杨进华(基于s7-200的温度控制系统设计

杨进华(基于s7-200的温度控制系统设计内容摘要：

复杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的 PID 为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。 而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离 PID，选择性 PID。 参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现 3 或无法实现的 [7]。 在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可 大大改善了对锅炉的监控品质， 提高了平均热效率 [7]。 但如果 单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。 集散型温度 控制系统（ DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。 与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。 DCS 的关键是通信。 也可以说数据公路是分散控制系统 DCS 的脊柱。 由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。 基本 DCS 的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率 [8]。 但 DCS 在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致 DCS 成本太高。 现场总线控制系统（ FCS）综合了数字通信技术、计算机 技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。 其优势在于网络化、分散化控制。 基于总线控制系统（ FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点， FCS 系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。 而且它可以对现场装置 (含变送器、执行器等 )进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的 [9]。 但是， FCS 还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，另一方面， 目前现场总线的国际标准共有 12 种之多，这给FSC 的广泛应用添加了很大的阻力。 各种温度系统都有自己的优 缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。 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有着较大差距。 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，还没有开发出性能可靠的自整定软件。 控制参数大多靠人工经验 4 及现场调试确定。 国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。 日本、美国、德国、瑞典等技术领先，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，并在各行业广泛应用。 目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展 [10]。 本文的研究内容 本论文主要是利用 PLC S7200 采用 PID 控制技术做一个温度控制系统，要求稳定误差不超过正负 1℃ ，并 且用组态软件实现在线监控。 具体有以下几方面的内容： 第一章，对 PLC 系统应用的背景进行了阐述， 并介绍当前温度控制系统的发展状况。 第二章，简单概述了 PLC 的基本概念以及 组成。 第三章，介绍了 控制系统设计所采用的硬件连接、使用方法以及编程软件的简单介绍。 第四章， 介绍了本论文中用到的一些算法技巧和思想，包括 PWM、 PID 控制、PID 在 PLC 中的使用方法以及 PID 的参数整定方法。 第五章， 介绍了设计程序的设计思想和程序，包括 助记符语言表 和梯形图。 第六章， 介绍了组态画面的设计方法。 第 七 章 ，进行系统设计，检验 控制系统控制质量。 第 八 章 ,对全文进行总结。 5 第二章 可编程控制器的概述 可编程控制器的产生 可编程控制器是一种工业控制计算机， 英文全称： Programmable Controller，为了和个人计算机 (PC)区分，一般称其为 PLC。 可编程控制器 (PLC)是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。 其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域。 20 世纪 60 年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大，未能在工业领域中获得推广。 1968 年，美国的汽车制造公司通用汽车公司 (GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备十大条件，立即引起了开发热潮。 1969 年，美国数字设备公司 (DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。 可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。 1971 年日本开始生产可编程控制器，而欧洲是 1973 开始的。 如今，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器 [11]。 可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代，见表 11。 表 11 可编程控制器功能表 代次 器件 功能 第一代 1 位处理器 逻辑控制功能 第二代 8 位处理器及存储器 产品系列化 第三代 高性能 8 位微处理器及位片式微处理器 处理速度提高，向多功能及联网通信发展 第四代 16 位、 32 位微处理器及高性能位片式微处理器 逻辑、运动、数据处理、联网功能的多功能 可编程控制器的基本组成 PLC 从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。 整体式 PLC 一般由 CPU板、 I/O 板、显示面板、内存和电源组成。 模块式 PLC 一般由 CPU 模块、 I/O 模 6 块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。 本论文实物采用的是模块式的 PLC，不管哪种 PLC，都是属于总线式的开发结构，其构成如图 21 所示 [12]。 图 21 PLC的组成 1) CPU（中央处理器） 和一般的微机一样， CPU是微机 PLC 的核心，主要由运算器、控制器、寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。 CPU 在很大程度上决定了 PLC 的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量。 CPU控制着 PLC 工作，通 过读取、解释指令，指导 PLC 有条不紊的工作。 2) 存储器 存储器（内存）主要用语存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成部分。 PLC中的存储器一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。 系统程序一般由厂家编写的，用户不能修改；而用户程序是随 PLC 的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。 3) 输入输出模块 输入模块和输出模块通常称为 I/O 模块或 I/O 单元。 PLC 提供了各种工作电平、连接形式和驱动能力的 I/O 模块，有各种功能的 I/O 模块供拥护选用。 按 I/O点数确 定模块的规格和数量， I/O 模块可多可少，但其最大数受 PLC 所能管理的配置能力，即底版的限制。 7 PLC 还提供了各种各样的特殊的 I/O 模块，如热电阻、热电偶、高速计算器、位置控制、以太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打印机等专用型或智能型模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。 智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的 CPU、系统程序、存储器及与 PLC 系统总线相连接的接口。 4)编程装置 编程器作用是将用户编写的程序下载至 PLC 的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序 的执行过程，显示 PLC 状态、内部器件及系统的参数等。 常见的编程器有简易手持编程器、智能图形编程器和基于 PC 的专用编程软件。 目前 PLC 制造厂家大都开发了计算机辅助 PLC 编程支持软件，当个人计算机安装了 PLC 编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和 PLC 之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控 PLC 运行状态等。 5）电源 PLC 的电源将外部供给的交流电转换成供 CPU、存储器等所需的直流电，是整个 PLC 的能源供给中心。 PLC 大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能 力强的开关稳压电源，许多 PLC 电源还可向外部提供直流 24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。 8 第三章 硬件配置和软件环境 实验配置 西门子 S7200 S7200 系列 PLC 可提供 4 种不同的基本单元和 6 种型号的扩展单元。 其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。 本论文采用的是 CUP224。 它具有 24 个输入点和 16 个输出点。 S7200 系列的基本单元如表 31 所示 [13]。 表 31 S7200系列 PLC 中 CPU224xp的基本单元 型 号 输入点 输出点 可带扩展模块数 S7200CPU221 6 4 0 S7200CPU222 8 6 2 个扩展模块 S7200CPU224 14 10 7 个扩展模块 S7200CPU224XP 24 16 7 个扩展模块 S7200CPU226 24 16 7 个扩展模块 传感器 热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。 所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、 允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。 非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。 标准化热电偶我国从 1988 年 1 月 1 日起，热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准生产，并指定 S、 B、 E、 K、 R、 J、 T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。 本论文才用的是 K 型热电阻 [14]。 9 EM 231 模拟量输入模块 传感器检测到温度转换成 0～ 41mv 的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入 PLC 中进行处理。 在这里，我们选用了西门子 EM231 4TC 模拟量输入模块。 EM231 热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型： J、K、 E、 N、 S、 T 和 R 型，它也允许连接微小的模拟量信号 (177。 80mV范围 )，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。 EM231 模块需要用户通过 DIP 开关进行选择的有：热电偶的类型、断线检查、测量单位、冷端补偿和开路故障方向，用户可以很方便地通过位于模块下部的组态 DIP 开关进行以上选择，如图 32 所示。 本设计采用的是 K 型热电偶，结合其 他的需要，我们设置 DIP 开关为 00100000。 对于 EM231 4TC 模块， SW1～ SW3 用于选择热电偶类型，见表 33。 SW4没有使用， SW5 用于选择断线检测方向， SW6 用于选择是否进行断线检测， SW7用于选择测量单位， SW8 用于选择是否进行冷端补偿，见表 34[15]。 为了使 DIP 开关设置起作用，用户需要给 PLC 的电源断电再通电。 图 32 EM231模块 DIP开关 10 表 33 热电偶类型选择 热电偶类型 SWI SW2 SW3 J（默认） 0 0 0 K 0 0 1 T 0 1 0 E 0 1 1 R 1 0 0 S 1 0 1 N 1 1 0 +/80mv 1 1 1 表 34 热电偶其他设置 DIP 开关 功能 开 /关状态 SW5 熔断方向 正向标定 0 负定方向 1 SW6 断线 启动断线测量电流 0 禁止断线测量电流 1 SW7 测量单位 摄氏 0 华氏 1 SW8 冷端启用 冷端补偿启用 0 冷端补偿禁止 1 STEP 7 Micro/WIN32 软件介绍 STEP 7MWIN32 编程软件是基于 Windows 的应用软件，是西门子公司专门为 SIMTIC S7200 系列 PLC 设计开发的。 该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机功能。 用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状态，该软件是 SIMATIC S7200 拥护不可缺少的开发工具 安装 STEP 7MWIN32 在开始安装的时候是选择语言界面，对于版本 来说，这时候没有选择中文的，但可以先选择其他语言，见图 35。 等软件安装好之后再进行语言的切换。 11 图 35 语言选择界面 在安装的最后，会出现一个界面，按照硬件的配置，我们需要用 232 通信电缆，采用 PPI。