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1、指导教师：王力,基于PLC和组态王的温度控制系统设计,学院：承德石油高专班级：自动化1102姓名：xxx学号：xxx,指导教师：王力基于PLC和组态王的温度控制系统设计学院：承德,研究概述,研究背景 不管是在工业的冶金还是农业的种植等领域上，温度控制都是一个必不可少的环节，一旦温度控制得不好会直接导致产品品质低下，严重影响经济效益。 研究意义 利用PLC的下位机和HMI功能的上位机相结合,设计出一套温度控制系统，来用于温度自动控制场合中。研究对象 本设计是属于通用温控系统，用于对温度要求不太严格环境中。例如耐热性或喜温性蔬菜，包括冬瓜、苦瓜、西瓜、豇豆、苋菜、蕹菜等；热带或亚热带的花卉，像王莲
2、的种子、仙人掌等。,研究概述,论文的主要内容,第一部分：PLC系统设计基础,第二部分：PLC控制程序的设计,PLC控制系统的总体设计PLC软硬件系统设计,第四部分：系统仿真调试及结果,第三部分：系统组态设计,PID控制原理PLC控制程序设计,人机界面软件的选择组态王人机界面设计,系统仿真调试系统仿真结果,论文的主要内容第一部分：第二部分：PLC控制系统的总体设计第,硬件系统设计,本设计中用到的PLC是属于德国西门子公司的S7-200系列的，它的体积小、价格低。S7-200系列PLC提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量模拟量I/O扩展模块供用户选用。S7-200系列的PLC有CPU22
3、1、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM等类型。 基于本设计中所用到的输入/输出点数不多，只需用CPU224即可。,PLC型号的选择：,硬件系统设计 本设计中用到的PLC是属于德国西门子公司的S,硬件系统设计,在本设计中，将温度这个模拟量作为输入量，而PLC只能处理数字量，则需要把传感器和变送器送来的模拟量经功能扩展模块处理为数字量给主机，再由主机通过特殊功能模块处理，输出模拟量去控制设备。 在本设计中选择模拟量输入/输出扩展模块EM235，它具有4路模拟量输入，1路模拟量输出。,功能扩展模块：,假设模拟量的标准电信号是A0Am（如：420mA），A/D 转换后数值为D0
4、Dm（如：640032000），设模拟量的标准电信号是A，A/D 转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系Af（D）可以表示为数学方程：A（DD0）*（AmA0）/（DmD0）A0 根据该方程式，可以方便地根据D 值计算出A值。将该方程式逆变换，得出函数关系Df（A）可以表示为数学方程：D（AA0）*（DmD0）/（AmA0）D0,模拟量值和A/D 转换值的转换：,硬件系统设计 在本设计中，将温度这个模拟量作为输入量，而P,PLC控制程序的设计,（1）比例P的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，成比例地反映控制系统 的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减
5、少偏差。随着的增 大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调；（2）积分的作用是消除系统的稳态误差，越大系统的稳态误差消除的越快，但也不能过 大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象，若过小，系统的稳态误差将难以 消除，影响系统的调节精度；（3）微分的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方 向的变化，对偏差变化进行提前预报，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中 引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。但不能 过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。,PID控制器各校正环节的作用如下：,
6、常规PID控制系统原理框图：,PID控制器将偏差e(t)的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。,图1 PID控制系统原理图,PLC控制程序的设计（1）比例P的作用是加快系统的响应速度，,PLC控制程序的设计,1、在主程序中，用特殊继电器SM0.1对主程序只在首次扫 描时进行执行，然后进入子程序。,设计思路：,2、在子程序当中，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行 初始化，将温度设定值，PID参数值等，存入有关的数据寄 存器，接着进入中断程序。,3、传感器从外部采集温度并通过温度变送器转换（4-20mA） 送往EM235模块。中断一开始执行，PL
7、C就以0.1秒的速度 采集温度值，并经过PID计算，再送到EM235模块输给驱动 模块去驱动电热丝控制温度 。,PLC控制程序的设计1、在主程序中，用特殊继电器SM0.1对,PLC控制程序的设计,热电偶将检测到的实际温度通过温度变送器转化为电流信号（4-20mA），经过EM235模拟量输入模块转换成数字量信号（6400-32000），并送到PLC中进行PID调节，再传输到EM235模拟量输出模块，模拟量输出控制，将PLC中PID控制器输出通过EM235输出0-10V电压，该0-10V电压作为驱动模块的输入信号，该模块将接收的0-10V可调电压变换成0-24V可调电压给电加热丝，从而控制电加热丝
8、的加热强度，从而实现温度控制。整个系统框架如图所示。,系统框架图 ：,图2 系统框架图,图3 模拟量输出控制图,PLC控制程序的设计 热电偶将检测到的实际温度通过温度变送器,系统组态设计,在本温度控制系统设计中，我选择了组态王来完成监控画面的设计。组态王和其他组态软件相比最大的优势是它操作方便，提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，对于新手来说很容易上手。,人机界面软件的选择：,每个界面的制作：,在工程浏览器中，双击新建图标，新建画面。在这里我们制作了监控主界面、实时趋势曲线、历史趋势曲线、报警窗口等画面。如右边所示。,系统组态设计 在本温度控制系统设计中，
9、我选择了组态王来完成,系统仿真调试及结果,下面就北方冬天菜棚里种苦瓜或者南瓜为例设定温度参数，其生长最佳温度在33左右，40和26分别为不佳生成温度的上下限。,参数的设置：,进行系统仿真录像：,图4 变量的报警设置,点击播放,系统仿真调试及结果 下面就北方冬天菜棚里种苦瓜或者南瓜为例设,全文总结,在工业生产过程控制中，模拟量的PID调节是常见的一种控制方式，同时PID调节器又具有典型的结构，可以根据被控对象的具体情况,采用PID的变种，只需设定好PID参数，运行PID控制指令，就能准确控制回路的输出值，有较强的灵活性和适用性。另外加上人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括参数监测、信息处理、
10、在线优化、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得简单易懂、操作人性化，深受广大用户的喜欢。在本设计中，我使用了西门子S7-200系列PLC和组态软件组态王，成功的设计出了温度控制系统，基本上实现了基于PLC的下位机和完成HMI功能的上位机相结合。,虽然在本设计中基本完成了对温度的控制和监控，基本能适合于对温控控制要求不高的环境当中。但由于是单环反馈，不能像串级控制那样能进行粗调和微调，从而更快速更稳定的达到给定值，这是本设计的一个遗憾，希望有机会再加上一个PID控制进行粗调。另外在采样环节对温度进行多次采样，剔除坏值，达到更准确的输入值。,本系统具有通用性，对于不同温度控制环境，可以通过
11、改造相关的输入输出设备及程序参数即可实现。,全文总结 在工业生产过程控制中，模拟量的PID调节是常,本文能够顺利完成，要特别感谢我的指导老师xxx，还有感谢xxx的关心和帮助，另外还有感谢xxx同学的帮助。向所有教过我的老师，像xxx等老师表示衷心的感谢，向所有关心和帮助过我的人表示真心的感谢。,致谢,本文能够顺利完成，要特别感谢我的指导老师xxx，还有感谢xx,介绍完毕请各位老师给予批评和指教谢谢！,介绍完毕,I/O点分配,本设计用到的I/O点数不多，具体如下表所示。表1 I/O点分配表,I/O点分配 本设计用到的I/O点数不多，具体如下表所示。,PLC程序（梯形图）,下面就北方冬天菜棚里种
12、苦瓜或者南瓜为例，其生长温度在33左右，40和26分别为不佳生成温度的上下限。其PLC梯形图（L）程序如下：,上面是个主程序，只用了特殊继电器SM0.1对主程序只在首次扫描时进行执行，然后进入子程序。,子程序网络1：对PID控制器参数进行了初始化，把苦瓜最佳生长温度33送到寄存器VD100，而增益KC=100，采样时间TS=8秒，积分时间,=20分钟，微分时间,分别给到PID指令回路所对应的偏移地址中去。,=1分钟,子程序网络2：只是把苦瓜的生长温度上限值40给到寄存器VD250。,子程序网络3：把100ms送进只读特殊寄存器SM34，启动中断0。,PLC程序（梯形图） 下面就北方冬天菜棚里种
13、苦瓜或者南瓜为例,PLC程序（梯形图）,中断子程序网络1：实现采样温度输入数值由单整数转换成双整数，再转换成实数，并归一化，另把显示的数值送到VD200,。其中因为温度变送器的量程是0-300，标准电信号是4-20mA，A/D转换后数值为6400-32000，由于是之间是线性关系，则显示的温度值T=（300-0）*（AIW0-6400）/（32000-6400）-0。,中断子程序网络2：把输入的设定温度值归一化，类似上个网络的设定，设定温度值归一化后的数值X=T*(1-0.2)/300+0.02。,中断子程序网络3：I0.1为是否使用PID的切换开关，Q0.0为使用PID时的显示灯，其中PID指令回路表的起始地址为VB0，LOOP回路编号为0。,PLC程序（梯形图） 中断子程序网络1：实现采样温度输入数值,PLC程序（梯形图）,中断子程序网络4：是把PID输出控制量反归一化。由于驱动模块的接收电压为1.3-3.2V，而EM235的输出为0-10V，根据线性关系，1.3V对应的数值为4160，3.2V对应的数值为10240，因此反归一化的数值D=VD8*（10240-4160）+4160。,中断子程序网络5：判断当前的温度是否超过最高限制温度值，若是则显示报警灯Q0.1。,PLC程序（梯形图） 中断子程序网络4：是把PID输,
