基于S7-200的温度控制系统设计

本本 科科 生生 毕毕 业业 论论 文（设计）文（设计）题 目： 基于 S7-200 的温度控制系统设计 院 系： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 年 月附表一、毕业论文开题报告附表一、毕业论文开题报告论文（设计）题目：基于 S7-200 的温度控制系统设计选题依据（简述选题的目的、思路、方法、相关支持条件及进度安排）：选题依据（简述选题的目的、思路、方法、相关支持条件及进度安排）：目的目的：在工业生产中，温度是一个常见的工艺参数，温度的控制效果会影响到整个生产活动的成败。人们经常需要对加热炉、热处理炉和锅炉中的温度进行检测和控制，而这些控制对象往往具有多样性与复杂性，因此要求不一样的控制手段。过往许多炉温度控制采取基于单片机进行 PID 控制，然而单片机控制系统软硬件设计很复杂，涉及到逻辑控制方面更不是其长处。随着PLC 技术的发展，特别是在许多 PLC 控制器中扩充了 PID 控制功能后，基于 PLC 的炉温控制比其他控制手段更为优越。本文就基于 PLC 的温度控制的优越性进行探讨，并尝试利用组态软件组态王进行人机界面的设计。思路思路：使用温度传感器（热电偶）测量实际炉温，通过 A/D 转换后反馈到控制器，与输入的参考值作比较，得到偏差。对此偏差按 PID 算法进行修正，以此调节烤炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。根据炉子的实际温度,在不同的温度偏差下使用不同的 PID 参数,实行粗调与微调相结合。并利用组态软件组态王设计人机界面，实现控制系统的实时监控。方法：方法：先从理论上进行系统设计，在理论的指导下实现硬件的设计,然后对系统进行调试,得到最佳效果。相关支持条件相关支持条件：硬件方面主要采用西门子的可编程控制器 S7200 和 EM231热电偶，软件采用 STEP7-Micro/Win4.0 和组态软件组态王。进度安排进度安排：2008 年 10 月-2008 年 12 月：学习掌握相关知识，掌握 S7-200 的编成方法,从理论得上设计方案。2009 年 1 月-2009 年 3 月： 对控制系统进行硬件实现,包括组态软件的实现,并进行系统测试。2009 年 4 月-2009 年 5 月： 结合实际操作的结果，完成论文的写作。学生签名： 年 月 日指导教师意见： 1、同意开题（ ） 2、修改后开题（ ） 3、重新开题（ ） 指导教师签名： 年 月 日附表二、毕业论文过程检查情况记录表附表二、毕业论文过程检查情况记录表指导教师分阶段检查论文的进展情况（要求过程检查记录不少于 3 次）：第第 1 次检查次检查学生总结：本阶段通过学习西门子 S7-200 的基本知识,掌握了 S7-200 的工作原理和指令的功能,并掌握了传感器和扩展模块 EM231 的使用方法。进一步深化了对 PID 控制技术的了解,对整个系统的设计和算法有了初步的构想。指导教师意见：第第 2 次检查次检查学生总结： 本阶段完成了 PLC 编成软件 STEP7-Micro/Win4.0 在 PC 机的安装,成功和PLC 连接,能够下载程序和运行,可进行程序设计和调试。并已经把本实验所需要的硬件,包括加热炉, 传感器,扩展模块 EM231 和开关等成功地连接到 PLC中,开始程序的调试。指导教师意见：第第 3 次检查次检查。学生总结： 程序已经初步调试完毕,本阶段开始了利用组态软件组态王对系统进行组态。通过学习,成功的安装了组态王,并实现了和 PLC 的通信。已完成对系统进行组态,在组态王的强大功能支持下,能方便地对系统进行监控,进一步调试系统,使系统得到了一个较好的性能。指导教师意见：第第 4 次检查次检查学生总结： 结合导师对论文的意见,对系统的部分功能进行了改善,包括美化组态画面和调试反应曲线,得出更为好的实验数据,然后按照这些改变进一步修改论文,同时对论文的格式也进行了修改。指导教师意见： 学生签名： 年 月 日指导教师签名： 年 月 日总总体体完完成成情情况况指导教师意见：1、按计划完成，完成情况优（ ）2、按计划完成，完成情况良（ ）3、基本按计划完成，完成情况合格（ ）4、完成情况不合格（ ）指导教师签名： 年 月 日附表三、毕业论文答辩情况附表三、毕业论文答辩情况答辩人专 业论文（设计）题目答辩小组成员答辩记录：记录人签名： 年 月 日学术诚信声明学术诚信声明本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料均真实可靠。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本论文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本毕业论文的知识产权归属于培养单位。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名： 日期： 摘摘 要要温度是各种工业生产和科学实验中最普遍、也是最重要的热工参数之一。温度控制的精度对产品或实验结果会产生重大的影响。温度控制的模式多样，而PLC可靠性高，抗干扰能力强，易学易用，采用PLC控制是其中一种比较优越的控制。本文介绍了基于西门子可编程控制器(PLC)S7-200和组态软件组态王的炉温监控系统的设计方案。硬件方面采用了CPU型号为224的S7-200、K型热电偶和温度模块EM231。热电偶作为温度的采集元件，采集的信号经过EM231的处理后就可把数据送入PLC中进行处理。PLC的程序中采用了位置式PID算法，脉宽调制PWM方式，运用了粗调和细调的思想，程序在不同的温度段使用不同的PID参数，实现温度的自动控制。人机界面采用的是国内的一个比较流行的组态王软件。组态王可以实现在线监控。组态项目中制作了曲线画面、报表画面、报警画面和参数监控画面，用户可方便地查询PLC的运行情况、数据采集和在线控制。实验结果表明，采用了粗调和细调思想的程序的PLC系统，具有反应速度快，超调量小，调节迅速，精度高等特点。组态王功能强大，操作方便，有助于系统的监视与控制，表明了组态软件的具有很好的发展前景。关键词：关键词： 温度控制；可编程控制器；PID；组态王IAbstractTemperature is the most universal and important industrial parameter in all kinds of technical produce and scientific experiment. The manipulative precision of temperature will take a great effect on production or experimental result. In many cases，we need to control the temperature of various types of furnace, heat treatment furnaces, reactors .But they are complex and changing .As a result, its control over demand regulator .The mode of temperature control is various. The programmable logic controller(PLC) is Reliable、not easily to be jamming and easily to be learned and used , welcomed by workers and widely used in industry.Programmable controller (PLC) is a digital electronic computing operating system, designed for applications in industrial environments designed. It uses a programmable memory for storage in its internal implementation of logic operations, sequence control, timing, calculation and arithmetic operations, such as operating instructions, and through digital and analog input and output, control of various types of machinery or the production process.Configuration is to use application software to provide the tools, methods, and to complete the works in the course of a specific task. Configuration software applications is broad, it can be applied to power systems, water supply systems, petroleum, chemical and other fields of data acquisition and supervisory control and process control and many other fields. Before the concept of the configuration, in order to achieve a particular task, using the preparation process is achieved. Programming is not only a heavy workload, long and easy to make mistakes, can not guarantee period. The emergence of the configuration software can solve the problem. The Kingview can help complete the task in a few days.This thesis mainly introduces a design of temperature control system with SIMATIC programmable logic controller (PLC) S7-200 and the Kingview configuration soft .We use the PLC s7-200 with cup 224、the K type thermocouple IIand temperature module EM231 as the hardware, and use the V4.0 STEP 7 Micro WIN to programming . The thermocouple can measure the temperature of the stove, and translate the temperature signal to the voltage signal. And then the EM235 will transmit it to the PLC after disposing the signal .This system use positional type PID arithmetic and Pulse-Width Modulation methodology .And the procedure use idea of coarse adjustment algorithm and the fine adjustment algorithm. The procedure will run with different PID parameter in different condition.We have designed Human Machine Interface（HMI）with the Kingview configuration soft which is developed by domestic company . The Kingview can monitor and control the PLC on line. We also have designed several menu ,including the historical curve screen 、the real time curve screen、the data report forms screen、the alarm screen and parameter monitoring screen. Users can easily query the operation of PLC, data acquisition and on-line control.The experimental results show that，the plc can work reliably, stably. The system using coarse adjustment algorithm and the fine adjustment algorithm can get a better result. That is fast response, small overshoot, rapid adjustment, high accuracy. The Kingview is powerful, easy to operate. We can speculate that configuration software will have a good prospect for development.Keywords：Temperature Control；PLC；PID；KingViewIII目目 录录第一章第一章 前前 言言 .1 11.1 课题研究背景.11.2 温度控制系统的发展状况.21.3 本文的研究内容.4第二章第二章 可编程控制器的概述可编程控制器的概述 .5 52.1 可编程控制器的产生.52.2 可编程控制器的基本组成.5第三章第三章 硬件配置和软件环境硬件配置和软件环境 .8 83.1 实验配置.83.1.1 西门子 S7- 传感器 .83.1.3 EM 231 模拟量输入模块.93.2 STEP 7 MICRO/WIN32 软件介绍 .103.2.1 安装 STEP 7-MWIN32 V4.0 .103.2.2 系统参数设置 .12第四章第四章 控制算法描述控制算法描述 .14144.1 PWM 技术 .144.2 PID 控制程序设计 .144.2.1 PID 控制算法.154.2.2 PID 在 PLC 中的回路指令.164.2.3 PID 参数整定.19第五章第五章 程序设计程序设计 .21215.1 方案设计思路.215.2 程序流程图.235.3 助记符语言表.245.4 梯形图.29第六章第六章 组态画面设计组态画面设计 .35356.1 组态软件概述.356.2 组态王的介绍.356.3 组态画面的建立.356.3.1 创建项目.366.3.2 建立主画面.386.3.3 建立趋势曲线画面.39IV6.3.4 建立数据报表.416.3.5 建立报警窗口.436.3.6 建立参数监控画面.45第七章第七章 系统测试系统测试 .46467.1 启动组态王.467.2 参数监控和设定.477.3 报警信息提示.487.4 报表系统查询.497.5 趋势曲线监控.507.5.1 实时趋势曲线.507.5.2 分析历史趋势曲线 .51第八章第八章 结结 论论 .5454参考文献参考文献.5555致致 谢谢.56560第一章 前 言1.1 课题研究背景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。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。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1。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此 PLC 已在工业控制的各个领域中被广泛地使用2。目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS） 。但就其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的 PID 控制。PID 结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型3。PID 的使用已经有 60 多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供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。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成.组态王是国内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用4。11.2 温度控制系统的发展状况温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于 PLC 的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS） ，现场总线控制系统（FCS）等。单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的 4 位机发展到32 位机，其性能进一步得到改善5。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。PLC 是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。PLC 可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用6。相对于IPC，DCS，FSC 等系统而言，PLC 是具有成本上的优势。因此，PLC 占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。工控机（IPC）即工业用个人计算机。IPC 的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电磁辐射。过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。影响燃烧的因素十分复杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的 PID 为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离 PID，选择性PID。参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的7。在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改2善了对锅炉的监控品质，提高了平均热效率7。但如果单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。DCS 的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统 DCS 的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。基本 DCS 的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率8。但 DCS 在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致 DCS 成本太高。现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基于总线控制系统（FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点，FCS 系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而且它可以对现场装置(含变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的9。但是，FCS 还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，另一方面， 目前现场总线的国际标准共有 12 种之多，这给 FSC 的广泛应用添加了很大的阻力。各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，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。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，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。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3整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，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。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10。1.3 本文的研究内容本论文主要是利用 PLC S7-200 采用 PID 控制技术做一个温度控制系统，要求稳定误差不超过正负 1，并且用组态软件实现在线监控。具体有以下几方面的内容：第一章，对 PLC 系统应用的背景进行了阐述，并介绍当前温度控制系统的发展状况。第二章，简单概述了 PLC 的基本概念以及组成。第三章，介绍了控制系统设计所采用的硬件连接、使用方法以及编程软件的简单介绍。第四章，介绍了本论文中用到的一些算法技巧和思想，包括 PWM、PID 控制、PID 在 PLC 中的使用方法以及 PID 的参数整定方法。 第五章，介绍了设计程序的设计思想和程序，包括助记符语言表和梯形图。第六章，介绍了组态画面的设计方法。第七章，进行系统设计，检验控制系统控制质量。第八章,对全文进行总结。4第二章 可编程控制器的概述2.1 可编程控制器的产生可编程控制器是一种工业控制计算机，英文全称： Programmable Controller，为了和个人计算机 (PC)区分，一般称其为 PLC。可编程控制器(PLC)是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域。20 世纪 60 年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大，未能在工业领域中获得推广。 1968 年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备十大条件，立即引起了开发热潮。1969 年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。1971 年日本开始生产可编程控制器，而欧洲是 1973 开始的。如今，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器11。可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代，见表 1-1。 表表 1-11-1 可编程控制器功能表可编程控制器功能表代次器件功能第一代1 位处理器逻辑控制功能第二代8 位处理器及存储器产品系列化第三代高性能 8 位微处理器及位片式微处理器处理速度提高，向多功能及联网通信发展第四代16 位、32 位微处理器及高性能位片式微处理器逻辑、运动、数据处理、联网功能的多功能2.2 可编程控制器的基本组成PLC 从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。整体式 PLC 一般由 CPU5板、I/O 板、显示面板、内存和电源组成。模块式 PLC 一般由 CPU 模块、I/O 模块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。本论文实物采用的是模块式的PLC，不管哪种 PLC，都是属于总线式的开发结构，其构成如图 2-1 所示12。图图 2-12-1 PLCPLC 的组成的组成 1) CPU（中央处理器）和一般的微机一样，CPU 是微机 PLC 的核心，主要由运算器、控制器、寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。CPU 在很大程度上决定了 PLC 的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量。CPU 控制着 PLC 工作，通过读取、解释指令，指导 PLC 有条不紊的工作。2) 存储器 存储器（内存）主要用语存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成部分。PLC 中的存储器一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序一般由厂家编写的，用户不能修改；而用户程序是随 PLC 的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。3) 输入输出模块 输入模块和输出模块通常称为 I/O 模块或 I/O 单元。PLC 提供了各种工作电平、连接形式和驱动能力的 I/O 模块，有各种功能的 I/O 模块供拥护选用。按 I/O6点数确定模块的规格和数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 PLC 所能管理的配置能力，即底版的限制。 PLC 还提供了各种各样的特殊的 I/O 模块，如热电阻、热电偶、高速计算器、位置控制、以太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打印机等专用型或智能型模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的 CPU、系统程序、存储器及与 PLC 系统总线相连接的接口。4)编程装置编程器作用是将用户编写的程序下载至 PLC 的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示 PLC 状态、内部器件及系统的参数等。常见的编程器有简易手持编程器、智能图形编程器和基于 PC 的专用编程软件。目前 PLC 制造厂家大都开发了计算机辅助 PLC 编程支持软件，当个人计算机安装了 PLC 编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和 PLC 之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控 PLC 运行状态等。 5）电源 PLC 的电源将外部供给的交流电转换成供 CPU、存储器等所需的直流电，是整个 PLC 的能源供给中心。PLC 大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多 PLC 电源还可向外部提供直流 24V 稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。7第三章 硬件配置和软件环境3.1 实验配置3.1.1 西门子 S7-200S7-200 系列 PLC 可提供 4 种不同的基本单元和 6 种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。本论文采用的是 CUP224。它具有 24 个输入点和 16 个输出点。S7-200 系列的基本单元如表 3-1 所示13。表表 3-13-1 S7-200S7-200 系列系列 PLCPLC 中中 CPU22XCPU22X 的基本单元的基本单元型 号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221640S7-200CPU222862 个扩展模块S7-200CPU22414107 个扩展模块S7-200CPU224XP24167 个扩展模块S7-200CPU22624167 个扩展模块3.1.2 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、允许误差、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。本论文才用的是K 型热电阻14。83.1.3 EM 231 模拟量输入模块传感器检测到温度转换成 041mv 的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入 PLC 中进行处理。在这里，我们选用了西门子 EM231 4TC 模拟量输入模块。EM231 热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T 和 R 型，它也允许连接微小的模拟量信号(80mV 范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM231 模块需要用户通过 DIP 开关进行选择的有：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，用户可以很方便地通过位于模块下部的组态 DIP 开关进行以上选择，如图 3-2 所示。本设计采用的是 K 型热电偶，结合其他的需要，我们设置 DIP 开关为。对于 EM231 4TC 模块，SW1SW3 用于选择热电偶类型，见表 3-3 。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 用于选择测量单位，SW8 用于选择是否进行冷端补偿，见表 3-415。为了使 DIP 开关设置起作用，用户需要给 PLC 的电源断电再通电。图图 3-23-2 EM231EM231 模块模块 DIPDIP 开关开关9表表 3-33-3 热电偶类型选择热电偶类型选择热电偶类型SWISW2SW3J（默认）000K001T010E011R100S101N110+/-80mv111表表 3-43-4 热电偶其他设置热电偶其他设置DIP 开关功能开/关状态正向标定0SW5熔断方向负定方向1启动断线测量电流0SW6断线禁止断线测量电流1摄氏0SW7测量单位华氏1冷端补偿启用0SW8冷端启用冷端补偿禁止13.2 STEP 7 Micro/WIN32 软件介绍 STEP 7-MWIN32 编程软件是基于 Windows 的应用软件，是西门子公司专门为 SIMTIC S7-200 系列 PLC 设计开发的。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机功能。用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状态，该软件是 SIMATIC S7-200 拥护不可缺少的开发工具3.2.1 安装 STEP 7-MWIN32 V4.0在开始安装的时候是选择语言界面，对于版本 4.0 来说，这时候没有选择中文的，但可以先选择其他语言，见图 3-5。等软件安装好之后再进行语言的切换。10图图 3-53-5 语言选择界面语言选择界面 在安装的最后，会出现一个界面，按照硬件的配置，我们需要用 232 通信电缆，采用 PPI 的通信方式，所以要选择 PPI/PC Cable(PPI)，这个时候在弹出来的窗口中选择端口地址，通信模式，一般选择默认就可以了，见图 3-6。 图图 3-63-6 通信设置界面通信设置界面 如果想改变编程界面的语言，可在软件的主界面的工具栏中选择 tools 目录下选择 option 选项，在出现的界面中选择 general,然后在右下角就可以选择中文了。见图 3-7 所示。11图图 3-73-7 语言重设界面语言重设界面3.2.2 系统参数设置系统块用来设置 S7-200 CPU 的系统选项和参数等。系统块更改后需要下载到 CPU 中，新的设置才能生效。系统块的设置如下，需要注意的是，PLC 的地址默认是 2，但本设计中需要用到的地址是 1，如图 3-8。通信端口的设置，同样的，我们用到的地址是 1，如图 3-9 所示。12图图 3-83-8 “系统块对话框系统块对话框” 图图 3-93-9 通信端口设置通信端口设置 13 第四章 控制算法描述4.1 PWM 技术脉宽调制（PWM）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，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换的许多领域中。PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无 (OFF) 16。本论文中采样周期和加热周期都是 10 秒。采样后，根据温差的大小进行PID 调节，转化得到一个加热时间（0-10 秒）作为下一个加热周期的加热时间。例如温差大，加热时间就大，温差小，那么加热时间就小。程序采用的是粗调和微控两段式控制方式。在粗控调阶段，占空比恒为一。在微控制阶段，占空比就根据温差不停地变化。4.2 PID 控制程序设计模拟量闭环控制较好的方法之一是 PID 控制，PID 在工业领域的应用已经有60 多年，现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。比例控制(P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。在积分控制(I)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。在微分控制(D)中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势。避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。PID 控制，P、I、D 各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互14相制约，但只有合理地选取 PID 值，就可以获得较高的控制质量17。4.2.1 PID 控制算法图图 4-1 带带 PID 控控制制器器的的闭闭控控制制系系统统框框图图 如图 4-1 所示，PID 控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差e 和输入量 r、输出量 c 的关系: (4.2) c(t)-r(t)=e(t) 控制器的输出为 : (4.3)tdiPdttdeTdtteTteKtu0)()(1)()(上式中, PID 回路的输出;)(tu 比例系数 P;Kp 积分系数 I; iT 微分系数 D;dTPID 调节器的传输函数为： (4.4)STSTKSESUSDdiP11)()()(数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。其离散化的规律如表 4-5 所示：15表表 4-54-5 模拟与离散形式模拟与离散形式模拟形式离散化形式)()()(tctrte)()()(ncnrnedTtde )(Tnene) 1()(tdtte0)(niniieTTie00)()(所以 PID 输出经过离散化后，它的输出方程为: (4.6)000)()()() 1()()()()(unununuuneneTTieTTneKnudiPnidiP式 4.8 中， 称为比例项；)()(neKnuPP 称为积分项； niipiieTTKnu0)()( 称为微分项；) 1()()(neneTTKnudpd上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的nie1i)(累积值17。计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。故可利用 PLC 中的 PID 指令实现位置式 PID 控制算法量18。4.2.2 PID 在 PLC 中的回路指令现在很多 PLC 已经具备了 PID 功能，STEP 7 Micro/WIN 就是其中之一有的16是专用模块，有些是指令形式。西门子 S7-200 系列 PLC 中使用的是 PID 回路指令。见表 4-7。表表 4-74-7 PIDPID 回路指令回路指令名称PID 运算指令格式PID指令表格式PID TBL，LOOP梯形图使用方法：当 EN 端口执行条件存在时候，就可进行 PID 运算。指令的两个操作数 TBL 和 LOOP，TBL 是回路表的起始地址，本文采用的是 VB100，因为一个 PID 回路占用了 32 个字节，所以 VD100 到 VD132 都被占用了。LOOP 是回路号，可以是 07，不可以重复使用。PID 回路在 PLC 中的地址分配情况如表4-8 所示。表表 4-8 PID 指令回路表指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程变量（PVn）实数必须在 0.01.0 之间4给定值（SPn）实数必须在 0.01.0 之间8输出值（Mn）实数必须在 0.01.0 之间12增益（Kc）实数比例常数，可正可负16采样时间（Ts）实数单位为 s，必须是正数20采样时间（Ti）实数单位为 min，必须是正数24微分时间（Td）实数单位为 min，必须是正数28积分项前值（MX）实数必须在 0.01.0 之间32过程变量前值（PVn-1）实数必须在 0.01.0 之间1) 回路输入输出变量的数值转换方法 本文中，设定的温度是给定值 SP，需要控制的变量是炉子的温度。但它不完全是过程变量 PV，过程变量 PV 和 PID 回路输出有关。在本文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。温度输入变量的数 10 倍据17转化。传感器输入的电压信号经过 EM231 转换后，是一个整数值，他的值大小是实际温度的把 A/D 模拟量单元输出的整数值的 10 倍。但 PID 指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。使用指令 DTR 就可以了。如本设计中，是从 AIW0 读入温度被传感器转换后的数字量。其转换程序如下:MOVW AIW0, AC1DTR AC1, AC1MOVR AC1, VD1002) 实数的归一化处理因为 PID 中除了采样时间和 PID 的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值 0.01.0 之间，所以，在执行 PID 指令之前，必须把 PV 和 SP 的值作归一化处理。使它们的值都在 0.01.0 之间。归一化的公式如 4.9: （4.9estpanrawnoumOffSRR/）式中, 标准化的实数值；noumR 未标准化的实数值;rawR 补偿值或偏置，单极性为 0.0，双极性为 0.5;panS 值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为 32000.双estOff极性为 6400。本文中采用的是单极性，故转换公式为: )32000/(rawnoumRR（4.10）因为温度经过检测和转换后，得到的值是实际温度的 10 倍，所以为了 SP18值和 PV 值在同一个数量值，我们输入 SP 值的时候应该是填写一个是实际温度10 倍的数，即想要设定目标控制温度为 100时，需要输入一个 1000。另外一种实现方法就是，在归一化的时候，值域大小可以缩小 10 倍，那么，填写目标温度的时候就可以把实际值直接写进去19。3) 回路输出变量的数据转换本设计中，利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。回路的输出值是在 0.01.0 之间，是一个标准化了的实数，在输出变量传送给 D/A 模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。这一过程是实数值标准化过程。 SpanOffMRestnscal)(（4.11） S7-200 不提供直接将实数一步转化成整数的指令，必须先将实数转化成双整数，再将双整数转化成整数。程序如下：ROUND AC1, AC1DTI AC1, VW3 PID 参数整定PID 参数整定方法就是确定调节器的比例系数 P、积分时间 Ti 和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表 4-12 所示。 表表 4-124-12 温度控制器参数经验数据温度控制器参数经验数据19被控变量规律的选择比例度积分时间（分钟）微分时间（分钟）温度滞后较大20603100.53实验凑试法的整定步骤为先比例，再积分，最后微分。 1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 2）整定积分环节先将步骤 1）中选择的比例系数减小为原来的 5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 3）整定微分环节环节先置微分时间 TD=0，逐渐加大 TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和 PID 控制参数20。根据反复的试凑，调出比较好的结果是 P=120. I=3.0 D=1.0。20 第五章 程序设计5.1 方案设计思路PLC 采用的是的 S7-200，CPU 是 224 系列，采用了 5 个灯来显示过程的状态，分别是运行灯，停止灯，温度正常灯，温度过高（警示灯）灯，和加热灯，可以通过 5 个灯的开关状况判断加热炉内的大概情况。K 型传感器负责检测加热炉中的温度，把温度信号转化成对应的电压信号，经过 PLC 模数转换后进行 PID 调节。根据 PID 输出值来控制下一个周期内（10s）内的加热时间和非加热时间。在加热时间内使得继电器接通，那加热炉就可处于加热状态，反之则停止加热21。1)1) 硬件连线如图 5-1 所示。 图图 5-15-1 硬件连线图硬件连线图2) I/O 点地址分配如表 5-2 所示。21 表表 5-25-2 I