热泵实验室的温湿度控制系统.doc

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1、 学 士 学 位 论 文热泵实验室的温湿度控制系统设计姓 名 孙 学 亭 院 系 信息与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 年 级 2009级 学 号 指导教师 常 新 华 2013年5月21日独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。此声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日毕业论文（设计）使用授权声明本人完全了解鲁东大学关

2、于收集、保存、使用毕业论文（设计）的规定。本人愿意按照学校要求提交论文（设计）的印刷本和电子版，同意学校保存论文（设计）的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存论文（设计）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布论文（设计）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者（签名）： 年 月 日毕业论文开题报告姓名孙学亭性别男学院信息与电气工程学院年级2009级学号题 目热泵实验室的温湿度控制系统设计课题来源校地（企）合作命题课题类别应用研究选题意义（包括科学意义和应用前景，研究概况，水平和发展趋势，列出主要参考文献目录）：

3、 现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成，而温度和湿度是实验室最基本的环境条件，也是对实验影响较大的因素。温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度湿度的检测与控制。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注。而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度湿度的检测及控制就非常有必要了。随着科技的飞速发展和普及，高性能设备越来越多，各行各业对温湿度的要求也越来越高传统的温湿度检测模式是以人为基础，依靠人工轮流值班，人工巡回查看等方式来测量和记录环境状况

4、信息。在这种模式下，不仅效率低不利于人才资源的充分利用，而且缺乏科学性，许多重大事故都是由人为因素造成的，人工维护缺乏完整的管理系统。而问世监控系统就可以解决这样人才资源浪费，管理不及时的问题，这是由于它的智能化设计所决定的。故本次设计对于类似项目还具有普遍意义。研究主要内容和预期结果（说明具体研究内容和拟解决的关键问题，预期结果和形式，如在理论上解决哪些问题及其价值，或应用的可能性及效果）： 本设计需要实时的采集室内空气的湿度和温度值，并将其显示在上位机上。根据温度的设定值和温度的反馈值调节加热器，使温度保持恒定。根据湿度设定值和湿度的计算值调节加湿器，使湿度保持恒定。湿度的测量采用的是干湿

5、球测量法。这里需要注意的是：湿球的纱布要常常换新且湿度计必须处于通风状态即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上：只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。上位机部分要实现温度和湿度的实时数据曲线和历史数据曲线，并可以打印出来。拟采取的研究方法和技术路线（包括理论分析、计算，实验方法和步骤及其可行性论证，可能遇到的问题和解决方法，以及研究的进度与计划）： 温度值的采集利用铂热金属传感器PT100，然后通过温度变送器将电阻信号转化为4-20ma的标准电信号。利用S7-200采集产生的4-20ma信号，并在程序中进行相应的处理。湿度的测量是通过两个PT100测量干湿球的温度

6、并通过一定的计算得到的。加湿器和加热器的控制是由PLC根据内部程序控制的。PLC输出控制中间继电器从而达到控制加湿器和加热器的目的。PLC和MCGS触摸屏通过485总线连接，并以MODBUS RTU协议进行通信。指导教师意见（对论文选题的意义、应用性、可行性、进度与计划等内容进行评价，填写审核结果：同意开题、修改后再开题、不同意开题）： 签名： 年 月 日院（系）毕业论文（设计）领导小组意见： （签章） 年 月 日毕业论文结题报告姓名孙学亭性别男学院信息与电气工程学院年级电气学0902学号题 目热泵实验室的温湿度控制系统课题来源校企合作命题课题类别应用研究本课题完成情况介绍（包括研究过程、实验

7、过程、结果分析、存在的问题及应用情况等。）通过研究热泵实验室对温度环境的要求，最终实现了恒温恒湿的效果。本系统是基于MCGS和PLC的DCS集散控制系统。上位机可以实时的显示实验室各空气指标以及各设备的工作状态，正真的实现了系统的集中管理。并且上位机软件还可以实现报表、曲线的打印，可以为实验室保留大量珍贵的纸质材料。在温度和湿度控制中采用了工控中采用的PID调节，使系统稳定可靠。下位机采用西门子的S7-200PLC使系统更加稳定可靠、易于扩展。本系统只是模拟的一个小空间环境，并未真正的投入使用，而真正投入使用时还会出现诸多问题，例如，系统的PID参数还要重新进行整定。指导教师评语： 签名： 年

8、 月 日院（系）毕业论文（设计）领导小组意见：（公章） 年 月 日指导教师评定成绩毕业论文成绩评定表学院： 学号：姓 名总成绩：题 目评阅人评语评定成绩： 签名： 年 月 日答辩小组评语答辩成绩： 组长签名： 年 月 日注：总成绩=指导教师评定成绩（50%）+评阅人评定成绩（20%）+答辩成绩（30%），将总成绩由百分制转换为五级制，填入本表相应位置。目 录1 引言12 系统组成和采用技术及开发工具介绍22.1 MCGS简介22.2 S7-200PLC及其它硬件简介22.3使用软件33 系统总体分析与设计33.1 总体方案33.2 温度采集的实现33.2.1温度传感器的选取33.2.2变送器的

9、选取及工作原理43.2.3 EM 235实现对模拟量的采集53.2.4 PLC实现对温度值的采集与处理63.2.5上位机组态软件实现显示73.3 除湿和加热的实现123.3.1除湿的意义123.3.2除湿的实现123.3.3加热的意义143.3.4加热的实现143.4 湿度控制的实现173.4.1湿度及其它空气参数的计算173.4.2湿度控制的PID调节194.系统的整体设计264.1系统硬件的设计264.2系统软件设计274.3系统通信的设计295 结束语31参考文献32致 谢32热泵实验室的温湿度控制系统设计孙学亭（信息与电气工程学院，电气工程及其自动化专业，2009级电气学2班，）摘 要

10、：热泵实验室采用先进的DCS集散控制系统9，可以使管理更为方便高效。本系统可以对温湿度进行实时的显示，并通过先进的控制算法对温度和湿度进行调节，使系统稳定可靠。本系统由上位机MCGS组态软件和下位机西门子S7-200PLC组成。上位机MCGS中的温湿度值可调，并可以实现自动化控制，实现无人值守。上位机还可以显示实时曲线和历史曲线，还可以打印报表，为用户提供大量的数据资源。下位机采用西门子的S7-200PLC使控制稳定可靠，在湿度控制的环节中加入了PID算法使控制更为精确。关键词：热泵实验室;DCS;MCGS;S7-200Design of temperature and humidity co

11、ntrol system of heat pump LaboratorySun Xueting（Department of Computer Science and Technology, Electrical engineering and automation）Abstract: Heat pump laboratory using 9 DCS distributed control system, can make the management more convenient and efficient. The system can real-time display of tempe

12、rature and humidity, and regulation of temperature and humidity on the advanced control algorithm, so that the system is stable and reliable. This system consists of host computer and slave computer MCGS configuration software of Siemens S7-200PLC. The temperature and humidity of PC in MCGS value is

13、 adjustable, and can realize the automatic control, to achieve unattended. The upper computer can display real-time curve and history curve, can also print statements, to provide a large number of data resources for users. The machine adopts Siemens S7-200PLC control is stable and reliable, the PID

14、algorithm is added in the humidity control in the link to more precise control.Key words: heat pump laboratory;DCS;MCGS;S7-2001 引言空气源热泵具有高效节能的特点，其每小时的耗电量是同等容量是燃气热水器的1/3，电加热器的1/4，它以其节能环保的优势占据了市场大量的份额。在空气源热泵出厂之前需要对其能耗和效率做一个详细的测试，测试合格的才可以出厂。而测试需要在一个严格的环境下，必须要求空气的温度和湿度达到一定的标准。空气的温度、湿度参数与人类的生产、生活有着密切的关系，

15、同时也是工业车间生产中最为常见最基本的工艺参数，例如纺织、电子实验室、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度湿度的检测与控制。以往对温湿度的控制大多是人手动的去控制，温湿度仪表的参数只能人为的去抄表。本课题意在使用先进的集散控制系统实现对热泵实验室温湿度的控制，加入相应的算法使控制更为精确，并可以自动的生成打印曲线和报表，使操作员的工作量大大减少，大幅的提高了工作效率。2 系统组成和采用技术及开发工具介绍热泵实验室温湿度控制系统的控制部分由温度传感器PT100、SBWZ温度变送器、西门子S7-200PLC、EM235模拟量扩展模块、通用版MCGS组态软件、IDEC RJ2S-CL中间继电器等组成

16、。被控制部分包括加热器、加湿器、风机等组成。2.1 MCGS简介MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是一款基于windows平台的组态软件，他能够完成数据的采集及现实。MCGS组态软件为应对不同的客户需求而开发了三种不同的版本，分别是嵌入版、通用版和网略版。本系统批量应用时建议使用基于触摸屏的嵌入版能够有效的降低成本，但考虑到显示时可视化更好一点，本系统采用了基于工控机的通用版。如果想实现远程监控可以使用网略版申请客户端。2.2 S7-200PLC及其它硬件简介S7-200是西门子家族里一款小型话的PLC，它适应于小型化的控制

17、系统当中。本系统采用CPU 224 XP DC/DC/DC型PLC。CPU224 XP具有14个输入和10个输出，两路模拟量输入（0-10v）一路模拟量输出（0-10v或0-20ma），两个通信口PORT0和PORT1，最多可以扩展七个模块，模拟量可以扩展到32个数字量可以扩展到128个，采用西门子标准导轨安装1。EM 235模拟量采集模块可以实现4路模拟量输入和1路模拟量输出。对于一个模拟量模块只能将它设置成一种类型，要么为电压型要么为电流型，量程也确定了。本系统采集到的信号为4-20ma的电流信号，为简化系统的设计而直接采用了EM235，如果投入实际使用建议使用PLC自带的两路电压量采集模

18、块，并联一个电阻既可以将电流值转化为电压值。温度采集器用的是对温度敏感度较高的铂热电阻PT100。它的阻值跟温度的变化成正比，当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，当温度升高时它的阻值会随着温度上升而匀速增长，当温度下降时它的阻值会随着温度下降而匀速减少。中间继电器IDEC RJ2S-CL含有两路常开触点，两路常闭触点2.3使用软件图2.1 各种软件图MCGS组态环境用来编辑上位机组态画面。MCGS运行环境为运行提供模拟环境。STEP 7 MicroWIN 4.0为下位机西门子200的编程环境，在这里进行S7-200PLC的编程和配置。S7_200 exe为西门子200的仿真环境，

19、在没有S7-200PLC的情况下可进行软件仿真。串口调试助手用来截取相应的报文，为调试提供方便。3 系统总体分析与设计3.1 总体方案温度控制：通过实验室干球温度的采集值进而控制控制继电器控制加热器，实现实验室的恒温。湿度控制：通过测量湿球的温度，再根据干球的温度，由干、湿球温度与湿度对照表利用matlab曲面拟合，或者是经验公式得到湿度的值，根据湿度的值控制加湿器工作。控制处理：通过上位机组态软件实现温度设定值输入、手动除湿、报表输出及打印等功能。显示：上位机组态软件可以实现温度和湿度的实时曲线和历史曲线输出。当下位机有动作发生时能够实时的动画显示。3.2 温度采集的实现3.2.1温度传感器

20、的选取 温度传感器采用PT100，PT100是一种利用铂热电阻测温的仪表，它的阻值跟温度的变化成一种线性关系，即温度升高电阻值会相应的增加。当PT100处于0的环境中它的阻值为100，当PT100处于100的环境中阻值为138。PT100实物如下图3.1所示：图3.1 PT100实物图3.2.2变送器的选取及工作原理 温度变送器采用SBWZ温度变送器，温度变送器的功能是将PT100产生的电阻信号转化成标准的电流信号4-20ma。变送器类型的选择要根据实际的需要选择，到底是4-20ma还是0-10v。在这里我们选择了4-20ma，选择电流型是为了减少回路中电阻的影响，如果选择电压型回路中的电阻会

21、多多少少分担一部分电压降，对采集精度产生误差。PT100和变送器之间的接线是采用三线制的，因为三线制接法能够减少导线电阻所引入的误差。PT100温度传感器的电路一般采用不平衡电桥，热电阻为电桥的其中一个桥臂，其导线的接入部分也成为桥臂的一部分，这无疑会增加热电阻的阻值，造成一定的误差。采用三线制接法，将一根导线接到电桥的电源端，另一根导线接到热电阻所在的桥臂上，剩下的那根接到相邻的桥臂上，这样就能有效地降低导线线路所引起的误差。传感器到数据采集器之间的接线有四线制和两线制之分，在这里我们采用了两线制。之所以电流是从4ma开始，这是因为变送器没有专门的供电线路，这4ma的电流提供给变送器的放大电

22、路作为工作电流。四线制接法，顾名思义就是有四根线，其中两根线是电流的回路，另外两根线为变送器提供了24v工作电压，所以他的测量范围是0-20ma。温度变送器的实际接线方式如下图3.2所示：图3.2 PT100使用接线原理图图3.3 PT100实际接线图3.2.3 EM 235实现对模拟量的采集EM 235是西门子公司为200系列扩展模拟量的个数而开发的模拟量采集模块，自身拥有4路模拟量输入1路模拟量输出。模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X和X；对于电流信号，将RA 和A短接后接入电流输入信号的“”端,将A-接到电流输入的“-”端；将未连接传感器的通道要将X和X短接。E

23、M235的接线原理如下图3.4所示：图3.4 EM235接线原理图注意上图中M端子接24V电源的负极，L+端子接24V电源的正极，对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。EM235模块上的DIP开关可以设置模拟量输入的类型及范围，在这里选择0-20ma。如下图所示：图3.5 EM235拨码开关的选择干球温度和湿球温度在EM235被采集并被转化成数字量，分别存储在AIW4和AIW6寄存器区中3.2.4 PLC实现对温度值的采集与处理S7-200通过总线行式可以直接读取寄存器AIW4和AIW6的值。在PLC中对变量进行相应的变化和处理。如下图3.6所示：图3.

24、6 PLC温度值转化程序PLC模拟量标度转化原理：信号的变换需要经过以下过程：物理量（电阻信号）传感器信号（电流信号）标准电信号（4-20ma）A/D转换数值显示。最终使用转换公式为：T=（变送器量程上限-变送器下限）*（AIW4-6400）/25600 + 变送器下限3.2.5上位机组态软件实现显示首先打开通用版MCGS，然后新建用户窗口并命名为主控窗口。图3.7 用户窗口然后打开用户窗口添加两个标签，分别命名为实验室温度和湿球温度，实验室温度实际为干球温度。再添加两个输出框用来显示各温度值。同时对输出框进行变量连接设置变量分别为干球温度和湿球温度，数据类型为数值型。图3.8 输出变量的属性

25、设置窗口然后在设备窗口里进行变量连接，首先添加一个通用串口设备然后在通用串口父设备挂接一个子设备，子设备选择S7200PPI通信协议。PPI协议是西门200所特有的一种单主站多从站的通信协议，通信效率很高能够很好的满足本系统对通信速率的要求。添加完S7200PPI驱动，然后设置内部属性，增加相应的通道然后进行变量连接，最后进行通道处理，设置至设备的地址，S7-200PLC出厂默认地址为2，将地址设置成1-255之间的任一个数，同样S7-200PLC也要设置成和组态软件里相同的通信参数，可以通过Step7Micro/Win的通信模块进行设置。具体过程如下图所示：图3.9 增加子设备图3.10 设

26、置子设备地址设置内部属性并增加通道图3.11 新建通道进行通道连接，将变量与设备地址建立关系，这样才能读出下位机寄存器的值来图3.12 通道连接将通道的数据进行处理，将数字量转化为相应的工程量。转化公式为：0.*X+（-75）和0.*X+（-100），因为两个变送器的量程分别为-50-50和-50-150所以两个公式才会不同。图3.13 通道数据处理最终的显示效果如下图3.14所示：图3.14 空气指标显示上位机还可以将采集到的实验室温度以及适度以曲线的形式显示在组态软件上。曲线包括实时曲线和历史曲线，并且可以打印曲线。也可以以报表的形势显示温度和湿度值，并且可以将报表打印出来。如下图3.15

27、所示：图3.15 温湿度实时曲线显示系统中有两个温度计内部液体的变化是根据模拟量的变化而变化的，可以示意室内干湿球温度的变化如下图3.16所示：图3.16 温度计显示3.3 除湿和加热的实现3.3.1除湿的意义本系统为热泵实验室的温湿度控制系统，实际的环境中会有热泵的室外机在里边工作，空气源热泵实际工作时会吸收实验室环境中的热量给水进行加热，实验室环境温度会骤降水汽会凝结成为小水滴，空气中的湿度和温度会相应的降低。而实际情况却不允许加入热泵系统。所以在实验环境中加入了一个除湿环节和一个加热环节。3.3.2除湿的实现在MCGS组态软件中加入一个启动和停止按键，通过这个按键对PLC的Q0.0位进行

28、操作，当ON按键按下时旋转循环1置1，当OFF按键按下时旋转循环1置0。在主控窗口中加入一个动画按键构件，双击构件设置属性，当为分段点0时装载位图风扇1，当分段点1时装载位图风扇2，对应数据对象的名称设置成旋转可见度1，然后在脚本语言中加入以下脚本语言：if 旋转循环1=1 then 旋转可见度1=1-旋转可见度1if 加热器=1 thenif i20 then i=i+2else i=0endifendif此构件实现了两张不同图片的切换，在一张图的基础上另一张图形旋转了90，然后按下ON后两张图形交替显示，由于人的视觉暂留现象所以感觉风扇是旋转的。图3.17 分段点0图3.18 分段点1图3

29、.19 实际位图显示当启动按钮按下时除了风扇会旋转同时会弹出一个矩形框提示系统的运行情况和设备的运行状态。实际运行情况如下图3.20所示：图3.20 除湿显示3.3.3加热的意义 当空气源热泵在实验室中工作时，热泵会吸收环境中的温度，通过制冷剂将热量转移到热水中。这样环境中的温度会骤降，为此我们要向环境中补充热量。3.3.4加热的实现实际项目中的加热是利用了一套水循环系统，类似于家庭中使用的暖气。这套系统是通过PLC控制变频器，变频器再控制水泵的转速从而达到控制水流的目的。在实验室暖气片上放有两组风机将热量释放到空气中去。在系统中我们只需要通过PID指令控制变频器控制水泵的流速就可以达到恒温的

30、目的，我们还需要一个流量计测量水的流速作为反馈值。热水的来源是另一套空气源热泵系统，能够保证提供源源不断的热量。图3.21 实际加热设备而在模拟系统中我选择了一个普通的加热器代替了上述的水循环系统，系统的加热完全实现了自动控制，不需要人为的去干涉，操作人员只需要在组态软件中设置温度的上限，系统就可以实现自动恒温控制。图3.22 按键设置图3.23 温度设置窗口点击程序中的温度设置按键可以打开温度设置窗口，然后再输入框内输入您所要的温度系统会自动控制加热器对空气加热。温度设置变量在通道连接时连接PLC的VB100寄存器，在PLC里在做相应的处理再通过和实际温度值的比较控制Q0.1输出。图3.24

31、 加热器控制程序硬件上的实现是通过Q0.1控制IDEC中间继电器的1和8脚控制加热器的通断的。IEDC中间继电器含有2路常闭和2路常开触点，切换电压可达到5000VAC.1分钟，触点负载可达到8A。实物如下图3.25所示： 图3.25 IDEC继电器3.4 湿度控制的实现3.4.1湿度及其它空气参数的计算1.湿度的计算方法在现实生活中我们经常利用相对湿度表示空气中的湿度。根据国家气象局编著的湿度查表（甲种本）的干湿表公式可以知道，实际水汽压力的值和干球湿球温度值之间的关系为：e=EAP(t-t) 8 （1）式中：e为实际水气的压力; A为干湿表的系数，也可以称为测湿系数；t为干球的温度；t为湿

32、球的温度；E为湿球温度对应的纯水平液面的饱和水汽压；p为气压值。饱和水汽压与温度有一定的函数关系，我们经常使用马格努斯经验公式E=E10 8 （2）式中：经验系数a的值为7.5，经验系数b的值为237.3， t为摄氏温度，E=6.11hpa。湿度的计算公式为：RH= 8 （3）式中：E为干球纯水饱和水汽压；RH为空气的相对湿度。由式（3）可以看出，相对湿度的精度取决于t、t及干湿表系数A的精度，因此在设计时要侧重于温度测量精度及A值测算精度的提高。由Wylle的理论和实验可知干湿表系数A是湿球直径、风速、温度、压力和气流中水含量的函数，非常复杂，在实际使用中往往用下面的经验公式来计算A=0.0

33、0001(65+) 8 （4）当然我们也可以通过干湿球温度与湿度对照表拟合出湿度的计算公式。拟合就是根据已有的离散数据，通过调节待定的系数拟合出一个非常相近的公式。由于篇幅有限在这里不做详细讲述，拟合系数和公式如下所示：a1=-0.1637a2=0.006a3=-0.0067a4=0.6771a5=-0.9962a6=0.0326a7=-0.9721a8=-0.3708a9=0.3673a10=-0.4096a11=-0.8461a12=1.292a13=16.896a14=-16.5783a15=-96.889湿度=(-1)*(a1*干球温度*干球温度*干球温度*干球温度)+(a2*湿球温度

34、*湿球温度*湿球温度*湿球温度)+(a3*干球温度*干球温度*干球温度*湿球温度)+(a4*干球温度*干球温度*湿球温度*湿球温度)+(a5*干球温度*湿球温度*湿球温度*湿球温度)+(a6*干球温度*干球温度*干球温度)+(a7*湿球温度*湿球温度*湿球温度)+(a8*干球温度*干球温度*湿球温度)+(a9*干球温度*湿球温度*湿球温度)+(a10*干球温度*干球温度)+(a11*湿球温度*湿球温度)+(a12*干球温度*湿球温度)+a13*干球温度+a14*湿球温度+a15) 3干球温度和湿球温度已在MCGS的实时数据库中定义，再将上述的变量和公式写进循环脚本就可以得到湿度的值，通过与干湿

35、球温度与湿度对照表比较得到误差能够保持在0.5%以内。在MCGS的循环策略中加入一个策略行和一个脚本程序，如下图3.26所示：图3.26 增加策略行2.含湿量的计算方法 根据饱和水蒸气压力与温度对照表我们可以拟合出以下的系数及公式：p1 =0.07394p2 =-0.2556p3 =62.49p4 =581.9饱和水蒸气压力 = (p1*干球温度*干球温度*干球温度) + (p2*干球温度*干球温度) + (p3*干球温度) + p4含湿量=622*(湿度 / 100)*饱和水蒸气压力) / ( - (湿度 / 100)*饱和水蒸气压力)3.焓值的计算方法焓值 = (1.01 * 干球温度)+

36、(2500+(1.84 * 干球温度) * 含湿量) / 1000)4.露点温度的计算方法b0=-60.45b1=7.0322b2=0.37a=!log(饱和水蒸气压力 ) / !log( 2.7)b=a*a露点温度=b0+(b1*a)+(b2*b)注意：干球为PT100裸露在空气中直接和空气接触，湿球是用纱布将PT100包裹并将它放入水中。湿球上包裹的纱布需要定期的进行更换，湿球必须置于通风的环境中，并且附近的风速能够达到2.5m/s。只有纱布、水质、风速都到达了一定的要求时，才能达到规定的精度。3.4.2湿度控制的PID调节1.PID指令块的建立图3.27 PID控制原理图S7-200可以

37、通过PID指令进行PID调节，S7-200最多支持8路PID调节。PID调节是根据反馈值与给定值相比较从而控制输出，输出可以是数字量也可以是模拟量。如果是数字量那么输出为一串占空比时刻变化的脉冲串，如果是模拟量那么输出为一个连续变化的模拟量0-20ma。PID功能块是通过PID回路表交换数据的，这个回路表是建立在V区的，大小为36个字节，因此在建立PID功能块时需要指定两个要素:PID控制回路号，以及回路表的起始地址。PID功能块的建立可通过手动建立和向导建立，为避免造成不必要的错误建议使用PID向导对PID编程。建立过程如下图3.28所示：图3.28 指令向导图3.29 PID向导第一步：进

38、行PID回路号的设置图3.30 设置回路号第二步：进行PID参数的设置图3.31 设置PID参数在低限和高限中输入一个实数，表示给定值的取值范围占反馈量程的百分比。在这里可以不必确定回路参数，可以在PID调节面板中进行修改。第三步：进行回路输入及输出值的设置图3.32 设置输入输出值类型选择单极性还是双极性，单极性如0-20ma、0-10V，双极性如-10V-10V。如果输入量为4-20ma，那么选择单极性，勾选20%的偏移量，那么设置的过程变量为6400-32000，输出类型选择数字量，设定周期值。第四步：设置回路报警的设置图3.33 设置回路报警第五步：进行回路数据区的存储地址的设置图3.

39、34 设置存储地址第六步：增加手动控制图3.35 增加手动控制第七步：完成图3.36 完成第八步：PID在程序中的调用图3.37 调用子程序图3.38 PID程序PV_I:反馈参数Setpoin：给定参数Output：PID调节的输出值按照上述的步骤建立完向导之后，可以在step7中最左边的指令树中找到调用之程序，在这里即可找到生成的PID指令，如果生成了多个PID指令请根据PID回路号进行区分。图3.39 实际加湿器在实际项目中使用了3个加热器用来加热水产生蒸汽，使空气达到一定的湿度。而在模拟环境中我使用了一个电加热器用来模拟。图3.40 固态继电器控制加湿器PID是通过控制固态继电器从而达

40、到控制热水器的目的。PID输出的脉冲控制继电器的开合，固态继电器是一种新型无触点的电子开关器件，能够实现弱信号控制强电。原理图如下：图3.41 固态继电器原理图注意：如果程序中已经存在至少一个PID控制回路，那么就会生成一个中断函数，并且这个中断函数是8个回路公用的，在其他回路中不能任意修改。中断函数使用的是SMB34定时中断，在用户程序中不可以不要再使用此中断，也不能再向SMB34中写入新的值，不然的话会造成PID指令停止工作。2.PID指令块的调试PID的参数不存在经验值，每一个项目有它自己合适的PID参数哪怕是两个相识的项目，所以需要去不断地调试以得到合适的值。由自动控制原理这门课中可知

41、：过大的增益会造成反馈的振荡;积分时间控制输出的变化速率，积分时间越短得到的修正就越快，但会造成系统的不稳定；微分使系统对扰动的敏感度增加，微分相当于对反馈的预测性调整，一般情况下令其为0，也就是我们常用的PI调节。PID参数的调试需要观察反馈波形对于给定的变化的响应曲线，因此没有一个有效的手段去观察反馈波形的变化就谈不上调试PID参数。因此在step7新版本中为我们提供了PID调节控制面板，在控制面板中我们可以进行PID自整定和手动调节，PID控制面板只有在连接了实际的PLC时才能够实时的仿真5。图3.42 PID调试面板4.系统的整体设计4.1系统硬件的设计 一个具体项目实施的前提条件是整

42、体方案的设计，一个好的设计者应该将整个系统了然于胸，并且能够用CAD画出来让工程人员能够顺利的进行施工。前期的工程图包括：硬件整体布局图和机柜布线图如下图4.1所示：图4.1 系统整体布局图图4.2 机柜布线图一个好的工程人员要能够根据布线图正确的接线，如上图所示：DYO电源输出的1、2端子分别为220的零线和火线，分别接到了DY的1、2端子上，可知接线端子上标的线号都是一端要接的4。4.2系统软件设计上位机软件的设计 运行软件时登陆初始画面，点击画面进入系统。图4.3 运行时初始画面图4.4 主程序画面图4.5 实时温度曲线图4.6 实时湿度曲线下位机软件的设计流程图：开始程序初始化读入实时

43、值和键入值实时设定调用温度控制升温实时设定调用湿度控制加湿 是 是4.3系统通信的设计本系统使用西门子PPI通讯协议，采用西门子标准的PCPPI通讯电缆或通用的 RS232/485转换器，方便、快速的和PLC通讯。硬件连接如下图3.9所示：图3.9 通信硬件连接图和一台 PLC进行通讯：即RS485的A+（DATA+）与PLC9针端口的第3脚连接，B-（DATA -）与PLC9针端口的第8脚连接，由于224XP具有两个通信口，在这里我们选择使用PORT1。采用485差分信号传输能够有效地抑制干扰，适合长距离稳定传输。设置通用串口父设备的参数，设置相应的COM口、波特率、数据位、停止位、校验位等

44、参数。PPI协议为点对点协议，是西门子公司为S7-200而开发的一种协议，它的传输效率非常高，在200中得到了广泛的应用。除了上述所使用的PPI协议，我们也可以使用通用的Modbus RTU协议。Modbus协议最早由莫迪康研发并投入使用，后来这种协议开放被大众所广泛使用，目前Modbus协议在工业自动化控制中占有举足轻重的地位。Modbus协议包括地址码、功能码、数据区、校验位。在step7编程软件中利用指令库可以方便的实现编程。Modbus 从站寻址：00001-00128是实际输出，对应于PLC的Q0.0-Q15.710001-10128是实际输入，对应于PLC的I0.0-I15.730001-30032是模拟输入寄存器，对应于PLC的AIW0-AIW6240001-04XXXX是保持寄存器，对应于PLC的V存储器10Modbus指令库如下图3.10所示：图3.10 Modbus从站指令库程序中需要进行初始化Modbus从站，初始化包