参考论文基于西门子S7200PLC的温度控制系统设计毕业论文.docx
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参考论文基于西门子S7200PLC的温度控制系统设计毕业论文
基于西门子S7-200PLC的温度控制系统设计毕业论文
第一章前言
1.1课题研究背景
温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反应过程都
与温度密切相关。
在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着
极为重要的地位,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业
中,具有举足轻重的作用。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制,
所采用的加热方式,燃料,控制方案也有所不同。
例如冶金、机械、食
品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等;
燃料有煤气、天然气、油、电等[1]。
温度控制系统的工艺过程复杂多变,
具有不确定性,因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
可编程控制器(PLC)可编程控制器是一种工业控制计算机,是继承计算
机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。
它具有抗干扰能力
强,价格便宜,可靠性强,编程简单,易学易用等特点,在工业领域中
深受工程操作人员的喜欢,因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地
使用[2]。
目前在控制领域中,虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具,特别
是石油化工企业普遍采用了分散控制系统(DCS)。
但就其控制策略而言,
占统治地位的仍然是常规的PID控制。
PID结构简单、稳定性好、工作
可靠、使用中不必弄清系统的数学模型[3]。
PID的使用已经有60多年了,
有人称赞它是控制领域的常青树。
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系
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
概念出现之前,要实现某一任务,都是通过编写程序来实现的。
编写程序
不但工作量大、周期长,而且容易犯错误,不能保证工期。
组态软件的
出现,解决了这个问题。
对于过去需要几个月的工作,通过组态几天就可
以完成.组态王是国内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的,组态
王具有流程画面,过程数据记录,趋势曲线,报警窗口,生产报表等功能,
已经在多个领域被应用[4]。
1.2温度控制系统的发展状况
温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用,在工农业生产、国防、科
研以及日常生活等领域占有重要的地位。
温度控制系统是人类供热、取暖
的主要设备的驱动来源,它的出现迄今已有两百余年的历史。
期间,从
低级到高级,从简单到复杂,随着生产力的发展和对温度控制精度要求的
不断提高,温度控制系统的控制技术得到迅速发展。
当前比较流行的温
度控制系统有基于单片机的温度控制系统,基于PLC的温度控制系统,
基于工控机(IPC)的温度控制系统,集散型温度控制系统(DCS),现场
总线控制系统(FCS)等。
单片机的发展历史虽不长,但它凭着体积小,成本低,功能强大和可靠性
高等特点,已经在许多领域得到了广泛的应用。
单片机已经由开始的4位
机发展到32位机,其性能进一步得到改善[5]。
基于单片机的温度控制系统运行稳定,工作精度高。
但相对其他温度系统而言,单片机响应速度慢、
中断源少,不利于在复杂的,高要求的系统中使用。
PLC是一种数字控制专用电子计算机,它使用了可编程序存储器储存指
令,执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过模拟和数字
输入、输出等组件,控制各种机械或工作程序。
PLC可靠性高、抗干扰
能力强、编程简单,易于被工程人员掌握和使用,目前在工业领域上被广
泛应用[6]。
相对于IPC,DCS,FSC等系统而言,PLC是具有成本上的
优势。
因此,PLC占领着很大的市场份额,其前景也很有前途。
工控机(IPC)即工业用个人计算机。
IPC的性能可靠、软件丰富、价格
低廉,应用日趋广泛。
它能够适应多种工业恶劣环境,抗振动、抗高温、
防灰尘,防电磁辐射。
过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控,一
般较难达到满意的结果,原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的
复杂系统。
影响燃烧的因素十分复杂,较正确的数学模型不易建立,以
经典的PID为基础的常规仪表控制,已很难达到最佳状态。
而计算机提供
了诸如数字滤波,积分分离PID,选择性PID。
参数自整定等各种灵活算
法,以及“模糊判断”功能,是常规仪表和人力难以实现或无法实现的
[7]。
在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的
监控品质,提高了平均热效率[7]。
但如果单独采用工控机作为控制系统,
又有易干扰和可靠性差的缺点。
集散型温度控制系统(DCS)是一种功能上分散,管理上集中上集中的新
型控制系统。
与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。
DCS
的关键是通信。
也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。
由于它
的任务是为系统所有部件之间提供通信网络,因此,数据公路自身的设计
就决定了总体的灵活性和安全性。
基本DCS的温度控制系统提供了生产
的自动化水平和管理水平,能减少操作人员的劳动强度,有助于提高系统
的效率[8]。
但DCS在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都
为冗余结构,支持无扰切换和带电插拔,由于设计上的高要求,导致DCS
成本太高。
现场总线控制系统(FCS)综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制
技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。
其优势在于网络化、
分散化控制。
基于总线控制系统(FCS)的温度控制系统具有高精度,
高智能,便于管理等特点,FCS系统由于信息处理现场化,能直接执行传
感、控制、报警和计算功能。
而且它可以对现场装置(含变送器、执行器
等)进行远程诊断、维护和组态,这是其他系统无法达到的[9]。
但是,FCS
还没有完全成熟,它才刚刚进入实用化的现阶段,另一方面,另一方面,
目前现场总线的国际标准共有12种之多,这给FSC的广泛应用添加了很
大的阻力。
各种温度系统都有自己的优缺点,用户需要根据实际需要选择系统配置,
当然,在实际运用中,为了达到更好的控制系统,可以采取多个系统的集
成,做到互补长短。
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
比有着较大差距。
成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为
主。
它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。
而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表,国内技术还
不十分成熟,形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面,国外已有较多
的成熟产品。
但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后,还没有开发
出性能可靠的自整定软件。
控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。
国
外温度控制系统发展迅速,并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得
成果。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先,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,并在各行业广泛应用。
目前,国外温
度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展[10]。
1.3本文的研究内容
本论文主要是利用PLCS7-200采用PID控制技术做一个温度控制系统,
要求稳定误差不超过正负1℃,并且用组态软件实现在线监控。
具体有以
下几方面的内容:
第一章,对PLC系统应用的背景进行了阐述,并介绍当前温度控制系统的
发展状况。
第二章,简单概述了PLC的基本概念以及组成。
第三章,介绍了控制系统设计所采用的硬件连接、使用方法以及编程软件
的简单介绍。
第四章,介绍了本论文中用到的一些算法技巧和思想,包括PWM、PID
控制、PID在PLC中的使用方法以及PID的参数整定方法。
第五章,介绍了设计程序的设计思想和程序,包括助记符语言表和梯形图。
第六章,介绍了组态画面的设计方法。
第七章,进行系统设计,检验控制系统控制质量。
第八章,对全文进行总结。
第二章可编程控制器的概述
2.1可编程控制器的产生
可编程控制器是一种工业控制计算机,英文全称:
Programmable
Controller,为了和个人计算机(PC)区分,一般称其为PLC。
可编程控制
器(PLC)是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装
置。
其性能优越,已被广泛地应用于工业控制的各个领域。
20世纪60年代,计算机技术开始应用于工业控制领域,但由于价格高、
输入输出电路不匹配、编程难度大,未能在工业领域中获得推广。
1968年,美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控
制器的要求,并从用户角度提出新一代控制器应具备十大条件,立即引起
了开发热潮。
1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可
编程序控制器,并应用于通用汽车公司的生产线上。
可编程控制器自问世以来,发展极为迅速。
1971年日本开始生产可编程控
制器,而欧洲是1973开始的。
如今,世界各国的一些著名的电气工厂几
乎都在生产可编程控制器[11]。
可编程控制器从诞生到现在经历了四次更
新换代,见表1-1。
表1-1可编程控制器功能表
代次器件功能
第一代1位处理器逻辑控制功能第二代8位处理器及存储器产品系列化
第三代高性能8位微处理器及位片式微处理器处理速度提高,向多
功能及联网通信发展
第四代16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器逻辑、运动、
数据处理、联网功能的多功能
2.2可编程控制器的基本组成
PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。
整体式PLC一般由
CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源组成。
模块式PLC一般由CPU
模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。
本论文实物采
用的是模块式的PLC,不管哪种PLC,都是属于总线式的开发结构,其构
成如图2-1所示[12]。
1)CPU(中央处理器)
和一般的微机一样,CPU是微机PLC的核心,主要由运算器、控制器、
寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。
CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能,如整个系统的控制规模、工
作速度和内存容量。
CPU控制着PLC工作,通过读取、解释指令,指导PLC有条不紊的工作。
2)存储器
存储器(内存)主要用语存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成部
分。
PLC中的存储器一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。
系统程序一般由厂家编写的,用户不能修改;而用户程序是随PLC的控
制对象而定的,由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。
3)输入输出模块
输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。
PLC提供了各种工
作电平、连接形式和驱动能力的I/O模块,有各种功能的I/O模块供拥护
选用。
按I/O点数确定模块的规格和数量,I/O模块可多可少,但其最大
数受PLC所能管理的配置能力,即底版的限制。
PLC还提供了各种各样的特殊的I/O模块,如热电阻、热电偶、高速计算
器、位置控制、以太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打
印机等专用型或智能型模块,用以满足各种特殊功能的控制要求。
智能
接口模块是一独立的计算机系统,它有自己的CPU、系统程序、存储器及
与PLC系统总线相连接的接口。
4)编程装置
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器,并利用编
程器检查、修改和调试用户程序,监视用户程序的执行过程,显示PLC状
态、内部器件及系统的参数等。
常见的编程器有简易手持编程器、智能
图形编程器和基于PC的专用编程软件。
目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件,当个人计算机安装了PLC编程支持软件
后,可用作图形编程器,进行用户程序的编辑、修改,并通过个人计算机
和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。
5)电源
PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流
电,是整个PLC的能源供给中心。
PLC大都采用高质量的工作稳定性好、
抗干扰能力强的开关稳压电源,许多PLC电源还可向外部提供直流24V
稳压电源,用于向输入接口上的接入电气元件供电,从而简化外围配置。
第三章硬件配置和软件环境
3.1实验配置
3.1.1西门子S7-200
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、文本显示
器等。
本论文采用的是CUP224。
它具有24个输入点和16个输出点。
S7-200系列的基本单元如表3-1所示[13]。
3.1.2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、允许误差、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。
本论文才用的
是K型热电阻[14]。
3.1.3EM231模拟量输入模块
传感器检测到温度转换成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热电偶模块提供一个方便的,隔离的接口,用于七种热电偶类型:
J、K、E、N、S、T和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
模块下部的组态DIP开关进行以上选择,如图3-2所示。
本设计采用的
是K型热电偶,结合其他的需要,我们设置DIP开关为00100000。
对于EM2314TC模块,SW1~SW3用于选择热电偶类型,见表3-3。
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用于选择测量单位,SW8用于选择是否进行冷端补偿,见
表3-4[15]。
为了使DIP开关设置起作用,用户需要给PLC的电源断电再通电。
3.2STEP7Micro/WIN32软件介绍
STEP7-MWIN32编程软件是基于Windows的应用软件,是西门子公司
专门为SIMTICS7-200系列PLC设计开发的。
该软件功能强大,界面友
好,并有方便的联机功能。
用户可以利用该软件开发程序,也可以实现监
控用户程序的执行状态,该软件是SIMATICS7-200拥护不可缺少的开
发工具
3.2.1安装STEP7-MWIN32V4.0
在开始安装的时候是选择语言界面,对于版本4.0来说,这时候没有选择
中文的,但可以先选择其他语言,见图3-5。
等软件安装好之后再进行语
言的切换。
在安装的最后,会出现一个界面,按照硬件的配置,我们需要用232
通信电缆,采用PPI的通信方式,所以要选择PPI/PCCable(PPI),这个
时候在弹出来的窗口中选择端口地址,通信模式,一般选择默认就可以
了,见图3-6。
如果想改变编程界面的语言,可在软件的主界面的工具栏中选择tools目
录下选择option选项,在出现的界面中选择general,然后在右下角就可以
选择中文了。
见图3-7所示。
3.2.2系统参数设置
系统块用来设置S7-200CPU的系统选项和参数等。
系统块更改后需要下
载到CPU中,新的设置才能生效。
系统块的设置如下,需要注意的是,
PLC的地址默认是2,但本设计中需要用到的地址是1,如图3-8。
通信
端口的设置,同样的,我们用到的地址是1,如图3-9所示。
图3-9通信端口设置
第四章控制算法描述
4.1PWM技术
脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一
种非常有效的技术,广泛应用在测量、通信、功率控制与变换的许多领域
中。
PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器
的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的,因为在给定的任何时刻,满幅值的直流供电要
么完全有(ON),要么完全无(OFF)[16]。
本论文中采样周期和加热周期都是10秒。
采样后,根据温差的大小进行
PID调节,转化得到一个加热时间(0-10秒)作为下一个加热周期的加热
时间。
例如温差大,加热时间就大,温差小,那么加热时间就小。
程序
采用的是粗调和微控两段式控制方式。
在粗控调阶段,占空比恒为一。
在
微控制阶段,占空比就根据温差不停地变化。
4.2PID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,控制及时,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,它能预测误差变化的趋势。
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各有自己的优点和缺点,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[17]。
4.2.1PID控制算法
如图4-1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:
(4.2)
控制器的输出为:
(4.3)
上式中,——PID回路的输出;
——比例系数P;
——积分系数I;
——微分系数D;
PID调节器的传输函数为:
(4.4)
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4-5所示:
表4-5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:
式4.8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[17]。
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[18]。
4.2.2PID在PLC中的回路指令
现在很多PLC已经具备了PID功能,STEP7Micro/WIN就是其中之一有
的是专用模块,有些是指令形式。
西门子S7-200系列PLC中使用的是
PID回路指令。
见表4-7。
表4-7PID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4-8所示。
表4-8PID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
12增益(Kc)实数比例常数,可正可负
16采样时间(Ts)实数单位为s,必须是正数
20采样时间(Ti)实数单位为min,必须是正数
24微分时间(Td)实数单位为min,必须是正数
28积分项前值(MX)实数必须在0.0~1.0之间
32过程变量前值(PVn-1)实数必须在0.0~1.0之间
1)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。
温度输入变量的数10倍据转化。
传感器输入的电压信号经过EM231
转换后,是一个整数值,他的值大小是实际温度的把A/D模拟量单元输出
的整数值的10倍。
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:
MOVWAIW0,AC1
DTRAC1,AC1
MOVRAC1,VD100
2)实数的归一化处理
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。
归一化的公式如4.9:
(4.9)
式中,——标准化的实数值;
——未标准化的实数值;
——补偿值或偏置,单极性为0.0,双极性为0.5;
——值域大小,为最大允许值减去最小允许值,单极性为32000.双
极性为6400。
本文中采用的是单极性,故转换公式为:
(4.10)
因为温度经过检测和转换后,得到的值是实际温度的10倍,所以为了SP
值和PV值在同一个数量值,我们输入SP值的时候应该是填写一个是实
际温度10倍的数,即想要设定目标控制温度为100℃时,需要输入一个
1000。
另外一种实现方法就是,在归一化的时候,值域大小可以缩小10
倍,那么,填写目标温度的时候就可以把实际值直接写进去[19]。
3)回路输出变量的数据转换
本设计中,利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。
回路的输
出值是在0.0~1.0之间,是一个标准化了的实数,在输出变量传送给D/A
模拟量单元之前,必须把回路输出变量转换成相应的整数。
这一过程是实
数值标准化过程。
(4.11)