基于WinCC和S7200的温度测控系统.docx
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基于WinCC和S7200的温度测控系统
基于WinCC和S7-200的温度测控系统
目录
1设计任务书1
2温度控制对象概述2
2.1功能特点与技术参数2
2.2控制手段3
3方案设计4
3.1现场总线概述4
3.2WinCC+S7-200温度控制系统的硬件组成5
3.3WinCC+S7-200温度控制系统的软件配置7
3.4WinCC+S7-200温度控制系统的网络结构8
3.5温度控制算法9
4S7-200PLC控制程序的设计11
4.1控制程序的组成12
4.2温度采集程序设计12
4.3数字滤波程序设计13
4.4PID控制程序设计14
5WinCC组态17
5.1变量组态17
5.2画面组态18
5.3变量连接19
6程序调试21
6.1PLC程序调试方法与结果21
6.2WinCC组态调试方法与结果21
7PID参数的整定22
7.1整定方法22
7.2整定结果及分析22
8技术小结23
参考文献24
附录1：
S7-200控制程序清单25
1设计任务书
设计题目：
基于WinCC和S7-200的温度测控系统
学生姓名
课程名称
现场总线测控系统设计
专业班级
地点
起止时间
设计内容及要求
使用WinCC和S7-200PLC系统设计一套加热炉温度控制系统。
内容及要求如下：
1.接线图设计：
S7-200和加热炉控制对象之间的接线图设计。
2.程序设计
（1）PLC控制程序设计
包括温度采集程序，标度换算、数字滤波程序、PID控制程序、D/A输出程序设计等内容。
（2）WinCC组态设计
包括通信连接、变量组态、画面组态（温度控制回路相关参数的显示画面，温度趋势的显示画面，参数修改画面），变量连接等内容。
3.温度PID控制参数的整定
整定PID参数，分析不同PID对温度控制精度的影响。
设计
参数
技术指标：
1.温度采集精度：
0.5%
2.温度控制精度：
1%
进度
要求
第1天：
选题、讲解任务、S7-200基本应用；第2天：
温度控制回路接线图设计、S7-200编程；第3天：
数据采集程序、换算程序、数字滤波程序、输出程序设计与调试；第4天：
PID程序设计与调试；第5天：
WinCC基本应用培训与训练；第6-7天：
WinCC温度控制变量组态、画面设计、通信连接等；第8-9天：
温度控制系统WinCC与PLC联调；第10天：
撰写设计报告和检查设计结果
参考资料
1.廖常初.S7-200/400PLC应用技术（第2版）[M].机械工业出版社.2008
2.西门子自动化与驱动集团.深入浅出西门子WinCCV6[M].北京航空航天大学出版社,2005.9
其它
说明
１.本表应在每次实施前一周由负责教师填写二份，院系审批后交院系办备案，一份由负责教师留用。
２.若填写内容较多可另纸附后。
3.一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。
教研室主任：
指导教师：
2010年11月26日
2温度控制对象概述
温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。
2.1功能特点与技术参数
S7—200系列CPU224部分编程元件的编号范围与功能说明如下表所示:
表2.1CPU224部分编程元件的编号范围与功能特点
元件名称
符号
编号范围
功能说明
输入寄存器
I
I0.0～I1.5共14点
接受外部输入设备的信号
输出寄存器
Q
Q0.0～Q1.1共10点
输出程序执行结果并驱动外部设备
位存储器
M
M0.0～M31.7
在程序内部使用，不能提供外部输出
定时器
256（T0～Ｔ255）
T0,T64
保持型通电延时1ms
T1～T4,T65～T68
保持型通电延时10ms
T5～T31，T69～T95
保持型通电延时100ms
T32，T96
ON/OFF延时，1ms
T33～T36，T9～T100
ON/OFF延时，10ms
T37～T63，T101～T255
ON/OFF延时，100ms
计数器
C
C0～C255
加法计数器，触点在程序内部使用
高速计数器
HC
HC0～HC5
用来累计比CPU扫描速率更快的事件
顺控继电器
S
S0.0～S31.7
提供控制程序的逻辑分段
变量存储器
V
VB0.0～VB5119.7
数据处理用的数值存储元件
局部存储器
L
LB0.0～LB63.7
使用临时的寄存器，作为暂时存储器
特殊存储器
SM
SM0.0～SM549.7
CPU与用户之间交换信息
特殊存储器
SM（只读）
SM0.0～SM29.7
接受外部信号
累加寄存器
AC
AC0～AC3
用来存放计算的中间值
温度控制对象所要求的技术参数有如下所述：
①控温精度高:
±1℃、操作简单方便
②全量程万能输入、适合各种温度传感器
③输出电压、电流显示、直观方便
④可进行单点控温或50段可编程曲线控温
⑤内置报警蜂鸣器、超温时自动鸣响
⑥可选配WIN-CT温度控制系统专用软件
⑦通讯功能强大、轻松实现远程控制
2.2控制手段
温度是由PID控制器中的闭环控制器的反馈值通过温度传感器测得，并经A/D变换转换为数字量；目标设定值与温度传感器的反馈信号相减，其差送入PID控制器，经比例、积分、微分运算，得到叠加的一个数字量；该数字量经过上限、下限限位处理后进行D/A变换，输出一个电压信号去控制固态继电器，以控制加热炉的温度。
它的控制技术参数指标为：
①温度采集精度：
0.5%
②温度控制精度：
1%
3方案设计
3.1现场总线概述
现场总线就是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。
按传输速率，现场总线可分为低速（传输速率31.25kbit/s）和高速（传输速率1Mbit/s和2.5Mbit/s）两类；按是否可使用于本安场所，现场总线可分为本安型和非本安型两类；按供电来源，现场总线可分为独立电源总线和自带电源总线两类；也可按电源类型分为交流和直流；按电平类型可分为电压和电流等。
国际通用的有9种重要的现场总线：
控制层现场总线ControlNet、设备层现场总线DeviceNet、Profibus协议、FF总线、CAN总线、LonWorks总线、DCS现场总线、PLC现场总线、FCS现场总线。
S7-200CPU支持以下通讯协议中的一种或多种，它允许配置网络，实现应用要求：
●点对点接口（PPI）
●多点接口（MPI）
●PROFIBUS-DP
在开放系统互联（OSI）七层模式通讯结构的基础上，这些协议在一个令牌环网络上实现。
这些协议是非同步的字符协议，有1位起始位、8位数据位、偶校验和1位停止位。
通讯结构信赖于特定的起始字符和停止字符、源和目的地，报告文长度和数据校验和。
如果使用相同的波特率，这些协议可以在同一个网络中同时运行而互不干扰。
PPI协议
PPI是一种主-从协议：
主站设备发送要求到从站设备，从站设备响应，从站不发出信息，只是等待主站的要求和对主站的要求做出响应。
主站靠一个PPI协议管理起来的共享连接来与从站通讯。
PPI并不限制于任意一个从站通讯的主站个数。
但是在一个网络中，主站的个数不能超过32个。
选择PPI高级允许网络设备建立一个设备和一个设备之间的逻辑连接。
对于PPI高级，每个设备的连接个数是有限制的。
表3.1S7-200支持的连接个数
模块
波特率
连接数
S7-200CPU通讯口0
9.6K、19.2K、187.5K
4
S7-200CPU通讯口1
9.6K、19.2K、187.5K
4
EM277
9.6K到12M
6（每个模块）
如果在用户程序中使用PPI主站模式。
S7-200CPU在运行模式下可以做主站。
在使用PPI主站模式之后，可以使网络读写指令来读写另外的一个S7-200。
当S7-2000作PPI主站时，他仍然可以做从站来响应其他主站的请求。
可以使用所有的PPI协议和所有的S7-200CPU通讯，当与EM277通讯时，必须使用PPI高级。
MPI协议
MPI允许主-主通讯和主-从通讯，与一个S7-200CPU通讯，STEP7-Micro/WIN建立主-从连接。
MPI协议不能和一个作为主站的S7-200CPU通讯。
网络设备通过任意的两个设备之间的连接通讯（由MPI协议管理），设备之间的通讯连接受S7-200或者EM277模式所支持的连接个数限制。
对于MPI协议，S7-300和S7-4000PLC可以有XGET和XPUT指令来读写S7-200的数据（指令信息参考S7-300和S7-400的编程手册）
PROFIBUS协议
PROFIBUS协议通常用于实现与分布式I/O（远程I/O）的高速通讯。
可以使用不同厂家的PROFIBUS设备。
这些设备包含普通的输入/输出模式、电机控制器和PLC。
PROFIBUS网络通常有一个主站若干个I/O从站，从站的类型和站号由主站初始化，使网络上的从站设备与配置相匹配。
主站不断地读写从站的数据。
当一个DP主站成功的配置了一个DP从站之后。
他就拥有了这个从站设备。
如果在网络上有第二个主站设备，他对第一个主站的从站访问将受到限制。
3.2WinCC+S7-200温度控制系统的硬件组成
WinCC+S7-200温度控制系统的硬件主要包括：
PLC、上位机、电源、CPU、地址接口等。
上位机
数字量/模拟量输出
数字量/模拟量输入
图3.1温度控制系统的硬件组成
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
PLC的硬件系统结构如下图所示：
图3.2PLC的硬件系统结构
各个部分介绍如下：
1、主机
主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。
CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。
PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
2、输入/输出（I/O）接口
I/O接口的PLC与输入/输出设备连接的部件。
输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。
输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。
I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。
I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。
3、电源
图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。
4、编程
编程是PLC利用外部设备，用户用来输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。
通过专用的PC/PPI与电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的软件进行电脑编程和监控。
5、输入/输出扩展单元
I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。
6、外部设备接口
此接口可将打印机、条码扫描仪、变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。
实验装置提供的主机型号有西门子S7—200系列的；CPU224（AC/DC/RELAY），输入点数为14，输出点数为10。
3.3WinCC+S7-200温度控制系统的软件配置
WinCC+S7-200温度控制系统的软件配置主要包括:
SIMATICWinCCExplorer软件、V1.0PCAccessSP3软件和V1.0S7-200Explorer软件三大类。
SIMATICWinCCExplorer是西门子的数据采集与监控软件，是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。
。
用来组态上位机（监控用的电脑）。
可以画出工业上的工艺图等，然后显示出PLC等控制器传输来的数据，这样就相当于监控生产画面了。
画图的原理跟其他画图软件类似，复制、黏贴、属性等等而已。
V1.0PCAccessSP3是一个实时数据库，它供上位机其它程序访问，是上位机与PLC相互联系的桥梁、中转站。
•仅用于S7-200及S7-200CNPLCPCAccess是专为连接S7-200/S7-200CNPLC和S7-200/S7-200CN通信模块而设计的OPC服务器。
它支持所有的S7-200/S7-200CN数据形式，STEP7-Micro/WINPLC编程软件中的符号都可以轻松移植到PCAccess项目中。
•具有多语言安装选件：
软件安装过程中，您可以选择安装多达6种语言形式（英、德、法、西班牙、意大利及中文）。
整个应用包括帮助系统以所选语言形式来显示。
•支持多PLC的连接：
PCAccess支持所有的S7-200/S7-200CN协议。
通过S7-200PCAccess服务器可同时连接和监控多达8个PLC。
使用CP卡时，连接PLC的数目小于4。
PLC的在线连接可通过PC中STEP7-Micro/WIN编程软件来设置。
•支持任何一种标准的OPC客户机：
S7-200PCAccess已经通过OPC机构的认证，可以支持任何一种标准的OPC客户机。
利用通用的客户机程序建立的示例可由PCAccess软件支持。
•支持所有的S7-200/S7-200CN协议：
PCAccess服务器支持整套的S7-200/S7-200CN协议包。
V1.0S7-200Explorer是上载S7-200数据归档的软件。
而TDKeypadDesigner是设计TD200C和TD400C前面板的软件。
3.4WinCC+S7-200温度控制系统的网络结构
STEP7-Micro/WIN32V4.0SP3编程软件可以对所有的CPU221和CPU222CN/224CN/224XPCN/226CN功能进行编程。
同时也可以使用STEP7-Micro/WIN16V2.1软件包，但是它只支持对S7-21X
同样具有的功能进行编程。
STEP7-Micro/DOS不能对CPU221和CPU222CN/224CN/224XPCN/226CN编程。
如果使用PG/PC的串口编程，则需要使用PC/PPI电缆。
如果使用STEP7-Micro/WIN32V4.0SP3编程软件，则也可以通过SIMATICCP5511或CP5611编程。
在这种情况下，通讯速率可高达187.5kbit/s。
图3.3温度控制系统的网络结构
3.5温度控制算法
这次实验用到的温度控制算法是PID控制算法。
温度控制采用PID控制中的闭环控制法，PLC中的信号0～32000转换为模拟量0～20mA，如若是装置的话就是把0～100转换为4～20mA，它们是由数字量转换为温度，它的算法为（K×6.25/32000×20－4）100/16，所以温度T=6.25K/16000-25。
在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。
它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。
PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。
PID控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简单控制算法。
图3.4PID控制系统原理框图
该系统主要由PID控制器和被控对象组成。
作为一种线性控制器，它根据设定值r（t）和实际输出值y（t）构成控制偏差e（t），将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u（t），对被控对象进行控制。
控制器的输入输出关系可描述为:
（3.1）
式中:
e（t）=r（t）-u（t）,K为比例系数T,为积分时间常数、T为微分时间常数。
以上是我们在各种文献中最经常看到的形式,各种控制作用的实现方式在函数表达式中表达得非常清楚。
这三个参数的取值优劣将影响到PID控制系统的控制效果好坏，下面介绍这三个参数对控制性能的影响。
（1）比例作用对控制性能的影响
比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号e（t），系统偏差一旦产生，调节器立即产生与其成比例的控制作用，以减小偏差。
比例控制反映快，但对某些系统，可能存在稳态误差，加大比例系数k,，系统的稳态误差减小，但稳定性可能变差。
（2）积分作用对控制性能的影响
积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设定值的无静差跟踪。
假设系统己经处于闭环稳定状态，此时的系统输出和误差量保持为常值。
由式可知，只有当且仅当动态误差e（t）=0时，控制器的输出才为常数。
因此，从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节就产生作用，直至无差，积分作用就停止，此时积分调节输出为一常值。
积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti的大小，Ti越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。
积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。
实际中，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI控制器或者PID控制器。
（3）微分作用对控制性能的影响
微分作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。
微分作用能反映系统偏差的变化律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。
直观而言，微分作用能在偏差还没有形成之前，就已经消除偏差。
因此，微分作用可以改善系统的动态性能。
微分作用的强弱取决于微分时间Td,的大小，Td越大，微分作用越强，反之则越弱。
在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。
从滤波器的角度看，微分作用相当于一个高通滤波器，因此它对噪声干扰有放大作用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。
所以我们不能一味地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰产生不利的影响。
此外，微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。
4S7-200PLC控制程序的设计
编制PLC控制程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。
（l）图解法编程
图解法是靠画图进行PLC程序设计。
常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。
·梯形图法：
梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。
这是一种模仿继电器控制系统的编程方法。
其图形甚至元件名称都与继电器控制电路十分相近。
这种方法很容易地就可以把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。
这对于熟悉继电器控制的人来说是最方便的一种编程方法。
·逻辑流程图法：
逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反应输入与输出的关系。
逻辑流程图法是把系统的工艺流程，用逻辑方框图表示出来形成系统的逻辑方框图。
·时序流程图法：
时序流程图法是首先画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把程序框图写成PLC程序。
时序流程图法很适合于以时间为基准的控制系统的编程方法。
（2）经验法编程
经验法是运用自己的或别人的经验进行设计。
多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。
结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。
这里所说的经验，有的是来自自己的经验总结，有的可能是别人的设计经验，有的也可能是来自其它资料的典型程序。
要想使自己有更多的经验，就需要日积月累，善于总结。
（3）计算机辅助设计编程
计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等等。
S7-200的编程软件“STEP7-Micro/WIN32”3.0版本是基于Windows平台的应用软件。
它支持Windows95，Windows98和WindowsNT使用环境。
是S7-200系列PLC编程专用软件。
使用这些编程软件可以十分方便地在计算机上离线或在线编程、在线调试，使用这些编程软件可以十分方便地在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE运行文件。
4.1控制程序的组成
由温度采集程序、数字滤波程序、PID控制程序构成了本温度控制系统的控制软件部分。
温度采集程序采集温度，转换成数字量，经过数字滤波程序，再由PID控制程序控制外部控制对象，从而实现了温度的最终控制。
4.2温度采集程序设计
MOVE指令简介：
MOVE（分配值）通过启用EN输入来激活。
在IN输入端指定的值将复制到在OUT输出端指定的地址。
ENO与EN的逻辑状态相同。
MOVE只能复制BYTE、WORD或DWORD数据对象。
用户自定义数据类型（如数组或结构）必须使用系统功能"BLKMOVE"（SFC20）来复制。
只有当"传送"框位于激活的MCR区内时，才会激活MCR依存。
在激活的MCR区内，如果开启了MCR，同时有通往启用输入的电流，则按如上所述复制寻址的数据。
如果MCR关闭，并执行了MOVE，则无论当前IN状态如何，均会将逻辑"0"写入到指定的OUT地址。
MOVE指令参数
参数数据类型存储区描述
ENBOOLI、Q、M、L、D使能输入
ENOBOOLI、Q、M、L、D输出使能
IN所有长度为8、16或32位的基本数据类型I、Q、M、L、D或常数源值。
OUT所有长度为8、16或32位的基本数据类型I、Q、M、L、D目标地址。
图4.1温度采集程序
4.3数字滤波程序设计
Add模块简介
参数数据类型存储区描述
ENBOOLI、Q、M、L、D启用输入
ENOBOOLI、Q、M、L、D启用输出
IN1REALI、Q、M、L、D或常数被加数
IN2REALI、Q、M、L、D或常数加数
OUTREALI、Q、M、L、D相加的结果
在启用（EN）输入端通过一个逻辑"1"来激活ADD_R（实数加）。
IN1和IN2相加，结果通过OUT查看。
如果结果超出了浮点数允许的范围（溢出或下溢），OV位和OS位将为"1"并且ENO为"0"，这样便不执行此数学框后由ENO连接的其它功能（层叠排列）。
CMP模块简介
参数数据类型存储区描述
输入框BOOLI、Q、M、L、D上一逻辑运算的结果
输出框BOOLI、Q、M、L、D比较的结果，仅在输入框的RLO=1时才进一步处理
IN1INTI、Q、M、L、D或常数要比较的第一个值
升级会员 