基于PLC和组态王的温度控制系统设计.pdf

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 成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，应川最 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 成川。同时，人机界面的出现可以使川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川。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。同时利川组态软件组态王设计一个人机界面（HMD,通过审行口与可 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。结合人机界而，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PLC CPU226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STEP7Micro/WIN编写了 梯形图程序。编程时应川了编程软件自带的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Wince、罗克韦尔公司的Rs View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川性。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 巳指导教师签名：年 月 巳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 巳附表三、毕业论文答辩情况答辩记录:答辩人专业论文（设计）题目答辩小组成员记录人签名:年 月 日学术诚信声明本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，所有数据、图片资料均真实可靠。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的作 品或成果。对本论文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确的方式标明。本毕业论文的知识产权归属于培养单位。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名：日期: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川巳益显著。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-Micro WIN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 川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IAbstractProgrammable Logic Controller(PLC)is a kind of automatic control equipment which is widely used in the industrial manufacture.It merges the traditional control technology,computer and communication technologies with a strong ability to control,flexible operation,high reliability and suitable for long-term characteristics of continuous work.It is very suitable for temperature control requirements.In the industrial field,with the rapid increase in the degree of automation,it is more and more important to monitor the process of control system for the users.The emergence of human-machine interface meets the needs of users.Man-machine interface can comprehensively monitor the control system,including process monitoring,alarm,data logging and other functions,so that the control systems have become user-friendly operation,the process of visualization and it will play more and more important part in the field of automatic control.This essay mainly introduces a design of temperature control system with SIMATIC programmable logic controller(PLC)and configuration software Kingview which is developed by Beijing Yakong Company.When programming,we use the PID control arithmetic software module which is contained in the program software STEP 7-Micro WIN so that the program looks easier and operates more quickly.In order to monitor the control system and process data in actual time,we designed Human Machine Interface(HMD with the configuration software Kingview.The result of experiment proves that this temperature control system could run quickly,accurately and have good stability,which is the advantage of the control system.This control system has been widely used in the industrial temperature control field.With the continuous development of automatic science and technology,high-precision,intelligent,user-friendly temperature control system is the inevitable trend of development at home and abroad.Keywords:Temperature Control PLC HMI Kingviewii目录第一章前言.11.1 项目背景、意义.11.2 温控系统的现状.21.3 项目研究内容.3第二章 PLC和HMI基础.52.1 可编程控制器基础.52.1.1 可编程控制器的产生和应用.52.1.2 可编程控制器的组成和工作原理.52.1.3 可编程控制器的分类及特点.82.2 人机界面基础.82.2.1 人机界面的定义.82.2.2 人机界面产品的组成及工作原理.92.2.3 人机界面产品的特点.9第三章 PLC控制系统硬件设计.103.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤.103.1.1 PLC控制系统设计的基本原则.103.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤.113.2 PLC的选型与硬件配置.133.2.1 PLC型号的选择.133.2.2 S7-200 CPU 的选择.143.2.3 EM231模拟量输入模块.143.2.4 热电式传感器.163.3 I/O点分配及电气连接图.173.4 PLC控制器的设计.173.4.1 控制系统数学模型的建立.173.4.2 PID控制及参数整定.19第四章 PLC控制系统软件设计.224.1 PLC程序设计方法.224.2 编程软件 STEP7-MICRO/WI N 概述.234.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍.234.2.2 梯形图语言特点.244.2.3 STEP7-Micro/WIN 参数设置（通讯设置）.254.3 程序设计.274.3.1 设计思路.274.3.2 控制程序流程图.274.3.3 梯形图程序.284.3.4 PID指令向导的运用.314.3.5 语句表（STL）程序.35第五章 基于组态王的HMI设计.37III5.1 人机界面（HMI）设计.375.1.1 监控主界面.385.1.2 实时趋势曲线.395.1.3 历史趋势曲线.405.1.4 报警窗口.405.1.5 设定画面.425.2 变量设置.425.3 动画连接.44第六章系统运行结果及分析.466.1 系统运行.466.2 运行结果分析.476.2.1 温度趋势曲线分析.476.2.2 报警信息分析.49第七章总结.50参考文献.51致谢.52IV第一章 前言1.1 项目背景、意义温度控制在电子、冶金、机械等工业领域应川非常广泛。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川窑、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川高，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,可广泛应川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川于现代工 业的自动控制之中。目前的工业控制中，常常选川PLC作为现场的控制设备，川 于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利川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 监控系统充分利川了 PLC和计算机各自的特点，得到了广泛的应川。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川，尤其适合温度控 制的要求。止匕外，随着工业自动化水平的迅速提高，川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 1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，深受广大川户的喜欢。人机界面（HMD在自动控制领域的作川巳益显著。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川于监控生产过程，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的运川，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，以便巳后查看。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。1.2 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。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川自适应控制、自校正控制、模 糊控制、人工职能等理论及计算机技术，运川先进的算法，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 2参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。温度控制系统在国内各行各业的应川虽然已经十分广泛，但从国内生产的温 度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同巳本、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WT0,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。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。1.3 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的应川已成 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川。本论文研究的是PLC技术在温度监控系统上的应川。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 3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）,通过审行口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监 控，从而使川户操作更方便。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，对温度控制系统应川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STEP7Micro/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。4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（Programmable Logic Controller）,它使川了可编程序的记忆以存储指令，川来执行诸如逻辑、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。2.1 可编程控制器基础2.1.1 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，美国通川汽车公司（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，并从川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川于钢铁、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的应川范围通常可分 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。2.1.2可编程控制器的组成和工作原理PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本相 同。无论是整体式还是模块式，从硬件结构看，PLC都是由CPU、存储器、I/O 接口单元及扩展接口和扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，各部分之 间通过系统总线连接。PLC的基本结构如图2T所示：5图2-1 PLC基本结构图1)CPU(中央处理器)CPU是PLC的核心，由运算器、控制器、寄存器、系统总线，外围芯片、总 线接口及有关电路构成。它的功能是接收并存贮川户程序和数据，川扫描的方式 采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电 源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等，是PLC不可缺少的组 成单元。主要功能包括以下几个方面。(1)接收从编程器或者计算机输入的程序和数据，并送入川户程序存储器存储。(2)监视电源、PLC内部各个单元电路的工作状态。(3)诊断编程过程中的语法错误，对川户程序进行编译。(4)在PLC进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执 行该指令。(5)采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中。(6)按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数 据寄存器的内容。(7)根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。(8)响应中断和各种外围设备(如编程器、打印机等)的任务处理请求。2)I/O 接口PLC是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数 量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即 受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了 PLC的I/O电路，其输入暂存器 6反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块于外界联系来实现的。输入模 块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设 备之间的传递信息的作川。I/O模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入 和模拟量输出等模块。3）存储器存储器（内存）主要川于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。一 般包括系统程序存储器和川户程序存储器两部分。系统程序存储器用于存储整个 系统的监控程序，一般采用只读存储器（ROM）,具有掉电不丢失信息的特性。川 户程序存储器川于存储川户根据工艺要求或者控制功能设计的控制程序，早期一 般采用随机读写存储器（RAM）,需要后备电池在掉电后保存程序。目前则倾向于 采川电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存（Flash Memory）,免去了后备电池 的麻烦。4）电源模块PLC中的电源，是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。电源可分直流和 交流两种类型，交流输入220VAe或H0VAC,直流输入通常是24V。5）智能模块除了上述通川的I/O模块外，PLC还提供了各种各样的特殊I/O模块，如热 电阻、热电偶、温度控制、中断控制、位置控制、以太网、远程I/O控制、打印 机等专用型或智能型的I/O模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。I/O模块 的类型、品种与规格越多，系统的灵活性越好，模块的I/O容量越大，系统的适 应性就越强。6）编程设备常见的编程设备有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PC的专用编程 软件。编程设备川于输入和编辑川户程序，对系统作些设定，监控PLC及PLC 所控制的系统的工作状况。编程设备在PLC的应川系统设计与调试、监控运行和 检查维护中是不可缺少的部件，但不直接参与现场的控制。PLC本质上就是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有计算 7机的许多特点。但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊性。PLC采川循环扫描的工作方式。工作时逐条顺序扫描川户程序，如果一个线圈接 通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需等扫描到该触点时才会动作。2.1.3可编程控制器的分类及特点根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。还有一些PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。还可以按I/O点数 分类，根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型、大型和超大型四 类：I/O点数在256以下为小型PLC；I/O点数在2561024为中型PLC；I/O点数大于1024为大型PLC；I/O点数在4000以上为超大型PLC可编程控制器有可靠性高、编程简单易学、功能强、安装简单、维修方便、采川模块化结构、接口模块丰富、系统设计与调试周期短等特点。2.2人机界面基础随着社会的进步，工业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（HMI Human Machine Interface）以其美观易懂、操作人性化等显著特点，正好 满足这种需求而得到广泛的反用。2.2.1 人机界面的定义人机界面是指连接可编程控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业 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的数字设备，由硬件和软件两部 分组成。82.2.2 人机界面产品的组成及工作原理人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了 HMI产品的 性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选川 8位、16位、32位的处理器。HMI软件分为两部分，即运行于HMI硬件中的系 统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件(如组态王等)。川 户必须先使川组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的审行通讯 口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。2.2.3 人机界面产品的特点(1)系统运行过程清晰化控制过程可以动态地显示在HMI设备上。例如：炉子加热通断可以通过指示 灯亮灭来显示，炉子的温度大小可以川棒图来指示等等，使整个控制系统变得形 象易懂，也更加清晰。(2)系统操作简单化操作员可以通过监控界而来控制过程。可从监控界面上启动和停止系统、设 定温度上下限、设置PID参数等。(3)显示报警控制过程达到临界状态或系统运行错误时会自动触发报警，例如，当炉子温 度超出温度上下限时自动触发报警。(4)数据归档HMI系统可以记录过程变量值和报警信息并归档。例如：通过归档数据，您 可以查看过去一段时间的系统运行情况，过程变量等。(5)报表系统HMI系统可以输出报警和过程值报表。例如，您可以在生产某一轮班结束时 打印输出生产数据网。9第三章PLC控制系统硬件设计在掌握了 PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以 PLC作为主要控制器来构造PLC控制系统。本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。3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤弄懂PLC的基本工作原理和指令系统后，就可以把PLC应川到实际的工程项 目中。无论是川PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的 设计都可以参考图3-1所示的步骤。3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工 艺要求，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉 及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。1.设计原则(1)完整性原则。最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。(2)可靠性原则。确保计算机控制系统的可靠性。(3)经济型原则。力求控制系统简单、实川、合理。(4)发展性原则。适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能 力等方面留有余地。2.评估控制任务根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分 析，特别是从以下几个方面给以考虑。(1)控制规模一个控制系统的控制规模可川该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较 大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采川PLC控制。(2)工艺复杂程度当工艺要求较复杂时，采用PLC控制具有更大的优越性.10(3)可靠性要求目前，当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。(4)数据处理速度若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采川PLC控制将非 常适宜。图3-1 PLC控制系统设计步骤3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部 11设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下5步 进行。1.熟悉被控对象深入了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调 查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共 同解决设计中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对 象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液 压、气动及各仪表等系统间的关系;PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信 联网;系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。2.硬件选择具体包括如下。(1)系统I/O设备的选择。输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传 感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。(2)选择PLCo PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选 择。(3)PLC的I/O端口分配。在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表 中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。(4)绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它部分的电气线路图，包括主电 路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组 成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。(5)计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。3.编写应川程序根据控制系统的要求，采川合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满 足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善 系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容：(1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作 必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或 复位，对某些初始状态进行显示等等。12(2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基 本完成时再添加。(3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以 考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。4.程序调试程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序 模拟调试是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环 境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形 式。(1)硬件模拟法是使用一些硬件设备(如川另一台PLC或一些输入器件等)模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。(2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其 简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采川分段调试的方法，并利 用编程器的监控功能。现场调试。当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现 场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，及时更正软硬件方面的问题。5.编写技术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC 程序以及使川说明书等口叫3.2 PLC的选型与硬件配置3.2.1 PLC型号的选择本温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200系歹U的PLCo S7-200 PLC属 于小型整体式的PLC,本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它的 硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统,也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构 成较复杂的中等规模控制系统。完整的S7-200系列PLC实物如图3-2所示。13图3-2 S7-200系列PLC实物图3.2.2 S7-200 CPU 的选择S7-200 系歹!的 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226 等类型。此系统选用S7-200 CPU226,CPU226集成了 24点输入/16点输出，共 有40个数字量I/O。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模 拟量I/Oo还有13KB程序和数据存储空间空间，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。配有2个RS485通讯口，具有PPL MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4 kbit/s,可用于较高要 求的中小型控制系统口工本温度控制系统由于输入/输出点数不多，本可以使川CPU224以下的类型,不过为了能调川编程软件STEP 7里的PID模块，只能采用CPU226及以上机种。3.2.3 EM231模拟量输入模块本温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成。41mv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，我们选川了西门子EM2314TC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 14过DIP开关进行组态：SW1SW3用于选择热电偶类型，SW4没有使用，SW5 川于选择断线检测方向，SW6川于选择是否进行断线检测，SW7川于选择测量 单位，SW8川于选择是否进行冷端补偿。本系统川的是K型热电偶，所以DIP 开关SW1-SW8组态为00100000；EM231具体技术指标见表3-1。表3-1 EM231技术指标型号EM231模拟量输入模块总体特性外形尺寸：71.2mm X 80mm X