基于PLC的温度控制系统的设计

1 1 引言引言 1 11 1 设计目的设计目的 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 21 2 设计内容设计内容 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 2 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 12 1 系统硬件配置及组成原理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 200CPU221640 S7 200CPU222862 S7 200CPU22424107 S7 200CPU224XP24167 S7 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 3 CPU2268IN4IN 4OUT4AI 1AQ4AI 1AQ I4 0 Q2 0AIW0 AQW0AIW8 AQW4 I4 1 Q2 1AIW2AIW10 I4 2 Q2 3AIW4AIW12 I0 0 I2 7 Q0 0 Q1 7 I3 0 I3 7 I4 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 SW1 SW3 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 0 10mA 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 0 10mA 或 4 20mA 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 22 2 系统变量定义及分配表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 1 2特殊标志位存储器 2SM0 1首次扫描时该位为 1 3双字变量存储器 1VD104将实数 0 4 送入 VD104 4双字变量存储器 2VD112将实数 0 15 送入 VD104 5双字变量存储器 3VD116将实数 0 1 送入 VD104 6双字变量存储器 4VD120将实数 30 0 送入 VD104 7双字变量存储器 5VD124将实数 0 0 送入 VD104 8特殊标志位内存字节SMB34设置中断控制字节 SMB34 100 9中断连接指令ATCH建立中断事件 EVNT 和程序 INT 10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 AC0 12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 AC0 13实数除法运算指令DIV R累加器 AC0 中的值除以 32000 后再送入 AC0 14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 AC0 16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 AC0 17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 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 脉冲输入 I0 1 启动按钮 停止按钮 加热指示灯Q0 5 2 32 3 系统接线图设计系统接线图设计 3 3 控制系统设计控制系统设计 3 13 1 控制程序流程图设计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 0 3 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 23 2 控制程序时序图设计控制程序时序图设计 3 33 3 控制程序设计思路控制程序设计思路 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 43 4 创新设计内容创新设计内容 4 4 上位监控系统设计上位监控系统设计 4 14 1 PLCPLC 与上位监控软件通讯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 4 1 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 4 2 单台主设备 PPI 网络 4 24 2 上位监控系统组态设计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 34 3 实现的效果实现的效果 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 5 系统调试及结果分析系统调试及结果分析 5 15 1 系统调试及解决的问题系统调试及解决的问题 5 25 2 结果分析结果分析 结束语结束语 主要写取得的效果 创新点及设计意义 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