基于PLC的温度控制系统的设计.doc

_1 引言 1.1 设计目的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 设计内容主要是利用PLC S7-200作为可编程控制器，系统采用PID控制算法，手动整定或自整定PID参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为为一定值，并能实现手动启动和停止，运行指示灯监控实时控制系统的运行，实时显示当前温度值。1.3 设计目标 通过对温度控制的设计，提高在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养在完成工程项目中所应具备的基本素质和要求。培养团队精神，科学的、实事求是的工作方法，提高查阅资料、语言表达和理论联系实际的技能。2 系统总体方案设计 2.1 系统硬件配置及组成原理 2.1.1 PLC型号的选择本温度控制系统采用德国西门子S7-200 PLC。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 2.1.2 PLC CPU的选择S7-200 系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。S7-200PLC 硬件系统的组成采用整体式加积木式，即主机中包括定数量的I/O端口，同时还可以扩展各种功能模块。S7-200PLC由基本单元（S7-200 CPU模块）、扩展单元、个人计算机（PC）或编程器，STEP 7-Micro/WIN编程软件及通信电缆等组成。表2.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点扩展模块数量S7-200CPU221640S7-200CPU222862S7-200CPU22424107S7-200CPU224XP24167S7-200CPU22624167本设计采用的是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。CPU226模块的I/O配置及四肢分配主机模块0模块1模块2模块3CPU2268IN4IN/4OUT4AI/1AQ4AI/1AQI0.0-I2.7/Q0.0-Q1,.7I3.0-I3.7I4.0/Q2.0AIW0/AQW0AIW8/AQW4I4.1/Q2.1AIW2AIW10I4.2/Q2.3AIW4AIW12I4.3/Q2.3AIW6AIW14 2.1.3 EM235 模拟量输入/输出模块 在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成4-20mA的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里我们选择西门子的EM235 模拟量输入/输出模块。EM235 模块具有4路模拟量输入/一路模拟量的输出。它允许S7-200连接微小的模拟量信号，80mV范围。用户必须用DIP开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向：SW1SW3用于选择热电偶的类型，SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量方向，SW8用于选择是否进行冷端补偿。所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。 2.1.4 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。 2.1.5 可控硅加热装置 对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉采用带PID调节的数字式温度显示调节仪显示和调节温度，输出010mA作为直流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。温度测量与控制是热电偶采集信号通过PID温度调节器测量和输出010mA或420mA控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护RC和电阻炉的加热元件等部分组成。2.1.6 系统组成原理图 2.2 系统变量定义及分配表 2.2.1 符号表序号符号地址注释1特殊标志位存储器1SM0.0CPU运行时，该位始终为12特殊标志位存储器2SM0.1首次扫描时该位为13双字变量存储器1VD104将实数0.4送入VD1044双字变量存储器2VD112将实数0.15送入VD1045双字变量存储器3VD116将实数0.1送入VD1046双字变量存储器4VD120将实数30.0送入VD1047双字变量存储器5VD124将实数0.0送入VD1048特殊标志位内存字节SMB34设置中断控制字节（SMB34=1009中断连接指令ATCH建立中断事件EVNT和程序INT10中断允许指令ENI条件成立时，允许所有中断事件11整数到双整数转换指令I_DI模拟量输入映像寄存器AIW0的值送入累加器AC012双整数到实数转换指令DI_R累加器AC0中的值转换后存入累加器AC013实数除法运算指令DIV_R累加器AC0中的值除以32000后再送入AC014回路指令PID根据TBL中的输入VB108和配置信息对LOOP执行PID循环15实数乘法指令MUL_R双字变量存储器VD108中的内容与32000相乘结果送入累加器AC016实数到双整数转换指令ROUND累加器AC0中的值转换后存入累加器AC017双整数到整数转换指令DI_I累加器AC0中的值转换后存入累加器AC0 2.2.2 I/O分配表输入信号输出信号名称地址名称地址脉冲输入I0.1启动按钮停止按钮启动指示灯Q0.1停止指示灯Q0.2正常运行指示灯Q0.3温度越上限报警指示灯Q0.4加热指示灯Q0.5 2.3 系统接线图设计3 控制系统设计 3.1 控制程序流程图设计 3.1.1 主程序运行PLC初始化运行指示SM0.1始终为1调用子程序03.1.2 子程序设定温度值导入PID设定参数值每100ms调用一次中断程序中断返回3.1.3 中断程序读入温度并转换把实际温度放入VD100调用PID命令物体的温度上升？ N Y 停止加热 继续加热输出PID值 3.2 控制程序时序图设计 3.3 控制程序设计思路 3.3.1 初次上电3.3.2 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。 3.3.3 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。 3.4 创新设计内容4 上位监控系统设计 4.1 PLC与上位监控软件通讯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。 4.1.3 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。图41 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42 单台主设备PPI网络 4.2 上位监控系统组态设计4.2.1 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。4.2.3 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 4.3 实现的效果 4.3.1 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。4.3.2启动启动后，锅炉开始升温，并维持在50摄氏度左右。 4.3.3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。 4.3.4报警 当温度越上限时，系统报警。5 系统调试及结果分析 5.1 系统调试及解决的问题 5.2 结果分析结束语 （主要写取得的效果、创新点及设计意义） 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。参考文献1 SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册M.北京:机械工业出版社,2002. 2 Frank.D.Petruzella.PLC教程（第三版）M.北京:人民邮电出版社,2007. 3 西门子（中国）有限公司.深入浅出西门子S7-200PLC（第三版）M.北京: 北京航空航天大学出版社,2007. 4 陈建明.电气控制与PLC应用M.北京:电子工业出版社,2009. 5 郑凤翼,金沙.图解西门子S7-200系列PLC应用88例J.北京:电子工业出 版社,2009. 6 袁任光.可编程序控制器选用手册