基于plc的多路温度控制系统的设计(编辑修改稿)

基于plc的多路温度控制系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

PLC CPU 226为核心的温度控制系统， PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转化为电流信号，经过 EM 235模拟量输入 输出 模块转化成数字信号并送到 PLC 的寄存器 中进行 PID 调节， PID 控制器输出转化为 0～ 10mA的电流信号 输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，从而调节电热丝的加热。 PLC 和组态王连接，实现了系统的实时监控。 本设计的主要内容分为两部分：硬件部分和软件部分。 榆林学院本科毕业设计 3 （ 1） 硬件部分为热电阻型号的选择、 PLC 的选择。 本课题 PLC 采用西门子S7200 系列 PLC， EM 235 模拟量输入输出模块、可控硅加热装置 及组态软件来实现运行、加热、停止等功能。 （ 2）软件部分则是对梯形图代码的编程，开环系统的仿真、以及使用组态王对系统进行实时温度监控的过程。 整体设计方案如图 11: 图 11 控制系统框图 温度条件 温度测量传感器 西门子 EM 235 模块 PLC 外围 设备对温度 条件进行反馈控制 组态软件 西门子 EM 235 模块 基于 PLC 的多路温度控制 系统的设计 4 榆林学院本科毕业设计 5 2 PLC 基础 PLC（可编程控制器）基础 PLC 的概述 PLC是英文 Programmable Logic Controller的缩写，意为可编程 序逻辑控制器。 世界上第一台 PLC于 1969年由美国数字设备公司（ DEC）研制成功，随着技术的发展， PLC的功能大大增强，不仅仅限于逻辑控制，因此美国电气制造协会（ NEMA）于 1980年对它重命名，称为可编程序控制器（ Programmable Controller），简称 PC，但由于 PC容易与个人计算机（ Personal Computer， PC）混淆，故人们仍习惯将 PLC当做可编程控制器的缩写 [3]。 PLC 的定义 由于可编程序控制器一直在发展中，至今尚未对其下最后的定义。 目前，国际电工委员会 （ IEC）对 PLC 最新定义为： 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专门为在工业环境下应用而设计的工业控制器。 它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。 可编程序及相关设备都应按照易于与工业控制系统集成、易于扩展其功能的原则设计 [3]。 PLC 控制系统的特点 现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。 它主要有以下特点： （ 1）可靠性高，抗干扰能力强 为了适应工业 应用要求， PLC 从硬件和软件方面采用了大量的技术措施，以便能在恶劣环境下长时间可靠运行，现在大多数 PLC 的平均无故障运行时间可达几十万小时。 （ 2）通用性强，控制程序可变，使用方便 PLC 可利用齐全的各种硬件装置来组成各种控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。 用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的基于 PLC 的多路温度控制 系统的设计 6 情况下，无需大量改变 PLC 的硬件设备，只需要改程序就可以满足要求。 （ 3）功能强，适应范围广 现代 PLC 不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入 /输出、功率驱动、通 信、人机对话、自检、记录显示等功能，既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。 （ 4）编程简单，易学易用 目前大多数 PLC采用梯形图编程方式，梯形图语言的编程与编程符号和表达方式与继电器控制电路原理图非常接近，这样使大多数工厂企业电气技术人员非常容易接受和掌握 [4]。 （ 5）系统设计 ， 调试和维修方便 PLC 用软件来取代继电气控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计安装接线工作量大为减少。 另外， PLC 的用户程序可以通过计算机在实验室仿真调试，减少了现场的调试工作量。 此 外，由于 PLC 结构模块化及很强的自我诊断能力，维修也极为方便。 由于 PLC 的技术指标是由使用者提出的，因此它在工业中的应用具有其他工业控制设备难以兼具的独一无二的特性，是最贴切工业生产需求的控制装置。 PLC 的主要组成 （ 1） 中央处理单元 CPU CPU 又称为中央处理器，它是 PLC 的控制中心，它通过总线（包括数据总线、地址总线和控制总线）与存储器和各种接口连接，以控制他们有条不紊地工作。 CPU 的性能对 PLC 工作速度和效率有很大的影响，故大型 PLC 通常采用高性能的CPU。 CPU 的主要功能如下： a. 接收通信接口送来的程序和信息，并将他们存入存储器。 b. 采用循环检测（即扫描检测）方式不断检测输入接口送来的状态信息，以判断输入设备的输入状态。 c. 逐条运行存储器中的程序，并进行各种运算，再将运算结果存储下来，然后通过输出接口输出，以对输出设备进行有关的控制。 d. 监测和诊断内部各电路的工作状态。 （ 2） 存储器、存储空间的分配 存储器的功能是存储程序和数据。 PLC 通常配有 ROM（只读存储器）和 RAM（随机存储器）两种存储器， ROM 用来存储系统程序， RAM 用来存储用户程序和程序运行时产生的数据。 榆林学院本科毕业设计 7 （ 3） 输入 /输出接口 输入 /输出接口又称为 I/O 接口或 I/O 模块，是 PLC 与外围设备之间的连接部件。 PLC 通过输入接口检测输入设备的状态，以此作为对输出设备控制的依据，同时 PLC 又通过输出接口对输出设备进行控制。 PLC 的 I/O 接口能接受的输入和输出信号的个数成为 PLC 的 I/O 点数。 I/O 点数是选择 PLC 的重要依据之一。 a. 输入接口 PLC 的输入接口分为数字量输入接口和模拟量输入接口，数字量输入接口用于接收 “ 0” 数字信号或开关通断信号，又称为开关量输入接口；模拟量输入接口用于接收模拟量信号。 b. 输出接口 PLC 的输出接口也分为数字量输出接口和模拟量输出接口。 模拟量输出接口通常采用 DA 转换电路，将数字量转换成模拟量。 （ 4） 通信接口 PLC 配有通信接口， PLC 可通过通信接口与编程器、打印机、其他 PLC、计算机等设备实现通信。 （ 5） 扩展接口 为了提升 PLC 的性能，增强 PLC 的控制功能，可以通过扩展接口给 PLC 增接一些专用模拟模块。 （ 6） 电源 PLC 一般采用开关电源供电，与普通电源相比， PLC 电源的稳定性好、抗干扰能力强。 PLC 的电源对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值 177。 15%的范围内波动。 有些 PLC 还可以通过端子往外提供直流 24V 稳压电源 [5]。 PLC 的工作方式 PLC 是一种由程序控制运行的设备，其工作方式与微型计算机不同，微型计算机运行到结束指令时，程序运行结束。 PLC 运行程序时，会按顺序依次逐条执行存储器中的程序指令，当执行完最后的指令后，并不会马上停止，而是又重新开始再次执行存储器中的程序，如此周而复始， PLC 的这种工作方式称为循环扫描方式。 基于 PLC 的多路温度控制 系统的设计 8 PLC 的种类及型号的确定 PLC 的种类 目前 PLC 的主要品牌有：美国 AB， ABB，松下 ，西门子，三菱，欧姆龙，台达，富士等。 下面对三菱、西门子、欧姆龙及松下 PLC 做一简单介绍： （ 1） 三菱 FX 系列 PLC 简介及型号说明： 三菱 FX 系列 PLC 是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原 F、 F F2 系列 PLC 产品。 其中 FX2 是 1991 年推出的产品，FX0 是在 FX2 之后推出的超小型 PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的 FX0S、 FX1S、 FX0N、 FX1N、 FX2N、 FX2NC 等系列 PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。 他们采用整体式和模块式相结合的叠 装式结构。 （ 2） 西门子 PLC 的特点及历史 德国西门子（ SIEMENS）公司的 PLC 在我国的应用也很广泛，在印刷生产线、化工、冶金等诸多领域都有广泛应用。 西门子公司的 PLC 产品包括 LOGO、 S7200、S7300、 S7400、 S71200 等。 S7 系列 PLC 体积小、速度快、具有网络通信能力，功能性强，可靠性高等优势。 S7 系列 PLC 产品可分为微型 PLC（如 S7200），小规模性能要求的 PLC（如 S7300）和中、高性能要求的 PLC（如 S7400）等。 西门子 SIMATIC 系列 PLC，诞生于 1958 年，经历了 C3,S3,S5,S7 系列，已成为应用非常广泛的可编程控制器。 a. 西门子公司的产品最早是 1975 年投放市场的 SIMATIC S3，它实际上是带有简单操作接口的二进制控制器。 b. 1979 年， S3 系统被 SIMATIC S5 所取代，该系统广泛地使用了微处理器。 c. 20世纪 80 年代初， S5系统进一步升级 ——U系列 PLC，较常用机型： S590U、95U、 100U、 115U、 135U、 155U。 d. 1994 年 4 月， S7 系列诞生，它具有更国际化、更高性能等级、安装空间更小、更良好的 WINDOWS 用户界面等优势，其机型为： S7200、 300、 400。 e. 1996 年，在过程控制领域中，西门子公司又提出 PCS7（ 过程控制系统 7）的概念，将其优势的 WINCC（与 WINDOWS 兼容的操作界面）、 PROFIBUS（工业现场总线）、 COROS（ 监控系统）、 SINEC（西门子工业网络）及控调技术融为一体。 f. 西门子公司提出 TIA（ Totally Integrated Automation）概念，即全集成自动化系统，将 PLC 技术溶于全部自动化领域。 由最初发展至今， S S5 系列 PLC 已逐步退出市场，停止生产，而 S7 系列PLC 发展成为了西门子自动化系统的控制核心，而 TDC 系统沿用 SIMADYN D 技榆林学院本科毕业设计 9 术内核，是对 S7 系列产品的进一步升级，它是西门子自动化系统最尖端，功能最强的可编程控制器。 （ 3） 欧姆龙 PLC 简介 欧姆龙 PLC 是一种功能完善的紧凑型 PLC，能为业界领先的输送分散控制等提供高附加值机器控制；它还具有通过各种高级内装板进行升级的能力，大程序容量和存储器单元，以 Windows 环境下高效的软件开发能力。 欧姆龙 PLC 也能用于包装系统，并支持 HACCP（寄生脉冲分析关键控制点）过程处理标准。 （ 4） 松下 PLC FP1 产品规格及性能介绍 FP1 是日本松下电工生产的小型 PLC，该产品有 C1 C1 C2 C C5C72 多种规格，形成系列化。 虽然是小型机，但其性价比却很高，特别适合于中小企业。 PLC 型号的选择 鉴于上述对各 型号 PLC 的简要介绍以及对本系统要求的分析，本次设计的控制系统需要继电器型的 PLC，我选择了德国西门子 S7200 系列 PLC， CPU 选用CPU 226 AC/DC/继电器。 S7200系列 PLC 是西门子公司新推出的一种小型 PLC。 它以紧凑的结构、良好的扩展性、强大的指令功能、低廉的价格，已成为当代各种小型控制工程的理想控制器。 无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 因此 S7200系列具有极高的性价比。 S7200 PLC 包含了一个单独的 CPU 和各种可选的扩展模块，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。 S7200 PLC 可以方便地组成微机 PLC 网络和 PLCPLC 网络，从而完成更大规模的工程。 S7200的编程软件 STEP7Micro/WIN32可以方便地在 Windows环境下对 PLC编程、调试、监控，使得 PLC 的编程更加简洁、容易。 可以说， S7200 可以完成各种小规模控制系统的要求。 西门子 S7200 系列 PLC 简介 S7200 系列是 S7 系列中的小型 PLC，常用在小型自动化设备中。 根据使用的CPU 模块不同， S7200 系列 PLC 可分为 CPU22 CPU22 CPU22 CPU226等类型，除 CPU221 无法扩展外，其他类型都可以通过增加扩展模块来增加功能。 各规范见下表： 基于 PLC 的多路温度控制 系统的设计 10 表 S7200 系列 PLC 的技术规范。