基于西門子s7-200的溫度控制系統(tǒng)設計參考模板

1、鄭州大學畢業(yè)設計（論文）題 目 基于西門子S7-200 PLC的溫度控制系統(tǒng)設計 院 系 專 業(yè) 年 級 學生姓名 指導教師 3 / 53 2013 年 6 月 2 日摘要溫度是各種工業(yè)過程最普遍、最重要的參數(shù)之一，溫度控制的精度對實驗結果或工業(yè)生產都會產生重要的影響。傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)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(xiàn)代生產加工的需要。隨著現(xiàn)代傳感技術與控制方法的不斷革新和發(fā)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。本文就是基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設計。本文主要介紹了PLC相關知識、

2、溫度控制系統(tǒng)的硬件設計、軟件設計，同時對傳感技術、PID算法以及調壓技術進行了涉及。在硬件上主要采用西門子S7-200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。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(jié)實現(xiàn)自動化控制。關鍵詞 溫度控制 PLC PIDAbstractTemperature is one of the most common variety of industrial processes, the most im

3、portant parameter, the accuracy of temperature control will have an important impact on the results or industrial production. The temperature control system is adopted in traditional temperature control meter and relay control cabinet control, its main disadvantage is the complicated structure, big

4、volume, high failure rate, poor universality, low control accuracy. Human-computer interaction difficulties, low degree of automation. It is difficult to meet the needs of modern production and processing. With the continuous innovation and development of modern sensor technology and control method,

5、 the higher of the real-time temperature control precision and response speed are required. This article is based on the PLC temperature control system design. This paper mainly introduced the PLC related knowledge, the temperature control system hardware design, software design, at the same time, s

6、ensor technology, PID algorithm and the pressure regulating technology is involved. The hardware mainly adopts Siemens S7-200 series CPU224XP, the column voltage type K thermocouple sensor and K type thermocouple temperature transmitter, pressure regulator and EM235 analog input and output expansion

7、 module. Thermocouple as the temperature acquisition device, the signals collected by the temperature transmitter conversion kit amplified to EM235 processing, then sent to PLC PID operation, the control voltage regulator is adjusted to realize automatic control of heating process calculation result

8、s. Keywords temperature control PLC PID 目 錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1 課題研究背景及意義：11.2 課題研究的主要內容21.3 研究技術介紹21.3.1 傳感檢測技術21.3.2 PLC31.3.3 上位機31.3.4 組態(tài)軟件4第二章 硬件設計52.1 硬件配置52.1.1 西門子S7-200PLC52.1.2 熱電偶82.1.3 電力調整器92.2 硬件連接122.3 地址分配表13第三章 軟件設計143.1 PID控制程序設計143.1.1 PID控制內容143.1.2 PID控制原理（PID算法）143.1.3 PID輸入

9、輸出值轉換153.1.4 PID在PLC中的回路指令173.1.5 PID參數(shù)調整的一般步驟183.2 程序設計流程圖183.3 內存分配地址及PID指令回路表203.4 S7-200程序設計梯形圖213.4.1 啟動/停止213.4.2 初始化213.4.3 調用子程序223.4.4 數(shù)據(jù)導入233.4.5 測量值歸一處理243.4.6 計算設定量與過程變量差值253.4.7 根據(jù)具體情況選擇合適的加熱方式25第四章 組態(tài)軟件Kingview274.1 外部設備定義274.2 數(shù)據(jù)變量284.3 組態(tài)王畫面設計294.3.1 建立新畫面294.3.2 實時趨勢曲線制作304.3.3 報警窗口

10、制作324.3.4 指示燈344.3.5 溫度數(shù)值顯示354.3 組態(tài)王與西門子PLC的通信36第五章 結論37致謝38參考文獻39第一章 緒論1.1 課題研究背景及意義：工業(yè)生產當中，溫度是一個非常重要的參數(shù)，溫度的輕微變化均可能帶來較大的物理化學變化，從而給生產質量帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在科學研究和生產實踐當中特別是在冶金、化工、建材、視頻、機械、石油等工業(yè)當中，溫度控制更是具有舉足輕重的作用，而不同的工業(yè)生產和工業(yè)要求下的溫度控制系統(tǒng)所采用的加熱方式也各不相同，考慮到電阻爐能夠實現(xiàn)較快的控制變化以適應復雜多變的工業(yè)生產過程，電阻爐溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)劣更是衡量質量的重要屬性，故而本課題主要以電阻

11、爐為對象設計根據(jù)生產要求及實時狀態(tài)不同的情況下均具有較好溫度控制效果的溫度控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)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(xiàn)代生產加工的需要。隨著現(xiàn)代傳感技術與控制方法的不斷革新和發(fā)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(tǒng)的模擬式溫度控制方法已經不能適用干現(xiàn)代工業(yè)對系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性的需求，特別是當系統(tǒng)的溫度指令信號發(fā)生快速變化時，傳統(tǒng)的模擬控制器固有的反應時間和器件特性使系統(tǒng)的反應穩(wěn)定過程較慢、而且易受干擾，不能適應現(xiàn)代高精度溫度控制的需求。當前比較流行的溫度控制系

12、統(tǒng)有基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機（IPC）的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）等。就發(fā)展情況和使用現(xiàn)狀而言，PLC與集散控制系統(tǒng)的發(fā)展越來越接近，多數(shù)情況下已經可以實現(xiàn)功能的互相替代；而工業(yè)微機在要求快速、實時性強、模型復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)中占有優(yōu)勢，但是最致命的弱點是尚不能適應復雜多變的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境且對操作人員要求比較高。綜合對比而言，PLC具有相當大的功能和成本優(yōu)勢：PLC不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)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(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體

13、，實現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制系統(tǒng);PLC功能強、集成度高、抗干擾能力強、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定，編程簡單，無論對編程人員還是對操作人員都無需較高的專業(yè)水平，具有更強大的適應性；另外一個比較關鍵的優(yōu)勢是，PLC發(fā)展相對完善且具有明顯的成本優(yōu)勢。故而，本課題選取的西門子S7200PLC作為控制元件。1.2 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(jù)實時狀態(tài)采取不同溫度控制方式的溫度控制系統(tǒng)，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。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

14、過程給出了較為清晰明了的說明；（2） 介紹了西門子S7200系列PLC的主要內容，并根據(jù)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(tǒng)自調整的步驟給出了相關介紹；（4） 根據(jù)控制系統(tǒng)的設計要求進行PLC控制程序的編制；（5） 上位機監(jiān)控軟件的設計，采用應用范圍較大的組態(tài)王軟件對整個溫度控制過程進行監(jiān)控。1.3 研究技術介紹1.3.1 傳感檢測技術傳感檢測技術是應用傳感器將被測量信息轉換成便于傳輸和處理的物理量，進而進行變換、傳輸、現(xiàn)實、記錄和分析數(shù)據(jù)處理的技術。隨著科學技術和生產發(fā)展的需要，傳感檢測技術已經發(fā)展成為一門完整

15、的交叉性技術學科，綜合應用了現(xiàn)代電子技術、微電子技術、生物技術、材料科學、化學科學、光電技術、精密機械技術、微細加工技術等。傳感檢測技術是實現(xiàn)自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)，它與信息系統(tǒng)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(tǒng)的感受器官。隨著現(xiàn)代電子技術、微電子技術及信息技術的發(fā)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”。傳感器按工作原理可以分為電阻式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器光電式傳感器、熱電偶傳感器等。其中熱電勢傳感器時利用轉換元件電磁參量歲溫度變化的特性，對溫

16、度和與溫度有關參量進行檢測的裝置，常用于溫度監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集。1.3.2 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(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專業(yè)為工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)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(shù)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?？删幊炭刂破骷捌湎嚓P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則設計。PLC型號品種繁多，但實質都

17、是一種工業(yè)控制計算機，PLC內部組成分為中央處理器（CPU）、存儲器、電源、輸入輸出單元和通信街頭。PLC在運行狀態(tài)執(zhí)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(tài)并將該狀態(tài)輸入到輸入映像存儲器中；第二階段是用戶指令執(zhí)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(tài)，結合原來的各軟元件的數(shù)據(jù)及狀態(tài)進行邏輯運算，運算的結果存入響應的寄存器，然后執(zhí)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(tài)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

18、才是PLC的實際輸出。世界上生產PLC的廠家非常多，著名的有美國A·B，日本三菱，德國西門子等公司。PLC編程語言常用的有梯形圖、指令圖和SFC圖，由于梯形圖比較直觀容易掌握，因此受到普通技術人員歡迎。PLC變成工具有手持式編程器，一般供現(xiàn)場調試及修改使用；個人電腦，利用專用的編程軟件（STEP7-MicroWIN）進行編程。1.3.3 上位機上位機是可以直接發(fā)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。上位機發(fā)出命令給下位機，下位機根據(jù)命令解釋成相應的時序信號直接控制響應設備；下位機不停讀取設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，轉換成數(shù)

19、字信號以后反饋給上位機，而上位機的屏幕上可以顯示各種信號的變化。1.3.4 組態(tài)軟件在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時，當工業(yè)被控對象一旦變化就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導致其開發(fā)周期長；已開發(fā)成功的工控軟件業(yè)由于每個控制項目的不同而使其重復使用率很低，導致價格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時，倘若原來的編程人員因工作變動離去時，則必須同其他人員或新手進行源程序的修改，因而更是相當困難。組態(tài)軟件的出現(xiàn)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(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。組態(tài)軟件是一種面向工業(yè)自動化的通用數(shù)據(jù)采集和

20、監(jiān)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(tài)軟件。簡單的說，組態(tài)軟件能夠實現(xiàn)對自動化過程和裝備的監(jiān)視和控制，它能從自動化過程和裝備中采集各種信息，并將信息以圖形化等更易于理解的方式進行顯示，將重要的信息以各種手段傳遞給相關人員，對信息執(zhí)行必要的分析處理和存儲，發(fā)出控制指令。組態(tài)軟件提供了豐富的用于工業(yè)自動化監(jiān)控的功能，用戶根據(jù)自己工程的需要進行選擇，配置等較為簡單的工作來建立自己所需要的監(jiān)控系

21、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)王軟件是國內開發(fā)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(tài)王軟件。第二章 硬件設計2.1 硬件配置2.1.1 西門子S7-200PLC西門子S7200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、豐富的內置集成功能、實時特性、強勁的通信能力、豐富的擴展模塊而適用于各行各業(yè)各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化，其強大功能使其無論獨立運行或連成網(wǎng)絡皆能夠實現(xiàn)復雜控制功能。S7200系列PLC在集散自動化系統(tǒng)中發(fā)揮其強大

22、功能，使用范圍從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制，應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括水電、核電、火電、各種輸電、用電設施，各種機床、機械，環(huán)境保護設備及運動系統(tǒng)等。SIMATIC S7200PLC系統(tǒng)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。（1） 基本單元（CPU）S7-200 CPU將一個微處理器、一個集成的電源和若干數(shù)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。CPU的主要功能使進行邏輯運算及數(shù)學運算，并協(xié)調整個系統(tǒng)的工作。西門子提供多種型號的CPU以適應不同的

23、應用要求，每種型號都具有不同的數(shù)字量I/O點數(shù)、內存容量等規(guī)格參數(shù)。目前提供的S7-200 CPU型號有CPU 221、CPU 222、CUP 224、CPU 226、CPU 226XM，其規(guī)格表如下：表2.1 西門子S7-200各型號參數(shù)特性CPU 221CPU 222CPU224CPU 224XPCPU226外觀尺寸mm908062908062120.5806214080621908062程序存儲器帶運行模式下編輯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)存儲器2048字節(jié)2048

24、字節(jié)8192字節(jié)10240字節(jié)10240字節(jié)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(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個模塊2個模塊7個模塊7個模塊7個模塊高速計數(shù)器單向4路 30KHZ4路 30KHZ6路 30KHZ4路 30KHZ2路 200KHZ6路 30KHZ兩相2路 20KHZ2路 20KHZ4路 20KHZ3路 20KHZ1路 100KHZ4路 20KHZ脈沖輸出DC2路 20KHZ2路 20KHZ2路 20KHZ2路 100KHZ2路 20KHZ模擬電位器112

25、22實時時鐘卡卡內置內置內置通訊口1 S-4851 S-4851 S-4852 RS-4852 RS-485浮點數(shù)運算是數(shù)字I/O映像大小256（128輸入/128輸出）布爾型執(zhí)行速度0.22毫秒/指令對比較以上數(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。（2） 擴展模塊EM235為滿足工業(yè)控制要求，S7200PLC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。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；

26、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，也可由用戶設置外部電源，本設計采用模塊數(shù)量較少，從經濟角度和工業(yè)結構穩(wěn)定角度考慮內部供電。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。其中，開關6為選擇單雙極性、開關4和5為選擇增益，開關1、2和3為選擇衰減。表2.2 EM235設定開關DIP本設計選擇單極性，開關為010001。（3） 編程/通信電纜編程/通信電纜是PLC用來實現(xiàn)與個人計算機PC通信的，連

27、接PLC的RS485口和計算機的RS232可以用PC/PPI電纜。西門子PC/PPI電纜帶有RS232/RS485電平轉換器，是PC標準串口RS232到PPI接口（PLC通信端口RS485）的轉換電纜、互連電纜，是一種低成本的通信方式。適用于西門子S7200系列PLC，支持PPI協(xié)議和自由口通信協(xié)議，并可使用MODEM（調制解調器）通過電話線遠程通信。PC/PPI電纜具有光電隔離和內置的防靜電、浪涌等瞬態(tài)過電壓保護電路，能夠很好的保護電路，解決通信口易燒的問題。表2.3 PCRS232插頭和PPIRS485插頭的信號定義PCRS232插頭PPIRS485插頭針號信號說明針號信號說明2接受數(shù)據(jù)R

28、D（從PC/PPI輸出）224V電源負極（RS485邏輯地）3發(fā)送數(shù)據(jù)SD（輸入到PC/PPI）3RS485信號B（RxD/TxD+）4數(shù)據(jù)終端就緒DTR724電源正極5地（RS232邏輯地）8RS485信號A（RxD/TxD-）7請求發(fā)送RTS9協(xié)議選擇將PC/PPI電纜的RS485插頭插入S7200PLC的編程口，RS232插頭插入PC的RS232口，并在編程軟件上選擇對應的COM口號，將10bit、11bit選擇開關撥到11bit位置即可。PC/PPI電纜的波特率為028.8kbit/s 自動適應無需設置?？紤]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3

29、、8之間并接120終端電阻以消除信號反射。2.1.2 熱電偶熱電偶是目前熱電測溫中普遍使用的一種溫度計，其工作原理是基于熱電效應，可廣泛用來測量-2001300范圍內的溫度。熱電偶溫度計具有結構簡單，價格便宜，準確度高，測溫范圍廣、熱慣性小、準確度高、輸出信號便于遠傳等優(yōu)點。由于熱電偶直接將溫度轉換為熱電勢進行檢測，使溫度的測量、控制、遠傳以及對溫度信號的放大和變換都非常方便，適用于遠距離測量和自動控制。在接觸式測溫方式中，熱電偶溫度計應用最為普遍。在我國常用用的熱電偶達數(shù)十種，國際電工委員會IEC對其中已被國際公認的8種熱電偶制定了國際標準，這些熱電偶稱為標準熱電偶。標準熱電偶已列入工業(yè)化標

30、準文件中，文件規(guī)定了其熱電勢與溫度之間的關系、答應誤差、并具有統(tǒng)一的分度表，標準熱電偶具有與其配套的顯示儀表可供選用；與此對應，非標準化熱電偶在適用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。本設計選擇K型熱電偶（鎳鉻鎳硅），其長期使用溫度為-2701000，短期使用溫度可達到1300，在工業(yè)中應用最多，適應氧化性環(huán)境、線性度好。下表為其分度表部分內容，參考端溫度為0。表2.4 K型熱電偶分度表（節(jié)選）由溫度傳感器檢測來的信號不是標準的電壓（電流）信號，不能夠直接傳送給PLC，因此溫度傳感器采集到的溫度信號要經過變送器的處理以后才能被A/D轉換器識別并

31、轉換為相應的數(shù)字信號。溫度變送器由基準源、冷端補償、放大單元、線性化處理、V/I轉換、斷偶處理、反接保護、限流保護等電路單元組成。它是將熱電偶產生的熱電勢經冷端補償放大后，再由線性電路消除熱電勢與溫度的非線性誤差，最后放大轉換為420mA電流輸出信號。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。當熱電偶斷絲或接解不良時，變送器會輸出最大值（28mA）以使儀表切斷電源。由于本設計采取了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。2.1.3 電力調整器本設計采用的鍋爐為電阻爐，電阻爐是基于電阻發(fā)熱原理的加熱設備。電阻爐溫度控制系統(tǒng)一般包括控制

32、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(huán)節(jié)、同步信號環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖產生器、溫度檢測器和PID溫度調節(jié)器等部分組成，其中主回路根據(jù)控制回路PID控制信號經功率分配調節(jié)裝置（調功器）來調整加熱體能夠獲取的發(fā)熱功率。調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實現(xiàn)電阻爐負載功率的調節(jié)分配?！熬чl管”又稱“可控硅”（SCR），是一種四層三端半導體器件，具有體積小、結構簡單、功能強大等有點。晶閘管門極與負極之間輸入正向觸發(fā)電壓時晶閘管導通，陽極A與陰極K之間外加

33、正向電壓；若晶閘管陽極和陰極之間外加的是交流電壓，則在電壓過零時晶閘管會自行關斷。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(tài)轉換為開啟或導通狀態(tài)，通過開端狀態(tài)和導通狀態(tài)時間的改變來調節(jié)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。晶閘管調功器一般由觸發(fā)板、晶閘管模塊、專用散熱器、風機、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、低噪音風機。晶閘管調功器一般與帶有0-5V，4-20mA的智能PID調節(jié)器或PLC配套使用，負載類型可以是三

34、相阻性負載、三相感性負載及三相變壓器負載。目前主流電力調整器都是調壓與調功一體化的，調壓采用移相控制方式，有定周期調功和變周期調功兩種方式。本設計主要采用JK3S系列調功器。JK3S系列調功器是具有高度數(shù)字化的新型功率控制設備，集移向調壓型和變周期、定周期過零調功型三種觸發(fā)方式于一體，通過外部轉換開關可在三種觸發(fā)方式之間任意轉換；帶有數(shù)碼顯示模塊，能夠實時顯示輸入信號、負載功率、負載電壓以及負載電流，有斜率調整、緩啟動、緩關斷、電流限制、過流保護、電壓限制、過壓保護報警等功能，具有開環(huán)調壓、閉環(huán)恒流、閉環(huán)恒壓、閉環(huán)恒功率四種調節(jié)方式；參數(shù)設置方便，接線簡單，具有通訊功能，RS485接口，標準M

35、ODBUS RTU通訊協(xié)議，計算機能夠通過485通訊數(shù)字量進行控制。JK3S型三相數(shù)字可控硅調壓器與0-5V、4-20ma的智能PID調節(jié)器或PLC配套使用，能夠實現(xiàn)精確的溫度控制。從北京佳凱中興自動化技術有限公司網(wǎng)站上查閱到主要技術參數(shù)如下：表2.5 JK3S系列三相全數(shù)字晶閘管功率控制器輸入主回路電源3AC100500V，4565Hz控制電源AC220V±15%風機電源AC220V，50/60Hz輸出輸出電壓主回路輸入電壓的095%輸出電流AC253000A控制方式開環(huán)、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

36、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（4565Hz）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(jié)精度電流、電壓、功率控制優(yōu)于1%2.2 硬件連接圖2.1 硬件連接圖圖2.2 EM235模擬量輸出模塊的端子接線圖2.3 地址分配表表2.6 I/O地址分配如表I0.0啟動按鈕I0.1停止按鈕Q0.0啟動指示燈Q0.1停止指示燈第三章 軟件設計3.1 PID控制程序設計3.1

37、.1 PID控制內容PID控制是比例積分微分控制的簡稱。在生產過程自動控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最悠久生命力最強的基本控制方式。PID控制具有以下優(yōu)點：原理簡單，使用方便：PID控制是由P、I、D三個環(huán)節(jié)的不同組合而成，其基本組成原理比較簡單，很容易理解，參數(shù)的物理意義也比較明確；適應強：可以廣泛應用于化工、熱工、冶金、煉油等生產部門，按PID控制進行工作的自動化調節(jié)器已經商品化。魯棒性強：控制品質對被控對象特征的變化不太敏感。PID控制中P、I、D分別代表比例調節(jié)、積分調節(jié)和微分調節(jié)：比例控制(P)：最簡單的控制方式，最主要特點是有差調節(jié)，即控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。調節(jié)

38、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)：控制器的輸出信號的變化速度與偏差信號成正比關系，最主要的特點是無差調節(jié)，即調節(jié)閥開度與當時被調量的數(shù)值本身沒有直接關系，故而被稱為浮動調節(jié)。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：控制器的輸出信號與輸入誤差信號的微分成正比關系。微分控制具有超前作用，避免較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差，只能夠起到輔助調節(jié)的作用，可以與其他調節(jié)結合成PI、PD或PID等。3.1.2 PID控制原理（PID算法）圖3.1 PIF閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖連續(xù)PID算法方程用數(shù)學公式表達如下： 式（4.1）其中

39、：為PID回路輸出；為比例系數(shù)P；為積分系數(shù)I； 為微分系數(shù)D由于PLC運算不可能做到連續(xù)，而是按照掃描周期進行，所以PLC中檢測值是按照設定的時間周期進行采樣，然后把采樣值放到公式里進行運算。假設采樣周期是T，初始時間為零，利用矩形積分代替精度連續(xù)積分，利用差分代替精度連續(xù)微分，可以把上式簡化成： 式（4.2）式中， 稱為比例項 稱為積分項 稱為微分項3.1.3 PID輸入輸出值轉換（1）在實際應用中，設定值和檢測值均為實際數(shù)值，其大小、范圍和工程單位可能不同。將這些實際數(shù)值用于PID指令操作之前，必須將其轉化為標準化小數(shù)表示法。方法如下：第一步是將實際數(shù)值從16為整數(shù)數(shù)值轉換成浮點或實數(shù)數(shù)

40、值，然后將這些小數(shù)數(shù)值轉換成0.01.0之間的標準化數(shù)值。轉化公式：PID標準值=原值值域+偏置式中：偏置是單極性數(shù)值取0.0，是雙極性數(shù)值取0.5；值域是可能的最大值減去可能的最小值的差值。 圖3.2a 單極性數(shù)值例子程序 圖3.2b 雙極性數(shù)值例子程序（2）在實際應用中，輸出值均為是數(shù)值，其大小、范圍和工程單位可能不同。這些實際數(shù)值用于PID指令之后，必須將PID標準化小數(shù)轉化為實際數(shù)值，方法如下：第一步是將PID標準值轉化成實數(shù)數(shù)值，然后將實數(shù)數(shù)值轉換成032000或-32000+32000之間的標準化數(shù)值。轉換公式：實際輸出值=（PID標準輸出值-偏置）值域式中：偏置是單極性數(shù)值取0.

41、0，是雙極性數(shù)值取0.5；值域是可能的最大值減去可能的最小值的差值。 圖3.3a 單極性數(shù)值例子程序 圖3.3b雙極性數(shù)值例子程序3.1.4 PID在PLC中的回路指令PID運算指令是根據(jù)表格（TBL）中的輸入和設置信息對LOOP指定的回路執(zhí)行PID環(huán)路計算的指令，其指令樣式如下：表3.1 PID計算指令樣式輸入/輸出操作數(shù)數(shù)據(jù)類型TBLVB字節(jié)LOOP常量（0-7）字節(jié)由于需要進行PID閉環(huán)控制的場合很多，一般的PLC都具有PID運算指令，用戶只需要按照向導要求一步一步輸入和配置回路參數(shù)信息，即可立即達到PID運算的任務。表3.2 基本PID環(huán)路表字節(jié)偏移量代表意義數(shù)據(jù)類型IN/OUT說明0

42、檢測值小數(shù)IN范圍：0.0-1.04設定值小數(shù)IN范圍：0.0-1.08輸出值小數(shù)IN/OUT范圍：0.0-1.012增益小數(shù)IN比例常數(shù)，可正可負16采樣時間小數(shù)IN單位為“秒”，正數(shù)20積分時間小數(shù)IN單位為“分鐘”，正數(shù)24微分時間小數(shù)IN單位為“分鐘”，正數(shù)28積分前項小數(shù)IN/OUT范圍：0.0-1.032檢測前項小數(shù)IN/OUT最近一次PID運算的檢測值3.1.5 PID參數(shù)調整的一般步驟目前應用最多的整定方法主要是工程整定法，包括經驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反映曲線法。這里介紹一般步驟：（1）確定比例增益 P 確定比例增益 P 時，首先去掉 PID 的積分項和微分項，一般是

43、令 Ti=0、Td=0，PID 為 純比例調節(jié)。輸入設定為系統(tǒng)允許的最大值的 60%70%，由 0 逐漸加大比例增益 P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例增益 P 逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益 P，設定 PID 的比例增益 P 為當前值的60%70%。比例增益 P 調試完成。 （2）確定積分時間常數(shù) Ti 比例增益 P 確定后，設定一個較大的積分時間常數(shù) Ti 的初值，然后逐漸減小 Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大 Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的 Ti，設定 PID 的積分時間常數(shù) Ti 為當前值的 150%180%。積分時間常數(shù) Ti 調試完成。

44、（3）確定積分時間常數(shù) Td 積分時間常數(shù) Td 一般不用設定，為 0 即可。若要設定，與確定 P 和 Ti 的方法相同，取不振蕩時的 30%。 （4）系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調，再對 PID 參數(shù)進行微調，直至滿足要求 3.2 程序設計流程圖由于電熱爐具有較大的延時性，因此一般采用分段式進行控制。大致分為三段控制：第一段，在開始階段電源為滿開度，以最大功率輸出克服熱慣性；第二段，等溫度達到一定值以后轉換為PID控制；第三段，接近設定溫度是置電源開度為0，提供一個保溫階段，以適應溫度的滯后升溫。本系統(tǒng)根據(jù)SP與PV的差值來進行判斷，當(1)SP-PV>5時，輸出值為最大值32767，使電壓調節(jié)器

45、開度最大，即給加熱器最大電壓供電，使被測對象快速升溫；（2）SP-PV>-5或者SP-PV<5時，進行PID控制，輸出值為PID的值；（3）SP-PV<-5時，輸出值為最小值0，電壓調節(jié)器開度為零，即停止加熱。故而可作出程序流程圖如下： 圖3.4 程序流程圖3.3 內存分配地址及PID指令回路表表3.3 內存分配地址地址說明VD0設定溫度存放VD4測量溫度存放VD8溫度偏差存放表3.4 PID指令回路表地址名稱說明VD100過程變量PVn0.0-1.0之間VD104給定值SPn0.0-1.0之間VD108輸出值Mn0.0-1.0之間VD112增益Kc比例常數(shù)，可負可正VD11

46、6采樣時間Ts單位s，正數(shù)VD120積分時間Ti單位min，正數(shù)VD124微分時間Td單位min，正數(shù)VD128積分項前值MX0.0-1.0之間VD132過程變量前值PVn-10.0-1.0之間3.4 S7-200程序設計梯形圖3.4.1 啟動/停止按下啟動按鈕后，開始標志位M0.1置位，M0.2復位；按下停止按鈕后，開始標志位M0.1復位，M0.2置位3.4.2 初始化啟動時，運行指示燈Q0.0點亮；停止時，停止指示燈Q0.1點亮，并清空輸出模擬量AQW0防止繼續(xù)加熱；3.4.3 調用子程序調用子程序，并將設定溫度輸送到設定溫度存儲器；3.4.4 數(shù)據(jù)導入將設定溫度及PID各個參數(shù)導入PID

47、運算當中，并確定中斷間隔時間；3.4.5 測量值歸一處理測量值為模擬量，必須轉換為數(shù)字量以后才能進行運算，將轉換后的測量值送到變量存儲器中，最后導入PID運算；3.4.6 計算設定量與過程變量差值將設定量與過程變量進行對比計算，根據(jù)兩者之間的差值選擇合適的加熱方式；3.4.7 根據(jù)具體情況選擇合適的加熱方式若實際溫度與設定溫度差值過大，可選擇大功率加熱，此時調壓器處于全開狀態(tài)；若實際溫度與設定溫度差值不大，可選擇PID控制加熱，此時調壓器由PID進行控制；若實際溫度與設定溫度差值很小，則停止加熱運用加熱延遲性即可；若實際溫度已經超過設定溫度，則停止加熱，兩種情況下調壓器處于全閉狀態(tài)，輸出為零；

48、根據(jù)具體情況選擇合適加熱方式根據(jù)具體情況選擇合適的加熱方式第四章 組態(tài)軟件Kingview組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是亞控科技開發(fā)的新型工業(yè)自動控制系統(tǒng)，組態(tài)王以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟和開發(fā)周期短等優(yōu)點。組態(tài)王軟件結構是由工程管理器、工程瀏覽器以及運行系統(tǒng)三個部分構成。工程管理器主要用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理，對已有的工程進行搜索、添加、備份、回復以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導入和導出等功能；工程瀏覽器是一個工程開發(fā)設計工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設備及相關變量、動畫連接、命令語言以及設定運行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具

49、；運行系統(tǒng)是工程運行界面，可以從采集設備中獲取通信數(shù)據(jù)，并依據(jù)工程瀏覽器的動畫設計顯示動態(tài)畫面，實現(xiàn)人與控制設備的交互操作。通常情況下，建立一個組態(tài)王應用工程大致可以分為以下幾個步驟：1、創(chuàng)建新工程；2、定義硬件設備并添加工程變量；3、制作圖形畫面并定義動畫連接；4、編寫命令語言；5、進行運行系統(tǒng)配置；6、保存工程并運行。需要注意的是，以上6個步驟并不是完全獨立，甚至大部分是交錯進行的，在用組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)編制工程時，要依照以上步驟考慮三個方面的問題：圖形、數(shù)據(jù)和連接。4.1 外部設備定義組態(tài)王把那些需要與之交換數(shù)據(jù)的硬件設備或軟件程序都做為外部設備使用。通常外部設備包括下位機（PLC、儀表

50、、模塊、板卡、變頻器），他們一般通過串行口和上位機交換數(shù)據(jù)；其他Windows應用程序，他們之間一般通過DDE交換數(shù)據(jù)；外部設備還包括網(wǎng)絡上的其他計算機。本設計主要的控制功能由PLC實現(xiàn)，并在前文對PLC的控制進行了相應設計，組態(tài)王主要實現(xiàn)監(jiān)測功能，不與Windows程序或其他計算機實現(xiàn)交互，故而本設計的外部設備為“西門子S7-200PLC”，并使用“設置配置向導”按照步驟完成設備的連接（如下圖）。圖4.1 設置配置向導使用示意圖4.2 數(shù)據(jù)變量若要實現(xiàn)組態(tài)王對下位機的在線檢測和控制，就必須建立起組態(tài)王與下位機之間的聯(lián)系，即建立兩者的數(shù)據(jù)變量。在組態(tài)王中，變量的集合形象的稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)

51、詞典位于工程瀏覽器中的“數(shù)據(jù)庫”項的下拉列表中，記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細信息。數(shù)據(jù)詞典中存放的是應用工程中定義的變量以及系統(tǒng)變量，分為基本類型和特殊類型，而基本類型有分為“內存變量”和“I/O變量”兩種，其中“I/O變量”指的是組態(tài)王與外部設備或其他應用程序交換的變量。這種數(shù)據(jù)交換是雙向的、動態(tài)的，即組態(tài)王系統(tǒng)運行過程中，每當“I/O變量”的值變化時，該值就會自動寫入外部設備或遠程應用程序；每當外部設備或遠程應用程序的值變化時，組態(tài)王系統(tǒng)的變量值也會自動改變。定義數(shù)據(jù)變量可以在系統(tǒng)設計開始之前進行設計，即通過“數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)詞典新建”來定義變量，也可以在系統(tǒng)設計過程中進行定義，為了更好

52、的展現(xiàn)變量應用的場合，本文采用的后一種設計方式，將在下文各步驟設計中體現(xiàn)。4.3 組態(tài)王畫面設計本設計為“基于西門子S7-200PLC的溫度控制系統(tǒng)設計”，主要控制由PLC進行實現(xiàn)，故而擬通過組態(tài)王實現(xiàn)簡單的遠程監(jiān)測作用。在擬實現(xiàn)功能上，初步選定能夠指示運行狀態(tài)、實現(xiàn)實時溫度反饋、實現(xiàn)溫度變化趨勢、實現(xiàn)報警記錄查詢等功能，組態(tài)王主畫面設計如下：其中：狀態(tài)指示燈能夠根據(jù)加熱運行狀態(tài)進行反映，保證用戶最直接的判斷運行狀態(tài)；實時溫度反饋通過數(shù)字實現(xiàn)，精準的反映出鍋爐實時溫度；溫度變化趨勢主要用來實現(xiàn)加熱狀態(tài)和趨勢的初步判斷；報警記錄能夠對歷史報警記錄進行查詢；圖4.2 監(jiān)控界面示意圖4.3.1 建立

53、新畫面組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)可以為每個工程建立數(shù)目不限的畫面，在每個畫面上生成相互關聯(lián)的靜態(tài)或動態(tài)圖形對象。組態(tài)王采用面向對象的編程技術，使用戶可以方便的監(jiān)理畫面的圖形界面，用戶構圖時，可以像搭積木那樣利用系統(tǒng)提供的圖形對象完成畫面的生成，同時支持畫面之間的圖形對象復制，可重復使用以前的開發(fā)結果。在工程瀏覽器左側的“工程目錄顯示區(qū)”中選擇“畫面”選項，在右側視圖中雙擊“新建”圖標，彈出新建畫面對話框，如圖：圖4.3 新建畫面操作示意圖 4.3.2 實時趨勢曲線制作趨勢曲線用來反應變量隨時間的變化情況，組態(tài)王對趨勢分析提供了強有力的支持和簡單的控制方法。趨勢曲線有實時曲線和歷史趨勢曲線兩種，對于實時趨勢曲線最多可以顯示4條曲線，而歷史趨勢曲線最多可顯示16條曲線，而一個畫面中可以定義數(shù)量不限的趨勢趨勢。趨勢曲線中，工程人員可以規(guī)定時間間距、數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍、網(wǎng)絡分辨率、