基于西門子s7-200的溫度控制系統設計-全文預覽

　　

【正文】 和微分項，一般是令 Ti=0、 Td=0，PID 為 純比例調節。這些實際數值用于 PID 指令之后，必須將 PID 標準化小數轉化為實際數值，方法如下： 第一步是將 PID 標準值轉化成實數數值，然后將實數數值轉換成 0— 32020 或32020— +32020 之間的標準化數值。將這些實際數值用于 PID 指令操作之前，必須將其轉化為標準化小數表示法。 在微分控制 (D)中 ： 控制器的輸出 信號 與輸入誤差信號的微分成正比關系。 PID 控 制中 P、 I、 D 分別代表比例調節、積分調節和微分調節： 比例控制 (P)： 最簡單的控制方式 ，最主要特點是有差調節，即 控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。 15% 風機電源 AC220V， 50/60Hz 輸出 輸出電壓 主回路輸入電壓的 0～ 95% 輸出電流 AC25～ 3000A 控制方式 開環、恒壓、恒流、恒功率、調功、 LZ 等任意選擇 負載性質 電阻性、電感性、變壓器一次側 主要控制特性 控制信號 模擬給定、內部數字給定、通訊給定任意選擇 輸入輸出 5 路模擬量輸入（可編程）， 4 路開關量輸入（可編程） 4 路模擬量輸出（可編程）， 3 路開關量輸出（可編程） 保護 過流保護 輸出電流≥ 2 倍額定值時保護時保護 頻率故障 電源頻率超出范圍時保護（ 45～ 65Hz） SCR 過熱保護 SCR 溫度＞ 75℃時保護 缺相保護 主回路輸入電源缺相時保護 負載斷線 負載斷線或部分斷線時保護 調節精度 電流、電壓、功率控制優于 1% 12 硬件連接 正常停止24V CD1M 0 . 0 1L 0 . 0 0 . 1CPU 224XPS1S2EM 235變送器傳感器加熱管調整器220V 圖 硬件連接圖 電 流 變 送 器電 壓 變 送 器未 使 用 輸 入 端電壓負載電流負載 圖 EM235 模擬量輸出模塊的端子接線圖 13 地址分配表 表 I/O 地址分配如表 啟動按鈕 停止按鈕 啟動指示燈 停止指示燈 14 第三章 軟件設計 PID 控制程序設計 PID 控制內容 PID 控制是比例積分微分控制的簡稱。 本設計主要采用 JK3S 系列調功器。調功器主要利用 了晶閘管的無觸點開關特性，能夠迅速的將器件從關閉或阻斷狀態轉換為開啟或導通狀態，通過開端狀態和導通狀態時間的改變來調節負載上的電壓波形；同時由于晶閘管具有較寬的電流電壓控制能力，晶閘管的應用也逐漸普及起來，常用于高電壓和大電流的控制，通常情況下以封裝好的整體單元來進行使用 。電阻爐溫度控制系統一般包括控制回路和主回路兩個部分，主回路是由可控硅、過電流保護快速熔斷器、過電壓保護 R C 和電阻爐的加熱元件等部分組成；控制回路是由直流信號電源、直流工作電源、電流反饋環節、同步信號環節、觸發脈沖 產生器、溫度檢測器和 PID 溫度調節器等部分組成，其中主回路根據控制回路 PID 10 控制信號經功率分配調節裝置（調功器）來調整加熱體能夠獲取的發熱功率。為防止熱電偶測量中由于電偶斷絲而 使控溫失效造成事故，變送器中還設有斷電保護電路。下表為其分度表部分 內容，參考端溫度為 0℃。在接觸式測溫方式中，熱電偶溫度計應用最為普遍。 考慮到本設計 PC 機與 PLC 需要進行長距離通信，需要外接電源，并且在 RS485插頭 8 之間并接 120Ω終端電阻以消除信號反射。適用于西門子 S7— 200 系列 PLC，支持 PPI協議和自由口通信協議，并可使用 MODEM（調制解調器）通過電話線遠程通信。其中，開關 6 為選擇單雙極性、開關 4 和 5 為選擇增益，開關 2 和 3 為選擇衰減。 7 （ 2） 擴展模塊 EM235 為滿足工業控制要求， S7— 200PLC 配有模擬量輸入輸 出模塊 EM235，它具有4 個模塊量輸入通道， 1 個模擬量輸出通道。 （ 1） 基本單元（ CPU） S7200 CPU將一個微處理器、一個集成的電源和若干數字量 I/O 點集成在一個緊湊的封裝中，組成了一個功能強大的 PLC。其中， 組態王軟件是國內開發較早的軟件，界面操作靈活方便，有較強的通信功能，對比使用便捷性和功能性，本設計采用組態王軟件。 組態軟件是一種面向工業自動化的通用數據采集和監控軟件，即 SCADA（ Supervisory Control And Data Acquisition）軟件，亦稱人機界面或 HMI/MMI（ Human Machine Interface/Man Machine Interface）軟件，俗稱組態軟件。 上位機 上位機是可以直接發出操控指令的計算機，一般為 PC機；與上位機對應的下位機是直接控制設備獲取設備狀況的計算機，一般為 PLC/單片機等。 世界上生產 PLC 的廠家非常多，著名的有美國 A它采用可編程的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、 定式、技術和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械動作過程。隨著現代電子技術、微電子技術及信息技術的發展，在各種可用信號中電信號最便于處理、傳輸、顯示和記錄，因此傳感器大多集中在“將外界非電信號轉換成電信號輸出”。對此，本文主要進行了以下幾個方面的工作： （ 1） 較為簡單明了的闡明了鍋爐控制的主要機理，并就整個溫度控制過程給出了較為清晰明了的說明； （ 2） 介紹了西門子 S7— 200 系列 PLC 的主要內容，并根據實際需要對型號和使用器件進行了對比選擇； （ 3） 介紹了 PID 控制算法的相關內容以及 PLC 自帶 PID 模塊的使用，并就系統自調整的步驟給出了相關介紹； （ 4） 根據控制系統的設計要求進行 PLC 控制程序的編制； （ 5） 上位機監控軟件的設計，采用應用范圍較大的組態王軟件對整個溫度控制過程進行監控。綜合對比而言， PLC 具有相當大的功能和成本優勢： PLC 不僅具有傳統繼電器控制系統的控制功能．而且能擴展輸入輸出模塊，特別是可以擴展一些智能控制模塊．構成不同的控制系統，將模擬量輸入輸出控制和現代控制方法融為一體，實現智能控制、閉環控制、多控制功能一體的綜合控制系統 。隨著現代傳感技術與控制方法的不斷革新和發展，對實時溫度控制的精度以及 反應快速性的要求越來越高。熱電偶作為溫度采集元件，采集的信號經溫度變送器轉換盒放大后送到 EM235處理，隨后送入 PLC進行 PID運算，運算結果控制調壓器對 加熱過程進行調節實現自動化控制。隨著現代 傳感技術與控制方法的不斷革新和發展，對實時溫度控制的精度以及反應快速性的要求越來越高。 傳統的溫控系統采用溫控儀表和繼電器式控制柜等進行控制，其主要缺點是結構復雜，體積大，故障率高，通用性差，控制精度低．人機交互困難，自動化程度低．難以滿足現代生產加工的需要。在硬件上主要采用西門子 S7200系列CPU224XP， K型熱電偶傳感器及 K型熱電偶變送器、柱式電壓調壓器以及 EM235模擬量輸入輸出擴展模塊。 傳統的溫控系統采用溫控儀表和繼電器式控制柜等進行控制，其主要缺點是結構復雜，體積大，故障率高，通用性差，控制精度低．人機交互困難，自動化程度低．難以滿足現代生產加工的需要。就發展情況和使用現狀而言， PLC 與集散控制系統的發展越來越接近，多數情況下已經 可以實現功能的互相替代；而工業微機在要求快速、實時性強、模型復雜的工業控制系統中占有優勢，但是最致命的弱點是尚不能適應復雜多變的工業現場環境且對操作人員要求比較高。 2 課題研究的主要內容 本文主要以電阻爐為對象研究設計了能夠根據實時狀態采取不同溫度控制方式的溫度控制系統，并保證了用戶可以調整預設溫度來針對不同的生產實踐過程，具有較強的適應性。 傳感檢測技術是實現自動控制、自動調節的關鍵環節，它與信息系統的輸入端相連接，并將檢測到的信號輸送到信息處理部分，是機電一體化系統的感受器官。 3 PLC 國際電工委員會（ IEC）于 1982 年頒布了 PLC 標準草案第一稿， 1987 年頒布了第三稿，對可編程控制器（ Programmable Logic Controller）定義如下： 可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專業為工業環境下應用而設計。 PLC 在運行狀態執行用戶指令分為 3 個時間段，第一段是輸入信號采集階段，以掃描方式順序讀入外面信號的輸入狀態并將該狀態輸入到輸入映像存儲器中；第二階段是用戶指令執行階段，按照梯形圖的順序先左后右、從上 到下的對指令進行讀取和解釋，并從輸入映像存儲器和輸出映像存儲器中讀取輸入和輸出的狀態，結合原來的各軟元件的數據及狀態進行邏輯運算，運算的結果存入響應的寄存器，然后執行下一條指令直至END；第三階段是結果輸出階段，輸出映像存儲器的狀態將成批輸出到輸出鎖存寄存器中，輸出鎖存寄存器一一對應著物理點輸出口，這才是 PLC 的實際輸出。 PLC 變成工具有手持式編程器，一般供現場調試及修改使用；個人電腦，利用專用的編程軟件（ STEP7MicroWIN）進行編程。組態軟件的出現為解決上述問題提供了一個嶄新的方法，因為它能夠很好的解決傳統工業控制軟件存在的問題，使用戶能根據自己的控制對象和控制目的任意組態，完成最終的自動化控制工程。 常用的組態軟件有 iFLX、 InTouch、 Citech、 WinCC、 TraceMode、組態王、力控。 SIMATIC S7— 200PLC 系統構成包括基本單元（ CPU 模塊）、擴展單元（接口模塊）、編程器、通信電纜、存儲卡、寫 入器、文本顯示器等。目前提供的 S7200 CPU 型號有 CPU 22CPU 22 CUP 22 CPU 22 CPU 226XM，其規格表如下： 6 表 西門子 S7200 各型號參數 特性 CPU 221 CPU 222 CPU224 CPU 224XP CPU226 外觀尺寸 mm 90?80?62 90?80?62 ?80?62 140?80?62 190?80?62 程 序 存 儲 器 帶 運 行 模式下編輯 4096 字節 4096 字節 8192 字節 12288 字節 16384 字節 不 帶 運 行模 式 下 編輯 4096 字節 4096 字節 12288 字節 16384 字節 24576 字節 數據存儲器 2048 字節 2048 字節 8192 字節 10240 字節 10240 字節 掉電保護時間 50 小時 50 小時 100 小時 100 小時 100 小時 本 機 I/O 數字量 6 輸入 /4 輸出 8 輸入 /6 輸出 14 輸入 /10輸出 14 輸入 /10輸出 24 輸入 /16輸出 模擬量 2 輸入 /1 輸出 拓展模塊數量 0 個模塊 2 個模塊 7 個模塊 7 個模塊 7 個模塊 高 速 計 數 器 單向 4 路 30KHZ 4 路 30KHZ 6 路 30KHZ 4 路 30KHZ 2 路 200KHZ 6 路 30KHZ 兩相 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 4 路 20KHZ 3 路 20KHZ 1 路 100KHZ 4 路 20KHZ 脈沖輸出 DC 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 2 路 100KHZ 2 路 20KHZ 模擬電位器 1 1 2 2 2 實時時鐘 卡 卡 內置 內置 內置 通訊口 1 S485 1 S485 1 S485 2 RS485 2 RS485 浮點數運算 是 數字 I/O 映像大小 256（ 128 輸入 /128 輸出） 布爾型執行速度 毫秒 /指令 對比較以上數據，考慮到傳感器采取數據為模擬量，故而本文選擇采用CPU224XP，由于本設計外部設備較少，故而不再對電源供電等方面進行討論， PLC內部電源即可滿足需求。 下表描述了如何用設定開關 DIP 設置 EM235 模塊，開關 1 到開關 6 可選擇模擬量輸入范圍和分辨率，所有輸入設置成相同的模 擬量輸入范圍和格式。西門子 PC/PPI 電纜帶有 RS232/RS485 電平轉換器，是 PC 標準