西门子温度控制新版系统毕业设计方案.doc
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1、内容摘要温度是工业生产中常用工艺参数之一,任何物理变化和化学反映过程都与温度密切有关。在科学研究和生产实践诸多领域中,温度控制占有着极为重要地位,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具备举足轻重作用。对于不同生产状况和工艺规定下温度控制,所采用加热方式,燃料,控制方案 也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用各种加热炉、热解决炉、反映炉等;燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统 工艺过程复杂多变,具备不拟定性,因而对系统规定更为先进控制技术和控制理论。 可编程控制器(PLC)可编程控制器是一种工业控制计算机,是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体新
2、型自动装置。它具备抗干扰能力强,价格便宜, 可靠性强,编程简朴,易学易用等特点,在工业领域中深受工程操作人员喜欢,因而PLC已在工业控制各个领域中被广泛地使用。核心字:温度控制 PLC 组态目 录1 引言31.1 温度控制系统意义31.2 温度控制系统背景31.3 研究技术简介32 硬件设计62.1 硬件配备62.2 I/O分派表82.3 硬件接线图103 软件设计103.1 PID控制程序设计153.2 S7-200程序设计流程图163.3 内存地址分派与PID指令回路表173.4 S7-200程序设计梯形图174 组态编程254.1 PLC通信配备与通信方式254.2 网络通讯PPI合同2
3、54.3 组态软件Kingview274.4 组态王定义外部设备和数据变量274.5 组态王界面304.6 启动组态王29结论32道谢35参照文献361 引言1.1 温度控制系统意义温度及湿度测量和控制对人类寻常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要作用。在许多场合,及时精确获得目的温度、湿度信息是十分重要,近年来,温湿度测控领域发展迅速,并且随着数字技术发展,温湿度测控芯片也相应登上历史舞台,可以在工业、农业等各领域中广泛使用。1.2 温度控制系统背景自70年代以来,由于工业过程控制需要,特别是在微电子技术和计算机技术迅猛发展以及自动控制理论和设计办法发展推动下,国内外温度控制系
4、统发展迅速,并在职能化、自适应、参数自整定等方面获得成果,在这方面,一日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,都产生了一批商品化、性能优秀温度控制器及仪器仪表,并在各行各业广泛应用。温度控制系统在国内各行各业应用虽然十分广泛,但从国内生产温度控制器来讲,总体发展水平依然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比依然有着较大差距。当前,国内在这方面总体水平处在20实际80年代中后期水平,成熟产品重要以“点位”控制及常规PID控制器为主,它只能适应普通温度系统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合智能化、自适应控制仪表,国内技术还不十提成熟。形成商品化并在仪表控制系统参数自整定方
5、面,还没开发性能可靠自整定软件。参数大多靠人工经验及国内现场调试来拟定。随着科学技术不断发展,人们对温度控制系统规定越来越高,因而,高精度、智能化、人性化温度控制系统是国内外必然发展趋势。1.3 研究技术简介1.3.1 传感技术传感技术、通信技术和计算机技术是当代信息技术三大基本技术。中华人名共和国国标GB7665-1987对传感器(transducer/sensor)定义是:“能感受规定被测量并按照一定规律转换成可用输出信号器件或装置,普通由敏感元件和转换元件构成。其中,敏感元件是指直接感受或响应被测量某些;转换元件是指传感器中能将敏感元件或响应被测量转换成适于传感器或被测量电信号某些。”对
6、生产过程监控一方面离不开采集设备工作信息,因而选用适当传感器至关重要,如果把计算机看作是自动化系统“大脑”,信道看作是“神经网络”话,那么传感器就是自动化系统“五官”。无法对现场数据进行精确、可靠、实时测量,监控也就无从谈起了。1.3.2 PLC可编程控制器英文名称是Programmable Logic Controller,即可编程逻辑控制器,简称PLC。当代制造业必要对市场需求做出迅速反映,生产小批量、多品种、多规格、低成本和高质量产品,这便规定生产设备和自动化生产线控制系统必要具备极高可靠性和灵活性。可编程控制器正是顺应这一潮流而浮现,以微解决器为基本通用工业控制装置。在20世纪60年代
7、汽车制造业,老式继电接触器控制装置广泛应用于生产流水线自动控制系统中。这套装置设备体积庞大,可靠性差,同步维护不便,并且,完全由逻辑硬件构成,接线十分复杂。一旦生产过程某一环节发生变化,控制装置就要重新设计改造。随着汽车生产工业迅猛发展,对于汽车型号频繁改进,老式控制系统捉襟见肘,弊端日益放大,最后PLC 应运而生。它开创性地引入程序控制功能,使计算机科学技术进入工业生产控制领域应用。初期PLC仅仅是代替继电器控制装置完毕顺序控制、定期等任务,但是其简朴易懂、安装以便、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用特点,使得PLC不久就得到了推广应用。随着超大规模集成电路技术和微解决器性能飞速发展,P
8、LC软、硬件功能不能丰富、完善。国际电工委员会(IEC)对PLC正式定义:“可编程控制器是一种数字运算操作电子系统,专为工业环境应用而设计,它采用一类可编程存储器,用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定期、计数与算术操作等面向顾客指令,并通过数字或模仿或输入/输出控制各种类型机械或生产过程。可编程控制器及其关于外部设备,都按易于与工业控制系统联成一种整体、易于扩充其功能原则设计。”PLC技术发展至今已十提成熟,生产PLC产品厂家多达200各种,其中较知名有德国西门子(Siemens)公司、美国Rockwell自动化公司所属A-B(Allen & Bradly)公司、GE-Fanuc公司
9、、法国施耐德(Schneider)公司、日本三菱公司和欧姆龙(OMRON)公司。1.3.3 上位机即便远离生产现场,操作人员仍可以通过远程计算机即上位机直接向生产设备发出控制指令。上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号变化(液压,水位,温度等),便是人机界面(Human Machine Interface)。而下位机是获取设备状况及直接控制设备计算机,普通是PLC或单片机。1.3.4 组态软件组态软件,处在自动控制系统监控层一级软件平台和开发环境,使用灵活组态方式,为顾客提供迅速构建工业自动控制系统监控功能、通用层次软件工具。在组态软件浮现之前,工控领域顾客通过手工或委托第三方编写HMI(人机接
10、口软件)应用,开发时间长、效率低、可靠性差;或者购买专用工控系统,普通是封闭系统,选取余地小,往往不能满足需求,很难与外界进行数据交互,升级和增长功能都受到严重限制。组态软件浮现使顾客可以运用组态软件功能,构建一套最适合自己应用系统。随着工业自动化水平迅速提高,计算机在工业领域广泛应用,种类繁多控制设备和过程监控装置在工业领域应用,老式工业控制软件已无法满足顾客各种需求。在开发老式工业控制软件时,一旦工业被控对象有变动,就必要修改其控制系统源程序,导致其开发周期长;已开发成功工控软件又由于每个控制项目不同而使其重复使用率很低,导致它价格昂贵。通用工业自动化组态软件可以较好地解决老式工业控制软件
11、存在种种问题,使顾客能依照自己对象和控制目任意组态,完毕最后自动化控制工程。2 硬件设计2.1 硬件配备2.1.1 西门子S7-200 CUP226S7-200系列PLC可提供4种不同基本单元和6种型号扩展单元。其系统构成涉及基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。S7-200系列基本单元如表2.1所示。表2.1 S7-200系列PLC中CPU22X基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221640S7-200CPU222862个扩展模块S7-200CPU22424107个扩展模块S7-200CPU224XP24167个扩展模块S7-200CPU22624167个扩展模
12、块本论文采用是CUP226。它具备24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O点或35 路模仿量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立30kHz高速计数器,2路独立20kHz高速脉冲输出,具备PID控制器。2个RS485通讯/编程口,具备PPI通讯合同、MPI通讯合同和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高规定控制系统,具备更多输入/输出点,更强模块扩展能力,更快运营速度和功能更强内部集成特殊功能。可完全适应于某些复杂中小型控制系统。2.1.2 传感器热电偶是一种感温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信
13、号。惯用热电偶可分为原则热电偶和非原则热电偶两大类。所调用原则热电偶是指国标规定了其热电势与温度关系、答应误差、并有统一原则分度表热电偶,它有与其配套显示仪表可供选用。非原则化热电偶在使用范畴或数量级上均不及原则化热电偶,普通也没有统一分度表,重要用于某些特殊场合测量。原则化热电偶国内从1988年1月1日起,热电偶和热电阻所有按IEC国际原则生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种原则化热电偶为国内统一设计型热电偶。本论文采用是K型热电阻。2.1.3 EM 235模仿量输入模块EM 235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体(ST)单片集成变送器ASIC芯片于一体新一代交流电流隔离
14、变送器模块,它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出DC420mA(通过250电阻转换DC 15V或通过500电阻 转换DC210V)恒流环原则信号,持续输送到接受装置(计算机或显示仪表)。表2-1所示为如何用DIP开关设立EM 235模块。开关1到6可选取模仿量输入范畴和辨别率。所有输入设立成相似模仿量输入范畴和格式。表2.2所示为如何选取单/双极性(开关6)、增益(开关4和5)和衰减(开关1、2和3)。下表2.2中,ON为接通,OFF为断开。表2.2 EM 235选取模仿量输入范畴和辨别率开关表单极性满量程输入辨别率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFO
15、N0到50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0到100mV25VONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV依照温度检测和控制模块,我设立PID开关为010001图2.1 DIP开关2.1.4 温度检测和控制模块由学校提供,模仿真实锅炉温度检测和控制模块,可自行将010V模仿信号转化为占空比对锅炉进行加热。输出模仿信号也是010V,锅炉外接24V直流电源。2.2 I/O分派表表2
16、.3 I/O分派表输入I0.0启动按钮I0.1停止按钮输出Q0.1启动批示灯Q0.2停止批示灯Q0.3正常运营批示灯Q0.4温度越上限报警批示灯Q0.5锅炉加热批示灯2.3 硬件接线图图2.2 硬件连接图图2.3 EM 235 CN连接图3 软件设计3.1 PID控制程序设计模仿量闭环控制较好办法之一是PID控制,PID在工业领域应用已有60近年,当前依然广泛地被应用。人们在应用过程中积累了许多经验,PID研究已经到达一种比较高限度。比例控制(P)是一种最简朴控制方式。其控制器输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具备迅速反映,控制及时,但不能消除余差。在积分控制(I)中,控制器输出与输入误差
17、信号积提成正比关系。积分控制可以消除余差,但具备滞后特点,不能迅速对误差进行有效控制。在微分控制(D)中,控制器输出与输入误差信号微分(即误差变化率)成正比关系。微分控制具备超前作用,它能猜测误差变化趋势。避免较大误差浮现,微分控制不能消除余差。PID控制,P、I、D各有自己长处和缺陷,它们一起使用时候又和互相制约,但只有合理地选用PID值,就可以获得较高控制质量。3.1.1 PID控制算法图3.1 闭环控制系统如图3.1所示,PID控制器可调节回路输出,使系统达到稳定状态。偏差e和输入量r、输出量c关系: (3-1)控制器输出为: (3-2)-PID回路输出-比例系数P-积分系数I-微分系数
18、DPID调节传播函数为 (3-3)数字计算机解决这个函数关系式,必要将持续函数离散化,对偏差周期采样后,计算机输出值。其离散化规律如表3.1所示:表3.1 模仿与离散形式模仿形式离散化形式因此PID输出通过离散化后,它输出方程为: (3-4)式中, 称为比例项 称为积分项 称为微分项上式中,积分项是涉及第一种采样周期到当前采样周期所有误差累积值。计算中,没有必要保存所有采样周期误差项,只需要保存积分项前值,计算机解决就是按照这种思想。故可运用PLC中PID指令实现位置式PID控制算法量。3.1.2 PID在PLC中回路指令西门子S7-200系列PLC中使用PID回路指令,见表3.2表3.2 P
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