基于西門子s7200plc溫度控制系統(tǒng)的設計

1、1anyang institute of technology 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 基于西門子 s7-200plc 溫度控制系統(tǒng)的設計the design of temperaturecontrol systembased on simon s7-200plc系（院）名稱： 電子信息與電氣工程系 專業(yè)班級： 05 自動化 2 班 學生姓名： 逯旭昌 指導教師姓名： 董昭 指導教師職稱： 講師 22009 年 5 月目錄目錄第一章第一章 緒論緒論.11.1 課題的意義及應用背景 .11.2 硫化的相關要求 .11.5 本章小結 .2第二章第二章 硫化機溫度控制系統(tǒng)的設計硫化機溫度

2、控制系統(tǒng)的設計.32.1 系統(tǒng)基本設計思想 .32.2 pid 控制方案簡介.32.3 pid 參數(shù)的整定.42.4 pid 參數(shù)仿真.62.4.1 matlab 軟件簡介.62.5 測溫元件及溫度檢測技術 .92.5.1 溫度變送器的選擇 .92.6 本章小結 .10第三章第三章 硫化機硬件電路設計硫化機硬件電路設計.113.1 硫化機控制系統(tǒng)的組成 .113.1.1 系統(tǒng)設計的原則 .113.1.2 系統(tǒng)設計的內容 .123.2 可編程控制器 .153.3 可編程控制器的特點 .163.4 可編程控制器的工作原理 .163.5 西門子 s7-200plc 功能介紹 .173.5.1 s7-

3、200 的技術指標 .173.5.2 cpu224 的技術指標.183.5.3 模擬量輸入模塊 em231.203.5.4 模擬量輸出模塊 em232.203.6 硅調壓模塊 .213.7 測溫元件及溫度檢測技術 .223.7.1 溫度變送器的選擇 .233.8 硬件電路圖設計 .233.9 本章小結 .24第四章第四章 軟件設計軟件設計.2534.1 軟件設計思想 .254.2 s7-200 的程序結構.254.3 s7-200 的編程.264.4 梯形圖的基本繪制規(guī)則 .274.5 硫化機系統(tǒng)的 i/o 分配表 .284.6 硫化機 pid 溫度控制系統(tǒng)的邏輯圖 .284.7 可編程控制器

4、的軟件 .304.8 plc 程序.324.9 本章小結 .35結結 論論.36致致 謝謝.37參考文獻：參考文獻：.384基于西門子基于西門子 s7-200plcs7-200plc 的溫度控制系統(tǒng)的設計的溫度控制系統(tǒng)的設計專業(yè)班級 05 自動化 2 班 學生姓名：逯旭昌指導教師： 董昭 職稱：講師摘要：摘要： 在橡膠工業(yè)中，硫化工藝是最后一個工藝過程，也是最為關鍵的一個環(huán)節(jié)，作為橡膠硫化主要設備的平板硫化機必須具備控制硫化條件（硫化溫度、硫化時間和硫化壓力）的能力，其控制精度將直接影響橡膠硫化制品的質量好壞。而硫化溫度的控制精度是其中最為重要的。硫化溫度控制精度越高，則越容易得到質量更好、性

5、能更穩(wěn)定的產品。但在實際生產中，普遍存在溫度控制系統(tǒng)精度不高，達不到硫化國家標準的溫度。因此實現(xiàn)高精度的平板硫化機溫度控制以提高橡膠制品質量對橡膠工業(yè)生產具有重大意義。本文在分析國內外平板硫化機溫度控制系統(tǒng)的基礎上，針對平板硫化對象的可變性和強干擾等特點，提出了以西門子 s7-200plc 為中心，在溫度控制中應用 pid 控制技術，從而有效提高溫度控制精度滿足不同產品對硫化溫度的要求。關鍵詞：關鍵詞：溫度控制 平板硫化機 硫化溫度 西門子 s7-200plc pid 控制 5the design of temperaturecontrol systembased on simon s7-20

6、0plcabstract：in the rubber industry, the vulcanization is the last process is also one of the most critical, as the main machine of the vulcanization, the flat vulcanization machine must have the capability to control the vulcanization condition, including temperature time and pressure. the ability

7、to control the accuracy of will directly affect the quality of rubber products quality. however, the control precision of temperature is the most important of them. however, in actual production, the prevalence of precision temperature control system is not high, amounting to less than the national

8、standard curing temperature. therefore the realization of flat-panel high-precision temperature control the vulcanization to improve the quality of rubber products rubber industrial production is of great significance. based on the analysis of domestic and international flat-panel vulcanize temperat

9、ure control system, based on the object for the flat-panel sulfide interference variability and the characteristics of a siemens s7-200plc as the central temperature control in the application of pid control technology, so as to effectively improve the accuracy of temperature control products to mee

10、t different requirements of the curing temperature.key words：temperature control plate curing temperature vulcanize siemens s7-200plc pid control6引 言在橡膠工業(yè)中，硫化工藝是最后一個工藝過程，也是最為關鍵的一個環(huán)節(jié)，作為橡膠硫化主要設備的平板硫化機必須具備控制硫化條件（硫化溫度、硫化時間）大額能力，其控制的精度直接影響橡膠硫化制品質量的好壞。而硫化溫度的控制的控制精度是最為重要的。硫化溫度控制精度越高，則越容易得到質量更好、性能更加穩(wěn)定的產品。但在

11、實際生產中，普遍存在溫度控制系統(tǒng)精度不高，達不到硫化國家標準的問題。因此實現(xiàn)高精度的平板硫化機溫度控制,以提高橡膠制品質量對橡膠工業(yè)生產具有重大的現(xiàn)實意義。平板硫化機是橡膠中的主要設備其必須具備控制硫化條件的能力，也即對硫化溫度、硫化時間和硫化壓力進行合理控制，其控制的直接影響著橡膠硫化制品的質量好壞。控制精度越高，則越容易得到質量更好的、性能更穩(wěn)定的產品，這在特種橡膠生產上更為重要。另一方面，平板硫化機的加熱分方式的好壞、自動化程度的高低也是直接關系到橡膠制品質量的重要因素，這往往也是橡膠制品生產廠家選擇平板硫化機的重要指標。硫化過程是橡膠大分子鏈發(fā)生反應的過程。在工業(yè)生產中，這種交聯(lián)反應是

12、在一定溫度、時間和壓力的條件下完成的，這寫條件被稱為硫化條件。由于這三個條件對橡膠制品的硫化質量起著決定性的作用，因此通常又稱之為“硫化三要素” 。如何制定硫化條件，特別是橡膠的硫化溫度是硫化工藝中的重要技術內容。1第一章 緒論1.1 課題的意義及應用背景在橡膠工業(yè)中，硫化工藝是最為關鍵的一個環(huán)節(jié)，如何對硫化溫度進行控制以提高產品的質量，是硫化工藝中必須解決的關鍵問題。硫化是橡膠制品生產的最后一個工藝過程。在這個過程中，橡膠發(fā)生了一系列化學變化，使塑性狀態(tài)橡膠轉變?yōu)閺椥曰蚴怯操|狀態(tài)的橡膠制品，從而獲得完善的物理機械性能和化學性質，成為有用的高分子材料。作為橡膠硫化主要設備的平板硫化機必須具備控

13、制硫化條件的能力，也即對硫化溫度、硫化時間和硫化壓力進行合理控制，其控制的直接影響著橡膠硫化制品的質量好壞?？刂凭仍礁?，則越容易得到質量更好的、性能更穩(wěn)定的產品，這在特種橡膠生產上更為重要。另一方面，平板硫化機的加熱分方式的好壞、自動化程度的高低也是直接關系到橡膠制品質量的重要因素，這往往也是橡膠制品生產廠家選擇平板硫化機的重要指標。硫化過程是橡膠大分子鏈發(fā)生反應的過程。在工業(yè)生產中，這種交聯(lián)反應是在一定溫度、時間和壓力的條件下完成的，這寫條件被稱為硫化條件。由于這三個條件對橡膠制品的硫化質量起著決定性的作用，因此通常又稱之為“硫化三要素” 。如何制定硫化條件，以及在生產中的實施硫化條件都是

14、硫化條件硫化工藝中的重要技術內容。1.2 硫化的相關要求在橡膠工業(yè)中，硫化工藝是最后一個工藝過程，也是最為關鍵的一個環(huán)節(jié)，作為橡膠硫化主要設備的平板硫化機必須具備控制硫化條件（硫化溫度、硫化時間）大額能力，其控制的精度直接影響橡膠硫化制品質量的好壞。而硫化溫度的控制的控制精度是最為重要的。硫化溫度控制精度越高，則越容易得到質量更好、性能更加穩(wěn)定的產品。但在實際生產中，普遍存在溫度控制系統(tǒng)精度不高，達不到硫化國家標準的問題。因此實現(xiàn)高精度的平板硫化機溫度控制,以提高橡膠制品質量對橡膠工業(yè)生產具有重大的現(xiàn)實意義硫化的相關要求主要有硫化機的工藝流程和橡膠硫化的工藝要求。這兩個2要求也是本設計主要要實

15、現(xiàn)的。硫化機的工藝流程是：硫化硫化機升溫到設定溫度橡膠磨具放入硫化機橡膠磨具加熱硫化時間到汽缸運動時出加熱區(qū)。橡膠硫化的工藝要求是：當加熱區(qū)內溫度達到預定溫度時（如：150度）放入磨具。采用基于 plc 的 pid 控制，使加熱平板的溫度達到升溫保溫的要求。 加內容1.5 本章小結本章主要介紹了硫化工藝，以及溫度控制對硫化產品的影響，和本次設計的主要要求。3第二章第二章 硫化機溫度控制系統(tǒng)的設計硫化機溫度控制系統(tǒng)的設計2.1 系統(tǒng)基本設計思想pid 控制是自動控制中產生最早的一種控制方法，在實際控制工程中的應用最廣。據(jù)不完全統(tǒng)計，在工業(yè)過程控制和航空航天控制等領域，應用 pid 控制占 80%

16、以上。本系統(tǒng)是以西門子 s7-200plc 為主要控制原件，利用其內部的pid 指令進行模擬量溫度控制，此控制思路不盡設計思路簡易，而且還省去了買 pid 模塊的成本。本課題的設計是基于 plc 的溫度控制系統(tǒng)，基于以上情況，本設計以對 pid 控制（模擬和數(shù)字）理論深入研究的基礎上，設計基于 plc的 pid 溫度控制器，首先整定 pid 控制器控制參數(shù)咬比例、積分、微分系數(shù)）的初值，然后根據(jù)控制要求選擇合適的溫度傳感器，選擇 plc 的具體型號以及設計 i/o 接口的分配，本系統(tǒng)以晶閘管調壓模塊接 plc 的輸出信號用來控制加熱棒的加熱功率，從而達到實時控制。本課題研究有利于稱補老舊硫化溫

17、度控制精度不高的缺點，推動 plc 控制系統(tǒng)在硫化機上的廣泛應用具有一定意義。2.2 pid 控制方案簡介在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 pid 控制，又稱 pid 調節(jié)。pid 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用 pid 控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用

18、pid 控制技術。 pid 控制，實際中也有 pi 和 pd 控制。pid 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。(1)比例（p）控制4比例控制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。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ steady-state error）。(2)積分（i）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ system with steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “

19、積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加 ，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大 ，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此 ，比例+積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。(3)微分（d）控制在微分控制中，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。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應

20、該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。2.3 pid 參數(shù)的整定在常規(guī)控制系統(tǒng)中，pid 控制是迄今為止算法比較簡單、功能比較完善、效果比較好的一種控制算法，其一般形式為 )()()()(neknekneknudip 5式中n 采樣序號；u(n) 第n次采樣時刻的控制器輸出; e(n)

21、 第n 次采樣時刻輸入的偏差; e(n) 第n 次采樣時刻輸入的偏差與第n-1次采樣時刻輸入的偏差之差；kp 比例增益；ki積分系數(shù)（11ttkkp）kd 微分系數(shù)（ttkkpd）t 采樣周期，ti 、td分別為積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。 典型的數(shù)字 pid 控制系統(tǒng)如圖 1 所示，圖中sp(t)是給定值pv(t)為反饋量，c(t)為輸出值，pid 控制器的輸入輸出關系可表示為：nnnnmdmimpm 其中：kc ki kd 為 pid 比例、積分、微分系數(shù)。圖 1并分別用反應曲線法求出對象在各溫區(qū)的近似數(shù)學模型為 1tskgi反應曲線如圖 2 所示,ki ,ti ,a 可按表 1 經驗公式

22、求得各溫區(qū)的調節(jié)器最佳 pi d 參數(shù)值表 1 pid 參數(shù)的經驗公式表控制方式比例度 積分時間 sti/微分時間std/p(takii/)1006pi1.1(takii/)1003.3iapid0.85(takii/)1002ia0.5ia圖 2 反應曲線圖求的加熱系統(tǒng)的特征參數(shù)為：k=1 t=5。采用階躍相應法，根據(jù)柯恩庫恩整定公式，初步測得參數(shù)為：kp = 2 ，ti= 10 ，td=2，kp = 3，ti= 5， td=1。2.4 pid 參數(shù)仿真2.4.1 matlab 軟件簡介matlab 自 1984 年推向市場以來,歷經十多年的發(fā)展和競爭，現(xiàn)已成為國際認可的最優(yōu)化的科技應用軟件

23、。與其他高級語言相比, matlab 提供了一個人機交互的數(shù)學系統(tǒng)環(huán)境，可以大大節(jié)省編程時間。matlab 語法規(guī)則簡單、容易掌握、調試方便，具有高效、簡單和直觀的特性。使用者只需輸入一條命令而不用編制大量的程序即可解決許多數(shù)字問題,正是由于 matlab 的強大功能,受到國7內外專家學者的歡迎和重視,他已成為許多大學生的重要工具。在這次仿真中我們主要用到 matlab 軟件中的 simulink 交互式仿真集成環(huán)境對傳遞函數(shù)和整定后的 pid 參數(shù)進行仿真。（1）當 kp =2，ti=10，td=2。圖 3 pid 控制方框圖圖 4 仿真波形圖（2）當 td=2，kp =3，ti=5，td=

24、1。8圖 5 pid 控制方框圖圖 6 仿真波形圖從上述兩幅圖圖可以看出系統(tǒng)都有一定的超調，但是當 kp =2 ，ti=10 ，td=2 經過短暫調節(jié)后達到穩(wěn)定狀態(tài)且沒有誤差，而當 td=2，kp =3，ti=5， td=1 時波動較大而且在達到穩(wěn)態(tài)后仍然存在誤差，所以選用 kp =2 ，ti= 10 ，td=2 這組參數(shù)。92.5 測溫元件及溫度檢測技術目前，常用的溫度傳感器種類很多：熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器、熱電阻傳感器和半導集成溫度傳感器，但是在微機溫度控制系統(tǒng)中使用的傳感器必須是能將非電量轉變成電量的傳感器,因此使用的就是熱電阻傳感器。本系統(tǒng)要求的測溫范圍為 0200，因此選用熱電

25、阻，在此選用 pt100 熱電阻，需要強調的是基于熱平衡原理，在本設計中采用接觸式測溫，測溫敏感元件必須與介質接觸，使兩者處于同一熱平衡狀態(tài)。2.5.1 溫度變送器的選擇pt100 傳感器測量溫度的隔離變送器，型號為 rs3100，在工業(yè)上主要用于測量-200+500的溫度。該產品 pt100 傳感器由用戶自己配備，變送器內有線性化和長線補償功能，出廠時按照 pt100 國標分度表校正，完全達到 0.2 級精度要求。輸入、輸出和輔助電源之間是完全隔離（三隔離） ，可以承受 2500vdc的隔離耐壓。產品采用 din35 國際標準導軌安裝方式,體積小、精度高、性能穩(wěn)定、性價比高，可以廣泛應用在石

26、油、化工、電力、儀器儀表和工業(yè)控制等行業(yè)。主要特性（1）輸入：pt100(-20+400) (范圍可選擇)（2）輸出信號：420ma/05v（3）精度等級：0.2 級(fsr%)（4）內含線性化和長線補償功能（5）隔離耐壓：2500vdc(0.5ma,60s)（6）din35 導軌安裝(7) 精度高、性能穩(wěn)定可靠。技術參數(shù)序號參數(shù)名稱測試條件 min typ max 單位備注1.輸入類型鉑電阻 10002.精度等級 fsr% 0.2 級3.輔助電源 12,15,24 v104.電源范圍 10%5.靜態(tài)電流 +24vdc 16 20ma6.存儲溫度 -20802.6 本章小結本章主要介紹了系統(tǒng)的

27、設計思想和 pid 參數(shù)的整定以及對其模擬仿真和比較。11第三章第三章 硫化機硬件電路設計硫化機硬件電路設計3.1 硫化機控制系統(tǒng)的組成硫化機控制系統(tǒng)主要由基于 plc 的溫度 pid 控制部分，測量電路部分，輸出調壓電路部分和供電電源部分組成。3.1.1 系統(tǒng)設計的原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象的要求，以提高生產效率和產品質量。在可編程序控制器的系統(tǒng)設計時也應該把這個問題放到首位。plc系統(tǒng)設計應當遵循以下原則。（1）滿足要求最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設計控制系統(tǒng)的首要前提。這也是設計中最重要的一條原則。這就要求設計人員在設計前就要深入現(xiàn)場進行調查研究。收集控制現(xiàn)場的

28、資料，收集控制過程中有效的控制經驗，收集與本控制系統(tǒng)有關的先進的國內、國外資料，進行系統(tǒng)設計。同時要注意要和現(xiàn)場的工程管理人員、工程技術人員、現(xiàn)場工程操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設計中的重點問題和疑難問題。（2）安全可靠控制系統(tǒng)長期運行中能否達到安全、可靠、穩(wěn)定，是設計控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設計要考慮控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運行。為了能達到這一點，要求在系統(tǒng)設計上，器件選擇上，軟件編程上要全面考慮。比如說，在硬件和軟件的設計上應該保證 plc 程序不僅在正常條件下能正確運行，而且在一些非正常情況下（如突然掉電再上電，按鈕按錯） ，也能正常工作。程序能接受并且只能接受合

29、法操作，對非法操作程序能予以拒絕等等。（3）經濟實用經濟運行也是系統(tǒng)設計的一項重要原則。一個新的控制工程固然能提高產品的質量，提高產品的數(shù)量，從而為工程帶來巨大的經濟效益和社會效益。但是，新工程的投入、技術的培訓、設備的維護也會導致工程的投入和運行資金12的增加。在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求，不僅應該使控制系統(tǒng)簡單、經濟，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護即方便又低成本。（4）適應發(fā)展 社會在不斷地前進，科學在不斷地發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也一定會不斷地在提高、不斷地在完善。因此，在控制系統(tǒng)的設計時要考慮到今后的發(fā)展、完善。這就

30、要求在選擇 plc 機型和輸入/輸出模塊要能適應發(fā)展的需要，要適當留有余量3.1.2 系統(tǒng)設計的內容(1)選擇機型目前，可編程序控制器產品種類繁多，同一個公司生產出的 plc 也常常推出系列產品。這需要用戶去選擇最適合自己要求的產品。正確選擇產品中，首要的是選定機型。a. 根據(jù)系統(tǒng)類型選擇機型從選機型的角度看，控制系統(tǒng)可以分成單體控制小系統(tǒng)、慢過程大系統(tǒng)和快速控制大系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在 plc 的選型上是有區(qū)別的。單體控制的小系統(tǒng)：這種系統(tǒng)一般使用一臺可編程序控制器就能完成控制要求，控制對象常常是一臺設備或多臺設備中的一個功能。如對原有系統(tǒng)的改造、完善或改進原有設備的某方面功能等等。這種系統(tǒng)對可編

31、程序控制器間的通信問題要求不高，甚至沒有要求。但有時功能要求全面，容量要求變化大，有些還要與原設備系統(tǒng)的其它機器連接。對這類系統(tǒng)的機型選擇要注意三種情況。一是設備集中，設備的功率較小，如機床。這時需選用局部式結構，低電壓高密度輸入輸出模板。二是設備分散，設備的功率較大，如料場設備。這時需選用離散式結構，高電壓低密度輸入輸出模板。三是有專門要求的設備，如飛剪。這時輸入輸出容量不是關鍵參數(shù)，更重要的是控制速度功能，選用高速計數(shù)功能模板。慢過程大系統(tǒng)：對運行速度要求不高但設備間有連鎖關系，設備距離遠，13控制動作多，如大型料場、高爐、碼頭、大型車站信號控制；也有的設備本身對運行速度要求高，但是部分子

32、系統(tǒng)要求并不高，如大型熱連續(xù)軋鋼廠、冷連續(xù)軋鋼廠中的輔助生產機組和供油系統(tǒng)、供風系統(tǒng)等。對這一類型對象，一般不選用大型機，因為它編程、調試都不方便，一旦發(fā)生故障，影響面也大。一般都采用多臺中小機型和低速網相連接。由于現(xiàn)代生產的控制器多為插件式模板結構，它的價格是隨輸入輸出板數(shù)和智能模板數(shù)的多少決定的。同一種機型輸入輸出點數(shù)少，則價格便宜，反之則貴。所以一般使用網絡相連后就不必要選大型機。這樣選用每一臺中小型可編程序控制器控制一臺單體設備，功能簡化，程序好編，調試容易，運行中一旦發(fā)生故障影響面小，且容易查找。例如東北建筑設計院和東北大學為鞍山市小型砌塊廠和鞍鋼礦碴廠設計的砌塊自動生產線就是采取這

33、種結構進行控制的。其中成型機、升板機、降板機、排塊機、碼垛機、大車、小車每個部分都是采用了一臺小型 plc 控制。在這個系統(tǒng)中每個生產設備都由一臺可編程序控制器完成控制任務，然后用網絡把整個系統(tǒng)管理起來。這種結構，所用控制器的臺數(shù)雖然多些，但程序編寫省時，調試方便，故障影響面小。從總體上看是合理的，可滿足系統(tǒng)要求，價格也便宜。快速控制大系統(tǒng)：隨著可編程序控制器在工業(yè)領域應用的不斷擴大，在中小型的快速系統(tǒng)中，可編程序控制器不僅僅完成邏輯控制和主令控制，它已逐步進入了設備控制級，如高速線材，中低速熱連軋等速度控制系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中即使選用輸入輸出容量大、運行速度快、計算功能強的一臺大型可編程序控

34、制器也難以滿足控制要求。如用多臺可編程序控制器，則有互相間信息交換與系統(tǒng)響應要求快的矛盾。采用可靠的高速網能滿足系統(tǒng)信息快速交換的要求。高速網一般價格都很貴，適用于有大量信息交換的系統(tǒng)。 對信息交換速度要求高，但交換的信息又不太多的系統(tǒng)，也可以采用可編程序控制器的輸出端口與另一臺可編程序控制器的輸入端口硬件互聯(lián)，通過輸出輸入直接傳送信息，這樣傳送速度快而且可靠。當然傳送的信息不能太多，否則輸入輸出點占用太多。b. 根據(jù)控制對象選擇機型：對控制對象要求進行估計，對確定機型十分重要。根據(jù)控制對象要求的輸入/輸出點數(shù)的多少，可以估計出 plc 的規(guī)模。根據(jù)控制對象的特殊要求，可以14估計出 plc

35、的性能。根據(jù)控制對象的操作規(guī)則可以估計出控制程序所占內存的容量。有了這些初步估計，會使得機型選擇的可行性更大了。為了對控制對象進行粗估，首先要了解下列問題。對輸入/輸出點數(shù)的估計：為了正確地估計輸入/輸出點數(shù)，需要了解下面問題：1.對開關量輸入，按參數(shù)等級分類統(tǒng)計。2.對開關量輸出，按輸出功率要求及其它參數(shù)分類統(tǒng)計。3.對模擬量輸出/輸入，按點數(shù)進行粗估。對 plc 性能要求的估計：為了正確地估計 plc 性能要求，需要了解下面問題:1.是否有特殊控制功能要求，如高速計數(shù)器等。2.機房離現(xiàn)場的最遠距離為多少？3.現(xiàn)場對控制器響應速度有何要求。在此基礎上選擇控制器時尚需注意兩個問題。其一是 pl

36、c 可帶 i/o 點數(shù)。有的手冊或產品目錄單上給出的最大輸入點數(shù)或最大輸出點數(shù)，常意味著只插輸入模塊或只插輸出模塊的容量，即實際給出的是輸入輸出容量之和，有時也稱為掃描容量，需格外注意。其二是 plc 通訊距離和速度。手冊上給出的覆蓋距離，有時叫最大距離，包括遠程 i/o 板在內達到的距離。但遠程 i/o 板的i/o 反應速度大大下降，一般為 19.2k 波特率。對所需內存容量的估計：用戶程序所需內存與下列因素有關。1.邏輯量輸入輸出點數(shù)的估計。2.模擬量輸入輸出點數(shù)的估計。3.內存利用率的估計。4.程序編制者的編程水平的估計。程序中的各條指令最后都是以機器語言的形式存放在內存中?？刂葡到y(tǒng)中輸

37、入輸出點數(shù)和存放該系統(tǒng)用戶機器語言與所占用的內存數(shù)字之比稱為內存利用率。內存利用率與編程水平有關。內存利用率的提高會使同樣程序減少內存容量，從而降低內存投資、縮短周期時間、從而提高系統(tǒng)的響應時間。從上面內容的綜合可以選擇出合適的機型。當然，最后還要校驗一下所用電源的容量。在校驗電源容量時，要注意15plc 系統(tǒng)所需電流一定要在電源限定電流之內。如果滿足不了這個條件，解決的辦法只能有三個。其一是更換電源。其二是調整 i/0 模塊。其三是更換 plc系統(tǒng)。在機型選定之后就要確定接口設備。plc 的接口設備的選擇如何，對控制系統(tǒng)的功能至關重要。(2) 選擇接口設備目前 plc 的產品很多，在選擇機型

38、和接口設備時要注意選擇質量好，控制可靠的產品。這里所說的接口設備包含兩類。一類是 plc 自身的 i/o 模塊、功能模塊，一類是和接口模塊相連的外部設備。對于 plc 自身的模塊的選擇主要注意兩個問題。一是和 plc 能否很好塊對接。這一點請注意模塊的型號、規(guī)格要配套。最好類型、型號一致。這樣才能使對接的方便、可靠、穩(wěn)定。二是這些模塊能和外部設備對接。這就考慮到模塊和外部設備要匹配，要性能匹配、速度匹配、電平匹配。不僅要注意它們穩(wěn)態(tài)特性，也要注意它們的動態(tài)特性。在系統(tǒng)的硬件選定之后，主要的問題是程序設計。為了能夠便于程序設計，便于日常維護，合理地分配輸入/輸出點、恰當?shù)貙斎?輸出點進行命名、

39、完整地編制輸入輸出變量表是必要的。(3) 分配輸入輸出點機型選好之后，系統(tǒng)設計人員需慎重考慮輸入輸出定義問題。所謂輸入輸出定義是指整體輸入輸出點的分布和每個輸入輸出點的名稱定義，它們會給程序編制、系統(tǒng)調試和文本打印等帶來很多方便。3.2 可編程控制器1969 年，在美國出現(xiàn)第一臺可編程序邏輯控制器（programmable logic controllerplc）以來，經過 30 多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經成為一種最重要、高可靠性、應用場合最多的工業(yè)控制微型計算機。它應用大規(guī)模集成電路、微型機技術和通信技術的發(fā)展成果，逐步形成具有多種優(yōu)點和微型、小型、中型、大型、超大型等各種規(guī)格的 plc 系列產品

40、，應用于從繼電器控制系統(tǒng)到監(jiān)控計16算機之間的許多過程控制領域?？删幊绦蚩刂破饕押蛿?shù)控技術及工業(yè)機器人并列為工業(yè)自動化的三大支柱。初期的 plc 只是用于邏輯控制場合，代替繼電器控制系統(tǒng)。隨著微電子技術的發(fā)展，plc 以微處理器為核心，適用于開關量、模擬量和數(shù)字量的控制，它已進入過程控制和位置控制等場合的控制領域。目前，可編程序控制器既保留了原來可編程序邏輯控制器的所有優(yōu)點，又吸收和發(fā)展了其他控制裝置的優(yōu)點，包括計算機控制系統(tǒng)、過程儀表控制系統(tǒng)、集散系統(tǒng)、分散系統(tǒng)等。在許多場合，可編程序控制器可以構成各種綜合控制系統(tǒng)，列如構成邏輯控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、圖形工作站等等。3.

41、3 可編程控制器的特點（1）可靠性高?？煽啃允怯脩暨x用的首位依據(jù)，因此，每個 plc 生產廠都將可靠性作為第一指標而加以研制，以單片機為核心，在硬件和軟件上采取大量的抗干擾措施，使 plc 的平均無故障時間達到 30 萬小時以上，使用壽命更長。（2）控制功能強。plc 具有邏輯判斷、計數(shù)、定時、步進、跳轉、移位、記憶、四則運算和數(shù)據(jù)傳送等功能，可以實現(xiàn)順序控制、邏輯控制、位置控制和過程控制等。（3）編程方便，易于使用。plc 采用與繼電器電路相似的梯形圖編程，比較直觀，易懂易編，深受電氣技術人員和電工的歡迎，容易推廣應用。plc 可取代原繼電器控制系統(tǒng)，有利于對老設備的技術改造。（4）使用于惡

42、劣的工業(yè)環(huán)境，抗干擾能力強。（5）具有各種接口，與外部設備連接非常方便。（6）采用積木式結構或模塊式結構，具有較大的靈活性和可擴展性，擴展靈活方便。（7）維修方便。plc 上有 i/o 指示燈（led） ，哪個 i/o 元件有故障，一目了然。17圖 7（8）可根據(jù)生產工藝要求或運行情況，隨時對程序進行在線修改，不用更改硬接線，靈活性大，適應性強。3.4 可編程控制器的工作原理plc 是一種微機控制系統(tǒng)，其工作原理也與微機相同，但在應用時，可不必用計算機的概念去做深入的了解，只需將它看成是由普通的繼電器、定時器、計數(shù)器、移位器等組成的裝置，從而把 plc 等效成輸入、輸出和內部控制電路。3.5

43、西門子 s7-200plc 功能介紹s7-200 系列 plc 是 siemens 公司新推出的一種小型 plc。它以緊湊的結構、良好的擴展性、強大的指令功能、低廉的價格，已經成為當代各種小型控制工程的理想控制器。s7-200 plc 包含了一個單獨的 s7-200 cpu 和各種可選擇的擴展模塊，可以十分方便地組成不同規(guī)模的控制器。其控制規(guī)?？梢詮膸c上到幾百點。s7-200 plc 可以方便地組成 plc-plc 網絡和微機-plc 網絡，從而完成規(guī)模更大的工程。s7-200 的編程軟件 step7-micro/win32 可以方便地在 windows 環(huán)境下對plc 編程、調試、監(jiān)控，使

44、得 plc 的編程更加方便、快捷?？梢哉f，s7-200 可以完美地滿足各種小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。s7-200 有四種 cpu，其性能差異很大。這些性能直接影響到 plc 的控制規(guī)模和 plc 系統(tǒng)的配置。3.5.1 s7-200 的技術指標目前 s7-200 系列 plc 主要有 cpu221、cpu222、cpu224 和 cpu226 四種。檔次最低的是 cpu221，其數(shù)字量輸入點數(shù)有 6 點，數(shù)字量輸出點數(shù)有 4 點，是控制規(guī)模最小的 plc。檔次最高的應屬 cpu226，cpu226 集成了24 點輸入16 點輸出，共有1840 個數(shù)字量 i/o?？蛇B接個擴展模塊，最大擴展至 248

45、 點數(shù)字量 i/o 點或 35路模擬量 i/o。s7-200 系列 plc 四種 cpu 的外部結構大體相同，見圖 7。狀態(tài)指示燈 led顯示 cpu 所處的工作狀態(tài)指示。存儲卡接口可以插入存儲卡。通訊接口可以連接 rs-485 總線的通訊電纜。頂部端子蓋下邊為輸出端子和 plc 供電電源端子。輸出端子的運行狀態(tài)可以由頂部端子蓋下方一排指示燈顯示，on 狀態(tài)對應的指示燈亮。底部端子蓋下邊為輸入端子和傳感器電源端子。輸入端子的運行狀態(tài)可以由底部端子蓋上方一排指示燈顯示，on 狀態(tài)對應的指示燈亮。前蓋下面有運行、停止開關和接口摸塊插座。將開關撥向停止位置時，可編程序控制器處于停止狀態(tài)，此時可以對其

46、編寫程序。將開關撥向運行位置時，可編程序控制器處于運行狀態(tài)，此時不能對其編寫程序。將開關撥向監(jiān)控狀態(tài)，可以運行程序，同時還可以監(jiān)視程序運行的狀態(tài)。接口插座用于連接擴展模塊實現(xiàn) i/o 擴展。3.5.2 cpu224 的技術指標cpu224 本機集成了 14 點輸入10 點輸出，共有 24 個數(shù)字量 i/o。它可連接 7 擴展模塊，最大擴展至 168 點數(shù)字量 i/o 點或 35 路模擬量 i/o 點。cpu224有 13k 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存貯空間，6 個獨立的 30kh高速計數(shù)器，2 路獨立的20kh高速脈沖輸出，具有 pid 控制器。cpu224 配有 1 個 rs-485 通訊編程口，具有

47、 ppi 通訊、mpi 通訊和自由方式通訊能力，是具有較強控制能力的小型控制器。(1)cpu224 的技術指標外形尺寸：120.5*80*62mm存儲器：程序存儲器 4096 字用戶數(shù)據(jù)存儲器 2560 字存儲器類型 eeprom存儲卡 eeprom 數(shù)據(jù)后備（超級電容） 190 小時19編程語言 lad，fbd 和 stl程序組織 一個組織塊（可以包含子程序和中斷程序）系統(tǒng) i/o：本機 i/o 14 入10 出擴展模塊數(shù)量 7 個模塊數(shù)字量 i/o 映像區(qū) 256（128 入128 出）數(shù)字量 i/o 物理區(qū) 168（9474）模擬量 i/o 映像區(qū) 32 入32 出模擬量 i/o 物理區(qū)

48、 35（287）或 14 出附加功能：內置高速計數(shù)器 6 個（30kh）內置模擬電位器 2 個（8 位分辨率）脈沖輸出 2 個高速輸出（20kh）通訊中斷 1 發(fā)送器2 接收器定時中斷 2 個（255）輸入中斷 4 個實時時鐘 內置口令保護 3 級口令保護為傳感器提供 5vdc 電流：660(2)cpu224 的接線dc 輸入 dc 輸出：dc 輸入端由 1m、0.00.7 為第 1 組，2m、1.01.5 為第 2 組，1m、2m 分別為各組的公共端。24vdc 的負極接公共端 1m 或 2m。輸入開關的端接到 24v dc 的正極，輸入開關的另端連接到 cpu224 各輸入端。dc 輸出端

49、由 1m、1l+、0.00.4 為第 1 組，2m、2l+、0.51.1 為第 2 組組成。1l+、2l+分別為公共端。第 1 組 24v dc 的負極接 1m 端，正極接 1l+端。輸出負載的端接到 1m 端，輸出負載的另端接到 cpu224 各輸出端。第 2 組的接線與第 1 組相似。20dc 輸入繼電器輸出：dc 輸入端與 cpu224 的 dc 輸入 dc 輸出相同。繼電器輸出端由 3 組構成，其中 n(-)、1l、0.00.3 為第 1 組，n(-)、2l、0.40.6 為第 2 組，n(-)、3l、0.71.1 為第 3 組。各組的公共端為1l、2l 和 3l。第 1 組負載電源的

50、一端 n 接負載的 n(-)端，電源的另外一端 l(+)接繼電器輸出端的 1l 端。負載的另一端分別接到 cpu224 各個繼電器輸出端子。第 2 組、第 3 組的接線與第 1 組相似。3.5.3 模擬量輸入模塊 em231em231 具有 4 路模擬量輸入，輸入信號可以是電壓也可以是電流，其輸入與 plc 具有隔離。輸入信號的范圍可以由 sw1、sw2 和 sw3 設定。具體技術指標見表 2。表 2 em231 技術指標表型號em231 模擬量輸入模塊總體特性外形尺寸：71.2*80*62mm功耗 ：3w輸入特性本機輸入 ：4 路模擬量輸入電源電壓 ：標準 24vdc/4ma輸入類型 ：01

51、0v、05v、5v、2.5v、020ma分辨率 ：12bit轉換速度 ：250s隔離 ：有耗電從 5vdc（i/o 總線）耗電 10 ma開關設置sw1 sw2 sw3 輸入類型on off on 010von on off 05v 或 020maoff off on 5voff on off 2.5v21接線端子m 為 24vdc 電源負極端，l+ 為電源正極端ra、a+、a-；rb、b+、b-；rc、c+、c-；rd、d+、d-分別為第14 路模擬量輸入端。電壓輸入時， “+”為電壓正端， “-”為電壓負端。電流輸入時，需將“r”與“+”短接后作為電流的進入端， “-”為電流流出端。3.5

52、.4 模擬量輸出模塊 em232em232 具有 2 路模擬量輸出，輸出信號可以是電壓也可以是電流，其輸入與 plc 具有隔離。具體技術指標見表 3。表 3 em232 技術指標表型號em232 模擬量輸出模塊總體特性外形尺寸：71.2*80*62mm功耗 ：3w輸出特性本機輸出 ：2 路模擬量輸出電源電壓 ：標準 24vdc/4ma輸出類型 ：10v、020ma分辨率 ：12bit轉換速度 ：100s（電壓輸出） 、2ms（電流輸出）隔離 ：有耗電從 5vdc（i/o 總線）耗電 10 ma接線端子m 為 24vdc 電源負極端，l+ 為電源正極端m0、v0、i0；m1、v1、i1 分別為第

53、 12 路模擬量輸出端。電壓輸出時， “v”為電壓正端， “m”為電壓負端。電流輸出時， “i”為電流的進入端， “m”為電流流出端。3.6 硅調壓模塊pac01a 是一款新概念調壓器。它無需單獨外供電源和同步電源，只需 4-20ma 控制信號，接入負載后，即可實現(xiàn)調壓功能。歐式風格的工藝結構，設計22緊湊，造型美觀，附安全護蓋。輔助功能包括：上電緩啟動、緩關斷、散熱器超溫和電源或負載故障，可廣泛用于工業(yè)各領域中的電阻性負載調壓。一、pac01a 主要技術指標：1.420ma 輸入: 接收阻抗 5001.5k 調節(jié)輸出分辨力：調壓 0.2。移相范圍：01702.負載方式: 50hz 單相 22

54、0vac/380vac3.led 燈狀態(tài)顯示:藍色燈：上電運行前閃爍三次 （表示測試狀態(tài)） ；運行正常時長亮； 不亮：控制器或電源故障紅色燈閃爍：電源或負載故障報警指示；紅、蘭燈交替閃爍：散熱器超溫。 4.緩啟、緩停: ， 緩啟、緩停時間均固定為 15 秒。 5.80超溫保護： 散熱器溫度大于 80禁止輸出并報警 解除:故障排除后,重新上電。 6電流容量： 40a 、 60a 、 80a 、 100a 。二、安裝及使用須知： 1.使用前請認真閱讀本說明書，嚴格按要求接線使用。 2.本電壓調整器是壁掛式，垂直安裝在通風良好，不受日光直射或熱輻射，無腐蝕性無可燃性的環(huán)境中。3.工作電流大于 30a

55、 時,需采用強制風冷。高溫高濕以及海拔大于 1000 米，應降額使用。4.裝置過熱保護后，如要再運行，需排除故障后，再送電運行。5.在使用過程中若發(fā)生過流現(xiàn)象，應首先檢查負載有無短路等故障。6.工作環(huán)境溫度：0+55 通風良好的位置。 工作環(huán)境相對濕度： 90%。7.負載短路保護：一般按額定負載電流的 1.5 倍選擇，外配 rs0 快速熔斷器作為短路保護。三、初步調試1.初始接線：參照接線圖接線，為調試可靠，一般先接 100200w 燈泡假23負載并將儀表置手動狀態(tài)。2.手動調整：手動調整儀表輸出范圍為 0100%。此時，負載電壓應均勻變化。3.7 測溫元件及溫度檢測技術目前，常用的溫度傳感器

56、種類很多：熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器、熱電阻傳感器和半導集成溫度傳感器，但是在微機溫度控制系統(tǒng)中使用的傳感器必須是能將非電量轉變成電量的傳感器,因此使用的就是熱電阻傳感器。本系統(tǒng)要求的測溫范圍為 0200，因此選用熱電阻，在此選用 pt100 熱電阻，需要強調的是基于熱平衡原理，在本設計中采用接觸式測溫，測溫敏感元件必須與介質接觸，使兩者處于同一熱平衡狀態(tài)。3.7.1 溫度變送器的選擇pt100 傳感器測量溫度的隔離變送器，型號為 rs3100, 在工業(yè)上主要用于測量-200 +500的溫度。該產品 pt100 傳感器由用戶自己配備，變送器內有線性化和長線補償功能，出廠時按照 pt100 國

57、標分度表校正，完全達到 0.2 級精度要求。輸入、輸出和輔助電源之間是完全隔離（三隔離） ，可以承受2500vdc 的隔離耐壓。產品采用 din35 國際標準導軌安裝方式，體積小、精度高，性能穩(wěn)定、性價比高，可以廣泛應用在石油、化工、電力、儀器儀表和工業(yè)控制等行業(yè)。主要特性輸入： pt100(-20+400) (范圍可選擇)輸出信號： 4.20ma/05v精度等級： 0.2 級(fsr%)內含線性化和長線補償功能隔離耐壓：2500vdc(0.5ma,60s)din35 導軌安裝精度高、性能穩(wěn)定可靠。技術參數(shù)序號 參數(shù)名稱 測試條件 mintypmax 單位備注241輸入類型鉑電阻 10002精

58、度等級 fsr%0.2 級3輔助電源 12,15,24v4電源范圍10%靜態(tài)電流+24vdc 16 20 ma 5 。存儲溫度 -20 80 3.8 硬件電路圖設計上面我們主要介紹了本系統(tǒng)的硬件設備組成及其性能指標，下面我們根據(jù)以上硬件設備的性能指標來完成系統(tǒng)的硬件電路圖的設計。（1）硫化機溫度控制的強電電源圖，如圖 8 所示。圖 8 溫度控制的強電電源圖（2）硫化機穩(wěn)定度控制的 plc 接線圖，如圖 9。25圖 9plc 接線圖3.9 本章小結本章主要介紹了本系統(tǒng)主要硬件設備技術指標和硬件電路圖的設計。第四章第四章 軟件設計軟件設計4.1 軟件設計思想本系統(tǒng)是以西門子 s7-200plc 系

59、列中的 cpu224 為核心而設計的，用西門子公司專門為其設計的“step 7-micro/win 32”軟件進行編程。在 s7-200plc 編制程序時首先要根據(jù)整個工程的要求把程序分塊，其次是合理利用指令，嚴格注意信號名稱定義，恰如其分地編寫各個程序塊的程序。然后經過單元調試，軟硬件聯(lián)調與系統(tǒng)總調，對程序進行修改。編好的程序還必須經過一定時間的運行考驗，才可以投入實際現(xiàn)場工作。4.2 s7-200 的程序結構s7-200 的程序結構有兩種，即線性結構和分塊結構。在程序設計叫線性程序設計和分塊程序設計。26（1）線性程序設計線性程序設計就是把工程中需要控制的任務按照工藝要求書寫在主程序（0b

60、1）中。例如一個控制工程共有四個控制任務分別為，任務 a 控制、任務 b控制、任務 c 控制和任務 d 控制。線性程序設計就是把這 4 個控制程序按照要求編寫在一個主程序中。線性程序的結構簡單，分析起來一目了然。這種結構適用于編寫一些規(guī)模較小，運行過程比較簡單的控制程序。對于一些控制規(guī)模較大，運行過程比較復雜的控制程序，特別是分支較多的控制程序則不宜選用這種結構。（2）分塊程序設計分塊結構的程序是根據(jù)工程的特點，把一個復雜的控制工程分成多個比較簡單的、規(guī)模較小的控制任務?？梢园堰@些控制任務分配給一個個子程序塊。在子程序中編制具體任務的控制程序，最后由主程序利用調用的方式把整個控制程序統(tǒng)管起來。