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1、1 引言1.1 设计目的温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的。近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。1.2 设计内容主要是利用 PLC S7-200 作为可编程控制器，系统采用 PID 控制算法，手动整定或自整定 PID 参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为为一定值，并能实现手动启动和停止，运行指示灯监控实时控制系统的运行，实时显示当前温度值。1.3 设计目标通过对温度控制的设计，提高
2、在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养在完成工程项目中所应具备的基本素质和要求。培养团队精神，科学的、实事求是的工作方法，提高查阅资料、语言表达和理论联系实际的技能。2 系统总体方案设计2.1 系统硬件配置及组成原理2.1.1 PLC 型号的选择本温度控制系统采用德国西门子 S7-200 PLC。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此 S7-200 系列具有极高的性能/价格比。2.1.2 PLC CPU 的选择S7-200 系列的 PLC
3、有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU226 等类型。S7-200PLC 硬件系统的组成采用整体式加积木式，即主机中包括定数量的 I/O 端口，同时还可以扩展各种功能模块。S7-200PLC 由基本单元（S7-200 CPU 模块）、扩展单元、个人计算机（PC）或编程器，STEP 7-Micro/WIN 编程软件及通信电缆等组成。表 2.1 S7-200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本单元型号 输入点 输出点 扩展模块数量S7-200CPU221 6 4 0S7-200CPU222 8 6 2S7-200CPU224 24 10 7S7-200CPU224XP 24 16
4、 7S7-200CPU226 24 16 7本设计采用的是 CUP226。它具有 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 路模拟量 I/O 点。26K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的 30kHz 高速计数器，2 路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。2 个 RS485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能
5、。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。CPU226 模块的 I/O 配置及四肢分配主机 模块 0 模块 1 模块 2 模块 3CPU226 8IN 4IN/4OUT 4AI/1AQ 4AI/1AQI4.0/Q2.0 AIW0/AQW0 AIW8/AQW4I4.1/Q2.1 AIW2 AIW10I4.2/Q2.3 AIW4 AIW12I0.0-I2.7/Q0.0-Q1,.7I3.0-I3.7I4.3/Q2.3 AIW6 AIW142.1.3 EM235 模拟量输入/输出模块 在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成 4-20mA 的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字
6、信号再送入 PLC 中进行处理。在这里我们选择西门子的 EM235 模拟量输入/输出模块。EM235 模块具有4 路模拟量输入/一路模拟量的输出。它允许 S7-200 连接微小的模拟量信号，80mV 范围。用户必须用 DIP 开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向：SW1SW3 用于选择热电偶的类型，SW4 没有使用，SW5 用于选择断线检测方向，SW6 用于选择是否进行断线检测，SW7 用于选择测量方向，SW8 用于选择是否进行冷端补偿。所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。2.1.4 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号。常
7、用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、应答误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从 1988 年 1 月 1 日起，热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准生产，并指定 S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。本论文采用的是 K 型热电阻。2.1.5 可控硅加热装置 对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉采用带 PID 调节的数字式温度显示调节仪显示和
8、调节温度，输出 010mA 作为直流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。温度测量与控制是热电偶采集信号通过 PID 温度调节器测量和输出 010mA 或 420mA 控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护 RC 和电阻炉的加热元件等部分组成。2.1.6 系统组成原理图2.2 系统变量定义及分配表2.2.1 符号表序号符号 地址 注释1 特殊标志位存储
9、器 1 SM0.0 CPU 运行时，该位始终为 12 特殊标志位存储器 2 SM0.1 首次扫描时该位为 13 双字变量存储器 1 VD104 将实数 0.4 送入 VD1044 双字变量存储器 2 VD112 将实数 0.15 送入 VD1045 双字变量存储器 3 VD116 将实数 0.1 送入 VD1046 双字变量存储器 4 VD120 将实数 30.0 送入 VD1047 双字变量存储器 5 VD124 将实数 0.0 送入 VD1048 特殊标志位内存字节 SMB34 设置中断控制字节（SMB34=1009 中断连接指令 ATCH 建立中断事件 EVNT 和程序 INT10 中断
10、允许指令 ENI 条件成立时，允许所有中断事件11 整数到双整数转换指令 I_DI 模拟量输入映像寄存器 AIW0 的值送入累加器 AC012 双整数到实数转换指令 DI_R 累加器 AC0 中的值转换后存入累加器 AC013 实数除法运算指令 DIV_R 累加器 AC0 中的值除以 32000 后再送入 AC014 回路指令 PID 根据 TBL 中的输入 VB108 和配置信息对LOOP 执行 PID 循环15 实数乘法指令 MUL_R 双字变量存储器 VD108 中的内容与 32000 相乘结果送入累加器AC016 实数到双整数转换指令 ROUND 累加器 AC0 中的值转换后存入累加器
11、 AC017 双整数到整数转换指令 DI_I 累加器 AC0 中的值转换后存入累加器 AC02.2.2 I/O 分配表输入信号 输出信号名称 地址 名称 地址启动指示灯 Q0.1停止指示灯 Q0.2正常运行指示灯 Q0.3温度越上限报警指示灯 Q0.4脉冲输入I0.1启动按钮停止按钮加热指示灯 Q0.52.3 系统接线图设计3 控制系统设计3.1 控制程序流程图设计 3.1.1 主程序运行 PLC初始化运行指示SM0.1 始终为 1调用子程序 03.1.2 子程序设定温度值导入 PID 设定参数值每 100ms 调用一次中断程序中断返回3.1.3 中断程序读入温度并转换把实际温度放入 VD10
12、0调用 PID 命令物体的温度上升？NY停止加热 继续加热输出 PID 值3.2 控制程序时序图设计3.3 控制程序设计思路3.3.1 初次上电3.3.2 子程序 1）输入设定温度。 2）把设定温度、P 值、I 值、D 值都导入 PID3）每 100ms 中断一次子程序进行 PID 运算。 3.3.3 中断程序，PID 的计算 1）模拟信号的采样处理，归一化导入 PID。2）DIP 程序运算。3）输出 DIP 运算结果，逆转换为模拟信号。 3.4 创新设计内容4 上位监控系统设计4.1 PLC 与上位监控软件通讯4.1.1 串行数据传送和并行数据传送 1)并行数据传送：并行数据传送时所有数据位
13、是同时进行的，以字或字节为单位传送。并行传输速度快，但通信线路多、成本高，适合近距离数据高速传送。 2)串行数据传送：串行数据传送时所有数据是按位(bit)进行的。串行通信仅需要一对数据线就可以。在长距离数据传送中较为合适。 PLC 网络传送数据的方式绝大多数为串行方式，而计算机或 PLC 内部数据处理、存储都是并行的。若要串行发送、接收数据，则要进行相应的串行、并行数据转换，即在数据发送前，要把并行数据先转换成串行数据；而在数据接收后，要把串行数据转换成并行数据后再处理。 4.1.2 异步方式与同步方式 根据串行通信数据传输方式的不同可以分为异步方式和同步方式。 1)异步方式：又称起止方式。
14、它在发送字符时，要先发送起始位，然后才是字符本身，最后是停止位。字符之后还可以加入奇偶校验位。异步传送较为简单，但要增加传送位，将影响传输速率。异步传送是靠起始位和波特率来保持同步的。 2)同步方式：同步方式要在传送数据的同时，也传递时钟同步信号，并始终按照给定的时刻采集数据。同步方式传递数据虽提高了数据的传输速率，但对通信系统要求较高。 PLC 网络多采用异步方式传送数据。 4.1.3 网络的通讯 PPI 协议 PPI 是一种主从设备协议：主设备给从属装置发送请求，从属装置进行响应。从属装置不发出讯息，而是一直等到主设备发送请求或轮询时才作出响应。主设备与从属装置的通讯将通过按 PPI 协议
15、进行管理的共享连接来进行。图 41 如果在用户程序中激活 PPI 主设备模式，则 S7-200 CPU 在处于 RUN（运行）模式时可用作主设备。激活 PPI 主设备模式之后，可使用“网络读取”或“网络写入”指令从其它 S7-200 读取数据或将数据写入其它 S7-200。当 S7-200 用作 PPI 主设备时，它将仍然作为从属装置对来自其他主设备的请求进行响应。 对于简单的单台主设备网络，编程站和 S7-200 CPU 既可以通过 PPI多台主设备电缆连接，也可以通过安装在编程站中的通讯处理器（CP）卡连接。在图上部的范例网络中，编程站（STEP7-Micro/WIN）是网络主设备。在图下
16、部的范例网络中，人机界面（HMI）设备（例如 TD 200、TP 或 OP）是网络主设备。 在两个范例网络中，S7-200 CPU 是对主设备的请求进行响应的从属装置。图 42 单台主设备 PPI 网络4.2 上位监控系统组态设计4.2.1 外部设备的定义 组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都做为外部设备使用。外部硬件设备在本文中就是 PLC S7-200。可使用“设备配置向导”一步步完成设备的连接。 4.4.2 定义数据变量 要实现组态王对 S7-200 的在线控制，就必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和“I/O 变量”两类。内存变量是组态王内部的变量，不跟监控设备进行交换。而 I/O 变量时两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200 和组态王的数据交换是双向的，一者的数据发生变
