基于plc和组态王的温度控制系统设计【范文仅供参考】

基于plc和组态王的温度控制系统设计【范文仅供参考】内容摘要：

制系统及仪表正朝着高精度、智能话、小型化等方面快速发展 [3]。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛 ,但从国内生产的温度控制器来讲 ,总体发展水平仍然不高 ,同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。 目前 ,我国在这方面总 体水平处于 20世纪 80年代中后期水平 ,成熟产品主要以“点位 ” 控制及常规的 PID 控制器为主 ,它只能适应一般温度系统控制 ,难于控制滞后、复杂、 时变温度系统控制。 而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟。 形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没开发出性能可靠的自整定软件。 控制参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。 这些差距，是我们必须努力克 服的。 随着我国 加入 WTO，我国政府及企业对此非常重视，对相关企业资源进行了重组，相 继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度仪表等工业得到迅速的发展 [4]。 随着科学技术的不断发展，人们对 温度控制系统 的要求愈来愈高， 因此， 高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。 项目 研究内容 可编程控制器 (PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。 其性能优越，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱 (PLC、工业机器人、 CAD/CAM)之一。 PLC 的应用已成为一个世 界潮流，在不久的将来 PLC 技术在我国将得到更全面的推广 和 应用。 本论文研究的是 PLC 技术 在温度监控系统上的应用。 从整体上分析和研究了控制 系统 的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。 本论文 通过 德国 西门子 公司的 S7200系列 PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到 PLC中进行 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。 同时利用 亚 控 公司的 组态软件 “组态王” 设 计一个 人机界面 （ HMI） ， 通过串行口与可编程控制器通信， 对 控制系统进行 全面监控 ，从而使用户操作更方便。 总体上包括的技术路线：硬件设计，软件编程，参数整定等。 全论文分 七 章 ,各章的主要内容说明如下。 第 一 章，对 温度控制 系统应用的背景 及国内外的发展状况 进行了阐述，指出了本文的研究意义所在。 第 二 章，简单概述了 PLC 和人机界面的基本概念以及结构功能等基础内容。 第 三 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、外部电路设计以及 PLC 控制器的设 计和参数的整定。 第 四 章， 在硬件设计的基础上，详细介绍了本项目软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法，编程软件 STEP7Micro/WIN 的介绍以及本项目程序设计。 第 五 章， 详细 介绍了如何在 亚 控公司的 组态软件 “组态王 ” 的基础上进行人机界面的设计。 第六章，展示了系统运行结果，然后对其分析得出结论。 第七章， 总结全文。 第二章 PLC 和 HMI 基础 可编程逻辑控制器是一种 工业控制计算机，简称 PLC（ Programmable 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 基础 可编程控制器的产生和应用 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、编程难度大以及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。 从此这项技术迅速发展起来。 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、环保及文化娱乐等各个行业。 PLC的应用范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]。 可编程控制器的 组 成和工作原理 PLC 从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本相同。 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接口单元及扩展接口和扩展部件 、 外设接口及外设和电源等部分组成，各部分之间通过系统总线连接。 PLC 的基本结构如图 21所示 ： 图 21 PLC 基本结构图 1） CPU（中央处理器） CPU 是 PLC 的核心，由运算器、控制器、寄存器 、系统 总线 ， 外围芯片、总线接口及有关电路构成。 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，并存入规定的寄存器中，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，对用户程序进行编译。 （ 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，并存入指定的寄存器中。 （ 6）按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据寄存器的内容。 （ 7）根据输出状态或数据寄存器的有关内容，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 点数确定模块规格及数量， I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置 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 输 入 接 口 中 央 处 理 单 元CPU 输 出 接 口 电源 存储单元 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）主要用于存储程序及数据，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部分。 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。 目前则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 及 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]。 可编程控制器的分类及特点 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 : • I／ O点数在 256 以下为小型 PLC； • I／ O点数在 256～ 1024 为中型 PLC； • I／ O点数大于 1024 为大型 PLC； • I／ O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]。 人机界面 基础 随着社会的进步，工业自动化技术迅猛发展，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。 人机 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 ,由硬件和软件两部分组成。 人机界面产品的组成及工作原理 人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、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 产品的性能高低，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 软件分为两部分，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。 人机界面产品的 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结束时打印输出生产数据 [8]。 第三章 PLC 控制系统 硬件 设计 在掌握了 PLC 的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后 ，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、外部电路设计以及 PLC 控制器的设。