基于PLC的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、1引言1.1 設(shè)計(jì)目的溫度的測(cè)量和控制對(duì)人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)、物資倉(cāng)儲(chǔ)等都起著極其重要的作用。在許多場(chǎng)合，及時(shí)準(zhǔn)確獲得目標(biāo)的溫度、濕度信息是十分重要的。近年來，溫濕度測(cè)控領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，溫濕度的測(cè)控芯片也相應(yīng)的登上歷史的舞臺(tái)，能夠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域中廣泛使用。1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是利用PLCS7-200作為可編程控制器，系統(tǒng)采用PID控制算法，手動(dòng)整定或自整定PID參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，控制加熱裝置，使加熱爐溫度為為一定值，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和停止，運(yùn)行指示燈監(jiān)控實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值。1.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)通過對(duì)溫度控制的設(shè)計(jì)，提高在電子工程設(shè)計(jì)和

2、實(shí)際操作方面的綜合能力，初步培養(yǎng)在完成工程項(xiàng)目中所應(yīng)具備的基本素質(zhì)和要求。培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神，科學(xué)的、實(shí)事求是的工作方法，提高查閱資料、語言表達(dá)和理論聯(lián)系實(shí)際的技能。2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理2.1.1 PLC型號(hào)的選擇本溫度控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門子S7-200PLC。S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價(jià)格比。2.1.2 PLCCPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224

3、、CPU226等類型。S7-200PLC硬件系統(tǒng)的組成采用整體式加積木式，即主機(jī)中包括定數(shù)量的I/O端口，同時(shí)還可以擴(kuò)展各種功能模塊。S7-200PLC由基本單元（S7-200CPU模塊）、擴(kuò)展單元、個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）或編程器，STEP7-Micro/WIN編程軟件及通信電纜等組成。表2.1S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元型號(hào)輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)擴(kuò)展模塊數(shù)量S7-200CPU221640S7-200CPU222862S7-200CPU22424107S7-200CPU224XP24167S7-200CPU22624167本設(shè)計(jì)采用的是CUP226。它具有24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I

4、/O點(diǎn)Word文檔可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器,2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。CPU226模塊的I/O配置及四肢分配主機(jī)模塊0模塊1模塊2模塊3CPU2268IN4IN/4OUT4AI/1AQ4AI/1AQ

5、I0.0-I2.7/Q0.0-Q1,.7I3.0-I3.7I4.0/Q2.0AIW0/AQW0AIW8/AQW4I4.1/Q2.1AIW2AIW10I4.2/Q2.3AIW4AIW12I4.3/Q2.3AIW6AIW142.1.3EM235模擬量輸入/輸出模塊在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測(cè)到的溫度轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入PLC中進(jìn)行處理。在這里我們選擇西門子的EM235模擬量輸入/輸出模塊。EM235模塊具有4路模擬量輸入/路模擬量的輸出。它允許S7-200連接微小的模擬量信號(hào)，土80mV范圍。用戶必須用DIP開關(guān)來選擇熱電偶的類

6、型，斷線檢查，測(cè)量單位，冷端補(bǔ)償和開路故障方向：SW1SW3用于選擇熱電偶的類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測(cè)方向，SW6用于選擇是否進(jìn)行斷線檢測(cè)，SW7用于選擇測(cè)量方向，SW8用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償。所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型。2.1.4傳感器熱電偶是種感溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、應(yīng)答誤差、并有統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，般也沒有統(tǒng)的分度表，主要用于某些特殊

7、場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。本論文采用的是K型熱電阻。2.1.5可控硅加熱裝置對(duì)于要求保持恒溫控制而不要溫度記錄的電阻爐采用帶PID調(diào)節(jié)的數(shù)字式溫度顯示調(diào)節(jié)儀顯示和調(diào)節(jié)溫度，輸出010mA作為直流信號(hào)輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，完全可以滿足要求，投入成本低，操作方便直觀并且容易維護(hù)。溫度測(cè)量與控制是熱電偶采集信號(hào)通過PID溫度調(diào)節(jié)器測(cè)量和輸出010mA或420mA控制觸發(fā)板控制可控硅導(dǎo)通角的大小，從而控制主回路加熱元

8、件電流大小，使電阻爐保持在設(shè)定的溫度工作狀態(tài)?？煽毓铚囟瓤刂破饔芍骰芈泛涂刂苹芈方M成。主回路是由可控硅，過電流保護(hù)快速熔斷器、過電壓保護(hù)RC和電阻爐的加熱元件等部分組成。2.1.6系統(tǒng)組成原理圖2.2系統(tǒng)變量定義及分配表2.2.1符號(hào)表序號(hào)符號(hào)地址注釋1特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器1SM0.0CPU運(yùn)行時(shí)，該位始終為12特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器2SM0.1首次掃描時(shí)該位為13雙字變量存儲(chǔ)器1VD104將實(shí)數(shù)0.4送入VD1044雙字變量存儲(chǔ)器2VD112將實(shí)數(shù)0.15送入VD1045雙字變量存儲(chǔ)器3VD116將實(shí)數(shù)0.1送入VD1046雙字變量存儲(chǔ)器4VD120將實(shí)數(shù)30.0送入VD1047雙字變量存儲(chǔ)器5VD1

9、24將實(shí)數(shù)0.0送入VD1048特殊標(biāo)志位內(nèi)存字節(jié)SMB34設(shè)置中斷控制字節(jié)（SMB34=1009中斷連接指令A(yù)TCH建立中斷事件EVNT和程序INT10中斷允許指令ENI條件成立時(shí)，允許所有中斷事件11整數(shù)到雙整數(shù)轉(zhuǎn)換指令l_DI模擬量輸入映像寄存器AIW0的值送入累加器AC012雙整數(shù)到實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換指令DI_R累加器AC0中的值轉(zhuǎn)換后存入累加器AC013實(shí)數(shù)除法運(yùn)算指令DIVR累加器AC0中的值除以32000后再送入AC014回路指令PID根據(jù)TBL中的輸入VB108和配置信息對(duì)LOOP執(zhí)行PID循環(huán)15實(shí)數(shù)乘法指令MUL_R雙字變量存儲(chǔ)器VD108中的內(nèi)容與32000相乘結(jié)果送入累加器AC0

10、16實(shí)數(shù)到雙整數(shù)轉(zhuǎn)換指令ROUND累加器AC0中的值轉(zhuǎn)換后存入累加器AC017雙整數(shù)到整數(shù)轉(zhuǎn)換指令DI_I累加器AC0中的值轉(zhuǎn)換后存入累加器AC02.2.2I/O分配表輸入信號(hào)輸出信號(hào)名稱地址名稱地址脈沖輸入I0.1啟動(dòng)按鈕停止按鈕啟動(dòng)指示燈Q0.1停止指示燈Q0.2正常運(yùn)行指示燈Q0.3溫度越上限報(bào)警指示燈Q0.4加熱指示燈Q0.52.3系統(tǒng)接線圖設(shè)計(jì)Word文檔OOOOOoooooooAl-KBB-RCc!C-RDD*DIljVO10OO3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1控制程序流程圖設(shè)計(jì)3.1.1主程序初始化運(yùn)行指示SM0.1始終為13.1.2子程序調(diào)用子程序03.1.3中斷程序3.2控制程序時(shí)序圖設(shè)

11、計(jì)33控制程序設(shè)計(jì)思路3.3.1初次上電主程序Network1調(diào)用子程序SM0.1,首次掃描時(shí)該位藥1SM0.1SBR_OIIEN3.3.2子程序2）輸入設(shè)定溫度。2）把設(shè)定溫度、P值、丨值、D值都導(dǎo)入PID3）每100ms中斷一次子程序進(jìn)行PID運(yùn)算。3.3.3中斷程序，PID的計(jì)算1）模擬信號(hào)的采樣處理，歸一化導(dǎo)入PIDc2）DIP程序運(yùn)算。3）輸出DIP運(yùn)算結(jié)果，逆轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)Network2FID稈庫(kù)運(yùn)聲5MU山CPU運(yùn)行時(shí)，該位始燙沏SM0.0HD|ENEN0莎VB1080-PIDENENOTBLLDCIP3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)內(nèi)容4上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1PLC與上位監(jiān)控軟件通訊4.1.1

12、串行數(shù)據(jù)傳送和并行數(shù)據(jù)傳送1) 并行數(shù)據(jù)傳送：并行數(shù)據(jù)傳送時(shí)所有數(shù)據(jù)位是同時(shí)進(jìn)行的，以字或字節(jié)為單位傳送。并行傳輸速度快，但通信線路多、成本高，適合近距離數(shù)據(jù)高速傳送。2) 串行數(shù)據(jù)傳送：串行數(shù)據(jù)傳送時(shí)所有數(shù)據(jù)是按位(bit)進(jìn)行的。串行通信僅需要一對(duì)數(shù)據(jù)線就可以。在長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳送中較為合適。PLC網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的方式絕大多數(shù)為串行方式，而計(jì)算機(jī)或PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)都是并行的。若要串行發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，則要進(jìn)行相應(yīng)的串行、并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即在數(shù)據(jù)發(fā)送前，要把并行數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)；而在數(shù)據(jù)接收后，要把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)后再處理。4.1.2異步方式與同步方式根據(jù)串行通信數(shù)據(jù)傳輸方式的不同可

13、以分為異步方式和同步方式。1）異步方式：又稱起止方式。它在發(fā)送字符時(shí)，要先發(fā)送起始位，然后才是字符本身，最后是停止位。字符之后還可以加入奇偶校驗(yàn)位。異步傳送較為簡(jiǎn)單，但要增加傳送位，將影響傳輸速率。異步傳送是靠起始位和波特率來保持同步的。2）同步方式：同步方式要在傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)，也傳遞時(shí)鐘同步信號(hào)，并始終按照給定的時(shí)刻采集數(shù)據(jù)。同步方式傳遞數(shù)據(jù)雖提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，但對(duì)通信系統(tǒng)要求較高。PLC網(wǎng)絡(luò)多采用異步方式傳送數(shù)據(jù)。4.1.3網(wǎng)絡(luò)的通訊PPI協(xié)議PPI是一種主從設(shè)備協(xié)議：主設(shè)備給從屬裝置發(fā)送請(qǐng)求，從屬裝置進(jìn)行響應(yīng)。從屬裝置不發(fā)出訊息，而是一直等到主設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求或輪詢時(shí)才作出響應(yīng)。主設(shè)備與

14、從屬裝置的通訊將通過按PPI協(xié)議進(jìn)行管理的共享連接來進(jìn)行。STEP7-Micro/WIN：主設(shè)備7-2001I口主設(shè)備圖4一1如果在用戶程序中激活PPI主設(shè)備模式，則S7-200CPU在處于RUN（運(yùn)行）模式時(shí)可用作主設(shè)備。激活PPI主設(shè)備模式之后，可使用“網(wǎng)絡(luò)讀取”或“網(wǎng)絡(luò)寫入”指令從其它S7-200讀取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入其它S7-200。當(dāng)S7-200用作PPI主設(shè)備時(shí)，它將仍然作為從屬裝置對(duì)來自其他主設(shè)備的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。對(duì)于簡(jiǎn)單的單臺(tái)主設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，編程站和S7-200CPU既可以通過PPI多臺(tái)主設(shè)備電纜連接，也可以通過安裝在編程站中的通訊處理器（CP）卡連接。在圖上部的范例網(wǎng)絡(luò)中，編程站（S

15、TEP7-Micro/WIN）是網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備。在圖下部的范例網(wǎng)絡(luò)中，人機(jī)界面（HMI）設(shè)備（例如TD200、TP或OP）是網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備。在兩個(gè)范例網(wǎng)絡(luò)中，S7-200CPU是對(duì)主設(shè)備的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)的從屬裝置。1也VIInnnSTEP7-MicrojWIN環(huán)匚S7-200HkllIIJrnTD200圖42單臺(tái)主設(shè)備PPI網(wǎng)絡(luò)4.2上位監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)4.2.1外部設(shè)備的定義組態(tài)王把那些需要與之交換數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備或軟件程序都做為外部設(shè)備使用。外部硬件設(shè)備在本文中就是PLCS7-200?？墒褂谩霸O(shè)備配置向?qū)А币徊讲酵瓿稍O(shè)備的連接。4.4.2定義數(shù)據(jù)變量要實(shí)現(xiàn)組態(tài)王對(duì)S7-200的在線控制，就必須建立兩者

16、之間的聯(lián)系，那就需要建立兩者的數(shù)據(jù)變量?；绢愋偷淖兞靠梢苑譃椤皟?nèi)存變量”和“I/O變量”兩類。內(nèi)存變量是組態(tài)王內(nèi)部的變量，不跟監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行交換。而I/O變量時(shí)兩者之間互相交換數(shù)據(jù)的橋梁，S7-200和組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換是雙向的，一者的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，另外一者的數(shù)據(jù)也跟著變化。所以需要在創(chuàng)建連接前新建一些變量。本文中，PLC用內(nèi)存VDO來存放當(dāng)前的實(shí)際溫度。并規(guī)定溫度超過105C。為溫度過高，立即要作出相應(yīng)警示信號(hào)。點(diǎn)擊工程管理器中的“數(shù)據(jù)詞典”再雙擊右邊窗口的新建，在出現(xiàn)的定義變量口中填寫相應(yīng)的要求項(xiàng)，并可在“報(bào)警定義”中設(shè)定報(bào)警。4.2.3數(shù)據(jù)類型只對(duì)I/O類型的變量起作用，共有9種類型：Bi

17、t：1位，0或1Byte：8位，一個(gè)字節(jié)Short:16位，2個(gè)字節(jié)Ushort:16位，2個(gè)字節(jié)BCD:16位，2個(gè)字節(jié)Long:32位，4個(gè)字節(jié)LongBCD：32位，4個(gè)字節(jié)Float:32位，4個(gè)字節(jié)String:128個(gè)字符長(zhǎng)度4.3實(shí)現(xiàn)的效果4.3.1初次上電初次上電，沒有模擬量輸入，只顯示PID值和當(dāng)前溫度，曲線圖為鍋爐溫度的實(shí)時(shí)曲線圖。肖前僦廡5MD|冋|3乳13|儲(chǔ)|D.51S：54：022010-5-20*知止報(bào)警加熱啟動(dòng)停止4.3.2啟動(dòng)啟動(dòng)后，鍋爐開始升溫，并維持在50攝氏度左右4.3.3停止按下停止按鈕后，鍋爐停止加熱，停止燈亮，溫度開始下降。1&:59：59

18、2010-5-2050|J4.555'itu.X匸上100f.o1UvwniM拾動(dòng)停止正常來警丿川熱4.3.4扌報(bào)警當(dāng)溫度越上限時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警報(bào)壽曰潮握酚r閭1幫件類型Q5/2;52；西5系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析51系統(tǒng)調(diào)試及解決的問題5.2結(jié)杲分析結(jié)束語（主要寫取得的效果、創(chuàng)新點(diǎn)及設(shè)計(jì)意義）本課題設(shè)計(jì)了基于PLC的溫度控制系統(tǒng)。PLC（可編程控制器）以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能強(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。PID閉環(huán)控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛的一種控制算法，對(duì)大部分控制對(duì)象都有良好的控制效果。組態(tài)軟件組態(tài)王因其簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，在HMI

19、設(shè)計(jì)中深受用戶的喜歡而得到廣泛的使用。在西門子S7-200系列PLC和組態(tài)軟件組態(tài)王的基礎(chǔ)上，我們成功設(shè)計(jì)出了溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)達(dá)到了快、準(zhǔn)、穩(wěn)的效果,也達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。再加上由組態(tài)王設(shè)計(jì)的人機(jī)界面，整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。該溫度控制系統(tǒng)也有一些有不足的地方需要改進(jìn)，編程時(shí)我們用了編程軟件自帶的PID指令向?qū)K，這樣雖然方便，但是使得控制系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都稍微偏大，若不直接調(diào)用該模塊，而是自己編寫PID控制子程序的話，控制效果可能會(huì)更好。還有人機(jī)界面內(nèi)容不夠豐富，若再加上報(bào)表系統(tǒng)、打印功能的話，Word文檔那就更完美了。日后，隨著對(duì)PLC硬件系

20、統(tǒng)和通信方式的深入了解，還可以豐富遠(yuǎn)程控制指令，以應(yīng)對(duì)運(yùn)行過程中的各種突發(fā)事件，增加其他PLC，通過構(gòu)建復(fù)雜的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)大型的工業(yè)控制，使該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定可靠，性能更加完善?？趏參考文獻(xiàn)I SIMATICS7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)M.:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.2Frank.D.Petruzella.PLC教程(第三版)M.:人民郵電出版社,2007.3西門子(中國(guó))深入淺出西門子S7-200PLC(第三版)M.:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.陳建明電氣控制與PLC應(yīng)用M.:電子工業(yè)出版社,2009.鄭鳳翼金沙圖解西門子S7-200系列PLC應(yīng)用88例卩.:電子工業(yè)出版社,2009.袁任光可編程序控制器選用手冊(cè)M.:機(jī)械工業(yè)出版社,2