利用組態(tài)王模擬溫度控制.

1、前言可編程控制器是一種應(yīng)用很廣泛的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、 適宜長期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合溫度控制的要求。在工業(yè)領(lǐng)域，隨著自動(dòng)化程度的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來 越高，人機(jī)界面的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機(jī)界面可以對控制系統(tǒng)進(jìn)行 全面監(jiān)控，包括過程監(jiān)測、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得操 作人性化、過程可視化，在自動(dòng)控制領(lǐng)域的作用日益顯著。本文主要介紹了基于三菱公司 FX2N系列的可編程控制器和亞控公司的組態(tài)軟件 組態(tài)王的某一對象溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。編程時(shí)調(diào)用了編程軟件

2、STEP 7 -Micro WIN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡潔，運(yùn)行速度更為理想。利 用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采樣與 處理。目錄第一章概述2第二章總方案32.1 系統(tǒng)框圖32.2 下位機(jī)設(shè)計(jì)42.2.1 元件選擇62.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)82.3.1 監(jiān)控主界面 92.3.2 實(shí)時(shí)趨勢曲線102.3.3 歷史趨勢曲線 112.3.4 報(bào)警窗口 112.3.5 設(shè)定畫面122.3.6 變量設(shè)置132.3.7 動(dòng)畫連接 15第三章總結(jié)17第四章參考文獻(xiàn)171第一章概述 溫度控制在電子、冶金、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行

3、慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對控制調(diào)節(jié)器要求極高。目前 ，仍有 相當(dāng)部分工業(yè)企業(yè)在用窯、爐等烘干生產(chǎn)線，存在著控制精度不高、爐內(nèi)溫度均勻性差等問題，達(dá)不到工藝要求，造成裝備運(yùn)行成本費(fèi)用高，產(chǎn)出品品質(zhì)低下，嚴(yán) 重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，急需技術(shù)改造。近年來，國內(nèi)外對溫度控制器的研究進(jìn)行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計(jì)算 機(jī)技術(shù)的發(fā)展，溫度控制器的研究取得了巨大的發(fā)展，形成了一批商品化的溫度 調(diào)節(jié)器，如：職能化PID、模糊控制、自適應(yīng)控制等，其性能、控制效果好 ，可廣 泛應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關(guān)設(shè)備的技術(shù)改造服務(wù)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，PLC （可編程控制器） 以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程 簡單、功

4、能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的 自動(dòng)控制之中。目前的工業(yè)控制中，常常選用PLC作為現(xiàn)場的控制設(shè)備，用于數(shù)據(jù) 采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機(jī)則是利用HMI軟件來完成工業(yè)控制狀態(tài)、流程和參數(shù)的顯示，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和存儲(chǔ)等功能 。這種監(jiān)控系 統(tǒng)充分利用了 PLC和計(jì)算機(jī)各自的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。在這種方式的基礎(chǔ) 上設(shè)計(jì)了一套溫度控制系統(tǒng)。以基于 PLC的下位機(jī)和完成HMI功能的上位機(jī)相 結(jié)合，構(gòu)建成分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫度自動(dòng)控制。此外，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越 高，人機(jī)界面（HMI）的出現(xiàn)正好滿足了用戶這

5、一需求。人機(jī)界面可以對控制系 統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，包括參數(shù)監(jiān)2測、信息處理、在線優(yōu)化、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得簡 單易懂、操作人性化，深受廣大用戶的喜歡。人機(jī)界面（ HMI）在自動(dòng)控制領(lǐng)域 的作用日益顯著。HMI正在成為引導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)制造走向成功的重要因素，因?yàn)檫@ 些系統(tǒng)越來越多的用于監(jiān)控生產(chǎn)過程，讓過程變得更加準(zhǔn)確、簡潔和快速。 第二章總方案2.1 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及硬件連接圖。系統(tǒng)選用 FX2NPLC為控制器，Pt100型熱電偶 將檢測到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過 FX2N-4AD模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù) 字量信號并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化

6、成占空比，通過固 態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實(shí)現(xiàn)對爐子溫度的控制。PLC和HMI相連接，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。整個(gè)硬件連接圖如圖 2-1所示。32.2 下位機(jī)設(shè)計(jì)根據(jù)對系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的分析，確定控制系統(tǒng)所需要的輸入輸出點(diǎn)數(shù)為1/3點(diǎn)。選用FX2N系列PLC,輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配如表2-1所示，由于系統(tǒng)必須對溫度信號 進(jìn)行采集和控制，還必須使用到模擬量輸入/輸出模塊FX2N-4AD模塊、品閘管 跳功模塊、溫度變送器。整個(gè)硬件系統(tǒng)的原理圖2-2如下：下位機(jī)總框圖2-2分析簡述工作流程：通過熱電偶對被測對象進(jìn)行溫度測量，將測量的結(jié)果送到溫度變送器，通過溫度變送器將模擬量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)1-5V的電壓信號。轉(zhuǎn)

7、換后的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號通過FX2N-4AD的A/D器轉(zhuǎn)換為PLC可以識別的數(shù)字量。FX2NPLC檢 測到來自A/D轉(zhuǎn)換后的信號，通過內(nèi)部的程序進(jìn)行比較和運(yùn)算將所得的控制信號 輸出給固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器按照原先設(shè)定的準(zhǔn)則進(jìn)行工作從而控制閥門的開 或關(guān)，以實(shí)現(xiàn)蒸汽量的進(jìn)或出從而使被控對象得到預(yù)期的控制。熱電偶溫度變送跑溫控PTC1h同態(tài)維電得b被抻對象i卜蒸汽最進(jìn)/出陽門承英wJ4電器原理圖如下圖所示:FX2n48RL熱電阻220V MAX:100C溫度變送器6中。沖26-r皿水箱溫度信號二 X2MADL =*£§1?一%- N>c下位機(jī)設(shè)計(jì)接線原理圖52.2.1 元件的選

8、型1 .溫度傳感器溫度傳感器是用來檢測水溫的，他將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，再送到變送器。本 次設(shè)計(jì)選用Pt100鋁電阻作溫度傳感器，珀電阻的阻值變化范圍為100.0-138.5歐，經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換后輸出4-20mA電流。2 .溫度變送器溫度變送器，專應(yīng)于熱電阻或熱點(diǎn)偶，將溫度轉(zhuǎn)換成4-20MA的電流信號。本次選用WZPB 一體化溫度變送器，WZPB 一體化溫度變送器是溫度傳感器與變送器 的完美結(jié)合，以十分簡捷的方式把-200+1600 C范圍內(nèi)的溫度信號轉(zhuǎn)換為二線 制420mA DC的電信號傳輸給顯示儀、調(diào)節(jié)器、記錄儀、DCS等，實(shí)現(xiàn)對溫度的精確測量和控制。一體化溫度變送器是現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場、科研院所溫

9、度測控的更 新?lián)Q代產(chǎn)品，是集散系統(tǒng)、數(shù)字總線系統(tǒng)的必備產(chǎn)品。3 . PLC控制器本次設(shè)計(jì)中，我們將采用FX2n系列PLC,FX系歹IPLC為單元型，內(nèi)含CPU、電 源和固定搭配的輸入/輸出。Q4AR系列為雙機(jī)熱備系列，最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)為 8192點(diǎn)。A系列PLC的最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn)。F系列程控器的最大輸入 輸出點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)。三菱小型FX 2 （N）系列程控器的輸入輸出點(diǎn)最大不超過 256點(diǎn)。每臺(tái)主機(jī)可連模入、模出、高速記數(shù)、定位等特殊功能模塊，不超過 8 個(gè)。FX系列在日本三菱的姬路制作所生產(chǎn)。目前 FX系列PLC為中國內(nèi)地銷量 最多的小型PLC。FX2n系列PLC是該系列中功能最

10、強(qiáng)、速度最快的微型 PLC。 有RAM, EPROM和EEPROM FX2N系列PLC的特點(diǎn)超高速的運(yùn)算速度 0.08微 秒.比FX2的0.48微秒6快六倍.容量極大8K步（最大16K步）.比FX2大四倍.機(jī)體小型化 比FX2小50% . 兼容FX2的編程設(shè)計(jì).備有多種不同的FX2N擴(kuò)展單元及特殊模塊.輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配表表2-1功能鍵設(shè)定輔助繼電器輸出繼電器nni的控制M0Y0閥門2的控制MlY1停止加熱控制M2Y2總件控制旃1（外滯兀件）X0（內(nèi)粼地址）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)選用模擬量輸入模塊FX2N-4AD，該模塊用4個(gè)12位模擬量輸入通道，輸入量程為 DC-10V-+10V和420MA

11、 ,轉(zhuǎn)換速度為15MS/通 道或6MS/通道（高速）。4 .調(diào)壓器調(diào)壓器是應(yīng)用晶閘管（又稱可控硅）及其觸發(fā)控制電路用于調(diào)整負(fù)載功率的盤裝 功率調(diào)整單元。本次設(shè)計(jì)選用 PAD-37系列SCR品閘管作為交流調(diào)壓器，PAD37 系列晶閘管調(diào)功器”通過對電壓、電流和功率的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)精密控溫。 并且憑借其先進(jìn)的數(shù)字控制算法，優(yōu)化了電能使用效率。隨著自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，控制過程也變得越來越復(fù) 雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。人機(jī)界面（ HMI Human Machine Interface）以其過程可視化、操作員對操作過程可方便的控制等顯著特點(diǎn)，很好 的滿足了這種需

12、求而得到廣泛的應(yīng)用。工業(yè)HMI又稱觸摸屏監(jiān)控器，是一種智能化操作控制顯示裝置。它一般與 PLC等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示 7 屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命 令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互。HMI的主要功能有：數(shù)據(jù)的輸入與顯示；系統(tǒng)或設(shè) 備的操作狀態(tài)方面的實(shí)時(shí)信息顯示；報(bào)警處理及打??；數(shù)據(jù)歸檔和報(bào)表系統(tǒng)。此 外，新一代工業(yè)人機(jī)界面還具有簡單的編程、對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、數(shù)據(jù)登錄 及配方等智能化控制功能。5 .3上位機(jī)設(shè)計(jì)HMI監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應(yīng)的功能子畫面組成，HMI畫面設(shè)計(jì)對于HMI來說是非常關(guān)鍵的。HMI畫面是用組態(tài)軟件來做的，常見的組態(tài)軟件有西門子

13、公 司的Wincc、羅克韋爾公司的RsView及國產(chǎn)的組態(tài)王、力控等。在本溫度控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。組態(tài)王和其他組態(tài)軟件 相比最大的優(yōu)勢是它操作方便，提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了 以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語言支持，對于新手來說很容易上手。我們從北京亞控公司的主頁上下載了組態(tài)王 6.5.1演示版，安裝好以后。雙擊桌 面圖標(biāo)，打開工程管理器，建立工程。如圖所示，最下面的一行是我們新建的工 程，工程名稱為 組態(tài)王”。雙擊工程管理器中的工程名，出現(xiàn)工程瀏覽器。在工 程瀏覽器中，雙擊新建圖標(biāo)，新建畫面（如圖 2-3-2所示）。在這里我們制作了 監(jiān)控主界面、實(shí)

14、時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線、報(bào)警窗口等畫面。下面詳細(xì)介紹每個(gè)畫面的設(shè)計(jì)方法。8圖2-3-1新建工程9于 nfl afpii Biw jJUn imzi w<i報(bào)警窗口實(shí)時(shí)越勢曲戰(zhàn)參數(shù)設(shè)置歷史疸勢曲線圖2-3-3溫度控制界面2.3.2 實(shí)時(shí)趨勢曲線打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點(diǎn)擊工具箱中的實(shí)時(shí)趨勢曲線”把實(shí)時(shí)趨勢曲線放進(jìn)開發(fā)頁面，然后雙擊曲線畫面，對曲線進(jìn)行設(shè)置，如X軸和Y軸的設(shè)置及標(biāo)示定義等，最后利用工具箱做好 返回主界面”按鈕，即可形成如圖2-3-4所示的實(shí)時(shí)趨 勢曲線畫面。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)趨勢曲線會(huì)顯示當(dāng)前溫度值的變化趨勢和設(shè)定溫 度值。點(diǎn)擊 返回主界面”按鈕，就會(huì)回到主界面。10圖2-3-4

15、實(shí)時(shí)趨勢曲線2.3.3 歷史趨勢曲線打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點(diǎn)擊 圖庫”，打開圖庫管理器，雙擊 歷史曲線”把它放進(jìn) 開發(fā)頁面，再雙擊歷史趨勢曲線畫面，對曲線進(jìn)行設(shè)置，包括曲線定義，坐標(biāo) 系，操作面板和安全屬性等設(shè)置，最后利用工具箱做好返回主界面”按鈕，即可形成如圖2-3-5所示的歷史趨勢曲線畫面。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，畫面上會(huì)記錄某段時(shí)間 內(nèi)設(shè)定溫度值和當(dāng)前溫度值的變化曲線。點(diǎn)擊返回主界面”按鈕，就會(huì)回到主界面。2.3.4 報(bào)警窗口打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點(diǎn)擊工具箱中的報(bào)警窗口”把報(bào)警窗口放進(jìn)開發(fā)頁面，然后雙擊畫面，對報(bào)警窗口進(jìn)行設(shè)置，包括通用屬性、列屬性、操作屬性、條件屬 性、顏色和字體屬性的設(shè)置。最后利用工

16、具箱做好返回主界面”按鈕，即可形成如圖2-3-6所示的報(bào)警窗口畫面。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，報(bào)警窗口會(huì)根據(jù)當(dāng)前溫度值國叫叫 更| m UkiR4g IE11做出適當(dāng)?shù)膱?bào)警。此項(xiàng)目中我們設(shè)置當(dāng)前溫度低于90度時(shí)，報(bào)警類型”欄顯示當(dāng)前溫度偏低。當(dāng)前溫度超過105度時(shí)，報(bào)警類型”欄顯示當(dāng)前溫度偏高。圖2-3-5歷史趨勢曲線圖2-3-6報(bào)警窗口2.3.5 設(shè)定畫面設(shè)定畫面的設(shè)計(jì)和上面4個(gè)畫面類似，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)該畫面會(huì)顯示增益Kp、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td、采樣時(shí)間、溫度輸入等參數(shù)的值。122.3.6 變量設(shè)置打開工程瀏覽器，點(diǎn)擊 數(shù)據(jù)詞典”，再點(diǎn)擊 新建”建立溫度”、輸入閥”、輸出 閥”、指示燈"、“K

17、p'： "Ti、” “Td'；溫度輸入”等變量。其中變量類型和寄存器 是最關(guān)鍵的，在組態(tài)王和 PLC之間傳輸?shù)淖兞慷际荌/O類型的，只在組態(tài)王內(nèi)部 需要的是內(nèi)存型的。寄存器和數(shù)據(jù)類型要與程序中一致，否則組態(tài)王就不能起到 監(jiān)控作用了。比如 溫度”的寄存器為INCREA200,數(shù)據(jù)類型為SHORT。下面我們以溫度設(shè)置為例來說明變量設(shè)置的步驟和方法。圖2-3-7為變量溫度”基本屬性設(shè)置圖，變量類型設(shè)置為I/O實(shí)數(shù)，連接設(shè)備為新IO設(shè)備，寄存器為 INCREA200,數(shù)據(jù)類型是 SHORT。圖2-3-7溫度基本屬性設(shè)置圖2-3-8為變量 溫度”報(bào)警定義設(shè)置圖，我們設(shè)置了當(dāng)前溫

18、度低于10度時(shí)，報(bào)警當(dāng)前溫度太低。當(dāng)前溫度10度到50之間時(shí)，報(bào)警當(dāng)前溫度偏低。當(dāng)前溫度大于190時(shí)，報(bào)警當(dāng)前溫度偏13圖2-3-8溫度報(bào)警定義設(shè)置圖2-3-9為變量 溫度”記錄和安全區(qū)設(shè)置圖，我們設(shè)置 記錄”為數(shù)據(jù)變化記錄, 變化靈敏度設(shè)為1.這個(gè)主要是為歷史趨勢曲線服務(wù)的，若不設(shè)置這個(gè)，往往歷史 趨勢曲線就出不來或者效果很差。圖2-3-9當(dāng)前溫度記錄和安全區(qū)設(shè)置142.3.7 動(dòng)畫連接打開主界面，雙擊 停止”按鈕，出現(xiàn)如圖2-3-10的動(dòng)畫連接畫面。在按下時(shí)左邊 打溝，點(diǎn)擊 確定”，出現(xiàn)命令語言輸入窗口，在該窗口中輸入圖2-3-11所示的命令，再點(diǎn)擊 確定”，就完成了停止”按鈕的動(dòng)畫連接設(shè)

19、置。這樣，點(diǎn)擊 停止” 后，系統(tǒng)就開始運(yùn)行。對象類型技困我象鈉二|£SS3B£B左簾 ± 210高度卯 亮度HQ推示文本：|雷區(qū)登化L 續(xù)密性位置與大4五北水平移動(dòng)| 事直移動(dòng) 簟在用tr 文本色優(yōu)先皺；R5-安全區(qū)校眼保護(hù)訪畫連接 值喻人等價(jià)譴r Ctrl I- Shi £t 無前亡唔嘉隹接f? tmt r二群寸_ 圖2-3-10動(dòng)畫連接打開主界面，雙擊目前溫度值下面的框，出現(xiàn)如圖2-3-10所示的動(dòng)畫連接畫面。在模擬值輸出左邊打鉤，出現(xiàn)模擬值輸出連接畫面。點(diǎn)擊表達(dá)式框右邊的問號，選擇變量 溫度”。輸出格式中設(shè)置整數(shù)位數(shù)為2,小數(shù)位數(shù)為1,顯示格式設(shè)置 為十進(jìn)制，最后點(diǎn)擊 確定”。這樣，變量 溫度”的動(dòng)畫連接設(shè)置就完成了。打開主界面，雙擊 溫度控制”按鈕，出現(xiàn)如圖2-3-10的動(dòng)15畫連接畫面。在按下時(shí)左邊打溝，點(diǎn)擊 確定”，出現(xiàn)命令語言輸入窗口，在該窗 口中輸入圖2-3-12所示的命令，再點(diǎn)擊 確定”，就完成了溫度控制”按鈕的動(dòng)畫 連接設(shè)置。運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)擊主界面中的溫度控制”就可以進(jìn)入設(shè)定畫面了。其他按鈕的動(dòng)畫連接方法和 停止”按鈕類似，只是輸入的命令稍有不同。