基于PLC的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

-.z1引言1.1設(shè)計目的溫度的測量和控制對人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預報、物資倉儲等都起著極其重要的作用。在許多場合，及時準確獲得目標的溫度、濕度信息是十分重要的。近年來，溫濕度測控領(lǐng)域開展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的開展，溫濕度的測控芯片也相應的登上歷史的舞臺，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，手動整定或自整定PID參數(shù)，實時計算控制量，控制加熱裝置，使加熱爐溫度為為一定值，并能實現(xiàn)手動啟動和停頓，運行指示燈監(jiān)控實時控制系統(tǒng)的運行，實時顯示當前溫度值。1.3設(shè)計目標通過對溫度控制的設(shè)計，提高在電子工程設(shè)計和實際操作方面的綜合能力，初步培養(yǎng)在完成工程工程中所應具備的根本素質(zhì)和要求。培養(yǎng)團隊精神，科學的、實事的工作方法，提高查閱資料、語言表達和理論聯(lián)系實際的技能。2系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)硬件配置及組成原理2.1.1PLC型號的選擇本溫度控制系統(tǒng)采用德國西門子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)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。2.1.2PLCCPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等類型。。S7-200PLC硬件系統(tǒng)的組成采用整體式加積木式，即主機中包括定數(shù)量的I/O端口，同時還可以擴展各種功能模塊。S7-200PLC由根本單元〔S7-200CPU模塊〕、擴展單元、個人計算機〔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CPU22*的根本單元型號輸入點輸出點擴展模塊數(shù)量S7-200CPU221640S7-200CPU222862S7-200CPU22424107S7-200CPU224*P24167S7-200CPU22624167本設(shè)計采用的是CUP226。它具有24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個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，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的部集成特殊功能?？赏耆m應于一些復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模塊0模塊1模塊2模塊3CPU2268IN4IN/4OUT4AI/1AQ4AI/1AQQ0.0-Q1,.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，傳感器將檢測到的溫度轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號，系統(tǒng)需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入PLC中進展處理。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/一路模擬量的輸出。它允許S7-200連接微小的模擬量信號，±80mV圍。用戶必須用DIP開關(guān)來選擇熱電偶的類型，斷線檢查，測量單位，冷端補償和開路故障方向：SW1～SW3用于選擇熱電偶的類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進展斷線檢測，SW7用于選擇測量方向，SW8用于選擇是否進展冷端補償。所有連到模塊上的熱電偶必須是一樣類型。2.1.4傳感器熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、應答誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于*些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。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0～10mA作為直流信號輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，完全可以滿足要求，投入本錢低，操作方便直觀并且容易維護。溫度測量與控制是熱電偶采集信號通過PID溫度調(diào)節(jié)器測量和輸出0～10mA或4～20mA控制觸發(fā)板控制可控硅導通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設(shè)定的溫度工作狀態(tài)。可控硅溫度控制器由主回路和控制回路組成。主回路是由可控硅，過電流保護快速熔斷器、過電壓保護RC和電阻爐的加熱元件等局部組成。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符號表序號符號地址注釋1特殊標志位存儲器1SM0.0CPU運行時，該位始終為12特殊標志位存儲器2SM0.1首次掃描時該位為13雙字變量存儲器1VD104將實數(shù)0.4送入VD1044雙字變量存儲器2VD112將實數(shù)0.15送入VD1045雙字變量存儲器3VD116將實數(shù)0.1送入VD1046雙字變量存儲器4VD120將實數(shù)30.0送入VD1047雙字變量存儲器5VD124將實數(shù)0.0送入VD1048特殊標志位存字節(jié)SMB34設(shè)置中斷控制字節(jié)〔SMB34}=1009中斷連接指令ATCH建立中斷事件EVNT和程序INT10中斷允許指令ENI條件成立時，允許所有中斷事件11整數(shù)到雙整數(shù)轉(zhuǎn)換指令I(lǐng)_DI模擬量輸入映像存放器AIW0的值送入累加器AC012雙整數(shù)到實數(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實數(shù)除法運算指令DIV_R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LOOP執(zhí)行PID循環(huán)15實數(shù)乘法指令MUL_R雙字變量存儲器VD108中的容與32000相乘結(jié)果送入累加器AC016實數(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分配表輸入信號輸出信號名稱地址名稱地址脈沖輸入I0.1啟動按鈕停頓按鈕啟動指示燈Q0.1停頓指示燈Q0.2正常運行指示燈Q0.3溫度越上限報警指示燈Q0.4加熱指示燈Q0.52.3系統(tǒng)接線圖設(shè)計3控制系統(tǒng)設(shè)計3.1控制程序流程圖設(shè)計3.1.1主程序運行PLC初始化運行指示SM0.1始終為1調(diào)用子程序03.1.2子程序設(shè)定溫度值導入PID設(shè)定參數(shù)值每100ms調(diào)用一次中斷程序中斷返回3.1.3中斷程序讀入溫度并轉(zhuǎn)換把實際溫度放入VD100調(diào)用PID命令物體的溫度上升. NY停頓加熱繼續(xù)加熱輸出PID值3.2控制程序時序圖設(shè)計3.3控制程序設(shè)計思路3.3.1初次上電3.3.2子程序輸入設(shè)定溫度。把設(shè)定溫度、P值、I值、D值都導入PID3〕每100ms中斷一次子程序進展PID運算。3.3.3中斷程序，PID的計算模擬信號的采樣處理，歸一化導入PID。DIP程序運算。3〕輸出DIP運算結(jié)果，逆轉(zhuǎn)換為模擬信號。3.4創(chuàng)新設(shè)計容4上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計4.1PLC與上位監(jiān)控軟件通訊4.1.1串行數(shù)據(jù)傳送和并行數(shù)據(jù)傳送并行數(shù)據(jù)傳送：并行數(shù)據(jù)傳送時所有數(shù)據(jù)位是同時進展的，以字或字節(jié)為單位傳送。并行傳輸速度快，但通信線路多、本錢高，適合近距離數(shù)據(jù)高速傳送。串行數(shù)據(jù)傳送：串行數(shù)據(jù)傳送時所有數(shù)據(jù)是按位(bit)進展的。串行通信僅需要一對數(shù)據(jù)線就可以。在長距離數(shù)據(jù)傳送中較為適宜。PLC網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的方式絕大多數(shù)為串行方式，而計算機或PLC部數(shù)據(jù)處理、存儲都是并行的。假設(shè)要串行發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，則要進展相應的串行、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)傳輸方式的不同可以分為異步方式和同步方式。異步方式：又稱起止方式。它在發(fā)送字符時，要先發(fā)送起始位，然后才是字符本身，最后是停頓位。字符之后還可以參加奇偶校驗位。異步傳送較為簡單，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。同步方式：同步方式要在傳送數(shù)據(jù)的同時，也傳遞時鐘同步信號，并始終按照給定的時刻采集數(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)備給附屬裝置發(fā)送請求，附屬裝置進展響應。附屬裝置不發(fā)出訊息，而是一直等到主設(shè)備發(fā)送請求或輪詢時才作出響應。主設(shè)備與附屬裝置的通訊將通過按PPI協(xié)議進展管理的共享連接來進展。圖4—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〔運行〕模式時可用作主設(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S7--200用作PPI主設(shè)備時，它將仍然作為附屬裝置對來自其他主設(shè)備的請求進展響應。對于簡單的單臺主設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，編程站和S7--200CPU既可以通過PPI多臺主設(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。在圖上部的例網(wǎng)絡(luò)中，編程站〔STEP7--Micro/WIN〕是網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備。在圖下部的例網(wǎng)絡(luò)中，人機界面〔HMI〕設(shè)備〔例如TD200、TP或OP〕是網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備。在兩個例網(wǎng)絡(luò)中，S7--200CPU是對主設(shè)備的請求進展響應的附屬裝置。圖4—2單臺主設(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)Ж曇徊讲酵瓿稍O(shè)備的連接。4.4.2定義數(shù)據(jù)變量要實現(xiàn)組態(tài)王對S7-200的在線控制，就必須建立兩者之間的聯(lián)系，那就需要建立兩者的數(shù)據(jù)變量。根本類型的變量可以分為“存變量〞和“I/O變量〞兩類。存變量是組態(tài)王部的變量，不跟監(jiān)控設(shè)備進展交換。而I/O變量時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)立連接前新建一些變量。本文中，PLC用存VD0來存放當前的實際溫度。并規(guī)定溫度超過105℃為溫度過高，立即要作出相應警示信號。點擊工程管理器中的“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的要求項，并可在“報警定義〞中設(shè)定報警。4.2.3數(shù)據(jù)類型只對I/O類型的變量起作用，共有9種類型：Bit：1位，0或1Byte：8位，一個字節(jié)Short：16位，2個字節(jié)Ushort：16位，2個字節(jié)BCD：16位，2個字節(jié)Long：32位，4個字節(jié)LongBCD：32位，4個字節(jié)Float：32位，4個字節(jié)String：128個字符長度4.3實現(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值和當前溫度，曲線圖為鍋爐溫度的實時曲線圖。4.3.2啟動啟動后，鍋爐開場升溫，并維持在50攝氏度左右。4.3.3停頓按下停頓按鈕后，鍋爐停頓加熱，停頓燈亮，溫度開場下降。4.3.4報警當溫度越上限時，系統(tǒng)報警。5系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析5.1系統(tǒng)調(diào)試及解決的問題5.2結(jié)果分析完畢語〔主要寫取得的效果、創(chuàng)新點及設(shè)計意義〕本課題設(shè)計了基于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、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)的自動控制之中。PID閉環(huán)控制是控制系統(tǒng)中應用很廣泛的一種控制算法，對大局部控制對象都有良好的控制效果。組態(tài)軟件組態(tài)王因其簡單易用的特點，在HMI設(shè)計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)王的根底上，我們成功設(shè)計出了溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)到達了快、準、穩(wěn)的效果，也到達了預期的目標。再加上由組態(tài)王設(shè)計的人機界面，整個系統(tǒng)操作簡單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度和實用性。該溫度控制系統(tǒng)也有一些有缺乏的地方需要改良，編程時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)時間都稍微偏大，假設(shè)不直接調(diào)用該模塊，而是自己編寫PID控制子程序的話，控制效果可能會更好。還有人機界面容不夠豐富，假設(shè)再加上報表系統(tǒng)、打印功能的話，那就更完美了。日后，隨著對PLC硬件系統(tǒng)和通信方式的深入了解，還可以豐富遠程控制指令，以應對運行過程中的各種突發(fā)事件，增加其他PLC，通過構(gòu)建復雜的多級網(wǎng)絡(luò)適應大型的工業(yè)控制，使該系統(tǒng)運行時更加穩(wěn)定可靠，性能更加完善。參考文獻[1]SIMATICS7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊[M].:機械工業(yè),2002.[2]Frank.D.Petruzella.PLC教程〔第三版〕[M].:人民郵電,2007.[3]西門子〔中國〕.深入淺出西門子S7-200PLC〔第三版〕[M].:航空航天大學,2007.[4]建明.電氣控制與PLC應用[M].:電子工業(yè),2021.[5]鳳翼,金沙.圖解西門子S7-200系列PLC應用88例[J].:電子工業(yè)出版社,2021.[6]袁任光.可編程序控