基于某PLC和组态王的温度控制系统设计

word基于PLC和组态王的温度控制系统的设计目 录第一章系统与工控机的设计与选择1.4 温度变送器选型设计第二章PLC和HMI根底第三章PLC控制系统硬件设计3.2.2S7-200 CPU的选择第四章PLC控制系统软件设计4.2.3STEP7-Micro/WIN参数设置通讯设置4.3.5语句表STL程序第五章基于组态王的HMI设计5.1人机界面HMI设计第六章系统运行结果与分析第七章 总结参考文献摘 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展全面监控，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AbstractProgrammable Logic Controller (PLC) is a kind of automatic control equipment which is widely used in the industrial manufacture. It merges the traditional control technology, puter and munication technologies with a strong ability to control, flexible operation, high reliability and suitable for long-term characteristics of continuous work. It is very suitable for temperature control requirements.In the industrial field, with the rapid increase in the degree of automation, it is more and more important to monitor the process of control system for the users. The emergence of human-machine interface meets the needs of users. Man-machine interface can prehensively monitor the control system, including process monitoring, alarm, data logging and other functions, so that the control systems have bee user-friendly operation, the process of visualization and it will play more and more important part in the field of automatic control.This essay mainly introduces a design of temperature control system with SIMATIC programmable logic controller (PLC) and configuration software Kingview which is developed by Beijing Yakong pany. When programming, we use the PID control arithmetic software module which is contained in the program software STEP 7 -Micro WIN so that the program looks easier and operates more quickly. In order to monitor the control system and process data in actual time, we designed Human Machine InterfaceHMIwith the configuration software Kingview. The result of experiment proves that this temperature control system could run quickly, accurately and have good stability, which is the advantage of the control system. This control system has been widely used in the industrial temperature control field. With the continuous development of automatic science and technology, high-precision, intelligent, user-friendly temperature control system is the inevitable trend of development at home and abroad.Keywords: Temperature Control PLC HMI Kingview第一章 系统与工控机的设计与选择1.1.1系统整体设计原理要实现计算机控制，外部的设备检测机构和执行机构都是采用的模拟量信号，但是计算机不能识别模拟量信号，只能识别是数字量信号，所以要实现计算机控制必须实现模拟量信号到数字量转换和数字信号到模拟量信号的转换3。因此，根据设计要求，本设计以IPC板卡为核心，外加研华610H工业控制计算机、Pt100温度传感器、SBWZ温度变送器等其它外围设备搭建硬件线路构成一个单闭环温度控制系统；用工业控制计算机作控制器，通过IPC板卡的温度采集、模数转换和功放输出，搭建用数据采集板卡进展现场温度数据采集和用功放输出板卡进展输出控制的硬件线路，用工控机的组态软件编写板卡温度量采集与监控程序并设计PID控制算法，并用组态软件编制组态界面实现温度的显示控制，可以实时监测当前温度，并进展温度的实时控制，实现在0-100温度X围内控制精度为的温度控制。工控机IPC5373低压继电器接触器加热器锅炉PT100温度变送器接线端子A/D转换PCL818L系统具体组建方案：电加热锅炉中水的当前温度经过Pt100热电阻测量后得到对应电阻值变化，传送到SBWZ温度变送器，得到4-20mA的电流信号，经串联一个250的电阻，得到1-5V模拟电压信号，通过研华的PCL-818L板卡的A/D转换，将采集外部温度传感器和变送装置测量现场得到的电压信号转换为计算机可识别的数字量信号，送入计算机，本设计用VB来读取这个数字量信号。为达到预期目标温度，选择控制算法，用组态软件自带的控制模块编写一个数字PID程序，对系统进展PID参数的调节，寻找最好的适合系统的最优的PID参数的值。实现对输入的信号的分析处理，然后通过组态王控制算法PID算法程序进展运算调整，得出PID控制器的输出值，经康拓IPC5373板卡的D/A转换，将数字量信号转换成低压继电器可识别的开关量信号，输出控制中间继电器。中间继电器为接触器给定控制信号，接触器的通断如此执行了对加热过程的控制，实现控制继电器的接通与断开时间，进而控制电加热锅炉的接通与断开来达到控制水温的目的，从而实现对锅炉温度的实时控制。如图1所示为计算机温度监控系统的原理框图。图1 计算机温度监控系统原理框图根据控制要求，温度单回路控制系统的控制参数是电加热锅炉中水的温度，课题设计要某某现的目标是电加热锅炉中水的温度达到设定值。在这里以研华610H工业控制计算机作为控制器，Pt100热电阻作为温度传感器，SBWZ温度变送器，PCL-818L板卡和IPC5373板卡分别作为信号输入和控制输出单元，完成系统的A/D和D/A转换，电磁低压继电器、交流接触器作为执行器，电加热丝为被控对象4。1.1.2系统设计过程流程图在系统设计过程中，首先应考虑控制任务中需要解决或重点探究的地方，根据任务需求，选择系统设计中需要的硬件和软件。在外围硬件电路搭建完成之后，根据硬件编写适宜的控制程序。然后就可以进入到调试环节，调试，修改，调试，修改。从而达到所需要的控制效果。在本次系统设计中，评估控制任务的目的是为了考虑现场实际应用和控制要求、任务，从而确定系统设计的最后可行性方案。在方案设计完成以后，就需要选用一定的硬件和软件了，硬件是系统的肉体，软件是系统的灵魂，两者结合才会是一个完美的系统设计。在硬件中，对各局部的选型，对硬件的学习、了解等都是前期必须要掌握的内容，掌握好每个局部，才能够将局部联系成整体。将整体系统连接起来以后，开始联机调试，发现未处理、未考虑到的问题与时的处理，那么这套系统就可以完成了。系统设计图如图2所示。1.2系统硬件各局部选型1.2.1板卡选型设计板卡在系统设计中的作用就是信号处理，即模拟量到数字量的转换，数字量到模拟量的转换。为了能够满足设计要求，顺利地完本钱次设计，查阅了相关的资料，结合对市场上的主流板卡品牌的了解，再综合考虑到学校实验室的具体情况，在此设计中，模拟量到数字量的转换即为A/D转换，本次设计所选用的数据采集输入板卡为研华PCL-818L A/D板卡，数字量到模拟量的转换即为D/A转换，本次设计所选用的数据输出板卡为康拓IPC5373板卡。1.2.1.1 模拟量输入通道的板卡设计模拟量输入通道主要的设备就是数据采集输入板卡为研华PCL-818L A/D板卡，它的主要功能是实现模拟量到数字量的一个A/D转换。研华PCL818L A/D板卡主要技术规格5如下：12位A/D 分辨率。最高可达100kS /s的采样率。16通道单端或8通道差分输入。单极性或双极性模拟量输入X围。双极模拟输入X围。可编程的增益设置：0.5，1，2，4，8。输入X围：10V、5V、2.5V、1.25V、0.625V、0-10V、0-5V、0-2.5V。自动模拟输入扫描；模拟输入支持DMA传输方式。2通道12位多路切换模拟输出，1通道16位通用定时/计数器。16通道TTL数字输入和16通道TTL数字输出。PCL-818L是PCL-818系列中的入门级板卡。该板卡可以供要求低价位的用户使用。除了采样速率为40KHz，以与只能承受双极性输入外，其他功能和PCL-818HD和PCL-818HG完全一样。这样无需更改硬件或软件，就可以将应用升级到高性能的数据采集卡。PCL-818L 具备所有数据采集卡的功能，例如，A/D 、D/A 转换、DIO 和定时/计数器，本卡的高规格使其在需要高速采集的情况下得到广泛应用。 PCL-818L 为低电平输入(例如，热耦合信号测量)提供专门的高增益可编程仪表放大器。PCL-818L 板卡在全部增益下最高可达到100kS /s 高速采样率。PCL-818L 具有16 路单端输入和双极性输出，PCL-818L 具有2 路12 位双缓冲模拟输出，16 路数字输入和16 路数字输出，1 个通用定时/计数器。板卡完整详细原理与规格请参见研华PCL-818系列板卡中文手册。1.2.1.2 数字量输出通道的板卡设计数字量输出通道主要的设备就是康拓IPC5373 32路光隔开关量功放输出板卡，它的主要功能是实现数字量到模拟量的一个D/A转换。IPC5373板是一种带光电耦合器件的开关量输出板，它可以实现PC总线与被测工业设备或数字仪器之间完全的电隔离，以消除公共地线和电源的干扰。从而使工业设备和微机系统可靠工作。此外，它还具有较强的输出驱动能力和电平转换能力。可直接驱动继电器、电磁阀等。其主要技术规格6如下：PC总线与用户接口设备之间实现完全的电隔离，隔离电压2500Vrms。32个开关量输出，占用4个连续口地址：154H-157H。各输出信号具有锁存功能，上电复位清零。采用达林顿管功放集电极开路输出，负载电源540V，驱动电流单路最大200mA，每片达林顿管负载电流最大500mA，可直接驱动继电器、电磁阀等。用户接口为40芯扁平电缆插座IPC5373或37芯D型连接器IPC5373D，IPC5373D板上带DC/DC，不用外接电源。详细功能以与电路原理请参见IPC5373使用说明书。1.2.2工控机的选型设计工控机就是工业控制用电脑，其主要是指用在是专供工业界使用的个人电脑，可作为工业控制器使用。工业电脑根本性能与相容性与同样规格的商用个人电脑相差无几，但是工业电脑更多的防护措施，注重的部份在不同环境下的稳定，如防尘、防水、防静电等。工业用电脑并不要求当前最高效能，只求达到符合系统的要求，需符合工业环境中的可靠性要求与稳定，否如此用于生产线万一遇到电脑当机，如此可能造成严重损失，因此工业用电脑所要求的标准值都有要求符合严格的规X与扩大性。结合本次设计和学校实验室的具体情况，本次设计所选用的安装配合所选用的板卡的计算机为研华610H工控机与其配套设备。其主要技术规格如下：4U高度，支持14槽背板。配置300WATX PFC PS/2电源。前端可安装3个半高磁盘驱动器，一个3.5FDD 和一个3.5磁盘驱动器。前置USB / PS2 接口。前置系统状态监测模块。能抗冲击，振荡，并且能在高温下稳定工作。支持ATX 母板和400W PFC电源。IPC的其他配件根本上都与PC机兼容，主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。在此设计中，值得注意的是实验室工控机的开关按钮也许是组装过或者维修过，不是只按下拨动开关就行了，而是按下“1之后，还需要拨动它弹起来回到“0处，才能正常的开机。1.3传感器Pt100的选型设计传感器英文名称：transducer/sensor是一种检测装置设备，它能感受到被测量的信息信号，并能将检测感受到的信息信号，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。在此次系统设计中，我们的被测量是温度信号，即锅炉内的水温，为此考虑设计条件，我们选择较为成熟的Pt100。Pt100为铂热电阻。它的阻值会随着温度变化而变化，且成正比关系。Pt100的阻值与温度的变化关系为：当Pt100温度为0度时，它的阻值为100欧姆，在100度时它的阻值为138.5欧姆。它的工作原理是：当Pt100在0度的时候，它的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而匀速增长。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用下面这个近似的关系式来表示：Rt=Rt01+at-t0。式子中，Rt为温度t时的阻值，Rt0为温度t0时对应的电阻值，a为温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为：Rt=Aet/t。式子中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。相比拟而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高通常在数千欧以上，但互换性较差，非线性严重，测温X围只有-50300左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200500X围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。热电阻实物如图6所示。工业上常用金属热电阻从电阻随温度的变化来看，大局部金属导体都有这个性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大在同样灵敏度下减小传感器的尺寸、在使用的温度X围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系最好呈线性关系。1.4 温度变送器选型设计变送器transmitter是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号或将传感器输入的非电量转换成工业用标准的电信号，同时放大以便供远方测量和控制的信号源的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。SBWZ系列温度变送器是一种小型、高精度的测温仪表。与现场传感器连在一起构成测温回路。它采用二线制传送方式两根导线作为电源输入，同时作为信号输出的公用传输线，将热电阻的信号变换成线性的4-20mA输出的电流信号。温度变送器作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油、化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以与科研等工业部门。其应用特点如下：采用密封结构，因此耐震，耐湿，适合恶劣现场环境中安装使用。输出4-20mA，补偿导线费用低，信号长距离传送过程中的抗干扰能力强。变送器具有输入端开路指示功能。精度高、功耗低，使用环境温度X围宽，工作稳定可靠。温度变送器技术参数如下表1所示。表1 温度变送器参数规格参数工作制式4-20ma输出两线制或三线制精度等级0.1%FS、 0.2%FS、0.5%FS。工作电压DC24V1V量程X围-50-50；0-50;0-100;0-150;0-200; 0-300;0-600工作环境温度:-085,湿度:095%RH负载能力500.外形尺寸45mm41mm1调试步骤:在左边输入端接入标准电阻箱如ZX38/11型和ZX-25a型，其中上两路为电阻箱的公共端，在输出端串接上标准电流表和 24VDC稳压电源。改变信号源发生器(电阻箱)，使之等于量程的下限对应阻值，调整调零电位器，使电流表的读数为 4mA，改变信号源，使之等于量程的上限对应阻值，调整调满电位器，使电流表的读数为 20mA即可。例：输入型号为 Pt100，量程为 0100的温度变送器标定，正确接线后，电阻箱输出阻值 100即铂热电阻在 100时对应的电阻值，调整调满电位器，使电流表的读数为 20mA。2应用说明：PT100为热电阻传感器，采集到的电流信号给SBWZ温度变送器，进而转换为标准的4-20ma电流信号，然而PCL818L的模拟量输入通道接收的是电压信号，所以需要在其输出端并联上一个250的电阻，转换为1-5V电压信号。1.5其它硬件设备选型1.5.1 外部接线端子为配合各部件的整体互联，本次设计所选用的连接现场仪表变送器与数据采集输入板卡的接线端子为研华PCLD8115接线端子，其主要作用就是为了方便与数据采集输入板卡之间的接线，在温度变送器与输入板卡之间架起一道桥梁。其主要技术规格如下：工业接线端子板；用于818L/ 818HG/ 1800等；支持PCL-818系列多功能数据采集控制卡；易于安装的DIN导轨安装外壳；低本钱螺丝端子板；能在恶劣环境中可靠连接的工业端子板。为了完善系统功能，完成外围控制硬件电路的完整搭建，还选用了以下元器件：低压中间继电器24V、交流接触器220V、小型加热锅炉、按钮开关、信号指示灯220V、空气开关、导线假如干、接线端子排和电源排插。1.5.2 继电器根据设计的要求，在选用继电器时主要考虑工作条件以与安装使用方便还有工作稳定性，加热丝功率是1500W，最大工作电流I=6.8A，因此选用HH52P型小型继电器，HH52P系列小型继电器，配套底座PYF08A,适用于交流50Hz或60Hz，可承受电流AC：7A,DC：5A，符合锅炉加热丝的负载要求，线圈的承受电压AC：6380V，DC：5220V，供电子设备、通讯设备、电子计算机控制设备、自动化控制装置等动作切换电路与扩大控制X围使用。其规格品种属于基型、磁保持性、带指示灯、带浪涌抑制；电寿命：50万次；安装方式：插拔式；特点：体积小、容量大、寿命长。底部有八个引脚，分别为1、2、3、4、5、6、7、8，说明如下：7、8为线圈 1、3、5是一组触头，5是公共点，5与1为常闭，5与3为常开 ，2、4、6为一组触头，6是公共点，6与2为常闭，6与4为常开，当7、8得到线圈额定电压后，5、3闭合5、1断开；同时6、4闭合，6、2断开，失电后恢复原状。1.5.3 交流接触器根据设计选用的加热丝功率为1500W，电压为220V，正常工作电流I=6.8A，没有特殊要求，所以接触器就可以选用使用广泛的、购置方便的、价格较低的CJ20-10型交流接触器。CJ20-10交流接触器以下简称接触器适用于50Hz，最大电压至660V电流至63A的电力系统中接通与分断电路，还可用于与适当的热继电器或电子式保护装置组合成电机起动器以保护可能发生过载的电路。进线接1/L1 3/L2 5/L3 7/L4 三相四线制，出线接2/T1 4/T2 6/T3 8/T4三相四线制，如果只接三相可以只用前三对触头；11、12和41、42是两对常闭触头，接联锁电路和停机指示的；23 24和33 34是两对常开触头，接自锁电路和运行指示的。额定绝缘电压660V，额定工作电压220V；380V,约定发热电流10A，接380V的三相交流电时额定工作电流10A，机械寿命1000万次，在380V工作电压下电寿命100万次，在380V工作电压下操作频率1200次/时，接线能力截面积为1.5 的铜导线。和HMI根底 可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLCProgrammable 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。可编程控制器根底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、编程难度大以与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。从此这项技术迅速开展起来。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、环保与文化娱乐等各个行业。PLC的应用X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。PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上根本一样。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接口单元与扩展接口和扩展部件、外设接口与外设和电源等局部组成，各局部之间通过系统总线连接。PLC的根本结构如图2-1所示：输入接口中央处理单元CPU输出接口主程序存储单元图2-1 PLC根本结构图1 CPU中央处理器 CPU是PLC的核心，由运算器、控制器、存放器、系统总线，外围芯片、总线接口与有关电路构成。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，并存入规定的存放器中，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，对用户程序进展编译。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，并存入指定的存放器中。6按程序进展处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据存放器的内容。7根据输出状态或数据存放器的有关内容，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点数确定模块规格与数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的根本配置能力的限制，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与数据，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局部。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。目前如此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与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。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。根底随着社会的进步，工业自动化技术迅猛开展，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。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,由硬件和软件两局部组成。人机界面产品由硬件和软件两局部组成，硬件局部包括处理器、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产品的性能上下，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软件分为两局部，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。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完毕时打印输出生产数据8。第二章 PLC控制系统硬件设计 在掌握了PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以与编程环境后，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、外部电路设计以与PLC控制器的设计和参数的整定。2.1 PLC控制系统设计的根本原如此和步骤弄懂PLC的根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控制局部的设计都可以参考图3-1所示的步骤。2.1.1 PLC控制系统设计的根本原如此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，设计原如此往往会涉与很多方面，其中最根本的设计原如此可以归纳为4点。1. 设计原如此 (1)完整性原如此。最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。 (2)可靠性原如此。确保计算机控制系统的可靠性。 (3)经济型原如此。力求控制系统简单、实用、合理。(4)开展性原如此。适当考虑生产开展和工艺改良的需要，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与特点进展详细分析，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 假如数据处理程度较低，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与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2.1.2 PLC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步进展。 1. 熟悉被控对象 深入了解被控系统是设计控制系统的根底。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，对对象的各种动作与动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液压、气动与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;系统的工作方式与人机界面，需要显示的物理量与显示方式等。 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、转换开关与各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯与其它执行器等。(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。在进展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、名称与功能等。(4) 绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它局部的电气线路图，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、定时器与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，采用适宜的设计方法来设计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，防止系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进展清零，对某些数据区所需数据进展恢复，对某些继电器进展置位或复位，对某些初始状态进展显示等等。 (2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计根本完成时再添加。 (3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的局部，必须认真加以考虑。它可以防止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。当控制台与现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进展现场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，与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程序以与使用说明书等10。2.2 PLC的选型与硬件配置2.2.1 PLC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展数字量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。2.2.2 S7-200 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与以上机种。2.2.3 EM231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中进展处理。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(80mVX围)，所有连到模块上的热电偶必须是一样类型，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开关进展组态： 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用于选择是否进展断线检测，SW7用于选择测量单位，SW8用于选择是否进展冷端补偿。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 80mm62mm 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10mADIP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X围。所有的输入设置成一样的模拟量输入X围。表中，ON为接通，OFF为断开。表3-2 EM231选择模拟量输入X围的开关表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10VONOFF0到5V0到20mA5uA双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON5VONOFF2.2.4 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，其测温X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，另外其本钱也不算高12。2.3 I/O点分配与电气连接图输入触点功能说明输出触点功能说明启动按钮运行指示灯绿停止按钮停止指示灯红固态继电器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)系统整体设计方案与硬件连接图。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中进展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。机PLCEM231模块固态继电器热电偶烤炉 图3-4 系统框架图2.4 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与设计要求，确定控制器的结构以与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。2.4.1 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，与设定温度值进展比拟，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法进展修正，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3-5所示，方框图如图3-6所示。PLC控制器固态继电器烤炉温度模块热电偶图3-5 控制系统结构图Gc(s)Go(s) R(s) + E(s) U(s) Y(s) _ 图3-6 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。 3-2由阶跃响应法求得， =0.5；=2.5分钟；=1.2分钟。2.4.2 PID控制与参数整定比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最根本的控制规律，具有反响速度快，控制与时，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，否如此积分控制就不可能想比例控制那样与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，从而难以对干扰进展与时且有效的控制。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，从而可以与时克制干扰的影响，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。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，还需要进展控制器的参数整定。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被控对象的数学模型的根底上，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，来求得最优的整定参数。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展整定，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、反响曲线法、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。它不需要进展事先的计算和实验，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，通过观察人为参加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，进展反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。由于比例作用是最根本的控制作用，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，即寻找适宜的比例度，将人为参加干扰后的过渡过程调整为4：1的衰减振荡过程。然后再参加积分( I )作用，一般先取积分时间T1为衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧，在参加的积分作用之前，要先衰减比例作用，通常把比例度增大10%-20%。调整积分时间的大小，直到出现4：1的衰减振荡。需要时，最后参加微分D作用，即从零开始，逐渐加大微分时间Td，由于微分作用能抑制振荡，在参加微分作用之前，可以把积分时间也缩短一些。通过微分时间的凑试，使过渡时间最短，超调量最小。2先根据表选取积分时间Ti和Td，通常取Td=(1/3-1/4)Ti，然后比照例度进展反复凑试，直至得到满意的结果。如果开始时Ti和Td设置的不适宜，如