毕业设计（论文）-基于西门子S7-200系列PLC工业加热炉控制系统的设计

1、提供全套，各专业毕业设计 编 号： 审定成绩： 啊啊啊啊大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：基于西门子S7-200系列PLC工业加热炉控制系统的设计学 院 名 称 ：啊啊啊啊啊学 生 姓 名 ：啊啊啊专 业 ：啊啊啊啊啊啊啊啊班 级 ：0000000学 号 ：0000000000指 导 教 师 ：啊啊啊答辩组 负责人 ：啊啊啊填表时间： 2014 年 5 月啊啊啊啊大学教务处制诚信承诺书本人慎重承诺和声明：本人在毕业设计（论文）过程中遵守学校有关规定，恪守学术规范，在指导教师的指导下独立完成，没有剽窃和抄袭他人的学术观点、思想和成果，未篡改研究数据，若有违规行为的发生，我愿接受学校处理，并承

2、担一切法律责任。论文作者签名： 年 月 日 摘 要随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的可编程逻辑控制器（PLC）控制技术所取代，而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变得经济、高效、稳定且维护方便。本文介绍了基于西门子公司S7200系列PLC的温度控制系统的设计方法，详细分析了系统的硬件设计以及软件设计。控制系统采用PC+PLC的主从控制结构，组成一种经济可靠的工业加热炉温度控制系统。加热炉温度控制系统是一个大惯性系统，一般采用PID算法进行控制，运用PLC梯形图编程语言进行编程，对锅炉工作过程进行自动控制。利用组态软件组态王设计上位机界面，实

3、现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理，并可以实现友好的用户界面，是一种具有一定应用价值的实时温度控制系统。设计之后系统稳定性好、精度高、鲁棒性强。【关键词】加热炉 PLC PID 温度控制 上位机 ABSTRACTWith the development of the computer control technology，the traditional relay control technology must be replaced necessarily by the programmable logic controller（PLC） control technology whi

4、ch generates based on computer technology，and PLC has excellent performance what makes the temperature control system with PLC technology become more economic，more efficient，more stable and easily maintainThis thesis introduces a design technique of the temperature control system with SIMATIC S7200

5、series PLC，details the hardware design and the software design of the systemThis control system adopts PC&PLC masterslave control construction，constitutes an economic and reliable industrial heating furnace temperature control systemThe furnace temperature control system is a large inertia system，ge

6、nerally uses the PID algorithm to control，and uses ladder diagram programming language of PLC to programme，in order to carry out the automatic control of the heating furnace work processUsing the configuration software KingView to design the upper computer interface to monitor the control system and

7、 real-time sample and processIt is able to get a friendly user interface，is a real-time temperature control system which has moderate application valueAfter the design，the system has a good stability，a high precision and a strong robustness【Key words】The heating furnace PLC PID Temperature control T

8、he upper computer目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc393743818 前 言 PAGEREF _Toc393743818 h 1 HYPERLINK l _Toc393743819 第一章 工业加热炉控制系统概述 PAGEREF _Toc393743819 h 2 HYPERLINK l _Toc393743820 第一节 温度控制系统背景及发展趋势 PAGEREF _Toc393743820 h 2 HYPERLINK l _Toc393743821 一、温度控制系统背景 PAGEREF _Toc393743821 h 2 HYPERLINK

9、 l _Toc393743822 二、温度控制系统发展趋势 PAGEREF _Toc393743822 h 2 HYPERLINK l _Toc393743823 第二节 研究内容与任务 PAGEREF _Toc393743823 h 3 HYPERLINK l _Toc393743824 第三节 本章小结 PAGEREF _Toc393743824 h 3 HYPERLINK l _Toc393743825 第二章 设计方案及控制算法 PAGEREF _Toc393743825 h 5 HYPERLINK l _Toc393743826 第一节 设计方案 PAGEREF _Toc393743

10、826 h 5 HYPERLINK l _Toc393743827 一、系统总体方案 PAGEREF _Toc393743827 h 5 HYPERLINK l _Toc393743828 二、硬件设计方案 PAGEREF _Toc393743828 h 5 HYPERLINK l _Toc393743829 三、软件设计方案 PAGEREF _Toc393743829 h 6 HYPERLINK l _Toc393743830 四、上位机设计方案 PAGEREF _Toc393743830 h 7 HYPERLINK l _Toc393743831 第二节 控制算法 PAGEREF _Toc

11、393743831 h 8 HYPERLINK l _Toc393743832 一、控制算法选择 PAGEREF _Toc393743832 h 8 HYPERLINK l _Toc393743833 二、PID算法介绍 PAGEREF _Toc393743833 h 8 HYPERLINK l _Toc393743834 第三节 本章小结 PAGEREF _Toc393743834 h 10 HYPERLINK l _Toc393743835 第三章 加热炉控制系统硬件设计 PAGEREF _Toc393743835 h 11 HYPERLINK l _Toc393743836 第一节 系统

12、硬件组成 PAGEREF _Toc393743836 h 11 HYPERLINK l _Toc393743837 一、系统结构组成 PAGEREF _Toc393743837 h 11 HYPERLINK l _Toc393743838 二、各组成部分的任务 PAGEREF _Toc393743838 h 11 HYPERLINK l _Toc393743839 第二节 AE2000型过程控制实验系统 PAGEREF _Toc393743839 h 12 HYPERLINK l _Toc393743840 一、电加热锅炉 PAGEREF _Toc393743840 h 12 HYPERLIN

13、K l _Toc393743841 二、温度变送器 PAGEREF _Toc393743841 h 12 HYPERLINK l _Toc393743842 三、三相晶闸管移相调压装置 PAGEREF _Toc393743842 h 12 HYPERLINK l _Toc393743843 第三节 可编程逻辑控制器及模拟量扩展模块 PAGEREF _Toc393743843 h 13 HYPERLINK l _Toc393743844 一、可编程逻辑控制器 PAGEREF _Toc393743844 h 13 HYPERLINK l _Toc393743845 二、模拟量扩展模块 PAGERE

14、F _Toc393743845 h 15 HYPERLINK l _Toc393743846 第四节 本章小结 PAGEREF _Toc393743846 h 17 HYPERLINK l _Toc393743847 第四章 加热炉控制系统软件设计 PAGEREF _Toc393743847 h 18 HYPERLINK l _Toc393743848 第一节 设计思路 PAGEREF _Toc393743848 h 18 HYPERLINK l _Toc393743849 一、主程序部分 PAGEREF _Toc393743849 h 18 HYPERLINK l _Toc393743850

15、 二、温度标度变换部分 PAGEREF _Toc393743850 h 18 HYPERLINK l _Toc393743851 三、PID运算调节部分 PAGEREF _Toc393743851 h 18 HYPERLINK l _Toc393743852 第二节 主程序 PAGEREF _Toc393743852 h 18 HYPERLINK l _Toc393743853 第三节 标度变换子程序 PAGEREF _Toc393743853 h 19 HYPERLINK l _Toc393743854 第四节 PID初始化子程序及中断程序 PAGEREF _Toc393743854 h 2

16、0 HYPERLINK l _Toc393743855 第五节 本章小结 PAGEREF _Toc393743855 h 26 HYPERLINK l _Toc393743856 第五章 上位机的设计与调试 PAGEREF _Toc393743856 h 27 HYPERLINK l _Toc393743857 第一节 上位机与下位机的通信连接 PAGEREF _Toc393743857 h 27 HYPERLINK l _Toc393743858 第二节 组态王工程的建立和调试 PAGEREF _Toc393743858 h 27 HYPERLINK l _Toc393743859 第三节

17、本章小结 PAGEREF _Toc393743859 h 29 HYPERLINK l _Toc393743860 第六章 系统运行及结果分析 PAGEREF _Toc393743860 h 30 HYPERLINK l _Toc393743861 第一节 系统运行 PAGEREF _Toc393743861 h 30 HYPERLINK l _Toc393743862 第二节 结果分析 PAGEREF _Toc393743862 h 30 HYPERLINK l _Toc393743863 第三节 本章小结 PAGEREF _Toc393743863 h 31 HYPERLINK l _To

18、c393743864 结 论 PAGEREF _Toc393743864 h 32 HYPERLINK l _Toc393743865 致 谢 PAGEREF _Toc393743865 h 33 HYPERLINK l _Toc393743866 参考文献 PAGEREF _Toc393743866 h 34 HYPERLINK l _Toc393743867 附 录 PAGEREF _Toc393743867 h 35 HYPERLINK l _Toc393743868 一、英语原文 PAGEREF _Toc393743868 h 35 HYPERLINK l _Toc393743869

19、二、英语翻译 PAGEREF _Toc393743869 h 44 HYPERLINK l _Toc393743870 三、源程序 PAGEREF _Toc393743870 h 51前 言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。由于PLC对现场进行实时监控具有很高的可靠性，且编程简单、灵活，因此越来越受到人们重视，PLC也被广泛地应用于温度控制系统。所以在现代工业控制中，选用PLC对温度进行控制将是大多数人的选择。因此设计一个基于PLC的工业加热炉温度控制系统具有重要意义。对于工业加热炉控

20、制系统，从分析对象要求，形成设计思想，选用设备，编写并优化程序，在本论文中都会得到详细和完整地论述。第一章 工业加热炉控制系统概述第一节 温度控制系统背景及发展趋势一、温度控制系统背景温度控制系统在工业生产活动中被广泛地使用，同时又是人们供热取暖设备的主要驱动来源，它的出现迄今已有两百余年。期间，它从低级到高级，从简单到复杂。随着生产力的发展和对温度控制精度的要求不断提高，温度控制系统的控制技术得到了迅速发展。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发展下，还有在自动控制理论与设计方法发展的推动下，国内外的温度控制系统迅猛发展，并且在职能化、自适应、参数自整定等

21、方面取得了不错成果。在这一方面，日本、美国、德国、瑞典等国的技术领先，已经产生了一批商品化的、性能高的温度控制器及仪器仪表，并且被各行各业广泛应用。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，我国总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，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，国内技术还不十分成熟。形成商品化并在仪表控制系统参数的自整定方面，由于国外技术保密

22、及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件，控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。二、温度控制系统发展趋势当前比较流行的温度控制系统1有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，另外还有集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置。当然，在实际运用中，为了达到更好的控制效果，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。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内外必然的发展趋势。第二节 研究内容与任务加

23、热炉由内胆、夹套及附属的加热电阻丝组成。水的温度是通过热传递的方式，将热能由温度高的内胆水传到温度低的夹套水中去。于是，通过适当调节加热电阻丝两端的电压，加热控制内胆水温，进而控制夹套水温。可编程逻辑控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC技术在温度控制系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定、人机界面地设计等。串级系统2是由调节器串联起来工作

24、，整个系统包括两个控制回路，即主回路和副回路，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。一次扰动作用在主被控过程上，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。以加热炉为控制对象水的容器；以加热炉夹套水温为主被控参数，以内胆水温为副被控参数；以三相调压装置为系统执行机构；以西门子S7200系列PLC3为控制器，构成加热炉温度串级控制系统，主、副控制器采用PID控制

25、算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，手动整定PID参数，实时反馈内胆、夹套水温，控制加热装置，使加热炉温度达到设定温度值左右，并能实现手动启动和停止；运行指示灯显示系统的运行状态；上述物品及功能实现加热炉夹套温度地自动控制。系统配置一台上位监控PC机，PC机安装有北京亚控公司的“组态王”监控组态软件，通过USBPPI编程电缆同PLC的RS485串行接口进行通讯。第三节 本章小结随着历史的发展，温度控制系统被广泛地应用于工业生产中，而且精度要求越来越高，在此期间温控系统技术得到迅猛的发展。尤其以日本，美国，德国，瑞典为代表，它们的技术遥遥领先，并且已经生产出商品化，性能高的温度控制器及仪器仪

26、表。我国与他们相比，虽然在各行各业都有广泛使用温度控制系统，但是在生产制造、科学研究等方面，我国与日本，美国等国有很大差距。目前国内有基于单片机的、PLC的、IPC的温度控制系统，还有集散型、现场总线温度控制系统。这些温度控制系统各有优缺点：基于单片机的温度控制系统运行稳定，但是它受单片机的影响较大，因为单片机响应慢，中断源少，所以此温度控制系统不适用于复杂，高要求的工作环境；考虑到工控机性能稳定，可用软件多，价格低的因素，它被广泛应用，但是单独使用时，容易被干扰，可靠性差；集散型温度控制系统是款集聚监控及协调管理的不错的控制系统，但是它的成本过高，难以大范围的应用；现场总线控制系统是个优点较

27、多的控制系统，但是它才刚开始进入实用化，并且各国标准不统一，在国际上互换使用比较麻烦；相对于上述温度控制系统来说，PLC的可靠性高，抗干扰能力强，易于学习掌握，所以它在工业上的使用更加广泛，从经济效益上来讲，其成本低，市场占有率高，前景广阔。通过运用串级系统的思想与PLC技术，以及对系统硬件、软件和上位机软件的设计，使得加热炉温度控制系统达成预定目标，即主、副控制器采用PID控制算法，实时计算控制量，手动整定PID参数，控制调压装置及加热电阻丝两端电压，使夹套温度能够稳定在设定温度值的附近，并能实现手动启动和停止，运行指示灯实时监控控制系统的运行，实时显示当前内胆温度值与夹套温度值。第二章 设

28、计方案及控制算法第一节 设计方案一、系统总体方案加热炉温度控制系统主要由硬件、软件和上位机45三部分组成。设计方案是对PLC进行编程来对系统进行总体控制；温度变送器采集夹套和内胆温度信号；两个常开按钮分别对系统的运行与停止进行手动控制；指示灯用来显示系统的运行状态；模拟量扩展模块承担两个模拟量输入和一个模拟量输出的任务；调压装置根据模拟量扩展模块的输出信号对加热炉内电阻丝两端电压进行控制，来实现对温度的控制6。利用上位机中的组态软件的功能，构建一套最适合本系统的应用系统，允许操作人员通过上位机直接向设备发出控制指令。二、硬件设计方案硬件基本构成有PLC部分、模拟量扩展模块、调压装置、温度变送器

29、、电加热锅炉（内含加热电阻丝）、启动/停止按钮与指示灯七个部分组成7。其硬件部分组成及其关系如图2.1所示：图2.1 硬件连接图基本工作原理：加热炉是控制对象（本设计采用自来水作为控制对象）的容器，通过温度变送器检测内胆水温和夹套温度，各自产生15V电压信号，传送给S7200 PLC的模拟量扩展模块EM235，由PLC主控系统部分进行运算和处理，之后再将由模拟量扩展模块EM235产生420mA的控制信号传送给调压装置，调压装置根据不同的控制信号输出不同的电压来控制加热炉内的电阻丝来对水进行加热，由此水温升高或降低会影响温度变送器，从而产生了一个闭环回路控制，因此达到平衡控制水温的目的。通过启动

30、和停止产生的开关量数字信号来控制系统运行与停止，实现手动控制的功能。指示灯显示系统的运行情况。三、软件设计方案软件基本结构由主/副PID控制器控制对象温度。其基本工作原理7：首先预计出两个PID控制器的相关参数，进行PID初始化；把夹套温度变送器传送回来的15V电压信号经过模拟量扩展模块EM235的输入口A/D转换变为640032000的数字量（称为主回路的夹套温度过程值PV1），同时给定一个夹套温度给定值SP，将SP和PV1传送给主控制器PID1运算，得到的结果OUT1作为副控制器的给定值SP，将它和内胆温度变送器传送回来的内胆温度过程值PV0传送给副控制器 PID0运算，得到的结果OUT0

31、经过模拟量扩展模块EM235的输出口D/A转换变为420mA的控制信号传送给调压装置，对炉内加热电阻丝进行控制，同时对内胆温度和夹套温度进行检测，形成双闭环回路的串级控制。其控制回路组成图如图2.2所示：图2.2 温度串级控制系统流程图如图2.3所示：图2.3 系统流程图四、上位机设计方案使用组态软件组态王设计出能反应系统的组成；系统运行状态；显示加热炉实时温度；手动启、停系统；设定期望温度值的工程。第二节 控制算法一、控制算法选择在工程实际中，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8，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、

32、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，最适合使用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。二、PID算法介绍比例（P）控制：比例控制是一种最简单，最常用的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分

33、（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制：在微分控制中，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。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其

34、原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（Delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。图2.4 带PID控制器的闭控制系统如图2.4所示，PID控制器

35、可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差和输入量、输出量的关系： （21）控制器的输出为： （22）式中，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： （23）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，计算机计算之后再输出结果。式（22）离散化的规律如表2.1所示：表2.1 模拟与离散形式模拟形式离散形式所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为： （2-4）式中，比例项 积分项 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，没有必要保留所有采样周期的积分项，只需要保留前一个积分项，计算机的处理就是按

36、照这种简化思想来计算的。所以在PLC中，上面三个式子可以近似9为： 比例项 积分项 微分项式中，采样时间n的输入量（回路设定值） ，采样时间n的反馈量（回路过程值）第三节 本章小结经过研究控制对象及要求，决定从硬件、软件和上位机三个方面来研究。本章概略地描述了硬件、软件和上位机如何设计；针对不确定系统参数或模型时，使用PID控制算法最简单有效，并说明了在PLC中PID计算的思想。后面几章是遵循这种思路，做了详细地描述。第三章 加热炉控制系统硬件设计第一节 系统硬件组成一、系统结构组成温度控制系统的结构包括一台可编程逻辑控制器PLC、一个模拟量扩展模块、一个调压装置、两个温度变送器、一个电加热锅

37、炉（内含加热电阻丝）、两个启动/停止按钮，一个系统运行指示灯。二、各组成部分的任务1、按钮和指示灯运行指示灯显示运行状态。启动按钮/停止按钮实现控制系统的启动和停止。按下启动按钮，系统开始运行，运行指示灯点亮；按下停止按钮，系统停止运行，运行指示灯熄灭。2、温度变送器用来检测夹套和内胆温度，将温度值转换为电压模拟量信号，同时传送给PLC模拟量扩展模块。3、调压装置和电加热锅炉电加热锅炉是PLC控制对象的容器。调压装置受到PLC模拟量扩展模块输出的420mA电流信号控制，来调节调压装置的输出电压，对电阻丝进行控制，来升高或者维持内胆温度。4、可编程逻辑控制器及模拟量扩展模块可编程逻辑控制器对读取

38、到的温度数字量进行标度变换处理，得到实际的温度值；另一方面，经过标度变换处理得到的实际温度值，和给定的温度值进行计算处理，计算采用PID控制算法。模拟量扩展模块可以在输入口对从温度变送器送来的电压模拟信号进行A/D转换，得到与温度对应的数字量，并且PLC可以读取储存数字量的地址；PLC计算之后可以在输出口地址中储存数据，模拟量扩展模块进行D/A转化并输出给调压装置，进而控制调压装置，以实现对加热电阻丝的控制。第二节 AE2000型过程控制实验系统一、电加热锅炉由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢锅炉冷却夹套组成，内胆与夹套没有水的交换，可以利用它进行温度实验。其中加热电阻丝在锅炉内胆中，

39、两端电压由调压装置控制，进而控制内胆中水的温度。通过热传递的方式，将热量由温度高的内胆水传到温度低的夹套水中去。锅炉内胆有进水口、出水口和溢水口，可以将冷水从进水口注入，加热冷水以提升水温。夹套有另一套进水口和出水口，可以将冷水从进水口注入，在夹套内循环流动，吸收热传递的热量，以此提升水温，最终由出水口流出，获得期望温度的热水。由于内胆与夹套的进水口、出水口相互独立，所以进入锅炉的水流大小由不同的水阀控制。二、温度变送器温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的

40、标准电信号输出。温度传感器是一种能将温度变化转换为电量变化的元件，本系统采用了铂热电阻PT100，PT100是一种广泛应用的热电阻式温度传感器，是将温度变化转化为电阻值变化的一种测温元件10。常用的PT电阻接法有三线制和两线制11，由于将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，所以三线制接法的优点是使得导线电阻值的变化而产生的测量误差得以消除。本实验系统采用桥式测温电路，测温原理是：电路采用一个恒定的参考电源；使用R1、R2、VR、PT100构成测量电桥（其中R1R2，VR为100精密电阻），当PT100的电阻值和VR的电阻值不相等时，电桥输出一个毫伏级的压差信号，这个压差信号经

41、过运放电路放大后输出一个期望范围内大小的电压信号，该信号可直接送入模拟量扩展模块进行A/D转换。三、三相晶闸管移相调压装置本系统使用的是三相晶闸管移相调压装置，是一种以晶闸管为基础，以智能数字控制电路为核心的电源控制装置。装置的基本原理是控制晶闸管的触发角或导通角，施加在电阻丝两端上的电压平均值由此受到控制，达到调节电压或功率的目的。而晶闸管的导通条件是承受正向电压，且仅在门极有触发电流时导通，当晶闸管导通时，主回路就会导通，在主回路中的负载就会工作12。PLC通过模拟量扩展模块EM235输出420mA的电流信号作为晶闸管的控制信号。当控制信号输入后，三相晶闸管移相调压装置就根据此信号改变内胆

42、中电阻丝两端的电压，从而改变电阻丝的输出功率，升高或维持内胆温度。第三节 可编程逻辑控制器及模拟量扩展模块一、可编程逻辑控制器1、介绍可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。PLC的特点： EQ oac(,1)可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 EQ oac(,2)配套齐全，功能完

43、善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中，加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 EQ oac(,3)易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为一种通用工业控制计算机，是面向工控企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻

44、辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 EQ oac(,4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序从而改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 EQ oac(,5)体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

45、2、可编程逻辑控制器选型S7200系列PLC13是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程逻辑控制器，它能满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用。S7200系列可以根据对象不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架上。S7200的CPU模块包括一个中央处理单元，电源及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，

46、驱动外部负载。从CPU模块功能来看，CUP模块为CUP22X，它具有如下五种不同的结构配置CPU单元： EQ oac(,1)CPU221它有6输入/4输出，I/O共计10点。无扩展能力，程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数处理能力，非常适合于少点数的控制系统。 EQ oac(,2)CUP222它有8输入/6输出，I/O共计14点，和221相比，它可以进行一定的模拟量控制和2个模拟量扩展，因此是应用更广泛的全功能控制器。 EQ oac(,3)CUP224它有14输入/10输出，I/O共计24点，和前两者相比，存储容量扩大了一倍，它可以有7个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处

47、理能力，是使用得最多S7-200产品。 EQ oac(,4)CUP224XP它在用户程序存储量和数据存储量上进行了扩展，同时高速计数器比224好很多，本身具有模拟量2输入/1输出端口，其余的和224无太大差别。 EQ oac(,5)CUP226它有24输入/16输出，I/O共计40点，和CUP224相比，增加了通信口数量，通信能力大大增强。它可用于点数较多，要求较高的小型或中型控制系统。在本设计中有数字量2输入/1输出，并需要一个模拟量扩展，而CUP224本机数字量14输入/10输出，可完成设计所需的技术要求，并且学校提供一个CPU224模块，所以本设计选用CUP224 AC/DC/RLY。C

48、UP用220V AC电源，24V DC输入，继电器输出，其功率为9W，订货号为6ES7 214-1BD21-0XB0。二、模拟量扩展模块温度变送器将检测到的温度转换成15V的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理，得到的控制信号也要通过模拟量输出模块把数字信号转成420mA的电流信号对调压装置进行控制14。S7200PLC的模拟量模块有EM231，EM232和EM235三种类型的模拟量扩展模块。EM231有4路模拟量输入，EM232有2路模拟量输出，EM235有4路模拟量输入和2路模拟量输出。本设计中需要检测两个温度信号，和输出一个电流控制信号，所以

49、需要2路模拟量输入/1路模拟量输出，所以我们选择EM235模拟量输入/输出模块，其功耗为2W。订货号为6ES7 235-0KD22-0XA0。其输入/输出特性如表3.1所示。表3.1 EM235输入/输出特性模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围 电压（单极性）电压（双极性）电流010V，05V等 10V，5V，等 020mA数据字格式 双极性，全量程范围单极性，全量程范围-32000+320000 032000模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围 电压输出 电注输出10V 020mA数据字格式 电压 电流-32000+32000 032000EM235输入数据字格式如表3.2所示。表3.2

50、 CPU中模拟量输入字中12位数据值的存放位置MSBLSB151432100数据值12位000 单极数据MSBLSB1543210数据值12位0000 双极数据模拟量到数字量转换器（ADC）的12位读数，其数据格式是左端对齐的。最高有效位是符号位，0表示是正值。对单极性格式，3个连续的0使得ADC计数数值每变化1个单位则数据字的变化是以8为单位变化的。对双极性格式，4个连续的0使得ADC计数数值每变化1个单位，则数据字的变化是以16为单位变化的。EM235输出数据字格式如下表3.3所示。表3.3 CPU中模拟量输出字中12位数据值的存放位置MSBLSB1514432100数据值11位0000

51、电流输出数据格式MSBLSB1543210数据值12位0000 电压输出数据格式数字量到模拟量转换器（DAC）的12位读数，其数据格式是左端对齐的，最高有效位是符号位，0表示是正值。数据在装载到DAC寄存器之前，4个连续的0是被裁断的，这些位不影响输出信号值。EM235配置：表3.4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3.4 DIP开关设置单极性满量程输入 分辨率 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF ON 0到50mV 12.5V OFF ON OFF

52、ON OFF ON 0到100mV 25V ON OFF OFF OFF ON ON 0到500mV 125uA SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 满量程输入 分辨率 OFF ON OFF OFF ON ON 0到1V 250V ON OFF OFF OFF OFF ON 0到5V 1.25mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0到20mA 5A OFFONOFFOFFOFFON0到10V本设计中温度检测模块输入信号范围为05V的电压信号，为单极性，所以DIP开关设置为：SW1，ON；SW2，OFF；SW3，OFF；SW4，OFF；SW5，OFF；SW6，ON。输出设

53、置：本设计中输出为420mA的电流信号，而EM235可以输出-10V +10V的电压信号和020mA的电流信号，所以我们选择电流信号的输出接线方法。其电流满量程输出数据为032000，所以我将其数据输出范围定在640032000。第四节 本章小结本章对将要使用的装置和部件等硬件方面做了描述，以便实际使用中，能方便准确地组合在一起，以构成本系统。第四章 加热炉控制系统软件设计第一节 设计思路PLC采用的是的S7200系列CPU224，采用了2个按钮和1个系统指示灯来控制和显示系统运行的状态。温度变送器负责检测加热炉中夹套和内胆的温度，把温度信号转化成15V的电压信号，经过PLC模数转换后进行标度

54、变换，变成实际的温度值，然后进行PID双闭环串级控制运算，根据PID输出值来控制三相晶闸管移相调压装置的输出电压来控制炉内加热器，实现对炉温控制调节的目的。所以软件设计大致分为三个部分：一、主程序部分用来实现系统的启动与停止的手动控制和系统运行的指示，并实现对其他子程序的有效调用。二、温度标度变换部分用来实现将模数转换后的数字量转换成实际的温度值。三、PID运算调节部分这一部分为系统的运行调节部分，实现实时控制温度的目的。第二节 主程序主程序主要任务：完成系统的启动与停止的手动控制和系统运行的指示，并实现对其他子程序的有效调用的任务。在主程序中没有用到局部变量。主程序流程图如图4.1所示。图4

55、.1 主程序流程主程序梯形图附在附录里。第三节 标度变换子程序由于温度变送器将温度信号转换为15V的电压信号，并传送给模拟量扩展模块输入口，模拟量扩展模块将模拟量15V的电压信号转换为640032000的数字量信号传送给CPU。由于实际物体使用时间较长，可能存在一些线路、元件问题以致出现误差，经过实际检测，水温24度对应0.6V（数字量3840），沸腾时100度对应4.6V（数字量29568），所以标度变换子程序的主要任务是将384029568间的数字量参数转换为24100度间的实际温度参数，以便于后面的显示。如果用P表示传送的数字量信号，N表示实际的温度值。那么其关系如图4.2所示。图4.2

56、 温度与数字量关系用公式表示，可以表示为(N-24)/(P-3840)=(100-24)/(29568-3840)，即N=(76P+325632)/25728，得知这个公式则可进行程序编辑。标度变换子程序梯形图附在附录里。第四节 PID初始化子程序及中断程序S7200的编程软件STEP 7Micro/WIN提供PID Wizard（PID指令向导），可以帮助用户方便地生成一个闭环控制过程的PID 算法。此向导可以完成绝大多数PID运算的自动编程，用户只需在主程序中调用PID向导生成的子程序，就可以完成PID控制任务。在Micro/WIN中的命令菜单中选择工具指令向导，然后在指令向导窗口中选择P

57、ID指令。在使用向导时必须先对项目进行编译，如果已有的程序中存在错误，或者有没有编完的指令，编译不能通过。如果你的项目中已经配置了一个PID回路则向导会指出已经存在的PID回路，并让你选择是配置修改已有的回路，还是配置一个新的回路。在此我选择配置一个新的回路。以主控制器PID1为例说明PID向导编程步骤：1、定义需要配置的PID回路号图4.3 选择PID回路号2、设定PID回路参数图4.4 设置PID参数上图4.4中字母圈的说明：100度。B、比例增益：即比例系数，本设计中设为4。 C、积分时间：即积分系数，本设计中设为10分钟。如果不想要积分作用，可以把积分时间设为无穷大9999.99。D、

58、微分时间：即微分系数，本设计中设为0分钟。如果不想要微分作用，可以把微分时间设为0。 E、采样时间：是PID控制回路对反馈采样和重新计算输出值的时间间隔。在向导完成后，若想要修改此数，则必须返回向导中修改，不可在程序中或状态表中修改，本设计中设为0.1秒。以上定义PID回路的参数，这些参数都应当是实数。3、设定回路输入输出值图4.5 设定PID输入输出参数上图4.5中字母圈的说明：A、指定输入类型：由于本设计的输入是从模拟量扩展模块传送过来的，而模块的输入是15V电压信号，不存在负极性，所以不用选择双极性，只需选择单极性就可以，并且不需要使用20%偏移量。如果使用偏移量，那么过程变量的范围将会

59、是640032000，并不对应本设计中的24100度相应的数字量，且不能修改范围，所以不能勾选。 B、反馈输入取值范围：本设计中24100度对应数字量范围是384029568，所以此处过程变量范围就应该是384029568。C、输出类型：可以选择模拟量输出或数字量输出。模拟量输出用来控制一些需要模拟量给定的设备，如比例阀、变频器等；数字量输出实际上是控制输出点的通、断状态按照一定的占空比变化，可以控制固态继电器（加热棒等）。本设计需要的是输出一个温度范围，以此范围内一个值充当副控制器的设定值。所以选择模拟量。D、选择模拟量则需设定回路输出变量值的范围，并且不需要使用20%偏移量。如果使用偏移量

60、，那么输出变量的范围将会是640032000，且不能做修改。E、取值范围：主控制器PID1的输出应该是一个温度范围，应和副控制器PID0的设定值对应，所以应该填写24100。4、设定回路报警选项图4.6 设定回路报警限幅值图4.6显示如何设定回路报警。本设计暂时没有设计报警功能，所以此步骤不需要勾选任何选项。5、指定PID运算数据存储区图4.7 分配运算数据存储区PID指令（功能块）使用了一个120个字节的V区参数表来进行控制回路的运算工作；除此之外，PID向导生成的输入/输出量的标准化程序也需要运算数据存储区。需要为它们定义一个起始地址，要保证该地址起始的若干字节在程序的其它地方没有被重复使