【正文】 究背景溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)。組態(tài)王可以實現(xiàn)在線監(jiān)控。硬件方面采用了CPU型號為224的S7200 、K型熱電偶和溫度模塊EM231。本人簽名： 日期： 摘 要溫度是各種工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中最普遍、也是最重要的熱工參數(shù)之一。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。通過學(xué)習(xí),成功的安裝了組態(tài)王,并實現(xiàn)了和 PLC 的通信。指導(dǎo)教師意見：第 2 次檢查學(xué)生總結(jié)： 本階段完成了 PLC 編成軟件 STEP7Micro/ 在 PC 機(jī)的安裝,成功和PLC 連接,能夠下載程序和運行,可進(jìn)行程序設(shè)計和調(diào)試。2020 年 1 月2020 年 3 月： 對控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件實現(xiàn),包括組態(tài)軟件的實現(xiàn),并進(jìn)行系統(tǒng)測試。并利用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計人機(jī)界面，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控。本文就基于 PLC 的溫度控制的優(yōu)越性進(jìn)行探討，并嘗試?yán)媒M態(tài)軟件組態(tài)王進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計。本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計）題 目： 基于 S7200 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 院 系： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 年 月附表一、畢業(yè)論文開題報告論文（設(shè)計）題目：基于 S7200 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計選題依據(jù)（簡述選題的目的、思路、方法、相關(guān)支持條件及進(jìn)度安排）：目的：在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是一個常見的工藝參數(shù)，溫度的控制效果會影響到整個生產(chǎn)活動的成敗。隨著PLC 技術(shù)的發(fā)展，特別是在許多 PLC 控制器中擴(kuò)充了 PID 控制功能后，基于 PLC 的爐溫控制比其他控制手段更為優(yōu)越。根據(jù)爐子的實際溫度,在不同的溫度偏差下使用不同的 PID 參數(shù),實行粗調(diào)與微調(diào)相結(jié)合。進(jìn)度安排：2020 年 10 月2020 年 12 月：學(xué)習(xí)掌握相關(guān)知識，掌握 S7200 的編成方法,從理論得上設(shè)計方案。進(jìn)一步深化了對 PID 控制技術(shù)的了解,對整個系統(tǒng)的設(shè)計和算法有了初步的構(gòu)想。學(xué)生總結(jié)： 程序已經(jīng)初步調(diào)試完畢,本階段開始了利用組態(tài)軟件組態(tài)王對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。指導(dǎo)教師意見： 學(xué)生簽名： 年 月 日指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日總體完成情況指導(dǎo)教師意見：按計劃完成，完成情況優(yōu)（ ）按計劃完成，完成情況良（ ）基本按計劃完成，完成情況合格（ ）完成情況不合格（ ）指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日附表三、畢業(yè)論文答辯情況答辯人 專 業(yè)論文（設(shè)計）題目答辯小組成員答辯記錄：記錄人簽名： 年 月 日學(xué)術(shù)誠信聲明本人所呈交的畢業(yè)論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料均真實可靠。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。本文介紹了基于西門子可編程控制器(PLC)S7200 和組態(tài)軟件組態(tài)王的爐溫監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。人機(jī)界面采用的是國內(nèi)的一個比較流行的組態(tài)王軟件。組態(tài)王功能強(qiáng)大，操作方便，有助于系統(tǒng)的監(jiān)視與控制，表明了組態(tài)軟件的具有很好的發(fā)展前景。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等 [1]。目前在控制領(lǐng)域中，雖然逐步采用了電子計算機(jī)這個先進(jìn)技術(shù)工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（DCS） 。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。 對于 過 去 需 要 幾 個 月 的 工 作 ， 通 過 組 態(tài) 幾 天 就 可 以 完 成 .組態(tài)王是國內(nèi)一家較有影響力的組態(tài)軟件開發(fā)公司開發(fā)的，組態(tài)王具有流程畫面，過程數(shù)據(jù)記錄，趨勢曲線，報警窗口，生產(chǎn)報表等功能，已經(jīng)在多個領(lǐng)域被應(yīng)用 [4]。當(dāng)前比較流行的溫度控制系統(tǒng)有基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，基于 PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機(jī)（IPC）的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS） ，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS ）等。但相對其他溫度系統(tǒng)而言，單片機(jī)響應(yīng)速度慢、中斷源少，不利于在復(fù)雜的，高要求的系統(tǒng)中使用。因此，PLC 占領(lǐng)著很大的市場份額，其前景也很有前途。過去工業(yè)鍋爐大多用人工結(jié)合常規(guī)儀表監(jiān)控，一般較難達(dá)到滿意的結(jié)果，原因是工業(yè)鍋爐的燃燒系統(tǒng)是一個多變量輸入的復(fù)雜系統(tǒng)。在工業(yè)鍋爐溫度檢測控制系統(tǒng)中采用控機(jī)工可大大改2善了對鍋爐的監(jiān)控品質(zhì)，提高了平均熱效率 [7]。DCS 的關(guān)鍵是通信。但 DCS 在設(shè)備配置上要求網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源甚至模件等都為冗余結(jié)構(gòu)，支持無擾切換和帶電插拔，由于設(shè)計上的高要求，導(dǎo)致 DCS 成本太高。而且它可以對現(xiàn)場裝置(含變送器、執(zhí)行器等)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)和組態(tài)，這是其他系統(tǒng)無法達(dá)到的 [9]。成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試確定。本論文主要是利用 PLC S7200 采用 PID 控制技術(shù)做一個溫度控制系統(tǒng)，要求穩(wěn)定誤差不超過正負(fù) 1℃，并且用組態(tài)軟件實現(xiàn)在線監(jiān)控。第四章，介紹了本論文中用到的一些算法技巧和思想，包括 PWM、PID 控制、PID 在 PLC 中的使用方法以及 PID 的參數(shù)整定方法。第八章,對全文進(jìn)行總結(jié)。20 世紀(jì) 60 年代，計算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但由于價格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大，未能在工業(yè)領(lǐng)域中獲得推廣。1971 年日本開始生產(chǎn)可編程控制器，而歐洲是 1973 開始的。整體式 PLC 一般由 CPU5板、I/O 板、顯示面板、內(nèi)存和電源組成。CPU 在很大程度上決定了 PLC 的整體性能，如整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量。系統(tǒng)程序一般由廠家編寫的，用戶不能修改；而用戶程序是隨 PLC 的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應(yīng)用程序。 PLC 還提供了各種各樣的特殊的 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、高速計算器、位置控制、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、溫度控制、中斷控制、聲音輸出、打印機(jī)等專用型或智能型模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。目前 PLC 制造廠家大都開發(fā)了計算機(jī)輔助 PLC 編程支持軟件，當(dāng)個人計算機(jī)安裝了 PLC 編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進(jìn)行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計算機(jī)和 PLC 之間的通信接口實現(xiàn)用戶程序的雙向傳送、監(jiān)控 PLC 運行狀態(tài)等。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。表 31 S7200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本單元型 號 輸入點 輸出點 可帶擴(kuò)展模塊數(shù)S7200CPU221 6 4 0S7200CPU222 8 6 2 個擴(kuò)展模塊S7200CPU224 14 10 7 個擴(kuò)展模塊S7200CPU224XP 24 16 7 個擴(kuò)展模塊S7200CPU226 24 16 7 個擴(kuò)展模塊 傳感器熱 電 偶 是 一 種 感 溫 元 件 ， 它 直 接 測 量 溫 度 ， 并 把 溫 度 信 號 轉(zhuǎn) 換 成 熱 電 動 勢信 號 。 標(biāo) 準(zhǔn) 化 熱 電 偶 我 國 從 1988 年 1 月 1 日 起 ， 熱 電 偶 和 熱 電阻 全 部 按 IEC 國 際 標(biāo) 準(zhǔn) 生 產(chǎn) ， 并 指 定 S、 B、 E、 K、 R、 J、 T 七 種 標(biāo) 準(zhǔn) 化 熱電 偶 為 我 國 統(tǒng) 一 設(shè) 計 型 熱 電 偶 。EM231 熱電偶模塊提供一個方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、 E、N、S 、T 和 R 型，它也允許連接微小的模擬量信號(177。對于 EM231 4TC 模塊，SW1～SW3 用于選擇熱電偶類型，見表 33 。該軟件功能強(qiáng)大，界面友好，并有方便的聯(lián)機(jī)功能。 圖 36 通信設(shè)置界面 如果想改變編程界面的語言，可在軟件的主界面的工具欄中選擇 tools 目錄下選擇 option 選項，在出現(xiàn)的界面中選擇 general,然后在右下角就可以選擇中文了。系統(tǒng)塊的設(shè)置如下，需要注意的是，PLC 的地址默認(rèn)是 2，但本設(shè)計中需要用到的地址是 1，如圖 38。 通 過 高 分 辨 率 計 數(shù)器 的 使 用 ， 方 波 的 占 空 比 被 調(diào) 制 用 來 對 一 個 具 體 模 擬 信 號 的 電 平 進(jìn) 行 編 碼 。例如溫差大，加熱時間就大，溫差小，那么加熱時間就小。 PID 控制程序設(shè)計模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是 PID 控制，PID 在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有60 多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。 其 特 點 是 具 有 快 速 反 應(yīng) ， 控 制 及 時 ， 但 不 能 消 除 余 差 。 微 分 控 制 具 有 超 前 作 用 ， 它 能 預(yù) 測 誤 差 變 化 的 趨 勢 。 偏 差e 和 輸 入 量 r、 輸 出 量 c 的 關(guān) 系 : ()c(t)r=e(t)控 制 器 的 輸 出 為 : ()??????????t diP teTteTtKtu0)()(1)()(上式中, ——PID 回路的輸出。dPID 調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為： ()????????STKSEUDdiP1)(數(shù)字計算機(jī)處理這個函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對偏差周期采樣后，計算機(jī)輸出值。 PID 在 PLC 中的回路指令現(xiàn)在很多 PLC 已經(jīng)具備了 PID 功能，STEP 7 Micro/WIN 就是其中之一有的16是專用模塊，有些是指令形式。指令的兩個操作數(shù) TBL 和 LOOP，TBL 是回路表的起始地址，本文采用的是 VB100，因為一個 PID 回路占用了 32 個字節(jié)，所以 VD100 到 VD132 都被占用了。但它不完全是過程變量 PV，過程變量 PV 和 PID 回路輸出有關(guān)。但 PID 指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)必須是實數(shù)型，所以需要把整數(shù)轉(zhuǎn)化成實數(shù)。使它們的值都在 ~ 之間。本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為: )320/(rawnoumR?（）因為溫度經(jīng)過檢測和轉(zhuǎn)換后，得到的值是實際溫度的 10 倍，所以為了 SP18值和 PV 值在同一個數(shù)量值，我們輸入 SP 值的時候應(yīng)該是填寫一個是實際溫度10 倍的數(shù)，即想要設(shè)定目標(biāo)控制溫度為 100℃時，需要輸入一個 1000。這一過程是實數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化過程。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。 2）整定積分環(huán)節(jié)先將步驟 1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的 50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。20 第五章 程序設(shè)計PLC 采用的是的 S7200，CPU 是 224 系列，采用了 5 個燈來顯示過程的狀態(tài)，分別是運行燈，停止燈，溫度正常燈，溫度過高（警示燈）燈，和加熱燈，可以通過 5 個燈的開關(guān)狀況判斷加熱爐內(nèi)的大概情況。1) 硬件連線如圖 51 所示。 表 54 PID 指令回路表地址 名稱 說明VD100 過程變量（PVn） 必須在 ~ 之間VD104 給定值（SPn） 必須在 ~ 之間VD108 輸出值（Mn） 必須在 ~ 之間VD112 增益（Kc） 比例常數(shù)，可正可負(fù)VD116 采樣時間（Ts） 單位為 s，必須是正數(shù)22VD120 采樣時間（Ti） 單位為 min，必須是正數(shù)VD124 微分時間（Td） 單位為 min，必須是正數(shù)VD128 積分項前值（MX） 必須在 ~ 之間VD132 過程變量前值（PVn1） 必須在 ~ 之間 程序流程圖程序流程圖如圖 55 所示，1 個主程序，3 個子程序。組 態(tài) 王 開 發(fā) 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 軟 件 是 眾 多 組 態(tài) 軟 件 里 面 的 一 種 ， 組態(tài)王是一個具有豐富功能的 HMI/SCADA 軟件。 該 系 統(tǒng) 是 中 文 界 面 ,具 有 人 機(jī) 界 面 友 好 、 結(jié) 果 可 視 化 的 優(yōu) 點 。 可 方 便36地 監(jiān) 視 系 統(tǒng) 的 運 行 。進(jìn)入組態(tài)畫面的設(shè)計,如圖 所示。畫面的工具欄里面，可以選擇工具箱，調(diào)色板，線形等在畫面中顯示，這些在畫圖的時候經(jīng)常需要用上。而 I/O 變量是兩者之間互相交換數(shù)據(jù)的橋梁，S7200 和組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換是雙向的，一者的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，另外一者的數(shù)據(jù)也跟著變化。并規(guī)定溫度超過105℃為溫度過高，立刻要作出相應(yīng)警示信號。加熱爐的指示燈是表示加熱爐的加熱狀態(tài)，與 對應(yīng)綠色（亮） ，表示系統(tǒng)處于加熱狀態(tài)，黑色（暗）表示爐正處于加熱狀態(tài)。X 方向表示時間，Y 方向表示變量的量程百份比。40