基于组态的试验机温度监控系统毕业设计论文 精品.docx
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毕业设计论文
基于组态的试验机温度监控系统设计
摘要
试验机是工业装置，工业炉是依靠其它能源对工件进行加热，以达到对工件进行处理的标准。
与其他相比，其温度方便控制，炉内情况易掌握，热效率高，实现生产过程的机械化和自动化。
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。
显然，系统正常运行还需要可编程控制器进行控制，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[1]。
本文完成了基于亚控公司的组态王和西门子公司S7-200系列的可编程控制器的炉温控制系统的设计方案。
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。
编程时调用了编程软件STEP7-MicroWIN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。
实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。
关键词：
温度控制，可编程控制器，人机界面，组态王
BasedontheConfigurationoftheTesterTemperatureMonitoringSystem
Abstract
TheTestingmachineisanindustrialequipment,industrialfurnacesistorelyonotherenergyheatingtheworkpiece,theworkpieceprocessingstandards.Comparedwithotherstoves,convenienttocontrolthetemperature,thefurnaceiseasytomaster,highthermalefficiency,realizetheproductionprocessofmechanizationandautomation.
Intheindustrialfield,withtherapidincreaseinthedegreeofautomation,itismoreandmoreimportanttomonitortheprocessofcontrolsystemfortheusers.Theemergenceofhuman-machineinterfacemeetstheneedsofusers.Man-machineinterfacecancomprehensivelymonitorthecontrolsystem,includingprocessmonitoring,alarm,dataloggingandotherfunctions,sothatthecontrolsystemshavebecomeuser-friendlyoperation,theprocessofvisualizationanditwillplaymoreandmoreimportantpartinthefieldofautomaticcontrol.
ProgrammableLogicController（PLC）isakindofautomaticcontrolequipmentwhichiswidelyusedintheindustrialmanufacture.Itmergesthetraditionalcontroltechnology,computerandcommunicationtechnologieswithastrongabilitytocontrol,flexibleoperation,highreliabilityandsuitableforlong-termcharacteristicsofcontinuouswork.Itisverysuitablefortemperaturecontrolrequirements.
ThisessaymainlyintroducesconfigurationsoftwareKingviewwhichisdevelopedbyBeijingYakongCompanyandadesignoftemperaturecontrolsystemwithSIMATICprogrammablelogiccontroller（PLC）.Whenprogramming,weusethePIDcontrolarithmeticsoftwaremodulewhichiscontainedintheprogramsoftwareSTEP7-MicroWINsothattheprogramlookseasierandoperatesmorequickly.Inordertomonitorthecontrolsystemandprocessdatainactualtime,wedesignedHumanMachineInterface（HMI）withtheconfigurationsoftwareKingview.Theresultofexperimentprovesthatthistemperaturecontrolsystemcouldrunquickly,accuratelyandhavegoodstability,whichistheadvantageofthecontrolsystem.Thiscontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrialtemperaturecontrolfield.
Keywords:
TemperatureControl;PLC;HMI;Kingview
第1章绪论
1.1项目背景、意义
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，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。
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。
HMI系统必须有几项基本的能力：
实时的资料趋势显示，自动记录资料，历史资料趋势显示，报表的产生与打印，图形接口控制，警报的产生与记录[2]。
此外，在工业自动化领域内，PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、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工业自动化之中。
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。
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。
1.2温控系统的现状
自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在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发展迅速，并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果[3]。
目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能话、小型化等方面快速发展。
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。
随着我国加入WTO，我国政府及企业对此非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度仪表等工业得到迅速的发展。
第2章试验机的概述
2.1试验机类型
试验机的类型，有多种不同的分类方法，下面简单列举几个常见的分类：
1．按照传统分类方法可以分为：
金属材料试验机、非金属材料试验机、动平衡试验机、振动台和无损探伤机等五大类。
2．按加荷方法分类：
静负荷试验机（静态）和动负荷试验机（动态）。
3．按用途分类：
测定机械性能用试验机和工艺试验用试验机，包装物试验机，汽车检测仪器，力和重量、长度基准测量仪器，各种试验机附件（夹具、环境箱）。
4．按传动方式分类：
机械传动，电气传动，气压传动和液压传动等。
2.2试验机工作原理
试验机是利用电流使其内电热元件或加热介质发热，从而对工件加热。
试验机以电为热源，通过电热元件将电能转化为热能，对金属进行加热。
试验机热源和火焰比，热效率高，可达50％，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。
本论文是试验机的温度控制系统为研究对象，其中一部分为硬件设计，主要PLC硬件，温度传感器和EM231模拟量输入模块选型等。
从硬件上保证了测温精度，为提高控制精度打下了基础。
控制采用比较成熟的PID算法，并且通过PLC进行参数控制，通过组态进行实时监控。
试验机温主控系统基本构成如图2.1所示，它由监控系统组态王、PLC主控系统、固态继电器、试验机、温度传感器（热电偶）等5个部分组成。
图2.1试验机温控系统制基本组成
试验机温度控制实现过程是：
首先温度传感器将试验机的温度化为电压信号，EM231模块将传送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量，然后将系统给定温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入一个控制信号，控制固态继电器的输出端导通与否，从而使试验机开始加热或停止加热。
即试验机温度控制得到实现[4]。
2.3试验机特点及控制要求
试验机特点：
1．品种多，量小，计量仪，高科技产品（随工业发展质量要求高，范围广）。
2．除纵向外，两维、三维测试。
3．温度环境模拟，（模拟化向真实真实微度发展）。
4．系列化，动功能化，组合化
系统的主要功能要求：
试验机采用380V三相交流电供电，用热电偶作温度传感器，每个炉中共设多个检测点,以计算炉内的平均温度。
配置的温度传感器越多，平均温度的精度越好，温度范围在0~1000℃控制内。
1．实时控制、检测与显示炉内温度；
2．具有自诊断实时检测功能，检测各通道是否正常，当发生故障时进行声音和视觉报警并显示故障点。
第3章PLC控制系统硬件设计
3.1PLC控制系统设计的基本原则
1．充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。
2．在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。
3．保证控制系统安全可靠。
4．应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I／O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。
3.2PLC控制系统设计的一般步骤
设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。
然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量、系统的规模、布局。
最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置[5]。
PLC控制系统的设计步骤可参考图3.1。
图3.1PLC控制系统设计步骤
3.3PLC的选型与硬件配置
3.3.1PLC型号的选择
本项目的温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200型的PLC。
它的硬件配置灵活，既可用一个独立的S7-200CPU构成一个简单的数字量控制系统，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，组成中等规模控制系统[6]。
如图3.2所示PLC实物。
图3.2S7-200系列PLC实物图
3.3.2S7-200CPU的选择
S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU224XP等类型。
为了能调用编程软件STEP7里的PID模块，本项目选用S7-200CPU226，CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量输入输出端口。
可与7个扩展模块相连，最大连接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，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39.4kbit/s，适用于较高要求的中小型控制系统[7]。
3.3.3EM231模拟量输入模块
本项目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，输入模块将电压信号转换成数字信号再转送至PLC中进行运算。
经考虑，最终选用了西门子EM2314TC模拟量输入模块。
EM231热电偶模块有一个方便的，隔离的接口，可适用七种热电偶类型：
它也允许连接微小的模拟量信号，相同类型模块上的热电偶才能连到一起，且最好使用含有屏蔽的热电偶传感器[8]。
DIP开关将EM231模块进行组态：
热电偶类型选择SW1～SW3，SW4不使用，断线检测方向使用SW5，是否进行断线检测选择了SW6，测量单位选择了SW7，是否进行冷端补偿选择了SW8。
本系统选用K型热电偶为温度检测元件，最终DIP开关SW1～SW8组态为00100000；EM231具体技术指标见表3.1。
表3.1EM231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10mA
DIP
开关
SW10,SW20,SW31（以K型热电偶为例）
表3.2所示为使用DIP开关设置EM231模块使用方法，开关1、2和3可选择模拟量输入范围。
模拟量输入范围设置成相同的。
表中ON为导通，OFF为截止。
表3.2EM231选择模拟量输入范围的开关表
单极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
ON
OFF
ON
0到10V
2.5mv
ON
OFF
0到5V
1.25mv
0到20mv
5uA
双极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
OFF
OFF
ON
±5V
2.5mv
ON
OFF
±2.5V
1.25mv
EM231校准和配置位置图如图3.3所示
图3.3DIP配置EM231
3.3.4热电式传感器
热电式传感器是一种将温度信号转化为电压信号的装置。
其中热电偶和热电阻是最常用于测量温度的装置，热电偶是将温度信号转换为电压信号，热电阻是将温度信号转换为电阻信号。
这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛使用。
本项目中应该用传感器将温度转换成电压，且炉子的温度不能超过1000度，所以我们选择了热电偶作为传感器。
国际标准热电偶有七种类型分别是S、B、E、K、R、J、T，在本系统中，我们选择K型热电偶，其测温范围大约是0～1000℃。
炉内最高温度也到不到1000℃，其成本也比较合理[9]。
3.4I/O点分配及电气连接图
（1）该温度控制系统中输入输出点分配表如表3.3所示。
表3.3输入输出点分配表
输入触点
功能说明
输出触点
功能说明
IO.1
启动按钮
Q0.0
运行指示灯（绿）
I0.2
停止按钮
Q0.1
停止指示灯（红）
Q0.3
固态继电器
（2）系统整体设计方案
系统选用PLCCPU226为控制器，K型热电偶将检测到的实际炉温转化为电势变化，经过EM231模拟量输入模块转换成数字信号并进行PID调节，PID控制器输出控制信号，控制固态继电器输出端的导通与截止，从而控制炉体加热的通断。
PLC和组态王连接，实现了系统的实时监控。
整个硬件连接图如图3.4和3.5所示。
图3.4系统框架图
图3.5系统硬件连接图
3.5PLC控制器的设计
控制器的设计是基于模型控制设计过程中至关重要。
首先要以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案。
接下来依据所要求的性能指标选择控制器的参数值[10]。
3.5.1控制系统数学模型的建立
本温度控制控制系统结构图如图3.6所示，方框图如图3.7所示。
图3.6控制系统结构图
图3.7控制系统方框图
3.5.2PID控制及参数整定
1.PID控制器的组成
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其数学表达式为：
（3.1）
错误！
未找到引用源。
（1）比例系数KC对系统性能的影响：
比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。
Ｋc偏大，振荡次数加多，调节时间加长。
Ｋc太大时，系统会趋于不稳定。
Ｋc太小，又会使系统的动作缓慢。
Ｋc可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。
如果Ｋc的符号选择不当对象状态（pv值）就会离控制目标的状态（sv值）越来越远，如果出现这样的情况Ｋc的符号就一定要取反。
错误！
未找到引用源。
（2）积分控制Ｔi对系统性能的影响：
积分作用使系统的稳定性下降，Ｔi小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。
错误！
未找到引用源。
（3）微分控制Ｔd对系统性能的影响：
微分作用可以改善动态特性，Ｔd偏大时，超调量较大，调节时间较短。
Ｔd偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。
只有Ｔd合适，才能使超调量较小，减短调节时间。
至此温度控制系统就已经完成。
在系统运行之前，还需要进行控制器的参数整定。
我们将运用经验整定法来整定PID的参数值，下面简单说明其步骤。
经验整定法又称经验凑试法，是技术人员生产实践中在长期工作经验的显现。
事先的计算和实验都可以省略，而是依靠以往经验，先保证一组控制器参数，使系统投入运行，通过观察人为加入的干扰过渡过程曲线，根据不同的控制作用对过渡过程的各种影响来改变相应的控制参数值，进行重复试验，最终得到满意的控制质量[11]。
由于比例作用是最普遍的控制，经验整定法主要通过调整比例度的大小来完成质量指标的预定。
整定途径要遵循两条：
（1）单独运用P作用，加入人为干扰后，将过渡过程调整为4：
1的衰减振荡过程。
然后再加入I作用，先将积分时间T1选取为衰减振荡周期的一半。
同时在加入的积分作用之前，应先减少比例作用，通常把比例度增大9%-25%。
然后调整积分时间，最终到4：
1的衰减振荡程度为止。
最后加入D作用，以零为开端，逐渐增大微分时间Td，由于微分作用能强制降低振荡，在加入微分作用之前，可以把积分时间减小。
将过渡时间最短，超调量最小。
必须要通过微分时间的不断试用，
（2）通常取Td=（1/3-1/4）Ti，所以要注意积分时间Ti和Td的选取，然后反复凑试比例度，直至结果满意为止。
如果得不到要求的理想曲线，很有可能是开始时Ti和Td设置的不合适。
这时Ti和Td应重复凑试，使曲线最终达到控制目标。
表3.4控制器参数经验数据
控制
变量
规律的选择
比例度
（%）
积分时间
Ti（分钟）
微分时间
Td（分钟）
温度
对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓，
应小，Ti要长，一般需要微分
20-60
3-10
0.5-3
经过经验整定法的整定，PID控制器整定参数值设为：
比例系数=120，积分时间=3分钟，微分时间=1分钟。
第4章基于组态王的监控界面设计
随着我国工业化和信息化进程的加快，工控组态软件扮演者越来越重要的角色，为自动化控制系统监控层提供了良好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。
工业HMI也可以称作触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。
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[12]。
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。
在本项目中，我们选择了组态王来完成监控画面和西门子S7-200PLC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灵活，有较强的通信功能，支持的硬件非常丰富。
PLC可靠性高、抗干扰能力强、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。
4.1组态设备连接及变量的建立
4.1.1组态设备连接
双击组态王的快捷方式，出现组态王的工程管理器窗口，双击新建按扭，按照弹出的建立向导，填写工程名称。
然后打开刚建立的工程。
进入组态画面的设计，如图4.1所示。
图4.1新建工程
进入工程管理器后，在画面右方双击“新建”，新建画面，并设置画面属性，如图4.2所示。
图4.2新建画面
由于组态画面要与西门子S7-200PLC连接之后才能使用，所以要新建S7-200的连接[13]，具体步骤如图4.3、4.4、4.5和4.6所示。
图4.3步骤1
图4.4步骤2
图4.5步骤3
图4.6步骤4
4.1.2组态变量的建立
要实现组态王对S7-200的在线监控，就先必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者间的数据变量。
基本类型的变量可以分为“内存变量”和I/O变量两类。
内存变量是组态王内部的变量，不跟被监控的设备进行交换。
而I/O变量是两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200和组态王的数据交换是双向的[14]。
具体操作如下，打开工程浏览器，点击“数据词典”，再点击“新建”建立“设定温度”、“当前温度”、“启动”、“停止”、“Kc”、“Ti”、“Td”、“采样时间”等变量。
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。
如图4.7所示。
图4.7新建变量
图4.8为变量“当前温度”报警定义设置图，我们设置了当前温度低于100度时，报警当前温度太低。
当前温度大于700时，报警当前温度偏高。
图4.8当前温
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