基于西门子s7-200的温度控制系统设计

基于西门子s7-200的温度控制系统设计内容摘要：

储，发出控制指令。 组态软件提供了丰富的用于工业自动化监控的功能，用户根据自 己工程的需要进行选择，配置等较为简单的工作来建立自己所需要的监控系统系统。 常用的组态软件有 iFLX、 InTouch、 Citech、 WinCC、 TraceMode、组态王、力控。 其中， 组态王软件是国内开发较早的软件，界面操作灵活方便，有较强的通信功能，对比使用便捷性和功能性，本设计采用组态王软件。 5 第二章 硬件设计 硬件配置 西门子 S7200PLC 西门子 S7— 200 系列 PLC 以其极高的可靠性、丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通信能力 、丰富的扩展模块而适用于各行各业各种场合中的检测、监测及控制的自动化，其强大功能使其无论独立运行或连成网络皆能够实现复杂控制功能。 S7— 200 系列 PLC 在集散自动化系统中发挥其强大功能，使用范围从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括水电、核电、火电、各种输电、用电设施，各种机床、机械，环境保护设备及运动系统等。 SIMATIC S7— 200PLC 系统构成包括基本单元（ CPU 模块）、扩展单元（接口模块）、编程器、通信电缆、存储卡、写 入器、文本显示器等。 （ 1） 基本单元（ CPU） S7200 CPU将一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量 I/O 点集成在一个紧凑的封装中，组成了一个功能强大的 PLC。 CPU 的主要功能使进行逻辑运算及数学运算，并协调整个系统的工作。 西门子提供多种型号的 CPU以适应不同的应用要求，每种型号都具有不同的数字量 I/O 点数、内存容量等规格参数。 目前提供的 S7200 CPU 型号有 CPU 22CPU 22 CUP 22 CPU 22 CPU 226XM，其规格表如下： 6 表 西门子 S7200 各型号参数 特性 CPU 221 CPU 222 CPU224 CPU 224XP CPU226 外观尺寸 mm 908062 908062 8062 1408062 1908062 程 序 存 储 器 带 运 行 模式下编辑 4096 字节 4096 字节 8192 字节 12288 字节 16384 字节 不 带 运 行模 式 下 编辑 4096 字节 4096 字节 12288 字节 16384 字节 24576 字节 数据存储器 2048 字节 2048 字节 8192 字节 10240 字节 10240 字节 掉电保护时间 50 小时 50 小时 100 小时 100 小时 100 小时 本 机 I/O 数字量 6 输入 /4 输出 8 输入 /6 输出 14 输入 /10输出 14 输入 /10输出 24 输入 /16输出 模拟量 2 输入 /1 输出 拓展模块数量 0 个模块 2 个模块 7 个模块 7 个模块 7 个模块 高 速 计 数 器 单向 4 路 30KHZ 4 路 30KHZ 6 路 30KHZ 4 路 30KHZ 2 路 200KHZ 6 路 30KHZ 两相 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 4 路 20KHZ 3 路 20KHZ 1 路 100KHZ 4 路 20KHZ 脉冲输出 DC 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 2 路 100KHZ 2 路 20KHZ 模拟电位器 1 1 2 2 2 实时时钟 卡 卡 内置 内置 内置 通讯口 1 S485 1 S485 1 S485 2 RS485 2 RS485 浮点数运算 是 数字 I/O 映像大小 256（ 128 输入 /128 输出） 布尔型执行速度 毫秒 /指令 对比较以上数据，考虑到传感器采取数据为模拟量，故而本文选择采用CPU224XP，由于本设计外部设备较少，故而不再对电源供电等方面进行讨论， PLC内部电源即可满足需求。 7 （ 2） 扩展模块 EM235 为满足工业控制要求， S7— 200PLC 配有模拟量输入输 出模块 EM235，它具有4 个模块量输入通道， 1 个模拟量输出通道。 该模块的模拟量输入功能同 EM231 模拟量输入模块，特性基本相同，只是电压输入范围有所不同；该模块模拟量输出功能同 EM232 模拟量输出模块，特性参数也基本相同。 该模块需要 DC24V 供电，可由 CPU 模块的传感器电源 DC24V/400mA 供电，也可由用户设置外部电源，本设计采用模块数量较少，从经济角度和工业结构稳定角度考虑内部供电。 下表描述了如何用设定开关 DIP 设置 EM235 模块，开关 1 到开关 6 可选择模拟量输入范围和分辨率，所有输入设置成相同的模 拟量输入范围和格式。 其中，开关 6 为选择单双极性、开关 4 和 5 为选择增益，开关 2 和 3 为选择衰减。 表 EM235 设定开关 DIP 本设计选择单极性，开关为 010001。 （ 3） 编程 /通信电缆 编程 /通信电缆是 PLC 用来实现与个人计算机 PC 通信的，连接 PLC 的 RS485口和计算机的 RS232 可以用 PC/PPI 电缆。 西门子 PC/PPI 电缆带有 RS232/RS485 电平转换器，是 PC 标准串口 RS232 到 PPI 接口（ PLC 通信端口 RS485）的转换电缆、 8 互连电缆，是一种低成本的通信方式。 适用于西门子 S7— 200 系列 PLC，支持 PPI协议和自由口通信协议，并可使用 MODEM（调制解调器）通过电话线远程通信。 PC/PPI 电缆具有光电隔离和内置的防静电、浪涌等瞬态过电压保护电路，能够很好的保护电路，解决通信口易烧的问题。 表 PC— RS232 插头和 PPI— RS485 插头的信号定义 PC— RS232 插头 PPI— RS485 插头 针号 信号说明 针号 信号说明 2 接受数据 RD（从 PC/PPI 输出） 2 24V电源负极（ RS485 逻辑地） 3 发送数据 SD（输入到 PC/PPI） 3 RS485 信号 B（ RxD/TxD+） 4 数据终端就绪 DTR 7 24 电源正极 5 地（ RS232 逻辑地） 8 RS485 信号 A（ RxD/TxD） 7 请求发送 RTS 9 协议选择 将 PC/PPI 电缆的 RS485 插头插入 S7— 200PLC 的编程口， RS232 插头插入 PC的 RS232 口，并在编程软件上选择对应的 COM 口号，将 10bit、 11bit 选择开关拨到 11bit 位置即可。 PC/PPI 电缆的波特率为 0—。 考虑到本设计 PC 机与 PLC 需要进行长距离通信，需要外接电源，并且在 RS485插头 8 之间并接 120Ω终端电阻以消除信号反射。 热电偶 热电偶是目前热电测温中普遍使用的一种温度计，其工作原理是基于热电效应，可广泛用来测量 200— 1300℃范围内的温度。 热电偶温度计具有结构简单，价格便宜，准确度高，测温范围广、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。 由于热电偶直接将温度转换为热电势进行检测，使温度的测量、控制、远传以及对温度信号的放大和变换都非常方便，适用于远距离测量和自动控制。 在接触式测温方式中，热电偶温度计应用最为普遍。 在我国常用用的热电偶达数十种，国际 电工委员会 IEC 对其中已被国际公认的8 种热电偶制定了国际标准，这些热电偶称为标准热电偶。 标准热电偶已列入工业化标准文件中，文件规定了其热电势与温度之间的关系、答应误差、并具有统一的分度表，标准热电偶具有与其配套的显示仪表可供选用；与此对应，非标准化热电 9 偶在适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。 本设计选择 K 型热电偶（ 镍铬－镍硅 ），其长期使用温度为 270— 1000℃，短期使用温度可达到 1300℃，在工业中应用最多，适应氧化性环境、线性度好。 下表为其分度表部分 内容，参考端温度为 0℃。 表 K 型热电偶分度表（节选） 由温度传感器检测来的信号不是标准的电压（电流）信号，不能够直接传送给PLC，因此温度传感器采集到的温度信号要经过变送器的处理以后才能被 A/D 转换器识别并转换为相应的数字信号。 温度变送器由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、 V/I 转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。 它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后，再由线性电路消除热电势与温度的非线性误差，最后放大转换为 4～ 20mA电流输出信号。 为防止热电偶测量中由于电偶断丝而 使控温失效造成事故，变送器中还设有断电保护电路。 当热电偶断丝或接解不良时，变送器会输出最大值（ 28mA）以使仪表切断电源。 由于本设计采取了 K 型热电偶传感器，故而热电偶温度变送器采用 K 型热电偶温度变送器。 电力调整器 本设计采用的锅炉为电阻炉，电阻炉是基于电阻发热原理的加热设备。 电阻炉温度控制系统一般包括控制回路和主回路两个部分，主回路是由可控硅、过电流保护快速熔断器、过电压保护 R C 和电阻炉的加热元件等部分组成；控制回路是由直流信号电源、直流工作电源、电流反馈环节、同步信号环节、触发脉冲 产生器、温度检测器和 PID 温度调节器等部分组成，其中主回路根据控制回路 PID 10 控制信号经功率分配调节装置（调功器）来调整加热体能够获取的发热功率。 调功器是加热主回路的核心部件，目前大多采用一体化的晶闸管电力控制器来实现电阻炉负载功率的调节分配。 “晶闸管”又称“可控硅”（ SCR），是一种四层三端半导体器件，具有体积小、结构简单、功能强大等有点。 晶闸管门极与负极之间输入正向触发电压时晶闸管导通，阳极 A 与阴极 K 之间外加正向电压；若晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压，则在电压过零时晶闸管会自行关断。 调功器主要利用 了晶闸管的无触点开关特性，能够迅速的将器件从关闭或阻断状态转换为开启或导通状态，通过开端状态和导通状态时间的改变来调节负载上的电压波形；同时由于晶闸管具有较宽的电流电压控制能力，晶闸管的应用也逐渐普及起来，常用于高电压和大电流的控制，通常情况下以封装好的整体单元来进行使用。 晶闸管调功器一般由触发板、晶闸管模块、专用散热器、风机、外壳等组成，其核心部件是控制板和晶闸管模块，散热系统采用高效散热、低噪音风机。 晶闸管调功器一般与带有 05V， 420mA 的智能 PID 调节器或 PLC 配套使用，负载类型可以是三相阻性 负载、三相感性负载及三相变压器负载。 目前主流电力调整器都是调压与调功一体化的，调压采用移相控制方式，有定周期调功和变周期调功两种方式。 本设计主要采用 JK3S 系列调功器。 JK3S 系列调功器是具有高度数字化的新型功率控制设备，集移向调压型和变周期、定周期过零调功型三种触发方式于一体，通过外部转换开关可在三种触发方式之间任意转换；带有数码显示模块，能够实时显示输入信号、负载功率、负载电压以及负载电流，有斜率调整、缓启动、缓关断、电流限制、过流保护、电压限制、过压保护报警等功能，具有开环调压、闭环恒流、闭环恒压、 闭环恒功率四种调节方式；参数设置方便，接线简单，具有通讯功能， RS485 接口，标准 MODBUS RTU 通讯协议，计算机能够通过 485通讯数字量进行控制。 JK3S 型三相数字可控硅调压器与 05V、 420ma 的智能 PID调节器或 PLC 配套使用，能够实现精确的温度控制。 从 北京佳凯中兴自动化技术有限公司 网站上查阅到主要技术参数如下： 11 表 JK3S 系列 三相全数字晶闸管功率控制器 输入 主回路电源 3AC100～ 500V， 45～ 65Hz 控制电源 AC220V177。 15% 风机电源 AC220V， 50/60Hz 输出 输出电压 主回路输入电压的 0～ 95% 输出电流 AC25～ 3000A 控制方式 开环、恒压、恒流、恒功率、调功、 LZ 等任意选择 负载性质 电阻性、电感性、变压器一次侧 主要控制特性 控制信号 模拟给定、内部数字给定、通讯给定任意选择 输入输出 5 路模拟量输入（可编程）， 4 路开关量输。