PLC西门子S7200温度控制系统毕业设计36976Word下载.docx
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传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础技术。
中华人名国国家标准GB7665-1987对传感器（transducer/sensor）的定义是：
“能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
其中，敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分；
转换元件是指传感器中能将敏感元件或响应的被测量转换成适于传感器或被测量的电信号部分。
”
对生产过程的监控首先离不开采集设备工作信息，因此选用合适的传感器至关重要，如果把计算机看作是自动化系统的“大脑”，信道看作是“神经网络”的话，那么传感器就是自动化系统的“五官”。
无法对现场数据进行准确、可靠、实时测量，监控也就无从谈起了。
1.3.2PLC
可编程控制器的英文名称是ProgrammableLogicController，即可编程逻辑控制器，简称PLC。
现代制造业必须对市场需求做出快速反应，生产小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，这便要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高可靠性和灵活性。
可编程控制器正是顺应这一潮流而出现的，以微处理器为基础的通用工业控制装置。
在20世纪60年代的汽车制造业，传统继电接触器控制装置广泛应用于生产流水线的自动控制系统中。
这套装置设备体积庞大，可靠性差，同时维护不便，而且，完全由逻辑硬件构成，接线十分复杂。
一旦生产过程某一环节发生改变，控制装置就要重新设计改造。
随着汽车生产工业的迅猛发展，对于汽车型号频繁改进，传统控制系统捉襟见肘，弊端日益放大，最终PLC应运而生。
它开创性地引入程序控制功能，使计算机科学技术进入工业生产控制领域应用。
早期PLC仅仅是替代继电器控制装置完成顺序控制、定时等任务，但是其简单易懂、安装方便、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用的特点，使得PLC很快就得到了推广应用。
随着超大规模集成电路技术和微处理器性能的飞速发展，PLC的软、硬件功能不能丰富、完善。
国际电工委员会（IEC）对PLC的正式定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计，它采用一类可编程的存储器，用于其部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟或输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器与其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
PLC技术发展至今已十分成熟，生产PLC产品的厂家多达200多个，其中较著名有德国的西门子（Siemens）公司、美国的Rockwell自动化公司所属的A-B（Allen&
Bradly）公司、GE-Fanuc公司、法国的施耐德（Schneider）公司、日本的三菱公司和欧姆龙（OMRON）公司。
1.3.3上位机
即便远离生产现场，操作人员仍可以通过远程计算机—即上位机—直接向生产设备发出控制指令的。
上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号变化（液压，水位，温度等），便是人机界面（HumanMachineInterface）。
而下位机是获取设备状况与直接控制设备的计算机，一般是PLC或单片机。
1.3.4组态软件
组态软件，处在自动控制系统监控层一级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、通用层次的软件工具。
在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI（人机接口软件）应用，开发时间长、效率低、可靠性差；
或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。
组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。
随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。
在开发传统的工业控制软件时，一旦工业被控对象有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；
已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格昂贵。
通用工业自动化组态软件能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
2硬件设计
2.1硬件配置
2.1.1西门子S7-200CUP226
S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。
其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。
S7-200系列的基本单元如表2.1所示。
表2.1S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型号
输入点
输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6
4
S7-200CPU222
8
2个扩展模块
S7-200CPU224
24
10
7个扩展模块
S7-200CPU224XP
16
S7-200CPU226
本论文采用的是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。
2.1.2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、答应误差、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围或数量级上均不与标准化热电偶，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。
2.1.3EM235模拟量输入模块
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）。
表2-1所示为如何用DIP开关设置EM235模块。
开关1到6可选择模拟量输入围和分辨率。
所有的输入设置成一样的模拟量输入围和格式。
表2.2所示为如何选择单/双极性（开关6）、增益（开关4和5）和衰减（开关1、2和3）。
下表2.2中，ON为接通，OFF为断开。
表2.2EM235选择模拟量输入围和分辨率的开关表
单极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
ON
OFF
0到50mV
12.5μV
0到100mV
25μV
0到500mV
125uA
0到1V
250μV
0到5V
1.25mV
0到20mA
5μA
0到10V
2.5mV
根据温度检测和控制模块，我设置PID开关为010001
图2.1DIP开关
2.1.4温度检测和控制模块
由学校提供，模拟真实锅炉的温度检测和控制模块，可自行将0～10V模拟信号转化为占空比对锅炉进行加热。
输出的模拟信号也是0～10V，锅炉外接24V直流电源。
2.2I/O分配表
表2.3I/O分配表
输入
I0.0
启动按钮
I0.1
停止按钮
输出
Q0.1
启动指示灯
Q0.2
停止指示灯
Q0.3
正常运行指示灯
Q0.4
温度越上限报警指示灯
Q0.5
锅炉加热指示灯
2.3硬件接线图
图2.2硬件连接图
图2.3EM235CN连接图
3软件设计
3.1PID控制程序设计
模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。
人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。
比例控制（P）是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
其特点是具有快速反应，控制与时，但不能消除余差。
在积分控制（I）中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。
在微分控制（D）中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
微分控制具有超前作用，它能猜测误差变化的趋势。
避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。
PID控制，P、I、D各有自己的长处和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量。
3.1.1PID控制算法
图3.1闭环控制系统
如图3.1所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。
偏差e和输入量r、输出量c的关系:
（3-1）
控制器的输出为：
（3-2）
---------PID回路输出
----------比例系数P
-----------积分系数I
-----------微分系数D
PID调节的传输函数为
（3-3）
数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。
其离散化的规律如表3.1所示：
表3.1模拟与离散形式
模拟形式
离散化形式
所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为:
（3-4）
式中，
称为比例项
称为积分项
称为微分项
上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。
计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。
故可利用PLC中的PID指令实现位置式PID控制算法量。
3.1.2PID在PLC中的回路指令
西门子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，见表3.2
表3.2PID回路指令
名称
PID运算
指令格式
PID
指令表格式
PIDTBL,LOOP
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VB100，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3.3所示。
表3.3PID指令回路表
偏移地址
数据类型
说明
过程变量（PVn）
实数
必须在0.0~1.0之间
给定值（SPn）
输出值（Mn）
12
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
20
采样时间（Ti）
单位为min，必须是正数
微分时间（Td）
28
积分项前值（MX）
32
过程变量前值（PVn-1）
3.1.3回路输入输出变量的数值转换方法
本文中，设定的温度是给定值SP，需要控制的变量是炉子的温度。
但它不完全是过程变量PV，过程变量PV和PID回路输出有关。
在本文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。
传感器输入的电压信号经过EM235转换后，是一个整数值，但PID指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。
使用指令DTR就可以了。
如本设计中，是从AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。
其转换程序如下:
MOVWAIW0AC0
DTRAC0AC0
MOVRAC0VD100
3.1.4实数归一化处理
因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值0.0~1.0之间，所以，在执行PID指令之前，必须把PV和SP的值作归一化处理。
使它们的值都在0.0~1.0之间。
单极性的归一化的公式：
（3-5）
3.1.5PID参数整定
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。
目前，应用最多的还是工程整定法：
如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。
经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表3.4所示
表3.4温度控制器参数经验数据
被控变量
规律的选择
比例度
积分时间（分钟）
微分时间（分钟）
温度
滞后较大
20～60
3～10
0.5～3
根据反复的试凑，调处比较好的结果是P=15，I=2.0，D=0.5
3.2S7-200程序设计流程图
图3.2设计流程图
3.3存地址分配与PID指令回路表
3.3.1存地址分配
表3.5存地址分配
地址
VD0
实际温度存放
VD4
设定温度存放
VD30
实际温度的存放
3.3.2PID指令回路表
表3.6存地址分配
VD100
VD104
VD108
VD112
VD116
VD120
VD124
VD128
VD132
3.4S7-200程序设计梯形图
3.4.1初次上电
1）读入模拟信号，并把数值转化显示锅炉的当前电压
2）判断炉温是否在正常围，打亮正常运行指示灯/温度越上限报警指示灯
3.4.2启动/停止阶段
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，熄灭并停止指示灯初始化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，点亮停止指示灯，熄灭运行指示灯。
并把输出模拟量AQW0清零，停止锅炉继续加热。
停止调用子程序0，仍然显示锅炉温度。
停止时模拟量输出清零，防止锅炉继续升温。
调用子程序。
3.4.3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
导入DIP。
中断程序。
3.4.4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
4组态编程
4.1PLC通信配置与通信方式
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。
4.2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。
PPI不限制与任何一个从属装置进行通讯的主设备的数目，网络上最多可安装32个主设备。
图4.1PPI网络
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。
在图上部的例网络中，编程站（STEP7--Micro/WIN）是网络主设备。
在图下部的例网络中，人机界面（HMI）设备（例如TD200、TP或OP）是网络主设备。
在两个例网络中，S7--200CPU是对主设备的请求进行响应的从属装置。
图4.2单台主设备PPI网络
4.3组态软件Kingview
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求与实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据功能。
4.4组态王定义外部设备和数据变量
4.4.1外部设备的定义
组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都做为外部设备使用。
外部硬件设备在本文中就是PLCS7-200。
可使用“设备配置向导”一步步完成设备的连接。
4.4.2定义数据变量
要实现组态王对S7-200的在线控制，就必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者的数据变量。
基本类型的变量可以分为“存变量”和“I/O变量”两类。
存变量是组态王部的变量，不跟监控设备进行交换。
而I/O变量时两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200和组态王的数据交
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