基于PLC的恒温控制系统-电子科学与技术毕业设计

1、 本 科 生 毕 业 论 文设计题 目： 基于PLC的恒温控制系统 院 系： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 二 一 四 年 五 月摘 要在工业控制领域，基于运行稳定性考虑，要对生产过程中的各种物理量进行详细的检测和控制。这在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。其中温度控制又以其较为复杂的工艺过程而备受人们关注。所以各种加热炉、热处理炉、反响炉等得到了广泛应用。这些都对温度控制系统的设计提出了更高的要求。本设计采用S7-200PLC对加热炉温度进行控制。随着自动控制技术的迅速开展，PLC对温度的控制技术应用越来越广泛。本文采用PLC对温度进行控制，通过合

2、理的设计，提高温度控制水平，进而改善温度运行的稳定性，使其更加精确。本文主要介绍了温度控制的PLC控制系统总体方案设计、设计过程、组成、梯形图，并给出了系统组成框图，分析流量逻辑关系，提出PLC的编程方法。本系统分析了加热炉温度控制的PID控制原理，设计了系统的数学控制模型以及系统控制框图，用组态王软件组态配置工业控制监控系统，对数据进行实时监控。通过对单回路控制系统的参数整定以及组态王的PID控制程序，实现了加热炉温度的精确控制。通过对PLC程序的仿真调试以及对组态的系统仿真，验证了本加热炉温度控制系统的设计合理性，系统动态响应符合了最初的设计要求，也具有一定的实用价值。关键词：温度控制，可

3、编程控制器，PID，组态王 AbstractIn the field of industrial control, based on the operational stability considerations, detection and control of various physical quantities in the production process. In the metallurgical, chemical, building materials, food, machinery, oil industry, which plays a decisive role.

4、 Temperature control and its more complex processes have attracted much attention. Various furnace, heat treatment furnaces, reactors, etc. has been widely applied. These are put forward higher requirements for the design of the temperature control system.This design uses the S7-200PLC as the core o

5、f the furnace temperature control. With the rapid development of automatic control technology, PLC temperature control technology is applied more and more widely. This paper used PLC to temperature control, through reasonable design, improve the temperature of control level, thereby improving the te

6、mperature stability of running, making them more precise. This article mainly introduced the temperature of PLC control system design, design process, composition, lists the flow ladder diagram, and gives the block diagram of the system, analyzes the flow of logic relation, put forward PLC programmi

7、ng method. Giving some suggestions, basic principle, basic flow programming ideas have roughly understanding.The system analysis of the PID control principle of pipeline temperature control, has designed the system mathematical model and control block diagram of control system, using the Kingview co

8、nfiguration software configuration control monitoring system, real-time monitoring of data. The parameters of single loop control system tuning and Kingview PID control procedures, to achieve the precise control of pipeline flow. Through the simulation and debugging of PLC program and system simulat

9、ion of the Kingview, verify the rationality of the control system of the pipeline temperature design, dynamic response of the system in line with the requirements of the original design, and also has a certain practical value.Keywords: Temperature Control, PLC,PID,Kingview目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLI

10、NK l _Toc386806405 第一章前言 PAGEREF _Toc386806405 h 1 HYPERLINK l _Toc386806406 恒温控制的现状与意义 PAGEREF _Toc386806406 h 1 HYPERLINK l _Toc386806407 系统设计要求 PAGEREF _Toc386806407 h 2 HYPERLINK l _Toc386806408 设计主要内容 PAGEREF _Toc386806408 h 3 HYPERLINK l _Toc386806409 第二章恒温控制系统硬件设计 PAGEREF _Toc386806409 h 5 HY

11、PERLINK l _Toc386806410 总体分析 PAGEREF _Toc386806410 h 5 HYPERLINK l _Toc386806411 PLC控制系统设计的根本原那么和步骤 PAGEREF _Toc386806411 h 6 HYPERLINK l _Toc386806412 PLC控制系统设计的根本原那么 PAGEREF _Toc386806412 h 6 HYPERLINK l _Toc386806413 PLC控制系统设计的一般步骤 PAGEREF _Toc386806413 h 7 HYPERLINK l _Toc386806414 PLC的选型与硬件配置 P

12、AGEREF _Toc386806414 h 8 HYPERLINK l _Toc386806415 PLC型号的选择 PAGEREF _Toc386806415 h 8 HYPERLINK l _Toc386806416 S7-200 CPU的选择 PAGEREF _Toc386806416 h 9 HYPERLINK l _Toc386806417 EM231模拟量输入模块 PAGEREF _Toc386806417 h 9 HYPERLINK l _Toc386806418 热电偶温度传感器 PAGEREF _Toc386806418 h 10 HYPERLINK l _Toc38680

13、6419 I/O地址分配及电气连接图 PAGEREF _Toc386806419 h 12 HYPERLINK l _Toc386806420 PLC硬件接线图 PAGEREF _Toc386806420 h 12 HYPERLINK l _Toc386806421 第三章PLC控制系统软件设计 PAGEREF _Toc386806421 h 14 HYPERLINK l _Toc386806422 PLC程序设计方法 PAGEREF _Toc386806422 h 14 HYPERLINK l _Toc386806423 编程软件STEP7-Micro/WIN概述 PAGEREF _Toc3

14、86806423 h 15 HYPERLINK l _Toc386806424 STEP7-Micro/WIN简单介绍 PAGEREF _Toc386806424 h 15 HYPERLINK l _Toc386806425 STEP7-Micro/WIN参数设置通讯设置 PAGEREF _Toc386806425 h 16 HYPERLINK l _Toc386806426 基于S7200的PID控制 PAGEREF _Toc386806426 h 18 HYPERLINK l _Toc386806427 控制系统数学模型的建立 PAGEREF _Toc386806427 h 18 HYPE

15、RLINK l _Toc386806428 PID在PLC中的回路指令 PAGEREF _Toc386806428 h 19 HYPERLINK l _Toc386806429 内存地址分配与PID指令回路表 PAGEREF _Toc386806429 h 20 HYPERLINK l _Toc386806430 程序设计梯形图 PAGEREF _Toc386806430 h 22 HYPERLINK l _Toc386806431 初次上电 PAGEREF _Toc386806431 h 22 HYPERLINK l _Toc386806433 启动/停止阶段 PAGEREF _Toc386

16、806433 h 23 HYPERLINK l _Toc386806434 子程序0 PAGEREF _Toc386806434 h 24 HYPERLINK l _Toc386806435 中断程序、PID的计算 PAGEREF _Toc386806435 h 25 HYPERLINK l _Toc386806436 第四章基于组态软件恒温监控系统设计 PAGEREF _Toc386806436 h 27 HYPERLINK l _Toc386806437 组态王软件介绍 PAGEREF _Toc386806437 h 27 HYPERLINK l _Toc386806438 组态软件开发过

17、程 PAGEREF _Toc386806438 h 28 HYPERLINK l _Toc386806439 工程整体规划 PAGEREF _Toc386806439 h 28 HYPERLINK l _Toc386806440 工程建立 PAGEREF _Toc386806440 h 28 HYPERLINK l _Toc386806441 构造数据词典 PAGEREF _Toc386806441 h 28 HYPERLINK l _Toc386806442 组态用户窗口 PAGEREF _Toc386806442 h 30 HYPERLINK l _Toc386806443 组态王设备连接

18、 PAGEREF _Toc386806443 h 31 HYPERLINK l _Toc386806444 组态王画面制作与动连接 PAGEREF _Toc386806444 h 32 HYPERLINK l _Toc386806445 PID控制脚本编写 PAGEREF _Toc386806445 h 32 HYPERLINK l _Toc386806446 第五章系统运行结果及分析 PAGEREF _Toc386806446 h 36 HYPERLINK l _Toc386806447 PLC控制系统仿真测试 PAGEREF _Toc386806447 h 36 HYPERLINK l _

19、Toc386806448 控制系统PID控制性能验证 PAGEREF _Toc386806448 h 38 HYPERLINK l _Toc386806449 第六章 总结 PAGEREF _Toc386806449 h 41 HYPERLINK l _Toc386806450 参考文献 PAGEREF _Toc386806450 h 42 HYPERLINK l _Toc386806451 致 谢 PAGEREF _Toc386806451 h 43 前言恒温控制的现状与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，及时准确获得目标的温度

20、、湿度信息是十分重要的，近年来，温湿度测控领域开展迅速，并且随着数字技术的开展，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。近年来，国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的开展，温度控制器的研究取得了巨大的开展，形成了一批商品化的温度调节器，如:职能化PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造效劳。在工业自动化领域内,PLC可编程控制器以其可靠性高、抗干扰能力强、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。目前的工业控制中,常常选用

21、PLC作为现场的控制设备,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机那么是利用HMI软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示,实现监控、管理、分析和存储等功能。这种监控系统充分利用了PLC和计算机各自的特点,得到了广泛的应用。在这种方式的根底上设计了一套温度控制系统。以基于PLC的下位机和完成HMI功能的上位机相结合,构建成分布式控制系统,实现了温度自动控制。PLC 不仅具有传统继电器控制系统的控制功能，而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些智能控制模块，构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制。现代PLC 以集

22、成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定受到普遍欢送，在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用,尤其适合温度控制的要求。此外，随着工业自动化水平的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面HMI的出现正好满足了用户这一需求。人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括参数监测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得简单易懂、操作人性化，深受广阔用户的喜欢。人机界面 HYPERLINK :/ eepw /news/listbylabel/label/HMI HMI在自动控制领域的作用日益显著。 HYPERLINK :/ eepw /news/lis

23、tbylabel/label/HMI HMI正在成为引导工业生产制造走向成功的重要因素，因为这些系统越来越多的用于监控生产过程，让过程变得更加准确、简洁和快速。 在工业生产中加热锅炉在全球使用非常广泛，对其控制技术的先进程度决定着对其使用率的上下。顺应这种理念的开展，加热炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。这些核心技术主要表达在如今开展较为成熟的PLC领域。PLC的快速开展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和开展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某

24、些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。加热锅炉是机电一体化的产品，它很好的将前面所述的技术运用到实际当中去。除此之外，它可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行平安可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。再者人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的温度，保证恒温供水。系统设计要求本设计的原理是利用扩展模块EM235AI4/AQ1*12位进行数据采集，然后把

25、采集到的数据利用程序进行工程量转换，给定量与输入量相减得出偏换，送到执行器，从而构成的是单闭环控制。(1) 根据锅炉温度单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用传感器。(2) 根据流量单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用PLC过程模块。(3) 根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。(4) 编写基于西门子S7200的恒温控制方案，选择适宜CPU的和模块，给出PLC的信号输入输出，设计PLC的电气原理接线图，并且编写PID恒温控制程序。(5) 运用组态软件，正确设计温度单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控

26、制程序。(6)编写组态王程序，使锅炉的出口温度输出值恒定。程序界面上要有输入构件以设置流量，要有显示构件显示实际温度，界面要美观，要有运算代码推荐PID运算根据目标量和测量量产生相应的输出。设计主要内容 可编程控制器(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，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。PLC的应用已成为一个世界潮流，在不久的将来PLC技术在我国将得到更全面的推广和应用。本论文研究的是PLC技术在温度监控系统上的应用。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

27、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，人机界面的设计等。本论文通过德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对加热炉温度的控制。同时利用亚控公司的组态软件“组态王设计一个人机界面HMI，通过串行口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。总体上包括的技术路线：硬件设计，软件编程，参数整定等。全论文分七章,各章的主要内容说明如下。第一章，对温度控制系统应用的背景及国内外的开

28、展状况进行了阐述，指出了本文的研究意义所在。第二章，主要从系统设计结构和硬件设计角度,介绍该工程的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。第三章，在硬件设计的根底上，详细介绍了本工程软件设计，主要包括软件设计的根本步骤、方法，编程软件STEP7-Micro/WIN的介绍以及本工程程序设计。第四章，详细介绍了如何在亚控公司的组态软件“组态王的根底上进行人机界面的设计。第五章，展示了系统运行结果，然后对其分析得出结论。第六章，总结全文。恒温控制系统硬件设计在掌握了PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以PLC作为主要控制器来构造P

29、LC控制系统。本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该工程的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。总体分析学习了PLC的硬件系统、指令系统和编程方法以后，对设计一个PLC系统时，要全面考虑许多因素，不管所设计的控制系统的大小，要按照以下设计步骤进行系统设计。如图2-1：分析评估控制任务PLC机型选择，I/O设备选择I/O地址分配电气系统安装程序设计程序调试N设计硬件系统接线图和控制柜满足要求？Y连机调试NN满足要求？使用图2=1 PLC控制系统设计步骤PLC控制系统设计的根本原那么和步骤弄懂PLC的根本工作原理和指令系统后,就可以把PLC

30、应用到实际的工程工程中。无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制局部的设计都可以参考图2-1所示的步骤。PLC控制系统设计的根本原那么任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原那么往往会涉及很多方面，其中最根本的设计原那么可以归纳为4点。1. 设计原那么 (1)完整性原那么。最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。 (2)可靠性原那么。确保计算机控制系统的可靠性。 (3)经济型原那么。力求控制系统简单、实用、合理。(4)开展性原那么。适当考虑生产开展和工艺改良的需要，在I/O接口、通

31、信能力等方面留有余地。 2. 评估控制任务 根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。 (1) 控制规模 一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。 (2) 工艺复杂程度 当工艺要求较复杂时,采用PLC控制具有更大的优越性.(3) 可靠性要求 目前,当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。 (4) 数据处理速度 假设数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜。PLC控制系统设计的一般步骤 PLC控制系统设计

32、包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下5步进行。 1. 熟悉被控对象 深入了解被控系统是设计控制系统的根底。设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系;PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网;系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。 2. 硬件选择 具体包括如下。 (1

33、) 系统I/O设备的选择。输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。(2) 选择PLC。PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。 (3) PLC的I/O端口分配。在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。(4) 绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它局部的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。 (5)计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配

34、。 3. 编写应用程序 根据控制系统的要求，采用适宜的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容： (1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，防止系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。 (2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计根本完成时再添加。 (3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的局部，必须认真

35、加以考虑。它可以防止由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。 4. 程序调试程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序模拟调试是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。 (1)硬件模拟法是使用一些硬件设备如用另一台PLC或一些输入器件等模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。 (2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

36、现场调试。当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，及时更正软硬件方面的问题。 5. 编写技术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。PLC的选型与硬件配置PLC型号的选择本温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。S7-200 PLC属于小型整体式的PLC, 本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，

37、构成较复杂的中等规模控制系统。完整的S7-200系列PLC实物如图2-2所示。图2-2 S7-200系列PLC实物图S7-200 CPU的选择S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。此系统选用S7-200 CPU226，CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量I/O。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。还有13KB程序和数据存储空间空间，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。配有2个RS485通讯口，具有PPI，MPI和自由方式通讯能力

38、，波特率最高为38.4 kbit/s，可用于较高要求的中小型控制系统。本温度控制系统由于输入/输出点数不多，本可以使用CPU224以下的类型。EM231模拟量输入模块本温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成041mv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。在这里，我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。EM231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允许连接微小的模拟量信号(80mV范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM231模块需要用户

39、通过DIP开关进行组态： SW1SW3用于选择热电偶类型，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用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿。本系统用的是K型热电偶，所以DIP开关SW1SW8组态为00100000；EM231具体技术指标见表2-1。表2-1 EM231技术指标型号EM231模拟量输入模块总体特性 80mm62mm 功耗：3W输入特性本机输入：4路模拟量输入电源电压：标准DC 24V/4mA输入类型：010V，05V，5V,2.5V,020mA分辨率：12 Bit转换速度：250S隔离：有耗电从CPU的DC 5V I/O总线耗电1

40、0mADIP开关SW1 0, SW2 0, SW3 1以K型热电偶为例热电偶温度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，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

41、电阻。镍铬-镍硅热电偶K型热电偶是目前用量最大的廉价金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。正极KP的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10，负极KN的名义化学成分为：Ni:Si=97:3，其使用温度为-200-1300。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格廉价等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，复原性或复原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。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

42、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。EM235热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T和R型，它允许连接微小的模拟量信号(80mV范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM235模块需要用户通过DIP开关进行选择的有：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，用户可以很方便地通过位于模块下部的组态DIP开关进行以上选择。表2-2 EM231选择模拟量输入范围的开关表单极性

43、满量程输入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10VONOFF0到5V0到20mA5uA双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON5VONOFFEM235校准和配置位置图如图2-3所示，本次设置PID开关为010001。图2-3 DIP配置EM231I/O地址分配及电气连接图该温度控制系统中I/O点分配表如表2-3所示。表2-3 I/O点分配表输入启动按钮停止按钮输出运行指示灯停止指示灯正常指示灯温度越上限报警指示灯锅炉加热指示灯2)系统整体设计方案及硬件连接图。系统选用PLC CPU226为控制器， K型热电偶将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过EM231模拟量输入模块

44、转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制加热炉加热的通断来实现对炉子温度的控制。PLC和HMI相连接，实现了系统的实时监控。整个硬件连接图如图2-4所示。计算机PLCEM231模块固态继电器热电偶加热炉 图2-4 系统框架图PLC硬件接线图根据系统设计要求，PLC外部接线图如下所示：图2-5 PLC硬件连接图 PLC控制系统软件设计PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两局部，上一章已经详细介绍了本工程硬件连接。本章在硬件设计的根底上，将详细介绍本工程软件设计，主要包括软件设计的根本步骤、方法，编程软件STEP7-Micro/WI

45、N的介绍以及本工程程序设计。PLC程序设计方法编写PLC程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。1. 图解法编程图解法是靠画图进行PLC程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。1梯形图法梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法，其图形甚至元件名称都有继电器电路十分相似。这种方法很容易地把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一种编程方法。2逻辑流程图法逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反映输入与输出的关系。逻辑流程图会使整个程序脉络清晰，便于分析控制程序、查找

46、故障点及调试和维修程序。3时序流程图法时序流程图法是首先画出控制系统的时序图即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图，再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把框图写成PLC程序。这种方法很适合以时间为基准的控制系统的编程方法。4步进顺控法步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比拟复杂的程序都可以分成假设干个功能比拟简单的程序段，一个程序可以看成整个控制过程的一步。2. 经验法编程经验法是运用自己的或者别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序。结合自己工程的情况，对这些“试验程序逐一修改，使之适合自己的工程要求。

47、计算机辅助设计是通过PLC编程软件比方STEP7-Micro/WIN在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。使用编程软件可以很方便的在计算机上离线或在线编程、在线调试，在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE文件14。编程软件STEP7-Micro/WIN概述STEP7-Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为s7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。它是西门子s7-200用户不可缺少的开发工具。现在加上中文程序后，可在全中文的界面下进行操作，用户使用起来更加方

48、便。STEP7-Micro/WIN简单介绍以STEP7-Micro/WIN创立程序，为接通STEP 7-Micro/WIN，可双击STEP 7-Micro/WIN图标，或选择开始Start SIMATIC STEP 7 Micro/WIN 菜单命令。如图4-1所示，STEP 7-Micro/WIN工程窗口将提供用于创立控制程序的便利工作空间。工具栏将提供快捷键按钮，用于经常使用的菜单命令，可显示或隐藏工具栏的任何按钮。浏览条给出了多组图标，用于访问STEP 7-Micro/WIN的不同编程特性。指令树将显示用于创立控制程序的所有工程对象和指令。可将单个的指令从指令树拖放到程序中，或双击某个指令

49、，以便将其插入到程序编辑器中光标的当前位置。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的底部均按标签显示。单击标签可在子程序、中断程序和主程序之间来回变换。STEP 7-Micro/WIN提供了用于创立程序的三个编辑器：梯形图LAD、语句表STL和功能块图FBD。尽管有某些限制，在这些程序编辑器的任何一个中编写的程序均可用其它程序编辑器进行浏览和编辑。用的比拟多的是梯形图LAD编程语言。下面详细介绍梯形图的特点。图3-1 编程软件STEP7-Micro/WIN主界面STEP7-Micro/WIN参数设置通讯设置 本工程中PLC要与电脑

50、正确通信，安装完STEP7-Micro/WIN编程软件且设置好硬件后，可以按以下步骤进行通讯设置。 1在STEP7-Micro/WIN运行时单击通讯图标，或从“视图菜单中选择选项“通信，那么会出现一个通信对话框如图3-2所示。 图3-2 通信参数设置2在对话框中双击PC/PPI电缆的图标，将出现PG/PC接口对话框或者直接单击“检视栏中单击“设置PG/PC接口也行。如图4-3所示。图3-3 PG/PC接口对话框3单击Properties按钮，将出现接口属性对话框，检查各参数的属性是否正确，其中通信波特率默认值为9.6kbps如图3-4所示。图3-4 通信参数设置基于S7200的PID控制控制器

51、的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。控制系统数学模型的建立本温度控制系统中，传感器电热偶将检测到的温度信号转换成电压信号经过温度模块后，与设定温度值进行比拟，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正，返回对应工况下的固态继电器导通时间，调节电热丝的有效加热功率，从而实现对加热炉的温度控制。控制系统结构图如图3-5所示，方框图如图3-6所示。PLC控制器固态继电器烤炉温度模块热电偶 图3-5 控制系统结构图Gc(s)Go(s) R(s)

52、+ E(s) U(s) Y(s) _ 图3-6 控制系统方框图图3-7中，R(s)为设定温度的拉氏变换式；E(s)为偏差的拉氏变换式； Gc(s)为控制器的传递函数；Go(s)为广义对象，即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并；该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统，传递函数为 QUOTE 3-1式3-1中， QUOTE 为对象放大系数；为对象时间常数；为对象时滞。 QUOTE 3-2 由阶跃响应法求得， =0.5；= QUOTE 2.5分钟；= QUOTE 1.2分钟。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3-1。表3-1 PID回路指

53、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VD100，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0-7，不可以重复使用。PID回路在PLC中的地址分配情况如表3-2所示。表3-2 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-4给定值SPn实数-8输出值Mn实数-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积分时间Ti实数单位为mi

54、n，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-32过程变量前值PVn-1实数-内存地址分配与PID指令回路表S7200的PID内存地址如表3-3所示。表3-3 内存地址分配地址说明VD0实际温度存放VD4设定温度存放VD30当前温度存放VD100过程变量PVn-VD104给定值SPn-VD108输出值Mn-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积分时间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-VD132过程变量前值PVn-1-系统控制流程图如下所示：运

55、行PLC初始化PID初始化指示灯调用子程序设定温度设定PID值每100ms调用中断程序读入温度并转换把其温度值放入VD100调用PID指令输出PID值返回主程序 子程序中断程序图3-7 系统设计流程图程序设计梯形图初次上电a.读入模拟信号，并把数值转化显示锅炉的当前电压。b.判断炉温是否在正常范围。实数归一化处理将AC1复原温度值存入VD30双字整数 实数用于PID指令的执行从AIWO读入温度值整数 双字整数Q0.2：正常运行指示灯输出Q0.3：温度越上限报警指示灯Q0.4：锅炉加热指示灯启动/停止阶段启动过程：按下启动按钮后，开始标志位M0.1置位，M0.2复位。翻开运行指示灯Q0.0，熄灭

56、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，熄灭运行指示灯，停止标志位M0.2置位，点亮停止指示灯。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0子程序0a.输入设定温度50b.把设定温度、P值、I值、D值都导入PIDc.每100ms中断一次子程序进行PID运算将设定温度存放到VD40将D参数Td导入VD124将I参数Ti导入VD120VD116为采样时间存放地址将P参数KC导入VD112中断连接指令ATCH中断程序、PID的计算a.模拟信号的采样处理，归一化

57、导入PIDb.PID程序运算c.输出PID运算结果，逆转换为模拟信号调用PID运算 基于组态软件恒温监控系统设计组态王软件介绍计算机技术和网络技术的飞速开展，为工业自动化开辟了广阔的开展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断、双机热备等先进技术，使系统更加平安可靠，在这方面，组态王工控组态软件提供强有力的软件支持。组态王软件为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。组态王工控组态软件是一套32位工控组态软件，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出

58、设备，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。 组态王效劳器版本，集工业现场的集散控制和各类历史、实时数据及相关曲线的WWW发布于一体，可以解决整个企业的Internet/Intranet方案，也可以非常方便的与您已有的企业网络相衔接，让您从具体的技术环节和繁杂的数据堆中脱身，随时随地掌握工业现场与企业运营状态，了解所需的各项信息，大幅度提高工作效率，实现成功决策。 组态王软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五局部构成，每一局部分别进行组态操作

59、，完成不同的工作，具有不同的特性。1、主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的翻开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。2、设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。3、用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。4、数据词典：是工程各个局部的数据交换与处理中心，它将组态王工

60、程的各个局部连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。5、运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序ifthen脚本程序，选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。组态软件开发过程使用组态王完成一个实际的应用系统，首先必须在组态王的组态环境下进行系统的组态生成工作，然后将系统放在组态王的运行环境下运行。本章逐步介绍在组态王组态环境下构造一个用户应用系统的过程，以便对组态王系统的组态过程有一个全面的了解和认识。工程整体规划在实际工程工程中，使用组态王构造应用系统之前，应进行工程的