过程控制综合设计单回路温度PLC控制系统设计.docx

西南科技大学专业方向设计报告课程名称： 过程控制综合设计 设计名称： 单回路温度PLC控制系统设计 姓 名： 学 号: 班 级： 自动化0803班 指导教师： 起止日期： 2011/11/152011/12/13 西南科技大学信息工程学院制方 向 设 计 任 务 书学生班级：自动0803班 学生姓名： 韦汉林 学号： 20085082 设计名称：单回路温度PLC控制系统 起止日期：2011/11/152011/12/312-13 指导教师： 姜官武 设计要求：采用西门子S7-200PLC-cpu226模块和EM235模块作为控制系统的主控制器，采集锅炉温度传感器返回的标准信号（15V），采用PID算法对电加热器的电压形成控制，电加热器的控制信号为420mA标准信号。控制要求：（1）设计系统组态界面，对现场形成监控，监控界面由当前锅炉的温度、电加热器的电压、温度报警界线等组成。（2）系统开始运行前，通过组态界面设计输入参数，参数为锅炉温度的控制，输入PID的值，温度的报警界限等。（3）组态界面点击“开始”按钮，系统运行，进入监控界面，监控系统运行。（4）组态界面尽可能美观。方 向 设 计 学 生 日 志时间设计内容11月 7 日确定设计题目的要求11月 8 日分析题目，并在网上查阅相关设计题11月 9 日查阅相关设计题11月10日到图书馆借与设计相关的书籍11月11日阅读借的书，分析书上的设计思路11月12日复习学过的PLC知识11月13日画出设计流程图并复习PLC知识11月14日找老师答疑11月15日学习MCGS的相关知识11月16日学习MCGS，开始绘制温度控制MCGS界面11月17日绘制温度控制MCGS界面11月18日绘制温度控制MCGS界面11月19日学习PLC中PID编程知识11月20日学习PLC中PID模块指令编程知识11月21日S7200中编写PID控制程序11月22日编写实时温度显示程序11月23日编写电压显示程序11月24日编写报警程序11月25日学习MCGS和PLC的连接方法11月26日进行MCGS数据对象设置11月27日和S7200编写的程序结合，进行MCGS中通道连接设置11月29日MCGS监控操作11月30日适当的修改程序12月 1 日MCGS监控成功12月 3 日写设计报告，并上机调试12月 4 日完成设计报告12月 13 日答辩，演示单回路温度PLC控制系统 摘要：本文研究了PLC对单回路温度的PID控制过程以及对组态软件MCGS和模拟量扩展模块EM235的学习与运用。重点学习了step7-200的PID编程模块，理解并掌握了PLC的PID模块的运用于相关的参数设定及整定方法，通过利用step7-200编程，实现了对温度的PID控制。重点学习了组态软件的系统结构以及怎样在组态软件MCGS中绘制相关数据对象以及对数据对象进行相关的属性设置和怎样进行MCGS与PLC的联机调试，通过学习，成功的利用MCGS实现了对温度控制的在线监控。关键词：PLC PID控制 MCGS 温度控制Single loop temperature PLC control systemAbstract：This paper studies the PLC to single loop temperature PID control process and configuration software MCGS and analog quantities EM235 expansion module of the study and the application。Selective learned the step7-200 PID programming module, understand and master the PLC PID module used to related parameters are set and setting method, through the use of step7-200 programming, realize the temperature of the PID control。Selective learned the configuration software system structure and how to the configuration software in the relevant data object MCGS drawing and data objects for related properties Settings and how to do with PLC online adjustment of MCGS, through the study, complement the MCGS of temperature control of on-line monitor successfully。Key words：PLC;PID control；MCGS；temperature control.一、设计目的和意义设计目的：通过某种组态软件，结合实验室已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的温度单回路过程控制系统。意义：在现代工业控制中，温度的控制应用十分的广泛，涉及到生产生活的各个方面。但是在有些情况下，不太适合人们亲临现场工作，而且秉持以人为本的社会主义科学发展观，改善工作人员的工作环境是很有必要的，本课题围绕PLC和MCGS的联机，进行工业现场的在线监控，实现工业自动化生产线的在线监控，不仅能够达到智能的人机界面、智能化控制，而且便于现场技术人员对控制系统的第二次开发。在生产底层有需要合适的控制器，可编程逻辑控制器PLC作为一种新型的工业控制装置，具备了以往控制器件所不具备的优点，譬如：稳定性好，生命长，抗干扰能力强，可以有多种输入输出方式等优点，抗干扰能力是PLC优于其他可编程控制器件的最主要的地方，这就决定了PLC能在复杂的生产线上工作而不至于经常出现不希望的错误，PLC较其他控制器件的优势还有，编程简单，编程人员不需要掌握太多的知识，就能编出好的控制程序来，尤其像PID控制程序更是如此，在像单片机等控制器件中编写PID是很复杂的，在PLC中直接调用PID模块即可。PLC最大的好处是能够在实际的环境中，对实际的需要，可在远程上位机上进行数据的修改，这就是PLC和MCGS的联机，工作人员只需在办公室就可以监控到生产线上的所有运行状况和对生产所要调整的参数进行方便的修改。锅炉的温度控制在现实生活生产中是很普遍也很重要的，可以供暖，发电或者其他的用途，对于不同的场合和不同的时间或许对温度的要求很不一样，这样，就必须能够对锅炉的温度进行方便的设定，而且，由于锅炉这种特殊的装置，不可能让工作人员实时去查看是否是达到了预定的温度，这是不现实也是没有必要的。PLC和MCGS的联机共同作用，使得以上问题很容易就得到解决，通过MCGS组态软件的监控，很容易地便修改了人们预定的值，方便快捷，安全性高，工作量小。二、控制要求（1）设计系统组态界面，对现场形成监控，监控界面由当前锅炉的温度、电加热器的电压、温度报警界线等组成。（2）系统开始运行前，通过组态界面设计输入参数，参数为锅炉温度的控制，输入PID的值，温度的报警界限等。（3）组态界面点击“开始”按钮，系统运行，进入监控界面，监控系统运行。（4）组态界面尽可能美观。三、设计方案论证本课题主要是通过step7-200编出实现PLC的温度控制和MCGS的在线监控，因此，方案很明确。在step7-200上将程序变好，根据需要控制的变量，设定好要使用的变量，编译成功之后下载到PLC中进行调试。通过反复的实验，整定好PID的最佳参数。在线监控使用MCGS，在组态上完美的画出所要观察的对象和要求的各个参数的输入，画好图，设定好各个数据对象之后，进行MCGS与PLC的联机设置，通过以上工作，可以实现在上位机上对锅炉的各个参数如PID参数，设定温度值等进行在线更改，这样就不用更改源程序就可满足锅炉的参数变化而进行方便的设置。四、系统设计1 系统结构图图1 温度控制单回路系统结构图根据系统图可以清楚的看出该设计的控制过程。系统通过把当前的输出值经过温度检测变送之后，通过与给定值 进行比较，将差值送入cpu进行PID运算，通过PID的运算的结果对三项可控硅进行控制，来改变加热电压。2 PID控制算法图2 比例-积分控制算法流程图PID算法的两种形式，一种是PID算法的位置式，另外一种是PID算法的增量，由于位置式在计算过程中需要累加输入误差，而且计算机的任何故障都会使执行机构大幅度变化，因此，常用增量式PID算法：由位置式PID： 可知： 其中： 其中的q1、q2、q3都需要自己给定。图3 位置增量式PID控制算法流程图在plc的编写时，为了简便，直接使用了PID模块。通过工具箱中的PID控制面板进行PID参数的设定与整定。3 EM235的介绍及编程方法EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。通过对EM235的阅读理解，得到了将从AIW0输入的模拟量转换为温度值的转换关系。表1 EM235的常用技术参数模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV 电压（双极性）10V 5V 2.5V 1V 500mV 250mV 100mV 50mV 25mV电流020mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出 10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位在此设计中，用到了EM235的单极性数据格式，通过EM235的模拟量输入口AIW0将温度数据采集进来，通过转换运算转化成实数存在AC0中，利用使之转换为01之间的实数，再通过100，便得到实际的温度值。4 PID回路指令在模拟量的控制系统中，经常用到PID运算来执行PID回路的功能。在本次温度控制中用到了PLC自带的PID回路指令，使用方便且易于理解。PID回路指令运用以回路表中的输入和组态信息进行 PID 运算，PID 回路指令 (包含比例积分微分回路) 是用来进行 PID 运算但是可以进行这种 PID 运算的前提条件是逻辑堆栈栈顶 (TOS) 值必须为该指令有两个操作数TABLE 和 LOOP 其中TABLE 是回路表的起始地址LOOP 是回路号可以是 0 到 7 的整数在程序中最多可以用 8 条PID 指令如果两个或两个以上的 PID 指令用了同一个回路号那么即使这些指令的回路表不同这些 PID 运算之间也会相互干涉产生不可预料的结果.回路表包含 9 个参数用来控制和监视 PID 运算这些参数分别是过程变量当前值 (PVn) 过程变量前值 (PVn-1) 给定值 (SPn) 输出值 (Mn) 增益 (Kc) 采样时间 (Ts) 积分时间 (TI) 微分时间 (TD) 和积分项前值 (MX)为了让 PID 运算以预想的采样频率工作PID 指令必须用在定时发生的中断程序中或者用在主程序中被定时器所控制以一定频率执行采样时间必须通过回路表输入到 PID 运算中。表2 PID回路表参数地址偏移数据格式I/O类型描述过程变量当前值PVn0双字，实数I过程变量，0.0-1.0给定值SPn4双字，实数I给定值，0.0-1.0输出值Mn8双字，实数I/O输出值，0.0-1.0增益Kc12双字，实数I比例常数，正，负采样时间Ts16双字，实数I单位为S，正数积分时间Ti20双字，实数I单位为min，正数微分时间Td24双字，实数I单位为min，正数积分项前值MX28双字，实数I/O积分项前值，0.0-1.0过程变量前值PVn-132双字，实数I/O最近一次PID变量值在PID指令模块的使用中，通常会用输出值Mn做一些输出，因此，对于Mn的计算，应该相当清楚，Mn的计算公式： Mn=Kc*(SPn-PVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPn-PVn)+MX+Kc*(Td/Ts)*( -PVn) PID指令回路的使用3个步骤：I、建立PID回路表；II、入才将的数据进行归一化处理；III、对PID的输出数据进行工程量转换。 建立回路表根据方便记忆的原则，将回路表的首地址写在VD200出，根据回路表的地址偏移量，知道了给给定值或者变量值的地址，对于相应数据的取出很有益。 回路输入量的转化及归一化用PLC控制回路时，要把实际的测量输入值，设定值和回路表中的其他输入参数进行标准化处理，即用程序将他们转化为PLC能够识别和处理的数据，即将他们转化为无量纲的归一化纯量和浮点数的格式。第一步，将工程量值由16位整数转换为实数；第二步，将实数格式的工程实际值转换为0.0-1.0之间的无量纲的值；4：PLC程序结构 根据系统结构图和PID的算法进行程序的编写：图4 程序程序解释网络一的用是将PID回路的给个参数和设定一个初始温度，使得PID工作的时候有相应的参数值。网络二将EM235采集的模拟量输入到PID模块，通过PID模块里的一系列PID的相关计算，从EM235的模拟量输出通道输出一个模拟的控制量，对加热电压进行调节。网络三的作用是，将EM235采集到的模拟量数据进行转换成整数之后，通过VD120变量寄存器保存，一边在MCGS界面输出。网路四的作用，将PID的输出值乘以电压的最大值得到实时加热电压。网络五是一个报警电路，当设定温度值大于实时温度时，加热指示灯亮，当设定温度值等于实时温度值时，温度稳定指示灯亮，表示实时温度就是设定温度，当实时温度大于设定温度值时，报警灯每隔0.5s闪烁一下，表示，温度超过设定温度，提示超调。5 MCGS画面绘制及数据对象设定MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。图5 MCGS组态软件的组成部分MCGS组态软件所建立的每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。由于是初步学习，这次只使用了设备窗口和用户窗口，实时数据库，在报警设置的时候，有到了一点点的运行策略。MCGS组态的操作过程：A 创建工程； B 设计画面流程，设计出需要监控的整体画面；图6 MCGS整体画面C 最终要的一步，怎样让画面动起来，就要进行数据对象的定义。 图7 组态中定义的数据对象在进行数据对象的设定，对于一个初学者来说这是一个比较浩大的工程，开始的时候，只是凭感觉胡乱的设置一番，里面对象的属性是什么意思根本就不知道，结果在进行run的时候才发行，根本就没想象的那么简单，没有书中介绍的那种效果，甚至有的对象都在界面上消失了。通过教材和网上视频的介绍，才慢慢的了解了。6 实时曲线在人机界面，最直观的不是数据，而是有数据组成的曲线，在组态中，在本课题中，得到了液位实时曲线和温度的实时曲线和设定曲线，这样，更能直观的看出实时温度与设定温度的比较。7 MCGS与PLC的连接MCGS组态软件的最终目的就是能和外部硬件控制器进行连接，进行生产现场的实时监控，这是MCGS的受到欢迎的最根本原因。设备窗口时MCGS的重要组成部分，负责建立系统与外部硬件的连接，使得MCGS能从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实行对工业过程的实时监控。连接过程：首先，进入设备窗口，在设备管理中选择通用串口父设备，再在PLC设备中选择西门子S7-200PPI，然后，双击父设备进行接口设置，在西门子S7-200PPI中进行属性设置，在基本属性中的内部属性中将需要监控的变量和输出地址写进去，这是连接至关重要的一步。当在通道调节一栏中，通讯状态为0时，表示MCGS与PLC连接成功。图8 MCGS与PLC连接通道设置MCGS与PLC连接最重要的一步就是正确设置好需要在MCGS界面显示的对象的通道类型，只有将对应的数据对象和正确的通道连接起来，才能在MCGS界面观察到PLC的运行状况，从而通过MCGS对PLC进行监控。五、设计结果及分析 S7200编好的PLC程序编译正确之后，下载到PLC中，开启运行。此时，必须关闭S7200软件，否则MCGS将不能正常监控PLC运行，因为只有一个通信串口。 打开MCGS，F5运行，进入监控界面，此时，可以看到Kp=1000，Ti=0.2，Td=0，Ts=0.2，这是在经过反复调试之后得出的最佳参数组合，通过程序保存起来，直接送入PLC，通过MCGS对PLC的读写，将这几个数字读出来，显示在MCGS界面上。 点击“开”按钮，程序开始运行，设定温度表盘显示初始温度50，实时温度变盘会显示一个实时温度值，相应的表盘也会动作。 在键盘区域，可以更改温度值，和PID的各参数值。图9 MCGS操作键盘 将给定温度设置为50，此时，通过数据窗口设置的到如下设定温度和实时温度对比曲线图。图10 加热过程图11 温度曲线图在实验中，进行加热的时候，得到上面的图形，超出设定温度值大约2度，超调量4%，最后曲线趋于50稳定温度，很合理的控制输出结果。此时的PID参数设定为：图12 PID参数设定值进行实验的时候，由于锅炉的温度降温是很慢的，因此，得到的曲线不是很平滑。和理想的曲线有点偏差。六、结束语刚把设计做完的时候，师兄还在问我，你认为你在这次设计中学到了什么，你不是考研吗，花这么多时间来做，值吗？我的回来是肯定的，首先，我系统的复习了一下PLC，再次，我基本上学会了MCGS的使用和MCGS与PLC的连接，这些，在以后的工作中都是很有用的。在这次方向设计中我领悟到了以下几点：首先，在这次课程设计中知道了从未接触过的MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。其次，让我对PLC产生了更浓厚的兴趣，因为我从资料上了解到了，PLC的应用领域是相当广泛的。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、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。开关量的逻辑控制，这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。模拟量控制，这是我最感兴趣的地方，在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。总之，通过这次课程设计我查阅了大量的资料，无论是在对新知识的了解和对旧知识的巩固都获得了很大的收获。以上是我在这次方向设计中知识方面的扩展和提高，其次，我在这次方向设计中还获得了很多感性方面的认识：首先，以前学的都是理论的东西，最多比较熟悉单片机，从来没接触过真正的工业设备，实验室的锅炉虽然不是真正的工业设备，但是也是工业设备的模型，大体上是一样的，当我接触到这些器件的时候我很兴奋，决心认真做好这次方向设计，把它当做自己的一份工作来对待，心里给自己说，或许你以后就是搞这个的，因此，我投入了我百分百的热情，哪怕用少一点的时间来复习考研，但这也是我抓紧时间做的原因，很多同学借着考研就不做或是叫人帮做，这其实是不应该的，就算自己考研，一定的动手能力还是应该有的，我通过对以往考上研究生的同学了解到，他们在这个阶段也不是一味的就复习考研，他们一样的做设计，再说，动手能力好了，以后对选导师是有好处的。因此，我克服了心里上的障碍，放心的做课程设计。查阅大量的MCGS文字资料和相关视频，明白了MCGS的使用方法，这是我在本次设计中最大的收获，因为我明白了MCGS在工业生产中的重要性，正是有了MCGS软件，使得我们的人类劳力的得到了真正的解放，不用亲临恶劣的生产现场，在舒适的办公室就可以监视所有的生产线和控制生产线上设备的工作状态。我觉得这是人类很聪明的地方，是人类为自己的懒惰找方法的过程，正是在希望懒惰的人们在解放自己的时候，让自己变得不懒惰，反而使自己越来越聪明。再次，我觉得我们过程控制方向正的很有前途。以前听说清华有个烧锅炉的专业还在嘲笑，这么好的学校还有烧锅炉，现在才知道，原来烧锅炉是一门很大的学问啊，不是一般人是烧不好锅炉的。学过程控制必须要有严谨的科学态度和负责的品质。现在是学生在实验室烧锅炉，烧坏了不要紧，重新来过就是，在工程烧锅炉，那可是大挑战啊，不能让你试了一次不行再来，过程控制的专业人员必须要有严谨的科学态度，必须考虑到任何一点可能会影响系统工作的瑕疵，并且加以解决，看来这个行业风险很大啊，我感觉是哦，而且还很有压力，以后在生产中可不会让整个生产线在那里等着你慢慢的调试，你必须编好程序，一试到位。熟话说风险大，回报肯定大了。过程控制方向小到工厂烧锅炉，大到航空航天，这些，都必须要学过程控制的人来实现，可见，学过程控制的人肩负中国强大复兴，这是一点都没错啊。参考文献1 王永华现代电器控制及PLC应用技术北京航空航天大学出版社(第二版)，2008.22 方康宁过程控制系统（第二版）武汉理工大学出版社，2007.23张春峰液位数字PID控制及参数整定西南科技大学计算机系统实验，2011.114EM235西门子S7-200模拟量编程5MCGS 6中国工控网