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I 基于组态软件的 S7 200 PLC 温度控制系统 中文摘要 随着自动化水平不断提高 人们对自动化的要求也不断提高 近几年 飞速发展的 计算机技术在各行各业得到广泛应用 但是 以之相对应 传统的工业控制软件有开发 周期长 重复使用率低 价格高 修改难等缺点 随着越来越多的自动化设备不断得到 应用 人们对工业控制软件的要求也不断提高 传统的工业控制软件已无法满足用户的 要求 如何方便快捷的使用工业控制软件设计出灵活有效的自动控制系统已成为一个很 重要的课题 本设计以 S7 200 PLC 为核心 向上 通过 PPI 通信和上位机通讯 向下 通过模拟 量输入输出模块 EM235 对温度对象采样与输出控制 在上位机 使用组态软件 MCGS 绘出工艺流程 动画效果等所需的组态界面 通过变量与动画对象的连接 使动画效果 与实际变量相对应 这样可以很方便的从组态界面上看到系统实际情况并控制 PLC 的各 个参数 在温度采样上 使用 PT100 热电阻进行采样 使用脉宽调制电路对输出电压进 行控制 进而形成完整的温度控制系统 本文分别通过硬件的选择 设计 使用 软件的选择 编写等方面详细介绍系统各 个模块的原理 设计和使用 实验证明 以 PLC 作为控制器的核心 使用组态软件作为 上位机 控制 PLC 再通过 PLC 编程控制温度对象 这种设计方式方式可以方便快捷灵 活的设计出符合要求的控制系统 关键字 MCGS 组态软件 PPI 通讯 PLC 温度控制系统 II S7 200 PLC Temperature Control System Based on Configuration Software Abstract With the continuous development of the industral automatization it set higher requirements for the automatics These years computer technology have been developing rapidly and are widely used in every walk of life In the other hand however the traditional industry controlling software bring with it critical shortcomings such as long development cycle low reusability high price and immobility As more and more automatic equipments are applied and the requirements for industrial control software are higher and higher the traditional industry controlling software can t meet customers demand any more How to design a flexible and effective automatic control system fastly and conveniently by using industrial control software has become a very important topic This thesis focus on S7 200 PLC which communicating upward with upper monitor through PPI and also sampling temperature and outputing control single downward through Analog I O module EM235 Necessary configuration interface such as software process and animation effects are accomplished by using MCGS configuration software in upper monitor Through connecting variable to animation effects making animation effects the counterpart of actual variable thus make it convenient to see actual situation and to control each parameter of PLC in configuration interface In term of temperature sampling thermal resistor PT100 are used to take sample PWM are used to control output voltage so that a complete temperature control system are formed This Thesis introduce the principle design application of the each system module in detail which including the type selection design and application of the hardware and the selection and writing of the software Experiments prove that the design solution which using PLC as control core to control temperature object configuration software as upper monitor to control PLC could achieve a desirable control system conveniently quickly and flexiblely Key words MCGS configuration software PPI communication PLC temperature control system III 目录 中文摘要中文摘要 I ABSTRACT II 目录目录 III 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 温度控制系统研究背景 1 1 2 PLC 概况 2 1 2 1 PLC 的定义 2 1 2 2 PLC 的特点 2 1 2 3 PLC 的国内外状况 3 1 2 4 PLC 未来展望 3 1 3 组态软件 4 1 3 1 组态软件背景 4 1 3 2 监控组态软件的最新发展情况 4 1 3 3 组态软件的未来 6 1 4 研究主要内容 6 第第 2 章章 硬件电路的设计硬件电路的设计 8 2 1 系统的组成 8 2 1 1 控制系统结构图 8 2 1 2 系统的硬件组成 9 2 2 硬件的连接 10 第第 3 章章 PLC 程程序序设计设计 12 3 1 系统的控制要求 12 3 2 系统工作过程 12 3 3 系统开关量的分配 14 3 4 系统使用内存分配 15 3 5 S7 200 PLC 自带 PID 模块设定 16 3 5 1 PID 简介 16 3 5 2 S7 200 PLC 自带 PID 的设置 17 3 6 PLC 程序设计 18 3 6 1 程序流程图 18 IV 3 6 2 主程序 18 3 6 3 子程序 23 3 7 S7 200 PLC PPI 通讯设置 24 第第 4 章章 MCGS 组组态软件设计态软件设计 26 4 1 MCGS 组态软件概述 26 4 1 1 MCGS 嵌入版组态软件的主要功能 26 4 1 2 MCGS 软件结构 28 4 2 监控系统功能设计 29 4 2 1 组态软件的设计要求 29 4 2 2 组态功能设计 29 4 3 MCGS 组态界面设计 30 4 4 设备窗口 34 4 5 变量定义及连接 36 4 5 1 实时数据库定义 36 4 5 2 变量连接 36 4 6 运行策略 37 第第 5 章章 系系统测试统测试 39 5 1 组态测试 39 5 2 系统测试 41 5 2 1 各种参数的响应曲线图 41 5 2 2 曲线分析 44 总结总结 45 参考文献参考文献 46 致谢致谢 47 基于组态软件的 S7 200 PLC 温度控制系统 1 第 1 章 绪论 1 1 温度控制系统研究背景 温度与人们的生存生活生产息息相关 从古人类的烧火取暖 到今天的工业温度控 制 处处都体现了温度控制 随着生产力的发展 人们对温度控制精确度要求也越来越 来高 温度控制的技术也得到迅速发展 各种温度控制算法如 PID 温度控制 模糊控制 算法 神经网络算法 遗传算法等都应用在温度控制系统中 传统的温度控制器多由继电器组成的 但是继电器的触点的使用寿命有限 故障率 偏高 稳定性差 无法满足现代的控制要求 而随着计算机技术的发展 嵌入式微型计 算机在工业中得到越来越多的应用 将嵌入式系统应用在温度控制系统中 使得温度控 制系统变得更小型 更智能 随着国家的 节能减排 政策的提出 嵌入式温度控制系 统能够降低能耗 节约成本这一优点使得其拥有更加广阔的市场前景 而 PLC 就是最具 代表性的一员 目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活 工业生产的各个领域 适 用于家电 汽车 材料 电力电子等行业 成为发展国民经济的重要热工设备之一 在 现代化的建设中 能源的需求非常大 然而我国的能源利用率极低 所以实现温度控制 的智能化 有着极重要的实际意义 1 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛 但从温度控制器来讲 总 体发展水平仍然不高 同日本 美国 德国等先进国家相比有着较大差距 目前 我国 在这方面总体技术水平处于 20 世纪 50 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 难以控制滞后 复杂 时变 温度系统 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 瑞典等技术领先的国家 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 它们主要具有如下的特点 1 是适应于大 惯性 大滞后等复杂温度控制系统的控制 2 是能够适应于受控系统数学模型难以建立 的温度控制系统的控制 3 是能够适应于受控系统过程复杂 参数时变的温度控制系统 的控制 4 是温度控制系统普遍采用自适应控制 自校正控制 模糊控制 人工智能等 理论及计算机技术 运用先进的算法 适应的范围广泛 5 是温度控制器普遍具有参数 自整定功能 借助计算机软件技术 温度控制器具有对控制对象控制参数及特性进行自 动整定的功能 有的还具有自学习功能 能够根据历史经验及控制对象的变化情况 自 福州大学本科生毕业设计 论文 2 动调整相关控制参数 以保证控效果的最优化 6 是具有控制精度高 抗干扰力强 鲁 棒性好的特点 2 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 1 2 PLC 概况 1 2 1 PLC 的定义 可编程控制器 Programmable Controller 是计算机家族中的一员 是为工业控制应用而 设计制造的 它主要用来代替继电器实现逻辑控制 随着技术的发展 这种装置的功能 已经大大超过了逻辑控制的范围 因此 今天这种装置称作可编程控制器 简称 PLC 1 2 2 PLC 的特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术 采 用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很高的可靠性 2 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 发展到今天 已经形成了大 中 小各种规模的系列化产品 可以用于各种规 模的工业控制场合 除了逻辑处理功能以外 现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力 可用于各种数字控制领域 近年来 PLC 的功能单元大量涌现 使 PLC 渗透到了位置控制 温度控制 CNC 等各种工业控制中 加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展 使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机 是面向工矿企业的工控设备 它接口容易 编程语 言易于为工程技术人员接受 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接 近 只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能 为不熟 悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门 4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制系统设计 及建造的周期大为缩短 同时维护也变得容易起来 更重要的是使同一设备经过改变程 序改变生产过程成为可能 这很适合多品种 小批量的生产场合 5 体积小 重量轻 能耗低 以超小型 PLC 为例 新近出产的品种底部尺寸小于 100mm 重量小于 150g 功耗仅 基于组态软件的 S7 200 PLC 温度控制系统 3 数瓦 由于体积小很容易装入机械内部 是实现机电一体化的理想控制设备 3 4 1 2 3 PLC 的国内外状况 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司 DEC 研制的 限于当时的元 器件条件及计算机发展水平 早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成 可 以完成简单的逻辑控制及定时 计数功能 20 世纪 70 年代初出现了微处理器 人们很快将其引入可编程控制器 使 PLC 增加 了运算 数据传送及处理等功能 完成了真正具有计算机特征的工业控制装置 为了方 便熟悉继电器 接触器系统的工程技术人员使用 可编程控制器采用和继电器电路图类 似的梯形图作为主要编程语言 并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名 此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物 20 世纪 70 年代中末期 可编程控制器进入实用化发展阶段 计算机技术已全面引入 可编程控制器中 使其功能发生了飞跃 更高的运算速度 超小型体积 更可靠的工业 抗干扰设计 模拟量运算 PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位 20 世纪 80 年代初 可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用 这个时期可编 程控制器发展的特点是大规模 高速度 高性能 产品系列化 这个阶段的另一个特点 是世界上生产可编程控制器的国家日益增多 产量日益上升 这标志着可编程控制器已 步入成熟阶段 20 世纪末期 可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要 从控制规模 上来说 这个时期发展了大型机和超小型机 从控制能力上来说 诞生了各种各样的特 殊功能单元 用于压力 温度 转速 位移等各式各样的控制场合 从产品的配套能力 来说 生产了各种人机界面单元 通信单元 使应用可编程控制器的工业控制设备的配 套更加容易 目前 可编程控制器在机械制造 石油化工 冶金钢铁 汽车 轻工业等 领域的应用都得到了长足的发展 我国可编程控制器的引进 应用 研制 生产是伴随着改革开放开始的 最初是在 引进设备中大量使用了可编程控制器 接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大 了 PLC 的应用 目前 我国自己已可以生产中小型可编程控制器 上海东屋电气有限公 司生产的 CF 系列 杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列 大连组合机床研究所生产的 S 系列 苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品 中获得了应用 此外 无锡华光公司 上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名 的 PLC 生产厂家 可以预期 随着我国现代化进程的深入 PLC 在我国将有更广阔的应 用天地 1 2 4 PLC 未来展望 福州大学本科生毕业设计 论文 4 21 世纪 PLC 会有更大的发展 从技术上看 计算机技术的新成果会更多地应用于 可编程控制器的设计和制造上 会有运算速度更快 存储容量更大 智能更强的品种出 现 从产品规模上看 会进一步向超小型及超大型方向发展 从产品的配套性上看 产 品的品种会更丰富 规格更齐全 完美的人机界面 完备的通信设备会更好地适应各种 工业控制场合的需求 从市场上看 各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的 加剧而打破 会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面 会出现国际通用的编程语言 从网络的发展情况来看 可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统 是可编程控制器技术的发展方向 目前的计算机集散控制系统 DCS DistributedControlSystem 中已有大量的可编程控制器应用 伴随着计算机网络的发 展 可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分 将在工业及工 业以外的众多领域发挥越来越大的作用 1 3 组态软件 在工业自动控制时 为了更加直观地观察监控工业流程的各个环节 PLC 常与一些 工控软件配合 即使用工控软件作为上位机 监控下位机 PLC 使用各种工控软件中 我们经常提到组态一词 组态英文是 Configuration 其意 义简单的讲 组态就是用应用软件中提供的工具 方法 完成工程中某一具体任务的过 程 与硬件生产相对照 组态与组装类似 当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的 发挥空间 因为它一般要比硬件中的 部件 更多 而且每个 部件 都很灵活 因为 软部件都有内部属性 通过改变属性可以改变其规格 如大小 性状 颜色等 1 3 1 组态软件背景 自 2000 年以来 国内监控组态软件产品 技术 市场都取得了飞快的发展 应用领 域日益拓展 用户和应用工程师数量不断增多 充分体现了 工业技术民用化 的发展 趋势 监控组态软件是工业应用软件的重要组成部分 其发展受到很多因素的制约 归 根结底 是应用的作用对其发展起着最为关键的推动作用 监控组态软件是在信息化社会的大背景下 随着工业 IT 技术的不断发展而诞生 发 展起来的 在整个工业自动化软件大家庭中 监控组态软件属于基础型工具平台 监控 组态软件给工业自动化 信息化 及社会信息化带来的影响是深远的 它带动着整个社 会生产 生活方式的变化 这种变化仍在继续发展 因此组态软件作为新生事物尚处于 高速发展时期 目前还没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究 总结和探讨 更没有形成独立 专门的理论研究机构 近 5 年来 一些与监控组态软件密切相关的技术如 OPC OPC XML 现场总线等技 基于组态软件的 S7 200 PLC 温度控制系统 5 术也取得了飞速的发展 是监控组态软件发展的有力支撑 1 3 2 监控组态软件的最新发展情况 1 监控组态软件日益成为自动化硬件厂商争夺的重点 整个自动化系统中 软件所占比重逐渐提高 虽然组态软件只是其中一部分 但 1 因其渗透能力强 扩展性强 近年来蚕食了很多专用软件的市场 因此 监控组态软件 具有很高的产业关联度 是自动化系统进入高端应用 扩大市场占有率的重要桥梁 在 这种思路的驱使下 西门子的 WinCC 在市场上取得巨大成功 目前 国际知名的工业自 动化厂商如 Rockwell GE Fanuc Honeywell 西门子 ABB 施耐德 英维思等均开发 了自己的组态软件 监控组态软件在 DCS 操作站软件中所占比重日益提高 2 继 FOXBORO 之后 Euro therm 欧陆 Delta V PCS7 等 DCS 系统纷纷使用通用监 控组态软件作为操作站 同时 国内的 DCS 厂家也开始尝试使用监控组态软件作为操作 站 在大学和科研机构 越来越多的人开始从事监控组态软件的相关技术研究 3 从国内自动化行业学术期刊来看 以组态软件及与其密切相关的新技术为核心的 4 研究课题呈上升趋势 众多研究人员的存在 是组态软件技术发展及创新的重要活跃因 素 也一定能够积累很多技术成果 无论是技术成果还是研究人员 都会遵循金字塔的 规律 由基础向高端形成过渡 这些研究人员和他们的研究成果为监控组态软件厂商开 发新产品提供了有益的经验借鉴 并开拓他们的思路 基于 Linux 的监控组态软件及相关技术正在迅速发展之中 很多厂商都相继推出 5 成熟的商品 对组态软件业的格局将产生深远的影响 2 从软件规模上看 大多数监控组态软件的代码规模超过 100 万行 已经不属于小 型软件的范畴了 从其功能来看 数据的加工与处理 数据管理 统计分析等功能越来 越强 监控组态软件作为通用软件平台 具有很大的使用灵活性 但实际上很多用户需 要 傻瓜 式的应用软件 即需要很少的定制工作量即可完成工程应用 为了既照顾 通用 又兼顾 专用 监控组态软件拓展了大量的组件 用于完成特定的功能 如批 次管理 事故追忆 温控曲线 油井示功图组件 协议转发组件 ODBCRouter ADO 曲 线 专家报表 万能报表组件 事件管理 GPRS 透明传输组件等 3 纵向功能 向上向下延伸 组态软件处于监控系统的中间位置 向上 向下均具有比较完整的接口 因此对上 下应用系统的渗透能力也是组态软件的一种本能 具体表现为 向上 其管理功能日渐强大 在实时数据库及其管理系统的配合下 具有部分 1 MIS MES 或调度功能 尤以报警管理与检索 历史数据检索 操作日志管理 复杂报 福州大学本科生毕业设计 论文 6 表等功能较为常见 向下 日益具备网络管理 或节点管理 功能 在安装有同一种组态软件的不同节 2 点上 在设定完地址或计算机名称后 互相间能够自动访问对方的数据库 组态软件的 这一功能 与 OPC 规范以及 IEC61850 规约 BACNet 等现场总线的功能类似 反映出其 网络管理能力日趋完善的发展趋势 4 横向 监控 管理范围及应用领域扩大 只要同时涉及实时数据通讯 无论是双向还是单向 实时动态图形界面显示 必要的 数据处理 历史数据存储及显示 就存在对组态软件的潜在需求 1 3 3 组态软件的未来 作为通用型工具软件 组态软件在自动化系统中始终处于 承上启下 的地位 组 态软件几乎应用于所有的工业信息化项目当中 应用的多样性 给组态软件的性能指标 使用方式 接口方式都提出了很多新的要求 也存在一些挑战 这些需求对组态软件系 统结构带来的冲击是巨大的 对组态软件的发展起到关键的促进作用 体现在 1 功能变迁 仍以人机界面为主 数据采集 历史数据库 报警管理 操作日志管 理 权限管理 数据通讯转发成为其基础功能 功能组件呈分化 集成化 功能细分的 发展趋势 以适应不同行业 不同用户层次的多方面需求 2 新技术的采用 组态软件的 IT 化趋势明显 大量的最新计算技术 通讯技术 多 媒体技术被用来提高其性能 扩充其功能 3 注重效率 实际上 有的 组态 工作非常繁琐 用户希望通过模板快速生成自 己的项目应用 图形模板 数据库模板 设备模板可以让用户以 复制 方式快速生成 目标程序 4 组态软件注重数据处理能力和数据吞吐能力的提高 组态软件除了常规的实时数 据通讯 人机界面功能外 1 万点以上的实时数据历史存储与检索 100 个以上 C S 或 B S 客户端对历史数据库系统的并发访问 对组态软件的性能都是严峻的考验 随着应用 深度的提高 这种要求会变得越来越普遍 5 与控制系统硬件捆绑 组态软件与自动控制设备实现无缝集成 为硬件 量身定 做 这表明组态软件的渗透能力逐渐加强 自动化系统从来就离不开软件的支持 而整 体解决方案利于硬件产品的销售 也利于厂商控制销售价格 软件是自动化系统的核心与灵魂 组态软件又具有很高的渗透能力和产业关联度 不管从横向还是纵向看 一个自动化系统中 组态软件日益渗透到每个角落 占据越来 越多的份额 组态软件越来越多地体现着自动化系统的价值 虽然软件是自动化系统的 核心与灵 但是组态软件还远未承担起这一角色 组态软件的内涵和外延在不断变化 其在自动化系统中所扮演的角色会逐渐接近这一标准 基于组态软件的 S7 200 PLC 温度控制系统 7 1 4 研究主要内容 本设计的主要流程为使用组态软件 MCGS 作为上位机 以 S7 200 PLC 作为下位机 上位机通过 PPI 通讯读写下位机内存状态 下位机通过程序控制温度对象 本设计的主要 内容有 1 使用组态软件 MCGS 制作控制对象的工艺流程 报警组态 实时曲线与历史曲线 等 2 MCGS 与 S7 200 PLC 的通讯研究 3 使用 STEP 7 编程软件 使用 S7 200 PLC 自带的 PID 模块 编写程序 4 温度控制系统的温度采集与控制电压输出 福州大学本科生毕业设计 论文 8 第 2 章 硬件电路的设计 控制单元的硬件设计应当围绕系统要求进行 同时要遵循以下设计原则 l 模块化设计 硬件设计时应当根据预期实现的功能划分为若干功能模块 尽可能选 择模块化 标准化的典型电路 提高设计的成功率和灵活性 2 简化设计 硬件设计尽可能选用集成电路 少用分立元件 这样有利于提高系统 的集成度 减少元器件之间的连线 节点和封装数目 从而大大提高系统工作的可靠性 3 防干扰设计 可靠性及抗干扰设计是硬件系统不可缺少的部分 它包括芯片 器 件选择 隔离技术等 4 系统的扩展和各种功能模块的设计在满足系统要求的基础上 应适当留有余地 以备将来修改扩展之需 5 注意缩短设计周期 例如 可以选用现成的模板作为系统的一部分 也可以选用 已开发的总线结构的接口板 如输入板 输出板 刀 D 板等 6 注意对新技术 新材料 新工艺的应用 5 2 1 系统的组成 2 1 1 控制系统结构图 温度控制系统的结构图如图 2 1 所示 该结构包括一台计算机 一台 S7 200 PLC 一个输出电压控制电路 一个温度检测电路 一个加热器 一个模拟量输入输出模块和 串口通信线路等组成 图 2 1 控制系统结构 基于组态软件的 S7 200 PLC 温度控制系统 9 系统结构组成 1 上位机 在温度控制系统中 控制现场往往是高温 高辐射等 这些现场很危险 工作人员 一般不在现场 无法了解现场各种情况 而上位机的设计就是为了让工作人员对现场的 各个环节的工作状态有着清晰的了解 更好的管理现场 通过 RS232 等通信接口 实现 现场设备与上位机的实时通讯 2 下位机 为了实现自动控制系统中的各种复杂的控制算法 使系统智能化 设计了下位机 下位机是控制系统的核心 下位机由输入输出模块 PLC 和单片机等组成 实现数据采 集 运算 输出等任务 3 现场 即被控对象 在现场有许多传感器仪表 功率设备等 实现对现场变量的检测及对 下位机的各种控制信号的响应等 2 1 2 系统的硬件组成 1 上位机 上位机是监控软件所运行的计算机 用来实现整个系统的管理 2 下位机 下位机是控制算法的实现 选用 S7 200 PLC S7 200 PLC 系列在集散 自动化系统中发挥 着极其强大功能 应用领域极为广泛 使用范围可覆盖从替代继电 器的简单控制到更复杂的自动化控制 覆盖所有与自动检测 自动化控制有关的工业 及民用领域 包括各种机床 机械 电力设施 民用设施 环境保护设备等 如冲 压机床 磨床 印刷机械 橡胶化工机械 中央空调 电梯控制 运动系统 3 通讯 由于下位机选用 S7 200 PLC 故选用 RS232 转 RS485 实现 PPI 通信 4 输入输出模块 输入输出的主要功能是实现数据的 A D 或 D A 转换 这里选用 EM235 EM235 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 250 电阻转换 DC 1 5V 或通过 500 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 5 电量变送器 用于将现场各种变量转化为标准的电信号 以便下位机读取 热电 阻是中低温区最常用的一种温度 传感器 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确度是最高的 它不仅广泛应用于工业测温 而且被制成标准的 基准仪 所以我们选用 PT100 热电阻传感器电路 6 6 功率放大电路 主要功能实现将控制信号转化为强电信号 这里选用脉宽调制电 路 脉宽度调制是一种模拟控制方式 其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基 福州大学本科生毕业设计 论文 10 极的偏置 使晶体管导通时间改变 来实现开关稳压电源输出 这种方式能使电源 的输出电压在工作条件变化时保持恒定 是利 用微处理器的数字输出来对 模拟电路 进行控制的一种非常有效的技术 7 2 2 硬件的连接 1 上位机与 S7 200 PLC 的连接 上位机与下位机采用 PPI 通信协议 上位机的 PPI 通信接口为 RS232 而下位机的接 口为 RS485 所以必须先进行转换 这里选用标准串口型号的西门子 PC PPI 电缆如图 2 2 图 2 2 PC PPI 电缆 电缆上带 5 个 DIP 开关 前三位开关的不同组合对应不同的波特率 具体如表 2 1 表 2 1 DIP 开关与波特率的对应表 波特率38400192009600480024001200600 开关000001010011100101110 这里我们用波特率为 9600bs 开关组合为 010 2 EM235 的使用 EM235 是模拟量输入输出扩展模块 拥有 4 路输入和 1 路输出 最大输入电压范围 为 10V 对应的数字量为 32000 32000 最大输出电压范围为 10V 对应的数字量 32000 32000 EM235 的接线如图 2 3 基于组态软件的 S7 200 PLC 温度控制系统 11 图 2 3 EM235 外部接线 在本系统中 温度及输出电压均为单极性 在单极性中 EM235 的 DIP 开关与量程的关 系如图 2 4 图 2 4 EM235 DIP 开关与量程的关系 这里我们选择输入量程为 0 10V 到此 我们完成了系统硬件设计 福州大学本科生毕业设计 论文 12 第 3 章 PLC 程序设计 3 1 系统的控制要求 根据任务书 系统的控制要求 1 温度稳定于 60 C 偏差不超过 5 C 2 采用 S7 200 PLC 自带的 PID 模块完成控制功能 要求 PID 参数可以自整定完成 3 要求该系统具有手动 自动无扰切换功能 具有高限报警功能 低限报警功能 模 块错误报警功能 系统由组态软件和 S7 200 PLC 构成一个上下位机系统 在组态界面中实现如下功能 1 系统启动 停止操作 手动 自动切换操作 2 工艺流程显示 通过组态软件窗口可以形象显示温度控制系统的工艺流程 3 实时监测功能功能 运行时温度变化实时曲线显示 4 故障报警显示 温度高限报警 低限报警 模块错误报警 通过西门子模拟量输入输出模块 EM235 与 S7 200 PLC 进行模拟量的输入与输出 并 在 S7 200 PLC 中编程实现温度 PID 控制 满足控制性能的要求 同时 利用 PPI 通信协 议实现组态软件与 PLC 之间的数据通信 3 2 系统工作过程 根据要求 系统可以进行手动 自动控制的切换 工作过程分别为 1 自动控制过程 当该温度控制系统处于自动控制时 系统为典型的单闭环控制系统 系统结构如图 3 1 系统工作时 先用热电阻检测温度 温度变送器将热电阻输出的微弱电压转换为标 准量程的电压 然后送给模拟量输入模块 经 A D 转换后得到与温度成比例的数字量 CPU 将它与温度设定值比较 并按某种控制规律对误差进行计算 将运算结果送给模拟 量输出模块 经 D A 转换后变为模拟量电压信号 控制脉宽调制电路的输出电压 从而 控制加热器的电压 8 9 基于组态软件的 S7 200 PLC 温度控制系统 13 图 3 1 自动控制系统结构 2 手动控制 温度控制系统处于手动控制时系统为开环控制 此时 S7 200 PLC 不再从温度测量 电路上读取温度值 而是直接从上位机得到实际的控制电压的具体值 经过 PLC 将电 压值转化为数字量 直接通过 EM235 将代表电压的数字量转化为模拟量的电压 输出到 脉宽调制电路 从而控制加热器的电压 结构如图 3 2 图 3 2 手动控制系统结构 在上面的两个系统中 上位机提供控制信号 而没有使用 S7 200 PLC 的输入点 并 且上位机实时的采集 S7 200 PLC 内与流程相关的变量的值 用于对工艺流程的监视 S7 200 PLC 只对扩展模块 EM235 对应的 I O 进行采样与输出 但是 由于 S7 200 PLC 的内 福州大学本科生毕业设计 论文 14 存不同 上位机对其可读写性也不同 为了能使上位机能顺利的对下位机进行监控 我 们必须先了解各个内存在 MCGS 组态软件下的可读写性 具体情况如表 3 1 表 3 1 S7 200 PLC 的内存可读写性 寄存器数据类型操作类型 I 输入映像寄器BT BUB BB BD WUB WB WD DUB DB DD 只读 Q 输出映像寄存器BT BUB BB BD WUB WB WD DUB DB DD 读写 M 中间寄存储器BT BUB BB BD WUB WB WD DUB DB DD DF 读写 V 数据存储器BT BUB BB BD WUB WB WD DUB DB DD DF 读写 SM 特殊寄存器BT BUB BB BD WUB WB WD DUB DB DD DF 读写 AI 寄存器WUB WB WD只读 AQ 寄存器WUB WB WD读写 T 时间寄存器DUB DB DD 状态值 只读 读写 C 计数寄存器WUB WB WD 状态值 只读 读写 HC 寄存器DUB DB DD只读 3 3 系统开关量的分配 1 系统中手动 自动切换 控制系统要求能手动 自动的无扰切换 手动 自动切换是 一个开关量 故使用 S7 200 PLC 的位寄存器 M 代替 选用 M0 2 2 启动 停止切换 在这个温度控制系统中 系统的启动停止等控制信号均来自上位 机 故同样使用位寄存器 M 代替 选用 M0 0 3 模块报警 由于系统中使用了 EM235 模拟量输入输出模块 所以系统有可能出 现 EM235 模块错误 所以设置了模块错误报警 选用 M0 3 作为模块错误报警输出 基于组态软件的 S7 200 PLC 温度控制系统 15 3 4 系统使用内存分配 1 PID 模块 由于程序中使用了 S7 200 PLC 的自带 PID 模块 而自带 PID 模块的 数据存储及计算所需空间 120 个字节 即选用 VB0 VB119 供 PID 模块使用 2 温度进行采样输入与控制电压输出 系统中要使用 EM235 对温度进行采样及对 脉宽调制电路输出控制 EM235 的 I O 地址为 AIW0 与 AQW0 3 数字量输出 PID 模块根据程序设定计算完或者手动控制转换完后须将计算结果 输出到一个中间内存中 再将该内存值输出 该值为一个 16 位无符号的整数 这里选用 VW120 4 脉宽控制电压 为了能跟好的判断系统温度的走势 上位机要求能够跟踪脉宽输 入电压 故设置一个变量 用于存储脉宽控制电压 该值是一个 32 位浮点型数 选用 VD140 5 PID 给定 当系统处于自动控制状态时 系统处于闭环负反馈状态 所以此时要 给系统给定温度值 该值为 32 位浮点型 所以选用 VD124 来存储该值 6 手动控制的给定 当系统处以手动控制时 系统处于开环控制状态 上位机只给 下位机一个脉宽调制电路的控制电压 0 10V 该值为一个 32 位浮点型数值 所以选用 VD128 来存储 7 温度值 上位机要求能实时监控系统的状态 虽然 EM235 对温度进行了采样 但是采样结果为数字量 并不能直观表示温度值大小 要经过计算得出真正的温度值 该值是一个 32 位浮点型数值 选用 VD132 8 上下限报警值 系统要求能对温度超过上下限进行报警显示 所以系统需存储上 下限报警值 来与温度进行比对 上下限报警值是一个 32 位浮点型数值 所以选用 VD144 作为上限报警值 VD148 作为下限报警值 9 系统状态 为了在组态界面上体现系统的工作状态 可以设置一个变量 上位机 根据这个变量的值判断系统的状态 从而更好的监视系统的工作状态 这里使用 VB152 来记录系统状态 综上所述 S7 200 PLC 的内存分配如表 3 2 表 3 2 S7 200 PLC 内存分配表 I O 点或内存地址注释上位机读写情况数据类型 M0 0启动 停止切换读写开关量 M0 2手动 自动切换读写开关量 M0 3模块错误只读开关量 VB0 VB119PID 模块使用读写 VB120 VB121输出的计算结果只读16 位无符号整数 福州大学本科生毕业设计 论文 16 续表 3 2 I O 点或内存地址注释上位机读写情况数据类型 VB124 VB127自动控制给定读写32 位浮点型 VB128 VB131手动控制给定读写32 位浮点型 VB132 VB135系统温度值只读32 位浮点型 VB140 VB144输出电压值只读32 位浮点型 VB144 VB147温度上限报警读写32 位浮点型 VB148 VB151温度下限报警读写32 位浮点型 VB152系统状态只读8 位无符号数 AIW0温度测量反馈只读16 位无符号整数 AQW0数字量输出电压只读16 位无符号整数 3 5 S7 200 PLC 自带 PID 模块设定 3 5 1 PID 简介 在工业生产中 经常需要采用闭环控制方式来实现温度 压力 流量 间距等连续变 化的模拟量控制 无论使用模拟控制器的模拟控制系统 还是使用计算机 包括 PLC 的数 字控制系统 PID 控制都得到了广泛的应用 PID 控制器是比例 积分 微分控制的简称 具有不需要精确的控制系统数学模型 有较强的灵活性和适应性 以及程序设计简单 参数调整方便等优点 积分控制可以消除系统的静态误差和改善系统的动态响应速度 比例 积分 微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求 用 PLC 对模拟量进行 PID 控制大致有如下几种方法 1 使用 PID 过程控制模块 这种模块的 PID 控制程序是 PLC 厂家设计的 并放在 模块中 用户使用时只需要设置一些参数 使用起来非常方便 2 使用 PID 功能指令 它是用于 PID 控制的子程序 与模拟量输入 输出模块一起 使用 可以得到类似于使用 PID 过程控制的效果 但价格便宜得多 如 S7 200 PLC 的 PID 指令 3 用自编的程序实现 PID 闭环控制 在没有 PID 过程控制模块和功能指令的情况下 仍希望采用某种改进的 PID 控制算法 此时用户需要自己编制 PID 控制程序 在这里我 们使用系统自带 PID 模块 PLC 的 PID 控制器的设计是基于连续的 PID 控制器 在连续控制系统中信号均为连 续变化的模拟量 设 sp t 为给定值 pv t 为过程变量 反馈值 误差 e t sp v pv t PID 控制器的输出 比例项 积分项 微分项 输出初始值 即 基于组态软件的 S7 200 PLC 温度控制系统 17 公式 3 1 1 1 0 式中 M t 是控制器的输出 Minitial 是回路输出的初始值 KC是 PID 回路的增益 TI和 TD分别是积分时间和微分时间 假设采样周期为 TS 系统开始运行时刻为 t 0 用矩形积分来近似 用差分近似精确 微分将式 3 1 离散化得 公式 3 2 1 1 1 en是第 n 次采样时的误差值 en 1是第 n 1 次采样的误差值 10 11 3 5 2 S7 200 PLC 自带 PID 的设置 S7 200 PLC 的编程软件设置了 PID 指令向导 点击编程软件指令树中的 向导 PID 图标 进入设置界面 1 设置 PID 回路号 0 7 这里选择 0 2 PID 回路给定值的范围 根据系统的控制要求 这里选择 0 100 3 比例增益 采样时间 积分时间 和微分时间 在这里 比例增 积分时间和微 分时间由上位机提供 这里只需设置采样时间 1 秒 4 回路输入量 反馈值 PV 的极性与范围 根据测量变送电路的量程范围及测量变送 电路的输出电压信号为 0 10V 所以 选择单极性 默认范围 0 32000 5 回路输出类型 系统的输出为电压值 且电压信号范围为 0 10V 故选择模拟量 单极输出 范围为 0 32000 6 确定是否启用过程变量低限报警 高限报警功能 是否启用模拟量输入模块报警 功能 由于系统的温度值的报警功能将由上位机完成 故这里只启用模拟量输入模块错 误报警 7 增加手动控制 虽然我们需要手动控制但是由于手动控制的输入由上位机提供 且提供的是一个电压值 不是一个 0 1 0 的比例值 所以在这里我们不选择增加手动控制 8 PID 指令的参数表占用的 V 存储区起始地址 这里选用 VB0 完成向导后 程序将自动生成第 x 号回路的初始化程序 PID0 INIT 中断程序 福州大学本科生毕业设计 论文 18 PID EXE 符号表 PID0 SYM 和数据块 PID0 DATA 应在主程序中用 SM0 0 调用 PID0 INIT 如图 3 3 初始化 PID 控制中使用的变量 启动 PID 中断程序 以后 CPU 根 据在向导中设置的 PID 采样时间 周期性地调用中断程序 PID EXE 在 PID EXE 中执行 PID 运算 12 图 3 3 PID 初始化程序 指令中 PV I 时模拟量输入模块提供的反馈值的地址 Setpoin 是以百分比为单位的实 数给定值 PV 的地址 Output 时 PID 控制器的的 INT 型输出值的地址 Module 是模拟量 模块的故障输出信号 3 6 PLC 程序设计 3 6 1 程序流程图 通过以上分析 可得系统工作流程 1 首先检测启动停止开关量 M0 0 是否为 1 即系统是否启动 若启动 则运行控 制算法 即调用手动或自动控制子程序 反之 则不进行控制运算 2 检测开关 M0 2 是否为 1 判断上位机要求的工作状态 若为 1 说明调用自动 控制 反之则调用手动控制 3 数据处理 下位机进行必要的数据转换 即将数字量转化为模拟量 4 系统工作状态的确定 下位机将自身工作状态用不同数字表示 并存入指定的 存储器 VB152