可编程控制器在冷库中的应用研究报告.docx
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可编程控制器在冷库中的应用研究报告
可编程控制器在冷库温控系统中的应用研究报告
内容摘要
可编程控制器（PLC）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。
可编程控制器（PLC）作为传统继电器控制装置的替代产品已经得到了工业控制各个领域的广泛应用，由于它可以通过软件来改变控制过程，而且具有体积小，组装灵活，编程简单，易学易用，抗干扰能力强及可靠性高等特点，因此它非常适合于在恶劣的工业环境下使用，同时在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，所以PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。
西门子公司的S7-200系列可编程控制器是一种小型的框架式可编程逻辑控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
它还包括数字量、模拟量、特殊I/O模块和相关外围设备。
S7-200控制器具有强大的处理能力，其通讯网络、功能模块、存储容量都可以灵活地进行选择和配置。
本文主要阐述的是S7-200系列可编程控制器及组态王在冷库温度控制系统中的应用,通过组态王可以监控过程参数、设置参数、设备状态、过程状态和应用程序，以支持数据采集、数据监控、程序上载/下载和监测控制。
梯形图是PLC使用的最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
其余电气控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
通过一些程序的举例分析，说明了这些控制功能是如何实现的。
关键词：
PLC；梯形图；温控；S7-200；组态王
目录
内容摘要I
1绪论1
1.1课题的背景及意义1
1.2国内外发展现状1
1.2.1国外温度控制的发展现状1
1.2.2我国温度控制的发展现状2
1.3本次论文的主要工作2
2可编程控制器简介3
2.1可编程控制器的定义和特点3
2.2可编程控制器的结构4
2.3可编程控制器的工作原理8
3基于可编程控制器的冷库温控系统设计与实现10
3.1系统控制要求10
3.2可编程控制器的选型10
3.3I/O点及地址分配11
3.4电气控制系统原理图11
3.5其他元件的选型12
4系统控制程序的设计14
4.1系统控制流程图14
4.2控制程序的设计15
4.3组态王20
5结论23
参考文献24
1绪论
1.1温度控制的背景及意义
在人们的日常生活、工业制造、制冷等领域，温度作为当前环境的重要因素之一，被人们广泛的作为参考因素来使用，从而保证各项工作的正常运行，如火灾报警、温室或粮仓中的温度实时监控、冷库温度的调节等，因此以温度参数为基础的温度控制系统被广泛开发和使用。
使用传统意义上的温度计采集温度信息，不但采集精度低，实时性差，而且操作人员的劳动强度高。
此外由于环境因素导致的数据难以采集的问题，特别是在工厂，火灾等现场，工作人员不能长时间停留在现场观察和采集温度，就需要实现能够将数据采集并将其传送到一个地方集中进行处理，以节约人力，提高效率，但是这样就会出现数据传输的文艺，由于厂房打、需要传输的数据多，使用传统的方法容易造成资源浪费而且可操作性差，精度不高，这都是在不同程度上限制了工作的进行和展开。
因此，高精度，低成本，实时性好的温度控制系统急需人们去开发。
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信息是十分重要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温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。
市场决定技术，技术引导产品的开发，在这样的环境下，与温度控制的相关的电子类产品的开发成为了当今的研究热点。
随着PLC技术的日益成熟，应用范围的逐渐扩大，以PLC为核心的控制系统，逐渐应用到了生活中的很多方面，这不仅克服了温度控制系统中存在的严重延时性，节约了人力，提高了采样频率，而且很大程度的提高了控制效果和控制精度。
1.2国内外发展现状
1.2.1国外温度控制的发展现状
自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统发展迅速，并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面美国、德国、瑞典等国技术领先，都产生了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。
国外温控系统发展迅速，并在智能化、适应性、参数自整定等方面取得成果。
美国、德国、瑞士等技术先进的国家都成产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在和行业广泛应用。
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。
1.2.2我国温度控制的发展现状
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十分广泛，但从国内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仍然有着较大的差距。
目前，我国在这方面总体水平处于20实际80年代中后期水平，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系统参数的自整定方面，还没开发性能可靠的自整定软件。
参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。
随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势
1.3本次论文的主要工作
本文研究的是可编程控制器在冷库温度控制系统中的应用。
本设计的主要内容有：
（1）根据PLC外围硬件电路，绘制硬件接线图，
（2）选择PLC型号，绘制主程序流程图，列I/O分配表，
（3）用组态软件编制基于PLC的温度控制系统组态界面，并编制部分程序，
（4）最后进行运行程序的调试，实现温度控制的温度采集与控制降温器输出。
全文共分为四章，各章内容简介如下：
第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；
第二章可编程控制器简介；
第三章基于可编程控制器的移动工作台系统设计与实现；
第四章系统控制程序的设计
本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。
2可编程控制器简介
2.1可编程控制器的定义和特点
可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。
但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。
它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字量或模拟量的输入接口、输出接口，控制各种类型机械的生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的一些问题，如机械式触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
可编程序控制器的定义[1]：
可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量，模拟量的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
可编程控制器具有如下特点[2]：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
可靠性高是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代的PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能模块大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言为工程技术人员所接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.2可编程控制器的结构
可编程控制器从结构上分[3]，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
组合式（模块式）其系统结构如图2.1。
图2.1PLC的系统结构
（1）中央处理器CPU（CPU芯片）
中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。
与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作。
用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
CPU的主要任务有：
控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据。
并存人输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能。
不同型号的PLC其CPU芯片是不同的，有采用通用CPU芯片的，有采用厂家自行设计的专用CPU芯片的。
CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。
PLC的功能是随着CPU芯片技术的发展而提高和增强的。
（2）存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序固化在ROM内，用户不能直接更改，它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。
系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分。
第一部分为系统管理程序，它主要控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。
第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。
第三部分为标准程序模块与系统调用，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。
PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了PLC性能的高低。
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。
用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序，以及用户的系统配置。
用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM（有掉电保护）、EPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。
用户功能存储器是用来存放（记忆）用户程序中使用器件的ON/OFF状态／数值数据等。
用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。
（3）输入接口电路
输入接口电路是负责接收外部输入元件信号电路接口。
可用于输入开关量信号的数字输入接口模块和用于输入模拟量的模拟信号输入接口。
数字输入接口模块可以由光电耦合电路和微型计算机输入接口电路组成。
采用光电耦合电路与现场输入信号相连可防止现场的强电干扰信号进入PLC。
光电耦合器的抗干扰性能是：
由于输入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此输出端信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰和其他串扰。
模拟信号输入接口输入的模拟量信号分2类4种量，2类分别是电压型和电流型。
电压型有0-10V和-10到10V。
电流型主要有4-20MA，0-20MA。
然后模块再通过A/D转换，把模拟量转换成+32767～-32768之间的数，然后参与PLC控制。
（4）输出接口电路
输出接口电路是用于将PLC的运算结果转换后作用于控制对象上，以便达到控制目的。
输出接口电路分开关量信号输出的数字输出接口和模拟量输出的模拟信号输出接口。
数字输出接口有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管，驱动交流负载的双向晶闸管以及既可以驱动交流负载也可以驱动直流负载的小型继电器。
负载电源可由外部现场提供。
由于输入/输出接口电路采用了光电耦合电路或继电器隔离电路，使得输入/输出电路与内部电路在电气上完全隔离，从而防止了现场隔离干扰，保证PLC能在恶劣的环境下可靠地工作。
模拟量输出模块是指PLC可以根据计算后的输出要求，在模拟量输出模块中进行相应精度的D/A转换，可根据现场要求输出一定精确度的模拟量信号，用于现场对象的控制。
（5）通讯接口
现代PLC一个显著的特点就是具有通讯功能，目前主流的PLC一般都具有RS485（或RS232）通讯接口，以便连接编程设备、监视器、打印机等外围设备，或连接诸如变频器、温控仪等简单控制设备进行简单的主从式通讯，实现“人一机”或“机—机’’之间的对话。
一些先进的PLC上还具有工业网络通讯接口，可以与其他的PLC或计算机相连，组成分布式工业控制系统，实现更大规模的控制，另外还可以与数据库软件相结合，实现控制与管理相结合的综合控制。
（6）电源
PLC的电源是指将外部输入的交流信号经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入/输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路。
为了减少电源间的相互干扰，输入/输出接口电路与内部电路间的电源彼此相互独立。
电源的好坏对PLC的可靠性至关重要。
大部分PLC都采用开关电源供电。
（7）底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
（8）PLC系统的其它设备
1）编程设备：
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
2）人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式输入模拟量的电位器，打印机等。
（9）PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。
对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。
首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。
2.3可编程控制器的工作原理
介绍可编程控制器的工作原理[4]。
PLC的扫描工作过程如图2.2所示。
图2.2PLC的扫描工作过程
当PLC投入运行后，整个PLC其工作过程一般分为三个阶段：
即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
PLC的扫描工作过程如图2.2所示
输入采样阶段
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。
3基于可编程控制器的冷库温控系统设计与实现
3.1系统控制要求
（1）基本内容
利用PLC对温度控制系统进行设计,从而保证了控制系统的快速性、准确性、合理性,更好地满足实际生产需要。
（2）基本要求
要求在分析温度控制系统的技术特性及工作循环流程的基础上,给出应用S7-200系列可编程序控制器对其进行系统设计。
设计方案对系统的硬件组成和软件设计要做详细阐述。
（3）发挥部分
学生在实现温控系统功能的基础上，还可根据实际需要实现以下控制功能：
启动后，冷库开始降温，并维持在-8摄氏度左右。
按下停止按钮后，冷库停止降温，停止灯亮，温度开始上升。
当温度越下限时，系统报警。
当温度越上限时，系统报警。
3.2可编程控制器的选型
S7-200系列PLC[5]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3.1所示。
表3.1S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型号
输入/输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6/4
0
S7-200CPU222
8/6
2个扩展模块
S7-200CPU224
24/10
7个扩展模块
S7-200CPU224XP
24/16
7个扩展模块
S7-200CPU226
24/16
7个扩展模块
本论文采用的是CUP226[5]。
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。
3.3I/O点及地址分配
根据控制要求，对可编程控制器的I/O点及地址进行分配，详见表3.2所示。
表3.2可编程控制器的I/O点及地址进行分配
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
3.4电气控制系统原理图
给出系统输入输出接线图及PLC接口设计,如图3.1和3.2所示。
图3.1硬件连接图
图3.2EM235CN连接图
3.5其他元件的选型
（1）传感器[6]
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、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
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