S7-200 PLC程序MCGS组态基于MCGS的温度控制系统加热控制系统设计

PAGE4PAGE\*Arabic4 PAGE\*Arabic4基于MCGS的温度控制系统姓名：XXXX班级：XXX学号：XXXXXXX实验日期：2018年6月

目录第1章前言 11.1课题背景及研究目的和意义 11.2国内外研究现状 1第2章总体设计 32.1控制要求 32.2设计方案 3第3章硬件设计 43.1硬件选择 43.1.1PLC选择 43.1.2温度传感器选择 43.1.3温度变送器选择 43.1.4固态继电器选择 53.2主电路设计 53.3电源电路设计 63.4PLC输入和输出分配 73.5PLC输入和输出接线图 83.6仪表间接线 8第4章软件设计 104.1控制程序流程图 104.2PLC内部使用地址 114.3梯形图程序 11第5章组态设计 185.1通信设定 185.2组态变量的建立 205.3建立画面 205.4循环脚本 235.5运行 25结束语 30参考文献 31附录 32附录1电路图汇总 32附录2梯形图汇总 33第1章前言1.1课题背景及研究目的和意义电热锅炉的应用领域相当广泛，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅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度。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领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。[4]电热锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。加上目前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。主要是控制水的温度，保证恒温供水。

PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期ts、比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。[5]1.2国内外研究现状自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，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，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点：1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。2）能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3）能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。5）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内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仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。

第2章总体设计2.1控制要求熟悉控制系统的工艺流程；控制系统各环节仪表的配置，选型及参数的确定，包括检测元件，变送器，调节器，执行器，显示仪表等部分；给出设计方案，画出仪表间配接图，完成组态画面和PLC程序设计设计总结及改进意见。2.2设计方案控制系统方框图如图2-1所示。上位机上位机模拟量输入扩展模块固态继电器加热对象PLCTT1温度传感+变送器加热器图2-1控制系统方框图以PLC为控制核心，上位机通过通讯方式跟PLC进行数据交换，设定PLC参数，进行监控，曲线，报警等显示。温度传感器加变送器将温度信号转成电信号给PLC的模拟量输入模块，得到0到32000的数字量信号，经PLC处理得到实际温度，跟设定的温度进行比较，经PLC内部的PID运算，输出脉冲信号，经固态继电器（调功器），控制加热器，控制温度稳定。

第3章硬件设计3.1硬件选择3.1.1PLC选择经分析系统共使用了4路数字量输入，5路数字量输出，1路模拟量输入，没有使用模拟量输出，系统为小型自动化应用。西门子的S7-200PLC是高性能的小型PLC，性价比高，使用普及，编程方便，接线简单，根据使用需要有多种规格可以选择，因此选择西门子的S7-200PLC。其中的CPU221含6路输入，4路输出，不能扩展；CPU222含8路输入，6路输出，可扩展2路扩展模块；CPU224含14路输入，10路输出，可扩展7路扩展模块；CPU226含24路输入，16路输出，可扩展7路扩展模块。因此综合价格等因素，本次选择一个CPU222可以满足数字量输入和输出的使用需要，外加一个EM231，含4路模拟量输入，可以满足本次控制要求。3.1.2温度传感器选择热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100℃，所以选择Pt100铂热电阻传感器。P100铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，其阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长[3]。3.1.3温度变送器选择 温度传感器选择PT100，变送器选择JZJ-5005，测试温度范围0到200度，工作电压DC24V，输出信号0-10V，PT100为二线制，外形尺寸直径44mm*19mm；安装孔间距33mm。外形如图3-1所示图3-1温度变送器3.1.4固态继电器选择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。3.2主电路设计主电路图如图3-1所示。外部交流3相380V电源经L1，L2，L3，N供设备使用。QF1是总断路器，起到通断整台设备电源作用，FU1是总熔断器，起到短路过流保护作用。R1是加热器，用于执行加热。QF2是加热器回路断路器，起到通断加热器回路电源作用。FR1是加热器过热保护继电器，用于保护加热器，防止加热器长时间过载运行，烧毁加热器。A1是三相固态继电器（可控硅调功器），用于控制加热器进行加热。PLC输出的Q0.0接固态继电器的控制端+和接到控制端-的0V构成回路，控制固态继电器开度，控制加热器。图3-2主电路图3.3电源电路设计电源电路如图3-3所示。QF3是电源电路断路器，FU2是电源回路熔断器，A2是直流开关电源，将交流220V变成24V直流电，供PLC输入和输出使用，为PLC的EM231扩展模块，和温度变送器提供24V直流电源。220V交流电经QF3，FU2，为PLC提供220V工作电源。图3-3电源电路3.4PLC输入和输出分配PLC输入和输出分配见表3-1,3-2,3-3所示。表3-1数字量输入符号表名称内部地址外部编号启动I0.0SB1停止I0.1SB2急停I0.2SB3加热器过载I0.3FR1表3-2数字量输出符号表名称内部地址外部编号加热固态继电器控制Q0.0自动运行指示Q0.1HL1故障指示灯Q0.2HL2温度高指示Q0.3HL3温度低指示Q0.4HL4表3-3模拟量量输入符号表名称内部地址外部编号温度检测AIW0TT13.5PLC输入和输出接线图PLC输入和输出接线图见图3-4所示。220V交流电接PLC的L,N为PLC提供220V工作电源。24V直流电接PLC输入的COM和PLC输入公共端，为PLC输入提供24V直流电源。24V直流电接PLC输出的1L，2L和PLC输出公共端，为PLC输出提供24V直流电源。24V直流电接模拟量输入模块EM231的L+和M为EM231提供直流电源。24V直流电接温度变送器的+和-为温度变送器提供24V直流电源。图3-4PLC输入和输出接线图3.6仪表间接线 仪表间接线见图3-5所示。XT3是控制柜接线端子，24V直流电源接接+和-，OUT和-接EM231的模拟量输入通道1。 TT1是温度变送器，T1是二线温度传感器，T1二线接接变送器的a,b。图3-5仪表间接线

第4章软件设计4.1控制程序流程图控制程序流程图如图4-1所示。是是加热器故障？否急停？否启动？是停止，显示故障否是停止，显示故障等待自动运行是开机初始化，设定模块参数，设定PID参数模拟量数据读取数据转换PID参数读取是温度<下限温度？是温度>上限温度?加热PID输出温度高报警否是温度低报警否图4-1控制程序流程图开机初始化，使用SM0.1特殊标志，运行一个扫描周期，进行参数设定，设定温度测量范围，设定温度高报警温度，温度低报警温度，控制温度。设定PID参数。读取温度，进行温度工程单位转换。有急停停止系统，进行故障显示。有加热器过载，停止系统，进行故障显示。按启动按钮启动系统，按停止按钮停止系统。系统运行，比较检测温度和设定上限温度，温度大于设定上限温度，延迟一定时间，进行温度高报警显示。比较检测温度和设定下限温度，温度小于设定下限温度，延迟一定时间，进行温度低报警显示。比较温度，在设定的下限和上限温度范围，进行PID运算，PID输出，控制固态继电器，控制加热器。4.2PLC内部使用地址为了编程和阅读方便，定义了部分PLC内部使用地址，如表4-1所示表4-1PLC内部使用地址名称PLC地址备注上位机启动M0.0上位机停止M0.1上位机急停M0.2PID加热输出M1.0启动条件M1.1温度高延时T37温度低延时T38温度VD0温度测量范围上限设定VD100预设100度温度测量范围下限设定VD104预设0度加热温度设定VD108预设60度温度高报警设定VD112预设80度温度低报警设定VD116预设10度4.3梯形图程序ORGANIZATION_BLOCK主程序:OB1TITLE=BEGINNetwork1//开机初始化设定温度测量范围Network2//开机初始化设定参数，设定控制温度，设定温度高报警温度，设定温度低报警温度Network3//开机初始化,PID设定参数Network4//启动条件Network5//自动运行指示Network6//故障指示灯Network7//加热PID控制Network8//加热固态继电器控制:Q0.0Network9//温度读取，读取的温度AIW0转成浮点数，除以10得到温度实际值Network10//温度高指示Network11//温度低指示

第5章组态设计5.1通信设定打开MCGS编辑软件，打开设备窗口，如下图所示。图5-1打开设备窗口双击设备窗口，打开MCGS组态环境，设备组态，设备窗口。从设备工具箱中的设备管理添加同样串口父设备0，添加设备0，西门子S7_200PPI图5-2添加父设备和设备0双击串口父设备，打开通用串口设备属性编辑画面，进行串口设定。图5-3串口设定双击设备0，西门子S7-200PPI，进行通信设定，设定地址为2图5-4设定PLC通信参数5.2组态变量的建立建立实时数据库。图5-5实时数据库5.3建立画面根据工艺和控制要求建立主监控画面，温度传感器，温度显示，温度设定，PID控件，连接变量，组态动画，做出的监控主画面如图5-6图5-6主监控画面建立实时曲线画面图5-7实时曲线画面建立历史曲线画面图5-8历史曲线画面建立报警画面，顶部建立报警测试按钮，用于测试报警图5-9报警画面建立参数设定画面图5-10参数设定画面5.4循环脚本为了单独使用MCGS进行动画仿真，点监控画面空白处，右键，属性，打开循环脚本，将循环时间改为100，编写循环命令，图5-11循环脚本详细的命令见下：if启动=1thenif温度显示<温度SVthen加热器=1else加热器=0endifif急停开关=1then启动=0if上位急停=1then启动=0if加热器故障=1then启动=0if(温度显示<温度SV)then温度显示=(温度显示)+((温度OP)/1000)if(温度显示>温度SV)thenif温度OP>0then温度显示=(温度显示)-((温度OP)/1000)elseif温度OP=0then温度显示=(温度显示)-((10)/1000)endifendifelse加热器=0endifif(温度显示>=温度上限)then温度高报警=1if(温度显示<温度上限)then温度高报警=0if(温度显示<温度下限)then温度低报警=1if(温度显示>温度下限)then温度低报警=05.5运行设定主控属性，打开主控窗口属性设置，启动属性，自动运行窗口里添加窗口0图5-12主控窗口属性设置在文件菜单，点进入运行环境，启动运行图5-13进入运行画面进入系统后初始