課程設(shè)計(論文)-基于PLC的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、第一章 緒論1.1選題背景及意義加熱爐是利用電能來產(chǎn)生蒸汽或熱水的裝置。因為其效率高、無污染、自動化程度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，冶金、機械、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用電加熱爐對溫度進行控制。而傳統(tǒng)的加熱爐普遍采用繼電器控制。由于繼電器控制系統(tǒng)中，線路龐雜，故障查找和排除都相對困難，而且花費大量時間，影響工業(yè)生產(chǎn)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)勢必被PLC所取代。二十世紀(jì)七十年代后期，伴隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，也使得PLC具有了計算機的功能，成為了一種以電子計算機為核心的工業(yè)控制裝置，在溫度控制領(lǐng)域可以讓控制系統(tǒng)變得更高效，穩(wěn)定且維護方便。在過去的幾十年里至今，PID控

2、制已在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)自動化的三大支柱（PLC、工業(yè)機器人、CAD/CAM）中位居第一。由于其原理簡單 、使用方便、適應(yīng)能力強，在工業(yè)過程控制中95%甚至以上的控制回路都采用了PID結(jié)構(gòu)。雖然后來也出現(xiàn)了很多不同新的算法，但PID仍舊是最普遍的規(guī)律。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢一些先進國家在二十世紀(jì)七十年代后期到八十年代初期就開始研發(fā)電熱鍋爐，中國到八十年代中期才開始起步，對電加熱爐的生產(chǎn)過程進行計算機控制的研究。直到九十年代中期，不少企業(yè)才開始應(yīng)用計算機控制的連續(xù)加熱爐，可以說發(fā)展緩慢，而且對于國內(nèi)的溫度控制器，總體發(fā)展水平仍不高，不少企業(yè)還相當(dāng)落后。與歐美、日本，德國等

3、先進國家相比，其差距較大。目前我國的產(chǎn)品主要以“點位”控制和常規(guī)PID為主，只能處理一些簡單的溫度控制。對于一些過程復(fù)雜的，時變溫度系統(tǒng)的場合往往束手無策。而相對于一些技術(shù)領(lǐng)先的國家，他們生產(chǎn)出了一批能夠適應(yīng)于大慣性、大滯后、過程復(fù)雜，參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)。并且普遍采用自適應(yīng)控制、模糊控制及計算機技術(shù)。近年來，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷快速發(fā)展，計算機技術(shù)的進步和檢測設(shè)備及性能的不斷提升，人工智能理論的實用化。因此，高精度、智能化、人性化必然是國內(nèi)外必然的發(fā)展趨勢。1.3項目研究內(nèi)容 以PLC控制為核心，PLC將加熱爐溫度設(shè)定值與溫度傳感器的測量值之間的偏差，經(jīng)過PID運算后得到的信號控制輸出電壓

4、的大小，采用PID算法，運用PLC編程語言編程，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實現(xiàn)溫度的自動控制。 由兩個或兩個以上的控制器串聯(lián)，一個控制器的輸出是另一個控制器的設(shè)定而組成的串級控制系統(tǒng)。改善了主回路的響應(yīng)速度。主調(diào)節(jié)器具有“細調(diào)”作用，副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”作用，從而改善了系統(tǒng)的品質(zhì)。第二章 系統(tǒng)設(shè)計2.1系統(tǒng)的過程控制設(shè)計 在本系統(tǒng)中若采用以原料出口溫度為被控量的單回路系統(tǒng)，由于在加熱爐的過程控制中存在著時間滯后和容量滯后，系統(tǒng)不能立即感知。直到經(jīng)過大容量滯后，才能反映到原料的溫度變化。系統(tǒng)的控制作用才開始反映，但為時已晚。同樣，控制器的動作也必須經(jīng)過較大的容量滯后才能開始對輸出的改變做出調(diào)整，導(dǎo)致系

5、統(tǒng)的品質(zhì)變差。 因此，增設(shè)爐膛溫度作為另一個被控參量，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，如圖5-1副調(diào)節(jié)器可控硅爐膛出口副變送器主變送器+主調(diào)節(jié)器C2C1圖5-1 串級系統(tǒng)控制框圖當(dāng)原料溫度變化時，首先使得爐膛溫度C2發(fā)生變化。而出口處的原料溫度C1還沒有發(fā)生變化。因此，主調(diào)節(jié)器輸出不變，爐膛溫度測量值發(fā)生變化。通過副變送器反饋到副調(diào)節(jié)器。通過可控硅控制加熱元件的電流大小，使電爐保持在設(shè)定的溫度工作狀態(tài)。與此同時，爐膛溫度的變化也會引起管壁的溫度變化，從而影響出口C1溫度的變化，使主調(diào)節(jié)器的輸出發(fā)生變化。由于主調(diào)節(jié)器的輸出就是副調(diào)節(jié)器的輸入，而副調(diào)節(jié)器的輸出直接控制可控硅導(dǎo)通角的大小，進一步加速了控制系統(tǒng)的調(diào)

6、節(jié)過程，使主被控量即加熱爐出口溫度恢復(fù)到設(shè)定值。2.1.1控制系統(tǒng)的性能1 對二次擾動的抑制能力強，當(dāng)二次擾動產(chǎn)生后，副被控量首先檢測到擾動的影響并及時控制操作變量，使副被控量恢復(fù)到設(shè)定值。從而使擾動對主被控量的影響減小，即副回路對擾動進行粗調(diào)，主回路對擾動進行細調(diào)。串級控制系統(tǒng)由于有副回路的存在改善副對象的動態(tài)特性，從而提高了整個系統(tǒng)的動態(tài)特性。串級控制系統(tǒng)由于副回路性能的改善，主控制器的比例帶可以變得更窄，從而提高了系統(tǒng)的工作頻率，即提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。有一定的自適應(yīng)能力。在副回路的作用下，包括控制閥在內(nèi)的副對象在操作條件和負(fù)荷變化時，其特性變化對系統(tǒng)的影響顯著地削弱了。2.2 控制

7、器的設(shè)計2.2.1 控制器的控制規(guī)律選擇 PID控制器是應(yīng)用最廣泛的一種控制器。包括P控制器、PD控制器，PI控制器及完整的PID控制器。P的作用是增加開環(huán)增益，降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但缺點是會使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。I的作用是消除靜差，但有過調(diào)現(xiàn)象且不及時。D的作用是增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但同時也放大了系統(tǒng)的高頻噪聲?？梢姡侠磉\用才能使系統(tǒng)的效益最大化。 1)比例（P）控制比例控制是最簡單的工作方式。其控制器輸入與輸出的誤差信號成比例關(guān)系。比例控制器的傳遞函數(shù)為：Gc(S)=KP （2.1）其中：Kp稱為比例系數(shù)或增益。其倒數(shù)稱為比例帶，也稱比例度。2）比例積分（PI）控制具有比例加積分

8、的控制規(guī)律的控制稱為比例積分控制，即PI控制?？蓽p少或消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，但存在過調(diào)現(xiàn)象而且不及時，存在滯后。PI控制的傳遞函數(shù)及輸出信號為：Gc(S)=KP+KP/Ti·1/S=KP(S+1/Ti)/S (2.2)u(t)=Kpe(t)+KP/Ti0te(t)d(t) (2.3)其中：Kp為比例系數(shù) Ti稱為積分時間常數(shù) 3）比例微分（PD）控制具有比例加微分的控制規(guī)律的控制稱為比例微分控制，即PD控制。它能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，但具有放大高頻噪聲的缺點。PD控制的傳遞函數(shù)及輸出信號為：Gc(s)=KP+KPS (2.4)u(t)=KPe(t)+KPde(t)/d

9、t (2.5)其中：KP為比例系數(shù) 為微分時間常數(shù) 4)比例積分微分（PID）控制具有比例加微分和積分的控制規(guī)律的控制稱為比例積分微分控制，即PID控制。PID控制具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)點外，還可以還改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，消除誤差，縮小超調(diào)量，加快反映速度。PID控制的傳遞函數(shù)及輸出信號為：Gc(S)=KP+KP/Ti·S+KPs (2.6) u(t)=KPe(t)+KP/Ti0te(t)dt+Kpde(t)/dt (2.7)其中：KP為比例系數(shù) Ti稱為積分時間常數(shù) 稱為微分時間常數(shù) 三者都是可調(diào)常數(shù)。 因為采用串級控制，所以有主副調(diào)節(jié)器之分。主調(diào)節(jié)器起定值作用，副調(diào)節(jié)器起隨動作用

10、。原料的出口溫度是系統(tǒng)的重要指標(biāo)，它的允許波動的范圍小，且溫度控制系統(tǒng)是容量滯后較大的系統(tǒng)，故主控制器選用PID控制，而副控制量采用P控制，因為副被控量的控制范圍在工藝上要求不是太嚴(yán)格，允許有余差，故副控制器選用P控制就行。這時如果引入積分就可能會降低副回路反應(yīng)的快速性影響控制效果。 2.2.2 主、副控制器的正反作用選擇 副調(diào)節(jié)器作用方式的確定：從鍋爐的設(shè)備和安全出發(fā)，一旦系統(tǒng)故障就應(yīng)自動切斷燃料供應(yīng)。所以可控硅輸出電壓選用氣開式，調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)放大系數(shù)Kv大于0。然后確定副被控過程的K2。當(dāng)可控硅的導(dǎo)通角增大，電壓增大，爐膛水溫上升，被控對象為正作用，所以K2大于0。再確定副調(diào)節(jié)器，為保證回

11、路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘必須為負(fù)，所以副調(diào)節(jié)器K2小于0，副調(diào)節(jié)器的作用方式為反作用方式 主調(diào)節(jié)器作用方式的確定：爐膛水溫升高，出口溫度也升高，被控對象為正作用，所以K1大于0。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)相乘必須為負(fù)，所以主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K1小于0。主調(diào)節(jié)器的作用方式為反作用方式。2.3 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框如圖2-2所示變送器PLC熱電偶鍋 爐鍋爐可控硅圖2-2 系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)選用S7-300PLC為控制器，用熱電偶檢測爐溫，溫度變送器將熱電偶輸出的微弱信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號。然后送給模擬量輸入模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。CPU將它與溫度設(shè)定值作比較，并按

12、PID控制算法對誤差進行運算，將結(jié)果送給模擬量輸出模塊，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號。用來控制可控硅的導(dǎo)通角大小，從而調(diào)節(jié)電熱絲的加熱，改變溫度大小。第三章 硬件設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.1可編程控制器概述可編程控制器簡稱PLC，它幾乎完全占領(lǐng)了工業(yè)控制領(lǐng)域。由于PLC的應(yīng)用面廣、功能強大、使用維護方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到了廣泛的使用。 PLC有兩種工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)和停止（STOP）。其中運行狀態(tài)是執(zhí)行應(yīng)用程序的狀態(tài)，在CPU執(zhí)行啟動操作時，清除沒有保持功能的位存儲器，定時器和計數(shù)器，清除堆棧內(nèi)容等。再執(zhí)行一次啟動組織塊OB100,它由用戶編寫，即

13、完成對指定的初始化操作。之后反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行用戶程序。停止?fàn)顟B(tài)一般用于程序的編制與修改。 除了執(zhí)行用戶程序外，PLC還要完成啟動循環(huán)時間監(jiān)，數(shù)據(jù)寫入輸出模塊，讀取輸入模塊狀態(tài)，并存入輸入過程映像區(qū)；在系統(tǒng)循環(huán)結(jié)束時，接著執(zhí)行所有掛起的任務(wù)。最后返回第一階段。各個階段如圖3-1所示執(zhí)行OB100啟動循環(huán)時間監(jiān)控數(shù)據(jù)寫入輸出模塊讀取輸入模塊狀態(tài)執(zhí)行用戶程序執(zhí)行其他任務(wù)圖3-1 掃描過程PLC的特點如下：n 可靠性高，抗干擾能力強，適應(yīng)性強。n 系統(tǒng)的安裝、設(shè)計和調(diào)試工作量小，維護方便。n 硬件配套齊全，編程方便易學(xué)，操作方便。n 體積小，功能強大，能耗低，性價比高。3.2 S7-300的輸入輸出

14、模塊 S7-300屬于模塊式PLC，主要由CPU模塊、電源模塊、輸入輸出模塊組成（圖3-2）。各種模塊安裝在機架上，通過通信模塊，PLC可以與計算機，其他PLC或其他設(shè)備進行通信。電源模塊接口模塊輸 入 模 塊CPU 模塊輸 出 模 塊通信接口其他設(shè)備其他PLC計算機通信網(wǎng)絡(luò)擴展機架圖3-2 PLC基本結(jié)構(gòu)Ø 模擬量輸入模塊在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度信號轉(zhuǎn)換成420mA的電流信號。模擬量輸入模塊SM331用于將模擬量信號轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理的數(shù)字信號。其主要組成部分是A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入模塊的輸入信號一般是模擬量變送器的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。為了減少電磁干擾，傳送模擬信號時使

15、用雙絞屏蔽電纜。模擬信號電纜的屏蔽層兩端接地，如果電纜兩端存在電位差，將會造成對模擬信號的干擾。在這種情況下，將電纜的屏蔽層一點接地。Ø 模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊SM332用于將CPU送給執(zhí)行元件的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成成比例的電流信號，其主要部件是D/A轉(zhuǎn)換器、模擬量輸出模塊為負(fù)載和執(zhí)行器提供電流或電壓，模擬信號使用屏蔽電纜或雙絞線電纜來傳送。Ø 數(shù)字量輸入模塊數(shù)字量輸入模塊SM321用于連接外部的機械觸點和電子式傳感器，比如接近開關(guān)，二線式開關(guān)等。數(shù)字量輸入模塊把外部傳來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為PLC的內(nèi)部信號，輸入電路中一般含有RC濾波器，防止由于外部干擾而引起的錯誤信號輸入。輸

16、入電流一般為幾毫安。Ø 數(shù)字量輸出模塊 數(shù)字量輸出模塊SM322用于驅(qū)動接觸器，燈等小功率電機負(fù)載。數(shù)字量輸出模塊將PLC的內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換為控制過程所需的外部信號。具有隔離和功率放大作用，其功率放大元件如大功率晶體管和場效應(yīng)晶體管，固態(tài)繼電器，驅(qū)動交流負(fù)載的雙向晶體管等。輸出電流一般為0.52A 3.3 溫度傳感器溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一種傳感器。它是把檢測到的溫度轉(zhuǎn)化為電量的裝置。按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶，熱電偶是將溫度轉(zhuǎn)化為電勢的變化，而熱電阻是將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。² 熱電阻熱電阻是金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的增加而增加的這一特性來測量

17、溫度的，是測量低溫的溫度傳感器，一般測量溫度在-200800。熱電阻由金屬材料制成，應(yīng)用最廣的是鉑和銅。熱電阻式溫度傳感器有如下特點:優(yōu)點：1）準(zhǔn)確度高 2)輸出信號大，靈敏度高。3）測量范圍廣，穩(wěn)定性好。4)輸出線性好 缺點：1）抗機械沖擊與振動性能差 2）元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱響應(yīng)時間長，不適宜測量溫度瞬變區(qū)域。² 熱電偶將兩種不同的金屬導(dǎo)體焊接在一起，構(gòu)成閉合回路。在焊接端（測量端）加熱產(chǎn)生溫差，就會在回路里產(chǎn)生熱電流，相應(yīng)地產(chǎn)生熱電動勢。這種以測量熱電動勢的方法來測量溫度的元件稱為熱電偶。一般測量范圍在4001800。熱電偶溫度傳感器有如下特點： 優(yōu)點：1）結(jié)構(gòu)簡單，制造容易 2)

18、價格便宜 3)準(zhǔn)確度高 4）測量范圍廣，能適應(yīng)各種測量對象的要求，遠距離測量和控制 5）具有極高的響應(yīng)速度，可以測量極速變化的過程 缺點：靈敏度較低，容易受到環(huán)境干擾的影響。 本設(shè)計使用鎳鎘-鎳硅N型熱電偶，具有線性度好，熱電動勢大，靈敏度穩(wěn)定性均較好的優(yōu)點。3.4 溫度變送器 變送器用于將傳感器提供的電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電流或直流電壓信號。例如DC010V和420mA。變送器分為電流輸出型和電壓輸出型。PLC模擬量輸入模塊的電壓輸入端的輸入阻抗很高。如果變送器距離PLC較遠，傳送模擬量電壓信號時抗干擾能力會很差。當(dāng)PLC的模擬量輸入模塊輸入電流時，產(chǎn)生的干擾較小，所以模擬量電流信號適合于

19、遠距離傳送。本設(shè)計選用電流輸出型。3.5 溫度控制器 本設(shè)計采用可控硅作為開關(guān)元件，可以避免傳統(tǒng)繼電器的頻繁吸合造成損壞的問題。而且具有動作快，壽命長，可靠性好等優(yōu)點。通過將可控硅的導(dǎo)通角大小來調(diào)節(jié)輸出功率，從而控制主回路加熱元件電流大小，使加熱爐保持在設(shè)定溫度工作狀態(tài)?？煽毓铚囟瓤刂破饔芍骰芈泛涂刂苹芈方M成，主回路由可控硅、快速熔斷器，加熱元件等部分組成。控制回路由電源、熱電偶、PID調(diào)節(jié)器等部分組成。3.6系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)西門子的STMATIC NET網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可分為四層，如圖3-3管理層單元層現(xiàn)場層執(zhí)行器傳感器工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)ProfibusProfibusAS-i圖3-3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 1.

20、現(xiàn)場層是通過連接如分布式I/O、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器和開關(guān)等現(xiàn)場設(shè)備，完成現(xiàn)場設(shè)備控制及設(shè)備的連接控制。西門子網(wǎng)路系統(tǒng)將執(zhí)行器與傳感器單獨分一層，并使用AS-i網(wǎng)絡(luò)。 2.單元層 單元層又稱車間監(jiān)控層，用來連接車間的生產(chǎn)設(shè)備，實現(xiàn)車間級設(shè)備的監(jiān)控，設(shè)備故障報警及維護等。單元層（車間監(jiān)控）網(wǎng)絡(luò)采用PROFIBUS-FMS或工業(yè)以太網(wǎng)。PROFIBUS-FMS是一個多主網(wǎng)絡(luò)，能傳送大量信息。 3管理層 車間操作員工作站可以通過集線器與車間辦公管理網(wǎng)連接。通過工業(yè)以太網(wǎng)將車間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳送到車間管理層。工廠管理層通常采用TCP/IP通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，即符合IEC802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)。 S7-300PLC有

21、PROFIBUS-DP和工業(yè)以太網(wǎng)的通信模塊以及點對點通信模塊。通過PROFIBUS-DP或AS-i現(xiàn)場總線，CPU與分布式I/O模塊之間周期性地自動交換數(shù)據(jù)。3.6.1 PROFIBUS現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動裝置之間的數(shù)字式串行多點式通信的數(shù)據(jù)總線，具有如下優(yōu)點： 1）現(xiàn)場總線使自動控制設(shè)備和系統(tǒng)組成了一個信息網(wǎng)絡(luò) 2）多個控制設(shè)備可共用一對雙絞線，便于節(jié)省費用。 3）具有維護方便，系統(tǒng)可靠性高。 4）用戶可以靈活地自由集成系統(tǒng)。 工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS是用于車間級監(jiān)控（單元層）和現(xiàn)場層的通信系統(tǒng)。PROFIBUS是不依賴于生產(chǎn)廠家、開放式的

22、現(xiàn)場總線，各種各樣的自動化設(shè)備都可以通過同樣的接口交換信息。PROFIBUS由三部分組成，即分布式外圍設(shè)備PROFIBUS-DP，用于自動化系統(tǒng)中單元級控制設(shè)備與分布式I/O的通信;報文規(guī)范PROFIBUS-FMS，它定義了主站與主站之間的通信模型，用于系統(tǒng)級和車間級的不同級之間供應(yīng)商的自動化系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù);過程自動化PROFIBUS-PA，用于過程自動化的現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器的低速數(shù)據(jù)傳輸。其中PROFIBUS-DP應(yīng)用最廣。 S7-300PLC可以通過集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)上，具有快速、高效、低成本等優(yōu)點及可以進行組態(tài)、診斷和報警處理。P

23、ROFIBUS-DP設(shè)備可以分為三類不同類型的設(shè)備：1類DP主站（DPM1）是系統(tǒng)的中央控制器，與DP從站循環(huán)地交換信息，對總線通信進行控制和管理;2類DP主站（DPM2）是DP網(wǎng)路中的編程、診斷和管理設(shè)備，除了具有DPM1的功能外，在與一類DP主站進行數(shù)據(jù)通信時可以讀取DP從站的輸入/輸出數(shù)據(jù)和當(dāng)前組態(tài)數(shù)據(jù)，可以給DP從站分配新的總線地址；3類DP從站是進行輸入信息采集和輸出信息發(fā)送的外圍設(shè)備，它只與組態(tài)它的DP主站交換用戶數(shù)據(jù)，可以向該主站報告本地診斷中斷和過程中斷。 本系統(tǒng)采用插有PROFIBUS網(wǎng)卡的PC機作為1類主站，PC機上裝有程序編程軟件STEP7，用PC機和MCGS組態(tài)軟件作監(jiān)

24、控操作站，連接在PROFIBUS總線上，可以完成遠程編程組態(tài)以及在線監(jiān)控功能。西門子ET-200M作為從站，ET-200M是模塊化分布式I/O,具有集成的模塊診斷功能。3.6.2 MPI網(wǎng)絡(luò)MPI是多點接口的總稱，每個S7-300CPU都集成了多點接口的通信協(xié)議，其物理層是RS-485,最大傳輸速率為12M bit/s,兩個相鄰節(jié)點最大傳輸距離為50m。PLC通過MPI可以訪問功能模塊，可以自動廣播其總線參數(shù)組態(tài)，可以與多個設(shè)備同時建立通信連接，連接的設(shè)備有運行STEP7的PC機，HMI,及西門子其他型號的PLC。聯(lián)網(wǎng)的CPU可以通過MPI接口實現(xiàn)全局?jǐn)?shù)據(jù)(GD)服務(wù)，周期性地相互進行數(shù)據(jù)交換

25、。西門子有兩種MPI連接器，一種有PG（編程器）接口，另一種則沒有PG接口，在PC機上插上了一塊MPI卡或使用PC/MPI適配器。3.6.3 AS-i網(wǎng)路 執(zhí)行器傳感器接口AS-i網(wǎng)路，用于傳感器和執(zhí)行器的雙向數(shù)據(jù)通信網(wǎng)路。位于自動控制系統(tǒng)最底層的網(wǎng)路。AS-i用于連接需要傳送開關(guān)量的傳感器和執(zhí)行器，比如讀取溫度開關(guān)的狀態(tài)，控制各種閥門等，也可以傳送模擬量數(shù)據(jù)。AS-i屬于主從式網(wǎng)路，每個網(wǎng)段只能有一個主站，主站是網(wǎng)路通信的中心，用于網(wǎng)路的初始化，設(shè)置從站的地址和參數(shù)等。AS-i從站是AS-i系統(tǒng)的輸入通道和輸出通道。CP343-2通信處理器用于AS-i主站。AS-i的從站由專用的AS-i通信

26、芯片和傳感器、執(zhí)行器部分組成，帶有集成的AS-i連接的傳感器和執(zhí)行器可以直接連接到AS-i上。第四章 軟件設(shè)計4.1 STEP7編程軟件 STEP7編程軟件是由西門子公司設(shè)計開發(fā)，具有提供編程、測試、參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、維護，監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。本系統(tǒng)采用的是SETP7 V5.4版。 4.1.1 STEP7的硬件接口 為了在PC機上使用STEP7,應(yīng)配置PC/MPI通信適配器。連接計算機的RS-232接口和PLC的MPI接口，將計算機連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。計算機一側(cè)的通信速率為19.2Kbit/s,PLC一側(cè)的通信速率為19.2Kbit/s1.5Mbit/s。 在STEP7

27、的管理器中執(zhí)行菜單命令：“選項”“設(shè)置PG/PC接口”。在打開的對話框中可以選擇實際使用的硬件接口。如圖4-1，單擊“選擇”，可以安裝上述選擇框中沒有列出的硬件接口的驅(qū)動程序。圖4-14.1.2 STEP7的編程功能 STEP7的編程語言有梯形圖（LAD）、功能圖（FBD）、語句表（STL）。梯形圖（LAD）是STEP7編程語言的圖形表示，適合于電氣行業(yè)的用戶；語句表（STL）是文本編程語言，與機器代碼類似，能夠節(jié)省輸入時間和存儲區(qū)域，適合于計算機技術(shù)領(lǐng)域的用戶；功能塊（FBD）也是STEP7編程語言的圖形表示，用邏輯框表示邏輯功能，類似于數(shù)字門電路，適合于電路工程領(lǐng)域的用戶 STEP7通過符

28、號編輯器，可以管理所有的全局變量，用于設(shè)置符號名稱、定義數(shù)據(jù)類型、注釋及排序功能。STEP7的測試和服務(wù)功能具有設(shè)置斷點、強制輸入輸出、調(diào)用塊等，同時檢測幾個塊的狀態(tài)的功能，還有幫助功能，包括在線幫助及從幫助菜單獲得幫助。4.2 STEP7項目的創(chuàng)建 在STEP7中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的數(shù)據(jù)。 使用向?qū)韯?chuàng)建項目，雙擊Windows桌面上的SIMATIC管理器圖標(biāo)，進入SIMATIC Manager窗口。如下圖：圖4-2l 下一步，CPU類型中選擇CPU315-

29、2DP,MPI缺省值為2。如下圖：圖4-3l 下一步，塊名稱OB1作為主程序的組織塊，所選的語言為LAD。如下圖:圖4-4l 下一步，輸入項目名稱，按“完成”生成項目，如下圖：圖4-54.3 用變量表調(diào)試程序4.3.1 系統(tǒng)調(diào)試步驟 首先用變量表來測試硬件，同時觀察CPU模塊上的故障指示燈，或者使用故障診斷工具來診斷故障；第二，下載用戶程序，在下載程序之前將CPU的存儲器復(fù)位，將CPU切換到STOP模式；第三，排除可能導(dǎo)致CPU停機的程序中的錯誤；最后調(diào)試用戶程序，在執(zhí)行用戶程序過程中來檢查系統(tǒng)的功能，在調(diào)試時記錄對程序的修改。 在調(diào)試時，最先調(diào)試啟動組織塊OB100,然后調(diào)試FB和FC，調(diào)試

30、啟動組織塊后，接著應(yīng)先調(diào)試嵌套調(diào)用最深的塊。如圖4-6。在FB1調(diào)試好后再調(diào)試FB1的FC2,指令BEU可以在完整的OB1中臨時插入只有BEU指令之前的部分被執(zhí)行。調(diào)試好后將它刪除掉。（1）啟動（5）OB1(4)FC1(3)FC2(2)FB1DB1圖4-6 程序調(diào)試的步驟4.3.2 變量表的基本功能 使用變量表可以在一個畫面中同時監(jiān)視，修改和強制用戶感興趣的全部變量。為滿足不同的調(diào)試要求，一個項目可以生成多個變量表，在變量表中賦值的變量包括輸入輸出、定時器、計數(shù)器、位存儲器，DB在內(nèi)的存儲器和外設(shè)I/O。 利用變量表可以監(jiān)視變量，在計算機上顯示用戶程序或CPU中的每個變量的當(dāng)前值。也可以對變量

31、進行修改，將固定值賦給變量，對外設(shè)輸出賦值，在停機的狀態(tài)下將固定值賦給CPU的每個輸出點。強制變量，給某個變量賦予一個固定值，即使用戶程序被進行，也不會影響被強制變量的值。4.3.3 變量表的生成在SIMATIC管理器中，用菜單命令“插入”“S7塊（B）”“變量表”，出現(xiàn)一個對話框，在對話框中可以給變量表取一個符號名，“確定”生成一個新的變量表，如圖4-7。也可以在變量表編輯器中，用菜單命令“表格”新建一個新的變量表，可以為一個用戶生成幾個變量表。輸入變量時，可以在“地址”欄輸入在符號表中定義過的地址。當(dāng)用回車鍵完成輸入項時，其余的詳細資料會自動地出現(xiàn)，可以用“選項”中的“符號表”將地址粘貼到

32、變量表中。圖 4-74.3.4 變量表的使用 為了監(jiān)視或修改在當(dāng)前變量表中的輸入變量，要與監(jiān)視的CPU建立連接，選擇變量表的菜單命令“PLC”“連接到”“建立此連接”，建立與CPU的連接，可以方便地進行變量的監(jiān)視或修改。用菜單命令“PLC”“斷開連接”，可以斷開變量表和CPU的連接。 用菜單命令“變量”“觸發(fā)器”打開對話框，選擇在程序中的觸發(fā)來監(jiān)視或修改變量。變量表顯示的是被監(jiān)視的變量在觸發(fā)點的數(shù)值，同時也可以選擇監(jiān)視的觸發(fā)條件：一次或每次循環(huán)，如圖4-8。圖 4-8 將CPU的模式開關(guān)調(diào)到RUN-P位置，單擊“變量”“監(jiān)視”，執(zhí)行監(jiān)視功能，變量表中的狀態(tài)值按設(shè)定的觸發(fā)點和觸發(fā)條件顯示在變量表

33、中。在STOP模式下修改變量時，因為用戶程序沒有被執(zhí)行，各個變量的狀態(tài)時相互獨立的，相互不會影響。一些數(shù)字量可以任意地置0或置1狀態(tài)，并且有保持的功能。這種通常用來測試數(shù)字量輸出點的硬件是否正常。在RUN模式下修改變量時，各變量受到用戶程序的控制，所以在RUN模式下不能改變數(shù)字量輸入的狀態(tài)，僅取決于外部電路的通斷狀態(tài)。 強制變量可以給用戶程序中的變量賦一個固定的值，這個值不會由于用戶程序的被執(zhí)行而發(fā)生變化。被強制的變量只能讀取，不能用寫訪問來該變其強制值。用菜單命令“變量”“更新監(jiān)視值”打開窗口，被強制的變量和它們的強制值都顯示在窗口中。其中顯示的黑體字表示該變量已被賦予了固定值，普通字表示該

34、變量已在被編輯，灰色字表示該變量不存在。變量的監(jiān)視和修改只能在變量表中進行，而不能在“強制數(shù)值”窗口中進行。第五章 組態(tài)分布式I/O 在常規(guī)自動化系統(tǒng)中，連接傳感器和執(zhí)行器的這些電纜直接連接到中央可編程邏輯控制器的I/O模塊上，這就需要大量的接線。使用分布式I/O模塊，就可以把輸入輸出模塊放到離傳感器和執(zhí)行器較近的地方，從而省了很多接線。本設(shè)計使用PROFIBUS-DP來建立可編程控制器、I/O模塊和現(xiàn)場設(shè)備之間的連接。5.1 STEP7硬件組態(tài)與診斷 硬件組態(tài)工具用于對自動化系統(tǒng)中使用的硬件進行配置和參數(shù)設(shè)置，包括系統(tǒng)組態(tài)，CPU的參數(shù)設(shè)置，模塊的參數(shù)設(shè)置。同時還可以進行通信組態(tài)，包括連接的

35、組態(tài)和顯示，設(shè)置用MPI或PROFIBUS-DP連接的設(shè)備之間的周期性數(shù)據(jù)傳送的的參數(shù)，設(shè)置用于MPI,PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)的診斷為用戶提供自動化系統(tǒng)的狀態(tài)，可以通過瀏覽CPU的數(shù)據(jù)和用戶程序在運行中的故障原因。也可以用圖形方式顯示硬件配置，顯示模塊故障，顯示診斷和緩沖區(qū)的信息等。 在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計前期，首先需確定系統(tǒng)的硬件配置，確定了硬件組成后，需要在STEP7中完成硬件配置。硬件組態(tài)就是在STEP7中生成一個與實際的硬件系統(tǒng)相符的系統(tǒng)。PLC在啟動時，將在STEP7中生成的硬件設(shè)置與實際的硬件相比較，如果發(fā)現(xiàn)不同，將立刻生成錯誤報告。同樣，也可以對以太網(wǎng)，P

36、ROFIBUS-DP和MPI等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和通信參數(shù)進行組態(tài)。 在SIMATIC管理器中雙擊“硬件”圖標(biāo)，如下圖。進入硬件組態(tài)窗口。在UR導(dǎo)軌中放置模塊。圖 5-1雙擊模塊，在對話框中設(shè)置模塊的參數(shù)，包括模塊的屬性和DP主站和從站的參數(shù)。例如打開CPU315-2 DP(1)模塊的參數(shù)設(shè)置如下圖圖 5-2在啟動選項卡中，勾中“如果預(yù)設(shè)值組態(tài)與實際值組態(tài)不匹配則啟動”表示如果一個模塊沒有插在組態(tài)時指定的槽位，或者某個槽插入的不是組態(tài)模塊，CPU也會啟動。除了PROFIBUS-DP接口模塊外，CPU不會檢查I/O組態(tài)。按下保存編譯按鈕并下載到PLC中區(qū)，如下圖圖5-35.2 參數(shù)設(shè)置 （1）CPU

37、模塊參數(shù)的設(shè)置S7-300各種模塊的參數(shù)用STEP7來設(shè)置，雙擊CPU315-2DP模塊，如圖5-2。在“啟動”選項卡中的“監(jiān)視時間”是CPU將參數(shù)傳送給模塊的最大時間，單位為100ms。如果超出了設(shè)置時間，CPU按“如果預(yù)設(shè)置的組態(tài)與實際組態(tài)不匹配則啟動”的設(shè)置進行處理。 “周期/時鐘”選項卡中可以設(shè)置掃描循環(huán)、監(jiān)視時間。如果超過了設(shè)定值，CPU將進入STOP模式?！霸\斷/時鐘”選項卡對系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障進行識別，并作出相應(yīng)的響應(yīng)及保存診斷結(jié)果。為了準(zhǔn)確地記錄故障順序，由系統(tǒng)中的時鐘作出同步調(diào)整?！氨３执鎯ζ鳌庇脕碓O(shè)置從MBO，TO和CO開始的需要斷電保持的存儲器字節(jié)數(shù)，定時器和計數(shù)器的數(shù)量，

38、在掉電或CPU突然由RUN進入STOP模式后，其余內(nèi)容保持不變。還有保護級別的選擇，在“保護”選項卡中，有3個保護級別：級別1沒有口令，在RUN位置只有讀操作；級別2，如果知道口令的用戶可以進行讀寫，但對于不知道口令的人員只能讀訪問；級別3不能讀寫?！叭諘r鐘中斷”選項卡用來產(chǎn)生日期-時間中斷，中斷產(chǎn)生時調(diào)用組織塊OB10OB17,還可以設(shè)置中斷優(yōu)先級。（2）數(shù)字量輸入輸出模塊的參數(shù)設(shè)置在STEP7設(shè)置數(shù)字量輸入輸出模塊的參數(shù)設(shè)置必須在CPU處于STOP模式下進行。設(shè)置參數(shù)完成后，把參數(shù)下載到CPU中區(qū)，雙擊四號機架的“DI32×DC24V”,出現(xiàn)如5-4所示的屬性窗口。在地址中可以設(shè)

39、置模塊的起始字節(jié)地址。用同樣的方法設(shè)置數(shù)字量輸出模塊的參數(shù)。圖 5-4（3）模擬量輸入輸出模塊的參數(shù)設(shè)置 雙擊“AI8×12Bit”,彈出如圖5-5。選擇“輸入”選項卡，在該頁額可以選擇是否“診斷中斷”或“超出限時的硬件中斷”，也可以分別對模塊的每一個通道組選擇允許的任意量程，每兩個通道為一組。本設(shè)計選用TC-I熱電偶，選勾“超出限時硬件中斷”，上限和下限分別為200和20，如圖5-6。圖 5-6圖 5-75.3 組態(tài)DP主站系統(tǒng) 在HW Config中選擇槽2.1的DP主站，菜單命令“插入”“主站系統(tǒng)”，在對話框中使用默認(rèn)地址，在“子網(wǎng)”中選擇“PROFIBUS(1)”，如圖5-8

40、圖 5-8在硬件目錄下查找模塊B-16DI，在該模塊平移到“DP主站系統(tǒng)(1)處，彈出一個對話框，如圖5-9，選擇默認(rèn)地址然后確認(rèn)。圖 5-9 選擇模塊B-16DO，用同樣的方法拖放到“DP主站系統(tǒng)(1)”，使用缺省地址，再將接口模塊IM153拖放到主站系統(tǒng)。選中IM153模塊，單擊4號槽，在硬件目錄下選擇ET-200M,其中的SM321 DI32×DC24V。雙擊該模塊將其插入，如圖5-10，最后保存并編譯該組態(tài)。也可以在SIMATIC Manager中雙擊網(wǎng)絡(luò)“PROFIBUS(1)”打開NetPro窗口。按照上述方法把模塊拖放到PROFIBUS DP，如圖5-11。雙擊任意模塊

41、對其組態(tài)，HW Config窗口被打開。圖 5-10圖 5-11第六章 PLC控制程序設(shè)計6.1 用戶程序的基本結(jié)構(gòu) PLC中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序，操作系統(tǒng)用于實現(xiàn)的功能與特定的控制任務(wù)無關(guān)。比如處理PLC的起動、調(diào)用用戶程序，管理存儲區(qū)和處理通信等。用戶程序在STEP7中生成，然后再下載到CPU，用戶程序包含控制任務(wù)所需的所有功能。 STEP7將用戶編寫的程序和相應(yīng)的數(shù)據(jù)放在塊中。通過塊與塊之間的調(diào)用，和子程序類似，不僅可以簡化程序組織，而且使得程序易于修改，調(diào)試和差錯。也變得更易理解、易維護，增加了PLC程序的組織透明性。Ø 組織塊(OB) 組織塊用于控制掃描循環(huán)和中斷程

42、序的執(zhí)行、PLC的起動等。是操作系統(tǒng)和用戶程序的接口，由操作系統(tǒng)調(diào)用。其中OB1用于循環(huán)處理，是用戶程序中的主程序。操作系統(tǒng)循環(huán)一次就調(diào)用一次組織塊OB1，組織塊可分為啟動組織塊、循環(huán)組織塊的程序組織塊、定期執(zhí)行的程序組織塊、事件驅(qū)動執(zhí)行的程序組織塊,OB1屬于循環(huán)執(zhí)行的程序組織塊，而且就僅此這一個。啟動組織塊有三個：OB100（暖啟動）、OB101(熱啟動)、OB102(熱啟動)。Ø 功能塊(FB)和功能(FC)功能和功能塊是用戶編寫的包含使用的子程序，然后在主程序OB1或其他程序塊中調(diào)用FB。每次調(diào)用功能塊時必需提供各種類型的數(shù)據(jù)給功能塊，功能塊也要返回變量給調(diào)用它的塊。功能(F

43、C)與功能塊(FB)類似，根本區(qū)別在于FB有自己的存儲區(qū)(背景數(shù)據(jù)塊)，而FC則沒有。Ø 數(shù)據(jù)塊(DB)數(shù)據(jù)塊的作用是存放執(zhí)行用戶程序時所需要的數(shù)據(jù)區(qū)域，STEP7按數(shù)據(jù)生成的順序自動地為數(shù)據(jù)塊中的變量分配地址。數(shù)據(jù)塊分為背景數(shù)據(jù)塊(DI)和共享數(shù)據(jù)塊(DB)。背景數(shù)據(jù)塊是調(diào)用FB和SFB時用于傳送參數(shù)的數(shù)據(jù)塊，自動生成數(shù)據(jù)。共享數(shù)據(jù)塊是為用戶程序提供可保存的數(shù)據(jù)區(qū)域，共享DB存儲的是全局?jǐn)?shù)據(jù)，供所有塊共享。Ø 系統(tǒng)功能(SFC)和系統(tǒng)功能塊(SFB)系統(tǒng)功能和系統(tǒng)功能塊是為用戶預(yù)先編寫好程序的塊，它們已經(jīng)固化在S7PLC的CPU中。用戶在程序中可以調(diào)用它們，但不能修改。其中SFB有存儲功能，其變量保存在背景數(shù)據(jù)塊中，而SFC則無存儲區(qū)。6.2 PID溫度控制 STEP7包含了兩個溫度控制器。1、FB59“TCONT_S”(步進控制器)2、FB58“TCONT_CP”,該溫