基于PLC的变压器油监控系统的设计与实现(阿兰)

1、基于PLC的变压器油监控系统的设计与实现ALan摘要温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中，温度控制占有着极为重要的地位，对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。温度控制系统的工艺过程复杂多变，其有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。可编程控制器(PLC)可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它其有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在

2、工业控制的各个领域中被广泛地使用。本设计针对某变压器生产厂商的变压器油在注入、净油、储存等工艺进行研究，选用西门子S7-300PLC为核心控制器，运用Profi-bus-DP总线搭建了分布式I/O控制网络，以MCGS软件作为上位机开发软件设计了操作界面，对净油工艺进行改进并采用MCGS与PID并行控制策略对净油温度控制进行优化，提高了净油效率，能耗比原来降低近40；使油品管理与使用实现自动化，很好地满足了变压器生产企业需求。关键词：变压器油；西门子PLC ；Profi-bus-工业；CMAC目录第1章 概述31.1 变压器油在线监测的意义31.2 变压器油在线监测国内外发展

3、现状 4第2章 控制系统总体设计62.1 系统功能62.2检测装置与执行机构7第3章 系统硬件设计93.1 可编程控制器93.2 PLC的系统组成与工作原理103.3 系统模块的选择163.4 硬件接线图23第4章 系统软件设计254.1 流程图设计254.2 控制程序的组成274.3 PID控制程序设计31第5章 控制系统组态设计425.1 MCGS介绍425.2 MCGS组态设计465.3 净油机油温控制设计475.4 仿真实验与分析49第6章 总结体会51参考文献52致谢53第1章 概述1.1 变压器油在线监测的意义 随着电力需求的迅猛增大以及电力系统的高速发展，对电

4、力设备的常规测试、综合分析、及时消除一些设备的绝缘隐患提出了越来越高的要求。变压器作为电力系统中最重要的设备之一，准确监测和诊断其是否有故障发生，对于提高电力系统的安全可靠性至关重要。变压器生产厂家需要储存大量变压器油用于成品变压器出厂时注入以及试验变压器性能时使用，变压器油在储存过程中以及变压器运行性能试验后均需对油品进行检测，一旦检测出油品某项指标不合格就必须经净油机重新净化并检测合格后再储存使用。而高真空净油机在净油过程中的温度控制采用智能仪表进行传统PID控制，由于其温度具有大惯性、大延迟的特点，采用传统PID控制精度不高，超调严重，参数不易设置等缺点，导致净油效率低。木文设计了以西门

5、子300PLC为核心控制器的PLC控制系统，在改进净油工艺的基础上采用小脑模型神经网络CMAC (Ccrcbcllar Model Articula-lion Controller)与PID并行控制策略对净油机油温控制进行优化，由PC机实现复杂算法，得到的控制量下传到PLC控制系统，通过PLC完成现场控制功能万。采用先进算法使得净油过程油温控制输出误差小，超调趋于零，提高了净油效率，降低能耗近40%。 电力变压器是电力系统中最重要和最昂贵的设备之一，是保证整个电力系统可靠供电的基础。电力变压器的运行状态直接关系到电力系统的安全与稳定，尤其是当下电力系统向超高压、大电网、大容量、自动化方向决速发

6、展，变压器的工作故障对电力系统安全运行的影响和危害也是与日俱增。 本课题以初步探索变压器等电力设备运行状态监测方便可行的技术，并在设备状态监测的基础上，分析和预测设备运行状态的发展趋势，判断设备异常或者预判设备故障的智能诊断系统为目标。设计并实现对变压器运行状态的实时监测的多种方法，既提高了变电站运行的管理水平，又可以从预防性维修制过渡到预知性维修奠定基础。因此，变压器油中溶解气体在线监测的研究具有重要的现实意义和实用价值。 1.2 变压器油在线监测国内外发展现状 自二十世纪80年代以来，我国的变压器在线监测技术也得到了迅速发展。各个单位相继研制了不同类

7、型的监测装置。电力科学研究院和西安交通大学最开始结合油中气体分析开展了用于绝缘诊断的专家系统的研究工作。另外重庆大学也研制了电气设备绝缘在线监测及故障诊断系统和变压器油中色谱在线监测及故障诊断系统，实现了对变压器油中六种溶解气体实现在线监测。中科院研制的油中氢气在线监测装置能实现对变压器油中氢气含量进行实时检测。解放军后勤工程学院和大连理工大学研制的微水在线检测系统能对绝缘材料中的水分含量进行在线检测。宁波理工监测设备有限公司开发MGA20OO-6系列变压器色谱在线监测系统采用纳米晶半导体检测器实现了对六组分溶解气体、总烃含量和微水含量的在线实时检测。 国外对于变压器油的研究始于二十

8、世纪60年代初，美国开始使用可燃气体总量(TCG)检测装置，来测定变压器储油柜油面以上的自由气体，以判断变压器的绝缘状态。其后日本等国研究使用气相色谱仪分析自由气体同时分析油中溶解气体，便于发现早期故障。目前加拿大SYPROTEC公司的HYDRAN系列监测设备在国内外拥有广泛的市场。日本三菱公司、英国TROLX公司、爱尔兰的PANAMETRIC公司等采用催化燃烧结型传感器或氢燃料电池型可燃气体传感器开发了各式各样的变压器在线监测诊断装置，到2000年加拿大加创集团公司开发的201-6型六组分在线检测系统用于变压器的故障监控。变压器油中溶解气体在线监测诊断装置检测六种溶解气体组分(H2、CH4、

9、C2H6、C2H4、C2H2、CO)已经成为了业内标准规格要求，所不同的是各个产品对六种组分气体检测的原理及精度和监测实时性的差别。第2章 控制系统总体设计2.1 系统功能 由于厂家油品储存系统总体相对集中分布在4个区域，每个区域相隔较远，故采用控制能力较强的西门子S7 - 300PLC搭建PROFIBUS - DP总线式控制网络，（PROFIBUS-DP总线电缆就是连接现场总线设备的通信介质。PROFIBUS主要应用在工业控制中，也用于汽车各传感器之间的通讯。其主要作用是监控与控制。）3个ET200M构成分布式l/O控制系统。主站CPU挂载的扩展模块主要控制变压器静压测试系统、进油系统;1号

10、从站主要控制2台净油机净油操作，并通过温度传感器采集温度信号经DP总线传输至上位机，由上位机采用CMAC与PID并行控制策略输出控制信号经PLC对三相调压模块进行控制，驱动电加热元件对进入净油机的变压器油温度进行控制;2号从站主要控制各油罐存放区中的油泵启停以及试验注油时的定速注油系统;3号从站主要采集各储油罐中的液位信息，控制电磁阀控制的气动阀、气动调节阀等阀门的动作。控制系统总体结构图如图2.1所示。图2.1 控制系统总体结构图2.2检测装置与执行机构 检测装置主要为油温检测装置、超声波液位检测装置、带脉冲输出的高精度流量计。根据厂家要求净油过程中净油机入口油温需要控制在55度左右，传统热

11、电偶的测量范围为一200度1300度，一般测量精度在1%2%之间，而pt100热电阻测量范围为-200度500度。测量精度在0.2%0.3%之间，测量中低温时精度高，稳定性好，故温度变送器采用华泰坤源生产的pt100 HTWD型热电阻变送器，输出4-20mA标准信号;液位变送器通常分为接触式和非接触式两种，考虑到变压器油的特殊性采用格日仪表A22型智能非接触式超声波液位变送器作为检测装置，输出4-20mA标准信号;流量计采用宁远环球产的高精度带脉冲输出的涡轮流量计，因试验注油系统需要定速6吨/小时注油，并且厂家需要累积流量信息，采用带脉冲输出的流量计，配合PLC中的高速计数模块便于计算出瞬时流

12、量与累积流量信息执行机构主要为三相调压模块控制的电加热元件、油泵电机、气动阀、气动调节阀等。三相调压模块采用晶谷电子生产的JG-TH3P150Y型固态调压器，该调压器具有输入调节范围宽、输出调节精度高、三相对称性好、抗干扰能力强、输入输出全隔离设计等优点，采用低功率密度管式加热元件，对油薄膜化效果提高明显。 由此系统总体设计由控制部分，电源部分，按键部分，温度测量部分，显示部分，测压装置，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分等组成。基本组成框图如图2.2所示。图2.2 系统模块框图根据变压器油监控系统功能可知，控制器主要用于对按键信号和温度检测信号的接收和处理，控制显示部分，状态指示灯部分，水泵

13、部分，报警部分等。第3章 系统硬件设计3.1 可编程控制器1.PLC概述可编程控制器（Programmable Controller，简称PC）是在传统的顺序控制器的基础上，为满足不断发展的大规模工业生产柔性控制的要求而逐步发展起来的。其功能基本限于开关量逻辑控制，仅执行逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能所以当时称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）。由于可编程序控制器仍然处于不断发展之中，因此对它下一个确切的定义是困难的。为了使其生产和发展标准化，美国国际电工委员会(IEC)于1982年颁布了可编程序控制器标准草案，1985年提交了第二

14、版，1987年的第三版对可编程序控制器作了如下的定义“可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其相关的外围设备都应该按照易于与控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” 由此可见，可编程控制器是专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。总之，可编程控制器也是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力。但

15、可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。3.2 PLC的系统组成与工作原理1. PLC的组成结构PLC本质上是一台用于控制的专用计算机，因此它与一般的控制机在结构上有很大的相似性。PLC的主要特点是能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕着适宜于过程控制的要求来进行设计的。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连

16、接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m。2. PLC的扫描工作原理 与微机等待命令的工作方式不同，PLC采用循环扫描的工作方式CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，

17、每一个循环称为一个扫描周期。 一个扫描周期主要分为三个阶段： 1. 输入刷新阶段 2. 程序执行阶段 3. 输出刷新阶段 用户输出设备输入端子输入锁存器输入映象寄存器输出映象寄存器输出锁存器输出端子程序执行用户输入设备写读读输入刷新 程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为IO刷新阶段。实际上，除了执行程序和IO刷新外，PLC还要进行各种错误检测(自诊断功能)并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”。一般在程序执行后进行。 扫描周期的长短主要取决于程序的长短。 由于每一个扫描周期只进行一次I0刷新，故使系统存在输入、输出滞

18、后现象。这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞。目前的可编程控制器有以下几个方面的发展趋势：(1)向小型化、专用化方向发展。当前开发出许多简易、经济、超小型可编程控制器，以使用于单机控制和机电一体化，真正成为继电器的替代品。(2)向大型化、复杂化、高功能、分散型、多层分布式工厂自动化网络方向发展。可编程控制器输入输出容量已超过32K，扫描速度小于1mS/千步。（3）编程语言和编程工具朝着标准化和高级化方向发展。可编程控制器问世时间虽然不长

19、，但已步入成熟阶段。这种工业专用微机系统是高精技术普及化的典范，使计算机进入工业各行业，使机械设备和生产线控制更新换代。可编程控制器将成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备。3. PLC的优势PLC的主要优点可概括如下:1)、高可靠性(1)所有的输入接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。(2)各个输入端口均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。(3)各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。(4)采用性能优良的开关电源。(5)对采用的器件进行严格的筛选。(6)良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障

20、扩大。(7)大型PLC还可以采用双CPU构成冗余系统或用三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。2)、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如:交流或直流;开关量或模拟量;电压或电流;脉冲或电位;强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如:按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈;控制阀等直接连接。另外，为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。3)、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O

21、等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4)、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5)、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。4. PLC类型的选择 西门子S7-300PL

22、C是模拟式中小型PLC，电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过U形总线把电源（PS）、CPU和其他模块紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后。电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块。CPU的右边是可以选择的IM接口模块，如果只用主架导轨而没有使用扩展支架可以不选择IM接口模块。S7编程软件组态主架导轨硬件时，电源，CPU和IM分别放在导轨的1号槽、2号槽和3号槽上。一条导轨共有11个槽号：1号槽至11号槽，其中4号槽至11号槽可以随意放置除电源、CPU和IM以外的其他模块。如：DI（数字量输入）、DO（数字量输出）、AI（

23、模拟量输入）、AO（模拟量输出）、FM（功能模块）和CP（通信模块）等。S7-300CPU模块 CPU模块是控制系统的核心，负责系统的中央控制责任，存储并执行程序，实现通信功能，为U形总线提高5V电源。CPU有4种操作模式：STOP（停机），STARTUP（启动），RUN（运行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。S7-300的CPU模块大致可以分为以下几类： 1)、6种紧凑型CPU，带有集成的功能和I/O：CPU 312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。 2)、革新

24、的标准型CPU：CPU 312、314和315-2DP。 3)、5种标准的CPU：CPU 313、314、315、315-2DP和316-2DP。 4)、户外型CPU：CPU 312 IFM、314 IFM、314户外型和315-2DP。 5）、大容量高端型CPU：317-2DP和CPU 318-2DP。 6）、主从接口安全型CPU：CPU 315F-2DP3。   S7-300在生产过程中有大量的连续变化的模拟量需要用PLC来测量或控制。有的是非电量，例如温度、压

25、力、流量物体的成分和频率等。有的是强电量，例如发电机组的电流、电压、有功功率和无功功率等。变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换成标准的量程的直流电流和直流电压信号，例如DC15V和DC420mA。模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成部分是A/D转换器。模拟量输入模块的输入信号一般都是模拟量变送器输出的标准量程的直流电压，直流电流信号。模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码来表示最高位为符号位。模拟量输入模块的模拟值与百分数表示的模拟量之间的对应关系为：双极性模拟量量程的上下限(100%和-100%)分别对应模拟值27

26、648和-27648。单极性模拟量量程的上下限(100%和0%)分别对应于模拟值27648和03.3 系统模块的选择 主控制器采用CPU325-2DP，最大I/O点数支持65536点，最大模拟量输出点数支持4096点;因部分生产数据存储量较大配备2MB存储卡，检测液位信息的模拟量输入模块采用SM235 ,控制变频器模拟量输出采用SM235模块;高速计数器采用8通道FM350 - 2模块，单通道输入频率最高可达20 KHz。从站洗用IM153一1挂载分布式1/O接口模块。1.控制器模块 对控制器的选择有以下二种方案：方案一：采用单片机作为系统控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，

27、可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。但是单片机的缺点是对于环境的要求过高。方案二：利用PLC作为控制器模块。PLC拥有对于开关量的逻辑控制、模拟量的控制、运动的控制、过程的控制等各种控制功能，并且PLC拥有数据处理、通信及联网的优点。并且PLC可靠性高，易操作，灵活性高，而且PLC对于环境的要求相对较低。由此我们可以了解采用PLC控制实现按键信号和温度检测信号的接收和处理，控制显示部分，加热装置，状态指示灯部分，水泵部分，报警部分等，将是我们最优的选择。2.电源模块对于供PLC的工作电压一般为DC24V,电源电压有DC24V的,也有AC220V的。

28、市电来源方便，且经稳压管稳压也较可靠，较经济实惠，所以选择AC220V。3.温度采集模块温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块有以下二种方案：方案一：采用热电阻传感器。热电阻材料特性:导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200500温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性： 电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。 电阻率高，热容量小，反应速度快。 材料的复现性和工艺性好，价格低。 热敏电

29、阻温度特性 在测温范围内化学物理特性稳定。方案二：集成测温传感器。集成电路温度传感器的输出阻抗较低，功耗也较低；热敏电阻器通过消耗电受温度，功耗较高。而且，长时间感受温度使热敏电阻器本身的温度也升高，测量温度的准确性降低。基于以上分析所以选择方案一。pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0时它的阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。电阻式温度检测器是一种物质材料组成的电阻，它会随温度升高而改变电阻值，如果它随温度

30、的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数，如果它随温度上升反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度检测器是以金属做成的，其中以白金做成的电阻式温度检测器，最为稳定、耐酸、不会变质、相当线性等等，最受工业界采用。 PT-100温度传感器是一种以白金做成的电阻式温度检测器，属于正电阻系数，在电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+aT)其中a=0.00392，Ro为100欧姆，T为摄氏温度因此白金做成的电阻式温度检测器，又称为PT-100。1：Vo=2.55mA*100(1+0.00392T)=0.225+T/1000。2：量测Vo时，不可分出任何电流，否则量测值会不准。电路分析由于一般电源供

31、应较多零件之后，电源是带杂讯的，因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件，由于7.2齐纳二极体的作用，使得1K电阻和5K可变电阻之电压和为6.5V，靠5K可变电阻的调整可决定电晶体的射极电流，而我们必须将集极电流调为2.55mA使得量测电压V如箭头所示为2.55+T/1000。其后的非反向放大器，输入电阻几乎无限大，几乎同时又放大10倍，使得运算放大器输出位2.55+T/100。6V齐纳二极体的作用如7.2V齐纳二极体的作用，我们利用它调出2.55V，因此电压追随器的输出电压V1亦为2.55V。其后差动放大器之输出为Vo=10（V2-V1）=10（2.55+T/100-2.55）=T/10，如果现在

32、温室为25°C，则输出电压为2.5V。 4.报警模块按照设计需求，当变压器油的温度超过或者低于设定温度就要报警，报警设施使用蜂鸣器来实现。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。之所以选用蜂鸣器，是因为声音报警的方式比较直观地提醒用户温度已达到设定的温度，蜂鸣器价格低廉，硬件电路设计简单，并且只需要简单的编程就可以实现其报警功能。5.传感器模块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

33、准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、答应误差、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。6.EM 235模拟量输入模块EM 235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC420

34、mA（通过250电阻转换DC 15V或通过500电阻 转换DC210V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。表3-1所示为如何用DIP开关设置EM 235模块。开关1到6可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。表3-1 EM 235选择模拟量输入范围和分辨率的开关表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0到100mV25VONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250VONOFFOFFOF

35、FOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mVEM235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。模拟量扩展块提供了模拟量输入/输出的功能，使用与复杂的控制现场和直接与传感器执行器相连接，具有12位的分辨率和多种输入/输出范围，并且EM235模块可直接与PT-100热电阻相连。EM235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4-20mA恒流环标准信

36、号，连续输送到接收装置。下面以EM235为例讲解模拟量扩展模块接线图，如图3.1。 图3.1 EM235示意图图3.1演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X和X；对于电流信号，将RX和X短接后接入电流输入信号的“”端；未连接传感器的通道要将X和X短接。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。3.4 硬件接线图硬件接线图和EM 235 CN连接图分别如图3.2，3.3所示： 图3.2 硬件连接图图3.3 EM 235 CN连接图第4章 系统软件设计4.1 流程图设计 流程图有时也称作输入-输出图。该图直观地描述一个工作过程的具体步

37、骤。流程图对准确了解事情是如何进行的，以及决定应如何改进过程极有帮助。这一方法可以用于整个企业，以便直观地跟踪和图解企业的运作方式。 流程图使用一些标准符号代表某些类型的动作，如决策用菱形框表示，具体活动用方框表示。但比这些符号规定更重要的，是必须清楚地描述工作过程的顺序。流程图也可用于设计改进工作过程，具体做法是先画出事情应该怎么做，再将其与实际情况进行比较。1. 控制系统子程序流程图设计控制系统子程序流程图4.1所示：运行PLC初始化PID初始化运行指示灯调用子程序0设定温度设定PID值 调用中断程序读入温度并转换把实际温度值放入VD100调用PID指令输出PID值返回子程序子程序0中断程

38、序图4.1 控制系统子程序流程图2. 系统主流程图设计系统主流程图如图4.2所示：图4.2 系统主流程图4.2 控制程序的组成控制程序主要由温度采集程序、数据滤波程序、PID控制程序组成，温度采集程序的作用是将温度值转换成PLC能够识别的数值。数据滤波程序是为了消除干扰对测量结果的影响，在PID控制前，需要对采集的数据进行处理，这样是为了避免由于外部的干扰而导致PID运算出错。因此，滤波程序是非常的重要的。1） 温度采集程序设计 温度采集梯形图如图4.4所示：图 4.4 温度采梯形图温度采集程序，由于温度变送器送出的是4-20mA的标准电流信号，信号采集模块将采集到的电流转化成数字信号过后，再

39、通过一系列的数据类型的转换，使得采集到的数据变成标准的温度数据信号，方便识别。同时采集到的数值也需要转化成PLC的PID运算要求的标准数据类型。炉温实际温度的检测是要将温度量转化为PLC可识别的量，所以，将温度变送器输出的值先由16位的整型转化为32位的双整型，再由双整型转化为实型，实型小数点后可有6位，故比较精确。此时得到测得温度值在PLC中计算所对应的数，将该数送入变量寄存器VD296。2）数字滤波程序设计 数字滤波梯形图如图4.5所示：图4.5 数字滤波梯形图数字滤波梯形图的程序是将每次采集到的值进行累加，将累加后得到的值存入VD300中，进行累加后就将得到所采集到的温度值的总和。每次采

40、集十组数据。下图各个网络实现不同的功能，分别如下所示：图4.6 网络二网络二是找出最大值和最小值。图4.7 网络三网络三是将VB0寄存器中的数据清零。图4.8 网络四网络四是将最大值和最小值从所求的总和中减去，从而实现，减去一个最大值和减去一个最小值，达到限幅的作用。图4.9 网络五网络五是将剩下的总和求平均，从而得到设计中想的到的温度值。图4.10 网络六网络六的作用是将所有使用过的寄存器初始化。数据滤波的方法有很多种，其中软件滤波的方法包括：限幅滤波、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）、中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）、限幅平均滤波法、一阶滞后滤

41、波法、加权递推平均滤波法、消抖滤波法、限幅消抖滤波法。整体思想是，将十次采集到的数据，先去掉一个最大值，然后去掉一个最小值，然后将剩下的8个数求和取平均值。4.3 PID控制程序设计 1. PID模块介绍 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们

42、不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。 其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td

43、可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。 第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进。PID控制器的原理是根据系统的被调量实测值与设定值之间的偏差，利用偏差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出对广义被控对象的控制量。图4.11是常规PID控制系统的原理图图4.11 PID控制系统的原理图2. PID控制程序设计模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。比例控制(P)是一种最

44、简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。在积分控制(I)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。在微分控制(D)中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分控制具有超前作用，它能猜测误差变化的趋势。避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的长处和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量。数字PID控制器控制参数的选择，可按连续时间PID参数整定方法进行

45、。在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器的结构。对允许有静差的系统，可以适当选择P或PD控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象，往往都加入微分控制。控制器结构确定后，既可以开始选择参数。参数的选择要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定等等。这些要求对控制系统自身性能来说，有些矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面适当的折中。3.PID控制算法图4.12 闭环控制系统如图3.

46、1所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差e和输入量r、输出量c的关系: 控制器的输出为： -PID回路输出-比例系数P-积分系数I-微分系数DPID调节的传输函数为 数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。其离散化的规律如表4-1所示：表4-1 模拟与离散形式模拟形式离散化形式所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为: 式中， 称为比例项 称为积分项 称为微分项上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。故可利

47、用PLC中的PID指令实现位置式PID控制算法量。根据被控对象动态特性和控制要求的不同，上式中还可以只包含比例和积分的PI调节或者只包含比例微分的PD调节。下面主要讨论PID控制的特点及其对控制过程的影响、数字PID控制策略的实现和改进，以及数字PID控制系统的设计和控制参数的整定等问题。在PID三种调节作用中，微分作用主要用来减少超调量。克服震荡、加快系统的动作速度、减少超调时间，用来改善系统动态特征。积分作用主要用来消除静差、提高精度、减少超调时间，用来改善系统的静态特征。比例作用可对偏差作出及时影响。若能将3种作用的强度做适合的调配，可以使PID速度加快、平稳、准确的运行，从而获得满意的

48、控制效果。4. PID在PLC中的回路指令西门子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，见表3.2表3.2 PID回路指令名称PID运算指令格式PID指令表格式PID TBL,LOOP梯形图使用方法：当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路号，可以是07，不可以重复使用。PID回路在PLC中的地址分配情况如表4-2所示。表4-2 PID指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程变量（PVn）实数必须在0.01.0

49、之间4给定值（SPn）实数必须在0.01.0之间8输出值（Mn）实数必须在0.01.0之间12增益（Kc实数比例常数，可正可负16采样时间（Ts）实数单位为s，必须是正数20采样时间（Ti）实数单位为min，必须是正数24微分时间（Td）实数单位为min，必须是正数28积分项前值（MX）实数必须在0.01.0之间32过程变量前值（PVn-1）实数必须在0.01.0之间5. 回路输入输出变量的数值转换方法本文中，设定的温度是给定值SP，需要控制的变量是炉子的温度。但它不完全是过程变量PV，过程变量PV和PID回路输出有关。在本文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两

50、个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。传感器输入的电压信号经过EM235转换后，是一个整数值，但PID指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。使用指令DTR就可以了。如本设计中，是从AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。其转换程序如下:MOVW AIW0 AC0DTR AC0 AC0MOVR AC0 VD1006. 实数归一化处理因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值0.01.0之间，所以，在执行PID指令之前，必须把PV和SP的值作归一化处理。使它们的值都在0.01.0之间。单极性的归一化的公式： （7. PID

51、参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行

52、整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、

53、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表4-3所示表4-3 温度控制器参数经验数据被控变量规律的选择比例度积分时间（分钟）微分时间（分钟）温度滞后较大20603100.53根据反复的试凑，调处比较好的结果是P=15，I=2.0，D=0.5PID控制梯形图如图4.13所示：图4.13 PID控制程序 PID控制程序在整个程序中是重要的组成部分，通过PID控制程序可以很好的控制加热炉的工作状态。PID控制程序在整个程序中是重要的

54、组成部分，通过PID控制程序可以很好的控制加热炉的工作状态。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。本设计采用的是闭环控制系统。比例增益、积分时间、比例时间，根据回路定义表的要求分别存到VD332、VD340、VD344中。第 54 页 共 54 页第5章 控制系统组态设计5.1 MCGS介绍 MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows

55、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，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。MCGS组态软件包括三个版本，分别是网络版、通用版、嵌入版。具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。5.2 MCGS的基本功能（1）简单的可视化操作界面 MCGS采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变符合中国人的使用习惯和要求。用户可以使用系统的默认构架，也可以根据自己的需要自己组态配置图形界面，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格和标准Windows风格的图形界面并且带有动画效果的工具条和状态条等。（2）实时性强、良好的并行处理性