基于S7 200PLC的温度控制系统的设计

学号 1251401243电气控制与可编程控制技术课 程 设 计（2012 级本科）题 目： 基于 S7-200PLC 的温度控制系统的设计系（部）院： 物 理 与 机 电 工 程 学 院 专 业： 电 气 工 程 及 其 自 动 化 122 班 作者姓名： 杨存恩 指导教师： 关虎昌 职称： 助教 完成日期： 2 0 1 5 年 6 月 20 日0目录1 引言 .21.1 设计目的 .21.2 设计内容 .21.3 设计目标 .22 系统总体方案设计 .32.1 系统硬件配置及组成原理 .32.1.1 PLC 型号的选择 .32.1.2 PLC CPU 的选择 .32.1.3 EM235 模拟量输入/输出模块 .42.1.4 传感器 .42.1.5 可控硅加热装置 .42.1.6 系统组成原理图 .42.2 系统变量定义及分配表 .52.2.1 符号表 .52.2.2 I/O 分配表 .62.3 系统接线图设计 .63 控制系统设计 .63.1 控制程序流程图设计 .63.1.1 主程序 .73.1.2 子程序 .73.1.3 中断程序 .73.2 控制程序设计思路 .83.2.1 初次上电 .83.2.2 启动/停止阶段 .93.2.3 主程序 .113.2.4 子程序 .113.2.5 中断程序，PID 的计算 .134 上位监控系统设计 .144.1 PLC 与上位监控软件通讯 .144.1.1 串行数据传送和并行数据传送 .144.1.2 异步方式与同步方式 .144.1.3 网络的通讯 PPI 协议 .154.2 上位监控系统组态设计 .164.2.1 外部设备的定义 .164.2.2 定义数据变量 .164.2.3 数据类型 .165 结果分析 .176 结束语 .17参考文献 .18附录：带功能注释的源程序 .1911 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，并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 设计目标通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、语言表达和理论联系实际的技能。22 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 0S7-200CPU222 8 6 2S7-200CPU224 24 10 7S7-200CPU224XP 24 16 7S7-200CPU226 24 16 7本设计采用 CUP224。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。CPU224 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 33CPU224 4IN/4OUT 8IN 4AI/1AO 4AI/1AOI3.0-I3.1 AIW0/AQW0 AIW8/AQW4I3.2-I3.3 AIW2 AIW10I3.4-I3.5 AIW4 AIW12I0.0-I1.5/Q0.0-Q1.1I2.0-I2.3I3.6-I3.7 AIW6 AIW142.1.3 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：SW1SW3 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、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 010mA 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，完全可以满足要求，投入成本低，操作方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 010mA 或 420mA 控制触发板控制可4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 12 特殊标志位存储器 2 SM0.1 首次扫描时该位为 13 双字变量存储器 1 VD104 将实数 0.4 送入 VD1044 双字变量存储器 2 VD112 将实数 0.15 送入 VD1045 双字变量存储器 3 VD116 将实数 0.1 送入 VD1046 双字变量存储器 4 VD120 将实数 30.0 送入 VD1047 双字变量存储器 5 VD124 将实数 0.0 送入 VD1048 特殊标志位内存字节 SMB34 设置中断控制字节（SMB34=1009 中断连接指令 ATCH 建立中断事件 EVNT 和程序 INT10 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 AC012 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 AC013 实数除法运算指令 DIV_R 累加器 AC0 中的值除以 32000 后再送入 AC014 回路指令 PID 根据 TBL 中的输入 VB108 和配置信息对5LOOP 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 32000 相乘结果送入累加器 AC016 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 AC017 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 AC02.2.2 I/O 分配表输入信号 输出信号名称 地址 名称 地址启动指示灯 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脉冲输入I0.1启动按钮停止按钮加热指示灯 Q0.52.3 系统接线图设计63 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 03.1.2 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73.1.3 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？NY停止加热 继续加热输出 PID 值3.2 控制程序设计思路3.2.1 初次上电 1)读入模拟信号，并把