利用组态王模拟温度控制.

1、前言可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、 计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、 适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。在工业领域，随着自动化程度的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来 越高，人机界面的出现正好满足了用户这一需求。人机界面可以对控制系统进行 全面监控，包括过程监测、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得操 作人性化、过程可视化，在自动控制领域的作用日益显著。本文主要介绍了基于三菱公司 FX2N系列的可编程控制器和亚控公司的组态软件 组态王的某一对象温度控制系统的设计方案。编程时调用了编程软件

2、STEP 7 -Micro WIN中自带的PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。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、数据的实时采样与 处理。目录第一章概述2第二章总方案32.1 系统框图32.2 下位机设计42.2.1 元件选择62.3 上位机设计82.3.1 监控主界面 92.3.2 实时趋势曲线102.3.3 历史趋势曲线 112.3.4 报警窗口 112.3.5 设定画面122.3.6 变量设置132.3.7 动画连接 15第三章总结17第四章参考文献171第一章概述 温度控制在电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。由于其具有工况复杂、参数多变、运行

3、惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。目前 ，仍有 相当部分工业企业在用窑、炉等烘干生产线，存在着控制精度不高、炉内温度均匀性差等问题，达不到工艺要求，造成装备运行成本费用高，产出品品质低下，严 重影响企业经济效益，急需技术改造。近年来，国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算 机技术的发展，温度控制器的研究取得了巨大的发展，形成了一批商品化的温度 调节器，如：职能化PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好 ，可广 泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。在工业自动化领域内，PLC （可编程控制器） 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程 简单、功

4、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。目前的工业控制中，常常选用PLC作为现场的控制设备，用于数据 采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用HMI软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示，实现监控、管理、分析和存储等功能 。这种监控系 统充分利用了 PLC和计算机各自的特点，得到了广泛的应用。在这种方式的基础 上设计了一套温度控制系统。以基于 PLC的下位机和完成HMI功能的上位机相 结合，构建成分布式控制系统，实现了温度自动控制。此外，随着工业自动化水平的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越 高，人机界面（HMI）的出现正好满足了用户这

5、一需求。人机界面可以对控制系 统进行全面监控，包括参数监2测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得简 单易懂、操作人性化，深受广大用户的喜欢。人机界面（ HMI）在自动控制领域 的作用日益显著。HMI正在成为引导工业生产制造走向成功的重要因素，因为这 些系统越来越多的用于监控生产过程，让过程变得更加准确、简洁和快速。 第二章总方案2.1 系统框图系统整体设计方案及硬件连接图。系统选用 FX2NPLC为控制器，Pt100型热电偶 将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过 FX2N-4AD模拟量输入模块转换成数 字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化

6、成占空比，通过固 态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。PLC和HMI相连接，实现了系统的实时监控。整个硬件连接图如图 2-1所示。32.2 下位机设计根据对系统设计内容的分析，确定控制系统所需要的输入输出点数为1/3点。选用FX2N系列PLC,输入输出点数的分配如表2-1所示，由于系统必须对温度信号 进行采集和控制，还必须使用到模拟量输入/输出模块FX2N-4AD模块、品闸管 跳功模块、温度变送器。整个硬件系统的原理图2-2如下：下位机总框图2-2分析简述工作流程：通过热电偶对被测对象进行温度测量，将测量的结果送到温度变送器，通过温度变送器将模拟量转换为标准1-5V的电压信号。转

7、换后的标准电压信号通过FX2N-4AD的A/D器转换为PLC可以识别的数字量。FX2NPLC检 测到来自A/D转换后的信号，通过内部的程序进行比较和运算将所得的控制信号 输出给固态继电器。固态继电器按照原先设定的准则进行工作从而控制阀门的开 或关，以实现蒸汽量的进或出从而使被控对象得到预期的控制。热电偶温度变送跑温控PTC1h同态维电得b被抻对象i卜蒸汽最进/出阳门承英wJ4电器原理图如下图所示:FX2n48RL热电阻220V MAX:100C温度变送器6中。冲26-r皿水箱温度信号二 X2MADL =*£§1?一%- N>c下位机设计接线原理图52.2.1 元件的选

8、型1 .温度传感器温度传感器是用来检测水温的，他将温度信号转换为电信号，再送到变送器。本 次设计选用Pt100铝电阻作温度传感器，珀电阻的阻值变化范围为100.0-138.5欧，经变送器转换后输出4-20mA电流。2 .温度变送器温度变送器，专应于热电阻或热点偶，将温度转换成4-20MA的电流信号。本次选用WZPB 一体化温度变送器，WZPB 一体化温度变送器是温度传感器与变送器 的完美结合，以十分简捷的方式把-200+1600 C范围内的温度信号转换为二线 制420mA DC的电信号传输给显示仪、调节器、记录仪、DCS等，实现对温度的精确测量和控制。一体化温度变送器是现代工业现场、科研院所温

9、度测控的更 新换代产品，是集散系统、数字总线系统的必备产品。3 . PLC控制器本次设计中，我们将采用FX2n系列PLC,FX系歹IPLC为单元型，内含CPU、电 源和固定搭配的输入/输出。Q4AR系列为双机热备系列，最大输入输出点数为 8192点。A系列PLC的最大输入输出点数为2048点。F系列程控器的最大输入 输出点数为256点。三菱小型FX 2 （N）系列程控器的输入输出点最大不超过 256点。每台主机可连模入、模出、高速记数、定位等特殊功能模块，不超过 8 个。FX系列在日本三菱的姬路制作所生产。目前 FX系列PLC为中国内地销量 最多的小型PLC。FX2n系列PLC是该系列中功能最

10、强、速度最快的微型 PLC。 有RAM, EPROM和EEPROM FX2N系列PLC的特点超高速的运算速度 0.08微 秒.比FX2的0.48微秒6快六倍.容量极大8K步（最大16K步）.比FX2大四倍.机体小型化 比FX2小50% . 兼容FX2的编程设计.备有多种不同的FX2N扩展单元及特殊模块.输入输出点数的分配表表2-1功能键设定辅助继电器输出继电器nni的控制M0Y0阀门2的控制MlY1停止加热控制M2Y2总件控制旃1（外滞兀件）X0（内粼地址）根据设计要求，本次设计选用模拟量输入模块FX2N-4AD，该模块用4个12位模拟量输入通道，输入量程为 DC-10V-+10V和420MA

11、 ,转换速度为15MS/通 道或6MS/通道（高速）。4 .调压器调压器是应用晶闸管（又称可控硅）及其触发控制电路用于调整负载功率的盘装 功率调整单元。本次设计选用 PAD-37系列SCR品闸管作为交流调压器，PAD37 系列晶闸管调功器”通过对电压、电流和功率的精确控制，从而实现精密控温。 并且凭借其先进的数字控制算法，优化了电能使用效率。随着自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复 杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。人机界面（ HMI Human Machine Interface）以其过程可视化、操作员对操作过程可方便的控制等显著特点，很好 的满足了这种需

12、求而得到广泛的应用。工业HMI又称触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。它一般与 PLC等工业控制设备，利用显示 7 屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命 令，实现人与机器信息交互。HMI的主要功能有：数据的输入与显示；系统或设 备的操作状态方面的实时信息显示；报警处理及打印；数据归档和报表系统。此 外，新一代工业人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录 及配方等智能化控制功能。5 .3上位机设计HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成，HMI画面设计对于HMI来说是非常关键的。HMI画面是用组态软件来做的，常见的组态软件有西门子

13、公 司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的组态王、力控等。在本温度控制 系统设计中，我们选择了组态王来完成监控画面的设计。组态王和其他组态软件 相比最大的优势是它操作方便，提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了 以汉字作为关键字的脚本语言支持，对于新手来说很容易上手。我们从北京亚控公司的主页上下载了组态王 6.5.1演示版，安装好以后。双击桌 面图标，打开工程管理器，建立工程。如图所示，最下面的一行是我们新建的工 程，工程名称为 组态王”。双击工程管理器中的工程名，出现工程浏览器。在工 程浏览器中，双击新建图标，新建画面（如图 2-3-2所示）。在这里我们制作了 监控主界面、实

14、时趋势曲线、历史趋势曲线、报警窗口等画面。下面详细介绍每个画面的设计方法。8图2-3-1新建工程9于 nfl afpii Biw jJUn imzi w<i报警窗口实时越势曲战参数设置历史疸势曲线图2-3-3温度控制界面2.3.2 实时趋势曲线打开开发系统页面后，点击工具箱中的实时趋势曲线”把实时趋势曲线放进开发页面，然后双击曲线画面，对曲线进行设置，如X轴和Y轴的设置及标示定义等，最后利用工具箱做好 返回主界面”按钮，即可形成如图2-3-4所示的实时趋 势曲线画面。系统运行时，实时趋势曲线会显示当前温度值的变化趋势和设定温 度值。点击 返回主界面”按钮，就会回到主界面。10图2-3-4

15、实时趋势曲线2.3.3 历史趋势曲线打开开发系统页面后，点击 图库”，打开图库管理器，双击 历史曲线”把它放进 开发页面，再双击历史趋势曲线画面，对曲线进行设置，包括曲线定义，坐标 系，操作面板和安全属性等设置，最后利用工具箱做好返回主界面”按钮，即可形成如图2-3-5所示的历史趋势曲线画面。系统运行时，画面上会记录某段时间 内设定温度值和当前温度值的变化曲线。点击返回主界面”按钮，就会回到主界面。2.3.4 报警窗口打开开发系统页面后，点击工具箱中的报警窗口”把报警窗口放进开发页面，然后双击画面，对报警窗口进行设置，包括通用属性、列属性、操作属性、条件属 性、颜色和字体属性的设置。最后利用工

16、具箱做好返回主界面”按钮，即可形成如图2-3-6所示的报警窗口画面。系统运行时，报警窗口会根据当前温度值国叫叫 更| m UkiR4g IE11做出适当的报警。此项目中我们设置当前温度低于90度时，报警类型”栏显示当前温度偏低。当前温度超过105度时，报警类型”栏显示当前温度偏高。图2-3-5历史趋势曲线图2-3-6报警窗口2.3.5 设定画面设定画面的设计和上面4个画面类似，系统运行时该画面会显示增益Kp、积分时间Ti、微分时间Td、采样时间、温度输入等参数的值。122.3.6 变量设置打开工程浏览器，点击 数据词典”，再点击 新建”建立温度”、输入阀”、输出 阀”、指示灯"、“K

17、p'： "Ti、” “Td'；温度输入”等变量。其中变量类型和寄存器 是最关键的，在组态王和 PLC之间传输的变量都是I/O类型的，只在组态王内部 需要的是内存型的。寄存器和数据类型要与程序中一致，否则组态王就不能起到 监控作用了。比如 温度”的寄存器为INCREA200,数据类型为SHORT。下面我们以温度设置为例来说明变量设置的步骤和方法。图2-3-7为变量温度”基本属性设置图，变量类型设置为I/O实数，连接设备为新IO设备，寄存器为 INCREA200,数据类型是 SHORT。图2-3-7温度基本属性设置图2-3-8为变量 温度”报警定义设置图，我们设置了当前温

18、度低于10度时，报警当前温度太低。当前温度10度到50之间时，报警当前温度偏低。当前温度大于190时，报警当前温度偏13图2-3-8温度报警定义设置图2-3-9为变量 温度”记录和安全区设置图，我们设置 记录”为数据变化记录, 变化灵敏度设为1.这个主要是为历史趋势曲线服务的，若不设置这个，往往历史 趋势曲线就出不来或者效果很差。图2-3-9当前温度记录和安全区设置142.3.7 动画连接打开主界面，双击 停止”按钮，出现如图2-3-10的动画连接画面。在按下时左边 打沟，点击 确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入图2-3-11所示的命令，再点击 确定”，就完成了停止”按钮的动画连接设

19、置。这样，点击 停止” 后，系统就开始运行。对象类型技困我象钠二|£SS3B£B左帘 ± 210高度卯 亮度HQ推示文本：|雷区登化L 续密性位置与大4五北水平移动| 事直移动 簟在用tr 文本色优先皱；R5-安全区校眼保护访画连接 值喻人等价谴r Ctrl I- Shi £t 无前亡唔嘉隹接f? tmt r二群寸_ 图2-3-10动画连接打开主界面，双击目前温度值下面的框，出现如图2-3-10所示的动画连接画面。在模拟值输出左边打钩，出现模拟值输出连接画面。点击表达式框右边的问号，选择变量 温度”。输出格式中设置整数位数为2,小数位数为1,显示格式设置 为十进制，最后点击 确定”。这样，变量 温度”的动画连接设置就完成了。打开主界面，双击 温度控制”按钮，出现如图2-3-10的动15画连接画面。在按下时左边打沟，点击 确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗 口中输入图2-3-12所示的命令，再点击 确定”，就完成了温度控制”按钮的动画 连接设置。运行时，点击主界面中的温度控制”就可以进入设定画面了。其他按钮的动画连接方法和 停止”按钮类似，只是输入的命令稍有不同。