PLC温度控制系统论文.doc

1、摘 要传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术,由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制,使控制系统的体积增大,耗电多,效率不高且易出故障,不能保证正常的工业生产。 随着计算机控制技术的发展 ,传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的 PLC 控制技术所取代。 而 PLC 本身优异的性能使基于 PLC 控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有相当的意义。在以 PLC 控制为核心，加热炉为基础的温度自动控制系统中，PLC 将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差经 PID 运算后得到的信号控制输出电压的大小，从而调节加热器加热，实现

2、温度自动控制的目的。文章介绍了基于 S7-200 温度控制系统的 PID 调节器的实现。关键词：PLC 温度控制 PID 调节器 S7-200 温度传感器目录1 温度控制对象 11.1 功能特点与技术参数 11.2 控制手段 12 方案设计 02.1 现场总线概述 02.2 WinCC+S7-200 温度控制系统的硬件组成 33 WinCC+S7-200 温度控制系统的软件配置 53.4 WinCC+S7-200 温度控制系统的网络结构 63.5 温度控制算法 84 S7-200 PLC控制程序的设计 134.1 控制程序的组成 134.2 温度采集程序设计 134.3 数字滤波程序设计 14

3、4.4 PID 控制程序设计 165 WinCC组态 175.1 变量组态 175.2 画面组态 175.3 变量连接 186 程序调试 206.1 PLC 调试方法与结果 206.2 WinCC 调试方法与结果 207 PID参数的整定 217.1 整定方法 217.2 整定结果及分析 228 技术小结 23参考文献 24附录 I1 温度控制对象温度控制对象，在工业控制过程中，是相当重要的控制对象，因为温度直接的影响到了燃烧、化学反应、发酵、烘烤、蒸馏、浓度，结晶以及空气流动等物理的和化学的变化过程。温度控制的不好很有可能引起严重的安全事故，产品质量和产量等一系列的问题。温度控制是许多设备的

4、重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。1.1 功能特点与技术参数实践证明温度对象的特点是:时间常数大，滞后现象严重，反应在控制系统上，就是被控温度的变化滞后于调节器的输出。我们知道热量的传递是需要一定时间的，温度上升的快慢与其热容量的大小有关，通常温度的上升与下降和时间的关系是一个指数曲线关系。而产生滞后则与热量的传递过程有关，再者测温元件也有一定的惯性，这些都会产生滞后现象。本次设计选用的是 TKPLC2 型温

5、度控制器，该温度控制器同样的具有滞后大和惯性大的特点。该加热器用的是 0V 到 5V 的电压加热，1.2 控制手段通过以上的分析，系统的总的滞后时间比较大，升温的滞后时间相对降温来说是比较小的。因此，在 PID 调节中，要使系统的品质变好，除了加入适当的积分以消除静态误差外，还应该加强比例作用使调节更加灵敏，减小调节时间，同时还应该加入适当的微分作用，使系统的超调量减小。12 方案设计主要是通过实验的需要选择硬件。然后将选择的硬件组成控制系统，根据任务的要求选择西门子的 S7-200 的 PLC，TKPLC-2 型加热炉等硬件，硬件选择完成后，跟据所选择的硬件选择合适的软件进行程序设计，只有拥

6、有完整的硬件和软件的系统才能所需要的功能。下面就仔细的介绍在设计中运用到的硬件和软件。2.1 现场总线概述目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的 FIP，英国的 ERA，德国西门子公司 Siemens 的 ProfiBus，挪威的 FINT，Echelon 公司的LONWorks，PhenixContact 公司的 InterBus，RoberBosch 公司的CAN，Rosemounr 公司的 HART，CarloGarazzi 公司的 Dupline，丹麦 ProcessData公司的 P-net，PeterHans 公司的 F-Mux，以及 ASI（ActraturSensorI

7、nterface） 、MODBus、SDS、Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation、WorldFIP、BitBus，美国的 DeviceNet 与 ControlNet等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有 80左右的市场。下面仔细的介绍九种比较常用的现场总线。2.1.1 基金会现场总线这是以美国 Fisher-Rousemount 公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等 80 家公司制定的 ISP 协议和以 Honeywell 公司为首的联合欧洲等地 150

8、余家公司制定的 WorldFIP 协议于 1994 年 9 月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。基金会现场总线采用国际标准化组织 ISO 的开放化系统互联 OSI 的简化模型（1，2，7 层） ，即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF 分低速 H1 和高速 H2 两种通信速率，前者传输速率为 31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为 1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为 750m 和 500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号 IEC1158-2 标准。FF 的物理媒介的传输信

9、号采用曼切斯特编码。2.1.2 LonWorks总线它由美国 Echelon 公司推出，并由 Motorola、Toshiba 公司共同倡导。它采用 ISO/OSI 模型的全部 7 层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从 300bit/s 至 1.5M/s 不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/s） ，被誉为通用控制网络。Lonworks 技术采用的 LonTalk 协议被封装到 Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用 Lonworks 技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼

10、宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交2通运输、工业过程控制等行业。2.1.3 Profibus总线Profibus 是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由 PROFIBUS-DP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA 系列组成。DP 用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA 用于过程自动化的总线类型，服从 IEC11582 标准。PROFIBUS 支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS 的传输速率为 9.6Kbit/s 至 12Mb

11、it/s，最大传输距离在 9.6Kbit/s 下为 1200m，在 12Mbit/s 小为 200m，可采用中继器延长至 10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接 127 个站点。2.1.4 CAN总线最早由德国 BOSCH 公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO 国际标准组织制定为国际标准，得到了 Intel、Motorola、NEC 等公司的支持。CAN 协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN 的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN 支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达

12、 10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达 40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达 110 个。目前已有多家公司开发了符合 CAN 协议的通信芯片。2.1.5 HART总线HART 是 Highway Addressable Remote Transducer 的缩写，最早由Rosemount 公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。HART 能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由

13、手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。2.1.6 CC-Link总线CC-Link 是 Control&Communication Link（控制与通信链路系统）的缩写，在 1996 年 11 月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同是以 10Mbit/s 高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link 是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005 年 7 月 CC-Link

14、 被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。32.1.7 WordFIP总线WorkdFIP 的北美部分与 ISP 合并为 FF 以后，WorldFIP 的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位，特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP 的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求，而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP 与FFHSE 可以实现“透明联接” ，并对 FF 的 H1 进行了技术拓展，如速率等。在与IEC61158 第一类型的连接方面，WorldFIP 做得最好，走在世界前列。2.1.8 INTE

15、RBUS总线INTERBUS 是德国 Phoenix 公司推出的较早的现场总线，2000 年 2 月成为国际标准 IEC61158。INTERBUS 采用国际标准化组织 ISO 的开放化系统互联 OSI 的简化模型（1，2，7 层） ，即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性；该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。INTERBUS 广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业，成为国际现场总线的领先者。2.1.9 DeviceNet总线DeviceNet 是一种

16、低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet 具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet 基于 CAN 技术，传输率为 125Kbit/s至 500Kbit/s,每个网络的最大节点为 64 个，其通信模式为：生产者/客户（Producer/Consumer） ，采用多信道广播信息发送方式。位于 DeviceNet 网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet 总线的组织结构是 Open DeviceNet Vendor Association（开放

17、式设备网络供应商协会，简称“ODVA” ） 。 12.1.10 PPI总线本次设计使用的是西门子的 PPI 总线，PPI（ 点对点接口） 是一种专为SIMATIC S7-200 而开发的集成接口。PPI 网络通常连接 S7-200 设备。然而，其它 SIMATIC S7 控制器（例如 S7-300 和 S7-400）或操作员面板均可与 PPI 网络中的 S7-200 进行通讯。PPI 是一种主站-从站协议，通过该协议主站设备可向从站设备发送请求。从站设备并不启动消息，而是一直等到主站设备发送请求或轮询响应。通讯将通过常用的 PPI 连接来执行。主站设备包括：带有 STEP7Micro/WIN

18、的编程设备 HMI设备（触摸面板、文本显示或操作员面板） ，从站设备包括：S7-200CPU 扩展机架（例如 EM277）也可以通过编程将 S7-200CPU 作为 PPI 主站来激活。PPI 基于 PROFIBUS 标准（IEC61158 和 EN50170） ，并支持以下总线拓扑：总4线型星型使用 PPI，可以建立最多包括 32 个主站的多主站网络：可以与任何从站进行通讯的主站数量不受限制。可以为主站分配从站。可以使用 RS-485 中继器扩展 PPI 网络。还可以将调制解调器连接至 PPI 网络。可以为 PPI 建立多种组态：单主站 PPI 网络、多主站 PPI 网络、复杂 PPI 网络

19、、带有 S7-300 或 S7-400 的PPI 网络。2.2 WinCC+S7-200温度控制系统的硬件组成温度控制系统的主要硬件组成：带有 WinCC 和有 STEP7Micro/WIN 软件的计算机、PLC、PPI 数据线、TKPLC-2 型加热炉。下面是本次系统的硬件组成图，如图 2.2.1 所示。上位机 PLCS7-200TKPLC-2 型加热炉图 2.2.1 系统硬件图TKPLC-2 型加热炉，集成了加热炉驱动模块和加热炉变送器。这样使硬件系统的组成更简单、更容易。该系统是通过简单的闭环控制系统实现的。由 PLC 控制的加热炉温度控制系统构成如图 2.2.2 所示，系统工作过程：一

20、是给定值（0100）通过键盘输入 PLC 主机，再由 PLC 主机传递给数字量输出模块，控制固态继电器的开关状态，从而控制电阻炉的加热情况；二是通过温度检测装置热电偶检测到的变换为电流信号的炉温值通过模拟量输入模块读入 PLC 主机，由PLC 主机内部 PID 的程序与温度给定值相比较，对数字量输出模块进行下一度的控制。其中 PLC 是整个系统的主控核心。PLC 主机计算机PID 调节 执行机构温度检测装置图 2.2.2 电阻炉温度控制系统图实际温度电阻炉2.2.1 S7-200PLC的选型S7-200 系列 PLC 是 SIEMENS 公司新推出的一种小型 PLC。它以紧凑的结构、良好的扩展

21、性、强大的指令功能、低廉的价格，已经成为当代各种小型控制工程的理想控制器。S7-200PLC 包含了一个单独的 S7-200CPU 和各种可选择的扩展模5块，可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点上到几百点。S7-200PLC 可以方便地组成 PLC-PLC 网络和微机-PLC 网络，从而完成规模更大的工程。S7-200 的编程软件 STEP7-Micro/WIN32 可以方便地在 Windows 环境下对PLC 编程、调试、监控，使得 PLC 的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200 可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。S7-200 有四种 CPU，其性能差异很大。这

22、些性能直接影响到 PLC 的控制规模和 PLC 系统的配置。目前 S7-200 系列 PLC 主要有 CPU221、CPU222、CPU224 和 CPU226 四种。档次最低的是 CPU221，其数字量输入点数有 6 点，数字量输出点数有 4 点，是控制规模最小的 PLC。档次最高的应属 CPU226，CPU226 集成了 24 点输入16 点输出，共有 40 个数字量 I/O。可连接七个扩展模块，最大扩展至 248 点数字量 I/O 点或35 路模拟量 I/O。本次设计选用的是 CPU226。开关量 I/O 扩展模块当 CPU 的 I/0 点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行 I

23、/O 扩展,I/O 扩展包括 I/O 点数的扩展和功能模块的扩展。通常开关量I/O 模块产品分 3 种类型:输入模块,输出模块以及输入/输出模块。为了保证 PLC的工作可靠性,在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。如光电隔离,输入保护(浪涌吸收器,旁路二极管,限流电阻),高频滤波,输入数据缓冲器等。由于 PLC要控制的对象有多种,因此输出模块也应根据负载进行选择,有直流输出块,交流输出模块和交直流输出模块。按照输出开关器件种类不同又分为 3 种：继电器输出型,晶体管输出型和双向晶闸管输出型。这三种输出方式中,从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中；若从与外部

24、电路安全隔离角度看,继电器输出型最好。在实际使用时，亦应仔细查看开关量 I/O 模块的技术特性，按照实际情况进行选择。在 S7-200 中，单极性模拟量的输入/输出信号的数值范围是 0-32000，双极性模拟信号的数值范围是-32000- +320002。2.2.2 加热炉的选型本次实验选用的加热炉为 TKPLC-2 型。这种加热炉集成有驱动模块和温度变送器使用简单，只需将输入端和输出端分别接到 PLC 的输出模块和输入模块就可以了。免去了硬件设计的麻烦。TKPLC-2 型加热炉，也具有惯性大，滞后大的特点，在实际控制过程的过程中会比较麻烦，而且该加热炉是靠周边环境自然降温，所以降温过程比较长

25、。不过通过改良 PID 调节的参数，能勉强控制好加热炉的温度，使得稳态误差和动态误差都能达到任务的要求。63 WinCC+S7-200温度控制系统的软件配置本次设计使用的软件 STEP7-Micro/WIN32 和 WinCC 以及 PC access，通过STEP7-Micro/WIN32 编写 PLC 的程序，通过 Wincc 的组态实现对控制过程的控制和监视。PLC 与 WinCC 之间通过 PPI 总线实现通信，实时的监控加热炉的工作状态。3.1 STEP7-Micro/WIN32的介绍STEP7-Micro/WIN32 是西门子公司专为 SIMATIC S7-200 系列可编程序控制

26、器研制开发的编程软件，它是基于 Windows 的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。STEP7-Micro/WIN32 编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能：1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。在脱机方式时，计算机与 PLC 断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的 PLC 直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。3）在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一

27、些语法错误和数据类型方面的错误。经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。5）设置 PLC 的工作方式、参数和运行监控等。3.2 WinCC的介绍西门子公司的 WinCC 是 WlndowsControIConter(视窗控制中心)的简称。 它集成了 SCADA、组态、脚本(Script)语言和 OPC 等先进技术，为用户提供了Windows 操作系统(W1ndows2000 或 XP)环境下使用各种通用软件的功能。WinCC继承了西门子公司的全集成自动化(TIA)产品的技术先进和无缝集

28、成的特点。WinCC 运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。WinCC 的另一个特点在于其整体开放性，它可以方便地与各种软件和用户7程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。用户也可将 WinCC 作为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。3.3 PC ACC

29、ESS的介绍西门子最新推出的 PC Access 软件是专用于 S7-200 PLC 的 OPC Server（服务器）软件，它向 OPC 客户端提供数据信息，可以与任何标准的 OPC Client（客户端）通讯。PC Access 软件自带 OPC 客户测试端，用户可以方便的检测其项目的通讯及配置的正确性。OPC 作为一种工业标准，提供了工业环境中信息交换的统一标准软件接口，数据用户不用再为不同厂家的数据源开发驱动或服务程序。OPC 将数据来源提供的数据以标准方式传输至任何客户机应用程序。OPC（用于进程控制的 OLE）是一种开放式系统接口标准，可允许在自动化/PLC 应用、现场设备和基于

30、PC 的应用程序（例如 HMI 或办公室应用程序）之间进行简单的标准化数据交换。 定义工业环境中各种不同应用程序的信息交换，它工作于应用程序的下方。您可以在 PC机上监控、调用和处理可编程控制器的数据和事件。PC Access 可以用于连接西门子，或者第三方的支持 OPC 技术的上位软件。PC Access 可以通过如下硬件连接与 S7-200 通讯：通过 PC/PPI 电缆（USB/PPI 电缆）连接 PC 机上的 USB 口和 S7-200、通过 PC/PPI 电缆（RS-232/PPI 电缆）连接 PC 机上的串行 COM 口和 S7-200、通过西门子通讯处理器（CP）卡和 MPI 电

31、缆连接 S7-200、通过 PC 机上安装的调制解调器（Modem）连接 S7-200 上的 EM241 模块、通过以太网连接 S7-200 上的 CP243-1 或 CP243-1 IT 模块，上述 S7-200 的通讯口可以是 CPU 通讯口，也可以是 EM277 的通讯口。PC Access 所支持的协议：PPI（通过 RS-232PPI 和 USB/PPI 电缆） 、MPI（通过相关的 CP 卡） 、Profibus-DP（通过 CP 卡） 、S7 协议（以太网） 、Modems（内部的或外部的，使用 TAPI 驱动器） 。所有协议允许同时有 8 个 PLC 连接，一个 PLC 通讯口

32、允许有 4 个 PC 机的连接，其中一个连接预留给Micro/WIN，PC Access 与 Micro/WIN 可以同时访问 CPU，支持 S7-200 所有内存数据类型。3.4 WinCC+S7-200温度控制系统的网络结构WinCC 和 S7-200 的网络连接，只要是通过 RS232 或 USB 接口进行数据传输。数据传输速率在 1.2 kbps 至 115.2 kbps 之间。WinCC 和 S7-200 的网络连接是点对点的连接，遵循 PPI 的通信协议，网络结构主要有 3 种：单主站 PPI 网络、多主站 PPI 网络、复杂 PPI 网络。下面就将各种网络结构进行详细的介绍。3.4.1 单主站 PPI网络通常，单主站 PPI 网络由以下组件组成：带有 STEP7-Micro/WIN 的编程设备/PC 或作为主站设备的 HMI 设备（面板） ，作为从站设备的一个或多个 S7-200。