PLC西门子S7_200温度控制系统设计说明

1、 大学信息电子技术学院2012届实训题目：PLC西门子S7-200温度控制系统设计姓 名：班 级：学 号：指导教师：2012年12月20日摘要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, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。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。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统 的工艺过程复杂多变，具有不确定性，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

2、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。它具有抗干扰能力强，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已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。关键字：温度控制 PLC 组态目 录第一章 绪论1.1 温度控制系统的意义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，与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 温度

3、控制系统背景自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以与自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都产生了一批商品化的、性能优异的温度控制器与仪器仪表，并在各行各业广泛应用。温度控制系统在国各行各业的应用虽然十分广泛，但从国生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20实际80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制与常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度

4、系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国技术还不十分成熟。形成商品化并在仪表控制系统参数的自整定方面，还没开发性能可靠的自整定软件。参数大多靠人工经验与我国现场调试来确定。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国外必然发展趋势。1.3 研究技术介绍1.3.1 传感技术传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础技术。中华人名国国家标准GB7665-1987对传感器（transducer/sensor）的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器

5、件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件或响应的被测量转换成适于传感器或被测量的电信号部分。”对生产过程的监控首先离不开采集设备工作信息，因此选用合适的传感器至关重要，如果把计算机看作是自动化系统的“大脑”，信道看作是“神经网络”的话，那么传感器就是自动化系统的“五官”。无法对现场数据进行准确、可靠、实时测量，监控也就无从谈起了。1.3.2 PLC可编程控制器的英文名称是Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器，简称PLC。现代制造业必须对市场需求做出快速反应，生产小批量、多品种

6、、多规格、低成本和高质量的产品，这便要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高可靠性和灵活性。可编程控制器正是顺应这一潮流而出现的，以微处理器为基础的通用工业控制装置。在20世纪60年代的汽车制造业，传统继电接触器控制装置广泛应用于生产流水线的自动控制系统中。这套装置设备体积庞大，可靠性差，同时维护不便，而且，完全由逻辑硬件构成，接线十分复杂。一旦生产过程某一环节发生改变，控制装置就要重新设计改造。随着汽车生产工业的迅猛发展，对于汽车型号频繁改进，传统控制系统捉襟见肘，弊端日益放大，最终PLC 应运而生。它开创性地引入程序控制功能，使计算机科学技术进入工业生产控制领域应用。早期PLC仅仅

7、是替代继电器控制装置完成顺序控制、定时等任务，但是其简单易懂、安装方便、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用的特点，使得PLC很快就得到了推广应用。随着超大规模集成电路技术和微处理器性能的飞速发展，PLC的软、硬件功能不能丰富、完善。国际电工委员会（IEC）对PLC的正式定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计，它采用一类可编程的存储器，用于其部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟或输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器与其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设

8、计。”PLC技术发展至今已十分成熟，生产PLC产品的厂家多达200多个，其中较著名有德国的西门子（Siemens）公司、美国的Rockwell自动化公司所属的A-B（Allen & Bradly）公司、GE-Fanuc公司、法国的施耐德（Schneider）公司、日本的三菱公司和欧姆龙（OMRON）公司。1.3.3 上位机即便远离生产现场，操作人员仍可以通过远程计算机即上位机直接向生产设备发出控制指令的。上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号变化（液压，水位，温度等），便是人机界面（Human Machine Interface）。而下位机是获取设备状况与直接控制设备的计算机，一般是PL

9、C或单片机。1.3.4 组态软件组态软件，处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI（人机接口软件）应用，开发时间长、效率低、可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用

10、，传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，一旦工业被控对象有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格昂贵。通用工业自动化组态软件能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。第二章 硬件设计2.1 硬件配置2.1.1 西门子S7-200 CUP226S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。S7-200系列的基本单元如

11、表2.1所示。表2.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221640S7-200CPU222862个扩展模块S7-200CPU22424107个扩展模块S7-200CPU224XP24167个扩展模块S7-200CPU22624167个扩展模块本论文采用的是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

12、，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。2.1.2 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。所调用是不是写错字了？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围或数量级上均不与标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于

13、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英文和数字用新罗马字体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。2.1.3 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DC420mA（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2-1所示为如何用D

14、IP开关设置EM 235模块。开关1到6可选择模拟量输入围和分辨率。所有的输入设置成一样的模拟量输入围和格式。表2.2所示为如何选择单/双极性（开关6）、增益（开关4和5）和衰减（开关1、2和3）。下表2.2中，ON为接通，OFF为断开。表2.2 EM 235选择模拟量输入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1V250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25

15、mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV根据温度检测和控制模块，我设置PID开关为010001图2.1 DIP开关2.1.4 温度检测和控制模块由学校提供，模拟真实锅炉的温度检测和控制模块，可自行将010V模拟信号转化为占空比对锅炉进行加热。输出的模拟信号也是010V，锅炉外接24V直流电源。2.2 I/O分配表表2.3 I/O分配表输入I0.0启动按钮I0.1停止按钮输出Q0.1启动指示灯Q0.2停止指示灯Q0.3正常运行指示灯Q0.4温度越上限报警指示灯Q0.5锅炉加热指示灯2.3 硬件接线图图2.2 硬件连接图图2.3 EM

16、 235 CN连接图第三章 软件设计3.1 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，控制与时，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。3.1.1 PID控制算法图3.1 闭环控制系统如图3.1所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳

17、定状态。偏差e和输入量r、输出量c的关系: （3-1）控制器的输出为： （3-2）-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 （3-3）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3.1所示：表3.1 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: （3-4）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。故可利用PLC中

18、的PID指令实现位置式PID控制算法量。3.1.2 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3.3所示。表3.3 PID指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程

19、变量（PVn）实数必须在0.01.0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3.1.3 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

20、化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两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 VD1003.1.4 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

21、.0之间。单极性的归一化的公式： （3-5）3.1.5 PID参数整定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、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3.4所示表3.4 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

22、（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=0.5。3.2 S7-200程序设计流程图运行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值每100ms调用一次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值返回主程序子程序0中断程序图3.2 设计流程图3.3 存地址分配与PID指令回路表3.3.1 存地址分配表3.5 存地址分配地址说明VD0实际温度存放VD4设定温度存放VD30实际温度的存放3.3.2 PID指令回路表表3.6 存地址分配地址名称说明VD100过程变量（PVn）必须在0.01

23、.0之间VD104给定值（SPn）必须在0.01.0之间VD108输出值（Mn）必须在0.01.0之间VD112增益（Kc比例常数，可正可负VD116采样时间（Ts）单位为s，必须是正数VD120采样时间（Ti）单位为min，必须是正数VD124微分时间（Td）单位为min，必须是正数VD128积分项前值（MX）必须在0.01.0之间VD132过程变量前值（PVn-1）必须在0.01.0之间3.4 S7-200程序设计梯形图3.4.1 初次上电1)读入模拟信号，并把数值转化显示锅炉的当前电压2)判断炉温是否在正常围，打亮正常运行指示灯/温度越上限报警指示灯3.4.2 启动/停止阶段启动过程：按

24、下启动按钮后，开始标志位M0.1置位，M0.2复位。打开运行指示灯Q0.0，熄灭并停止指示灯初始化PID。开始运行子程序0。停止过程：按下停止按钮后，开始标志位M0.1复位，点亮停止指示灯，熄灭运行指示灯。并把输出模拟量AQW0清零，停止锅炉继续加热。停止调用子程序0，仍然显示锅炉温度。停止时模拟量输出清零，防止锅炉继续升温。调用子程序。3.4.3 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PID3）每100ms中断一次子程序进行PID运算导入DIP。中断程序。3.4.4 中断程序，PID的计算1）模拟信号的采样处理，归一化导入PID2）DIP程序运算3）输出DIP运算结果，

25、逆转换为模拟信号第四章 组态编程4.1 PLC通信配置与通信方式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可以。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

26、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，然后才是字符本身，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。4.2 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

27、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通过按PPI协议进行管理的共享连接来进行。PPI不限制与任何一个从属装置进行通讯的主设备的数目，网络上最多可安装32个主设备。图4.1 PPI网络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，它将仍然作为从属装置对来自其他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既可以通过

28、PPI多台主设备电缆连接，也可以通过安装在编程站中的通讯处理器（CP）卡连接。在图上部的例网络中，编程站（STEP7-Micro/WIN）是网络主设备。在图下部的例网络中，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4.3 组态软件Kingview组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个

29、层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。4.4 组态王定义外部设备和数据变量4.4.1 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。基本类型的变量可以分为“存变量”和“I/O变量”两类。存变量是组态王部的变量，不跟监控设备进行交换。而I/O变量时两者之间互相

30、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。所以需要在创建连接前新建一些变量。本文中，PLC用存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。4.4.3 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1Byte：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：

31、32位， 4个字节Float：32位， 4个字节String：128个字符长度4.5 组态王界面4.5.1 温度控制主界面图4.5 监控画面4.6 启动组态王4.6.2 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。图4.6 初次上电4.6.3 启动启动后，锅炉开始升温，并维持在50摄氏度左右。图4.7 启动加热4.6.4 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。图4.8 停止4.6.5 报警当温度越上限时，系统报警。图4.9 报警结 论本课题设计了基于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

32、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，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控制子程序的话，控制效果可能会更好。还有人机界面容不够丰富，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，还可以丰富远程控制指令，以应对运行过程中的各