。1.2.3 PID算法概述基于偏差的比例、积分和微分的控制器简称为PID控制器，它是工业过程控制中最常见的一种过程控制器。PID算法是一种基于偏差值在不同时间段落的控制算法。常规PID控制系统原理图如图1.2.1所示。图1.2.1 PID控制框图整个系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，PID控制器根据给定值r和实际输出值y构成控制偏差，即： (1-1)PID控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。在生产过程自动化控制的发展历程中，PID控制是历史最悠久、生命力最强的基本控制方式，在目前的控制方案中仍占80以上，其数学模型可用下列公式表示： (1-2)式中： 一控制器的输出，V； 一控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号； 一控制器的比例系数； 一控制器的积分时间，s； 一控制器的微分时间，s；1.2.4 PID控制器在PID控制器中，它的数学模型由比例、积分、微分三部分组成，这三部分分别是1.比例部分系统误差一旦产生，控制器立即就产生控制作用，使被PID控制的对象朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数的大小，比例系数越大，则过渡过程越短，控制结果的静态偏差也越小，但对于具有自平衡(即系统阶跃响应终值为一有限值)能力的被控对象存在静差。加大可减小误差，但过大，会导致系统超调增大，使系统的动态性能变坏。2.积分部分 积分部分表达式为 (1-3)从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断增加。只有在偏差为零时，它的积分才会为一个常数，控制作用才是一个不会增大的常数。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。 积分时间对积分部分的作用影响很大。当较大时，积分作用较弱，这时，系统的过渡过程不易产生振荡。但是消除偏差所需的时间较长。当较小时，则积分作用较强。这时系统过渡过程中有可能产生振荡，但消除偏差所需的时间较短。 3.微分部分 微分部分表达式为 (1-4)微分部分的作用强弱由微分时间决定。越大，则它抑制变化的作用强，越小，它反抗变化的作用越弱。它对系统的稳定有很大的影响。如果说比例环节面对的是“现在”，积分环节处理的是“过去”，那么微分环节就可以看作是针对“未来”的一种调节。微分调节具有预见性，它能预测偏差的变化趋势，并做出相应动作，在偏差信号变大之前引入有效的早期修正信号，产生超前的控制效应，加快系统的响应时间，改善系统的动态特性。但是，微分作用对噪音干扰有放大作用，故而当微分调节作用过强时，会降低系统的抗干扰能力。同样微分作用也不能单独使用，因为它是基于系统变化率的一种调节，当系统给定没有变化时，控制器的微分作用没有输出，不能产生任何控制效果，微分环节常与另外两种调节结合使用，组成PD或PID控制器。PID控制器具有以下优点：原理简单，使用方便，易于程序实现、适应强等。对于不同的控制规律，其控制性能对比如表1.1所示。表1.1各种调节器特性对比表调节规律优点缺点应用P灵敏，简单，只有一个整定参数有静差负荷变化不显著，工艺指标要求不高的时候PI能消除静差，由控制灵敏对于滞后较大的对象，比例积分调节太慢，效果不好应用于调节通道容量之后较小，负荷变化不大，精度要求高的调节系统，例如，流量调节系统PD增进调节系统的稳定度，可调小比例度，而加快调节过程，减小动态偏差和静差系统对高频干扰特别敏感，系统输出易夹杂高频干扰应用于调节通道容量滞后较大，但调节精度要求不高的对象PID综合了各类调节作用的优点，所以有更高的调节质量对于滞后很大，负荷变化很大的对象，PID调节也无法满足要求，应设计复杂的调节系统应用于调节通道容量滞后较大，负荷变化较大，精度要求高的时候由于PID控制器的种种有点，在工业过控中，PID控制总是成为工控过程中的首要选择。根据被控对象的不同，适当地调整PID参数，可以获得比较满意的控制效果，因此仍广泛应用于电厂电力、化学工业等相关自动化领域中。1.3 主要研究内容1.了解PLC的硬件结构。2.熟悉掌握PLC的硬件组态，学会使用PROFIBUS协议连接控制器和上位机。3.熟悉并且学会使用工控软件WinCC。4.掌握PLC编程软件STEP7及与上位机建立通讯。5.设计基于PLC与WinCC构架下的水温控制系统，采用PID控制。2 PLC与Wincc基础2.1 可编程控制器（PLC）基础2.1.1 可编程控制器可编程控制器（即PLC）是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通信技术等现代技术于一体的新型工业控制扎装置。因早期的可编程控制器主要用于代替继电器实现逻辑控制，所以将它称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。近年来，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程逻辑控制器不仅能实现逻辑控制，还具有数据处理及通信等功能，故称为可编程控制器，简称PC（Programmable Controller）。由于个人计算机（Personal Computer）也简称为PC，为了不使两者混淆，人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写，并沿用至今。PLC在继电-接触器技术和计算机控制技术的基础上开发出来，并逐步发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术、通信技术等于一体的一种新型工业控制装置。国际电工委员会（IEC）在1985年颁发的标准中，对PLC如下定义：“PLC是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用可编程的储存器，用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式、的输入和输出，控制各中机械或生产过程。PLC及有关设备，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。”由此可见，PLC是一种由用户自己编程通用的控制装置，用户可根据不同的使用场合，不同的控制需要，对它编制不同的控制程序。2.1.2 模块式PLC的基本结构这里我们主要介绍的是西门子S7-300，S7-300属于模块式PLC。西门子的PLC以其极高的性价比，在国内占有很大的市场份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。S7-300模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装的机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC或其它设备通信。2.1.3 PLC的功能随着自动化技术、计算机技术及网络通信技术的迅速发展，PLC的功能日益增多。它不仅能实现单机控制，而且能实现多机群控制；不仅能实现逻辑控制，还能实现过程控制、运动控制和数据处理等，其主要功能如下：1、开关量逻辑控制这是PLC的最基本的功能。PLC具有强大的逻辑运算能力，它提供了与、或、非等各种逻辑指令，可实现继电器触点的串联、并联和串并联等各种连接的开关控制，常用于取代传统的继电器控制系统。使用PLC提供的定时、计数指令，可实现定时、计数功能，其定时值和计数值既可由用户在编程时设定，也可用数字拨码开关来设定，其值可进行在线修改，操作十分灵活方便。2、模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。PLC提供了各种智能模块，如模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入输出模块、热电阻用模拟量输入模块、热电阻用模拟量输出模块等，通过使用这些模块，把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理；而CPU处理的数字结果，经D/A转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。3、闭环过程控制使用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。配置PID控制单元或模块，对控制过程中某一变量（如速度、温度、电流、电压等）进行PID控制。4、定时、定位、计数控制PLC具有定时控制的功能，它为用户提供了若干个定时器，定时器的时间可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现定时或延时控制。定位控制是PLC不可缺少的控制功能之一。PLC提供了定位模块、脉冲输出模块等智能模块，以实现各种需求的定位控制。PLC具有计数控制的功能，它为用户提供了若干个计数器或高速计数模块。计数器的计数值可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现计数控制。5、顺序（步进）控制在工业控制中，选用PLC实现顺序控制，可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图进行设计，可以用移位寄存器和顺序控制指令编写程序。6、网络通信现代PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，实现工厂自动化。PLC通过RS232接口可与各种RS232设备进行通信。PLC还可与其它智能控制设备（如变频器、数控装置）实现通信。PLC与变频器组成联合控制系统，可提高交流电动机的自动化控制水平。7、数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。2.1.4 PLC的特点1、通用性强、灵活性好、功能齐全PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。通过选配相应的控制模块便可适用于各种不同的工业控制系统。同时，由于PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，当生产工艺改变或生产设备更新时，不必改变PLC的硬件，只需改变程序，改变控制逻辑，其连线少，体积小，加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此，灵活性和扩展性都很好。2、可靠性高、抗干扰能力强为了确保PLC在恶劣的工业环境下能可靠的工作。在设计中强化了PLC的抗干扰能力，使之能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰。PLC能承受电网电压的变化，可直接由交流市电供电，直接取自电控箱电源。即使在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作。PLC在设计、生产过程中除了对元器件严格筛选外，硬件和软件还采用屏蔽、滤波。光电隔离和故障诊断、自动恢复等措施，有的PLC还采用了冗余技术等，进一步增强了PLC的可靠性。3、编程简单、使用方便PLC在基本控制方面采用梯形图语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简单、直观性强，广大电气人员容易接受。用梯形图编程出错率比汇编语言低得多。梯形图、流程图、语句表之间可以有条件的相互转换，使用极其方便。4、模块化结构、安装简单、调试方便PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化结构设计，由机架和电缆将各模块连接起来，由于配置灵活，使扩展、维护更加方便。另外，PLC的接线十分方便，只需将输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC的输入端子相连，将接受控制的执行元件（接触器、电磁阀等）与输出端子相连即可。调试工作大部分是室内调试，用模拟开关模拟输入信号，其输入状态和输出状态可以观察PLC上相应的发光二极管，可以根据它进行测试、排错和修改。2.2 WinCC工控软件2.2.1 WinCC概述西门子公司的SIMATIC WinCC （Windows Control Center）视窗控制中心是第一个使用32位的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。从市面伊始，用户就对SIMATIC WinCC印象深刻。一方面，其较高的水平创新，使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现；另一方面，其基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。凭借这种战略思想，WinCC这一运行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows操作系统控制中心，已发展成欧洲市场中的领导者，乃至业界遵循的标准。如果你想使设备和机器以最优化运行，如果您想最大程度的提高工厂的可用性和生产效率，WinCC当是上乘之选。WinCC的突出优点在于：通用的应用程序，适合所有的工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有的自动化解决方案内；内置所有的操作和管理功能，可简单、有效的进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成Historian系统作为IT和商务集成的平台；可选件和附加件进行扩展；“全集成自动化”的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。 WinCC是SIMATIC PCS 7过程控制系统及其它西门子控制系统中的人机界面组件。WinCC 还为垂直市场解决方案提供有丰富的选件(options)和附加件(add-ons)。通过利用“FDA选件”，并在工程与组态时采取适当的措施 这在白皮书中已阐明 SIMATIC WinCC符合制药和食品行业FDA 21 CFR Part 11的要求(FDA = 美国食品和药物管理局)。众多的任选件，将使工厂认证更为容易，而这种认证为这些工业领域的各种要求更是提供了非常有说服力的全面响应。 WinCC提供了所有最重要的通讯通道， 用于连接到SIMATIC S5/S7/505控制器(例如通过S7协议集)的通讯，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(动态数据交换)和OPC(用于过程控制的OLE)，等非专用通道；你亦能以附加件的形式获得其它通讯通道。由于所有的控制器制造商都为其硬件提供了相应的OPC服务器，因而事实上可以不受限制地将各种硬件连接到WinCC。2.2.2 WinCC V6.0概述WinCC V6.0为本次控制系统上位机采用工控软件版本，V6.0使用标准Micsoft SQL Sever 2000数据库进行生产数据的归档，同时具有Web浏览器功能，可使得更好的观测到生产流程的动态画面，从而更好的达到控制工艺流程，为不少工业企业系统首选的过程控制平台软件。2.2.3 WinCC V6.0的特点1.基本系统中的Wincc历史数据归档和长期归档服务器以很高的压缩比进行长期数据归档，具备数据到处功能和备份机制。2.对IT和商业集成进行优化WinCC集成Microsoft SQL Server 2000数据库；增加了客户端的数据评估工具；增加了用于业务集成的开放式接口。3可连续扩展系统中可以有多达12台服务器和32个WinCC客户端，每台服务器都可以有自己的冗余服务器。4.新的开放性标准VBA（组态自动化）；Visual Basic 脚本（运行系统脚本）；OPC HDA、OPC A&E、OLE-DB。5.增加的Web功能可以在WinCC客户端上安装Web Navigator服务器，用作更具安全性的数据集中处理器；Web Navigator具备WinCC客户端的功能。6.新的选件WinCC/DatMonitor Web Edition；WinCC/Connectivity Pack；WinCC/Industrial Data Bridge;WinCC/SIMATIC Logon、WinCC/Audit和WinCC/Electronic Signiture。3 控制系统硬件配置及软硬件组态本系统设计开发的平台主要是基于学校工控实验室里的西门子工业控制设备，同时也有一些其他的配件，主要硬件如下表3.1：表3.1设备及配件设备及配件型号数量西门子S7-300 PLCCPU314C-2PN/DP1台工控机-1台上位机通信卡CP56111张热电阻传感器Pt1001只固态继电器SSR-10 DA1只3.1 PLC硬件部分3.1.1 S7-300系列PLC简介德国西门子（SIEMENS）公司的PLC 产品里面有SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。S7是具有传统意义上的PLC 产品，其中S7-300是针对低性能要求的模块式中小型PLC，最多可以扩展32个模块。300系列的PLC 是一种通用型的PLC，具有模块化，无风扇结构，易于实现分布式的配置以及易于掌握的特点，这使它能够适应自动化工程中的各种应用场合，执行各种控制任务，因此在实践中成为一种既经济又可靠的控制装置。S7-300PLC采用模块化的结构，各种模块能以不同的放肆组合在一起，模块式PLC由机架和模块组成。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能完成各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择、更换合适的模块。同样可以扩展PLC 。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分广泛。S7-300PLC是模块化的PLC，它由以下及部分组成：中央处理单元、负载电源模块、信号模块、功能模块、通信处理器以及接口模块。3.1.2 CPU314C-2PN/DP介绍本系统设计用到的两台PLC均是西门子300系列PLC，型号：CPU314C-2PN/DP订货号：6ES7314-6EH04-0AB0，固件版本V3.3。该CPU是西门子公司的刚推出的新型紧凑型处理模块。它集成了模拟量和数字量输出模块，晶体管输出,如图3.1.1：图3.1.1 CPU314C-2PN/DP集成I/O的方框图1)状态和出错LED灯2)带有弹性装置的SIMATIC MMC卡的插槽3)集成输入和输出的端子4)电源连接5)1.接口X1（MPI/DP）6)2.接口X2(PN),配有交端口交换机7)MAC地址和二维条形码8)模式选择器开关1.CPU的属性：表3.1.1 CPU314C-2PN/DP的属性产品CPU314C-2PN/DP9针DP接口（X1）X9针DP接口（X2）X数字量输入24数字量输出16模拟量输入4+1模拟量输出2工艺功能4个计数器一个用于定位的通道2. CPU314C-2PN/DP的集成I/O寻址:表3.1.2 CPU314C-2PN/DP的集成I/O输入/输出默认地址注释24个数字量输入136.0到138.7，其中16个输入用于工艺功能；136.0到137.7可以为所有数字量输入分配中断功能。可选的工艺功能：计数频率测量脉冲宽度调制定位16个数字量输出136.0到137.7，其中4个输入用于工艺工能；136.0到136.34+1个模拟量输入800到8092个模拟量输出800到8033. 集成数字量I/O的方框图和引脚分配图如图3.1.2：3.1.2 集成数字量I/O的方框图和引脚分配4.集成数字量/模拟量I/O的方框图如图3.1.3:图3.1.3 集成数字量/模拟量I/O的方框图3.2 温度传感器3.2.1 温度传感器概述温度是一个基本的物理量，也是工业控制领域内最为常见的工艺参数之一。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器，而从90年代开始，温度传感器的使用在市场中占有的份额开始大大超出其他类型传感器。17世纪初伽利略发明了温度计，人类开始使用温度计进行测量，得到数值，而真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。这里我们主要介绍热电阻温度传感器。3.2.2 热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件。热电阻是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。当电阻值变化时，二次仪表便显示出电阻值所对应的温度值。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的。铂热电阻根据使用场合的不同与使用温度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作为测温元件，它具有良好的传感输出特性，通常和显示仪、记录仪、调节仪以及其它智能模块或仪表配套使用，为它们提供精确的输入值。若做成一体化温度变送器，可输出4-20mA标准电流信号或0-10V标准电压信号，使用起来更为方便。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。此外，现在已开始采用铬、镍、锰和铑等材料制造热电阻。根据使用场合的不同，热电阻也有铠装式热电阻、装配式热电阻、隔爆式热电阻等种类，与热电偶类似。铂电阻的工作原理是，在温度作用下，铂热电阻丝的电阻值随温度变化而变化，且电阻与温度的关系即分度特性符合IEC标准。分度号Pt100的含义为在0时的名义电阻值为100，目前使用的一般都是这种铂热电阻。此外还有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等铂热电阻，Cu50、Cu100的铜热电阻等。本设计选用铂热电阻Pt100作为实验采用器材。 3.3 固态继电器3.3.1 概述 固态继电器（Solid State Relay，简称SSR）与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。它是一种四端有源器件，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端，如图3.3.1所示。图3.3.1 固态继电器模块示意图图3.3.2 固态继电器食物图 当输入端有控制信号，输出端从关断状态变为导通状态；控制信号撤消后，输出端变为关断状态，从而实现自动控制的用途。 固态继电器的输入端、输出端之间采用光电隔离技术，使得弱电和强电隔离，因此从计算机等弱电设备输出的信号可以直接加在固态继电器的控制端上，无需另外的保护电路。3.3.2 固态继电器的组成 固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。3.3.3 固态继电器的特点相对于数字继电器、时间继电器等其他继电器而言，固态继电器的使用寿命更长且没有多余的零部件，可靠性亦很好；固态继电器还具有良好的防潮防腐蚀性能，在防爆等方面性能也非常不错，此外固态继电器还具有输入功率小，灵敏度较高，噪声低，兼容性较好等特点，所以是工控行业中技术人员采用“上座率”较高的好伙伴。由于家用点热水壶一般功率为一千瓦左右，所以采用单相交流固态继电器SSR-10 DA去控制电热水壶，完全符合实验要求。3.4 西门子编程软件STEP73.4.1 STEP7概述STEP7编程软件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC编程、监控、参数设置的软件包。STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。在编程软件STEP 7中，其核心工具为SIMATIC Manager（管理器），作用为管理全部生成的自动化数据以及处理这些数据。使用STEP7可以进行组态SIMATIC控制器硬件、选择模块地址和参数模块，并且进行网络组态连接。3.4.2 STEP7硬件组态在STEP7编程软件中创建过PLC软件项目之后，必须与S7-300 PLC硬件组态，建立通讯之后的在STEP 7中写入的程序才能参与在系统控制当中。图3.4.1 插入SIMAITC 300打开用向导创建的Program1项目，右键添加“SIMATIC 300 Station”。图3.4.2 CPU模块添加在添加完300的站点之后双击“硬件”图标，打开硬件组态程序，之后在“硬件目录中”找到“SIMATIC 300”并且打开“PACK-300”将“Rail”拖拽到左方视图中，即可添加主机架。之后再进行进行CPU模块添加，型号为CPU314C-2 PN/DP。图3.4.3 PLC硬件图表将硬件组态完成之后记录下模拟量输入/输出、数字量输入/输出的地址在之后编写梯形图时进行调用。图3.4.4 数字量输出/输出地址在水温控制系统中需要一个DO点作为控制固态继电器输出地址，而通过上图可以观察到DO输出地址为136.0-137.7，选取Q136.0作为控制继电器的DO地址。图3.4.5 模拟量输出/输出地址通过模拟量输出/输出地址可以发现到AI点用于温度测量地址只有选取RTD-2L热敏电阻，地址为PIW808。 4 PLC控制系统设计4.1 程序设计4.1.1 设计思路系统要达到恒温控制状态，当PLC开始运行时，温度传感器会将采集的温度测量值进行标准量转换，再通过模拟量输入通道AI传到PLC中，由于电加热器只能处于ON或OFF，不能接受模拟量调节，故采用“占空比”的调节方法，则需要调用PID模块。温度传感器检测到的温度值送入PLC后，若经PID指令运算得到一个O-1的实数，把该实数按比例换算成一个0-100的整数，把该数作为一个范围为0-1s的时间t。设计一个周期为1s的脉冲，脉冲宽度为1，把脉冲加给电加热器，即可控制温度。4.1.2 控制系统流程图（PLC部分）PLC启动开始绿灯亮，系统运行得到温度采样值反馈给PLC调用PID模块PID输出转换成占空比PLC控制固态继电器输出电器（水壶）温度开始变化图4.1.1 控制流程图4.1.3 控制系统关系图上位机加热电器（水壶）固态继电器S7-300 PLC控制器温度传感器图4.1.2 控制关系图由于PLC的电源模块输出为5-24V电压，而要控制水温则必须使得加热电器（开水壶）工作，此时仅靠PLC供电显然是不足以完成控制，而固态继电器的加入则可以将低压（24V）转换达到正常的家用电压220V-380V用以达成系统控制水温环节。水温的实时温度值则通过温度传感器反馈给PLC，上位机在与PLC建立通讯之后即可以通过工控软件WinCC调节相应的P、I、D参数达到控制目的，从而构成完整的温控系统。4.1.3 PID参数调节被控对象执行机构PID控制器A/D敏感原件D/A图4.1.3 PID控制调节图在水温控制环节温度设定值（SP）与温度测量值(PV)之间构成差值，反馈给PLC中，通过其调用PID模块去达到在闭环控制系统中良好的控制效果。本文中由于使用S7-300 PLC以及STEP7 V5.5版本编程软件，所以可直接通过调用梯形图当中的PID控制模块实现水温控制的要求，相对于传统的通过PID公式写入梯形图而言步骤简化了不少。虽然抛开传送的PID算法公式写入梯形图，不过在PID控制环节原理依然不变，以离散PID公式为