PLC控制系统软件设计基于PLC和1组态王的温度控制系统设计毕业论文.docx

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PLC控制系统软件设计基于PLC和1组态王的温度控制系统设计毕业论文

本科生毕业论文（设计）

参考文献

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 Inthispaper,weconsiderautomatictemperaturecontrolsystemwhichisthemostimportantpartinblastfurnaceoperation.Ingeneral,automatictemperaturecontrolforblastfurnaceisverydifficultandsensitivebecauseitisaffectedbyanumbe.....

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附表一、毕业论文开题报告

论文（设计）题目：

基于PLC和组态王的温度控制系统设计

研究背景、意义：

在工业生产过程中，温度是最常见的过程参数之一。

在冶金、化工、电力、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

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。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为PID控制。

可编程控制器（PLC）是一种应用非常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。

基于PLC的温度控制系统以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、能耗低等优点深受许多用户的青睐，在工业温度控制场合得到了广泛的应用。

同时，人机界面的出现可以使用户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。

研究内容：

本论文研究的是PLC技术在温度监控系统上的应用。

从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。

设计方法：

通过西门子PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过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。

同时利用组态软件组态王设计一个人机界面（HMI），通过串行口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。

总体上包括的技术路线：

硬件设计，软件编程，参数整定等。

相关支持条件：

西门子PLC控制器组态软件组态王

预期成果：

在西门子工控产品PLC和组态王的基础上，我们设计出反应迅速，控制精度高、抗干扰能力强、稳定可靠的温度控制系统。

结合人机界面，系统美观易懂，操作简单快捷。

设计进度：

预计5个月可完成：

第1个月：

重点学习西门子PLC和组态软件的使用方法。

第2个月：

PLC控制系统和控制器的设计。

第3个月：

人机界面的设计。

第4个月：

对整个系统进行全方位的调试及完善。

第5个月：

论文写作。

学生签名：

年月日

指导教师意见：

1、同意开题（）2、修改后开题（）3、重新开题（）

指导教师签名：

年月日

附表二、毕业论文过程检查情况记录表

指导教师分阶段检查论文的进展情况（要求过程检查记录不少于3次）：

第1次检查

学生总结：

控制系统硬件设计。

在掌握了可编程控制器（PLC）的组成、工作原理以

及充分了解被控对象的基础上，选择了西门子S7-200系列PLCCPU226为控制

器，K型热电偶作为温度检测传感器，再加上固态继电器和烤炉组成了温度控

制系统。

根据硬件连接图完成控制系统实际的硬件连接。

指导教师意见：

第2次检查

学生总结：

控制系统软件设计。

认真学习PLC的功能指令，在掌握系统硬件工作过程

的基础上画出控制程序流程图，然后利用编程软件STEP7--Micro/WIN编写了

梯形图程序。

编程时应用了编程软件自带的PID指令向导模块，使得程序结构

简单，更容易理解。

指导教师意见：

第3次检查

学生总结：

人机界面设计。

在比较了西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及

国产的组态王等组态软件后，发现组态王更容易操作且能达到我们的要求，所

以我们用组态王做出了控制系统监控界面，包括主界面、设定画面、实时趋势

曲线、历史趋势曲线和报警窗口等画面。

这样，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。

指导教师意见：

第4次检查

学生总结：

对整个系统进行多次测试后得出结果，完成了整个论文的撰写。

指导教师意见：

学生签名：

年月日

指导教师签名：

年月日

总体

完

成

情

况

指导教师意见：

1、按计划完成，完成情况优（）

2、按计划完成，完成情况良（）

3、基本按计划完成，完成情况合格（）

4、完成情况不合格（）

指导教师签名：

年月日

附表三、毕业论文答辩情况

答辩人

专业

论文（设计）题目

答辩小组成员

答辩记录：

记录人签名：

年月日

摘要

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西门子公司S7-200系列的可编程控制器和亚控公司的组态软件组态王的炉温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。

实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。

关键词：

温度控制可编程控制器人机界面组态王

Abstract

ProgrammableLogicController（PLC）isakindofautomaticcontrolequipmentwhichiswidelyusedintheindustrialmanufacture.Itmergesthetraditionalcontroltechnology,computerandcommunicationtechnologieswithastrongabilitytocontrol,flexibleoperation,highreliabilityandsuitableforlong-termcharacteristicsofcontinuouswork.Itisverysuitablefortemperaturecontrolrequirements.

Intheindustrialfield,withtherapidincreaseinthedegreeofautomation,itismoreandmoreimportanttomonitortheprocessofcontrolsystemfortheusers.Theemergenceofhuman-machineinterfacemeetstheneedsofusers.Man-machineinterfacecancomprehensivelymonitorthecontrolsystem,includingprocessmonitoring,alarm,dataloggingandotherfunctions,sothatthecontrolsystemshavebecomeuser-friendlyoperation,theprocessofvisualizationanditwillplaymoreandmoreimportantpartinthefieldofautomaticcontrol.

ThisessaymainlyintroducesadesignoftemperaturecontrolsystemwithSIMATICprogrammablelogiccontroller（PLC）andconfigurationsoftwareKingviewwhichisdevelopedbyBeijingYakongCompany.Whenprogramming,weusethePIDcontrolarithmeticsoftwaremodulewhichiscontainedintheprogramsoftwareSTEP7-MicroWINsothattheprogramlookseasierandoperatesmorequickly.Inordertomonitorthecontrolsystemandprocessdatainactualtime,wedesignedHumanMachineInterface（HMI）withtheconfigurationsoftwareKingview.Theresultofexperimentprovesthatthistemperaturecontrolsystemcouldrunquickly,accuratelyandhavegoodstability,whichistheadvantageofthecontrolsystem.Thiscontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrialtemperaturecontrolfield.

Withthecontinuousdevelopmentofautomaticscienceandtechnology,high-precision,intelligent,user-friendlytemperaturecontrolsystemistheinevitabletrendofdevelopmentathomeandabroad.

Keywords:

TemperatureControlPLCHMIKingview

第一章前言

一.1项目背景、意义

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。

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。

现代PLC以集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定受到普遍欢迎，在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用,尤其适合温度控制的要求。

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。

HMI其实广义的解释就是“使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口”。

举个例子来说，在一座工厂里头，我们要搜集工厂各个区域的温度、湿度以及工厂中机器的状态等等的信息透过一台主控器监视并记录这些参数，并在一些意外状况发生的时候能够加以处理。

这便是一个很典型的SCADA/HMI的运用，一般而言，HMI系统必须有几项基本的能力：

　　实时的资料趋势显示——把撷取的资料立即显示在屏幕上。

　　自动记录资料——自动将资料储存至数据库中，以便日后查看。

　　历史资料趋势显示——把数据库中的资料作可视化的呈现。

　　报表的产生与打印——能把资料转换成报表的格式，并能够打印出来。

　　图形接口控制——操作者能够透过图形接口直接控制机台等装置。

　警报的产生与记录——使用者可以定义一些警报产生的条件。

　　比方说温度过度或压力超过临界值，在这样的条件下系统会产生警报，通知作业员处理[1]。

一.2温控系统的现状

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，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行各业广泛应用[2]。

它们主要具有如下特点:

1）适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。

2）能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。

3）能适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。

4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工职能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。

5）温度控制器普遍具有参数自整定功能。

借助计算机软件技术，温控器具有对控制参数及特性进行自动整定的功能。

有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。

6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。

目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能话、小型化等方面快速发展[3]。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,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世纪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参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没开发出性能可靠的自整定软件。

控制参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。

这些差距，是我们必须努力克服的。

随着我国加入WTO，我国政府及企业对此非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度仪表等工业得到迅速的发展[4]。

随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求愈来愈高，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。

一.3项目研究内容

可编程控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。

其性能优越，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。

PLC的应用已成为一个世界潮流，在不久的将来PLC技术在我国将得到更全面的推广和应用。

本论文研究的是PLC技术在温度监控系统上的应用。

从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。

本论文通过德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过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。

同时利用亚控公司的组态软件“组态王”设计一个人机界面（HMI），通过串行口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。

总体上包括的技术路线：

硬件设计，软件编程，参数整定等。

全论文分七章,各章的主要内容说明如下。

第一章，对温度控制系统应用的背景及国内外的发展状况进行了阐述，指出了本文的研究意义所在。

第二章，简单概述了PLC和人机界面的基本概念以及结构功能等基础内容。

第三章，主要从系统设计结构和硬件设计角度,介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。

第四章，在硬件设计的基础上，详细介绍了本项目软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法，编程软件STEP7--Micro/WIN的介绍以及本项目程序设计。

第五章，详细介绍了如何在亚控公司的组态软件“组态王”的基础上进行人机界面的设计。

第六章，展示了系统运行结果，然后对其分析得出结论。

第七章，总结全文。

第二章PLC和HMI基础

可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLC（ProgrammableLogicController），它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。

二.1可编程控制器基础

二.1.1可编程控制器的产生和应用

20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业领域，由于价格高、输入电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。

1968年，美国通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引发了开发热潮。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。

从此这项技术迅速发展起来。

随着PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。

目前，PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

PLC的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等[5]。

二.1.2可编程控制器的组成和工作原理

PLC