基于PLC的温度控制系统的设计.doc

基于PLC的温度控制系统的设计

27
2020年4月19日
文档仅供参考
1 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，而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，实时显示当前温度值。

1.3 设计目标
经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、语言表示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。
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，同时还能够扩展各种功能模块。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
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，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4-20mA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：SW1～SW3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。常见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。标准化热电偶中国从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中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0～10mA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，完全能够满足要求，投入成本低，操作方便直观而且容易维护。温度测量与控制是热电偶采集信号经过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 系统变量定义及分配表
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运行时，该位始终为1
2
特殊标志位存储器2
SM0.1
首次扫描时该位为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
设置中断控制字节（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AC0
12
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AC0
13
实数除法运算指令
DIV_R
累加器AC0中的值除以3 后再送入AC0
14
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3 相乘结果送入累加器AC0
16
实数到双整数转换指令
ROUND
累加器AC0中的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中的值转换后存入累加器AC0

2.2.2 I/O分配表
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
启动指示灯
Q0.1
停止指示灯
Q0.2
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
Q0.5

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
运行PLC

初始化运行指示

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

物体的温度上升？
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能够。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能够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。字符之后还能够加入奇偶校验位。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轮询时才作出响应。
主设备与从属装置的通讯将经过按PPI协议进行管理的共享连接来进行。

图4—1
如果在用户程序中激活PPI主设备模式，则S7--200 CPU在处于RUN（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，它将依然作为从属装置对来自其它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既能够经过PPI多台主设备电缆连接，也能够经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OP）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据变量。基本类型的变量能够分为“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。因此需要在创立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：
Bit：1位， 0或1
Byte：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，可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，还能够丰富远程控制指令，以应对运行过程中的各种突发事件，增加其它PLC，经过构建复杂的多级网络适应大型的工业控制，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, . [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, .
[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].中国水利水电出版社, . [8] 柳梁.编程控制器（PLC）入门PLC及其硬件组成[J].计算机时代,1996（5）. [9] 毛联杰.S7-300系列PLC与组态软件Wincc实现通信的方法[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的实用方法[J].设备管理与维修, . [11] 焦海生.可编程程序控制器梯形图的顺序控制设计[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的应用[J].河南科技学院学报, （3）.
[13] 张仑.可编程序控制器中PID控制的研究[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的应用[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.现代电气控制及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：带功能注释的源程序