基于西門子s7-200plc的溫度控制系統設計畢業論文-文庫吧

【正文】 輸出模塊 輸入模塊和輸出模塊通常稱為I/O模塊或I/O單元。PLC提供了各種工作電平、連接形式和驅動能力的I/O模塊，有各種功能的I/O模塊供擁護選用。按 I/O點數確定模塊的規格和數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受PLC所能管理的配置能力，即底版的限制。PLC還提供了各種各樣的特殊的I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、高速計算器、位置控制、以太網、現場總線、溫度控制、中斷控制、聲音輸出、打印機等專用 型或智能型模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。智能接口模塊是一獨立的計算機系統，它有自己的CPU、系統程序、存儲器及與PLC系統總線相連接的接 口。4)編程裝置編程器作用是將用戶編寫的程序下載至PLC的用戶程序存儲器，并利用編程器檢查、修改和調試用戶程序，監視用戶程序的執行過程，顯示PLC狀態、內部器件 及系統的參數等。常見的編程器有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。目前PLC制造廠家大都開發了計算機輔助PLC編程支持軟件， 當個人計算機安裝了PLC編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計算機和PLC之間的通信接口實現用戶程序的雙向傳 送、監控PLC運行狀態等。5）電源 PLC的電源將外部供給的交流電轉換成供CPU、存儲器等所需的直流電，是整個PLC的能源供給中心。PLC大都采用高質量的工作穩定性好、抗干擾能力強 的開關穩壓電源，許多PLC電源還可向外部提供直流24V穩壓電源，用于向輸入接口上的接入電氣元件供電，從而簡化外圍配置。第三章 硬件配置和軟件環境 西門子S7200S7200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴展單元。其系統構成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。本論文采用的是CUP224。它具有24個輸入點和16個輸出點。S7200系列的基本單元如表31所示[13]。 傳感器熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標 準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標 準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產， 并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。本論文才用的是K型熱電阻[14]。 EM 231模擬量輸入模塊傳感器檢測到溫度轉換成0～41mv的電壓信號，系統需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉換成數字信號再送入PLC中進行處理。在這里，我們選用了西門子EM231 4TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊提供一個方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允許連接微小的模擬量信號(177。80mV范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。EM231模塊需要用戶通過DIP開關進行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷端補償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組 態DIP開關進行以上選擇，如圖32所示。本設計采用的是K型熱電偶，結合其他的需要，我們設置DIP開關為00100000。對于EM231 4TC模塊，SW1～SW3用于選擇熱電偶類型，見表33 。SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進行斷線檢測，SW7用于選擇測量單位，SW8用于選擇是否進行冷端補償，見表34[15]。為了使DIP開關設置起作用，用戶需要給PLC的電源斷電再通電。 STEP 7 Micro/WIN32軟件介紹 STEP 7MWIN32編程軟件是基于Windows的應用軟件，是西門子公司專門為SIMTIC S7200系列PLC設計開發的。該軟件功能強大，界面友好，并有方便的聯機功能。用戶可以利用該軟件開發程序，也可以實現監控用戶程序的執行狀態，該 軟件是SIMATIC S7200擁護不可缺少的開發工具 7MWIN32 在開始安裝的時候是選擇語言界面，這時候沒有選擇中文的，但可以先選擇其他語言，見圖35。等軟件安裝好之后再進行語言的切換。 在安裝的最后，會出現一個界面，按照硬件的配置，我們需要用232通信電纜，采用PPI的通信方式，所以要選擇PPI/PC Cable(PPI)，這個時候在彈出來的窗口中選擇端口地址，通信模式，一般選擇默認就可以了，見圖36。如果想改變編程界面的語言，可在軟件的主界面的工具欄中選擇tools目錄下選擇option選項，在出現的界面中選擇general,然后在右下角就可以選擇中文了。見圖37所示。 系統參數設置系統塊用來設置S7200 CPU的系統選項和參數等。系統塊更改后需要下載到CPU中，新的設置才能生效。系統塊的設置如下，需要注意的是，PLC的地址默認是2，但本設計中需要 用到的地址是1，如圖38。通信端口的設置，同樣的，我們用到的地址是1，如圖39所示。圖 39 通信端口設置 第四章 控制算法描述 PWM技術脈寬調制（PWM）是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在測量、通信、功率控制與變換的許多領域中。PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF) [16]。本論文中采樣周期和加熱周期都是10秒。采樣后，根據溫差的大小進行PID調節，轉化得到一個加熱時間（010秒）作為下一個加熱周期的加熱時間。例如 溫差大，加熱時間就大，溫差小，那么加熱時間就小。程序采用的是粗調和微控兩段式控制方式。在粗控調階段，占空比恒為一。在微控制階段，占空比就根據溫差 不停地變化。 PID控制程序設計模擬量閉環控制較好的方法之一是PID控制，PID在工業領域的應用已經有60多年，現在依然廣泛地被應用。人們在應用的過程中積累了許多的經驗，PID的研究已經到達一個比較高的程度。比例控制(P)是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。其特點是具有快速反應，控制及時，但不能消除余差。在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點，不能快速對誤差進行有效的控制。在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。微分控制具有超前作用，它能預測誤差變化的趨勢。避免較大的誤差出現，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的優點和缺點，它們一起使用的時候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質量[17]。 PID控制算法如圖41所示，PID控制器可調節回路輸出，使系統達到穩定狀態。偏差e和輸入量r、輸出量c的關系: ()控制器的輸出為: ()上式中, ——PID回路的輸出。 ——比例系數P。 ——積分系數I。 ——微分系數D。PID調節器的傳輸函數為： ()數字計算機處理這個函數關系式，必須將連續函數離散化，對偏差周期采樣后，計算機輸出值。其離散化的規律如表45所示：表 45 模擬與離散形式模擬形式 離散化形式所以PID輸出經過離散化后，它的輸出方程為:， 稱為比例項； 稱為積分項； 稱為微分項；上式中，積分項 是包括第一個采樣周期到當前采樣周期的所有誤差的累積值[17]。計算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項，只需要保留積分項前值，計算機的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的PID指令實現位置式PID控制算法量[18]。 PID在PLC中的回路指令現在很多PLC已經具備了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是專用模塊，有些是指令形式。西門子S7200系列PLC中使用的是PID回路指令。見表47。表47 PID回路指令名稱 PID運算指令格式 PID指令表格式 PID TBL，LOOP梯形圖使用方法：當EN端口執行條件存在時候，就可進行PID運算。指令的兩個操作數TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因 為一個PID回路占用了32個字節，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號，可以是0~7，不可以重復使用。PID回路在PLC中的地 址分配情況如表48所示。表48 PID指令回路表偏移地址 名稱 數據類型 說明0 過程變量（PVn） 實數 ~4 給定值（SPn） 實數 ~8 輸出值（Mn） 實數 ~12 增益（Kc） 實數 比例常數，可正可負16 采樣時間（Ts） 實數 單位為s，必須是正數20 采樣時間（Ti） 實數 單位為min，必須是正數24 微分時間（Td） 實數 單位為min，必須是正數28 積分項前值（MX） 實數 ~32 過程變量前值（PVn1）16