基于PLC的温度控制系统的设计样本.doc

1 引言

1.1 设计目

温度测量和控制对人类寻常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要作用。在许多场合，及时精确获得目的温度、湿度信息是十分重要。近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术发展，温湿度测控芯片也相应登上历史舞台，可以在工业、农业等各领域中广泛使用。

1.2 设计内容

重要是运用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，运营批示灯监控实时控制系统运营，实时显示当前温度值。

1.3 设计目的
通过对温度控制设计，提高在电子工程设计和实际操作方面综合能力，初步培养在完毕工程项目中所应具备基本素质和规定。培养团队精神，科学、实事求是工作办法，提高查阅资料、语言表达和理论联系实际技能。

2 系统总体方案设计
2.1 系统硬件配备及构成原理
2.1.1 PLC型号选取
本温度控制系统采用德国西门子S7-200 PLC。S7-200 是一种小型可编程序控制器，合用于各行各业，各种场合中检测、监测及控制自动化。S7-200系列强大功能使其无论在独立运营中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因而S7-200系列具备极高性能/价格比。
2.1.2 PLC CPU选取
S7-200 系列PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。。S7-200PLC 硬件系统构成采用整体式加积木式，即主机中涉及定数量I/O端口，同步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（PC）或编程器，STEP 7-Micro/WIN编程软件及通信电缆等构成。
表2.1 S7-200系列PLC中CPU22X基本单元
型号
输入点
输出点
扩展模块数量
S7-200CPU221
6
4
0
S7-200CPU222
8
6
2
S7-200CPU224
24
10
7
S7-200CPU224XP
24
16
7
S7-200CPU226
24
16
7

本设计采用是CUP226。它具备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 路模仿量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立30kHz高速计数器，2路独立20kHz高速脉冲输出，具备PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具备PPI通讯合同、MPI通讯合同和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高规定控制系统，具备更多输入/输出点，更强模块扩展能力，更快运营速度和功能更强内部集成特殊功能。可完全适应于某些复杂中小型控制系统。
CPU226模块I/O配备及四肢分派
主机
模块0
模块1
模块2
模块3
CPU226
8IN
4IN/4OUT
4AI/1AQ
4AI/1AQ

I0.0-I2.7/
Q0.0-Q1,.7

I3.0-I3.7
I4.0/Q2.0
AIW0/AQW0
AIW8/AQW4
I4.1/Q2.1
AIW2
AIW10
I4.2/Q2.3
AIW4
AIW12
I4.3/Q2.3
AIW6
AIW14
2.1.3 EM235 模仿量输入/输出模块
在温度控制系统中，传感器将检测到温度转换成4-20mA电流信号，系统需要配备模仿量输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行解决。在这里咱们选取西门子EM235 模仿量输入/输出模块。EM235 模块具备4路模仿量输入/一路模仿量输出。它容许S7-200连接微小模仿量信号，±80mV范畴。顾客必要用DIP开关来选取热电偶类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向：SW1～SW3用于选取热电偶类型，SW4没有使用，SW5用于选取断线检测方向，SW6用于选取与否进行断线检测，SW7用于选取测量方向，SW8用于选取与否进行冷端补偿。所有连到模块上热电偶必要是相似类型。
2.1.4 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。惯用热电偶可分为原则热电偶和非原则热电偶两大类。所调用原则热电偶是指国标规定了其热电势与温度关系、应答误差、并有统一原则分度表热电偶，它有与其配套显示仪表可供选用。非原则化热电偶在使用范畴或数量级上均不及原则化热电偶，普通也没有统一分度表，重要用于某些特殊场合测量。原则化热电偶国内从1988年1月1日起，热电偶和热电阻所有按IEC国际原则生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种原则化热电偶为国内统一设计型热电偶。本论文采用是K型热电阻。
2.1.5 可控硅加热装置
对于规定保持恒温控制而不要温度记录电阻炉采用带PID调节数字式温度显示调节仪显示和调节温度，输出0～10mA作为直流信号输入控制可控硅电
压调节器或触发板变化可控硅管导通角大小来调节输出功率，完全可以满足规定，投入成本低，操作以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0～10mA或4～20mA控制触发板控制可控硅导通角大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路构成。主回路是由可控硅，过电流保护迅速熔断器、过电压保护RC和电阻炉加热元件等某些构成。
2.1.6 系统构成原理图

2.2 系统变量定义及分派表
2.2.1 符号表
序号
符号
地址
注释
1
特殊标志位存储器1
SM0.0
CPU运营时，该位始终为1
2
特殊标志位存储器2
SM0.1
初次扫描时该位为1
3
双字变量存储器1
VD104
将实数0.4送入VD104
4
双字变量存储器2
VD112
将实数0.15送入VD104
5
双字变量存储器3
VD116
将实数0.1送入VD104
6
双字变量存储器4
VD120
将实数30.0送入VD104
7
双字变量存储器5
VD124
将实数0.0送入VD104
8
特殊标志位内存字节
SMB34
设立中断控制字节（SMB34}=100
9
中断连接指令
ATCH
建立中断事件EVNT和程序INT
10
中断容许指令
ENI
条件成立时，容许所有中断事件
11
整数到双整数转换指令
I_DI
模仿量输入映像寄存器AIW0值送入累加器AC0
12
双整数到实数转换指令
DI_R
累加器AC0中值转换后存入累加器AC0
13
实数除法运算指令
DIV_R
累加器AC0中值除以3后再送入AC0
14
回路指令
PID
依照TBL中输入VB108和配备信息对LOOP执行PID循环
15
实数乘法指令
MUL_R
双字变量存储器VD108中内容与3相乘成果送入累加器AC0
16
实数到双整数转换指令
ROUND
累加器AC0中值转换后存入累加器AC0
17
双整数到整数转换指令
DI_I
累加器AC0中值转换后存入累加器AC0

2.2.2 I/O分派表
输入信号
输出信号
名称
地址
名称
地址

脉冲输入
I0.1

启动按钮
停止按钮
启动批示灯
Q0.1
停止批示灯
Q0.2
正常运营批示灯
Q0.3
温度越上限报警批示灯
Q0.4
加热批示灯
Q0.5

2.3 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
运营PLC

初始化运营批示

SM0.1始终为1

调用子程序0

3.1.2 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

物体温度上升？
N

Y
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PID
3）每100ms中断一次子程序进行PID运算。

3.3.3 中断程序，PID计算
1） 模仿信号采样解决，归一化导入PID。
2） DIP程序运算。
3）输出DIP运算成果，逆转换为模仿信号。

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传送
1) 并行数据传送：并行数据传送时所有数据位是同步进行，以字或字节为单位传送。并行传播速度快，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。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适当。
PLC网络传送数据方式绝大多数为串行方式，而计算机或PLC内部数据解决、存储都是并行。若要串行发送、接受数据，则要进行相应串行、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；而在数据接受后，要把串行数据转换成并行数据后再解决。
4.1.2 异步方式与同步方式
依照串行通信数据传播方式不同可以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，然后才是字符自身，最后是停止位。字符之后还可以加入奇偶校验位。异步传送较为简朴，但要增长传送位，将影响传播速率。异步传送是靠起始位和波特率来保持同步。
2) 同步方式：同步方式要在传送数据同步，也传递时钟同步信号，并始终按照给定期刻采集数据。同步方式传递数据虽提高了数据传播速率，但对通信系统规定较高。
PLC网络多采用异步方式传送数据。
4.1.3 网络通讯PPI合同
PPI是一种主从设备合同：主设备给从属装置发送祈求，从属装置进行响应。从属装置不发出讯息，而是始终等到主设备发送祈求或轮询时才作出响应。
主设备与从属装置通讯将通过按PPI合同进行管理共享连接来进行。

图4—1
如果在顾客程序中激活PPI主设备模式，则S7--200 CPU在处在RUN（运营）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”指令从其他S7--200读取数据或将数据写入其他S7--200。当S7--200用作PPI主设备时，它将依然作为从属装置对来自其她主设备祈求进行响应。 对于简朴单台主设备网络，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通讯解决器（CP）卡连接。 在图上部范例网络中，编程站（STEP7--Micro/WIN）是网络主设备。在图下部范例网络中，人机界面（HMI）设备（例如TD 200、TP或OP）是网络主设备。 在两个范例网络中，S7--200 CPU是对主设备祈求进行响应从属装置。

图4—2 单台主设备PPI网络
4.2 上位监控系统组态设计
4.2.1 外部设备定义
组态王把那些需要与之互换数据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“设备配备向导”一步步完毕设备连接。
4.4.2 定义数据变量
要实现组态王对S7-200在线控制，就必要建立两者之间联系，那就需要建立两者数据变量。基本类型变量可以分为“内存变量”和“I/O变量”两类。内存变量是组态王内部变量，不跟监控设备进行互换。而I/O变量时两者之间互相互换数据桥梁，S7-200和组态王数据互换是双向，一者数据发生变化，此外一者数据也跟着变化。因此需要在创立连接前新建某些变量。
本文中，PLC用内存VD0来存储当前实际温度。并规定温度超过105℃为温度过高，及时要作出相应警示信号。 点击工程管理器中“数据词典”再双击右边窗口新建，在浮现定义变量口中填写相应规定项，并可在“报警定义”中设定报警。
4.2.3 数据类型
只对I/O类型变量起作用，共有9种类型：
Bit：1位， 0或1
Byte：8位， 一种字节
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 实现效果
4.3.1 初次上电
初次上电，没有模仿量输入，只显示PID值和当前温度，曲线图为锅炉温度实时曲线图。

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 系统调试及成果分析
5.1 系统调试及解决问题
5.2 成果分析
结束语 （重要写获得效果、创新点及设计意义）
本课题设计了基于PLC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、编程简朴、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等明显特点广泛应用于当代工业自动控制之中。
PID闭环控制是控制系统中应用很广泛一种控制算法，对大某些控制对象均有良好控制效果。组态软件组态王因其简朴易用特点，在HMI设计中深受顾客喜欢而得到广泛使用。 在西门子S7-200系列PLC和组态软件组态王基本上，咱们成功设计出了温度控制系统，该系统达到了快、准、稳效果，也达到了预期目的。再加上由组态王设计人机界面，整个系统操作简朴，控制以便，大大提高了系统自动化限度和实用性。
该温度控制系统也有某些有局限性地方需要改进，编程时咱们用了编程软件自带PID指令向导模块，这样虽然以便，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控制子程序话，控制效果也许会更好。尚有人机界面内容不够丰富，若再加上报表系统、打印功能话，那就更完美了。日后，随着对PLC硬件系统和通信方式进一步理解，还可以丰富远程控制指令，以应对运营过程中各种突发事件，增长其她PLC，通过构建复杂多级网络适应大型工业控制，使该系统运营时更加稳定可靠，性能更加完善。
参照文献

[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,. [2] Frank.D.Petruzella.PLC教程（第三版）[M].北京:人民邮电出版社,. [3] 西门子（中华人民共和国）有限公司.进一步浅出西门子S7-200PLC（第三版）[M].北京： 北京航空航天大学出版社,.
[4] 陈建明.电气控制与PLC应用[M].北京:电子工业出版社,.
[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,.
[6] 袁任光.可编程序控制器选用手册[M].北京:机械工业出版社,.
[7] 戴仙金.西门子S7-200系列PLC应用与开发[M].中华人民共和国水利水电出版社,. [8] 柳梁.编程控制器（PLC）入门PLC及其硬件构成[J].计算机时代,1996（5）. [9] 毛联杰.S7-300系列PLC与组态软件Wincc实现通信办法[J].国内外机电 一体化技术,（4）.
[10] 曲还波.有效扩展可编程控制器I/O实用办法[J].设备管理与维修,. [11] 焦海生.可编程程序控制器梯形图顺序控制设计[J].内蒙古电大学 刊,（6）.
[12] 赵玉英.可编程控制器在电器控制系统中应用[J].河南科技学院学报， （3）.
[13] 张仑.可编程序控制器中PID控制研究[J].电子电气教学学报,（3）. [14] 谢克明,夏路易.可编程控制器原理与程序设计[M].北京:电子工业出版 社,.
[15] 赵阳.西门子S7-300PLC及工控组态软件Wincc应用[J].北京:电子工业 出版社,1997.
[16] 丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京:电子工业出版社,1998.
[17] 王永华.当代电气控制及PLC应用技术[M]北京:北京航天航空大学出版 社,.
[18] 马小军.可编程控制器及应用[M].南京：东南大学出版社，.
[19] 组态王6.53使用手册[M].北京亚控,.
[20] 组态王6.53命令语言函数使用手册[M].北京亚控,.

附录：带功能注释源程序