基于PLC的温度控制系统的设计.doc
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1引言
1.1设计目的
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。
1.2设计内容
主要是利用PLCS7-200作为可编程控制器，系统采用PID控制算法，手动整定或自整定PID参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为为一定值，并能实现手动启动和停止，运行指示灯监控实时控制系统的运行，实时显示当前温度值。
1.3设计目标
通过对温度控制的设计，提高在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养在完成工程项目中所应具备的基本素质和要求。
培养团队精神，科学的、实事求是的工作方法，提高查阅资料、语言表达和理论联系实际的技能。
2系统总体方案设计
2.1系统硬件配置及组成原理
2.1.1PLC型号的选择
本温度控制系统采用德国西门子S7-200PLC。
S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
2.1.2PLCCPU的选择
S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。
。
S7-200PLC硬件系统的组成采用整体式加积木式，即主机中包括定数量的I/O端口，同时还可以扩展各种功能模块。
S7-200PLC由基本单元（S7-200CPU模块）、扩展单元、个人计算机（PC）或编程器，STEP7-Micro/WIN编程软件及通信电缆等组成。
表2.1S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型号
输入点
输出点
扩展模块数量
S7-200CPU221
6
4
0
S7-200CPU222
8
6
2
S7-200CPU224
24
10
7
S7-200CPU224XP
24
16
7
S7-200CPU226
24
16
7
本设计采用的是CUP226。
它具有24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
26K字节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。
2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
CPU226模块的I/O配置及四肢分配
主机
模块0
模块1
模块2
模块3
CPU226
8IN
4IN/4OUT
4AI/1AQ
4AI/1AQ
I0.0-I2.7/
Q0.0-Q1,.7
I3.0-I3.7
I4.0/Q2.0
AIW0/AQW0
AIW8/AQW4
I4.1/Q2.1
AIW2
AIW10
I4.2/Q2.3
AIW4
AIW12
I4.3/Q2.3
AIW6
AIW14
2.1.3EM235模拟量输入/输出模块
在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成4-20mA的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。
在这里我们选择西门子的EM235模拟量输入/输出模块。
EM235模块具有4路模拟量输入/一路模拟量的输出。
它允许S7-200连接微小的模拟量信号，±80mV范围。
用户必须用DIP开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向：
SW1～SW3用于选择热电偶的类型，SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量方向，SW8用于选择是否进行冷端补偿。
所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。
2.1.4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、应答误差、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标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
本论文采用的是K型热电阻。
2.1.5可控硅加热装置
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0～10mA作为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0～10mA或4～20mA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。
2.1.6系统组成原理图
2.2系统变量定义及分配表
2.2.1符号表
序号
符号
地址
注释
1
特殊标志位存储器1
SM0.0
CPU运行时，该位始终为1
2
特殊标志位存储器2
SM0.1
首次扫描时该位为1
3
双字变量存储器1
VD104
将实数0.4送入VD104
4
双字变量存储器2
VD112
将实数0.15送入VD104
5
双字变量存储器3
VD116
将实数0.1送入VD104
6
双字变量存储器4
VD120
将实数30.0送入VD104
7
双字变量存储器5
VD124
将实数0.0送入VD104
8
特殊标志位内存字节
SMB34
设置中断控制字节（SMB34}=100
9
中断连接指令
ATCH
建立中断事件EVNT和程序INT
10
中断允许指令
ENI
条件成立时，允许所有中断事件
11
整数到双整数转换指令
I_DI
模拟量输入映像寄存器AIW0的值送入累加器AC0
12
双整数到实数转换指令
DI_R
累加器AC0中的值转换后存入累加器AC0
13
实数除法运算指令
DIV_R
累加器AC0中的值除以32000后再送入AC0
14
回路指令
PID
根据TBL中的输入VB108和配置信息对LOOP执行PID循环
15
实数乘法指令
MUL_R
双字变量存储器VD108中的内容与32000相乘结果送入累加器AC0
16
实数到双整数转换指令
ROUND
累加器AC0中的值转换后存入累加器AC0
17
双整数到整数转换指令
DI_I
累加器AC0中的值转换后存入累加器AC0
2.2.2I/O分配表
输入信号
输出信号
名称
地址
名称
地址
脉冲输入
I0.1
启动按钮
停止按钮
启动指示灯
Q0.1
停止指示灯
Q0.2
正常运行指示灯
Q0.3
温度越上限报警指示灯
Q0.4
加热指示灯
Q0.5
2.3系统接线图设计
3控制系统设计
3.1控制程序流程图设计
3.1.1主程序
运行PLC
初始化运行指示
SM0.1始终为1
调用子程序0
3.1.2子程序
设定温度值
导入PID设定参数值
每100ms调用一次中断程序
中断返回
3.1.3中断程序
读入温度并转换
把实际温度放入VD100
调用PID命令
物体的温度上升？
N
Y
停止加热继续加热
输出PID值
3.2控制程序时序图设计
3.3控制程序设计思路
3.3.1初次上电
3.3.2子程序
1）输入设定温度。
2）把设定温度、P值、I值、D值都导入PID
3）每100ms中断一次子程序进行PID运算。
3.3.3中断程序，PID的计算
1）模拟信号的采样处理，归一化导入PID。
2）DIP程序运算。
3）输出DIP运算结果，逆转换为模拟信号。
3.4创新设计内容
4上位监控系统设计
4.1PLC与上位监控软件通讯
4.1.1串行数据传送和并行数据传送
1）并行数据传送：
并行数据传送时所有数据位是同时进行的，以字或字节为单位传送。
并行传输速度快，但通信线路多、成本高，适合近距离数据高速传送。
2）串行数据传送：
串行数据传送时所有数据是按位（bit）进行的。
串行通信仅需要一对数据线就可以。
在长距离数据传送中较为合适。
PLC网络传送数据的方式绝大多数为串行方式，而计算机或PLC内部数据处理、存储都是并行的。
若要串行发送、接收数据，则要进行相应的串行、并行数据转换，即在数据发送前，要把并行数据先转换成串行数据；而在数据接收后，要把串行数据转换成并行数据后再处理。
4.1.2异步方式与同步方式
根据串行通信数据传输方式的不同可以分为异步方式和同步方式。
1）异步方式：
又称起止方式。
它在发送字符时，要先发送起始位，然后才是字符本身，最后是停止位。
字符之后还可以加入奇偶校验位。
异步传送较为简单，但要增加传送位，将影响传输速率。
异步传送是靠起始位和波特率来保持同步的。
2）同步方式：
同步方式要在传送数据的同时，也传递时钟同步信号，并始终按照给定的时刻采集数据。
同步方式传递数据虽提高了数据的传输速率，但对通信系统要求较高。
PLC网络多采用异步方式传送数据。
4.1.3网络的通讯PPI协议
PPI是一种主从设备协议：
主设备给从属装置发送请求，从属装置进行响应。
从属装置不发出讯息，而是一直等到主设备发送请求或轮询时才作出响应。
主设备与从属装置的通讯将通过按PPI协议进行管理的共享连接来进行。
图4—1
如果在用户程序中激活PPI主设备模式，则S7--200CPU在处于RUN（运行）模式时可用作主设备。
激活PPI主设备模式之后，可使用“网络读取”或“网络写入”指令从其它S7--200读取数据或将数据写入其它S7--200。
当S7--200用作PPI主设备时，它将仍然作为从属装置对来自其他主设备的请求进行响应。
对于简单的单台主设备网络，编程站和S7--200CPU既可以通过PPI多台主设备电缆连接，也可以通过安装在编程站中的通讯处理器（CP）卡连接。
在图上部的范例网络中，编程站（STEP7--Micro/WIN）是网络主设备。
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