7基于S7200PLC的溫度控制系統(tǒng)的設計

1、學號1251401243電氣控制與可編程控制技術課 程 設 計（2012級本科） 題 目： 基于S7-200PLC的溫度控制系統(tǒng)的設計系（部）院： 物理與機電工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化122班 作者姓名： 楊存恩 指導教師： 關虎昌 職稱： 助教 完成日期： 2 0 1 5 年 6 月 20 日目錄1 引言21.1 設計目的21.2 設計內(nèi)容21.3 設計目標22 系統(tǒng)總體方案設計32.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理32.1.1 PLC型號的選擇32.1.2 PLC CPU的選擇32.1.3 EM235模擬量輸入/輸出模塊42.1.4 傳感器42.1.5 可控硅加熱裝置42.1.6 系

2、統(tǒng)組成原理圖42.2 系統(tǒng)變量定義及分配表52.2.1 符號表52.2.2 I/O分配表62.3 系統(tǒng)接線圖設計63 控制系統(tǒng)設計63.1 控制程序流程圖設計 63.1.1 主程序73.1.2 子程序73.1.3 中斷程序73.2 控制程序設計思路83.2.1 初次上電 83.2.2 啟動/停止階段 93.2.3 主程序113.2.4 子程序113.2.5 中斷程序，PID的計算134 上位監(jiān)控系統(tǒng)設計144.1 PLC與上位監(jiān)控軟件通訊144.1.1 串行數(shù)據(jù)傳送和并行數(shù)據(jù)傳送144.1.2 異步方式與同步方式144.1.3 網(wǎng)絡的通訊PPI協(xié)議15 4.2 上位監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設計1

3、64.2.1 外部設備的定義164.2.2 定義數(shù)據(jù)變量164.2.3 數(shù)據(jù)類型165 結(jié)果分析176 結(jié)束語17參考文獻18附錄：帶功能注釋的源程序191 引言 1.1 設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，溫濕度測控領域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術的發(fā)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)等各領域中廣泛使用。 1.2 設計內(nèi)容主要是利用PLC S7-200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

4、，使加熱爐溫度為為一定值，并能實現(xiàn)手動啟動和停止，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 設計目標 通過對溫度控制的設計，提高在電子工程設計和實際操作方面的綜合能力，初步培養(yǎng)在完成工程項目中所應具備的基本素質(zhì)和要求。培養(yǎng)團隊精神，科學的、實事求是的工作方法，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)總體方案設計 2.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理 2.1.1 PLC型號的選擇 本溫度控制系統(tǒng)采用德國西門子S7-200 PLC。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

5、中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。 2.1.2 PLC CPU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由基本單元（S7-200 CPU模塊）、擴展單元、個人計算機（PC）或編程器，STEP 7-Micro/WIN編程軟件及通信電纜等組成。表2.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元型號輸入點輸出點擴展模塊數(shù)量S7-200CPU221640S7-200

6、CPU222862S7-200CPU22424107S7-200CPU224XP24167S7-200CPU22624167 本設計采用CUP224。它具有24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點?？蛇B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內(nèi)

7、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)。CPU224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3CPU2244IN/4OUT8IN4AI/1AO4AI/1AOI0.0-I1.5/AIW0/AQW0AIW8/AQW4AIW2AIW10AIW4AIW12AIW6AIW14 2.1.3 EM235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/一路模擬量的輸出。它允許S

8、7-200連接微小的模擬量信號，±80mV范圍。用戶必須用DIP開關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：SW1SW3用于選擇熱電偶的類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進行斷線檢測，SW7用于選擇測量方向，SW8用于選擇是否進行冷端補償。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

9、表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(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，主要用于某些特殊場合的測量。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010mA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，投入成本低，操作方便直觀并且容易維護。溫度測量與控制是熱電偶采

10、集信號通過PID溫度調(diào)節(jié)器測量和輸出010mA或420mA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，過電流保護快速熔斷器、過電壓保護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

11、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特殊標志位內(nèi)存字節(jié)SMB34設置中斷控制字節(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_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

12、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中的內(nèi)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AC02.2.2 I/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啟動按鈕停止按鈕啟動指示燈Q0.1停止指示燈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Q0.5 2.3 系統(tǒng)接線圖設計3 控制系統(tǒng)設計 3.1 控制程序流程圖設計 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

13、子程序0 3.1.2 子程序設定溫度值導入PID設定參數(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？ N Y 停止加熱 繼續(xù)加熱輸出PID值 3.2 控制程序設計思路 3.2.1 初次上電 1)讀入模擬信號，并把數(shù)值轉(zhuǎn)化顯示鍋爐的當前電壓 2)判斷爐溫是否在正常范圍，打亮正常運行指示燈/溫度越上限報警指示燈3.2.2 啟動/停止階段 啟動過程：按下啟動按鈕后，開始標志位M0.1置位，M0.2復位。打開運行指示燈Q0.0，熄滅并停止指示燈初始化PID。開始運行子程序0。 停止過程：按下停止按鈕

14、后，開始標志位M0.1復位，點亮停止指示燈，熄滅運行指示燈。并把輸出模擬量AQW0清零，停止鍋爐繼續(xù)加熱。停止調(diào)用子程序0，仍然顯示鍋爐溫度。停止時模擬量輸出清零，防止鍋爐繼續(xù)升溫。 3.2.3 主程序 3.2.4 子程序 1)輸入設定溫度。 2)把設定溫度、P值、I值、D值都導入PID 3）每100ms中斷一次子程序進行PID運算。 3.2.5 中斷程序，PID的計算 1） 模擬信號的采樣處理，歸一化導入PID。2） DIP程序運算。3）輸出DIP運算結(jié)果，逆轉(zhuǎn)換為模擬信號。4 上位監(jiān)控系統(tǒng)設計4.1 PLC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 1) 并行數(shù)據(jù)傳送：并行

15、數(shù)據(jù)傳送時所有數(shù)據(jù)位是同時進行的，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)傳送時所有數(shù)據(jù)是按位(bit)進行的。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)傳送中較為合適。 PLC網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)的方式絕大多數(shù)為串行方式，而計算機或PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)處理、存儲都是并行的。若要串行發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，則要進行相應的串行、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。 1) 異步方

16、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，最后是停止位。字符之后還可以加入奇偶校驗位。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。 2) 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)絡多采用異步方式傳送數(shù)據(jù)。 4.1.3 網(wǎng)絡的通訊PPI協(xié)議 PPI是一種主從設備協(xié)議：主設備給從屬裝置發(fā)送請求，從屬裝置進行響應。從屬裝置不發(fā)出訊息，而是一直等到主設備發(fā)送請求或輪詢時才作出響應。 主設備與從屬裝置的通訊將通過按

17、PPI協(xié)議進行管理的共享連接來進行。圖41 如果在用戶程序中激活PPI主設備模式，則S7-200 CPU在處于RUN（運行）模式時可用作主設備。激活PPI主設備模式之后，可使用“網(wǎng)絡讀取”或“網(wǎng)絡寫入”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主設備時，它將仍然作為從屬裝置對來自其他主設備的請求進行響應。 對于簡單的單臺主設備網(wǎng)絡，編程站和S7-200 CPU既可以通過PPI多臺主設備電纜連接，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)絡中，編程站（STEP7-Micro/WIN）是網(wǎng)絡主設備。在圖下部的范例網(wǎng)絡中，人機界面

18、（HMI）設備（例如TD 200、TP或OP）是網(wǎng)絡主設備。 在兩個范例網(wǎng)絡中，S7-200 CPU是對主設備的請求進行響應的從屬裝置。圖42 單臺主設備PPI網(wǎng)絡 4.2 上位監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設計 4.2.1 外部設備的定義 組態(tài)王把那些需要與之交換數(shù)據(jù)的硬件設備或軟件程序都做為外部設備使用。外部硬件設備在本文中就是PLC S7-200。可使用“設備配置向?qū)А币徊讲酵瓿稍O備的連接。 4.2.2 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?；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)控設備進

19、行交換。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)建連接前新建一些變量。 本文中，PLC用內(nèi)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1 Byte：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，

20、 2個字節(jié) Long：32位， 4個字節(jié) Long BCD：32位， 4個字節(jié) Float：32位， 4個字節(jié) String：128個字符長度5 結(jié)果分析 本課題設計了基于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，對大部分控制對象都有良好的控制效果。 該溫度控制系統(tǒng)也有一些有不足的地方需要改進，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，若不直接調(diào)用該模塊，而

21、是自己編寫PID控制子程序的話，控制效果可能會更好。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。6 結(jié)束語 課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用實踐的課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程.”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義.我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎. 通過這次模具設計，

22、本人在多方面都有所提高。在這次設計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設計模具的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學習的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。 在此感謝我們的關老師，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣;老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪;這次課程設計的每個實驗細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開老師您的細心指導。而您開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設計。由于本人的設計能力有限，在設計過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請老師們多多指教,我十分樂意接受你們的批評與指正，本人將萬分感謝。參考文獻1 SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊M.北京:機械工業(yè)出版社,2002. 2 Frank.D.Petruzella.PLC教程（第三版）M.北京:人民郵電出版社,2007. 3 西門子（中國）有限公司.深入淺出西門子S7-200PLC（第三版）M.北京: 北京航空航天大學出版社,2007. 4 陳建明.電氣控制與PLC應用M.北京:電子工業(yè)出版社,2009. 5 鄭鳳翼,金沙.圖解西門子S7-200系列PLC應用88例J.北京:電子工業(yè)出 版社,2009. 6 袁任光.可編程序控制器選用手冊M.北京:機械工業(yè)出版社,2002. 7 戴仙金.西門子