基于PLC和组态王的温度控制系统设计

基于PLC和组态王的温度控制系统的设计目录第一章系统及工控机的设计与选择1.1系统整体设计方案1.2系统硬件各部分选型1.3传感器Pt100的选型设计1.4温度变送器选型设计第二章PLC和HMI基础2.1可编程控制器基础2.1.1可编程控制器的产生和应用2.1.2可编程控制器的组成和工作原理2.1.3可编程控制器的分类及特点2.2人机界面基础2.2.1人机界面的定义2.2.2人机界面产品的组成及工作原理2.2.3人机界面产品的特点第三章PLC控制系统硬件设计3.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤3.1.1PLC控制系统设计的基本原则3.1.2PLC控制系统设计的一般步骤3.2PLC的选型与硬件配置3.2.1PLC型号的选择3.2.2S7-200CPU的选择3.2.3EM231模拟量输入模块3.2.4热电式传感器3.3I/O点分配及电气连接图3.4PLC控制器的设计3.4.1控制系统数学模型的建立3.4.2PID控制及参数整定第四章PLC控制系统软件设计4.1PLC程序设计方法4.2编程软件STEP7--Micro/WIN概述4.2.1STEP7-Micro/WIN简单介绍4.2.2梯形图语言特点4.2.3STEP7-Micro/WIN参数设置（通讯设置）4.3程序设计4.3.1设计思路4.3.2控制程序流程图4.3.3梯形图程序4.3.4PID指令向导的运用4.3.5语句表（STL）程序第五章基于组态王的HMI设计5.1人机界面（HMI）设计5.1.1监控主界面5.1.2实时趋势曲线5.1.3历史趋势曲线5.1.4报警窗口5.1.5设定画面5.2变量设置5.3动画连接4第六章系统运行结果及分析6.1系统运行6.2运行结果分析6.2.1温度趋势曲线分析6.2.2报警信息分析第七章总结参考文献摘要可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。在工业领域，随着自动化程度的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面的出现正好满足了用户这一需求。人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括过程监测、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得操作人性化、过程可视化，在自动控制领域的作用日益显著。本文主要介绍了基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器和亚控公司的组态软件组态王的炉温控制系统的设计方案。编程时调用了编程软件STEP7-MicroWIN中自带的PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。利用组态软件组态王设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。关键词：温度控制可编程控制器人机界面组态AbstractProgrammableLogicController(PLC)isakindofautomaticcontrolequipmentwhichiswidelyusedintheindustrialmanufacture.Itmergesthetraditionalcontroltechnology,computerandcommunicationtechnologieswithastrongabilitytocontrol,flexibleoperation,highreliabilityandsuitableforlong-termcharacteristicsofcontinuouswork.Itisverysuitablefortemperaturecontrolrequirements.Intheindustrialfield,withtherapidincreaseinthedegreeofautomation,itismoreandmoreimportanttomonitortheprocessofcontrolsystemfortheusers.Theemergenceofhuman-machineinterfacemeetstheneedsofusers.Man-machineinterfacecancomprehensivelymonitorthecontrolsystem,includingprocessmonitoring,alarm,dataloggingandotherfunctions,sothatthecontrolsystemshavebecomeuser-friendlyoperation,theprocessofvisualizationanditwillplaymoreandmoreimportantpartinthefieldofautomaticcontrol.ThisessaymainlyintroducesadesignoftemperaturecontrolsystemwithSIMATICprogrammablelogiccontroller(PLC)andconfigurationsoftwareKingviewwhichisdevelopedbyBeijingYakongCompany.Whenprogramming,weusethePIDcontrolarithmeticsoftwaremodulewhichiscontainedintheprogramsoftwareSTEP7-MicroWINsothattheprogramlookseasierandoperatesmorequickly.Inordertomonitorthecontrolsystemandprocessdatainactualtime,wedesignedHumanMachineInterface（HMI）withtheconfigurationsoftwareKingview.Theresultofexperimentprovesthatthistemperaturecontrolsystemcouldrunquickly,accuratelyandhavegoodstability,whichistheadvantageofthecontrolsystem.Thiscontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrialtemperaturecontrolfield.Withthecontinuousdevelopmentofautomaticscienceandtechnology,high-precision,intelligent,user-friendlytemperaturecontrolsystemistheinevitabletrendofdevelopmentathomeandabroad.Keywords:TemperatureControlPLCHMIKingview第一章系统及工控机的设计与选择1.1系统整体设计方案1.1.1系统整体设计原理要实现计算机控制，外部的设备（检测机构和执行机构）都是采用的模拟量信号，但是计算机不能识别模拟量信号，只能识别是数字量信号，所以要实现计算机控制必须实现模拟量信号到数字量转换和数字信号到模拟量信号的转换[3]。因此，根据设计要求，本设计以IPC板卡为核心，外加研华610H工业控制计算机、Pt100温度传感器、SBWZ温度变送器等其它外围设备搭建硬件线路构成一个单闭环温度控制系统；用工业控制计算机作控制器，通过IPC板卡的温度采集、模数转换和功放输出，搭建用数据采集板卡进行现场温度数据采集和用功放输出板卡进行输出控制的硬件线路，用工控机的组态软件编写板卡温度量采集与监控程序并设计PID控制算法，并用组态软件编制组态界面实现温度的显示控制，可以实时监测当前温度，并进行温度的实时控制，实现在0-100℃温度范围内控制精度为±0.5℃的温度控制。系统具体组建方案：电加热锅炉中水的当前温度经过Pt100热电阻测量后得到对应电阻值变化，传送到SBWZ温度变送器，得到4-20mA的电流信号，经串联一个250Ω的电阻，得到1-5V模拟电压信号，通过研华的PCL-818L板卡的A/D转换，将采集外部温度传感器和变送装置测量现场得到的电压信号转换为计算机可识别的数字量信号，送入计算机，本设计用VB来读取这个数字量信号。为达到预期目标温度，选择控制算法，用组态软件自带的控制模块编写一个数字PID程序，对系统进行PID参数的调节，寻找最好的适合系统的最佳的PID参数的值。实现对输入的信号的分析处理，然后通过组态王控制算法PID算法程序进行运算调整，得出PID控制器的输出值，经康拓IPC5373板卡的D/A转换，将数字量信号转换成低压继电器可识别的开关量信号，输出控制中间继电器。中间继电器为接触器给定控制信号，接触器的通断则执行了对加热过程的控制，实现控制继电器的接通与断开时间，进而控制电加热锅炉的接通与断开来达到控制水温的目的，从而实现对锅炉温度的实时控制。如图1所示为计算机温度监控系统的原理框图。图1计算机温度监控系统原理框图A/D转换PCL818L接线端子温度变送器PT100锅炉加热器接触器低压继电器IPC5373工控机根据控制要求，温度单回路控制系统的控制参数是电加热锅炉中水的温度，课题设计要求实现的目标是电加热锅炉中水的温度达到设定值。在这里以研华610H工业控制计算机作为控制器，Pt100热电阻作为温度传感器，SBWZ温度变送器，PCL-818L板卡和IPC5373板卡分别作为信号输入和控制输出单元，完成系统的A/D和D/A转换，电磁低压继电器、交流接触器作为执行器，电加热丝为被控对象[4]。1.1.2系统设计过程流程图在系统设计过程中，首先应考虑控制任务中需要解决或重点探究的地方，根据任务需求，选择系统设计中需要的硬件和软件。在外围硬件电路搭建完成之后，根据硬件编写合适的控制程序。然后就可以进入到调试环节，调试，修改，调试，修改。从而达到所需要的控制效果。在本次系统设计中，评估控制任务的目的是为了考虑现场实际应用和控制要求、任务，从而确定系统设计的最后可行性方案。在方案设计完成以后，就需要选用一定的硬件和软件了，硬件是系统的肉体，软件是系统的灵魂，两者结合才会是一个完美的系统设计。在硬件中，对各部分的选型，对硬件的学习、了解等都是前期必须要掌握的内容，掌握好每个部分，才能够将部分联系成整体。将整体系统连接起来以后，开始联机调试，发现未处理、未考虑到的问题及时的处理，那么这套系统就可以完成了。系统设计图如图2所示。1.2系统硬件各部分选型1.2.1板卡选型设计板卡在系统设计中的作用就是信号处理，即模拟量到数字量的转换，数字量到模拟量的转换。为了能够满足设计要求，顺利地完成本次设计，查阅了相关的资料，结合对市场上的主流板卡品牌的了解，再综合考虑到学校实验室的具体情况，在此设计中，模拟量到数字量的转换即为A/D转换，本次设计所选用的数据采集输入板卡为研华PCL-818LA/D板卡，数字量到模拟量的转换即为D/A转换，本次设计所选用的数据输出板卡为康拓IPC5373板卡。1.2.1.1模拟量输入通道的板卡设计模拟量输入通道主要的设备就是数据采集输入板卡为研华PCL-818LA/D板卡，它的主要功能是实现模拟量到数字量的一个A/D转换。研华PCL—818LA/D板卡主要技术规格[5]如下：①12位A/D分辨率。②最高可达100kS/s的采样率。③16通道单端或8通道差分输入。④单极性或双极性模拟量输入范围。⑤双极模拟输入范围。⑥可编程的增益设置：×0.5，×1，×2，×4，×8。⑦输入范围：±10V、±5V、±2.5V、±1.25V、±0.625V、0-10V、0-5V、0-2.5V。⑧自动模拟输入扫描；模拟输入支持DMA传输方式。⑨2通道12位多路切换模拟输出，1通道16位通用定时/计数器。⑩16通道TTL数字输入和16通道TTL数字输出。PCL-818L是