yf基于PLC和组态王的温度控制系统设计完整毕业论文.doc

I 摘 要 可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制 技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可 靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。 在工业领域，随着自动化程度的迅速提高，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，包括过程监测、报警提示、数据记录等功能，从而使控制 系统变得操作人性化、过程可视化，在自动控制领域的作用日益显著。 本文主要介绍了基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器和亚控公司的 组态软件组态王的炉温控制系统的设计方案。编程时调用了编程软件STEP 7 - Micro WIN中自带的PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。利 用组态软件组态王设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样 与处理。实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够 广泛应用。 关键词：温度控制 可编程控制器 人机界面 组态王 II 目目 录录 第一章第一章前言前言.1 1.1项目背景、意义.1 1.2温控系统的现状.2 1.3项目研究内容.3 第二章第二章PLC 和和 HMI 基础基础5 2.1可编程控制器基础.5 2.1.1可编程控制器的产生和应用5 2.1.2可编程控制器的组成和工作原理5 2.1.3可编程控制器的分类及特点8 2.2人机界面基础.8 2.2.1人机界面的定义8 2.2.2人机界面产品的组成及工作原理9 2.2.3人机界面产品的特点9 第三章第三章PLC 控制系统硬件设计控制系统硬件设计.10 3.1PLC 控制系统设计的基本原则和步骤10 3.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则10 3.1.2 PLC 控制系统设计的一般步骤11 3.2PLC 的选型与硬件配置13 3.2.1 PLC 型号的选择13 3.2.2 S7-200 CPU 的选择 .14 3.2.3 EM231 模拟量输入模块 .14 3.2.4热电式传感器16 3.3I/O 点分配及电气连接图.17 3.4PLC 控制器的设计17 3.4.1控制系统数学模型的建立17 3.4.2 PID 控制及参数整定19 第四章第四章PLC 控制系统软件设计控制系统软件设计.22 4.1PLC 程序设计方法22 4.2编程软件 STEP7-MICRO/WIN 概述23 4.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍 .23 4.2.2梯形图语言特点24 4.2.3 STEP7-Micro/WIN 参数设置（通讯设置） .25 4.3程序设计.27 4.3.1设计思路27 4.3.2控制程序流程图27 4.3.3梯形图程序28 4.3.4 PID 指令向导的运用31 4.3.5语句表（STL）程序.35 第五章第五章基于组态王的基于组态王的 HMI 设计设计.37 III 5.1人机界面（HMI）设计.37 5.1.1监控主界面38 5.1.2实时趋势曲线39 5.1.3历史趋势曲线40 5.1.4报警窗口40 5.1.5设定画面42 5.2变量设置.42 5.3动画连接.44 第六章第六章系统运行结果及分析系统运行结果及分析.46 6.1系统运行.46 6.2运行结果分析.47 6.2.1温度趋势曲线分析47 6.2.2报警信息分析49 第七章第七章 总结总结 .50 参考文献参考文献 .51 致致 谢谢 .52 第一章前言 1.1 项目背景、意义 温度控制在电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。由于其具有工况 复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。 目前,仍有相当部分工业企业在用窑、炉等烘干生产线，存在着控制精度不高、 炉内温度均匀性差等问题,达不到工艺要求，造成装备运行成本费用高，产出品 品质低下，严重影响企业经济效益，急需技术改造。 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 着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得了巨大的发展，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服务。 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 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；而上位机则是利用 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 种方式的基础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 定受到普遍欢迎，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，深受广大用户 的喜欢。人机界面（HMI）在自动控制领域的作用日益显著。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。 HMI 其实广义的解释就是“使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个 接口” 。举个例子来说，在一座工厂里头，我们要搜集工厂各个区域的温度、湿 度以及工厂中机器的状态等等的信息透过一台主控器监视并记录这些参数，并 在一些意外状况发生的时候能够加以处理。这便是一个很典型的 SCADA/HMI 的 运用，一般而言，HMI 系统必须有几项基本的能力： 实时的资料趋势显示把撷取的资料立即显示在屏幕上。 自动记录资料自动将资料储存至数据库中，以便日后查看。 历史资料趋势显示把数据库中的资料作可视化的呈现。 报表的产生与打印能把资料转换成报表的格式，并能够打印出来。 图形接口控制操作者能够透过图形接口直接控制机台等装置。 警报的产生与记录使用者可以定义一些警报产生的条件。 比方说温度过度或压力超过临界值，在这样的条件下系统会产生警报，通 知作业员处理1。 1.2 温控系统的现状 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 机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控 制系统发展迅速，并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方 面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性 能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行各业广泛应用2。它们主要具有如下 特点:1)适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。2)能适应于受控系 统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3)能适应于受控系统过程复杂、 参数时变的温度控制系统的控制。4)这些温度控制系统普遍采用自适应控制、 自校正控制、模糊控制、人工职能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适 应的范围广泛。5)温度控制器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术， 温控器具有对控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能， 它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证 控制效果的最优化。6)温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性 好的特点。目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能话、小型化等方 面快速发展3。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从国内生产的温 度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比仍 然有着较大的差距。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 制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国 开发工作的滞后，还没开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经 验及我国现场调试来确定。这些差距，是我们必须努力克服的。随着我国加入 WTO，我国政府及企业对此非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了 一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、 合作及独资企业，使我国温度仪表等工业得到迅速的发展4。 随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求愈来愈高，因此， 高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。 1.3 项目研究内容 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 热的通断来实现对炉子温度的控制。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发展状况进行了阐述，指 出了本文的研究意义所在。 第二章，简单概述了 PLC 和人机界面的基本概念以及结构功能等基础内容。 第三章，主要从系统设计结构和硬件设计角度,介绍该项目的 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。 第四章，在硬件设计的基础上，详细介绍了本项目软件设计，主要包括软 件设计的基本步骤、方法，编程软件 STEP7-Micro/WIN 的介绍以及本项目程序 设计。 第五章，详细介绍了如何在亚控公司的组态软件“组态王”的基础上进行 人机界面的设计。 第六章，展示了系统运行结果，然后对其分析得出结论。 第七章，总结全文。 第二章PLC 和 HMI 基础 可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称 PLC（Programmable Logic Controller） ，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、 计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械 或生产过程。 2.1 可编程控制器基础 2.1.1可编程控制器的产生和应用 20 世纪 60 年代，计算机技术开始应用于工业领域，由于价格高、输入电 路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领 域获得推广。1968 年，美国通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新 的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工 业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引发了 开发热潮。 1969 年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研 制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用， 取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。 随着 PLC 功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC 的应用面也越来越广。 目前，PLC 在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制 造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。PLC 的应用范围通 常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器 人控制、通信和联网等5。 2.1.2 可编程控制器的组成和工作原理 PLC 从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本相 同。无论是整体式还是模块式，从硬件结构看，PLC 都是由 CPU、存储器、I/O 接口单元及扩展接口和扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，各部分 之间通过系统总线连接。PLC 的基本结构如图 2-1 所示： 输 入 接 口 中央处理单元 CPU输 出 接 口 电源 存储单元 图 2-1 PLC 基本结构图 1） CPU（中央处理器） CPU 是 PLC 的核心，由运算器、控制器、寄存器、系统总线，外围芯片、 总线接口及有关电路构成。它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的 方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时， 诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等，是 PLC 不可 缺少的组成单元。主要功能包括以下几个方面。 （1）接收从编程器或者计算机输入的程序和数据，并送入用户程序存储器存储。 （2）监视电源、PLC 内部各个单元电路的工作状态。 （3）诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译。 （4）在 PLC 进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执 行该指令。 （5）采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中。 （6）按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数 据寄存器的内容。 （7）根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。 （8）响应中断和各种外围设备（如编程器、打印机等）的任务处理请求。 2） I/O 接口 PLC 是通过各种 I/O 接口模块与外界联系的，按 I/O 点数确定模块规格及 数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置能力的限制， 即受最大的底板或机架槽数限制。I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂 存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 PLC 的对外功能主要是通过各种 I/O 接口模块于外界联系来实现的。输入 模块和输出模块是 PLC 与现场 I/O 装置或设备之间的连接部件，起着 PLC 与外 部设备之间的传递信息的作用。I/O 模块分为开关量输入、开关量输出、模拟 量输入和模拟量输出等模块。 3）存储器 存储器（内存）主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。 一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序存储器用于存储 整个系统的监控程序，一般采用只读存储器（ROM） ，具有掉电不丢失信息的特 性。用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或者控制功能设计的控制程序， 早期一般采用随机读写存储器（RAM） ，需要后备电池在掉电后保存程序。目前 则倾向于采用电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存(Flash Memory)，免去 了后备电池的麻烦。 4）电源模块 PLC 中的电源，是为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。电源可分直流 和交流两种类型，交流输入 220VAC 或 110VAC， ，直流输入通常是 24V。 5）智能模块 除了上述通用的 I/O 模块外，PLC 还提供了各种各样的特殊 I/O 模块，如 热电阻、热电偶、温度控制、中断控制、位置控制、以太网、远程 I/O 控制、 打印机等专用型或智能型的 I/O 模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。I/O 模块的类型、品种与规格越多，系统的灵活性越好，模块的 I/O 容量越大，系 统的适应性就越强。 6）编程设备 常见的编程设备有简易手持编程器、智能图形编程器和基于 PC 的专用编程 软件。编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作些设定，监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况。编程设备在 PLC 的应用系统设计与调试、监控运行 和检查维护中是不可缺少的部件，但不直接参与现场的控制。 PLC 本质上就是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有计 算机的许多特点。但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊 性。PLC 采用循环扫描的工作方式。工作时逐条顺序扫描用户程序，如果一个 线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需等扫描到该触点时才会 动作6。 2.1.3可编程控制器的分类及特点 根据 PLC 的结构形式，可将 PLC 分为整体式和模块式两类。还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。 还可以按 I/O 点数 分类，根据 PLC 的 I/O 点数的多少，可将 PLC 分为小型、中型、大型和超大型 四类: IO 点数在 256 以下为小型 PLC； IO 点数在 2561024 为中型 PLC； IO 点数大于 1024 为大型 PLC； IO 点数在 4000 以上为超大型 PLC 可编程控制器有可靠性高、编程简单易学、功能强、安装简单、维修方便、 采用模块化结构、接口模块丰富、系统设计与调试周期短等特点7。 2.2 人机界面基础 随着社会的进步，工业自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大， 控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。人机界 面（HMI Human Machine Interface）以其美观易懂、操作人性化等显著特点， 正好满足这种需求而得到广泛的应用。 2.2.1人机界面的定义 人机界面是指连接可编程控制器（PLC） 、变频器、直流调速器、仪表等工 业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写 入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件 两部分组成。 2.2.2人机界面产品的组成及工作原理 人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、 输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了 HMI 产品的 性能高低，是 HMI 的核心单元。根据 HMI 的产品等级不同，处理器可分别选 用 8 位、16 位、32 位的处理器。HMI 软件分为两部分，即运行于 HMI 硬件中 的系统软件和运行于 PC 机 Windows 操作系统下的画面组态软件（如组态王等） 。 用户必须先使用组态软件制作“工程文件”，再通过 PC 机和 HMI 产品的串行通 讯口，把编制好的“工程文件”下载到 HMI 的处理器中运行。 2.2.3人机界面产品的特点 (1) 系统运行过程清晰化 控制过程可以动态地显示在 HMI 设备上。例如：炉子加热通断可以通过指 示灯亮灭来显示，炉子的温度大小可以用棒图来指示等等，使整个控制系统变 得形象易懂，也更加清晰。 (2) 系统操作简单化 操作员可以通过监控界面来控制过程。可从监控界面上启动和停止系统、 设定温度上下限、设置 PID 参数等。 (3) 显示报警 控制过程达到临界状态或系统运行错误时会自动触发报警，例如，当炉子 温度超出温度上下限时自动触发报警。 (4) 数据归档 HMI 系统可以记录过程变量值和报警信息并归档。例如：通过归档数据， 您可以查看过去一段时间的系统运行情况，过程变量等。 (5) 报表系统 HMI 系统可以输出报警和过程值报表。例如，您可以在生产某一轮班结束 时打印输出生产数据8。 第三章 PLC 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 PLC 控制系统。本章主要从系统设计结构和硬件设 计角度，介绍该项目的 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。 3.1 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 弄懂 PLC 的基本工作原理和指令系统后,就可以把 PLC 应用到实际的工程 项目中。无论是用 PLC 组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC 控制部分 的设计都可以参考图 3-1 所示的步骤。 3.1.1PLC 控制系统设计的基本原则 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，设计原则往往会 涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为 4 点。 1. 设计原则 (1)完整性原则。最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。 (2)可靠性原则。确保计算机控制系统的可靠性。 (3)经济型原则。力求控制系统简单、实用、合理。 (4)发展性原则。适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在 I/O 接口、通信 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 若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用 PLC 控制将非 常适宜9。 评估控制任务 PLC 机型的选择 控制柜设计及布线 程序设计 联机调试 PLC 安装 程序检查、调试 控制流程的设计 程序备份 修改软、硬件 模拟运行 投入使用 是否满足要求 图 3-1 PLC 控制系统设计步骤 3.1.2PLC 控制系统设计的一般步骤 PLC 控制系统设计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基础。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) 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。画出系统其它部分的电气线路图，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。 3. 编写应用程序 根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计 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，避免系统发生误动作。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，一般在程序设计基 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部分，必须认真加以 考虑。它可以避免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。 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10。 3.2 PLC 的选型与硬件配置 3.2.1PLC 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，构成较复杂的中等规模控制系统10。完整的 S7-200 系列 PLC 实物如图 3-2 所示。 图 3-2 S7-200 系列 PLC 实物图 3.2.2S7-200 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，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11。 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， 不过为了能调用编程软件 STEP 7 里的 PID 模块，只能采用 CPU226 及以上机 种。 3.2.3EM231 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 3-1。 表 3-1 EM231 技术指标 型号EM231 模拟量输入模块 总体特性 外形尺寸：71.2mm×80mm×62mm 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 10mA DIP 开关SW1 0, SW2 0, SW3 1（以 K 型热电偶为例） 表 3-2 所示为如何使用 DIP 开关设置 EM231 模块，开关 1、2 和 3 可选择 模拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。表中，ON 为接通， OFF 为断开。 表 3-2 EM231 选择模拟量输入范围的开关表 单极性 SW1SW2SW3 满量程输入分辨率 OFFON 0 到 10V 2.5mV 0 到 5V 1.25mV ON ONOFF 0 到 20mA 5uA 双极性 SW1SW2SW3 满量程输入分辨率 OFFON±5V2.5mVOFF ONOFF±2.5V1.25mV EM231 校准和配置位置图如图 3-3 所示。 图 3-3 DIP 配置 EM231 3.2.4热电式传感器 热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传 感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最常用于测量温 度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度变化转换为电势变化,而热电阻是将温 度变化转换为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛 应用。 该系统中需要用传感器将温度转换成电压，且炉子的温度最高达几百度,所 以我们选择了热电偶作为传感器。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。 国际标准热电偶有 S、B、E、K、R、J、T 七种类型，在本系统中，我们选用 了 K 型热电偶（分度表如表 3-3 所示） ，其测温范围大约是 01000。系统里 的烤炉最高温度不过几百度，加上一定的裕度就足够了，另外其成本也不算高 12。 表 3-3 K 型热电偶分度表 3.3 I/O 点分配及电气连接图 1) 该温度控制系统中 I/O 点分配表如表 3-4 所示。 表 3-4 I/O 点分配表 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 3-4 和 3-5 所示。 输入触点功能说明输出触点功能说明 IO.1 启动按钮 Q0.0 运行指示灯（绿） I0.2 停止按钮 Q0.1 停止指示灯（红） Q0.3 固态继电器 计 算 机 P L C EM231 模块 固态继电器 热电偶 烤炉 图 3-4 系统框架图 3.4 PLC 控制器的设计 控制器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。 3.4.1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较，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，从而实现对炉子的温度控制。控制系统结构图如图 3-6 所示， 方框图如图 3-7 所示。 图 3-5 系统硬件连接图 PLC 控制器固态继电器烤炉 温度模块热电偶 图 3-6 控制系统结构图 R(s) + E(s) U(s) Y(s) _ Gc(s)Go(s) 图 3-7 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 （3-1） 式 3-1 中，为对象放大系数；为对象时间常数；为对象时滞。 0 K 0 T （3-2） 由阶跃响应法求得， =0.5；=2.5 分钟；=1.2 分钟。 0 K 0 T 3.4.2PID 控制及参数整定 比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基本 的控制规律，具有反应速度快，控制及时，但控制结果有余差等特点。积分控 制可以消除余差，但是工业上很少单独使用积分控制的，因为与比例控制相比， 除非积分速度无穷大，否则积分控制就不可能想比例控制那样及时的对偏差加 以响应，所以控制器的输出变化总是滞后与偏差的变化，从而难以对干扰进行 及时且有效的控制。微分作用是对偏差的变化速度加以响应的，因此，只要偏 差一有变化，控制器就能根据变化速度的大小，适当改变其输出信号，从而可 以及时克服干扰的影响，抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。但是理想微分 控制器的控制结果也不能消除余差，而且控制效果要比纯比例控制器更差。将 三种方式加以组合在一起，就是比例积分微分（PID）控制,其数学表达式为 （3-3） 式 3-3 中：为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。 p K I T D T 根据以上的分析，本温度控制系统适于采用 PID 控制。 完成了上述内容后，该温度控制系统就已经确定了。在系统投运之前，还 需要进行控制器的参数整定。控制器参数整定方法很多，归纳起来可分为两大 类，即理论计算整定法和工程整定法。 理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量 指标，通过理论计算（微分方程、根轨迹、频率法等） ，来求得最佳的整定参数。 这类方法计算繁杂，工作量又大，而且由于用解析法或实验测定法求得的对象 数学模型都只能近似的反映过程的动态特性，整定结果的精度是不高的，因而 未在工程上受到广泛推广。 对于工程整定法，工程技术人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论 计算所需的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用， 在实际工程中被广泛使用。常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、 衰减曲线法、反应曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法来整定 控制器的参数值。下面介绍下方法步骤。 经验整定法实质上是一种经验凑试法，是工程技术人员在长期生产实践中 总结出来的。它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，先确定一 组控制器参数，并将系统投入运行，通过观察人为加入干扰（改变设定值）后 的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制 参数值，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。 由于比例作用是最基本的控制作用，经验整定法主要通过调整比例度的 大小来满足质量指标。整定途径有以下两条： 1）先用单纯的比例（P）作用，即寻找合适的比例度，将人为加入干扰 后的过渡过程调整为 4：1 的衰减振荡过程