【文章內(nèi)容簡介】 83。 26 參考文獻 27 附錄 29 附錄 1 中文概述 29 附錄 2 譯文 33 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒 論 溫度與人們的生存生活生產(chǎn)息息相關(guān) .從古人類的燒火取暖 ,到今天的工業(yè)溫度控制 ,處處都體現(xiàn)了溫度控制 . 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反應過程都與溫度密切相關(guān) .在科學研究和生產(chǎn)實踐的諸多領(lǐng) 域中 ,溫度控制占有著極為重要的地位 ,特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。對于不同的生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式、燃料、控制方案也有所不同。例如冶金、機械、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、反應爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等。 隨著生產(chǎn)力的發(fā)展 ,人們對溫度控制精度要求也越來越高 ,溫度控制的技術(shù)也得到迅速發(fā)展 .各種溫度的控制算法如 :PID 溫度控制，模糊控制算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，遺傳算法等都應用在溫度控制系統(tǒng)中。 傳統(tǒng)的溫度控制器多由 繼電器組成的，但是繼電器的觸點的使用壽命有限，故障率偏高，穩(wěn)定性差，無法滿足現(xiàn)代的控制要求。而隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，嵌入式微型計算機在工業(yè)中得到越來越多的應用。將嵌入式系統(tǒng)應用在溫度控制系統(tǒng)中，使得溫度控制系統(tǒng)變得更小型，更智能。隨著國家的“節(jié)能減排”政策的提出，嵌入式溫度控制系統(tǒng)能降低能耗，節(jié)約成本這一優(yōu)點使得其擁有更加廣闊的市場前景，而 PLC 就是最具有代表性的一員。目前 智能溫度控制系統(tǒng) 廣泛應用于社會生活、工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，適用于家電、汽車、材料、電力電子等行業(yè)，成為發(fā)展國民經(jīng)濟的重要熱工設(shè)備之一。在現(xiàn) 代化的建設(shè)中，能源的需求非常大，然而我國的能源利用率極低，所以實現(xiàn)溫度控制的智能化，有著極重要的實際意義。 〔 1〕 溫度控制系統(tǒng)的工藝過程復雜多變，具有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進的控制技術(shù)和控制理論。有很多領(lǐng)域的溫度可能較高或較低 ,人員無法靠近或現(xiàn)場無需人力來監(jiān)控 , 我們采用 PLC 來實現(xiàn)溫度控制，這樣我們就可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控 ,坐在辦公室里就可以對現(xiàn)場進行監(jiān)控 ,方便又節(jié)省人力。 在本次畢業(yè)設(shè)計中我將設(shè)計基于 PLC 控制的溫度控制系統(tǒng)。 系統(tǒng) 具體 溫度等 參數(shù)或部分器件可根據(jù)各行業(yè)的要求不同來進行調(diào)整。 其中控制 系統(tǒng)采 用西門子 公司 S7200 系列 的 PLC，通過 PLC 串口通信與計算機相連接， 監(jiān)控 界面 采用 VB 軟件來開發(fā)，界面可視化 、運行穩(wěn)定。 通過 PLC 控制系統(tǒng)和 VB本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 監(jiān)測系統(tǒng)之間的信號傳輸 和程序 ， 構(gòu)建成分布式控制系統(tǒng) ,實現(xiàn)了溫度 遠程 自動控制。 提高了對溫度控制要求的準確度，對溫度達到很好的控制。 并通過編寫程序和系統(tǒng)調(diào)試來驗證這套系統(tǒng)的可行性。 該系統(tǒng)軟件主要是用于對溫度傳感器 的溫度進行實時采集 ,并在上位 PC 機上進行顯示，通過控制器對數(shù)據(jù)進行實時處理，同時將數(shù)據(jù)傳送給 PLC，本設(shè)計主要實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實時采集、控制以及對溫度信號變化作出實時處理，最終達到對溫度進行實時控制的目的。具有處理能力強、人際交互效果好、性能穩(wěn)定的特點。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第 1章 PLC 的概述 可編程控制器 基礎(chǔ) 可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller， PLC） ， 它采用一類可 編程 的 存儲器 ，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程 。 〔 2〕 可編程控制器 的產(chǎn)生和應用 1969 年美國 數(shù)字設(shè)備公司成功研制世界第一臺可編程程序控制器 PDP14，并在 GM 公司的汽車 自動裝配線上首次使用并獲得成功。 1971 年西歐國家也研制出他們的第一臺可編程控制器。我國從 1974 年開始研制， 1977 年開始工業(yè)推廣應用。進入 20 世紀 70年代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是 PLC 采用通訊微處理器之后，這種控制器功能得到更進一步增強。進入 20 世紀 80年代，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以 16 位和少數(shù) 32 位微處理器構(gòu)成的微機化 PLC，使 PLC 的功能增強，工作速度快，體積減小，可靠性提高，成本下降， 編程和故障檢測更為靈活，方便。目前， PLC在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。 可編程控制器的組成 可編程控制器的組成： PLC 包括 CPU 模塊、 I\O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架。 中央處理單元 (CPU) 中央處理單元 (CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程 序和數(shù)據(jù)；檢查本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當可編程邏輯控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，近年來對大型可編程邏輯控制 器還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行 I\O 模塊 PLC 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（ I\O）完成的。 I\O 模塊集成了 PLC 的 I\O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。I\O 分為開關(guān)量輸入，開關(guān)量輸出，模擬量輸入，模擬量輸出等模塊。 常用的 I\O分類如 下： 開關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號類型分，有電流型（ 420mA,020mA）、電壓型（ 010V,05V,1010V）等，按精度分，有 12bit， 14bit， 16bit 等。 除了上述通用 I\O 外，還有特殊的 I\O 模塊，如熱電阻，熱電偶，脈沖等模塊。按 I\O 點數(shù)確定模塊規(guī)格和數(shù)量， I\O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或底架槽數(shù)限制。 編程器的作用是用來供用戶進行程序的輸入、編輯、調(diào)試和監(jiān)視的。編程器一般分為簡易型和職能型兩類。簡易型只能聯(lián)機編程，且往往需要將梯形本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 圖轉(zhuǎn)化為機器語言助記符后才能送入。而職能編程器（又稱圖形編程器），不但可以聯(lián)機編程，而且還可以脫機編程。操作方便且功能強大。 PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供 24V 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源 （ 220VAC 或110VAC），直流電源（常用的為 24VDC）。 工作原理 〔 4〕 當可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段， 即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的 CPU 以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O 映象區(qū)中的相應單 元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序 (梯形圖 )。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確 定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 即，在用戶程序執(zhí)行本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 過程中，只有輸入點在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即 I/O 指令則可以直接存取 I/O 點。即使用 I/O 指令的話，輸入過程影像寄存器的值不 會被更新，程序直接從 I/O 模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 輸出刷新階段 當掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間， CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設(shè)。這時，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。 可編程邏輯控制器具有 :系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴展容易，以開關(guān)量控制為其特長；也能進行連續(xù)過程的 PID 回路控制；并能與上位機構(gòu)成復雜的控制系統(tǒng)，如 DDC 和 DCS 等，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自 動化。 使用方便，編程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。 能適應各種惡劣的運行環(huán)境，抗干擾能力強，可靠性強，遠高于其他各種機型。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第 2章 控制系統(tǒng) 硬件設(shè)計 控制對象的選擇 在本文中，選擇加熱器作為控制對象 。 加熱器上的可控對象有，加熱開關(guān)，風扇開關(guān)，溫度 情況 指示燈。 控制單元的硬件設(shè)計 原則 〔 3,69〕 模塊化設(shè)計 硬件設(shè)計時應當根據(jù)預期實現(xiàn)的功能劃分為若干功能模塊，盡可能選 擇模塊化、標準化的典型電路，提高設(shè)計的成功率和靈活性。 簡化設(shè)計 硬件設(shè)計盡可能選用集成電路，少用分立元件，這樣有利于提高系統(tǒng)的集成度，減少元器件之間的連接、節(jié)點和封裝數(shù)目，從而大大提高系統(tǒng)工作的可靠性。 防干擾設(shè)計： 可靠性及抗干擾設(shè)計 是 硬件系統(tǒng)不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇、隔離技術(shù)等。 冗余 系統(tǒng)的擴展和各種功能模塊的設(shè)計在滿足系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，應適當留有余地，以備將來修改擴展之需。 西門子 S7200 CPU226〔 4〕 本文中 采用西門子 S7200PLC 作為控制器， S7200 CPU 將一個微處理器、一個集成的電源和數(shù)字量的 I/O 點集成在一個緊湊的封裝中，從而組成了一個功能強大的微型 PLC。在下載了程序之后， S7200 將保留所需的邏輯，用本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 于監(jiān)控應用程序中的輸入輸出設(shè)備。 具備模擬量輸入、輸出及運算能力。 S7200 系列的 PLC 可提供 4 種不同的基本單元和 6 種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器等。 基本單元 表 21 S7200系列的基本單元 型號 輸入點 輸出點 可帶擴展模塊數(shù) S7200 CPU221 6 4 0 S7200 CPU222 8 6 2個擴展模塊 S7200 CPU224 14 10 7個擴展模塊 S7200 CPU226 24 16 7個擴展模塊 編程器 PLC 在正式運行時，不需要編程器。編程器主要用來進行用戶程序的編制、存儲和管理等，并將用戶程序送入 PLC 中，在調(diào)試過程中，進行監(jiān)控和故障檢測。 S7200 系列 PLC 可采用多種編程器，一般可分為簡易型和智 型。 簡易型編程器是袖珍型的，簡單實用，價格低廉，是一種很好的現(xiàn)場編程及檢測工具，但顯示功能較差，只能 用指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計算機進行編程操作，將專用的編程軟件裝入計算機內(nèi)，可直接采用梯形圖語言編程，實現(xiàn)在線檢測，非常直觀，切功能強大， S7200 系列 PLC 的專用編程軟件為 STEP7Micro/Win。 程序存儲卡 為了保證程序及重要參數(shù)的安全，一般小型 PLC 設(shè)有外接 EEPROM 卡盒接口，通過該接口可以將卡盒的內(nèi)容寫入 PLC，也可將 PLC 內(nèi)的程序及重要參數(shù)傳到外接 EEPROM 卡盒內(nèi)作為備份。程序存儲卡 EEPROM 有 6ES 7291本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 8GC000XA0 和 6ES 72918GD000XA0 兩種，程序容量分別為 8K 和 16K 程序步。 寫入器 寫入器的功能是實現(xiàn) PLC 和 EPROM 之間的程序傳送，是將 PLC 中RAM 區(qū)的程序通過寫入器固化到程序存儲卡中，或?qū)?PLC 中程序存儲卡中的程序通過寫入器傳送到 RAM 區(qū)。 文本顯示器 文本顯示器 TD200 不僅是一個用于顯示系統(tǒng)信息的顯示設(shè)備，還可以作為控制單元對某個量的數(shù)值進行修改，或直接設(shè)置輸入 /輸出量。文本信息的顯示用選擇 /確認的方法，最多可顯示 80 條信息，每條信息最多 4 個變量的狀態(tài)。過程參數(shù)可在顯示器上顯示，并可以隨 時修改。 TD200 面板上的 8 個可編程的功能鍵，每個都分配了一個存儲位，這些功能鍵在啟動和測試系統(tǒng)時，可以進行參數(shù)設(shè)置和診斷。 PLC I/O分配表 22 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 表 22 PLC I/O 分配表 通道號 名稱 清零 啟動自動控溫 停止自動控溫 啟動加熱器加熱開關(guān) 啟動 加熱器風扇 加熱器開關(guān) 風扇 開關(guān) 溫度 正常指示燈 （綠） 溫度 過 熱指示燈 （紅） 溫度 低 指示燈 （藍） 自動控溫 PLC控制 系統(tǒng) 框圖 圖 21 PLC 控制系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)接線連接完畢后，要進行所需開關(guān)的手動單打測試，以確保中間連線正確，以及確定開關(guān)完好。 PLC 界面 工控機 模擬量輸入吧 開關(guān)量輸入 開關(guān)量輸出 模擬量輸出吧 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 STEP7Micro/WIN32 的介紹 〔 5〕 STEP7Micro/