基于组态的试验机温度监控系统(编辑修改稿)

基于组态的试验机温度监控系统(编辑修改稿)内容摘要：

测与显示炉内温度； 2． 具有自诊断实时检测功能，检测各通道是否正常，当发生故障时进行声音和视觉报警并显示故障点。 5 第 3 章 PLC 控制系统硬件设计 PLC 控制系统设计的基本原则 1．充分发挥 PLC 功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。 2．在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。 3．保证控制系统安全可靠。 4．应考虑生产的发展和工艺的改进， 在选择 PLC的型号、 I／ O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。 PLC 控制系统设计的一般步骤 设计 PLC 应用系统时，首先是进行 PLC 应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。 然后是进行 PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出 PLC 控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量、 系统的规模、布局。 最后根据系统分析的结果，具体的确定 PLC的机型和系统的具体配置 [5]。 PLC 控制系统的设计步骤可参考图。 6 图 PLC 控制系统设计步骤 PLC 的选型与硬件配置 PLC 型号的选择 本项目的温度控制系统选择德国西门子公司的 S7200 型的 PLC。 它的硬件配置灵活，既可用一个独立的 S7200 CPU 构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量 I/O模块 ， 模拟量模块或智能接口模块的扩展 ，组成中等规模控制系统 [6]。 如图 所示 PLC 实物。 评估控制任务 PLC机型的选择 控制柜设计及布线 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 7 图 S7200 系列 PLC 实物图 S7200 CPU 的选择 S7200 系列的 PLC 有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU226 、 CPU224XP 等类型。 为了能调用编程软件 STEP 7 里的 PID 模块，本项目选用 S7200 CPU226， CPU226集成了 24 点输入 /16 点输出，共有 40个数字量输入输出端口。 可与 7个扩展模块相连，最大连接 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，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 kbit/s， 适用于较高要求的中小型控制系统 [7]。 EM231 模拟量输入模块 本项目传感器将检测到的温度转换成 0～ 41mv 的电压信号，系统需要配置模拟量，输入模块将电压信号转换成数字信号再转送至 PLC 中进行运算。 经考虑，最终选用了西门子 EM231 4TC 模拟量输入模块。 EM231 热电偶模块有一个方便的，隔离的接口，可适用七种热电偶类型：它也允许连接微小的模拟量信号，相同类型模块上的热电偶才 能连到一起，且最好使用含有屏蔽的热电偶传感器 [8]。 DIP 开关将EM231 模块进行组 态：热电偶类型选择 SW1～ SW3， SW4 不使用，断线检测方向使用SW5，是否进行断线检测选择了 SW6， 测量单位选择了 SW7，是否进行冷端补偿选择了 SW8。 本系统选用 K 型热电偶为温度检测元件，最终 DIP 开关 SW1～ SW8 组态为00100000； EM231 具体技术指标见表。 8 表 EM231 技术指标 型号 EM231 模拟量输入模块 总体 特性 外形尺寸： 80mm 62mm 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： 0~10V， 0~5V，177。 5V,177。 ,0~20mA 分辨率： 12 Bit 转换速度： 250μ S 隔离：有 耗电 从 CPU的 DC 5V （ I/O 总线）耗电 10mA DIP 开关 SW1 0, SW2 0, SW3 1（以 K 型热电偶为例） 表 所示为使用 DIP 开关设置 EM231 模块使用方法，开关 2 和 3 可选择模拟量输入范围。 模拟量输入范围设置成相同的。 表中 ON为导通， OFF 为截止。 表 EM231 选择模拟量输入范围的开关表 单极性 满量程输入 分辨率 SW1 SW2 SW3 ON OFF ON 0到 10V ON OFF 0到 5V 0到 20mv 5uA 双极性 满量程输入 分辨率 SW1 SW2 SW3 OFF OFF ON 177。 5V ON OFF 177。 9 EM231 校准和配置位置图如图 图 DIP 配置 EM231 热电式传感器 热电式传感器是一种将温度信号转化为电压信号的装置。 其中热电偶和热电阻是最常用于测量温度的装置，热电偶是将温度信号转换为电压信号 ， 热电阻是将温度信号转换 为电阻信号。 这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛使用。 本项目中应该用传感器将温度转换成电压，且炉子的温度不能超过 1000 度 ，所以我们选择了热电偶作为传感器。 国际标准热电偶有七种类型分别是 S、 B、 E、 K、R、 J、 T，在本系统中，我们选择 K型热电偶，其测温范围大约是 0～ 1000℃。 炉 内最高温度也到不到 1000℃，其成本也比较合理 [9]。 I/O 点分配及电气连接图 （ 1）该温度控制系统中输入输出点分配表如表 所示。 表 输入输出点分配表 （ 2）系统整体设计方案 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势变化，经过 EM231 模拟量输入模块转换成数字信号并进行 PID 调节， PID 控制器输输入触点 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 10 出控制信号，控制固态继电器输出端 的导通与截止，从而控制炉体 加热的通断。 PLC和组态王连接，实现了系统的实时监控。 整个硬件连接图如图。 图 系统框架图 图 系统硬件连接图 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至关重要。 首先要以受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方案。 接下来依据所要求的性能指标选择控制器的参数值 [10]。 控制系统数学模型的建立 本温度控制控制系统结构图如图 所示，方框图如图 所示。 计算机 P L C EM231 模块 固态继电器 热电偶 试验机 11 图 控制系统结构图 图 控制系统方框图 PID 控制及参数整定 控制器的组成 PID 控制器由比例单元（ P）、积分单元（ I）和微分单元（ D）组成。 其数学表达式为： （ ） 错误 !未找到引用源。 (1) 比例系数 KC对系统性能的影响： 比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。 Ｋ c偏大，振荡次数加多，调节时间加长。 Ｋ c 太大时，系统会趋于不稳定。 Ｋ c太小，又会使系统的动作缓慢。 Ｋ c 可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。 如果Ｋ c 的符号选择不当对象状态 (pv 值 )就会离控制目标的状态 (sv 值 )越来越远，如果出现这样的情况Ｋ c 的符号就一定要取反。 错误 !未找到引用源。 (2) 积分控制 Ｔ i 对系统性能的影响： 积 分作用使系统的稳定性下降，Ｔ i 小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。 PLC 控制器 固态继电器 电炉 温度模块 热电偶    dta e ( t)Tde ( t ) d tTie ( t )KcU ( t) t01 12 错误 !未找到引用源。 (3) 微分控制Ｔ d 对系统性能的影响： 微分作用可以改善动态特性，Ｔ d 偏大时，超调量较大，调节时间较短。 Ｔ d偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。 只有Ｔ d 合适，才能使超调量较小，减短调节时间。 至此温度控制系统就已经完成。 在系统运行之前，还需。