S7200温度控制.docx

1、S7200温度控制 硬件配置和软件环境实验配置 西门子S7-200S7-200系列PLC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、文本显示器等。本论文采用的是CUP224。它具有24个输入点和16个输出点。S7-200系列的基本单元如表3-1所示13。表3-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型 号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221640S7-200CPU222862个扩展模块S7-200CPU22414107个扩展模块/S7-200CPU224XP24167个扩展模块S7-200CPU22624167

2、个扩展模块 传感器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、允许误差、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。本论文才用的是K型热电阻14。】 EM 231模拟量输入模块传感器检测到温度转

3、换成041mv的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里，我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。EM231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允许连接微小的模拟量信号(80mV范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM231模块需要用户通过DIP开关进行选择的有：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，用户可以很方便地通过位于模块下部的组态DIP开关进行以上选择，如图3-2所示。本设计采用的是K型热电偶，结合其他的需要，

4、我们设置DIP开关为00100000。对于EM231 4TC模块，SW1SW3用于选择热电偶类型，见表3-3 。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用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿，见表3-415。为了使DIP开关设置起作用，用户需要给PLC的电源断电再通电。图3-2 EM231模块DIP开关表 3-3 热电偶类型选择热电偶类型【SWISW2SW3J（默认）000K001T010E011R10；0S101N110+/-80mv1！11表 3-4 热电偶其他设置DIP开关功能开/关状态SW5熔断方向正向标定0负定方向1SW6断线启动断

5、线测量电流0禁止断线测量电流1SW7测量单位摄氏0华氏1&SW8冷端启用冷端补偿启用0冷端补偿禁止1 STEP 7 Micro/WIN32软件介绍 STEP 7-MWIN32编程软件是基于Windows的应用软件，是西门子公司专门为SIMTIC S7-200系列PLC设计开发的。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机功能。用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状态，该软件是SIMATIC S7-200拥护不可缺少的开发工具安装STEP 7-MWIN32 在开始安装的时候是选择语言界面，对于版本来说，这时候没有选择中文的，但可以先选择其他语言，见图3-5。等软件安装好之后再进

6、行语言的切换。 图 3-5 语言选择界面 在安装的最后，会出现一个界面，按照硬件的配置，我们需要用232通信电缆，采用PPI的通信方式，所以要选择PPI/PC Cable(PPI)，这个时候在弹出来的窗口中选择端口地址，通信模式，一般选择默认就可以了，见图3-6。 图 3-6 通信设置界面 如果想改变编程界面的语言，可在软件的主界面的工具栏中选择tools目录下选择option选项，在出现的界面中选择general,然后在右下角就可以选择中文了。见图3-7所示。图3-7 语言重设界面 系统参数设置|系统块用来设置S7-200 CPU的系统选项和参数等。系统块更改后需要下载到CPU中，新的设置才

7、能生效。系统块的设置如下，需要注意的是，PLC的地址默认是2，但本设计中需要用到的地址是1，如图3-8。通信端口的设置，同样的，我们用到的地址是1，如图3-9所示。实数比例常数，可正可负16采样时间（Ts）实数单位为s，必须是正数20采样时间（Ti）实数单位为min，必须是正数24|微分时间（Td）实数单位为min，必须是正数28积分项前值（MX）实数必须在之间32过程变量前值（PVn-1）实数必须在之间、1) 回路输入输出变量的数值转换方法 本文中，设定的温度是给定值SP，需要控制的变量是炉子的温度。但它不完全是过程变量PV，过程变量PV和PID回路输出有关。在本文中，经过测量的温度信号被转

8、化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。温度输入变量的数10倍据转化。传感器输入的电压信号经过EM231转换后，是一个整数值，他的值大小是实际温度的把A/D模拟量单元输出的整数值的10倍。但PID指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。使用指令DTR就可以了。如本设计中，是从AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。其转换程序如下:MOVW AIW0, AC1DTR AC1, AC1MOVR AC1, VD1002) 实数的归一化处理因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值之间，所

9、以，在执行PID指令之前，必须把PV和SP的值作归一化处理。使它们的值都在之间。归一化的公式如: （）？式中, 标准化的实数值； 未标准化的实数值; 补偿值或偏置，单极性为，双极性为; 值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000.双极性为6400。本文中采用的是单极性，故转换公式为: （）因为温度经过检测和转换后，得到的值是实际温度的10倍，所以为了SP值和PV值在同一个数量值，我们输入SP值的时候应该是填写一个是实际温度10倍的数，即想要设定目标控制温度为100时，需要输入一个1000。另外一种实现方法就是，在归一化的时候，值域大小可以缩小10倍，那么，填写目标温度的时候就可以

10、把实际值直接写进去19。3)回路输出变量的数据转换本设计中，利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。回路的输出值是在之间，是一个标准化了的实数，在输出变量传送给D/A模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。这一过程是实数值标准化过程。 （） S7-200不提供直接将实数一步转化成整数的指令，必须先将实数转化成双整数，再将双整数转化成整数。程序如下：ROUND AC1, AC1DTI AC1, VW34 PID参数整定PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论

11、计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。/经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表4-12所示。 表 4-12温度控制器参数经验数据被控变量规律的选择比例度积分时间（分钟）微分时间（分钟）温度滞后较大20603103实验凑试法的整定步骤为先比例，再积分，最后微分。 1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 2）整定积分环节先将步骤1）中选择的比例系

12、数减小为原来的5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 3）整定微分环节环节先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数20。根据反复的试凑，调出比较好的结果是P=120. I= D=。（ 第五章 程序设计方案设计思路PLC采用的是的S7-200，CPU是224系列，采用了5个灯来显示过程的状态，分别是运行灯，停止灯，温度正常灯，温度过高（警示灯）灯，和加热灯，可以通过5个灯的开关状况判断加热炉内的大概情况。K型传

13、感器负责检测加热炉中的温度，把温度信号转化成对应的电压信号，经过PLC模数转换后进行PID调节。根据PID输出值来控制下一个周期内（10s）内的加热时间和非加热时间。在加热时间内使得继电器接通，那加热炉就可处于加热状态，反之则停止加热21。1) 硬件连线如图5-1所示。 图 5-1 硬件连线图2) I/O点地址分配如表5-2所示。| 表 5-2 I/O点地址分配地址名称功能启动按扭按下开关，设备开始运行开关按钮&按下开关，设备停止运行保护按钮按下开关，终止加热运行灯灯亮表示设备处于运行状态停止灯灯亮表示设备处于停止状态#温度状态指示灯（正常灯亮表示炉温在正常范围内温度状态指示灯（危险）灯两表示

14、炉温过高，处于危险状态固态继电器灯亮表示加热炉正处于加热阶段3）程序地址分配如表5-3所示。 表 5-3 内存地址分配/地址说明VD0用户设定比例常数P存放地址VD4用户设定积分常数I存放地址VD8用户设定微分常数D存放地址VD12目标设定温度存放地址（VD16系统运行时间秒存放地址VD20系统运行时间分钟存放地址VD30当前实际温度存放地址VW34一个周期内加热时间存放地址VW36一个周期内非加热时间存放地址4） PID指令回路表如表5-4所示。 表 5-4 PID指令回路表地址名称说明VD100过程变量（PVn）必须在之间VD104给定值（SPn）：必须在之间VD108输出值（Mn）必须在

15、之间VD112增益（Kc）比例常数，可正可负VD116采样时间（Ts）单位为s，必须是正数VD120！采样时间（Ti）单位为min，必须是正数VD124微分时间（Td）单位为min，必须是正数VD128积分项前值（MX）必须在之间VD132过程变量前值（PVn-1）必须在之间. 程序流程图程序流程图如图5-5所示，1个主程序，3个子程序。温度高于限制温度温度低于限制温度 温度小于限制温度 图 5-5 程序流程图助记符语言表主程序LD 84到VD4MOVR , VD8 ，主程序/使停止指示灯亮/使加热运行灯亮/ 调用子程序0/ 调用子程序1/每10秒接通1次/每10秒调用1次子程序2/ T51不

16、接通时处于加热状态/ 每10秒接通一次/ 调用子程序1/ 调用子程序0子程序0/ 温度小于84度，接通，关闭/温度小于84度，接通，关闭】/设定温度/D值/I值/P值/ 把D值传进PID回路/ 把P值传进PID回路/把采样时间传进PID回路/ 把设定温度传进PID回路子程序2/计算运行时间，单位分?/ 得到下一周期的加热时间/ 得到下一周期的不加 热时间/ 对PID回路的输出值进行归一化处理/计算运行时间，单位秒/调用PID回路MI/MMI翻译为人机接口软件，SCADA翻译为监视控制和数据采集软件。国内外的主要产品有wonderware公司的InTouch软件，Intellution公司的FI

17、X软件，CIT公司的Citech软件，Simens公司的Wincc软件，亚控公司的组态王，华富计算机公司的Controx软件，力控公司的ForceControl软件和北京昆仓公司的MCGS软件22。组态王的介绍组态王开发监控系统软件是众多组态软件里面的一种，组态王是一个具有丰富功能的HMI/SCADA软件。可用于工业自动化的过程控制和管理监控。它提供了集成、灵活、易用的开发环境和广泛的功能，能够快速建立、测试和部署自动化应用，来连接、传递和记录实时信息。使用户可以实时查看和控制工业生产过程。该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改

18、灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果23。组态画面的建立本论文的组态软件采用亚控公司的组态王版本。组态软件提供了可视化监控画面，包括动画，实时趋势曲线，历史趋势曲线，实时数据报表，历史数据报表，实时报警窗口，历史报警窗口，配方管理等等的功能。可方便地监视系统的运行。并可在在线修改程序参数，有利于系统的性能发挥。6.3.1创建项目 双击组态王的快捷方式，出现组态王的工程管理器窗口，双击新建按扭，按照弹出的建立向导，填写工程名称。然后打开刚建立的工程。进

19、入组态画面的设计,如图所示。 图 新建工程画面1）新建画面进入工程管理器后，在画面右方双击“先建”，新建画面，并设置画面属性，如图所示，包括画面名称，注释，画面位置，画面风格，画面类型和背景颜色等。如下图。点击确定，就会出现，画面就会自动打开。画面的工具栏里面，可以选择工具箱，调色板，线形等在画面中显示，这些在画图的时候经常需要用上。 图 新建画面 2）新建变量要实现组态王对S7-200的在线监控，就先必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者间的数据变量。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，不跟被监控的设备进行交换。而I/O变量是两者之间互相交换数据

20、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，如图所示。本文中，PLC用内存VD30来存放当前的实际温度值。并规定温度超过105为温度过高，立刻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，如图所示。【图 定义画面变量设置 图 定义变量报警建立主画面 如图所示，在该画面中，仿真实物设备的连接，通过设置开关按扭和关闭按扭来控制系统的启动和停止。旁边的指示灯，与对应绿色表示系统在运行，红色表示系统停止运行。加热炉的指示灯是表

21、示加热炉的加热状态，与对应绿色（亮），表示系统处于加热状态，黑色（暗）表示炉正处于加热状态。炉子的温度可以在画面中显示出来。; 图 主画面设置建立趋势曲线画面实时趋势曲线可在工具箱中双击后在画面直接获得。实时趋势曲线随时间变化自动卷动，可快速反应变量的新变化，但不能查询过去的情况，其画面时间跨度可以通过动画连接中“表示定义设置”，一个画面最多可以设置四条曲线，本文只需要用到两条曲线，绿色曲线表示设定的温度，红色曲线表示当前实际温度。X方向表示时间，Y方向表示变量的量程百份比。Y轴上不能直接出现实际的过程值，但可以通过工具箱的文本进行对应的标记，本文中设置了量程是200，故处的X方向表示100。

22、另外，在画面中设置了返回按扭，点击就可以返回到主画面。如图所示。 图 实时趋势曲线设置 历史趋势曲线可在图库管理器中得到。历史趋势曲线可以查询查询过去的情况。 历史趋势曲线需要事先建立两个内存变量，分表是调整跨度和举动百分比。调整跨度是为了设置画面跨度的时间。以秒为单位，可以输入3600，表示跨度为1个小时。卷动百分比是为了控制一次卷动的时间跨度，最小值是0，最大值是100。历史趋势曲线可设置8条曲线，本文只采用了两条。X表示时间，Y表示百分比，需要另外标识实际的温度。另外，画面中设置了炉温度的在某段时间内的最大值最小值和平均值，时间段可以在画面中通过按扭选择。这里需要应用到一个函数，HTGe

23、tValueAtZone，例如，需要输出最小值，那么需要输入函数HTGetValueAtZone ( 历史曲线,2, MinValue );，如图所示。，图 历史趋势曲线设置建立数据报表1）建立实时数据报表 数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。数据报表有实时数据报表和历史数据报表，既能反应系统实时的运行情况，也能监测长期的系统运行状况。在组态王的工具箱内选择“报表工具”，在数据报表画面中绘制报表，双击窗口灰色部分，在弹出的画面中填写控件名为“实时数据报表”，并设定行数和列数。设置报表时间：在B4，C4单元中分别输入“=Date($年,$月,$日) ”和“=Time($时,$分,$秒)”，这样在系统运行的时候，B4就可以显示当前的日期，C4中就可以显示当前时间。显示变量的实际值：利用数据改变命令语言和报表函数。选种A4单元，在数据改变命令语言中输入ReportSetCellValue(实时报表,4,1 , 当前实际温度VD30);，如图所示。图 命令语言设置2）建立历史数据报表如图所示，创建历史报表和表格样式设计与实时数据报表一