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1、目录第一章 绪论11.1 温度控制系统研究背景11.2 PLC概况21.3 组态软件21.3.1 组态的定义21.3.2 MCGS软件的特点21.3.3 MCGS软件组成部分31.4 研究主要内容3第二章 硬件电路的设计42.1 控制系统结构图42.2 系统结构组成4第三章 MCGS组态软件设计53.1 监控系统功能设计53.1.1 组态软件的设计要求53.1.2 组态功能设计53.2 MCGS组态界面设计63.2.1 工艺流程监控63.2.2 组态测试7第四章 系统测试104.1 各种参数的响应曲线图104.2 曲线分析12第五章 总结13参考文献14第一章 绪论1.1 温度控制系统研究背景
2、温度与人们的生存生活生产息息相关。从古人类的烧火取暖，到今天的工业温度控制，处处都体现了温度控制。随着生产力的发展，人们对温度控制精确度要求也越来越来高，温度控制的技术也得到迅速发展。各种温度控制算法如：PID温度控制，模糊控制算法，神经网络算法，遗传算法等都应用在温度控制系统中。传统的温度控制器多由继电器组成的，但是继电器的触点的使用寿命有限，故障率偏高，稳定性差，无法满足现代的控制要求。而随着计算机技术的发展，嵌入式微型计算机在工业中得到越来越多的应用。将嵌入式系统应用在温度控制系统中，使得温度控制系统变得更小型，更智能。随着国家的“节能减排”政策的提出，嵌入式温度控制系统能够降低能耗，节
3、约成本这一优点使得其拥有更加广阔的市场前景，而PLC就是最具代表性的一员。目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极重要的实际意义。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪50年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，
4、难以控制滞后、复杂、时变温度系统。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。 国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先的国家，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。1.2 PLC概况可编程控制器(Programmable Co
5、ntroller)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。 1.3 组态软件1.3.1 组态的定义组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。组态软件是有专业性的，一种组态软件只能适
6、合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如DCS(集散控制系统)组态，PLC梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，MCGS，力控，易控，MCGS等。本设计采用MCGS工控组态软件进行组态的设计。1.3.2 MCGS软件的特点MCGS工控组态软件为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件，可稳定运行于Windows95/
7、98/NT操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。1.3.3 MCGS软件组成部分MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。图1.1 MCGS的组成1.4 研究主要内容本设计的主要流程为使用组态软件MCGS作为上
8、位机，以S7-200 PLC作为下位机，上位机通过PPI通讯读写下位机内存状态，下位机通过程序控制温度对象。本设计的主要内容有：(1)使用组态软件MCGS制作控制对象的工艺流程，报警组态，实时曲线与历史曲线等。(2)MCGS与S7-200 PLC的通讯研究。(3)温度控制系统的温度采集与控制电压输出。第二章 硬件电路的设计2.1 控制系统结构图温度控制系统的结构图如图2.1所示，该结构包括一台计算机、一台S7-200 PLC、一个输出电压控制电路、一个温度检测电路、一个加热器、一个模拟量输入输出模块和串口通信线路等组成。图2.1 控制系统结构2.2 系统结构组成 MCGS组态软件的系统结构组成
9、有：(1)上位机在温度控制系统中，控制现场往往是高温、高辐射等，这些现场很危险，工作人员一般不在现场，无法了解现场各种情况。而上位机的设计就是为了让工作人员对现场的各个环节的工作状态有着清晰的了解，更好的管理现场。通过RS232等通信接口，实现现场设备与上位机的实时通讯。(2)下位机为了实现自动控制系统中的各种复杂的控制算法，使系统智能化，设计了下位机。下位机是控制系统的核心，下位机由输入输出模块、PLC和单片机等组成，实现数据采集、运算、输出等任务。(3)现场即被控对象，在现场有许多传感器仪表，功率设备等，实现对现场变量的检测及对下位机的各种控制信号的响应等。第三章 MCGS组态软件设计3.
10、1 监控系统功能设计3.1.1 组态软件的设计要求本系统由组态软件和S7-200 PLC构成一个上下位机系统，在组态界面中实现如下功能：(1)系统启动、停止操作，手动/自动切换操作；(2)工艺流程显示：通过组态软件窗口可以形象显示温度控制系统的工艺流程；(3)实时监测功能功能：运行时温度变化实时曲线显示；(4)故障报警显示：温度高限报警、低限报警、模块错误报警。3.1.2 组态功能设计本设计是通过PPI通信协议，上位机监视工艺流程的各个环节的情况，并根据要求随时提供控制信号。其主要功能有实时处理、绘出实时温度曲线、记录温度历史曲线、记录及显示报警和参数修改，具体如下：(1)安全机制在现实的工业
11、控制系统中，为防止意外事故的发生，往往会禁止非工作人员的操作，因为这些非专业人员不了解工作内容，极为容易引发误操作而发生事故。为了避免这类事故发生，组态软件必须提供完善的安全机制，控制操作权限，使工作人员无法操作。(2)实时数据处理 系统运行期间，要求系统能实时监控流程，且有时会根据工艺需要，修改控制参数，或是由于突发事件，需要对系统进行必要的操作，这要求组态软件必须可以随时发出各种控制信号控制和监视工艺流程。(3)报警处理系统工作期间，系统的各个环节难免不出现错误，作为工组人员并需第一时间了解报警情况。所以组态软件必须能够在第一时间检测到错误，并以某种形式告诉工作人员，记录报警。(4)动画显
12、示为了让工作人员能跟形象跟直观的观察系统的各个工艺流程，组态软件必须能够以丰富形象的图片动画实时跟踪体现系统的工作状态，让工作人员清晰地了解系统工作状态。(5)历史记录显示系统运行的历史数据对于分析系统的性能，改进系统设备有着非常重要的作用。工作人员可以通过历史数据了解系统各设备工作状态，分析设备是否需要检修，工艺流程是否需要修改等。所以，组态软件要能够根据需要存储显示系统的历史工作状态。3.2 MCGS组态界面设计3.2.1 工艺流程监控主窗口如图3.1，在系统运行窗口中，使用MCGS组态软件的图元及图符，根据具体的工艺流程绘制出了友好的人机界面。在这个人机界面上，我们可以实现系统启动/停止
13、的切换、手动/自动控制的切换、手动控制的控制电压修改、实现各个组态窗口的切换、温度的实时显示、报警提示和显示系统时间等功能。图3.1 系统运行窗口在系统运行窗口，分别点击启动、停止、自动和手动按钮，观察加热器的颜色，及组态上标签的变化，加热器的温度有变化，而标签也有切换，证明系统实时数据库构造正确。3.2.2 组态测试(1) 在“参数设置”窗口上，分别设置六个参数，如图3.2图3.2 参数设置窗口然后将窗口切换“系统运行”窗口，点击启动和自动控制，观察“实时曲线”窗口，五分钟后，窗口如图3.3所示，在实时曲线中记录的曲线为给定和实际温度值，符合参数设置中的给定值，可以证明上位机与下位机通信正常
14、，下位机的自动控制子程序正确，且组态的设备窗口和实时数据库连接正确，上位机可以实时监控下位机。图3.3 实时曲线(tS=100s，%=5)(2) 再将窗口切换到“历史曲线”， 在查询框中输入起始时间，窗口如图3.4，对照实时曲线窗口和历史曲线窗口的曲线是否一样， 起始时间是否和设置的一样，图3.4 历史曲线(tS=100s，%=5)图中历史曲线与实时曲线相同，起始时间与输入的一样，证明历史曲线组态设计正确，历史曲线可以完成要求的任务。(3) 修改PID参数，其中KC=20，Ti=0.1min，让温度震荡，并修改报警上限和报警下限，分别为61和59再五分钟后将EM235电源线拆除，分别观察运行窗
15、口和报警记录窗口如图3.5：图3.5 报警记录图中随着温度上下波动和EM235电源线拔出，运行窗口的报警动画立刻显示，并且在报警记录中一一显示，所以报警动画和报警记录设计正确。(4)窗口切换为系统运行窗口，点击“手动控制”按钮，在输入框内输入“3”，再用电压表测试脉宽调制电路的输入电压，发现电压表的温度与输入的电压值相差无几，手动控制运行正确。第四章 系统测试4.1 各种参数的响应曲线图(1)在参数设定中，修改KC=6，Ti=0.1min，启动运行，五分钟后得到图4.1图4.1 KC=6，Ti=0.1min的响应曲线(tS趋于无穷大，%=6.67)(2)修改参数，KC=6，Ti=0.3min，
16、观察五分钟后的响应曲线，如图4.2图4.2 KC=6，Ti=0.3min的响应曲线(tS=112.5s，%=6.67)(3)将参数设定为KC=6，Ti=0.5min，观察五分钟后的曲线图，如图4.3图4.3 KC=6，Ti=0.5min的曲线相应图(tS=100s，%=5)(4)将参数设定为KC=3，Ti=0.5min，观察五分钟后的曲线图，如图4.4图4.4 KC=3，Ti=0.5min的响应曲线(tS=159.2s，%=10.05)(5)将参数设定为KC=9，Ti=0.5min，观察五分钟后的曲线图，如图4.5图4.5 KC=9，Ti=0.5min的响应曲线图(tS=55s，%=1.33)
17、4.2 曲线分析(1)对比图4.1、图4.2和图4.3，KC都为6，而Ti分别为0.1、0.3、0.5。图4.1中曲线振荡最激烈，调节时间趋于无穷大，图4.3中的曲线最为平缓，图4.2介于两者之间。由此得出，Ti越小，系统振荡越强烈，积分作用越强，超调量与调节时间越长，这与理论相符。(2)对比图4.3、图4.4和图4.5，Ti都为0.5，而Kc分别为3、6、9。图4.4的曲线振荡最激烈，调节时间和超调量也最大，图4.5最平缓。当KC增大时，增大了比例作用，相对应减少了积分作用，系统趋于平缓，由此可见，KC与Ki的配合对系统的影响。第五章 总结温度控制一直是工业控制中的一个最重要最常见的被控变量
18、，随着PLC、单片机等嵌入式系统的发展，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使用组态软件来设计控制系统的方法得到广泛的应用，以适应温控系统非线性，干扰多，大时延，时变和分布变化的特点。在实际应用中，应该根据具体的应用场合、不同的加热对象和所要求的控制曲线和控制精度，选择不同的系统方法。本文通过使用西门子的S7-200 PLC设计出了温度控制系统，并结合通用组态软件MCGS，通过PPI通讯，使用组态软件设计的上位机实现了数据采集与处理、画面显示、报警处理以及流程控制等功能，对整个温度控制系统进行实时动态监控，主要完成的工作有：(1)使用组态软件MCGS绘制出了系统工艺流程图，实现了
19、启动/停止和手动/自动的切换控制，实现温度的开环和闭环控制，控制精度符合要求。(2)系统提供实时数据曲线、历史数据曲线，温度和模块错误的报警动画，报警记录等组态，使我们能在组态界面上实时了解系统的工作状态，报警发生的时间和类型，以便让我们更好更快地处理故障。(3)设计了参数设置界面，所有的参数均实时显示，并且能够根据需要实时修改参数，使系统能够根据我们的要求运行。通过本次设计，使我的专业知识得到了综合应用，理论和实践有了进一步的提高，同时，对整个温度控制系统包括组态软件、PPI通信、S7-200 PLC等有了更深刻的理解和体会，受益匪浅。参考文献1 严盈富. 触摸屏与PLC入门. 人民邮电出版社，2006 2 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例. 人民邮电出版社，20043 赵燕.可编程控制器原理及应用. 中国林业出版社，20064 李方园.人机界面设计及应用. 化学工业出版社，2008
