基于PLC的温度控制系统的设计docdoc.docx

1、基于PLC的温度控制系统的设计docdoc1 引言1.1 设计目的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、 湿度信息是十分重要的。近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿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。1.2 设计内容主要是利用 PLC S7-200 作为可编程控制器，系统采用 PID 控制算法，手动整定或自整定 PID 参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为为一定值，并能实现手动启动和停止， 运行指示灯监控实时控制系统的运行， 实时

2、显示当前温度值。1.3 设计目标通过对温度控制的设计，提高在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养在完成工程项目中所应具备的基本素质和要求。 培养团队精神，科学的、实事求是的工作方法，提高查阅资料、语言表达和理论联系实际的技能。2 系统总体方案设计2.1 系统硬件配置及组成原理2.1.1 PLC 型号的选择本温度控制系统采用德国西门子 S7-200 PLC。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。 S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此 S7-200 系列具有极高的性能 / 价格比。

3、2.1.2 PLC CPU 的选择S7-200 系列的 PLC有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。S7-200PLC硬件系统的组成采用整体式加积木式， 即主机中包括定数量的 I/O 端口，同时还可以扩展各种功能模块。 S7-200PLC由基本单元 （S7-200 CPU模块）、扩展单元、个人计算机（ P C）或编程器， STEP 7-Micro/WIN 编程软件及通信电缆等组成。表 2.1 S7-200 系列 PLC中 CPU22X的基本单元型号 输入点 输出点 扩展模块数量S7-200CPU221 6 4 0S7-200CPU222 8 6 2S7-200CPU

4、224 24 10 7S7-200CPU224XP 24 16 7S7-200CPU226 24 16 7本设计采用的是 CUP226。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 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入 / 输出点

5、，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。CPU226模块的 I/O 配置及四肢分配主机 模块 0 模块 1 模块 2 模块 3CPU226 8IN 4IN/4OUT 4AI/1AQ 4AI/1AQI4.0/Q2.0 AIW0/AQW0 AIW8/AQW4I0.0-I2.7/ I3.0-I3.7 I4.1/Q2.1 AIW2 AIW10Q0.0-Q1,.7I4.2/Q2.3 AIW4 AIW12I4.3/Q2.3 AIW6 AIW142.1.3 EM235 模拟量输入 / 输出模块在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成 4-2

6、0mA的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入 PLC中进行处理。在这里我们选择西门子的 EM235模拟量输入 / 输出模块。 EM235模块具有 4路模拟量输入 / 一路模拟量的输出。它允许 S7-200 连接微小的模拟量信号，80mV范围。用户必须用 DIP 开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向： SW1SW3用于选择热电偶的类型， SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向， SW6用于选择是否进行断线检测， SW7用于选择测量方向，SW8用于选择是否进行冷端补偿。 所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。2.1.4 传感器热电偶

7、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、 应答误差、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 1988 年 1 月 1 日起，热电偶和热电阻全部按 IEC国际标准生产，并指定 S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。本论文采用的是 K型热电阻。2.1.5 可控硅加热装置对于要求保持恒温

8、控制而不要温度记录的电阻炉采用带 PID 调节的数字式温度显示调节仪显示和调节温度， 输出 010mA作为直流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率， 完全可以满足要求，投入成本低， 操作方便直观并且容易维护。 温度测量与控制是热电偶采集信号通过 PID温度调节器测量和输出 010mA或420mA控制触发板控制可控硅导通角的大小， 从而控制主回路加热元件电流大小， 使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。 主回路是由可控硅， 过电流保护快速熔断器、过电压保护 RC和电阻炉的加热元件等部分组成。2.1.6 系统组成原理图2.2

9、 系统变量定义及分配表2.2.1 符号表序 符号 地址 注释号1 特殊标志位存储器 1 SM0.0 CPU运行时，该位始终为 12 特殊标志位存储器 2 SM0.1 首次扫描时该位为 13 双字变量存储器 1 VD104 将实数 0.4 送入 VD1044 双字变量存储器 2 VD112 将实数 0.15 送入 VD1045 双字变量存储器 3 VD116 将实数 0.1 送入 VD1046 双字变量存储器 4 VD120 将实数 30.0 送入 VD1047 双字变量存储器 5 VD124 将实数 0.0 送入 VD1048 特殊标志位内存字节 SMB34 设置中断控制字节（ SMB34=1

10、009 中断连接指令 ATCH 建立中断事件 EVNT和程序 INT10 中断允许指令 ENI 条件成立时，允许所有中断事件11 整数到双整数转换指令 I_DI 模拟量输入映像寄存器 AIW0的值送入累加器 AC012 双整数到实数转换指令 DI_R 累加器 AC0中的值转换后存入累加器 AC013 实数除法运算指令 DIV_R 累加器 AC0中的值除以 32000 后再送入 AC014 回路指令 PID 根据 TBL中的输入 VB108和配置信息对LOOP执行 PID 循环15 实数乘法指令 MUL_R 双字变量存储器 VD108中的内容与 32000 相乘结果送入累加器 AC016 实数到

11、双整数转换指令 ROUND累加器 AC0中的值转换后存入累加器 AC017 双整数到整数转换指令 DI_I 累加器 AC0中的值转换后存入累加器 AC02.2.2 I/O 分配表输入信号 输出信号名称 地址 名称 地址启动指示灯 Q0.1脉冲输入 启动按钮 停止指示灯 Q0.2I0.1停止按钮 正常运行指示灯 Q0.3温度越上限报警指示灯 Q0.4加热指示灯 Q0.52.3 系统接线图设计3 控制系统设计3.1 控制程序流程图设计3.1.1 主程序运行 PLC初始化运行指示SM0.1始终为 1调用子程序 03.1.2 子程序设定温度值导入 PID 设定参数值每 100ms调用一次中断程序中断返

12、回3.1.3 中断程序读入温度并转换把实际温度放入 VD100调用 PID 命令物体的温度上升？NY停止加热 继续加热输出 PID 值3.2 控制程序时序图设计3.3 控制程序设计思路3.3.1 初次上电3.3.2 子程序1）输入设定温度。2）把设定温度、 P值、I 值、D值都导入 PID3 ）每 100ms中断一次子程序进行 PID 运算。3.3.3 中断程序， PID 的计算1）模拟信号的采样处理，归一化导入 PID。2）DIP程序运算。3）输出 DIP 运算结果，逆转换为模拟信号。3.4 创新设计内容4 上位监控系统设计4.1 PLC 与上位监控软件通讯4.1.1 串行数据传送和并行数据

13、传送1)并行数据传送： 并行数据传送时所有数据位是同时进行的， 以字或字节为单位传送。 并行传输速度快， 但通信线路多、 成本高， 适合近距离数据高速传送。2)串行数据传送：串行数据传送时所有数据是按位 (bit) 进行的。串行通信仅需要一对数据线就可以。在长距离数据传送中较为合适。PLC 网络传送数据的方式绝大多数为串行方式， 而计算机或 PLC内部数据处理、存储都是并行的。若要串行发送、接收数据，则要进行相应的串行、并行数据转换，即在数据发送前，要把并行数据先转换成串行数据；而在数据接收后，要把串行数据转换成并行数据后再处理。4.1.2 异步方式与同步方式根据串行通信数据传输方式的不同可以

14、分为异步方式和同步方式。1)异步方式：又称起止方式。它在发送字符时，要先发送起始位，然后才是字符本身，最后是停止位。 字符之后还可以加入奇偶校验位。 异步传送较为简单，但要增加传送位，将影响传输速率。异步传送是靠起始位和波特率来保持同步的。2)同步方式： 同步方式要在传送数据的同时， 也传递时钟同步信号， 并始终按照给定的时刻采集数据。 同步方式传递数据虽提高了数据的传输速率， 但对通信系统要求较高。PLC 网络多采用异步方式传送数据。4.1.3 网络的通讯 PPI 协议PPI 是一种主从设备协议： 主设备给从属装置发送请求， 从属装置进行响应。从属装置不发出讯息，而是一直等到主设备发送请求或

15、轮询时才作出响应。主设备与从属装置的通讯将通过按 PPI 协议进行管理的共享连接来进行。图 41如果在用户程序中激活 PPI 主设备模式， 则 S7-200 CPU在处于 RU（N 运行）模式时可用作主设备。激活 PPI 主设备模式之后，可使用“网络读取”或“网络写入”指令从其它 S7-200 读取数据或将数据写入其它 S7-200 。当S7-200 用作 PPI 主设备时，它将仍然作为从属装置对来自其他主设备的请求进行响应。对于简单的单台主设备网络， 编程站和 S7-200 CPU既可以通过 PPI 多台主设备电缆连接，也可以通过安装在编程站中的通讯处理器（ CP）卡连接。 在图上部的范例网

16、络中，编程站（ STEP7-Micro/WIN）是网络主设备。在图下部的范例网络中，人机界面（ HMI）设备（例如 TD 200、TP 或 O P）是网络主设备。 在两个范例网络中， S7-200 CPU是对主设备的请求进行响应的从属装置。图 42 单台主设备 PPI 网络4.2 上位监控系统组态设计4.2.1 外部设备的定义组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都做为外部设备使用。外部硬件设备在本文中就是 PLC S7-200。可使用“设备配置向导”一步步完成设备的连接。4.4.2 定义数据变量要实现组态王对 S7-200 的在线控制，就必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者的数

17、据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和“ I/O 变量”两类。内存变量是组态王内部的变量， 不跟监控设备进行交换。 而I/O 变量时两者之间互相交换数据的桥梁， S7-200 和组态王的数据交换是双向的，一者的数据发生变化，另外一者的数据也跟着变化。 所以需要在创建连接前新建一些变量。本文中，PLC用内存 VD0来存放当前的实际温度。并规定温度超过 105为温度过高，立即要作出相应警示信号。 点击工程管理器中的“数据词典”再双击右边窗口的新建， 在出现的定义变量口中填写相应的要求项， 并可在“报警定义”中设定报警。4.2.3 数据类型只对 I/O 类型的变量起作用，共有 9 种类型：Bi

18、t ：1 位， 0 或 1Byte：8 位， 一个字节Short ：16位， 2 个字节Ushort ：16 位， 2 个字节BCD：16 位， 2 个字节Long：32位， 4 个字节LongBCD：32位， 4 个字节Float ：32位， 4 个字节String ：128个字符长度4.3 实现的效果4.3.1 初次上电初次上电， 没有模拟量输入， 只显示 PID 值和当前温度，曲线图为锅炉温度的实时曲线图。4.3.2 启动启动后，锅炉开始升温，并维持在 50 摄氏度左右。4.3.3 停止按下停止按钮后，锅炉停止加热，停止灯亮，温度开始下降。4.3.4 报警当温度越上限时，系统报警。5 系

19、统调试及结果分析5.1 系统调试及解决的问题5.2 结果分析结束语 （主要写取得的效果、创新点及设计意义）本课题设计了基于 PLC的温度控制系统。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。 在西门子 S7-200 系列 PLC和组态软件组态王的基础上，我们成功设计出了温度控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了

20、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。 日后， 随着对 PLC硬件系统和通信方式的深入了解， 还可以丰富远程控制指令，以应对运行过程中的各种突发事件，增加其他 PLC，通过构建复杂的多级网络适应大型的工业

21、控制， 使该系统运行时更加稳定可靠， 性能更加完善。参考文献1 SIMATIC S7-200 可编程序控制器系统手册 M. 北京: 机械工业出版社 ,2002.2 Frank.D.Petruzella.PLC 教程（第三版） M. 北京: 人民邮电出版社 ,2007.3 西门子（中国）有限公司 . 深入浅出西门子 S7-200PLC（第三版） M. 北京:北京航空航天大学出版社 ,2007.4 陈建明. 电气控制与 PLC应用M. 北京: 电子工业出版社 ,2009.5 郑凤翼, 金沙. 图解西门子 S7-200 系列 PLC应用 88 例J. 北京: 电子工业出版社,2009.6 袁任光.

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