基于西门子s7200的温度控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于西门子s7200的温度控制系统设计毕业设计论文
郑州大学毕业设计（论文）
题目基于西门子S7-200PLC的温度控制系统设计
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摘要
温度是各种工业过程最普遍、最重要的参数之一，温度控制的精度对实验结果或工业生产都会产生重要的影响。
传统的温控系统采用温控仪表和继电器式控制柜等进行控制，其主要缺点是结构复杂，体积大，故障率高，通用性差，控制精度低．人机交互困难，自动化程度低．难以满足现代生产加工的需要。
随着现代传感技术与控制方法的不断革新和发展，对实时温度控制的精度以及反应快速性的要求越来越高。
本文就是基于PLC的温度控制系统设计。
本文主要介绍了PLC相关知识、温度控制系统的硬件设计、软件设计，同时对传感技术、PID算法以及调压技术进行了涉及。
在硬件上主要采用西门子S7-200系列CPU224XP，K型热电偶传感器及K型热电偶变送器、柱式电压调压器以及EM235模拟量输入输出扩展模块。
热电偶作为温度采集元件，采集的信号经温度变送器转换盒放大后送到EM235处理，随后送入PLC进行PID运算，运算结果控制调压器对加热过程进行调节实现自动化控制。
关键词温度控制PLCPID
Abstract
Temperatureisoneofthemostcommonvarietyofindustrialprocesses,themostimportantparameter,theaccuracyoftemperaturecontrolwillhaveanimportantimpactontheresultsorindustrialproduction.
Thetemperaturecontrolsystemisadoptedintraditionaltemperaturecontrolmeterandrelaycontrolcabinetcontrol,itsmaindisadvantageisthecomplicatedstructure,bigvolume,highfailurerate,pooruniversality,lowcontrolaccuracy.Human-computerinteractiondifficulties,lowdegreeofautomation.Itisdifficulttomeettheneedsofmodernproductionandprocessing.Withthecontinuousinnovationanddevelopmentofmodernsensortechnologyandcontrolmethod,thehigherofthereal-timetemperaturecontrolprecisionandresponsespeedarerequired.ThisarticleisbasedonthePLCtemperaturecontrolsystemdesign.
ThispapermainlyintroducedthePLCrelatedknowledge,thetemperaturecontrolsystemhardwaredesign,softwaredesign,atthesametime,sensortechnology,PIDalgorithmandthepressureregulatingtechnologyisinvolved.ThehardwaremainlyadoptsSiemensS7-200seriesCPU224XP,thecolumnvoltagetypeKthermocouplesensorandKtypethermocoupletemperaturetransmitter,pressureregulatorandEM235analoginputandoutputexpansionmodule.Thermocoupleasthetemperatureacquisitiondevice,thesignalscollectedbythetemperaturetransmitterconversionkitamplifiedtoEM235processing,thensenttoPLCPIDoperation,thecontrolvoltageregulatorisadjustedtorealizeautomaticcontrolofheatingprocesscalculationresults.
KeywordstemperaturecontrolPLCPID
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义：
工业生产当中，温度是一个非常重要的参数，温度的轻微变化均可能带来较大的物理化学变化，从而给生产质量带来了巨大的挑战。
在科学研究和生产实践当中——特别是在冶金、化工、建材、视频、机械、石油等工业当中，温度控制更是具有举足轻重的作用，而不同的工业生产和工业要求下的温度控制系统所采用的加热方式也各不相同，考虑到电阻炉能够实现较快的控制变化以适应复杂多变的工业生产过程，电阻炉温度控制系统的优劣更是衡量质量的重要属性，故而本课题主要以电阻炉为对象设计根据生产要求及实时状态不同的情况下均具有较好温度控制效果的温度控制系统。
传统的温控系统采用温控仪表和继电器式控制柜等进行控制，其主要缺点是结构复杂，体积大，故障率高，通用性差，控制精度低．人机交互困难，自动化程度低．难以满足现代生产加工的需要。
随着现代传感技术与控制方法的不断革新和发展，对实时温度控制的精度以及反应快速性的要求越来越高。
传统的模拟式温度控制方法已经不能适用干现代工业对系统稳定性和快速性的需求，特别是当系统的温度指令信号发生快速变化时，传统的模拟控制器固有的反应时间和器件特性使系统的反应稳定过程较慢、而且易受干扰，不能适应现代高精度温度控制的需求。
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。
就发展情况和使用现状而言，PLC与集散控制系统的发展越来越接近，多数情况下已经可以实现功能的互相替代；而工业微机在要求快速、实时性强、模型复杂的工业控制系统中占有优势，但是最致命的弱点是尚不能适应复杂多变的工业现场环境且对操作人员要求比较高。
综合对比而言，PLC具有相当大的功能和成本优势：
PLC不仅具有传统继电器控制系统的控制功能．而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些智能控制模块．构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制系统;PLC功能强、集成度高、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定，编程简单，无论对编程人员还是对操作人员都无需较高的专业水平，具有更强大的适应性；另外一个比较关键的优势是，PLC发展相对完善且具有明显的成本优势。
故而，本课题选取的西门子S7—200PLC作为控制元件。
1.2课题研究的主要内容
本文主要以电阻炉为对象研究设计了能够根据实时状态采取不同温度控制方式的温度控制系统，并保证了用户可以调整预设温度来针对不同的生产实践过程，具有较强的适应性。
对此，本文主要进行了以下几个方面的工作：
（1）较为简单明了的阐明了锅炉控制的主要机理，并就整个温度控制过程给出了较为清晰明了的说明；
（2）介绍了西门子S7—200系列PLC的主要内容，并根据实际需要对型号和使用器件进行了对比选择；
（3）介绍了PID控制算法的相关内容以及PLC自带PID模块的使用，并就系统自调整的步骤给出了相关介绍；
（4）根据控制系统的设计要求进行PLC控制程序的编制；
（5）上位机监控软件的设计，采用应用范围较大的组态王软件对整个温度控制过程进行监控。
1.3研究技术介绍
1.3.1传感检测技术
传感检测技术是应用传感器将被测量信息转换成便于传输和处理的物理量，进而进行变换、传输、现实、记录和分析数据处理的技术。
随着科学技术和生产发展的需要，传感检测技术已经发展成为一门完整的交叉性技术学科，综合应用了现代电子技术、微电子技术、生物技术、材料科学、化学科学、光电技术、精密机械技术、微细加工技术等。
传感检测技术是实现自动控制、自动调节的关键环节，它与信息系统的输入端相连接，并将检测到的信号输送到信息处理部分，是机电一体化系统的感受器官。
随着现代电子技术、微电子技术及信息技术的发展，在各种可用信号中电信号最便于处理、传输、显示和记录，因此传感器大多集中在“将外界非电信号转换成电信号输出”。
传感器按工作原理可以分为电阻式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、电容式传感器光电式传感器、热电偶传感器等。
其中热电势传感器时利用转换元件电磁参量岁温度变化的特性，对温度和与温度有关参量进行检测的装置，常用于温度监控系统的信息采集。
1.3.2PLC
国际电工委员会（IEC）于1982年颁布了PLC标准草案第一稿，1987年颁布了第三稿，对可编程控制器（ProgrammableLogicController）定义如下：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专业为工业环境下应用而设计。
它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定式、技术和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械动作过程。
可编程控制器及其相关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。
PLC型号品种繁多，但实质都是一种工业控制计算机，PLC内部组成分为中央处理器（CPU）、存储器、电源、输入输出单元和通信街头。
PLC在运行状态执行用户指令分为3个时间段，第一段是输入信号采集阶段，以扫描方式顺序读入外面信号的输入状态并将该状态输入到输入映像存储器中；第二阶段是用户指令执行阶段，按照梯形图的顺序先左后右、从上到下的对指令进行读取和解释，并从输入映像存储器和输出映像存储器中读取输入和输出的状态，结合原来的各软元件的数据及状态进行逻辑运算，运算的结果存入响应的寄存器，然后执行下一条指令直至END；第三阶段是结果输出阶段，输出映像存储器的状态将成批输出到输出锁存寄存器中，输出锁存寄存器一一对应着物理点输出口，这才是PLC的实际输出。
世界上生产PLC的厂家非常多，著名的有美国A·B，日本三菱，德国西门子等公司。
PLC编程语言常用的有梯形图、指令图和SFC图，由于梯形图比较直观容易掌握，因此受到普通技术人员欢迎。
PLC变成工具有手持式编程器，一般供现场调试及修改使用；个人电脑，利用专用的编程软件（STEP7-MicroWIN）进行编程。
1.3.3上位机
上位机是可以直接发出操控指令的计算机，一般为PC机；与上位机对应的下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般为PLC/单片机等。
上位机发出命令给下位机，下位机根据命令解释成相应的时序信号直接控制响应设备；下位机不停读取设备状态数据，转换成数字信号以后反馈给上位机，而上位机的屏幕上可以显示各种信号的变化。
1.3.4组态软件
在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦变化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业由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。
组态软件的出现为解决上述问题提供了一个崭新的方法，因为它能够很好的解决传统工业控制软件存在的问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
组态软件是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控软件，即SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）软件，亦称人机界面或HMI/MMI（HumanMachineInterface/ManMachineInterface）软件，俗称组态软件。
简单的说，组态软件能够实现对自动化过程和装备的监视和控制，它能从自动化过程和装备中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各种手段传递给相关人员，对信息执行必要的分析处理和存储，发出控制指令。
组态软件提供了丰富的用于工业自动化监控的功能，用户根据自己工程的需要进行选择，配置等较为简单的工作来建立自己所需要的监控系统系统。
常用的组态软件有iFLX、InTouch、Citech、WinCC、TraceMode、组态王、力控。
其中，组态王软件是国内开发较早的软件，界面操作灵活方便，有较强的通信功能，对比使用便捷性和功能性，本设计采用组态王软件。
第二章硬件设计
2.1硬件配置
2.1.1西门子S7-200PLC
西门子S7—200系列PLC以其极高的可靠性、丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通信能力、丰富的扩展模块而适用于各行各业各种场合中的检测、监测及控制的自动化，其强大功能使其无论独立运行或连成网络皆能够实现复杂控制功能。
S7—200系列PLC在集散自动化系统中发挥其强大功能，使用范围从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括水电、核电、火电、各种输电、用电设施，各种机床、机械，环境保护设备及运动系统等。
SIMATICS7—200PLC系统构成包括基本单元（CPU模块）、扩展单元（接口模块）、编程器、通信电缆、存储卡、写入器、文本显示器等。
（1）基本单元（CPU）
S7-200CPU将一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，组成了一个功能强大的PLC。
CPU的主要功能使进行逻辑运算及数学运算，并协调整个系统的工作。
西门子提供多种型号的CPU以适应不同的应用要求，每种型号都具有不同的数字量I/O点数、内存容量等规格参数。
目前提供的S7-200CPU型号有CPU221、CPU222、CUP224、CPU226、CPU226XM，其规格表如下：
表2.1西门子S7-200各型号参数
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU224XP
CPU226
外观尺寸mm
90
80
62
90
80
62
120.5
80
62
140
80
62
190
80
62
程
序
存
储
器
带运行模式下编辑
4096字节
4096字节
8192字节
12288字节
16384字节
不带运行模式下编辑
4096字节
4096字节
12288字节
16384字节
24576字节
数据存储器
2048字节
2048字节
8192字节
10240字节
10240字节
掉电保护时间
50小时
50小时
100小时
100小时
100小时
本
机
I/O
数字量
6输入/4输出
8输入/6输出
14输入/10输出
14输入/10输出
24输入/16输出
模拟量
----
----
----
2输入/1输出
----
拓展模块数量
0个模块
2个模块
7个模块
7个模块
7个模块
高
速
计
数
器
单向
4路30KHZ
4路30KHZ
6路30KHZ
4路30KHZ
2路200KHZ
6路30KHZ
两相
2路20KHZ
2路20KHZ
4路20KHZ
3路20KHZ
1路100KHZ
4路20KHZ
脉冲输出DC
2路20KHZ
2路20KHZ
2路20KHZ
2路100KHZ
2路20KHZ
模拟电位器
1
1
2
2
2
实时时钟
卡
卡
内置
内置
内置
通讯口
1S-485
1S-485
1S-485
2RS-485
2RS-485
浮点数运算
是
数字I/O映像大小
256（128输入/128输出）
布尔型执行速度
0.22毫秒/指令
对比较以上数据，考虑到传感器采取数据为模拟量，故而本文选择采用CPU224XP，由于本设计外部设备较少，故而不再对电源供电等方面进行讨论，PLC内部电源即可满足需求。
（2）扩展模块EM235
为满足工业控制要求，S7—200PLC配有模拟量输入输出模块EM235，它具有4个模块量输入通道，1个模拟量输出通道。
该模块的模拟量输入功能同EM231模拟量输入模块，特性基本相同，只是电压输入范围有所不同；该模块模拟量输出功能同EM232模拟量输出模块，特性参数也基本相同。
该模块需要DC24V供电，可由CPU模块的传感器电源DC24V/400mA供电，也可由用户设置外部电源，本设计采用模块数量较少，从经济角度和工业结构稳定角度考虑内部供电。
下表描述了如何用设定开关DIP设置EM235模块，开关1到开关6可选择模拟量输入范围和分辨率，所有输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。
其中，开关6为选择单双极性、开关4和5为选择增益，开关1、2和3为选择衰减。
表2.2EM235设定开关DIP
本设计选择单极性，开关为010001。
（3）编程/通信电缆
编程/通信电缆是PLC用来实现与个人计算机PC通信的，连接PLC的RS485口和计算机的RS232可以用PC/PPI电缆。
西门子PC/PPI电缆带有RS232/RS485电平转换器，是PC标准串口RS232到PPI接口（PLC通信端口RS485）的转换电缆、互连电缆，是一种低成本的通信方式。
适用于西门子S7—200系列PLC，支持PPI协议和自由口通信协议，并可使用MODEM（调制解调器）通过电话线远程通信。
PC/PPI电缆具有光电隔离和内置的防静电、浪涌等瞬态过电压保护电路，能够很好的保护电路，解决通信口易烧的问题。
表2.3PC—RS232插头和PPI—RS485插头的信号定义
PC—RS232插头
PPI—RS485插头
针号
信号说明
针号
信号说明
2
接受数据RD（从PC/PPI输出）
2
24V电源负极（RS485逻辑地）
3
发送数据SD（输入到PC/PPI）
3
RS485信号B（RxD/TxD+）
4
数据终端就绪DTR
7
24电源正极
5
地（RS232逻辑地）
8
RS485信号A（RxD/TxD-）
7
请求发送RTS
9
协议选择
将PC/PPI电缆的RS485插头插入S7—200PLC的编程口，RS232插头插入PC的RS232口，并在编程软件上选择对应的COM口号，将10bit、11bit选择开关拨到11bit位置即可。
PC/PPI电缆的波特率为0—28.8kbit/s自动适应无需设置。
考虑到本设计PC机与PLC需要进行长距离通信，需要外接电源，并且在RS485插头3、8之间并接120Ω终端电阻以消除信号反射。
2.1.2热电偶
热电偶是目前热电测温中普遍使用的一种温度计，其工作原理是基于热电效应，可广泛用来测量-200—1300℃范围内的温度。
热电偶温度计具有结构简单，价格便宜，准确度高，测温范围广、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。
由于热电偶直接将温度转换为热电势进行检测，使温度的测量、控制、远传以及对温度信号的放大和变换都非常方便，适用于远距离测量和自动控制。
在接触式测温方式中，热电偶温度计应用最为普遍。
在我国常用用的热电偶达数十种，国际电工委员会IEC对其中已被国际公认的8种热电偶制定了国际标准，这些热电偶称为标准热电偶。
标准热电偶已列入工业化标准文件中，文件规定了其热电势与温度之间的关系、答应误差、并具有统一的分度表，标准热电偶具有与其配套的显示仪表可供选用；与此对应，非标准化热电偶在适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。
本设计选择K型热电偶（镍铬－镍硅），其长期使用温度为-270—1000℃，短期使用温度可达到1300℃，在工业中应用最多，适应氧化性环境、线性度好。
下表为其分度表部分内容，参考端温度为0℃。
表2.4K型热电偶分度表（节选）
由温度传感器检测来的信号不是标准的电压（电流）信号，不能够直接传送给PLC，因此温度传感器采集到的温度信号要经过变送器的处理以后才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。
温度变送器由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。
它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后，再由线性电路消除热电势与温度的非线性误差，最后放大转换为4～20mA电流输出信号。
为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故，变送器中还设有断电保护电路。
当热电偶断丝或接解不良时，变送器会输出最大值（28mA）以使仪表切断电源。
由于本设计采取了K型热电偶传感器，故而热电偶温度变送器采用K型热电偶温度变送器。
2.1.3电力调整器
本设计采用的锅炉为电阻炉，电阻炉是基于电阻发热原理的加热设备。
电阻炉温度控制系统一般包
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