基于PLC200控制系统研究算法设计精品.docx
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基于PLC200控制系统研究算法设计精品
课程设计任务书
学院
专业
学生姓名
班级学号
课程设计题目
基于PLC200控制系统研究---算法设计
实践教学要求与任务:
1）构成PLC200闭环温度控制系统
2）算法设计
3）实验调试
4）THFCS-1现场总线控制系统实验
5）撰写实验报告
工作计划与进度安排:
1）第1～2天，查阅文献，构成闭环温度控制系统
2）第3～4天，算法设计
3）第5～6，实验调试
4）第7～9天，THFCS-1现场总线控制系统实验
5）第10天，撰写实验报告
指导教师：
201年月日
专业负责人：
201年月日
学院教学副院长：
201年月日
摘要
在许多现代工业生产中，温度控制都是要解决的问题之一，对于无需人力控制的领域，我们需要自动控制。
随着电子技术的发展,可编程序控制器（PLC）已经由原来简单的逻辑量控制,逐步具有了计算机控制系统的功能。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
本文提出了采用可编程控制器和可控硅组成一个比较简单、通用的温度控制系统。
PLC是温度控制的主控核心，采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现温度的自动控制。
可编程控制器的一个优势就是可以很方便的改写其中的程序以满足不同的控制系统，尤其在控制系统需要改进时优势更加明显。
文章分别就控制系统的基本工作原理，特殊模块的选型、PLC配置、等几方面进行阐述。
通过提高温度控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高、控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。
关键词:
温度控制PLCPID可控硅闭环系统
目录
1概述3
2系统组成4
2.1控制系统组成4
2.2控制要求4
2.2实训设备5
2.3控制面板5
2.4功能指令使用及程序流程图6
2.5端口分配及接线图6
3STEP7程序设计7
3.1硬件组态及参数设置7
3.2梯形图设计8
3.3程序调试12
3.4WinCC组态画面设计12
4PLC200与Wincc通信13
5S7-200PID编程总结15
6结束语17
1概述
本实训设计了一种基于Wincc和S7-200实现PID控制的方法，利用PLC200固有的PID功能实现PID控制，通过Wincc进行实时监控，具有图形显示直观，参数设置方便等优点。
PID控制器是应用最广泛的闭环控制器由于其结构简单容易实现不需要被控对象的数学模型有较强的灵活性和适应性所以现在有90%以上的闭环控制都采用PID控制器STEP7提供丰富的PID控制功能模块可以很方便的创建PID控制器和处理设定值过程反馈值及对控制器的输出值进行后处理组态软件Wincc是数据采集监控系统SCADA的软件平台工具利用Wincc不仅可以实现对闭环控制过程的监视而且还可以通过Wincc的组态界面实时设置和修改PID参数避免了在STEP7中每次调试PID控制都得修改参数并下载程序。
关键字：
实时监控；Wincc组态；PID；PLC。
2系统组成
我们通过控制面板上的加热器来实现温度控制模拟系统，具体通过PLC200中的PID控制的编程实现加热器温度保持恒定，并使用WINCC组态画面实现监控与PID设定功能。
2.1控制系统组成
图2.1控制系统组成
实现控制要求的系统组成如上图所示，该系统是由执行器、加热器、温度变送器、A/D转换器、PID调节器和D/A转换器等构成一个单回路温度控制系统。
PID调节器、D/A和A/D转换器用西门子公司的S7-200，CPU224型PLC来实现，上位机PC安装了STEP7和WINCC组态软件。
考虑温度控制属于大滞后系统，调节器采用PI类型。
2.2控制要求
1、总体控制要求：
如面板图所示，模拟量模块输入端从温度变送器端采集物体温度信号，经过程序运算后由模拟量输出端输出控制信号至驱动端控制加热器。
2、程序运行后，模拟量输出端输出加热信号，对受热体进行加热。
3、模拟量模块输入端将温度变送端采集的物体温度信号作为过程变量，经程序PID运算后，由模拟量输出端输出控制信号至驱动端控制加热器。
本系统的给定值（目标值）可以预先设定后直接输入到回路中；过程变量由在受热体中的Pt100测量并经温度变送器给出，为单极性电压模拟量；输出值是送至加热器的电压，其允许变化范围为最大值的0%至100%。
2.2实训设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
实训装置
THPFSM-2
1
2
实训挂箱
B11
1
3
导线
3号
若干
4
通讯编程电缆
PC/PPI
1
西门子
5
实训指导书
THPFSM-1/2
1
6
计算机（带编程软件）
STEP7MicroWINSP3
1
自备
7
计算机（带组态软件）
Wincc6.0
1
自备
8
计算机（带虚拟主站软件）
STEP7Manag
1
自备
2.3控制面板
此面板中的Pt100为热电偶,用来监测受热体的温度，并将采集到的温度信号送入变送器，再由变送器输出单极性模拟电压信号，到模拟量模块，经内部运算处理后，输出模拟量电流信号到调压模块输入端，调压模块根据输入电流的大小，改变输出电压的大小，并送至加热器。
控制面板如下图2.1所示。
2.4功能指令使用及程序流程图
1.PID指令使用
2.程序流程图
图2.2程序流程图
2.5端口分配及接线图
1.端口分配及功能表
序号
PLC地址（模拟量端子）
电气符号
（面板端子）
功能说明
1
A+
温度变送＋
变送器输出正信号
2
A-
温度变送-
变送器输出负信号
3
VO
驱动信号＋
驱动正信号
4
MO
驱动信号-
驱动负信号
5
温度模块OUT接温度/转速表S1
温度显示信号
2.PLC外部接线图
图2.3接线图
图2.2PLC接线图
3STEP7程序设计
3.1硬件组态及参数设置
在STEP7中创建一个温度控制系统的项目，在项目下生成一个S7-200的站点，进入HWConfig界面按硬件安装次序和订货号依次插入机架电源CPUI/O模块等进入CPU属性窗口，设置站点的CP5611地址假设为２，则EM277站点地址设为3，相应的EM277硬件上调拨码开关为3。
这里所设置的地址3必须与Wincc通信驱动地址相匹配，如：
PLC200中地址也为3，CP板卡号为1。
当STEP7中的硬件组态下载到虚拟主站时，需将再一次设置。
此次设置目的是让虚拟主站与Wincc通信。
设置：
打开控制面板---选择打开PG/PC---选择CP_I2_1:
-->CP5611（PROFIBUS）。
详细设置可参考第四章节PLC200与Wincc通信。
Wincc中地址：
以S7-200中VW1200以后16字输入16字输出作为S7-200侧的数据交换区，VB1200-1231作为S7-200输入区，VB1232-1263作为S7-200的输出区。
3.2梯形图设计
主程序：
子程序：
中断程序：
3.3程序调试
本程序分为三部分：
主程序，子程序，中断程序。
子程序主要是将各个PID运算所需的参数变量输入寄存器中。
中断程序主要是将模拟量输入到寄存器中，并将运算完毕的整数值写到模拟输出寄存器中。
输入的数据时，装入设定值0.193，回路増溢0.15，采样时间35秒，积分时间30分钟，关闭微分作用。
设定定时中断0的时间间隔是100ms设定定时中断，以定时执行PID指令。
检查程序有无错误，检查无误后接通电源，将程序下载到运行模拟平台上并运行该程序，并检查运行情况看看是否运行正常。
运行正常停止运行，关闭计算机关闭电源。
结束！
3.4WinCC组态画面设计
图3.1WICC组态画面
4PLC200与Wincc通信
WinCC组态软件与S7-200系列PLC的通信：
SIMATICWinCC采用了最新的32位技术的过程监控软件，具有良好的开放性和灵活性。
无论是单用户系统，还是冗余多服务器/多用户系统，WinCC均是较好选择。
通过ActiveX，OPC，SQL等标准接口，WinCC可以方便地与其它软件进行通信。
WinCC与S7-200系列PLC的通信，可以采用PPI和Profibus两种通信协议之一进行。
1、WinCC与S7-200系列PLC通过Profibus协议进行通信的实现
（1）软硬件要求：
*PC机，Windows98操作系统；
*S7-200系列PLC；
*CP5611板卡或者其他同类板卡，例如：
CP5412，CP5613；
*EM277ProfibusDP模块；
*Profibus电缆及接头；
*安装CP5611板卡的驱动；
*安装WinCC4.0或以上版本；
*安装COMProfibus软件。
硬件连接如图所示。
图5.1WinCC与S7-200系列PLC通信实现硬件连接
（2）组态
打开SIMATICNET\COMProfibus，新加一个组态，主站为SOFTNET-DP，从站是EM277Profibus-DP。
主站的地址选择从1到126。
从站的地址选择从3到99，与EM277的地址一致。
然后用该软件对从站进行配置：
打开从站属性，在Configure选项中，选择2bytesin/2bytesout（可根据实际需要选定）。
在Parameterize中可以选择偏移地址，地址对应于S7-200系列PLC的数据区（即V区），默认为1200，即从VB1200开始。
组态完成后，导出（Export）NCM文件，生成*.txt和*.ldb文件。
（3）设置PG/PCinterface。
在AccessPointoftheApplication中选择CP_L2_1，在InterfaceParameterAssignment选择CP5611A1（Profibus）。
在属性里的激活DP协议，并在DP-Database参数中输入*.ldb文件的完全路径。
设置完成后可以诊断硬件配置是否正确、通信是否成功。
（4）WinCC的设置。
在WinCC变量管理器中添加一个新的驱动程序，新的驱动程序选择PROFIBUSDP.CHN，选择CP5611（A1）Board1，在SystemParameters设定参数。
CP5611（A1）board参数为1，表示板卡的编号；Config参数为组态时生成的*.txt文件的完全路径；Watchdogtime参数为0。
新建一个连接，从站地址与EM277的地址一致。
（5）建立变量。
WinCC中的变量类型有In和Out。
In和Out是相对于主站来说的，即In表示WinCC从S7-200系列PLC读入数据，Out表示WinCC向S7-200系列PLC写出数据。
In和Out与数据存储区V区对应。
在该例中，Out与PLC中数据存储区的VB1200~VB1231对应，In与PLC中的存储区的VB1232~VB1263对应。
（6）优缺点。
优点：
该方法数据传输速度快，易扩展，实时性好。
缺点：
传送数据区域有限（最大64字节），在PLC中也必须进行相应的处理，且硬件成本高，需要的CP5611（或CP5412）、EM277Profibus-DP、Profibus总线等硬件，还需要ComProfibus软件。
应用场合：
适用于在要求高速数据通信和实时性要求高的系统。
5S7-200PID编程总结
1. 注意区分输入端接的是电压信号还是电流信号；输出端是电流信号还是电压信号。
在模拟模块上不同信号下的接线方式。
2. 了解信号输入元件相关资料：
如使用温度变送器，要了解温度变送器测量范围，如0～100℃；输出电流范围4～20mA；分度号是什么，如PT100；接线原理图等。
相关输入元件；输出元件在模拟模块上的接线方式。
其他如工程要求的精度是多少等。
3. 关于PID设定值（VD204）确认：
假定我们将控制温度定位23.5℃；以单极性为例，首先应确定输入信号是0～10V电压信号还是4～20mA电流信号？
，这在PID设定值中非常重要。
如是0～10V电压输入信号对应0～32000，温度范围0～100℃，设定值为可直接算出:
VD204=23.5/（100-0）=0.235；
若是电流4～20mA，其对应数值应为6400～32000，温度范围0～100℃，则设定值应为0.388。
原因：
模拟模块中0～32000对应0～20mA；其中6400～32000对应4～20mA对应0～100℃；这就必须进行相关的计算，23.5℃电流计算方式：
（20-4）：
（100-0）=（X-4）:
23.5;
解方程：
X=7.76（mA）。
设定值：
VD204=7.76/20=0.388.
4. 关于PID输出值（VD208）确认：
以单极性为例，应确定输出信号是0～10V电压信号还是4～20mA电流信号对应着0～32000？
若是输出信号AQW0对应电压信号，比如0～10V，则
AQW0=（实数VD208*32000在转化成整数）即可；
若是输出信号AQW0对应电流信号，比如4～20mA，则
AQW0=（实数VD208*32000在转化成整数+6400）。
5. 关于PID恒温控制实际：
通过上机实验可知：
PID恒温控制是围绕着设定值进行调节的。
若设定温度为23.5℃；当温度低于设定值时，加温蒸汽调节阀始终处于全部打开状态，；当温度达到23.5℃，加温用的蒸汽调节阀开始逐渐关闭，在关闭过程中，温度有可能仍在渐渐上升，温度偏离越大，关闭速度越快；知道全部关闭为止；当温度再次低于设定值时，加温蒸汽调节阀则会逐渐打开，打开速度取决于温度偏离值的大小，偏离越大，打开速度越快；直到温度再次达到设定值。
若温度长时间未达到设定值，调节功能会将调节阀全部打开，这就是我所观察到的PID恒温控制情况。
所以，我们可以根据实控情况进行必要的编程，有效的利用低于设定值时PID控制时段；切断高于设定值部分的PID控制，在温度高于设定值后，即可根据生产要求干脆部分或全部关闭加温阀。
以防温度上升过高。
来求得优越的温控效果。
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