基于plc和组态王的温度控制系统设计

基于plc和组态王的温度控制系统设计内容摘要：

........................................ 42 变量设置 ..................................................................................................................................... 42 动画连接 ..................................................................................................................................... 44 第六章 系统运行结果及分析 ................................................................................................................ 46 系统运行 ..................................................................................................................................... 46 运行结果分析 ............................................................................................................................. 47 温度趋势曲线分析 ............................................................................................................ 47 报警信息分析 .................................................................................................................... 49 第七章 总结 .............................................................................................................................................. 50 参考文献 ...................................................................................................................................................... 51 致 谢 ............................................................................................................................................................. 52 1 第一章 前言 项目背景、意义 温度控制在电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。 由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。 目前 ,仍有相当部分工 业企业在用窑、炉等 烘干生产线 ，存在着控制精度不高、 炉内温度均匀性差等问题 ,达不到工艺要求，造成装备运行成本费用高，产出品品质低下，严重影响企业经济效益，急需技术改造。 近年来，国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得了巨大的发展，形成了 一批商品化的温度调节器 ，如 :职能化 PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好 ,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。 在工业自动化领域内 ,PLC（可编程控制器） 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程 简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。 目前的工业控制中 ,常常选用 PLC 作为现场的控制设备 ,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用 HMI 软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示 ,实现监控、管理、分析和存储等功能。 这种监控系统充分利用了 PLC 和计算机各自的特点 ,得到了广泛的应用。 在这种方式的基础上设计了一套温度控制系统。 以基于 PLC 的下位机和完成 HMI 功能的上位机相结合 ,构建成分布式控制系统 ,实现了温度自动控制。 PLC 不仅具有传统继电 器控制系统的控制功能，而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些智能控制模块，构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制。 现代 PLC 以集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定受到普遍欢迎，在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用 ,尤其适合温度控制的要求。 此外，随着工业自动化水平的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高， 人机界面 （ HMI） 的 出现正好满足了用户这一需求。 人机界面 可以 对 控2 制系统进行 全面监控 ，包括参数监测 、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得简单 易懂、操作 人性化，深受广大用户的喜欢。 人机界面（ HMI）在自动控制领域的作用日益显著。 HMI正在成为引导工业生产制造走向成功的重要因素，因为这些系统越来越多的用于监控生产过程，让 过程变得更加准确、简洁和快速。 HMI 其实广义的解释就是 “ 使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口 ”。 举个例子来说，在一座工厂里头，我们要搜集工厂各个区域的温度、湿度以及工厂中机器的状态等等的信息透过一台主控器监视并记录这些参数，并在一些意外状况发生的时候能够加以处理。 这便是一个很典型的 SCADA/HMI 的运用，一般而言， HMI 系统必须有几项基本的能力： 实时的资料趋势显示 —— 把撷取的资料立即显示在屏幕上。 自动记录资料 —— 自动将资料储存至数据库中，以便日后查看。 历 史资料趋势显示 —— 把数据库中的资料作可视化的呈现。 报表的产生与打印 —— 能把资料转换成报表的格式，并能够打印出来。 图形接口控制 —— 操作者能够透过图形接口直接控制机台等装置。 警报的产生与记录 —— 使用者可以定义一些警报产生的条件。 比方说温度过度或压力超过临界值，在这样的条件下系统会产生警报，通知作业员处理 [1]。 温控 系统的 现状 自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统发展迅速， 并 在职能化 、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表 ,并在各行各业广泛应用 [2]。 它们主要具有如下特点 :1)适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 2)能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 3)能适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 4)这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工职能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。 5)温度控制器普遍具有参 数自整定功能。 借助计算机软件技术，温控器具有对控制3 参数及特性进行自动整定的功能。 有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。 6)温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。 目前 ,国外温度控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4 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。 5 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。