利用组态王模拟温度控制.docx
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利用组态王模拟温度控制
前言
可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。
在工业领域，随着自动化程度的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面的出现正好满足了用户这一需求。
人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括过程监测、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得操作人性化、过程可视化，在自动控制领域的作用日益显著。
本文主要介绍了基于三菱公司FX2N系列的可编程控制器和亚控公司的组态软件组态王的某一对象温度控制系统的设计方案。
编程时调用了编程软件STEP7-MicroWIN中自带的PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。
利用组态软件组态王设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。
第一章概述···········································2
第二章总方案·········································3
2.1系统框图····································3
2.2下位机设计··································4
2.2.1元件选择································6
2.3上位机设计··································8
2.3.1监控主界面······························9
2.3.2实时趋势曲线····························10
2.3.3历史趋势曲线····························11
2.3.4报警窗口································11
2.3.5设定画面·······························12
2.3.6变量设置·······························13
2.3.7动画连接·······························15
第三章总结·········································17
第四章参考文献·····································17
第一章概述
温度控制在电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。
由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。
目前,仍有相当部分工业企业在用窑、炉等烘干生产线，存在着控制精度不高、炉内温度均匀性差等问题,达不到工艺要求，造成装备运行成本费用高，产出品品质低下，严重影响企业经济效益，急需技术改造。
近年来，国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得了巨大的发展，形成了一批商品化的温度调节器，如:
职能化PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。
在工业自动化领域内,PLC（可编程控制器） 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。
目前的工业控制中,常常选用PLC 作为现场的控制设备,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用HMI 软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示,实现监控、管理、分析和存储等功能 。
这种监控系统充分利用了PLC 和计算机各自的特点,得到了广泛的应用。
在这种方式的基础上设计了一套温度控制系统。
以基于PLC 的下位机和完成HMI功能的上位机相结合,构建成分布式控制系统,实现了温度自动控制。
此外，随着工业自动化水平的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面（HMI）的出现正好满足了用户这一需求。
人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括参数监测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得简单易懂、操作人性化，深受广大用户的喜欢。
人机界面（HMI）在自动控制领域的作用日益显著。
HMI正在成为引导工业生产制造走向成功的重要因素，因为这些系统越来越多的用于监控生产过程，让过程变得更加准确、简洁和快速。
第二章总方案
2.1系统框图
系统整体设计方案及硬件连接图。
系统选用FX2NPLC为控制器，Pt100型热电偶将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过FX2N-4AD模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。
PLC和HMI相连接，实现了系统的实时监控。
整个硬件连接图如图2-1所示。
2.2下位机设计
根据对系统设计内容的分析，确定控制系统所需要的输入输出点数为1/3点。
选用FX2N系列PLC,输入输出点数的分配如表2-1所示，由于系统必须对温度信号进行采集和控制，还必须使用到模拟量输入/输出模块FX2N-4AD模块、晶闸管跳功模块、温度变送器。
整个硬件系统的原理图2-2如下:
下位机总框图2-2
分析简述工作流程:
通过热电偶对被测对象进行温度测量，将测量的结果送到温度变送器，通过温度变送器将模拟量转换为标准1-5V的电压信号。
转换后的标准电压信号通过FX2N-4AD的A/D器转换为PLC可以识别的数字量。
FX2NPLC检测到来自A/D转换后的信号，通过内部的程序进行比较和运算将所得的控制信号输出给固态继电器。
固态继电器按照原先设定的准则进行工作从而控制阀门的开或关，以实现蒸汽量的进或出从而使被控对象得到预期的控制。
电器原理图如下图所示：
下位机设计接线原理图
2.2.1元件的选型
1.温度传感器
温度传感器是用来检测水温的，他将温度信号转换为电信号，再送到变送器。
本次设计选用Pt100铂电阻作温度传感器，铂电阻的阻值变化范围为100.0-138.5欧，经变送器转换后输出4-20mA电流。
2.温度变送器
温度变送器，专应于热电阻或热点偶，将温度转换成4-20MA的电流信号。
本次选用WZPB一体化温度变送器，WZPB一体化温度变送器是温度传感器与变送器的完美结合，以十分简捷的方式把-200~+1600℃范围内的温度信号转换为二线制4~20mADC的电信号传输给显示仪、调节器、记录仪、DCS等，实现对温度的精确测量和控制。
一体化温度变送器是现代工业现场、科研院所温度测控的更新换代产品，是集散系统、数字总线系统的必备产品。
3.PLC控制器
本次设计中，我们将采用FX2n系列PLC,FX系列PLC为单元型，内含CPU、电源和固定搭配的输入/输出。
Q4AR系列为双机热备系列，最大输入输出点数为8192点。
A系列PLC的最大输入输出点数为2048点。
F系列程控器的最大输入输出点数为256点。
三菱小型FX2（N）系列程控器的输入输出点最大不超过256点。
每台主机可连模入、模出、高速记数、定位等特殊功能模块，不超过8个。
FX系列在日本三菱的姬路制作所生产。
目前FX系列PLC为中国内地销量最多的小型PLC。
FX2n系列PLC是该系列中功能最强、速度最快的微型PLC。
有RAM,EPROM和EEPROMFX2N系列PLC的特点超高速的运算速度0.08微秒.比FX2的0.48微秒快六倍.容量极大8K步（最大16K步）.比FX2大四倍.机体小型化比FX2小50%.兼容FX2的编程设计.备有多种不同的FX2N扩展单元及特殊模块.
输入输出点数的分配表
表2-1
功能键设定
辅助继电器
输出继电器
阀门1的控制
M0
Y0
阀门2的控制
M1
Y1
停止加热控制
M2
Y2
总停控制
SB1（外部元件）
X0（内部地址）
根据设计要求，本次设计选用模拟量输入模块FX2N-4AD，该模块用4个12位模拟量输入通道，输入量程为DC-10V+10V和4—20MA，转换速度为15MS/通道或6MS/通道（高速）。
4.调压器
调压器是应用晶闸管（又称可控硅）及其触发控制电路用于调整负载功率的盘装功率调整单元。
本次设计选用PAD-37系列SCR晶闸管作为交流调压器，PAD37系列晶闸管调功器”通过对电压、电流和功率的精确控制，从而实现精密控温。
并且凭借其先进的数字控制算法，优化了电能使用效率。
随着自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。
人机界面（HMIHumanMachineInterface）以其过程可视化、操作员对操作过程可方便的控制等显著特点，很好的满足了这种需求而得到广泛的应用。
工业HMI又称触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。
它一般与PLC等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互。
HMI的主要功能有：
数据的输入与显示；系统或设备的操作状态方面的实时信息显示；报警处理及打印；数据归档和报表系统。
此外，新一代工业人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录及配方等智能化控制功能。
2.3上位机设计
HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成，HMI画面设计对于HMI来说是非常关键的。
HMI画面是用组态软件来做的，常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的组态王、力控等。
在本温度控制系统设计中，我们选择了组态王来完成监控画面的设计。
组态王和其他组态软件相比最大的优势是它操作方便，提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，对于新手来说很容易上手。
我们从北京亚控公司的主页上下载了组态王6.5.1演示版，安装好以后。
双击桌面图标，打开工程管理器，建立工程。
如图所示，最下面的一行是我们新建的工程，工程名称为“组态王”。
双击工程管理器中的工程名，出现工程浏览器。
在工程浏览器中，双击新建图标，新建画面（如图2-3-2所示）。
在这里我们制作了监控主界面、实时趋势曲线、历史趋势曲线、报警窗口等画面。
下面详细介绍每个画面的设计方法。
图2-3-1新建工程
图2-3-2新建画面
2.3.1监控主界面
打开开发系统页面后，点击“图库”，打开图库管理器，把开关、温度仪表、闹钟直接拖进开发页面，再利用工具箱做好“停止”，“温度输入”和“退出”按钮以及报警窗口、参数设置、实时趋势曲线、历史趋势曲线等按钮。
完整的主界面如图2-3-3所示。
运行组态王后，开关变绿色，系统开始运行，目前温度值下面的方框和仪表上都显示当前温度值。
点击“温度控制”会进入参数设定画面，点击“报警窗口”会进入报警画面，实时趋势曲线和历史趋势曲线也是一样。
点击“停止”按钮，系统运行结束，同时开关变红色。
图2-3-3温度控制界面
2.3.2实时趋势曲线
打开开发系统页面后，点击工具箱中的“实时趋势曲线”把实时趋势曲线放进开发页面，然后双击曲线画面，对曲线进行设置，如X轴和Y轴的设置及标示定义等，最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图2-3-4所示的实时趋势曲线画面。
系统运行时，实时趋势曲线会显示当前温度值的变化趋势和设定温度值。
点击“返回主界面”按钮，就会回到主界面。
图2-3-4实时趋势曲线
2.3.3历史趋势曲线
打开开发系统页面后，点击“图库”，打开图库管理器，双击“历史曲线”把它放进开发页面，再双击历史趋势曲线画面，对曲线进行设置，包括曲线定义，坐标系，操作面板和安全属性等设置，最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图2-3-5所示的历史趋势曲线画面。
系统运行时，画面上会记录某段时间内设定温度值和当前温度值的变化曲线。
点击“返回主界面”按钮，就会回到主界面。
2.3.4报警窗口
打开开发系统页面后，点击工具箱中的“报警窗口”把报警窗口放进开发页面，然后双击画面，对报警窗口进行设置，包括通用属性、列属性、操作属性、条件属性、颜色和字体属性的设置。
最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图2-3-6所示的报警窗口画面。
系统运行时，报警窗口会根据当前温度值做出适当的报警。
此项目中我们设置当前温度低于90度时，“报警类型”栏显示当前温度偏低。
当前温度超过105度时，“报警类型”栏显示当前温度偏高。
图2-3-5历史趋势曲线
图2-3-6报警窗口
2.3.5设定画面
设定画面的设计和上面4个画面类似，系统运行时该画面会显示增益Kp、积分时间Ti、微分时间Td、采样时间、温度输入等参数的值。
2.3.6变量设置
打开工程浏览器，点击“数据词典”，再点击“新建”建立“温度”、“输入阀”、“输出阀”、“指示灯”、“Kp”、“Ti”、“Td”、“温度输入”等变量。
其中变量类型和寄存器是最关键的，在组态王和PLC之间传输的变量都是I/O类型的，只在组态王内部需要的是内存型的。
寄存器和数据类型要与程序中一致，否则组态王就不能起到监控作用了。
比如“温度”的寄存器为INCREA200,数据类型为SHORT。
下面我们以温度设置为例来说明变量设置的步骤和方法。
图2-3-7为变量“温度”基本属性设置图，变量类型设置为I/O实数，连接设备为新IO设备，寄存器为INCREA200，数据类型是SHORT。
图2-3-7温度基本属性设置
图2-3-8为变量“温度”报警定义设置图，我们设置了当前温度低于10度时，报警当前温度太低。
当前温度10度到50之间时，报警当前温度偏低。
当前温度大于190时，报警当前温度偏高。
图2-3-8温度报警定义设置
图2-3-9为变量“温度”记录和安全区设置图，我们设置“记录”为数据变化记录，变化灵敏度设为1.这个主要是为历史趋势曲线服务的，若不设置这个，往往历史趋势曲线就出不来或者效果很差。
图2-3-9当前温度记录和安全区设置
2.3.7动画连接
打开主界面，双击“停止”按钮，出现如图2-3-10的动画连接画面。
在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入图2-3-11所示的命令，再点击“确定”，就完成了“停止”按钮的动画连接设置。
这样，点击“停止”后，系统就开始运行。
图2-3-10动画连接
打开主界面，双击目前温度值下面的框，出现如图2-3-10所示的动画连接画面。
在模拟值输出左边打钩，出现模拟值输出连接画面。
点击表达式框右边的问号，选择变量“温度”。
输出格式中设置整数位数为2，小数位数为1，显示格式设置为十进制，最后点击“确定”。
这样，变量“温度”的动画连接设置就完成了。
打开主界面，双击“温度控制”按钮，出现如图2-3-10的动画连接画面。
在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入图2-3-12所示的命令，再点击“确定”，就完成了“温度控制”按钮的动画连接设置。
运行时，点击主界面中的“温度控制”就可以进入设定画面了。
其他按钮的动画连接方法和“停止”按钮类似，只是输入的命令稍有不同。
到这里，整个人机界面（HMI）就完成了。
图2-3-11停止按钮命令语言输入窗口
图2-3-12设定画面命令语言输入窗口
第三章总结
PLC（可编程控制器）以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。
PID闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效果。
组态软件组态王因其简单易用的特点，在HMI设计中深受用户的喜欢而得到广泛的使用。
在三菱FX2N系列PLC和组态软件组态王的基础上，我们成功模拟出了温度控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。
再加上由组态王设计的人机界面，整个系统操作简单，控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。
该温度控制系统也有一些有不足的地方需要改进，编程时我们用了编程软件自带的PID指令向导模块，这样虽然方便，但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大，若不直接调用该模块，而是自己编写PID控制子程序的话，控制效果可能会更好。
还有人机界面内容不够丰富，若再加上报表系统、打印功能的话，那就更完美了。
第四章参考文献
[1]张伟林.电气控制与PLC综合应用技术.人民邮电出版社，2009
[2]黄艳丽黎旭设计与人机界面北京理工大学出版社，2007
[3]高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例.人民邮电出版社，2004
[4]赵燕.可编程控制器原理及应用.中国林业出版社，2006
[5]李方园.人机界面设计及应用.化学工业出版社，2008
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