基于西门子s7200plc温度控制系统的设计

1、anyang institute of technology 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 基于西门子 s7-200plc 温度控制系统的设 计 the design of temperaturecontrol system based on simon s7-200plc 系（院）名称： 电子信息与电气工程系 专业班级： 05 自动化 2 班 学生姓名： 逯旭昌 指导教师姓名： 董昭 指导教师职称： 讲师 2009 年 5 月 目录目录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 课题的意义及应用背景 .1 1.2 硫化的相关要求 .1 1.5 本章小结 .2 第二章第二章 硫化机温度控制系统

2、的设计硫化机温度控制系统的设计.3 2.1 系统基本设计思想 .3 2.2 pid 控制方案简介.3 2.3 pid 参数的整定.4 2.4 pid 参数仿真.6 2.4.1 matlab 软件简介.6 2.5 测温元件及温度检测技术 .9 2.5.1 温度变送器的选择 .9 2.6 本章小结 .10 第三章第三章 硫化机硬件电路设计硫化机硬件电路设计.11 3.1 硫化机控制系统的组成 .11 3.1.1 系统设计的原则 .11 3.1.2 系统设计的内容 .12 3.2 可编程控制器 .15 3.3 可编程控制器的特点 .16 3.4 可编程控制器的工作原理 .16 3.5 西门子 s7-

3、200plc 功能介绍 .17 3.5.1 s7-200 的技术指标 .17 3.5.2 cpu224 的技术指标.18 3.5.3 模拟量输入模块 em231.20 3.5.4 模拟量输出模块 em232.20 3.6 硅调压模块 .21 3.7 测温元件及温度检测技术 .22 3.7.1 温度变送器的选择 .23 3.8 硬件电路图设计 .23 3.9 本章小结 .24 第四章第四章 软件设计软件设计.25 4.1 软件设计思想 .25 4.2 s7-200 的程序结构.25 4.3 s7-200 的编程.26 4.4 梯形图的基本绘制规则 .27 4.5 硫化机系统的 i/o 分配表 .

4、28 4.6 硫化机 pid 温度控制系统的逻辑图 .28 4.7 可编程控制器的软件 .30 4.8 plc 程序.32 4.9 本章小结 .35 结结 论论.36 致致 谢谢.37 参考文献：参考文献：.38 基于西门子基于西门子 s7-200plcs7-200plc 的温度控制系统的设计的温度控制系统的设计 专业班级 05 自动化 2 班 学生姓名：逯旭昌 指导教师： 董昭 职称：讲师 摘要：摘要： 在橡胶工业中，硫化工艺是最后一个工艺过程，也是最为关键的一个 环节，作为橡胶硫化主要设备的平板硫化机必须具备控制硫化条件（硫化温度、 硫化时间和硫化压力）的能力，其控制精度将直接影响橡胶硫化

5、制品的质量好 坏。而硫化温度的控制精度是其中最为重要的。硫化温度控制精度越高，则越 容易得到质量更好、性能更稳定的产品。但在实际生产中，普遍存在温度控制 系统精度不高，达不到硫化国家标准的温度。因此实现高精度的平板硫化机温 度控制以提高橡胶制品质量对橡胶工业生产具有重大意义。 本文在分析国内外平板硫化机温度控制系统的基础上，针对平板硫化对象 的可变性和强干扰等特点，提出了以西门子 s7-200plc 为中心，在温度控制中 应用 pid 控制技术，从而有效提高温度控制精度满足不同产品对硫化温度的要 求。 关键词：关键词：温度控制 平板硫化机 硫化温度 西门子 s7-200plc pid 控制 t

6、he design of temperaturecontrol system based on simon s7-200plc abstract：in the rubber industry, the vulcanization is the last process is also one of the most critical, as the main machine of the vulcanization, the flat vulcanization machine must have the capability to control the vulcanization cond

7、ition, including temperature time and pressure. the ability to control the accuracy of will directly affect the quality of rubber products quality. however, the control precision of temperature is the most important of them. however, in actual production, the prevalence of precision temperature cont

8、rol system is not high, amounting to less than the national standard curing temperature. therefore the realization of flat-panel high- precision temperature control the vulcanization to improve the quality of rubber products rubber industrial production is of great significance. based on the analysi

9、s of domestic and international flat-panel vulcanize temperature control system, based on the object for the flat-panel sulfide interference variability and the characteristics of a siemens s7-200plc as the central temperature control in the application of pid control technology, so as to effectivel

10、y improve the accuracy of temperature control products to meet different requirements of the curing temperature. key words：temperature control plate curing temperature vulcanize siemens s7-200plc pid control 引 言 在橡胶工业中，硫化工艺是最后一个工艺过程，也是最为关键的一个环节， 作为橡胶硫化主要设备的平板硫化机必须具备控制硫化条件（硫化温度、硫化 时间）大额能力，其控制的精度直接影响橡

11、胶硫化制品质量的好坏。而硫化温 度的控制的控制精度是最为重要的。硫化温度控制精度越高，则越容易得到质 量更好、性能更加稳定的产品。但在实际生产中，普遍存在温度控制系统精度 不高，达不到硫化国家标准的问题。因此实现高精度的平板硫化机温度控制,以 提高橡胶制品质量对橡胶工业生产具有重大的现实意义。 平板硫化机是橡胶中的主要设备其必须具备控制硫化条件的能力，也即对 硫化温度、硫化时间和硫化压力进行合理控制，其控制的直接影响着橡胶硫化 制品的质量好坏。控制精度越高，则越容易得到质量更好的、性能更稳定的产 品，这在特种橡胶生产上更为重要。另一方面，平板硫化机的加热分方式的好 坏、自动化程度的高低也是直接

12、关系到橡胶制品质量的重要因素，这往往也是 橡胶制品生产厂家选择平板硫化机的重要指标。硫化过程是橡胶大分子链发生 反应的过程。在工业生产中，这种交联反应是在一定温度、时间和压力的条件 下完成的，这写条件被称为硫化条件。由于这三个条件对橡胶制品的硫化质量 起着决定性的作用，因此通常又称之为“硫化三要素” 。如何制定硫化条件，特 别是橡胶的硫化温度是硫化工艺中的重要技术内容。 第一章 绪论 1.1 课题的意义及应用背景 在橡胶工业中，硫化工艺是最为关键的一个环节，如何对硫化温度进行控 制以提高产品的质量，是硫化工艺中必须解决的关键问题。硫化是橡胶制品生 产的最后一个工艺过程。在这个过程中，橡胶发生了

13、一系列化学变化，使塑性 状态橡胶转变为弹性或是硬质状态的橡胶制品，从而获得完善的物理机械性能 和化学性质，成为有用的高分子材料。 作为橡胶硫化主要设备的平板硫化机必须具备控制硫化条件的能力，也即 对硫化温度、硫化时间和硫化压力进行合理控制，其控制的直接影响着橡胶硫 化制品的质量好坏。控制精度越高，则越容易得到质量更好的、性能更稳定的 产品，这在特种橡胶生产上更为重要。另一方面，平板硫化机的加热分方式的 好坏、自动化程度的高低也是直接关系到橡胶制品质量的重要因素，这往往也 是橡胶制品生产厂家选择平板硫化机的重要指标。硫化过程是橡胶大分子链发 生反应的过程。在工业生产中，这种交联反应是在一定温度、

14、时间和压力的条 件下完成的，这写条件被称为硫化条件。由于这三个条件对橡胶制品的硫化质 量起着决定性的作用，因此通常又称之为“硫化三要素” 。如何制定硫化条件， 以及在生产中的实施硫化条件都是硫化条件硫化工艺中的重要技术内容。 1.2 硫化的相关要求 在橡胶工业中，硫化工艺是最后一个工艺过程，也是最为关键的一个环节， 作为橡胶硫化主要设备的平板硫化机必须具备控制硫化条件（硫化温度、硫化 时间）大额能力，其控制的精度直接影响橡胶硫化制品质量的好坏。而硫化温 度的控制的控制精度是最为重要的。硫化温度控制精度越高，则越容易得到质 量更好、性能更加稳定的产品。但在实际生产中，普遍存在温度控制系统精度 不

15、高，达不到硫化国家标准的问题。因此实现高精度的平板硫化机温度控制,以 提高橡胶制品质量对橡胶工业生产具有重大的现实意义 硫化的相关要求主要有硫化机的工艺流程和橡胶硫化的工艺要求。这两个 要求也是本设计主要要实现的。硫化机的工艺流程是：硫化硫化机升温到设定 温度橡胶磨具放入硫化机橡胶磨具加热硫化时间到汽缸运动时出 加热区。橡胶硫化的工艺要求是：当加热区内温度达到预定温度时（如：150 度）放入磨具。采用基于 plc 的 pid 控制，使加热平板的温度达到升温保 温的要求。 加内容 1.5 本章小结 本章主要介绍了硫化工艺，以及温度控制对硫化产品的影响，和本次设计 的主要要求。 第二章第二章 硫化

16、机温度控制系统的设计硫化机温度控制系统的设计 2.1 系统基本设计思想 pid 控制是自动控制中产生最早的一种控制方法，在实际控制工程中的应 用最广。据不完全统计，在工业过程控制和航空航天控制等领域，应用 pid 控 制占 80%以上。本系统是以西门子 s7-200plc 为主要控制原件，利用其内部的 pid 指令进行模拟量温度控制，此控制思路不尽设计思路简易，而且还省去了 买 pid 模块的成本。本课题的设计是基于 plc 的温度控制系统，基于以上情况， 本设计以对 pid 控制（模拟和数字）理论深入研究的基础上，设计基于 plc 的 pid 温度控制器，首先整定 pid 控制器控制参数咬比

17、例、积分、微分系数） 的初值，然后根据控制要求选择合适的温度传感器，选择 plc 的具体型号以及 设计 i/o 接口的分配，本系统以晶闸管调压模块接 plc 的输出信号用来控制加 热棒的加热功率，从而达到实时控制。本课题研究有利于称补老旧硫化温度控 制精度不高的缺点，推动 plc 控制系统在硫化机上的广泛应用具有一定意义。 2.2 pid 控制方案简介 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控 制，简称 pid 控制，又称 pid 调节。pid 控制器问世至今已有近 70 年历史 ，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要 技术之一。当被控对象的结

18、构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模 型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠 经验和现场调试来确定，这时应用 pid 控制技术最为方便。即当我们不完 全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时 ，最适合用 pid 控制技术。 pid 控制，实际中也有 pi 和 pd 控制。pid 控制 器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 (1)比例（p）控制 比例控制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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ steady-state error） 。 (2)

19、积分（i）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一 个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有 稳态误差的或简称有差系统（ system with steady-state error）。为了 消除稳态误差，在控制器中必须引入 “积分项”。积分项对误差取决于时 间的积分，随着时间的增加 ，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项 也会随着时间的增加而加大 ，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减 小，直到等于零。因此 ，比例+积分(pi)控制器，可以使系统在进入稳态后 无稳态误差。 (3)微分（d）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差

20、信号的微分（即误差的变化率） 成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失 稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具 有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误 差的作用的变化 “超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅 是放大误差的幅值，而目前需要增加的是 “微分项”，它能预测误差变化 的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作 用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性 或滞后的被控对

21、象，比例 +微分(pd)控制器能改善系统在调节过程中的动态 特性。 2.3 pid 参数的整定 在常规控制系统中，pid 控制是迄今为止算法比较简单、功能比较完善、 效果比较好的一种控制算法，其一般形式为 )()()()(neknekneknu dip 式中n 采样序号； u(n) 第n次采样时刻的控制器输出; e(n) 第n 次采样时刻输入的偏差; e(n) 第n 次采样时刻输入的偏差与第n-1次采样时刻输入的偏差之差； kp 比例增益； ki积分系数（ 11 ttkk p ） kd 微分系数（ttkkpd） t 采样周期，ti 、td分别为积分时间常数和微分时间常数。 典型的数字 pid

22、控制系统如图 1 所示，图中sp(t)是给定值pv(t)为反馈量， c(t)为输出值，pid 控制器的输入输出关系可表示为： nnnnmdmimpm 其中：kc ki kd 为 pid 比例、积分、微分系数。 图 1 并分别用反应曲线法求出对象在各温区的近似数学模型为 1 ts k gi 反应曲线如图 2 所示,ki ,ti ,a 可按表 1 经验公式求得各温区的调节器最佳 pi d 参数值 表 1 pid 参数的经验公式表 控制方式比例度 积分时间 sti/微分时间std/ p (tak ii /)100 pi 1.1(tak ii /)1003.3 i a pid 0.85(tak ii

23、/)1002 i a0.5 i a 图 2 反应曲线图 求的加热系统的特征参数为： k=1 t=5。采用阶跃相应法，根据柯恩库恩整定公式，初步测得参数为： kp = 2 ，ti= 10 ，td=2，kp = 3，ti= 5， td=1。 2.4 pid 参数仿真 2.4.1 matlab 软件简介 matlab 自 1984 年推向市场以来,历经十多年的发展和竞争，现已成为国际 认可的最优化的科技应用软件。与其他高级语言相比, matlab 提供了一个人机 交互的数学系统环境，可以大大节省编程时间。matlab 语法规则简单、容易掌 握、调试方便，具有高效、简单和直观的特性。使用者只需输入一条

24、命令而不 用编制大量的程序即可解决许多数字问题,正是由于 matlab 的强大功能,受到国 内外专家学者的欢迎和重视,他已成为许多大学生的重要工具。 在这次仿真中我们主要用到 matlab 软件中的 simulink 交互式仿真集成环 境对传递函数和整定后的 pid 参数进行仿真。 （1）当 kp =2，ti=10，td=2。 图 3 pid 控制方框图 图 4 仿真波形图 （2）当 td=2，kp =3，ti=5，td=1。 图 5 pid 控制方框图 图 6 仿真波形图 从上述两幅图图可以看出系统都有一定的超调，但是当 kp =2 ，ti=10 ，td=2 经过短暂调节后达到稳定状态且没有

25、误差，而当 td=2，kp =3，ti=5， td=1 时波动较大而且在达到稳态后仍然存在误差，所以选用 kp =2 ，ti= 10 ，td=2 这组参数。 2.5 测温元件及温度检测技术 目前，常用的温度传感器种类很多：热电偶传感器、热敏电阻传感器、热 电阻传感器和半导集成温度传感器，但是在微机温度控制系统中使用的传感器 必须是能将非电量转变成电量的传感器,因此使用的就是热电阻传感器。本系统 要求的测温范围为 0200，因此选用热电阻，在此选用 pt100 热电阻，需要 强调的是基于热平衡原理，在本设计中采用接触式测温，测温敏感元件必须与 介质接触，使两者处于同一热平衡状态。 2.5.1 温

26、度变送器的选择 pt100 传感器测量温度的隔离变送器，型号为 rs3100，在工业上主要用于 测量-200+500的温度。该产品 pt100 传感器由用户自己配备，变送器内有线 性化和长线补偿功能，出厂时按照 pt100 国标分度表校正，完全达到 0.2 级精 度要求。输入、输出和辅助电源之间是完全隔离（三隔离） ，可以承受 2500vdc 的隔离耐压。产品采用 din35 国际标准导轨安装方式,体积小、精度高、性能稳 定、性价比高，可以广泛应用在石油、化工、电力、仪器仪表和工业控制等行 业。 主要特性 （1）输入：pt100(-20+400) (范围可选择) （2）输出信号：420ma/0

27、5v （3）精度等级：0.2 级(fsr%) （4）内含线性化和长线补偿功能 （5）隔离耐压：2500vdc(0.5ma,60s) （6）din35 导轨安装 (7) 精度高、性能稳定可靠。 技术参数 序号参数名称测试条件 min typ max 单位备注 1.输入类型铂电阻 1000 2.精度等级 fsr% 0.2 级 3.辅助电源 12,15,24 v 4.电源范围 10% 5.静态电流 +24vdc 16 20ma 6.存储温度 -2080 2.6 本章小结 本章主要介绍了系统的设计思想和 pid 参数的整定以及对其模拟仿真和比 较。 第三章第三章 硫化机硬件电路设计硫化机硬件电路设计

28、3.1 硫化机控制系统的组成 硫化机控制系统主要由基于 plc 的温度 pid 控制部分，测量电路部分，输 出调压电路部分和供电电源部分组成。 3.1.1 系统设计的原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象的要求，以提高生产效率和 产品质量。在可编程序控制器的系统设计时也应该把这个问题放到首位。plc 系统设计应当遵循以下原则。 （1）满足要求 最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计控制系统的首要前提。这也 是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调 查研究。收集控制现场的资料，收集控制过程中有效的控制经验，收集与本控 制系统有关的先进的国内、国外资料，进行系

29、统设计。同时要注意要和现场的 工程管理人员、工程技术人员、现场工程操作人员紧密配合，拟定控制方案， 共同解决设计中的重点问题和疑难问题。 （2）安全可靠 控制系统长期运行中能否达到安全、可靠、稳定，是设计控制系统的重要 原则。这就要求设计要考虑控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行。为了能 达到这一点，要求在系统设计上，器件选择上，软件编程上要全面考虑。比如 说，在硬件和软件的设计上应该保证 plc 程序不仅在正常条件下能正确运行， 而且在一些非正常情况下（如突然掉电再上电，按钮按错） ，也能正常工作。程 序能接受并且只能接受合法操作，对非法操作程序能予以拒绝等等。 （3）经济实用 经济运行也是

30、系统设计的一项重要原则。一个新的控制工程固然能提高产 品的质量，提高产品的数量，从而为工程带来巨大的经济效益和社会效益。但 是，新工程的投入、技术的培训、设备的维护也会导致工程的投入和运行资金 的增加。在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另 一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求，不仅应该使控制系统简单、 经济，而且要使控制系统的使用和维护即方便又低成本。 （4）适应发展 社会在不断地前进，科学在不断地发展，控制系统的要求也一定会不断地 在提高、不断地在完善。因此，在控制系统的设计时要考虑到今后的发展、完 善。这就要求在选择 plc 机型和输入/输出模块要能适应发展

31、的需要，要适当留 有余量 3.1.2 系统设计的内容 (1)选择机型 目前，可编程序控制器产品种类繁多，同一个公司生产出的 plc 也常常推 出系列产品。这需要用户去选择最适合自己要求的产品。正确选择产品中，首 要的是选定机型。 a. 根据系统类型选择机型 从选机型的角度看，控制系统可以分成单体控制小系统、慢过程大系统和 快速控制大系统。这些系统在 plc 的选型上是有区别的。 单体控制的小系统：这种系统一般使用一台可编程序控制器就能完成控制 要求，控制对象常常是一台设备或多台设备中的一个功能。如对原有系统的改 造、完善或改进原有设备的某方面功能等等。这种系统对可编程序控制器间的 通信问题要求

32、不高，甚至没有要求。但有时功能要求全面，容量要求变化大， 有些还要与原设备系统的其它机器连接。对这类系统的机型选择要注意三种情 况。 一是设备集中，设备的功率较小，如机床。这时需选用局部式结构，低电 压高密度输入输出模板。 二是设备分散，设备的功率较大，如料场设备。这时需选用离散式结构， 高电压低密度输入输出模板。 三是有专门要求的设备，如飞剪。这时输入输出容量不是关键参数，更重 要的是控制速度功能，选用高速计数功能模板。 慢过程大系统：对运行速度要求不高但设备间有连锁关系，设备距离远， 控制动作多，如大型料场、高炉、码头、大型车站信号控制；也有的设备本身 对运行速度要求高，但是部分子系统要求

33、并不高，如大型热连续轧钢厂、冷连 续轧钢厂中的辅助生产机组和供油系统、供风系统等。对这一类型对象，一般 不选用大型机，因为它编程、调试都不方便，一旦发生故障，影响面也大。一 般都采用多台中小机型和低速网相连接。由于现代生产的控制器多为插件式模 板结构，它的价格是随输入输出板数和智能模板数的多少决定的。同一种机型 输入输出点数少，则价格便宜，反之则贵。所以一般使用网络相连后就不必要 选大型机。这样选用每一台中小型可编程序控制器控制一台单体设备，功能简 化，程序好编，调试容易，运行中一旦发生故障影响面小，且容易查找。例如 东北建筑设计院和东北大学为鞍山市小型砌块厂和鞍钢矿碴厂设计的砌块自动 生产线

34、就是采取这种结构进行控制的。其中成型机、升板机、降板机、排块机、 码垛机、大车、小车每个部分都是采用了一台小型 plc 控制。在这个系统中每 个生产设备都由一台可编程序控制器完成控制任务，然后用网络把整个系统管 理起来。这种结构，所用控制器的台数虽然多些，但程序编写省时，调试方便， 故障影响面小。从总体上看是合理的，可满足系统要求，价格也便宜。 快速控制大系统：随着可编程序控制器在工业领域应用的不断扩大，在中 小型的快速系统中，可编程序控制器不仅仅完成逻辑控制和主令控制，它已逐 步进入了设备控制级，如高速线材，中低速热连轧等速度控制系统。在这样的 系统中即使选用输入输出容量大、运行速度快、计算

35、功能强的一台大型可编程 序控制器也难以满足控制要求。如用多台可编程序控制器，则有互相间信息交 换与系统响应要求快的矛盾。采用可靠的高速网能满足系统信息快速交换的要 求。高速网一般价格都很贵，适用于有大量信息交换的系统。 对信息交换速度要求高，但交换的信息又不太多的系统，也可以采用可编程序 控制器的输出端口与另一台可编程序控制器的输入端口硬件互联，通过输出输 入直接传送信息，这样传送速度快而且可靠。当然传送的信息不能太多，否则 输入输出点占用太多。 b. 根据控制对象选择机型： 对控制对象要求进行估计，对确定机型十分重要。根据控制对象要求的输 入/输出点数的多少，可以估计出 plc 的规模。根据

36、控制对象的特殊要求，可以 估计出 plc 的性能。根据控制对象的操作规则可以估计出控制程序所占内存的 容量。有了这些初步估计，会使得机型选择的可行性更大了。为了对控制对象 进行粗估，首先要了解下列问题。 对输入/输出点数的估计：为了正确地估计输入/输出点数，需要了解下面问题： 1.对开关量输入，按参数等级分类统计。 2.对开关量输出，按输出功率要求及其它参数分类统计。 3.对模拟量输出/输入，按点数进行粗估。 对 plc 性能要求的估计：为了正确地估计 plc 性能要求，需要了解下面问题: 1.是否有特殊控制功能要求，如高速计数器等。 2.机房离现场的最远距离为多少？ 3.现场对控制器响应速度

37、有何要求。 在此基础上选择控制器时尚需注意两个问题。其一是 plc 可带 i/o 点数。 有的手册或产品目录单上给出的最大输入点数或最大输出点数，常意味着只插 输入模块或只插输出模块的容量，即实际给出的是输入输出容量之和，有时也 称为扫描容量，需格外注意。其二是 plc 通讯距离和速度。手册上给出的覆盖 距离，有时叫最大距离，包括远程 i/o 板在内达到的距离。但远程 i/o 板的 i/o 反应速度大大下降，一般为 19.2k 波特率。 对所需内存容量的估计：用户程序所需内存与下列因素有关。 1.逻辑量输入输出点数的估计。 2.模拟量输入输出点数的估计。 3.内存利用率的估计。 4.程序编制者

38、的编程水平的估计。 程序中的各条指令最后都是以机器语言的形式存放在内存中。控制系统中 输入输出点数和存放该系统用户机器语言与所占用的内存数字之比称为内存利 用率。内存利用率与编程水平有关。内存利用率的提高会使同样程序减少内存 容量，从而降低内存投资、缩短周期时间、从而提高系统的响应时间。 从上面内容的综合可以选择出合适的机型。 当然，最后还要校验一下所用电源的容量。在校验电源容量时，要注意 plc 系统所需电流一定要在电源限定电流之内。如果满足不了这个条件，解决 的办法只能有三个。其一是更换电源。其二是调整 i/0 模块。其三是更换 plc 系统。 在机型选定之后就要确定接口设备。plc 的接

39、口设备的选择如何，对控制 系统的功能至关重要。 (2) 选择接口设备 目前 plc 的产品很多，在选择机型和接口设备时要注意选择质量好，控制 可靠的产品。这里所说的接口设备包含两类。一类是 plc 自身的 i/o 模块、功 能模块，一类是和接口模块相连的外部设备。对于 plc 自身的模块的选择主要 注意两个问题。 一是和 plc 能否很好块对接。这一点请注意模块的型号、规格要配套。最 好类型、型号一致。这样才能使对接的方便、可靠、稳定。 二是这些模块能和外部设备对接。这就考虑到模块和外部设备要匹配，要 性能匹配、速度匹配、电平匹配。不仅要注意它们稳态特性，也要注意它们的 动态特性。 在系统的硬

40、件选定之后，主要的问题是程序设计。为了能够便于程序设计， 便于日常维护，合理地分配输入/输出点、恰当地对输入/输出点进行命名、完 整地编制输入输出变量表是必要的。 (3) 分配输入输出点 机型选好之后，系统设计人员需慎重考虑输入输出定义问题。所谓输入输 出定义是指整体输入输出点的分布和每个输入输出点的名称定义，它们会给程 序编制、系统调试和文本打印等带来很多方便。 3.2 可编程控制器 1969 年，在美国出现第一台可编程序逻辑控制器（programmable logic controllerplc）以来，经过 30 多年的发展，现在已经成为一种最重要、高 可靠性、应用场合最多的工业控制微型计

41、算机。它应用大规模集成电路、微型 机技术和通信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、 大型、超大型等各种规格的 plc 系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计 算机之间的许多过程控制领域。可编程序控制器已和数控技术及工业机器人并 列为工业自动化的三大支柱。 初期的 plc 只是用于逻辑控制场合，代替继电器控制系统。随着微电子技 术的发展，plc 以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制， 它已进入过程控制和位置控制等场合的控制领域。目前，可编程序控制器既保 留了原来可编程序逻辑控制器的所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优 点，包括计算机控制系统、过程仪表控制

42、系统、集散系统、分散系统等。在许 多场合，可编程序控制器可以构成各种综合控制系统，列如构成逻辑控制系统、 过程控制系统、数据采集和控制系统、图形工作站等等。 3.3 可编程控制器的特点 （1）可靠性高。 可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个 plc 生产厂都将可靠性作为第 一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰措施， 使 plc 的平均无故障时间达到 30 万小时以上，使用寿命更长。 （2）控制功能强。 plc 具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳转、移位、记忆、四则运算和 数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等。 （3）编程方便，易于使用。

43、 plc 采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观，易懂易编，深受电 气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。plc 可取代原继电器控制系统，有 利于对老设备的技术改造。 （4）使用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。 （5）具有各种接口，与外部设备连接非常方便。 （6）采用积木式结构或模块式结构，具有较大的灵活性和可扩展性，扩展灵活 方便。 （7）维修方便。 plc 上有 i/o 指示灯（led） ，哪个 i/o 元件有故障，一目了然。 图 7 （8）可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬 接线，灵活性大，适应性强。 3.4 可编程控制器的工作原理 plc 是一种微机控

44、制系统，其工作原理也与微机相同，但在应用时，可不 必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、 计数器、移位器等组成的装置，从而把 plc 等效成输入、输出和内部控制电路。 3.5 西门子 s7-200plc 功能介绍 s7-200 系列 plc 是 siemens 公司新推出的一种小型 plc。它以紧凑的结构、 良好的扩展性、强大的指令功能、低廉的价格，已经成为当代各种小型控制工 程的理想控制器。 s7-200 plc 包含了一个单独的 s7-200 cpu 和各种可选择的扩展模块，可 以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点上到几百点。s7- 200

45、 plc 可以方便地组成 plc-plc 网络和微机-plc 网络，从而完成规模更大的 工程。 s7-200 的编程软件 step7-micro/win32 可以方便地在 windows 环境下对 plc 编程、调试、监控，使得 plc 的编程更加方便、快捷。可以说，s7-200 可 以完美地满足各种小规模控制系统的要求。 s7-200 有四种 cpu，其性能差异很大。这些性能直接影响到 plc 的控制规 模和 plc 系统的配置。 3.5.1 s7-200 的技术指标 目前 s7-200 系列 plc 主要有 cpu221、cpu222、cpu224 和 cpu226 四种。档 次最低的是

46、cpu221，其数字量输入点数有 6 点，数字量输出点数有 4 点，是控 制规模最小的 plc。档次最高 的应属 cpu226，cpu226 集成了 24 点输入16 点输出，共有 40 个数字量 i/o。可连接个扩展模块，最大扩展至 248 点数字量 i/o 点或 35 路模拟量 i/o。 s7-200 系列 plc 四种 cpu 的外部结构大体相同，见图 7。状态指示灯 led 显示 cpu 所处的工作状态指示。 存储卡接口可以插入存储卡。通讯接口可以连接 rs-485 总线的通讯电缆。 顶部端子盖下边为输出端子和 plc 供电电源端子。输出端子的运行状态可 以由顶部端子盖下方一排指示灯显

47、示，on 状态对应的指示灯亮。底部端子盖下 边为输入端子和传感器电源端子。输入端子的运行状态可以由底部端子盖上方 一排指示灯显示，on 状态对应的指示灯亮。 前盖下面有运行、停止开关和接口摸块插座。将开关拨向停止位置时，可 编程序控制器处于停止状态，此时可以对其编写程序。将开关拨向运行位置时， 可编程序控制器处于运行状态，此时不能对其编写程序。将开关拨向监控状态， 可以运行程序，同时还可以监视程序运行的状态。接口插座用于连接扩展模块 实现 i/o 扩展。 3.5.2 cpu224 的技术指标 cpu224 本机集成了 14 点输入10 点输出，共有 24 个数字量 i/o。它可连 接 7 扩展

48、模块，最大扩展至 168 点数字量 i/o 点或 35 路模拟量 i/o 点。cpu224 有 13k 字节程序和数据存贮空间，6 个独立的 30kh高速计数器，2 路独立的 20kh高速脉冲输出，具有 pid 控制器。cpu224 配有 1 个 rs-485 通讯编程 口，具有 ppi 通讯、mpi 通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小 型控制器。 (1)cpu224 的技术指标 外形尺寸：120.5*80*62mm 存储器： 程序存储器 4096 字 用户数据存储器 2560 字 存储器类型 eeprom 存储卡 eeprom 数据后备（超级电容） 190 小时 编程语言 lad

49、，fbd 和 stl 程序组织 一个组织块（可以包含子程序和中断程序） 系统 i/o： 本机 i/o 14 入10 出 扩展模块数量 7 个模块 数字量 i/o 映像区 256（128 入128 出） 数字量 i/o 物理区 168（9474） 模拟量 i/o 映像区 32 入32 出 模拟量 i/o 物理区 35（287）或 14 出 附加功能： 内置高速计数器 6 个（30kh） 内置模拟电位器 2 个（8 位分辨率） 脉冲输出 2 个高速输出（20kh） 通讯中断 1 发送器2 接收器 定时中断 2 个（255） 输入中断 4 个 实时时钟 内置 口令保护 3 级口令保护 为传感器提供

50、5vdc 电流：660 (2)cpu224 的接线 dc 输入 dc 输出： dc 输入端由 1m、0.00.7 为第 1 组，2m、1.01.5 为第 2 组，1m、2m 分 别为各组的公共端。 24vdc 的负极接公共端 1m 或 2m。输入开关的端接到 24v dc 的正极，输 入开关的另端连接到 cpu224 各输入端。 dc 输出端由 1m、1l+、0.00.4 为第 1 组，2m、2l+、0.51.1 为第 2 组 组成。1l+、2l+分别为公共端。 第 1 组 24v dc 的负极接 1m 端，正极接 1l+端。输出负载的端接到 1m 端， 输出负载的另端接到 cpu224 各输

51、出端。第 2 组的接线与第 1 组相似。 dc 输入继电器输出： dc 输入端与 cpu224 的 dc 输入 dc 输出相同。 继电器输出端由 3 组构成，其中 n(-)、1l、0.00.3 为第 1 组，n(-)、 2l、0.40.6 为第 2 组，n(-)、3l、0.71.1 为第 3 组。各组的公共端为 1l、2l 和 3l。 第 1 组负载电源的一端 n 接负载的 n(-)端，电源的另外一端 l(+)接继电器 输出端的 1l 端。负载的另一端分别接到 cpu224 各个继电器输出端子。第 2 组、 第 3 组的接线与第 1 组相似。 3.5.3 模拟量输入模块 em231 em231

52、 具有 4 路模拟量输入，输入信号可以是电压也可以是电流，其输入 与 plc 具有隔离。输入信号的范围可以由 sw1、sw2 和 sw3 设定。具体技术指标 见表 2。 表 2 em231 技术指标表 型号em231 模拟量输入模块 总体特性外形尺寸：71.2*80*62mm 功耗 ：3w 输入特性本机输入 ：4 路模拟量输入 电源电压 ：标准 24vdc/4ma 输入类型 ：010v、05v、5v、2.5v、020ma 分辨率 ：12bit 转换速度 ：250s 隔离 ：有 耗电从 5vdc（i/o 总线）耗电 10 ma 开关设置sw1 sw2 sw3 输入类型 on off on 010

53、v on on off 05v 或 020ma off off on 5v off on off 2.5v 接线端子m 为 24vdc 电源负极端，l+ 为电源正极端 ra、a+、a-；rb、b+、b-；rc、c+、c-；rd、d+、d-分别为第 14 路模拟量输入端。 电压输入时， “+”为电压正端， “-”为电压负端。 电流输入时，需将“r”与“+”短接后作为电流的进入端， “-”为 电流流出端。 3.5.4 模拟量输出模块 em232 em232 具有 2 路模拟量输出，输出信号可以是电压也可以是电流，其输入 与 plc 具有隔离。具体技术指标见表 3。 表 3 em232 技术指标表

54、型号em232 模拟量输出模块 总体特性外形尺寸：71.2*80*62mm 功耗 ：3w 输出特性本机输出 ：2 路模拟量输出 电源电压 ：标准 24vdc/4ma 输出类型 ：10v、020ma 分辨率 ：12bit 转换速度 ：100s（电压输出） 、2ms（电流输出） 隔离 ：有 耗电从 5vdc（i/o 总线）耗电 10 ma 接线端子m 为 24vdc 电源负极端，l+ 为电源正极端 m0、v0、i0；m1、v1、i1 分别为第 12 路模拟量输出端。 电压输出时， “v”为电压正端， “m”为电压负端。 电流输出时， “i”为电流的进入端， “m”为电流流出端。 3.6 硅调压模块

55、 pac01a 是一款新概念调压器。它无需单独外供电源和同步电源，只需 4- 20ma 控制信号，接入负载后，即可实现调压功能。欧式风格的工艺结构，设计 紧凑，造型美观，附安全护盖。辅助功能包括：上电缓启动、缓关断、散热器 超温和电 源或负载故障，可广泛用于工业各领域中的电阻性负载调压。 一、pac01a 主要技术指标： 1.420ma 输入: 接收阻抗 5001.5k 调节输出分辨力：调压 0.2。移 相范围：0170 2.负载方式: 50hz 单相 220vac/380vac 3.led 灯状态显示:蓝色灯：上电运行前闪烁三次 （表示测试状态） ； 运行正常时长亮； 不亮：控制器或电源故障

56、 红色灯闪烁：电源或负载故障报警指示；红、兰灯交替闪烁：散热器超温。 4.缓启、缓停: ， 缓启、缓停时间均固定为 15 秒。 5.80超温保护： 散热器温度大于 80禁止输出并报警 解除:故障排除 后,重新上电。 6电流容量： 40a 、 60a 、 80a 、 100a 。 二、安装及使用须知： 1.使用前请认真阅读本说明书，严格按要求接线使用。 2.本电压调整器是壁挂式，垂直安装在通风良好，不受日光直射或热辐射， 无腐蚀性无可燃性的环境中。 3.工作电流大于 30a 时,需采用强制风冷。高温高湿以及海拔大于 1000 米， 应降额使用。 4.装置过热保护后，如要再运行，需排除故障后，再送

57、电运行。 5.在使用过程中若发生过流现象，应首先检查负载有无短路等故障。 6.工作环境温度：0+55 通风良好的位置。 工作环境相对湿度： 90%。 7.负载短路保护：一般按额定负载电流的 1.5 倍选择，外配 rs0 快速熔断 器作为短路保护。 三、初步调试 1.初始接线：参照接线图接线，为调试可靠，一般先接 100200w 灯泡假 负载并将仪表置手动状态。 2.手动调整：手动调整仪表输出范围为 0100%。此时，负载电压应均匀 变化。 3.7 测温元件及温度检测技术 目前，常用的温度传感器种类很多：热电偶传感器、热敏电阻传感器、热 电阻传感器和半导集成温度传感器，但是在微机温度控制系统中使

58、用的传感器 必须是能将非电量转变成电量的传感器,因此使用的就是热电阻传感器。本系统 要求的测温范围为 0200，因此选用热电阻，在此选用 pt100 热电阻，需要 强调的是基于热平衡原理，在本设计中采用接触式测温，测温敏感元件必须与 介质接触，使两者处于同一热平衡状态。 3.7.1 温度变送器的选择 pt100 传感器测量温度的隔离变送器，型号为 rs3100, 在工业上主要用于 测量-200 +500的温度。该产品 pt100 传感器由用户自己配备，变送器内有 线性化和长线补偿功能，出厂时按照 pt100 国标分度表校正，完全达到 0.2 级 精度要求。输入、输出和辅助电源之间是完全隔离（三

59、隔离） ，可以承受 2500vdc 的隔离耐压。产品采用 din35 国际标准导轨安装方式，体积小、精度 高，性能稳定、性价比高，可以广泛应用在石油、化工、电力、仪器仪表和工 业控制等行业。 主要特性 输入： pt100(-20+400) (范围可选择) 输出信号： 4.20ma/05v 精度等级： 0.2 级(fsr%) 内含线性化和长线补偿功能 隔离耐压：2500vdc(0.5ma,60s) din35 导轨安装 精度高、性能稳定可靠。 技术参数 序号 参数名称 测试条件 mintypmax 单位备注 1输入类型铂电阻 1000 2精度等级 fsr%0.2 级 3辅助电源 12,15,24

60、v 4电源范围10% 静态电流+24vdc 16 20 ma 5 。存储温度 -20 80 3.8 硬件电路图设计 上面我们主要介绍了本系统的硬件设备组成及其性能指标，下面我们根据 以上硬件设备的性能指标来完成系统的硬件电路图的设计。 （1）硫化机温度控制的强电电源图，如图 8 所示。 图 8 温度控制的强电电源图 （2）硫化机稳定度控制的 plc 接线图，如图 9。 图 9plc 接线图 3.9 本章小结 本章主要介绍了本系统主要硬件设备技术指标和硬件电路图的设计。 第四章第四章 软件设计软件设计 4.1 软件设计思想 本系统是以西门子 s7-200plc 系列中的 cpu224 为核心而设