基于PLC的温度控制系统设计毕业论文.doc

郑州华信学院毕业设计（论文） 基于PLC的温度控制系统设计基于PLC的温度控制系统设计毕业论文目 录1 绪论11.1课题背景及设计目的和意义11.2国内外研究现状11.3项目设计内容22 PLC和组态软件基础32.1 plc基础32.1.1 plc的产生和应用32.1.2 plc的组成和工作原理32.1.3 plc的分类及特点52.2组态软件的基础52.2.1组态的定义52.2.2组态王软件的特点52.2.3组态王软件仿真的基本方法63 PLC控制系统的硬件设计73.1 PLC控制系统设计的原则和步骤73.1.1 PLC控制系统设计的原则73.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤73.1.3 PLC程序设计的一般步骤73.2 PLC的选型和硬件配置83.2.1 PLC型号的选择83.2.2 S7-200CPU的选择93.2.3 EM235模拟量输入/输出模块93.2.4 热电式传感器93.2.5 可控硅加热装置简介93.3 系统整体设计方案和电气连接图103.4 PLC控制器的设计103.4.1 控制系统数学模型的建立113.4.2 PID控制及参数整定114 PLC控制系统的软件设计144.1 PLC程序设计的方法144.2 编程软件STEP7-Micro/WIN 概述 144.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍144.2.2 计算机与PLC的通信154.3 程序设计154.3.1程序设计思路154.3.2 PID指令向导164.3.3 控制程序及分析205 组态画面的设计245.1组态变量的建立及设备连接245.1.1新建项目245.2创建组态画面275.2.1新建主画面275.2.2新建PID参数设定窗口275.2.3新建数据报表 285.2.4新建实时曲线285.2.5新建历史曲线295.2.6新建报警窗口296 系统测试316.1启动组态王 316.2实时曲线观察 316.3分析历史趋势曲线326.4查看数据报表346.5系统稳定性测试34结论 36致谢37参考文献38附录43III1 绪论1.1 课题背景及设计目的和意义电锅炉广泛应用,电热锅炉的性能决定了产品的质量。电热锅炉控制系统目前使用的微处理器为核心的计算机控制技术,提高了自动化设备的控制精度。PLC的快速发展发生在上个世纪80年到90年代中期的，在此期间,PLC已得到在处理模拟、数字运算能力、人机界面功能和网络功能的改进和发展的能力。PLC逐渐进入过程控制领域,取代了DCS系统在一些应用程序过程控制领域的主导地位。PLC具有较强的通用性,使用方便,适应性广,可靠性高,抵抗干扰的能力强,还有简单的编程功能等等。电锅炉是机电一体化产品，可以直接转化为热能，效率高，体积小，无污染，操作安全可靠，热稳定性，优势自动化程度高，是理想的节能加热设备。加上环保的电流提高人们的意识，在工业生产和生活用水的民用电热锅炉越来越多的关注正变得越来越流行。电锅炉主要用于家用热水和优惠。主要是控制水的温度，以确保稳定的水供应。PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期ts、比例系数 Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。1.2 国内外研究现状由于的需要， 70年代以来，特别是促进微电子和计算机技术，自动控制理论和设计方法，温度控制系统的国内外发展迅速，智能化，自适应成就的迅速发展，参数设置等方面，在这方面，日本，美国，德国，瑞典等国家的先进技术，生产的温度控制器和仪器的性能，一批商业化，并且被广泛应用于各行各业。它们具有以下特点：（1）适应大惯性，大滞后的复杂的温度控制系统的控制；（2）可根据控制系统要建立的数学模型适应的温度控制系统；（3）可以是适合于被控系统的过程是复杂的，随时间变化的温度控制系统的参数；（3）温度控制系统广泛应用于自适应控制，自适应控制，模糊控制，人工智能理论和计算机技术，采用先进的算法，适应范围广；（4）温度控制器具有普遍的参数整定功能。随着计算机软件技术的帮助下，温度控制器具有控制参数和自调谐功能的特性。有的还具有自学习功能。在国内行业的应用温度控制系统得到广泛应用，但在国内生产的温度控制器整体发展水平还有些不高，与一些先进的发达国家，美国，德国，日本等还是有不小的差距。目前，中国仍处于20世纪后期的水平。成熟的产品主要以“点”控制和常规PID控制器，它只能适用于温度控制系统在一般情况下，很难控制延迟，复杂的，随时间变化的温度控制系统。控制应用程序可以适应高智能化，自适应控制仪器都不是很成熟3。随着科学技术的进步，人们的要求越来越高，因此，高精度温度控制系统，在家庭智能化，人性化的发展和国外的发展就成为必然趋势。1.3 项目设计内容以锅炉为对象，对锅炉出口水温为主要被控参数的，炉内温度为仲控制的参数时，加热电阻丝的电压作为控制参数，采用PLC作为控制器，构成了一系列锅炉控制系统;采用PID算法，利用PLC梯形图编程语言编程，实现了锅炉温度自动控制。 PLC是集计算机技术、通信技术，以及自动控制技术为一体的新型自动控制装置。因为性能强大，所以工业控制的各大领域已经广泛应用，而且已经是工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC技术在从整体分析和控制系统，电路设计，程序设计，选择和参数的硬件配置的研究的温度监测系统中的应用建立，控制对象的设置，设计的数学模型的控制算法人机界面等基于S7-200系列PLC控制器，德国西门子公司，实际温度的温度传感器将检测到的电压信号，通过模拟量输入模块转换成数字信号。发送到PID调节器的PLC时，PID控制器和输出成0-10mA的电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来调节输出功率的大小1。显示器屏幕，使用组态软件“组态王”。级联系统是由一个调节器被串联连接，其中，作为另一个调节器的设定点调节器的输出。整个系统包括两个控制电路，主电路和辅助电路。副循环变量测量和传输，调节阀和主环路检测端；主变速传动，主调节器，副调节器，调节阀，副过程和主要工艺。一个干扰：在初级控制过程中的作用，并且不包括的范围内的副回路的扰动。这两个障碍，在二次控制的过程中，它包括的范围内的副回路的扰动。串级控制系统中，由于引入了一个小圈，不仅可以克服早期的干扰进入副回路，同时也可以提高程序的性能。随着“粗”副省长的作用，主调节器有一个“精”，从而进一步提高他所控制的质量6。2 PLC软件和组态软件基础2.1 PLC基础2.1.1 PLC的产生和应用1969年美国数字设备公司已经成功开发出世界上第一台可编程控制器PDP-14，和通用汽车公司的汽车生产线用于第一次成功的运用。美国在1971年从日本引进了这项技术，很快发达出DSC第一可编程控制器。1973年，西欧国家也开发了他们的第一个可编程控制器。中国从1974年开始研制，1977年工业应用。进入二十世纪的70年代，随着电子技术的发展，特别是在PLC微处理器控制器的通讯手段，功能进一步加强。进入二十世纪的80年代，大型和超大型规模的迅速发展，集成电路和微电子技术，基于微机PLC的16位和32位微处理器，提高PLC的功能，工作速度快，体积小，可靠性好，降低成本，编程和故障检测更灵活、方便。目前，PLC已广泛用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、纺织、交通、环境保护、文化娱乐产业2。2.1.2 PLC的组成和工作原理PLC包括：CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。以下对主要模块进行介绍：（1）CPUCPU是PLC的核心,根据系统的PLC程序功能委托给接收和存储用户程序和数据,使用扫描方法收集状态或输入设备发送的数据,并存储在指定的寄存器,同时,工作状态和编程过程的诊断能力和PLC内部电路在一个语法错误等。CPU主要由操作员、控制器、注册并实现它们之间的数据链路,控制和状态的巴士,CPU单元还包括一个外围芯片、总线接口电路。内存主要是用来存储程序和数据,是不可或缺的组合单元PLC。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数,它决定了PLC的速度工作,IO数量和软件能力,限制大小的控制。（2）I/O模块PLC的接口和电气回路，输入和输出部分（I / O）完成。在I / O模块集成了I / O的PLC电路，输入寄存器反映了输入信号的状态下，输出反映输出锁存状态。输入模块将信号变换成数字信号进入PLC系统，相反到输出模块。 I / O开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟输入（AI），模拟输出量（AO）模块。PLC的工作原理4:PLC的工作原理是一个连续的循环顺序扫描模式。每次通过扫描周期或循环扫描调用。 CPU从所述第一指令的开始，以便执行用户程序逐个直到用户程序的结束，然后返回到新一轮扫描的开始的第一条指令。PLC工作的全过程可用图2.1.2所示的运行框图来表示: 图2.1.2 可编程控制器运行框图2.1.3 可编程控制器的分类及特点(1) 小型PLC小型PLC的I / O点数一般在128点，体积小，结构紧凑，整个硬件融为一体的特点，除了开关I / O，也可以连接到模拟I / O以及其他各种特殊功能模块。它可以执行逻辑运算，包括计时，计数，算术运算，数据处理和通信网络和各种应用。(2)中型PLC中型PLC模块化结构，I / O点数一般在2561024的I / O的方式除了一般的PLC通用的扫描处理方法，而且在扫描用户程序的过程中使用的直接方法之间的直接读取输入刷新输出，也可连接各种特殊功能模块，通信联网功能强大的指令系统，更丰富，内存容量更大，更快的扫描速度。(3)大型PLC上面的1024点被称为大型PLC的大型PLC，硬件和软件功能通用I / O点是非常强大的，具有很强的自诊断功能，通讯功能，有各种通讯模块可实现工厂生产管理自动化构成三级通信网络，大型PLC还可以使用冗余或三CPU票型系统，使机器更可靠。2.2 组态软件的基础2.2.1 组态的定义配置工具提供应用软件，方法，完成工程特定任务的过程。组态软件是一个专业，一个组态软件仅适用于某些地区。这个概念最早出现在工业计算机控制的配置，如DCS （集散控制系统）的配置， PLC梯形图配置。人机界面生成软件称为控制组态软件。配置的结果，在工业控制的形成中使用的实时监控。从表面上看，配置工具正在运行的程序执行自己特定的任务。工业控制组态软件还提供了编程工具一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，并为VB的一些支持，现在有些组态软件甚至支持高级语言。在当今的工业领域，大量常用的组态软件主要有： ABB ，特光电， WinCC中的iFix ， InTouch中，组态王，力控制，易于控制， MCGS等。本设计采用分控组态软件组态王设计。2.2.2 组态王软件的特点 组态软件具有很强的适应性，开放性，易于扩展，经济，开发周期短等特点。这样的系统通常可分为控制层，控制层，三个层次的管理结构。据此，监控层连接控制层，连接管理，不仅具有现场实时监测和控制，并且在自动控制系统中，在发展中配置的重要作用，完成上传发布。特别是考虑到三个方面：图片，数据，动画。通过监控系统的要求，实现功能分析，采用组态监控系统。组态软件为试验提供了可视化监控画面，帮忙测试，实时现场监控。此外，它可以充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面和动画显示控制设备的状态，报警窗口，实时趋势曲线，可以方便的各种报表的生成。它也有一个丰富而灵活的设备驱动程序配置，数据链路功能。2.2.3 组态王软件仿真的基本方法（1）图形界面设计 图形与抽象图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工业设备。（2）数据库构造数据，是创建一个特定的数据库，使用该数据库的变量描述的工业对象的各种属性，如水位，流量等。（3）建立动画连接 连接，是在什么动画模拟现场设备的操作的屏幕元素的数字，以及如何将允许操作者输入控制设备指令。（4）调试和运行3 PLC控制系统的硬件设计 本章从系统设计架构和硬件设计的角度，引入PLC控制系统项目的设计步骤，PLC硬件配置，外围电路设计和PLC控制器的设计参数整定。3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则（1）全PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求；（2）满足控制要求的前提下，力争使控制系统简单，便捷，经济，使用和维护；（3）控制系统，确保安全可靠；（4）应考虑生产工艺的发展和改进， PLC型号的选择， I / O点数和内存容量等，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩展。3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤 该系统的第一应用进行的PLC功能设计，根据控制对象的功能和过程的要求，系统必须清楚要做的工作，然后PLC功能的应用系统的分析，通过在PLC控制系统中，控制信号的类型的结构形式呈现的分析系统的功能，系统尺寸的数量，布局。最后，根据系统的分析结果，确定具体的PLC模块和系统的具体结构。 PLC控制系统的设计，可以按照下列步骤进行： （1）熟悉被控对象，被控对象的控制程序分析过程和工作特点的发展，明白被控被控对象之间的机械，电气，流体，以确定plc控制系统的要求控制的对象；（2）确定根据该系统的控制要求的I / O装置，用户需要确定输入（如按钮，限位开关，选择器开关等）和输出设备（如接触器，电磁阀，信号灯等），从而确定PLC的I / O点；（3）当选择包括选择PLC可编程序控制器型号，容量，I / O模块，选择的权力； （4）根据生产设备现场，以确定控制按钮来选择不同的模式开关，接触器，电磁阀，信号指示灯，规格，数量的输入和输出设备的PLC的I/ O地址的需求分布; PLC的基于模型的选定行的输入/输出设备和工作台的PLC的输入，输出端子上，为了吸引外部plc的i/o接线图和编程；（5）设计的软件和硬件PLC编程，橱柜的设计和现场施工控制（台湾）和其他硬件。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统可大大缩短设计周期，并为保护系统的设计必须进行整个建筑电气控制电路设计；（6）联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。3.1.3 PLC程序设计的一般步骤（1）绘制系统的功能图；（2）设计梯形图程序；（3）根据梯形图编写指令表程序；（4）对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。PLC控制系统的设计步骤可参考图3.1.3：图 3.1.3 控制系统的设计步骤3.2 PLC的选型和硬件配置3.2.1 PLC型号的选择采用西门子S7-200 PLC的温度控制系统。 S7-200是一种小型可编程控制器，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，或连接到网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列的强大功能使其无论在独立，或者链接到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。3.2.2 S7-200 CPU的选择S7-200系列PLC cpu221，CPU222，CPU224，CPU226其他类型。该系统采用S7-200 CPU226，CPU 226集成的24输入/ 16输出40个数字I / O点。7个扩展模块可以连接，248通道数字I / O点，或35个模拟I / O点的最大扩张。1万3千字节的程序和数据存储空间。6个独立的30kHz的高速计数器，2个独立的20kHz的高速脉冲输出，PID控制器。两个RS485通信/编程口，与PPI协议，MPI通信协议和沟通能力。I/O端子块作为一个整体，可以很容易地删除。3.2.3 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电流信号，系统需要配置模拟量输入模块将电流信号转换成数字信号，然后送入PLC处理。在这里，我们选择了西门子EM235模拟输入/输出模块。EM235模块有4个模拟输入/输出模拟方法。它允许S7-200连接微小的模拟信号，80mV范围。用户必须使用DIP开关选择热电偶，打破检验，计量单位，冷端补偿和开路故障的方向：SW1 SW3用于选择热电偶的类型，SW4不使用，SW5断线检测是用来确定方向，SW6是用来选择是否断线检测，SW7是用来选择测量的方向，sw8用于选择冷端补偿。连接到模块的所有热电偶的类型必须相同。3.2.4 热电式传感器热电式传感器是电力变换装置中的温度变化。在不同的热电传感器，转换电位和最常用的方法的耐温性。一个最常用的测量的热电偶和热电阻温度，热电偶温度转化为潜在的变化，而热电阻的电阻变化为温度变化。目前，两个热释电传感器广泛应用于工业生产。该传感器系统需要为当前温度和最高温度为100，所以我选择Pt100铂电阻传感器。P100铂热电阻，简称：PT100铂电阻，电阻随温度的变化而变化。100是在0100欧姆的电阻在100，大约是138.5欧姆电阻后PT。它的工作原理：当PT100在摄氏0度，当他的100欧姆的电阻，其电阻随着温度的升高，其电阻均匀生长。3.2.5 可控硅加热装置简介温度控制和不需要保持与数字温度显示的电阻炉温度记录显示，带有一个可调节的调节器PID调节温度，输出0 10mA的直流信号作为输入控制电压调节器的晶闸管触发板改变导通角来调整输出功率的大小，完全满足投资成本低的要求，操作方便、直观和易于维护。热电偶温度测量和控制是通过采集和输出信号调节器PID温度测量0 10mA或4 20mA控制触发器控制可控硅的导通角板的大小，从而控制加热元件的主电路电流的大小，使电阻炉的温度保持在设定工况。可控硅温度控制器的主电路和控制电路元件。主回路是由可控硅，快速熔断器过电流保护，钢筋混凝土和电阻炉加热元件和其他元件的过电压保护的部分。3.3 系统整体设计方案和电气连接图系统选用了PLC CPU 226为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转化为电流信号，经过EM231模拟量输入模块转化成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为010mA的电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，从而调节电热丝的加热5。整体设计方案如图3.3-1:EM235 锅 炉PT100 P L C计算机 可控硅图3.3-1 整体设计方案TT1TT2 24V :RA A+ A- RB B+ B- RC C+ C- RD D+ D- EM235 输入M 1L+ Q0.0-Q0.7 2M 2L+ Q1.0-Q1.7 M L +DC CPU 226 COM1 COM2 输出 MO VO IOM L+ 1M I0.0 - I1.4 2M I1.5-I2.7 M L+电源 负 载 载 图 3.3-2 系统硬件连线图3.4 PLC控制器的设计控制器的设计是整个控制系统中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。最后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。3.4.1 控制系统数学模型的建立在本控制系统中，TT1(出口温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入EM235模块的A路，TT2(炉膛温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入EM235模块的B路。两路模拟信号经过EM235转化为数字信号送入PLC，PLC再通过PID模块进行PID调节控制。具体流程在第四章程序编写的时候具体论述。3.4.2 PID控制及参数整定(1)PID控制器的组成PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为： （3.1）比例系数KC对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。c偏大，振荡次数加多，调节时间加长。c太大时，系统会趋于不稳定。c太小，又会使系统的动作缓慢。c可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果c的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况c的符号就一定要取反。 积分控制i对系统性能的影响： 在下降的稳定不可或缺的作用，德州仪器（积分作用）会使系统不稳定，但它可以消除稳态误差，提高系统的控制精度。微分控制对系统性能的影响微分作用可以提高动态特性，当TD太大，大量的超调量，沉降时间短。当TD小，超调量大，调节时间长。只有TD适当做一个小的超调，缩短调节时间（2）主副回路控制规律的选择主副回路控制律采用串级控制，所以有点一级和二级调节器。主调节器的设定值的控制作用的副调节器的伺服控制的作用，这是基本的出发点选择法。主要参数是过程运行的重要指标，其允许的波动范围较小，它表现不佳的一般要求，因此，这次大选组PI或PID控制主副参数调节，以确保质量控制是主要的参数，允许一定的范围内变化，允许更多的比差，只要选P副调节器控制律可以。在这个控制系统中，我们将锅炉出水温度为主要参数，炉内温度为副参数。采用PI控制，主要的控制，采用P控制副控制器。（3）主副调节器正、反作用方式的确定副调节器作用方式的确定： 首先，确定控制阀，出于安全原因，生产过程中，可控硅输出电压应该用开放的空气，从而保证当系统发生故障损坏阀门处于完全关闭状态以防止燃料入炉，以确保设备的安全阀，调节Kv 0。然后确定sub-k02充电过程中，当阀门开度的增加，电压增加，在水室的温度上升，在K02 0。副调节器完成，确保负反馈环副各方面的放大因子（IE，增益）的产品必须是否定的，因此副调节器K 20，副调节器作用方式反作用的方式。主调节器作用方式的确定：炉膛水温度升高，出口水温度也升高，主被控过程 K01 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为负，所以主调节器的放大系数 K1 0，主调节器作用方式为反作用方式7。（4）采样周期的分析较小的采样周期Ts，反应的温度变化的样品。然而，TS太小会增加CPU的计算工作量，相邻的两个样品中的PID控制器的输出衍生部分几乎没有变化，接近0，这不应该太小，采样时间。确定采样周期时，应确保快速变化的带电量，采样点的数量足以确保采样点不会丢太薄量模拟收集重要信息。由于本系统是一个温度控制系统，温度特性具有惯性的相位延迟，使采样时间不能太短，一般15s 20多岁，17的采样系统经过以上分析，温度控制系统已基本建立，该控制器的参数整定是投产前的系统。常见的调优方法可归纳为两类，即，在整个滴定理论计算和工程。理论计算是基于整个滴定控制对象的数学模型，根据所选择的质量指标，计算了（微分方程，根轨迹，频率，等）的理论，确定最佳整定参数。这种方法比较复杂，工作量大，和一个对象的分析或实验测定得到的唯一的近似反映过程的动态特性数学模型，优化结果准确度不是很高，因此没有得到广泛的工程应用。在工程的整个滴定，工程师需要知道被控对象的数学模型，不需要有理论知识理论计算所学到的，你可以调谐直接在控制系统中，具有简单，实用，在实际工程中得到了广泛使用的常见的工程经历了整个滴定，该法的关键比，衰减曲线法，因为整个滴定等。在这里，我们使用整个滴定参数整定控制器的经验。调谐步骤“先比例，再点上的差。”调整比例控制从大到小的比例控制作用，观察到的响应时间，响应快，超调量小的响应曲线。调整的组成部分如果比例控制的稳态误差不能满足要求，需要加积分控制。第一步（一）规模缩减因子被选择从原来的50至80%，然后积分时间设置为较大的值，所观察到的响应曲线。然后减小积分时间，提高整体的行动和相应的缩放因子，反复的试验和错误，得到令人满意的响应，确定的比例和积分参数。微调链接如果在步骤，PI控制消除稳态误差和动态过程，是不能令人满意的，它应该被添加到微分控制，构成PID控制。首先把微分时间Td = 0，逐步增加TD，与量表因子相应的变化和积分时间，反复的试验和错误，取得满意的控制效果和PID控制参数。4 PLC控制系统的软件设计 PLC控制系统设计包括硬件设计和基于硬件的详细的软件工程的设计，包括软件设计，方法和编程软件STEP7-Micro/WIN引进项目方案的基本步骤两部分的软件设计.4.1 PLC程序设计的方法常用的PLC编程方法：经验设计的主要方法，继电器控制电路将梯法，顺序控制设计，逻辑设计法。1经验设计方法：设计是基于一些典型控制电路程序的经验，根据对象的具体要求进行控制，选择组合和反复调试和修改的阶梯，有时需要增加辅助触点、中间程序链接的数量，以达到控制的要求。在这种方式没有规律可循，时间和应用于设计人员的经验有很大的关系设计的质量，它被称为经验设计法。2梯形图方法：使用PLC梯形外部硬件接线和继电控制软件来实现系统的功能。3顺序控制设计方法：根据功能流程步骤的核心，从一开始就下台设计，一步一步，直到完成。该方法的主要特点是绘制流程图。4逻辑设计方法：通过对输入和输出链路数量的中间。真正发现的输出和输入之间的关系，完成设计任务。4.2 编程软件STEP7-Micro/WIN 概述 STEP7-Micro/WIN编程软件是一个基于Windows的应用软件设计的西门子S7-200系列PLC的设计和开发，它功能强大，主要是为用户开发控制程序，以及用户程序的实时监控执行状态。4.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍 在STEP7-Micro/WIN创造转折STEP7-Micro/WIN程序，STEP7微/赢得可以双击如图4.2.1所示的图标，STEP7-Micro/WIN项目将创建程序的工作空间提供了一个窗口。读文章访问STEP7微/赢得不同的编程功能的多个按钮。指令树显示所有项目对象创建控制程序指令。包括程序逻辑程序编辑器和局部变量表，你可以在其中指定符号名称临时本地变量。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的的底部按标签显示。图 4.2.1 STEP7-Micro/WIN项目窗口本项目中我们利用 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP5编程软件，其界面如图4.2-1所示。项目包括的基本组件：程序块、数据块、系统块、符号表、状态表、交叉引用表。 4.2.2 计算机与PLC的通信 在STEP7-Micro/WIN命令树中，双击“通信”图标，或执行菜单命令“视图”/“组件”/“沟通”，“通信”对话框，图4.2.2所示。在新设置在您下载到S7-200，你应该设置远程工作站的地址，它是CPU的地址。双击“沟通”对话框的“双击刷新”组成的蓝色图标旁的箭头，编程软件会自动搜索连接在网络上的S7-200，并用图标显示搜索到的S7-200。图4.2.2 PLC通信窗口4.3 程序设计4.3.1 程序设计思路PLC运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等存入数据寄存器，随后系统开始温度采样，采样周期是17秒，TT1(出口水温温度传感器)将采集到的出口水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW0进入PLC，作为主回路的反馈值，经过主控制器（PID0）的PI运算产生输出信号，作为副回路的给定值。TT2(炉膛水温传感器)将采集到的炉膛水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW2进入PLC，作为副回路的反馈值，经过副控制器（PID1）的P运算产生输出的信号,由AQW0输出，输出的4-20mA电流信号控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的电压，完成对温度的控制。4.3.2 PID指令向导编写PID控制程序时，首先要把过程变量（PV）转化为0.00-1.00之间的标准实数。PID运算结束之后，需要把回路输出（0.00-1.00之间的标准化实数）转换为可以送给模拟量输出模块的整数。图4.3.2-1 PID初始化指令如图4.3.2-1,PV_I是模拟量输入模块提供的反馈值的地址，Setpoint_R是以百分比为单位的实数给定值（SP）,Output是PID控制器的INT型的输出地址。HighAlarm和LowAlarm分别是超过上限和下限的报警信号输出，ModuleErr 是模拟量模块的故障输出信号。主回路PID指令向导，如图4.3.2-2图 4.3.2-2 主回路用0号PID回路设置PID参数，如图4.3.2-3：图4.3.2-3 设置PID参数给定值的范围是0.0-100.0，比例增益Kc为-3.0，积分时间Ti=7 min ，因为主控制器采用PI控制，所以微分时间Td=0。回路输入量的极性与范围，如图 4.3.2-4： 图4.3.2-4 输入输出量的设置PID指令的参数表占用的V存储区的起始地址如图 4.3.2-5：图 4.3.2-5 地址设置向导完成，如图4.3.2-6图 4.3.2-6 向导完成副回路PID指令向导：副回路采用1号PID回路，如图 4.3.2-7：图4.3.2-7 副回路PID回路设置新建PID配置，如图 4.3.2-8：图4.3.2-8 PID配置新建 设置PID参数，如图4.3.2-9图4.3.2-9 副回路PID设置副回路输入量的极性与范围，如图4.3.2-10如图4.3.2-10 副回路输入输出设置PID指令的参数表占用的V存储区的起始地址，如图4.3.2-11：图4.3-11 副回路存储区设置向导完成，如图4.3.2-12图4.3.2-12 副回路向导完成4.3.3 控制程序及分析因为由AIW0和AIW2输入的是6400-32000的数字量，所以要转换为实际的温度要进行运算，运算公式为： (4.3)其中，T为实际温度，D为AIWO和AIW2输入的数字量PLC的内存地址分配见 表4.3.3-1表 4.3.3-1 内存地址分配地址说明VD250锅炉出口水温度存放地址VD260炉膛水温存放地址VD270主控制器PID输出存放地址VD300目标设定温度存放地址VD304主控制器Kc存放地址VD308主控制器Ti存放地址VD312主控制器Td存放地址VD320副调节器Kc存放地址PID指令表见表4.3.3-2： 表4.3.3-2 PID指令回路表地址名称说明VD0主调节器过程变量（PVn）必须在0.01.0之间VD4主调节器给定值（SPn）必须在0.01.0之间VD8主调节器输出值（Mn）必须在0.01.0之间VD12主调节器增益（Kc）比例常数，可正可负VD16主调节器采样时间（Ts）单位为s，必须是正数VD20主调节器积分时间（Ti）单位为min，必须是正数VD24主调节器微分时间（Td）单位为min，必须是正数VD120副调节器过程变量（PVn）必须在0.01.0之间VD124副调节器给定值（SPn）必须在0.01.0之间VD128副调节器输出值（Mn）必须在0.01.0之间VD132副调节器增益（Kc）比例常数，可正可负VD136副调节器采样时间（Ts）单位为s，必须是正数VD140副调节器积分时间（Ti）单位为min，必须是正数VD144副调节器微分时间（Td）单位为min，必须是正数控制程序图如图4.3.3-1-图4.3.3-7 所示图4.3.3-1 控制程序1主调节器程序：图4.3.3-2 控制程序2图4.3.3-3 控制程序3图4.3.3-4 控制程序4图4.3.3-4 控制程序4副调节器程序如图4.3.3-5-图4.3.3-图4.3.3-5 控制程序5图4.3.3-6 控制程序6图4.3.3-7控制程序75 组态画面的设计这一章中详细说明了构建和设计系统的结构。5.1 组态变量的建立及设备连接5.1.1 新建项目双击该组态王快捷方式出现项目管理器窗口，双击新建按钮，按照弹出的向导，填写项目名称。然后打开新创建的项目。进入配置界面设计，如图5.1.1-1：图5.1.1-1 新建工程（1）新建画面进入工程管理器以后，在画面右方双击“先建“图标新建画面，并设置画面的属性，图5.1.1-2所示：图5.1.1-2 画面新建（2）新建设备 因为组态画面要与西门子S7-200 PLC连接之后才可以使用，所以要新建S7-200的连接，具体步骤如图5.1.1-3：图5.1.1-3 步骤1图5.1.1-4 步骤2图5.1.1-5 步骤3图5.1.1-6 步骤4（3）新建变量要实现组态王在线监测S7-200，你首先需要建立两者之间的联系，这就需要建立两者之间的数据变量。变量的基本类型可分为“内存变量”和I / O变量类型。内存配置的变量是在国王，不与被监视的交换装置。I / O变量相互之间数据交换的桥梁，S7-200和数据交换的配置是双向的。图5.1.1-7所示：图5.1.1-7 新建变量5.2 创建组态画面5.2.1 新建主画面 如图5.2.1-1所示，高温报警显示，当温度高于95摄氏度时，等会就用来表示炉加热的状态下炉子闪烁红色的灯光。 图5.2.1-1 控制系统主画面5.2.2 新建PID参数设定窗口如图5.2-2所示，PID参数设定窗口，用来设定主控制器和副控制器的PID参数值，可与PID参数的整定。 图5.2.2-2 PID参数设定窗口5.2.3 新建数据报表 数据报表是反应数据，状态，等过程中产生的，和数据记录的一种重要形式。数据报表有实时数据报表、历史数据报表，实时操作系统的反应，而且监测图5.2.3所示的系统的长期健康： 图5.2.3数据报表窗口5.2.4 新建实时曲线实时趋势曲线可以通过双击屏幕上的工具箱来直接获得。自动滚动的实时趋势曲线随时间改变，新的变化可以快速响应变量。如图5.2.4所示： 图5.2.4实时曲线窗口5.2.5 新建历史曲线 历史趋势曲线可以在过去的查询情况查询。历史趋势曲线有两个内存变量建立子表之前，是调整跨度和移动一百分比。 图5.2.5 历史曲线窗口5.2.6 新建报警窗口在工具箱中选择报警窗口工具，在面板中画出报警窗口，添加文本等就完成了。如图5.2.6-1所示。由于前面已经设置了报警变量，所以当变量值超过所设置的温度85度时，那就会在报警画面中被记录。如图5.2.6-1所示:图5.2.6-1 历史报警窗口其制作过程和历史报警窗口有些相似，不同的是，实时报警画面需要弹出，所以画面在新建的时候就必须把大小调好，并选择是“覆盖式”。画面的自动弹出，在事件命令语言中，输入showpicture(实时报警窗口);这样每次新报警有产生，就会立刻出报警画面。如图5.2.6-2所示。图5.2.6-2实时报警窗口6 系统测试PLC编程软件和组态王不能同时运行，因为他们都使用相同的端口开始，为了利用组态王在线监控程序，它首先必须在关闭配置国王的情况下，第一个PLC程序下载到PLC，并运行该程序，然后关闭编程软件之前你可以开始配置的王，使你可以利用的组态王在线监测。6.1 启动组态王开放式组态项目经理，在窗口栏中的“看”或右键单击并选择“切换到视图”点击屏幕，启动组态王，到主屏幕。这段时间，系统会自动打开一个消息窗口，你可以通过窗口的认识，以及运用PLC连接组态王成功。如果连接不成功，将有一个通讯故障提示语言，就必须找出原因，或无法监控。如果提示连接成功的装置，该窗口将显示开始记录数据，这味着该系统可以开始运行。组态监控启动之后，会自动显示组态画面，如图 6.1 所示：图 6.1监控主画面6.2 实时曲线观察点击组态画面的实时曲线按钮，可以看到，在自PID参数的作用下，效果被控制的情况。如图图 6.2所示： 图 6.2温度实时曲线6.3