基于西門(mén)子s7-200的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 儲(chǔ)，發(fā)出控制指令。組態(tài)軟件提供了豐富的用于工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控的功能，用戶根據(jù)自 己工程的需要進(jìn)行選擇，配置等較為簡(jiǎn)單的工作來(lái)建立自己所需要的監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)。 常用的組態(tài)軟件有 iFLX、 InTouch、 Citech、 WinCC、 TraceMode、組態(tài)王、力控。其中， 組態(tài)王軟件是國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)較早的軟件，界面操作靈活方便，有較強(qiáng)的通信功能，對(duì)比使用便捷性和功能性，本設(shè)計(jì)采用組態(tài)王軟件。 5 第二章 硬件設(shè)計(jì) 硬件配置 西門(mén)子 S7200PLC 西門(mén)子 S7— 200 系列 PLC 以其極高的可靠性、豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時(shí)特性、強(qiáng)勁的通信能力 、豐富的擴(kuò)展模塊而適用于各行各業(yè)各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化，其強(qiáng)大功能使其無(wú)論獨(dú)立運(yùn)行或連成網(wǎng)絡(luò)皆能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜控制功能。 S7— 200 系列 PLC 在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中發(fā)揮其強(qiáng)大功能，使用范圍從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括水電、核電、火電、各種輸電、用電設(shè)施，各種機(jī)床、機(jī)械，環(huán)境保護(hù)設(shè)備及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等。 SIMATIC S7— 200PLC 系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元（ CPU 模塊）、擴(kuò)展單元（接口模塊）、編程器、通信電纜、存儲(chǔ)卡、寫(xiě) 入器、文本顯示器等。 （ 1） 基本單元（ CPU） S7200 CPU將一個(gè)微處理器、一個(gè)集成的電源和若干數(shù)字量 I/O 點(diǎn)集成在一個(gè)緊湊的封裝中，組成了一個(gè)功能強(qiáng)大的 PLC。 CPU 的主要功能使進(jìn)行邏輯運(yùn)算及數(shù)學(xué)運(yùn)算，并協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。 西門(mén)子提供多種型號(hào)的 CPU以適應(yīng)不同的應(yīng)用要求，每種型號(hào)都具有不同的數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)、內(nèi)存容量等規(guī)格參數(shù)。目前提供的 S7200 CPU 型號(hào)有 CPU 22CPU 22 CUP 22 CPU 22 CPU 226XM，其規(guī)格表如下： 6 表 西門(mén)子 S7200 各型號(hào)參數(shù) 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(chǔ) 器 帶 運(yùn) 行 模式下編輯 4096 字節(jié) 4096 字節(jié) 8192 字節(jié) 12288 字節(jié) 16384 字節(jié) 不 帶 運(yùn) 行模 式 下 編輯 4096 字節(jié) 4096 字節(jié) 12288 字節(jié) 16384 字節(jié) 24576 字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 2048 字節(jié) 2048 字節(jié) 8192 字節(jié) 10240 字節(jié) 10240 字節(jié) 掉電保護(hù)時(shí)間 50 小時(shí) 50 小時(shí) 100 小時(shí) 100 小時(shí) 100 小時(shí) 本 機(jī) I/O 數(shù)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(shù)量 0 個(gè)模塊 2 個(gè)模塊 7 個(gè)模塊 7 個(gè)模塊 7 個(gè)模塊 高 速 計(jì) 數(shù) 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(shí)時(shí)時(shí)鐘 卡 卡 內(nèi)置 內(nèi)置 內(nèi)置 通訊口 1 S485 1 S485 1 S485 2 RS485 2 RS485 浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算 是 數(shù)字 I/O 映像大小 256（ 128 輸入 /128 輸出） 布爾型執(zhí)行速度 毫秒 /指令 對(duì)比較以上數(shù)據(jù)，考慮到傳感器采取數(shù)據(jù)為模擬量，故而本文選擇采用CPU224XP，由于本設(shè)計(jì)外部設(shè)備較少，故而不再對(duì)電源供電等方面進(jìn)行討論， PLC內(nèi)部電源即可滿足需求。 7 （ 2） 擴(kuò)展模塊 EM235 為滿足工業(yè)控制要求， S7— 200PLC 配有模擬量輸入輸 出模塊 EM235，它具有4 個(gè)模塊量輸入通道， 1 個(gè)模擬量輸出通道。該模塊的模擬量輸入功能同 EM231 模擬量輸入模塊，特性基本相同，只是電壓輸入范圍有所不同；該模塊模擬量輸出功能同 EM232 模擬量輸出模塊，特性參數(shù)也基本相同。 該模塊需要 DC24V 供電，可由 CPU 模塊的傳感器電源 DC24V/400mA 供電，也可由用戶設(shè)置外部電源，本設(shè)計(jì)采用模塊數(shù)量較少，從經(jīng)濟(jì)角度和工業(yè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定角度考慮內(nèi)部供電。 下表描述了如何用設(shè)定開(kāi)關(guān) DIP 設(shè)置 EM235 模塊，開(kāi)關(guān) 1 到開(kāi)關(guān) 6 可選擇模擬量輸入范圍和分辨率，所有輸入設(shè)置成相同的模 擬量輸入范圍和格式。其中，開(kāi)關(guān) 6 為選擇單雙極性、開(kāi)關(guān) 4 和 5 為選擇增益，開(kāi)關(guān) 2 和 3 為選擇衰減。 表 EM235 設(shè)定開(kāi)關(guān) DIP 本設(shè)計(jì)選擇單極性，開(kāi)關(guān)為 010001。 （ 3） 編程 /通信電纜 編程 /通信電纜是 PLC 用來(lái)實(shí)現(xiàn)與個(gè)人計(jì)算機(jī) PC 通信的，連接 PLC 的 RS485口和計(jì)算機(jī)的 RS232 可以用 PC/PPI 電纜。西門(mén)子 PC/PPI 電纜帶有 RS232/RS485 電平轉(zhuǎn)換器，是 PC 標(biāo)準(zhǔn)串口 RS232 到 PPI 接口（ PLC 通信端口 RS485）的轉(zhuǎn)換電纜、 8 互連電纜，是一種低成本的通信方式。適用于西門(mén)子 S7— 200 系列 PLC，支持 PPI協(xié)議和自由口通信協(xié)議，并可使用 MODEM（調(diào)制解調(diào)器）通過(guò)電話線遠(yuǎn)程通信。PC/PPI 電纜具有光電隔離和內(nèi)置的防靜電、浪涌等瞬態(tài)過(guò)電壓保護(hù)電路，能夠很好的保護(hù)電路，解決通信口易燒的問(wèn)題。 表 PC— RS232 插頭和 PPI— RS485 插頭的信號(hào)定義 PC— RS232 插頭 PPI— RS485 插頭 針號(hào) 信號(hào)說(shuō)明 針號(hào) 信號(hào)說(shuō)明 2 接受數(shù)據(jù) RD（從 PC/PPI 輸出） 2 24V電源負(fù)極（ RS485 邏輯地） 3 發(fā)送數(shù)據(jù) SD（輸入到 PC/PPI） 3 RS485 信號(hào) B（ RxD/TxD+） 4 數(shù)據(jù)終端就緒 DTR 7 24 電源正極 5 地（ RS232 邏輯地） 8 RS485 信號(hào) A（ RxD/TxD） 7 請(qǐng)求發(fā)送 RTS 9 協(xié)議選擇 將 PC/PPI 電纜的 RS485 插頭插入 S7— 200PLC 的編程口， RS232 插頭插入 PC的 RS232 口，并在編程軟件上選擇對(duì)應(yīng)的 COM 口號(hào)，將 10bit、 11bit 選擇開(kāi)關(guān)撥到 11bit 位置即可。 PC/PPI 電纜的波特率為 0— 。 考慮到本設(shè)計(jì) PC 機(jī)與 PLC 需要進(jìn)行長(zhǎng)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(hào)反射。 熱電偶 熱電偶是目前熱電測(cè)溫中普遍使用的一種溫度計(jì)，其工作原理是基于熱電效應(yīng)，可廣泛用來(lái)測(cè)量 200— 1300℃范圍內(nèi)的溫度。熱電偶溫度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，準(zhǔn)確度高，測(cè)溫范圍廣、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。由于熱電偶直接將溫度轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)，使溫度的測(cè)量、控制、遠(yuǎn)傳以及對(duì)溫度信號(hào)的放大和變換都非常方便，適用于遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制。在接觸式測(cè)溫方式中，熱電偶溫度計(jì)應(yīng)用最為普遍。 在我國(guó)常用用的熱電偶達(dá)數(shù)十種，國(guó)際 電工委員會(huì) IEC 對(duì)其中已被國(guó)際公認(rèn)的8 種熱電偶制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，這些熱電偶稱為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶已列入工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)文件中，文件規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系、答應(yīng)誤差、并具有統(tǒng)一的分度表，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶具有與其配套的顯示儀表可供選用；與此對(duì)應(yīng)，非標(biāo)準(zhǔn)化熱電 9 偶在適用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。本設(shè)計(jì)選擇 K 型熱電偶（ 鎳鉻－鎳硅 ），其長(zhǎng)期使用溫度為 270— 1000℃，短期使用溫度可達(dá)到 1300℃，在工業(yè)中應(yīng)用最多，適應(yīng)氧化性環(huán)境、線性度好。下表為其分度表部分 內(nèi)容，參考端溫度為 0℃。 表 K 型熱電偶分度表（節(jié)選） 由溫度傳感器檢測(cè)來(lái)的信號(hào)不是標(biāo)準(zhǔn)的電壓（電流）信號(hào)，不能夠直接傳送給PLC，因此溫度傳感器采集到的溫度信號(hào)要經(jīng)過(guò)變送器的處理以后才能被 A/D 轉(zhuǎn)換器識(shí)別并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。 溫度變送器由基準(zhǔn)源、冷端補(bǔ)償、放大單元、線性化處理、 V/I 轉(zhuǎn)換、斷偶處理、反接保護(hù)、限流保護(hù)等電路單元組成。它是將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)經(jīng)冷端補(bǔ)償放大后，再由線性電路消除熱電勢(shì)與溫度的非線性誤差，最后放大轉(zhuǎn)換為 4～ 20mA電流輸出信號(hào)。為防止熱電偶測(cè)量中由于電偶斷絲而 使控溫失效造成事故，變送器中還設(shè)有斷電保護(hù)電路。當(dāng)熱電偶斷絲或接解不良時(shí)，變送器會(huì)輸出最大值（ 28mA）以使儀表切斷電源。 由于本設(shè)計(jì)采取了 K 型熱電偶傳感器，故而熱電偶溫度變送器采用 K 型熱電偶溫度變送器。 電力調(diào)整器 本設(shè)計(jì)采用的鍋爐為電阻爐，電阻爐是基于電阻發(fā)熱原理的加熱設(shè)備。電阻爐溫度控制系統(tǒng)一般包括控制回路和主回路兩個(gè)部分，主回路是由可控硅、過(guò)電流保護(hù)快速熔斷器、過(guò)電壓保護(hù) 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(hào)電源、直流工作電源、電流反饋環(huán)節(jié)、同步信號(hào)環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖 產(chǎn)生器、溫度檢測(cè)器和 PID 溫度調(diào)節(jié)器等部分組成，其中主回路根據(jù)控制回路 PID 10 控制信號(hào)經(jīng)功率分配調(diào)節(jié)裝置（調(diào)功器）來(lái)調(diào)整加熱體能夠獲取的發(fā)熱功率。 調(diào)功器是加熱主回路的核心部件，目前大多采用一體化的晶閘管電力控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻爐負(fù)載功率的調(diào)節(jié)分配。“晶閘管”又稱“可控硅”（ SCR），是一種四層三端半導(dǎo)體器件，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大等有點(diǎn)。晶閘管門(mén)極與負(fù)極之間輸入正向觸發(fā)電壓時(shí)晶閘管導(dǎo)通，陽(yáng)極 A 與陰極 K 之間外加正向電壓；若晶閘管陽(yáng)極和陰極之間外加的是交流電壓，則在電壓過(guò)零時(shí)晶閘管會(huì)自行關(guān)斷。調(diào)功器主要利用 了晶閘管的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)特性，能夠迅速的將器件從關(guān)閉或阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開(kāi)啟或?qū)顟B(tài)，通過(guò)開(kāi)端狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)間的改變來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載上的電壓波形；同時(shí)由于晶閘管具有較寬的電流電壓控制能力，晶閘管的應(yīng)用也逐漸普及起來(lái)，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(lái)進(jìn)行使用 。 晶閘管調(diào)功器一般由觸發(fā)板、晶閘管模塊、專用散熱器、風(fēng)機(jī)、外殼等組成，其核心部件是控制板和晶閘管模塊，散熱系統(tǒng)采用高效散熱、低噪音風(fēng)機(jī)。晶閘管調(diào)功器一般與帶有 05V， 420mA 的智能 PID 調(diào)節(jié)器或 PLC 配套使用，負(fù)載類型可以是三相阻性 負(fù)載、三相感性負(fù)載及三相變壓器負(fù)載。目前主流電力調(diào)整器都是調(diào)壓與調(diào)功一體化的，調(diào)壓采用移相控制方式，有定周期調(diào)功和變周期調(diào)功兩種方式。 本設(shè)計(jì)主要采用 JK3S 系列調(diào)功器。 JK3S 系列調(diào)功器是具有高度數(shù)字化的新型功率控制設(shè)備，集移向調(diào)壓型和變周期、定周期過(guò)零調(diào)功型三種觸發(fā)方式于一體，通過(guò)外部轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可在三種觸發(fā)方式之間任意轉(zhuǎn)換；帶有數(shù)碼顯示模塊，能夠?qū)崟r(shí)顯示輸入信號(hào)、負(fù)載功率、負(fù)載電壓以及負(fù)載電流，有斜率調(diào)整、緩啟動(dòng)、緩關(guān)斷、電流限制、過(guò)流保護(hù)、電壓限制、過(guò)壓保護(hù)報(bào)警等功能，具有開(kāi)環(huán)調(diào)壓、閉環(huán)恒流、閉環(huán)恒壓、 閉環(huán)恒功率四種調(diào)節(jié)方式；參數(shù)設(shè)置方便，接線簡(jiǎn)單，具有通訊功能， RS485 接口，標(biāo)準(zhǔn) MODBUS RTU 通訊協(xié)議，計(jì)算機(jī)能夠通過(guò) 485通訊數(shù)字量進(jìn)行控制。 JK3S 型三相數(shù)字可控硅調(diào)壓器與 05V、 420ma 的智能 PID調(diào)節(jié)器或 PLC 配套使用，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的溫度控制。 從 北京佳凱中興自動(dòng)化技術(shù)有限公司 網(wǎng)站上查閱到主要技術(shù)參數(shù)如下： 11 表 JK3S 系列 三相全數(shù)字晶閘管功率控制器 輸入 主回路電源 3AC100～ 500V， 45～ 65Hz 控制電源 AC220V177。 15% 風(fēng)機(jī)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(kāi)環(huán)、恒壓、恒流、恒功率、調(diào)功、 LZ 等任意選擇 負(fù)載性質(zhì) 電阻性、電感性、變壓器一次側(cè) 主要控制特性 控制信號(hào) 模擬給定、內(nèi)部數(shù)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(kāi)關(guān)量輸