基于PLC的恒温控制系统

在工业控制领域，基于运行稳定性考虑，要对生产过程中的各种物理量进行详细的检测和控制。这在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。其中温度控制又以其较为复杂的工艺过程而备受人们关注。所以各种加热炉、热处理炉、反应炉等得到了广泛应用。这些都对温度控制系统的设计提出了更高的要求。本设计采用S7-200PLC对加热炉温度进行控制。随着自动控制技术的迅速发展，PLC对温度的控制技术应用越来越广泛。本文采用PLC对温度进行控制，通过合理的设计，提高温度控制水平，进而改善温度运行的稳定性，使其更加精确。本文主要介绍了温度控制的PLC控制系统总体方案设计、设计过程、组成、梯形图，并给出了系统组成框图，分析流量逻辑关系，提出PLC的编程方法。本系统分析了加热炉温度控制的PID控制原理，设计了系统的数学控制模型监控。通过对单回路控制系统的参数整定以及组态王的PID控制程序，实现了加热炉温度的精确控制。通过对PLC程序的仿真调试以及对组态的系统仿真，验证了本加热炉温度控制系统的设计合理性，系统动态响应符合了最初的设计要求，也具有一定的实用价值。Inthefieldofindustrialcontrol,basedontheoperationdetectionandcontrolofvariousphysicalquantitiesintheproductionprocess.Inthemetallurgical,chemical,buildingmaterials,food,machinery,oilindustry,whichplaysadecisiverole.Temperaturecontrolanditsmorecomuchattention.Variousfurnace,heattreatmentfurnaces,reactors,etc.hasbeenwidelyapplied.TheseareputforwardhigherrequirementsforthedesignoftheThisdesignusestheS7-200PLCasthecoreofWiththerapiddevelopmentofautomaticcontroltechnology,PLCtemperaturecontroltechnologyisappliedmoreandmorewidely.ThispaperusedPLCtotemperaturecontrol,throughreasonabledesign,improvethetemperatureofcontrollevel,therebyimprovingthetemperaturestabilityofrunning,makingthemmoreprecise.ThisarticlemainlyintroducedthetemperatureofPLCcontrolsystemdesign,designprocess,composition,liststheflowladderdiagram,andgivestheblockdiagramofthesystem,analyzestheflowoflogicrelation,putforwardPLCprogrammingmethod.Givingsomesuggestions,basicprinciple,basicflowunderstanding.ThesystemanalysisofthePIDcontrolprincipleofpipelinetemperaturecontrol,hasdesignedthesystemmathematicalmodelandcontrolblockdsystem,usingtheKingviewconfigurationsoftwareconfigurationcontrolmonitoringsystem,real-timemonitoringofdata.TheparametersofsingleloopcontrolsystemtuningandKingviewPIDcontrolprocedures,toachievetheprecisecontrolofpipelineflow.ThroughthesimulationanddebuggingofPLCprogramandsystemsimulationoftheKingview,verifytherationalityofthecontrolsystemofthepipelinetemperaturedesign,dynamicresponseofthesysteminlinewiththerequirementsofKeywords:TemperatureControl,PLC,PID,Kingview第一章前言 01.1恒温控制的现状与意义 01.2系统设计要求 11.3设计主要内容 2第二章恒温控制系统硬件设计 42.1总体分析 42.2PLC控制系统设计的基本原则和步骤 52.2.1PLC控制系统设计的基本原则 52.2.2PLC控制系统设计的一般步骤 62.3PLC的选型与硬件配置 72.3.1PLC型号的选择 7 82.3.3EM231模拟量输入模块 82.3.4热电偶温度传感器 92.4I/O地址分配及电气连接图 2.5PLC硬件接线图 第三章PLC控制系统软件设计 3.1PLC程序设计方法 3.2.2STEP7-Micro/WIN参数设置(通讯设置) 3.3基于S7200的PID控制 3.3.1控制系统数学模型的建立 3.3.2PID在PLC中的回路指令 3.4内存地址分配与PID指令回路表 3.5程序设计梯形图 3.5.1初次上电 3.5.2启动/停止阶段 3.5.3子程序0 3.5.4中断程序、PID的计算 第四章基于组态软件恒温监控系统设计 4.1组态王软件介绍 4.2组态软件开发过程 4.2.1工程整体规划 4.2.2工程建立 4.2.3构造数据词典 4.2.4组态用户窗口 4.2.5组态王设备连接 4.2.6组态王画面制作与动连接 4.2.7PID控制脚本编写 第五章系统运行结果及分析 5.1PLC控制系统仿真测试 5.2控制系统PID控制性能验证 参考文献 第一章前言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。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。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。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PLC不仅具有传统继电器控制系统的控制功能，而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些智能控制模块，构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合普遍欢迎，在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用，尤其适合温度控此外，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。在工业生产中加热锅炉在全球使用非常广泛，对其控制技术的先进程度决定着对其使用率的高低。顺应这种理念的发展，加热炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精这些核心技术主要体现在如今发展较为成熟的PLC领域。PLC的快速发展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特加热锅炉是机电一体化的产品，它很好的将前面所述的技术运用到实际当中去。除此之外，它可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运再者人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要1.2系统设计要求本设计的原理是利用扩展模块EM235(AI4/AQ1*12位)进行数据采集，然后把采集到的数据利用程序进行工程量转换，给定量与输入量相减得出偏换，送到执行器，从而构成的是单闭环控制。(1)根据锅炉温度单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用传感器。(2)根据流量单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/0的需要，正确选用(3)根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模(4)编写基于西门子S7200的恒温控制方案，选择合适CPU的和模块，给出PLC的信号输入输出，设计PLC的电气原理接线图，并且编写PID恒温控制程序。(5)运用组态软件，正确设计温度单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。(6)编写组态王程序，使锅炉的出口温度输出值恒定。程序界面上要有输入构件以设置流量，要有显示构件显示实际温度，界面要美观，要有运算代码(推荐PID运算)根据目标量和测量量产生相应的输出。可编程控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。PLC的应用已成为一个世界潮流，在不久的将来PLC技术在我国将得到更全面的推广和应用。本论文研究的是PLC技术在温度监控系统上的应用。从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。本论文通过德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC的通断来实现对加热炉温度的控制。同时利用亚控公司的组态软件“组态王”设计一个人机界面(HMI),通过串行口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。总体上包括的技术路线：硬件设计，软件编程，第一章，对温度控制系统应用的背景及国内外的发展状况进行了阐述，指出了本文的研究意义所在。第二章，主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整第三章，在硬件设计的基础上，详细介绍了本项目软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法，编程软件STEP7--Micro/WIN的介绍以及本项目程序设第四章，详细介绍了如何在亚控公司的组态软件“组态王”的基础上进行人第五章，展示了系统运行结果，然后对其分析得出结论。第二章件设计恒温控制系统硬在掌握了PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以PLC作为主要控制器来构造PLC控制系统。本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。学习了PLC的硬件系统、指令系统和编程方法以后，对设计一个PLC系统时，要全面考虑许多因素，不管所设计的控制系统的大小，要按照下列设计步骤进行系统设计。如图2-1:分析评估控制I/O地址分配N程序设计程序调试满足要求?Y电气系统安装设计硬件系统接线图和控制柜连机调试N满足要求?N使用弄懂PLC的基本工作原理和指令系统后，就可以把PLC应用到实际的工程项设计都可以参考图2-1所示的步骤。任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。1.设计原则(1)完整性原则。最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。(3)经济型原则。力求控制系统简单、实用、合理。(4)发展性原则。适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能2.评估控制任务根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。(1)控制规模一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时，特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。(2)工艺复杂程度(3)可靠性要求点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。(4)数据处理速度若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下5步深入了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护；电气系统与机械、液2.硬件选择具体包括如下。(1)系统I/O设备的选择。输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。(3)PLC的I/O端口分配。在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。(4)绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。(5)计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。3.编写应用程序根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容：必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。(2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。(3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。4.程序调试程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序模拟调试是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形(1)硬件模拟法是使用一些硬件设备(如用另一台PLC或一些输入器件等)模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。(2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。现场调试。当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现5.编写技术文件程序以及使用说明书等。2.3PLC的选型与硬件配置本温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。S7-200PLC属于小型整体式的PLC,本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它的也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。完整的S7-200系列PLC实物如图2-2所示。图2-2S7-200系列PLC实物图等类型。此系统选用S7-200CPU226,CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量I/O。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。还有13KB程序和数据存储空间空间，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。配有2个RS485通讯口，具有PPI,MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4kbit/s,可用于较高要求的中小型控制系统。本温度控制系统由于输入/输出点数不多，本可以使用本温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成0～41mv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EM2314TC模拟量输入模块。EM231热电偶模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模块需要用户通单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿。本系统用的是K型热电偶，所以DIP开关SW1～SW8组态为00100000;EM231具体技术指标见表2-1。表2-1EM231技术指标型号EM231模拟量输入模块总体特性外形尺寸：71.2mm×80mm×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DC24V/4mA输入类型：0~10V,0~5V,±5V,±2.5V,0~20mA分辨率：12Bit转换速度：250μS隔离：有耗电从CPU的DC5V(I/O总线)耗电10mADIP开关2.3.4热电偶温度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，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，本论文采用的是K型热电阻。镍铬-镍硅热电偶(K型热电偶)是目前用量最大的廉价金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。正极(KP)的名义化学K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。EM235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体(ST)单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA(通过250Ω电阻转换DC1～5V或通过500Ω电阻转换DC2～10V)恒流环标准信号，连续输送到接收装置(计算机或显示仪表)。K、E、N、S、T和R型，它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。EM235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表2-2EM231选择模拟量输入范围的开关表单极性满量程输入分辨率0到10V0到5V0到20mA双极性满量程输入分辨率EM235校准和配置位置图如图2-3所示，本次设置PID开关为010001。关图2-3DIP配置EM2312.4I/O地址分配及电气连接图1)该温度控制系统中I/0点分配表如表2-3所示。表2-3I/0点分配表输入启动按钮停止按钮输出运行指示灯停止指示灯正常指示灯温度越上限报警指示灯锅炉加热指示灯型热电偶将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过EM231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控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制加热炉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2-4所示。PLC固态继电器计算机热电偶加热炉图2-4系统框架图2.5PLC硬件接线图根据系统设计要求，PLC外部接线图如下所示：三三0.00.10.20.30.4O图脉宽调制○0.00.1停止如热加热炉正常图2-5PLC硬件连接图第三章PLC控制系统软件设计PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分，上一章已经详细主要包括软件设计的基本步骤、方法，编程软件STEP7--Micro/WIN的介绍以及本项目程序设计。编写PLC程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。时序流程图法和步进顺控法。(1)梯形图法梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法，其图形甚至元件名称都有继电器电路十分相似。这种方法很容易地把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一种编程方法。(2)逻辑流程图法逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反映输入与输出的关系。逻辑流程图会使整个程序脉络清晰，便于分析控制程序、查找故障点及调试(3)时序流程图法时序流程图法是首先画出控制系统的时序图(即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图),再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把框图写成PLC程序。这种方法很适合以时间为基准的控制系统的编程方法。(4)步进顺控法2.经验法编程经验法是运用自己的或者别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。3.计算机辅助设计编程计算机辅助设计是通过PLC编程软件(比如STEP7--Micro/WIN)在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。使用编程软件可以很方便的在计算机上离线或在线编程、在线调试，在计算机上进行程序的存取、STEP7--Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公为s7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。它是西门子s7-200用户不可缺少的开发工具。现在加上中文程序后，可在全中文的界面下进行操作，用户使用起来更加方便。以STEP7-Micro/WIN创建程序，为接通STEP7--Micro/WIN,7--Micro/WIN图标，或选择开始(Start)>SIMATIC>STEP7Micro/WIN4.0菜单命令。如图4-1所示，STEP7--Micro/WIN项目窗口将提供用于创建控制程序的便利工作空间。工具栏将提供快捷键按钮，用于经常使用的菜单命令，可显示的不同编程特性。指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象和指令。可将单个的指令从指令树拖放到程序中，或双击某个指令，以便将其插入到程序编辑器中光标的当前位置。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的底部均按标签显示。单击标签可在子程序、中断程序和主程序之间来回变换。STEP7--Micro/WIN提供了用于创建程序的三个编辑器：梯形图(LAD)、语句表(STL)和功能块图(FBD)。尽管有某些限制，在这些程序编辑器的任何一个中编写的程序均可用其它程序编辑器进行浏览和编辑。用的比较多的是梯形图(LAD)编程语言。下面详细介绍梯形图的特点。CSTRPT-Tiere/H-项目!文伸Q娟错①)检很O语式②工具①食照黑A黑项检况·到重一用用重有用中重的而。用·而而重而而中重而黑·到重截口隆药截口隆药作6口的6口义讯导具文期有工。老性言酸转展心行读较中数点数照1心序位符要法整口萜动00STATCLAD456STATCLAD456数宽共型支显关型数宽共型支显关型tnpTEMPTENP网络1同端标地一X不图3-1编程软件STEP7--Micro/WIN主界面本项目中PLC要与电脑正确通信，安装完STEP7-Micro/WIN编程软件且设置好硬件后，可以按下列步骤进行通讯设置。(1)在STEP7-Micro/WIN运行时单击通讯图标，或从“视图”菜单中选择选项“通信”,则会出现一个通信对话框(如图3-2所示)。☑保存项目的设置网络参数☑支持多台主设备传输速率设置PGPC接口11位双击以吊新9.6千波特图3-2通信参数设置(2)在对话框中双击PC/PPI电缆的图标，将出现PG/PC接口对话框或者直接单击“检视”栏中单击“设置PG/PC接口”也行。如图4-3所示。AccessPathAccessPointoftheApplication:IS0Ind.Ethernet->Realtek入IS0Ind.Ethernet->RealtekTCP/IP->NdisWanIpcableforanPPINetwork)Add/Remove:Copx..Selegt...OK图3-3PG/PC接口对话框(3)单击Properties按钮，将出现接口属性对话框，检查各参数的属性是否正确，其中通信波特率默认值为9.6kbps(如图3-4所示)。Address:Timeout:TransmissionRate:HighestNodeAddress:OKDefaultCancelHelp图3-4通信参数设置控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。3.3.1控制系统数学模型的建立本温度控制系统中，传感器(电热偶)将检测到的温度信号转换成电压信号经过温度模块后，与设定温度值进行比较，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正，返回对应工况下的固态继电器导通时间，调节电热丝的有效加热功率，从而实现对加热炉的温度控制。控制系统结构图如图3-5所示，方框图如图3-6所示。PLCPLC控制器固态继电器烤炉pv温度模块热电偶十图3-5控制系统结构图为控制器的传递函数；Go(s)为广义对象，即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并；该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统，传递函数为西门子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，见表3-1。表3-1PID回路指令名称PID运算指令格式指令表格式梯形图使用方法：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VD100,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0-7,不可以重复使用。PID回路在PLC中的地址分配情况如表3-2所示。表3-2PID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0.0-1.0之间4给定值(SPn)实数必须在0.0-1.0之间8输出值(Mn)实数必须在0.0-1.0之间增益(Kc)实数比例常数，可正可负采样时间(Ts)实数单位为s,必须是正数积分时间(Ti)实数单位为min,必须是正数微分时间(Td)实数单位为min,必须是正数积分项前值(MX)实数必须在0.0-1.0之间过程变量前值(PVn-1)实数必须在0.0-1.0之间3.4内存地址分配与PID指令回路表S7200的PID内存地址如表3-3所示。表3-3内存地址分配地址说明实际温度存放设定温度存放当前温度存放过程变量(PVn)必须在0.0-1.0之间给定值(SPn)必须在0.0-1.0之间输出值(Mn)必须在0.0-1.0之间增益(Kc)比例常数，可正可负采样时间(Ts)单位为s,必须是正数积分时间(Ti)单位为min,必须是正数微分时间(Td)单位为min,必须是正数积分项前值(MX)必须在0.0-1.0之间过程变量前值(PVn-1)必须在0.0-1.0之间初始化指示灯调用子程序主程序子程序设定温度设定温度每100ms调用中断程序返回中断程序读入温度并转换读入温度并转换把其温度值放入VD100调用PID指令输出PID值图3-7系统设计流程图不不不整数不不不整数—→双字整数双字整数—→实数用于PID指令的执行b.判断炉温是否在正常范围。 SM0.0→OUI-AC1AC1IN0U]AC1AC1|IN1AC1|IN1OUT-AC1OUT-VD30SM0.0VD30SM0.0VD30Q0.2SRQ0.3Q0.2Q0.2:正常运行指示Q0.3:温度越上限报Q0.4:锅炉加热Q0.4:锅炉加热指示灯VDVD108VD108Q0.4SQ0.4RSM0.0启动过程：按下启动按钮后，开始标志位M0.1置位，M0.2复位。打开运行指示灯Q0.0,熄灭停止指示灯初始化PID。开始运行子程序0。停止过程：按下停止按钮后，开始标志位M0.1复位，熄灭运行指示灯，停止标志位M0.2置位，点亮停止指示灯。并把输出模拟量续加热。停止调用子程序0,仍然显示锅炉温度。 M0.1M0.1SM1MM0.2SSM0.0Q0.11Q0.0SQ0.1SQ0.0MOV_W锅炉继续升温。停止时模拟量输出清零，防止MOV_RSM0.0M0.1M0.2SBR_0M0.2PISM0.0_SM0.0VD4-INVD4-IN1OUTVD104X使VD104在0.1-1.0之间将P参数Kc导入VD112VD116为采样时间存放地址将I参数T;导入VD120义将D参数T导入VD124中断连接指令ATCH中断连接指令ATCHVN3.5.4中断程序、PID的计算1调用调用PID运算yyV|V|VV7第四章基于组态软件恒温监控系统设计计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断、双机热备等先进技术，使系统更加安全可靠，在这方面，组态王工控组态软件提组态王软件为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。组态王工控组态软件是一套32位工控组态软件，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备，广泛应用于石油、电力、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。组态王服务器版本，集工业现场的集散控制和各类历史、实时数据及相关曲发布于一体，可以解决整个企业的Internet/Intranet方案，也可以非常方便的与您已有的企业网络相衔接，让您从具体的技术环节和繁杂的数据堆中脱身，随时随地掌握工业现场与企业运营状态，了解所需的各项信息，大幅度提组态王软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同1、主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。2、设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。3、用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。4、数据词典：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将组态王工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。then脚本程序),选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。使用组态王完成一个实际的应用系统，首先必须在组态王的组态环境下进行系统的组态生成工作，然后将系统放在组态王的运行环境下运行。本章逐步介绍在组态王组态环境下构造一个用户应用系统的过程，以便对组态王系统的组态过程有一个全面的了解和认识。保证项目的顺利实施。对工程设计人员来说，首先要了解整个工程的系统构成和工艺流程，弄清测控对象的特征，明确主要的监控要求和技术要求等问题。在此基础上，拟定组建工程的总体规划和设想，主要包括系统应实现哪些功能，控制流程如何实现，需要什么样的用户窗口界面，实现何种动画效果以及如何在实时数据库中定义数据变量等环节，同时还要分析工程中设备的采集及输出通道与实时数据库中定义的变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及用于实现动画显示的等问题。作好工程的整体规划，在项目的组态过程中能够尽量避免一些无谓的劳动，快速有效地完成工程项目。组态王中用“工程”来表示组态生成的应用系统，创建一个新工程就是创建一个新的用户应用系统，打开工程就是打开一个已经存在的应用系统。工程文件的命名规则和Windows系统相同。保存新工程时，可以随意更换工程文件的名称。缺省情况下，所有的工程文件都存放在组态王安装目录下的Work子目录里，用户也可以根据自身需要指定存放工程文件的目录。实时数据库是组态王系统的核心，也是应用系统的数据处理中心，系统各部分均以实时数据库为数据公用区，进行数据交换、数据处理和实现数据的可视化处理。定义数据对象的过程，就是构造实时数据库的过程。定义数据对象时，在组态环境工作台窗口中，选择“实时数据库”标签，进入实时数据库窗口页，显示已定义的数据对象，置增加一个新的对象时，可在该处选定数据对象，鼠标单击“新增对象”按钮，则在选中的对象之后增加一个新的数据对象；如不指定位置，则在对象表的最后增加一个新的数据对象。新增对象的名称以选中的对象名称为基准，按字符递增的顺序由系统缺省确定。对于新建工程，首次定义的数据对象。缺省名称为Data1。需要注意的是，数据对象的名称中不能带有空格，否则会影响对此数据对象存盘数据的读取。组态王把数据对象的属性封装在对象内部，作为一个整体，由实时数据库统一管理。对象的属性包括基本属性、存盘属性和报警属性。基本属性则包含对象的名称、类型、初值、界限(最大最小)值、工程单位和对象内容注释等项内容。表4-1定义变量符号地址备注M0.0控制方式VD136偏差e_1VD140偏差前值VD144偏差前前值MnpVD148比例值MniVD152积分值MndVD156微分值VD160PID增量Mn1VD164输出前值MnVD168输出值VD172比例系数VD176积分时间常数VD180微分时间常数VD184采样周期VD200测量值VD208给定值maxVW220测量值最大值工程减宪器—加熟炉温度控制率线(2)a@区工程(立)配置(经】查着(Y)工具[江]帮动[算国文律画面方性驾库置法行事量名责量班术D连搬设备寄存器套报著内存烹数用要美怀v美怀avtvltlanv²atputsatemhnvtnmCatreltmCtllirectiammdFmeOutemeOuthuenmewInsndahugeadmneeS上水阀门水上水阀门开度月本次满控时SVCPV值的差值上次调控时SVV值的差值调控过程中SVCP值的差值的累计和请书范围PV值下限满节局期，和设备的采集周相同，调节方向内存实内存实yr第404142434445464TPD计算出的输出增加值格毒时输出量分系数0积分系数I比洲系数?测量值tv值上隙死区范图M道的量程设定值0.2-0.6开就绪图4-1实时数据库窗口在“数据词典”窗口页中，可以象在Windows95的文件操作窗口中一样，能够以大图标、小图标、列表、详细资料四种方式显示实时数据库中已定义的数据粘贴指定的数据对象，还可以直接修改数据对象的名称。为了快速生成多个相同类型的数据对象，可以选择“成组增加”按钮，弹出其它数据对象的主体名称相同，索引代码依次递增。成组增加的数据对象，其他特性如数据类型、工程单位、最大最小值等都是一致的。选择组态环境工作台中的用户窗口页，所有的用户窗口均位于该窗口页内，如图4-2所示：困西面见法点用量品线困西面见法点用量品线静重库结构责量鲁数费词典否振警细语侧安不!工程测嵬器—加热炉温度控制系线(2)工程(卫)配置(s)查着(y)工具tr)糖动[)息值大历布美其重□日丰状性表文1图4-2用户窗口创建一个新的用户窗口，以图标形式显示。开始时，新建的用户窗口只是一个空窗口，用户可以根据需要设置窗口的属性和在窗口内放置图形对象。上位机与下位机密切配合，并保持控制对象一致。上位机和下位机的连接主要通过组态王下设备窗口的设置，本设计按照组态向导进行设置，设备组态连接如图4-3所示。设备安装向导设备安装向导——信息总结设备信息新设备为西门子生产的S7-200系列☑自动建变量<上一步(B)完成取消图4-3组态设备连接如图4-4所示在“COM1”中如下设置：设备通信方式为RS232通信，通讯波特率为9600,数据位位数为8位，停止位位数为1位，数据校验方式为偶校验，此时组态软件就已经和PLC可以进行通信了。通讯参数9600偶校验毫秒取消图4-4组态通信端口设置4.2.6组态王画面制作与动连接根据系统结构，恒温PID控制主画面制作如下：开发系线一开发系线开发系线一开发系线□区报警值/旧值|恢复值/新值锅炉恒温控制系统恒温控制PID控制策略脚本关键代码如下：If(sngControlT==0){}sngPVRange=sngPvMax-sngPvMin;If(sngPVRange<=0)1}If(sngPv<0)}If(sngPv>100){}If(sngSv<0)}If(sngSv>100){}m_sngSvPvdx=sngSv-sngPv;If(m_sngSvPvdx1==11)1m_sngSvPvdx1=m_sngSvPvdx;m_sngSvPvdx2=m_sngSvPvdx;}{sngOutdx=sngParP*(m_sngSvPvdx-m_sngSvPvdx1+m_sngSvPvdx*sngControlT/sngParl+(m_sngSvPvdx-2*m_sngSvPvdx1+m_sngSvPvdx2)*sngParD/sngControlT);}[sngOutdx=sngParP*(m_sngSvPvdx-m_sngSvPvdx1+(m_sngSvPvdx-2*m_sngSvPvdx1+m_sngSvPvdx2)*sngParD/sngControlT);}m_sngSvPvdx2=m_sngSvPvdx1;m_sngSvPvdx1=m_sngSvPvdx;If(Abs(m_sngSvPvdx)<Abs(sngChangeMin))sngOutdx=0;}If(sngCtlDirection==1){sngOP=sngOP+sngOutdx;}If(Abs(m_sngSvPvdx)>=sngChangeMax&&sngChangeMax>0&&m_sngSvPvdx>{sngOP=sngOutPutMax;}If(!(Abs(m_sngSvPvdx)>=sngChangeMax&&sngChangeMax>0)){sngOP=sngOP-sngOutdx}If(Abs(m_sngSvPvdx)>=sngChangeMax&&sngChangeMax>0)If(m_sngSvPvdx<0)sngOP=sngOutPutMax;}}If(sngOP<0)ʃ}If(sngOP>100)ʃ}outputwater=sngOP/100;sngPv=sngPv+inputwater/100-outputwater;if(sngPv>100){}if(sngPv<=0){}k1=1;if(inputwater<=0))k1=0;}k2=1:if(outputwater<=0){k2=0;}第五章系统运行结果及分析STEP是西门子系列PLC的编程软件。西门子全系列PLC仿真调试软件STEP7-MicroWINV4.0:首先，仿真软件的功能就是将编写好的程序在电脑中虚拟运带仿真器之前，必须先安装编程软件STEP7-MicroWI次，安装好编程软件和仿真软件后，在桌面或者开始菜单中并没有仿真软件的图标。因为仿真软件被集成到编程软件STEP7-MicroWIN中了，其实这个仿真软件相当于编程软件的一个插件。STEP7-MicroWIN使用方便，使用时只需将软件程序安装到电脑中，运行该程序就可以进行梯形图的编写。具体方法：点击工程，选中创建新工程，就会出现图5-1所示界面。STePpSTePp1-Hiero/VIH-六层电梯区Ms)M图5-1STEP7-MicroWIN编辑画面根据原理图连接PLC电气线路，检查无误后，下载程序，运行程序，观察控制过程。将用户程序转换成“.awl”文件；仿真软件不能直接接收S7-200PLC将用户程序“.mwp”转换成扩展名为“.awl”形式的ASCⅡ文本文件，再下载到仿真软件中，方可读取并仿真。sie*Pio22区保存在4)习—(s)—(s)图5-2STEP7-MicroWIN仿真程序导出界面所有设置如图5-2所示：PLC系列选S7200,PLC类型选CPU226,程序类型选梯形图。选择完成后，点击确定，新工程创建完毕。选梯形图。选择完成后，点击确定，新工程创建完毕。程序①)查看O配置C)NCQ)显示@帮助QDH0N0HON0M0NOH0.rk3MOMOH0.MnAANNeLDA0ANTD20a照图5-3STEP7-MicroWIN仿真器界面仿真软件的硬件组态：打开仿真软件，执行“配置”→“CPU型号”菜单命用仿真软件模拟调试程序：用鼠标左键单击模块下面开关板上的小开关，可以使小开关手柄向上，闭合触电，PLC对应小灯变绿，再次将小开关手柄向下，触点化，可以了解程序执行的结果正确与否。输入触点、输出和中间继电器的触点与输出的编写方法基本类似，现以编写输入触点I0.0为例，介绍此类软元件的编写。在要编写的位置双击鼠标左键，或者点击工具栏中的相应按钮，选择相应的类型，输入名称即可。特殊地，对有内部参数的软元件编写。同样，选择好类型后，输入名称，然后空格，最后输入软元件参数即可。以定时器为例，定时器的定时时长为1s,。根据程序的要求，分别给予相应的输入信号，观察是否有预期的输出，如运行合理，则按步骤仿真，直至结束；若不满足要求，返回到梯形图编写窗口检查错误，进行修改，直至程序运行合理。2、仿真过程要和现实情况一致，不可进行跳跃式仿真，或其它仿真可以完成，实际不可完成的操作；3、仿真中会有多个输入信号输入，不可遗漏。5.2控制系统PID控制性能验证数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率法来确定调节器的相关参数，另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。本设计主要运用了以下两种参数整定方法：(一)经验法表5-1经验法整定参数系统参数T,(min)温度温度40～100压力液位(二)阻尼振荡法(衰减曲线法)图5-44:1衰减曲线法图形加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图1.1.6所示的4:1衰减过程为止。这时的比例度称为4:1衰减比例度，用δs表示之。相邻两波峰间的距离称为4:1衰减周期Ts。根据δs和Ts,运用表5-2所示的经验公式，就可计算出表5-2阻尼振荡法计算公式调节器参数调节器名称P组成。系统通过温度传感器对管道中的温度进行检测，利用检测到的温度信号对电机频率