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基于西門子s7-200系列plc工業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)的設計(參考版)

2024-09-06 18:51本頁面
  

【正文】 當然,本控制系統(tǒng)還有不足的地方:人機界面內容不夠豐富,例如不能在人機界面中設定 PID 參數(shù);沒有報警與報表界面等。系統(tǒng)采用串級 PID 控制,利用粗調和細調,得到了一個反應比較迅速,控制精度比較高的溫度控制系統(tǒng)。本設計的控制結果是比較理想的,能夠達到設計目的??梢姡摐乜叵到y(tǒng)超調量很小。 圖 系統(tǒng)運行界面 第二節(jié) 結果分析 系統(tǒng)運行后,設定溫度值為 65 度,夾套溫度快速上升到 64 度,然后稍微緩慢上升到 68 度左右,最后下降到 65 度左右穩(wěn)定下來。 打開組態(tài)王運行系統(tǒng),點擊“開始”按鈕,運行指示燈變?yōu)榫G色,系統(tǒng)開始運行,內膽溫度、夾套溫度 開始有數(shù)據(jù)顯示,實時溫度曲線上也顯示了當前內膽溫度值(紅色)與夾套溫度值(藍色),設定溫度值(綠色)暫時沒有,需要手動設定后才有顯示。首先在 STEP 7- Micro/Win編程軟件中將設計好的程序下載到 PLC中,并將 PLC切換到運行模式,退出 STEP 7- Micro/Win 編程軟件,然后打開組態(tài)王。表 為本設計的數(shù)據(jù)變量定義窗口: 表 組態(tài)王數(shù)據(jù)變量定義窗口 變量名 變量類型 ID 連接設備 寄存器 啟動 I/O 離散 21 PLC224 停止 I/O 離散 22 PLC224 設定溫度 I/O 整數(shù) 23 PLC224 V600 內膽溫度 I/O 整數(shù) 24 PLC224 V412 夾套溫度 I/O 整數(shù) 25 PLC224 V512 指示燈 I/O 離散 26 PLC224 啊啊啊啊 大學本科畢業(yè)設計(論文) 29 第三節(jié) 本章小結 本章說明了使用組態(tài)王軟件設計上位機的方法,給出了如何建立通信,如何設計畫面,還有需要注意的地方。組態(tài)王中變量主要分為基本類型變量與特殊類型變量兩大類。配置向導過程如圖 所示: 圖 設備配置向導過程 第二節(jié) 組態(tài)王工程的建立和調試 這部分的設計主要是在計算機的組態(tài)王 [15]軟件上設計人機交互界面,需要啊啊啊啊 大學本科畢業(yè)設計(論文) 28 學會運用組態(tài)王軟件,主要設計過程如下: 創(chuàng)建項目 在組態(tài)王軟件中新建一個工程項目,命名為“ PIDXiangDao” 建立新畫面 打開新建的項目,在“畫面”中新建一個畫面“ JianKong”,將各個需要的組件添加到畫面中,如加熱爐、管道 、水泵、水池、啟停開關、指示燈、實時曲線、溫度值等。配置地址為 2: 0, 2 代表PLC 地址; 0 代表通信波特率為 ,具體項目可以在 STEP 7- Micro/WIN的 系統(tǒng)塊里通信端口中找到當前的 PLC 地址和波特率。創(chuàng)建邏輯名稱為 PLC224,點擊下一步。 啊啊啊啊 大學本科畢業(yè)設計(論文) 27 第五章 上位機的設計與調試 第一節(jié) 上位機與下位機的通信連接 在設備中雙擊新建,出現(xiàn)設備配置向導。 第五節(jié) 本章小結 本章詳細地說明了軟件部分的設計。 由于使用 PID 向導,而 PID 向導生成的子程序、中斷程序用戶是無法看到的,也不能對其進行修改,所以附錄中無法展示 PID 子程序和中斷程序的梯形圖。 以上的 PID 向導編程步驟是以主控制器 PID1 為例,副控制器 PID0 的向導編程步驟和主控制器 PID0 完全一樣,僅僅是使用了另一套參數(shù)。 實際運行并調試 PID 參數(shù) 沒有一個 PID 項目的參數(shù)不需要修改而能直接運行,因此需要 在實際運行時調試 PID 參數(shù)。 SP 位是回路給定值地址,就是期望系統(tǒng)達到溫度值的地址。如下圖 所示: 圖 生成 PID 子程序、中斷程序和符號表等 調用向導生成的 PID 子程序 圖 PID 子程序在指令樹中的位置 啊啊啊啊 大學本科畢業(yè)設計(論文) 26 圖 調用 PID 子程序 圖 顯示 PID 子程序在指令數(shù)中的位置,將 PID 子程序從指令樹中直接拖放到主程序中相應梯級中去,并且應使子程序 EN 位由 無條件使能,否則不能調用 PID 子程序,如圖 所示。本設計因為是自動控制,所以并不需要手動控制,不勾選此選項。在 PID 手動控制模式下,回路輸出由手動輸出設定控制,此時需要寫入手動控制輸出參數(shù)一個 - 的實數(shù),代表輸出的 0% - 100%而不是直接去改變輸出值。上圖 中字母圈的說明: A、指定 PID 初使化子程序的名字。上圖 顯示分配 PID 回路地址。自動分配的地址只是在執(zhí)行 PID 向導時編譯檢測到空閑地址。需要為它們定義一個起始地址,要保證該地址起始的若干字節(jié)在程序的其它地方?jīng)]有被重復使用。本設計暫時沒有設計報警功能,所以此步驟不需要勾選任何選項。 E、取值范圍:主控制器 PID1 的輸出應該是一個溫度范圍,應和副控制器PID0 的設定值對應,所以應該填寫 24- 100。 D、選擇模擬量則需設定回路輸出變量值的范圍,并且不需要使用 20%偏移量。本設計需要的是輸出一個溫度范圍,以此范圍內一個值充當副控制器的設定值。 啊啊啊啊 大學本科畢業(yè)設計(論文) 23 C、輸出類型:可以選擇模擬量輸出或數(shù)字量輸出。如果使用偏移量,那么過程變量的范圍將會是 6400- 32020,并不對應本設計中的 24- 100 度相應的數(shù)字量,且不能修改范圍,所以不能勾選。 以上定義 PID 回路的參數(shù),這些參數(shù)都應當是實數(shù)。 E、采樣時間:是 PID 控制回路對反饋采樣和重新計算輸出值的時間間隔。 D、微分時間:即微分系數(shù),本設計中設為 0 分鐘。 C、積分時間:即積分系數(shù),本設計中設為 10 分鐘。它也可以用實際的工程單位數(shù)值表示,如上圖所示 - 代表的是實際的 24- 100 度。如果兩條或多 條 PID 指令使用相同的回路號碼(即使它們的表格地址不同), PID 計算會互相干擾,結果難以預料。在此我選擇配置一個新的回路。在使用向導時必須先對項目進行編譯,如果已有的程序中存在錯誤,或者有沒有編完的指令,編譯不能通過。此向導可以完成絕大多數(shù) PID 運算的自動編程,用戶只需在主程序中調用 PID 向導生成的子程序,就可以完成 PID 控制任務。 標度變換子程序梯形圖附在附錄里。那么其關系如圖 所示。由于實際物體使用時間較長,可能存在一些線路、元件問題以致出現(xiàn)誤差,經(jīng)過實際檢測,水溫 24 度對應 (數(shù)字量 3840),沸騰時 100 度對應 (數(shù)字量 29568),所以標度變換子程序的主要任務是將3840- 29568 間的數(shù)字量參數(shù)轉換為 24- 100 度間的實際溫度參數(shù),以便于后面的顯示。 啊啊啊啊 大學本科畢業(yè)設計(論文) 19 圖 主程序流程 主程序梯形圖附在附錄里。在主程序中沒有用到局部變量。 三、 PID 運算調節(jié)部分 這一部分為系統(tǒng)的運行調節(jié)部分,實現(xiàn)實時控制溫度的目的。所以軟件設計大致分為三個部分: 一、主程序部分 用來實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動與停止的手動控制和系統(tǒng)運行的指示,并實現(xiàn)對其他子程序的有效調用。 啊啊啊啊 大學本科畢業(yè)設計(論文) 18 第四章 加熱爐控制 系統(tǒng)軟件設計 第一節(jié) 設計思路 PLC 采用的是的 S7- 200 系列 CPU224,采用了 2 個按鈕和 1 個系統(tǒng)指示燈來控制和顯示系統(tǒng)運行的狀態(tài)。其電流滿量程輸出數(shù)據(jù)為 0- 32020,所以我將其數(shù)據(jù)輸出范圍定在 6400- 32020。 表 DIP 開關設置 單極性 滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF ON 0 到 50mV OFF ON OFF ON OFF ON 0 到 100mV 25μV ON OFF OFF OFF ON ON 0 到 500mV 125uA 啊啊啊啊 大學本科畢業(yè)設計(論文) 17 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 滿量程輸入 分辨率 OFF ON OFF OFF ON ON 0 到 1V 250μV ON OFF OFF OFF OFF ON 0 到 5V ON OFF OFF OFF OFF ON 0 到 20mA 5μA OFF ON OFF OFF OFF ON 0 到 10V 本設計中溫度檢測模塊輸入信號范圍為 0- 5V 的電壓信號,為單極性,所以 DIP 開關設置為: SW1, ON; SW2, OFF; SW3, OFF; SW4, OFF; SW5,OFF; SW6, ON。開關 1 到 6可選擇模擬量輸入范圍和分辨率。數(shù)據(jù)在裝載到 DAC 寄存器之前, 4 個連續(xù)的 0 是被裁斷的,這些位不影響輸出信號值。 EM235 輸出數(shù)據(jù)字格式如下表 所示。對單極性格式, 3 個連續(xù)的 0 使得 ADC計數(shù)數(shù)值每變化 1 個單位則數(shù)據(jù)字的變化是以 8 為單位變化的。 啊啊啊啊 大學本科畢業(yè)設計(論文) 16 表 CPU 中模擬量輸入字中 12 位數(shù)據(jù)值的存放位置 MSB LSB 15 14 3 2 1 0 0 數(shù)據(jù)值 12 位 0 0 0 單極數(shù)據(jù) MSB LSB 15 4 3 2 1 0 數(shù)據(jù)值 12 位 0 0 0 0 雙極數(shù)據(jù) 模擬量到數(shù)字量轉換器( ADC)的 12 位讀數(shù),其數(shù)據(jù)格式是左端對齊的。 其輸入 /輸出特性如表 所示。本設計中需要檢測兩個溫度信號,和輸出一個電流控制信號,所以需要 2 路模擬量輸入 /1 路模擬量輸出,所以我們選擇EM235 模擬量輸入 /輸出模塊,其功耗為 2W。 S7- 200PLC 的模擬量模塊有 EM231, EM232 和 EM235 三種類型的模擬量擴展模塊。 CUP 用 220V AC 電源,24V DC 輸入,繼電器輸出,其功率為 9W,訂貨號為 6ES7 2141BD210XB0。它可用于點數(shù)較多,要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。 ○ 4 CUP224XP 它在用戶程序存儲量和數(shù)據(jù)存儲量上進行了擴展,同時高速計數(shù)器比 224好很多,本身具有模擬量 2 輸入 /1 輸出端口,其余的和 224 無太大差別。 ○ 2 CUP222 它有 8 輸入 /6 輸出, I/O 共計 14 點,和 221 相比,它可以進行一定的模擬量控制和 2 個模擬量擴展,因此是應用更廣泛的全功能控制器。從 CPU 模塊功能來看,CUP 模塊為 CUP22X,它具有如下五種不同的結構配置 CPU單元: ○ 1 CPU221 它有 6 輸入 /4 輸出, I/O 共計 10 點。 S7- 200 的 CPU模塊包括一個中央處理單元,電源及數(shù)字 I/O 點,這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。由于具有極強的通信功能,在大型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。由于體積小很容易裝入機械內部,是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 ○ 4 系統(tǒng)的設計、建造工作量小,維護方便,容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯,大大減少了控制設備外部的接線,使控制系啊啊啊啊 大學本科畢業(yè)設計(論文) 14 統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短,同時維護也變得容易起來。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近,只用 PLC 的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。 ○ 3 易學易用,深受工程技術人員歡迎 PLC 作為一種通用工 業(yè)控制計算機,是面向工控企業(yè)的工控設備。除了邏輯處理功能以外,現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力,可用于各種數(shù)字控制領域。 ○ 2 配套齊全,功能完善,適用性強 PLC 發(fā)展到今天,已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。 PLC 的特點: ○ 1 可靠性高,抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。 第三 節(jié) 可編程邏輯控制器及模擬量擴展模塊 一、可編程邏輯控制器 介紹 可編程邏輯控制器( Programmable Logic Controller) 是計算機家族中的一員,是為工業(yè)控制應用而設計制造的,它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。 PLC通過模擬量擴展模塊 EM235輸出 4- 20mA的電流信號作為晶閘管的控制信號。裝置的基本原理是控制晶閘管的觸發(fā)角或啊啊啊啊 大學本科畢業(yè)設計(論文) 13 導通角,施加在電阻絲兩端上的電壓平均值由此受到控制,達到調節(jié)電壓或功率的目的。 本實驗系統(tǒng)采用橋式測溫電路,測溫原理是:電路采用一個恒定的參考電源;使用 R R VR、 PT100 構成測量電橋(其中 R1= R2, VR 為 100? 精密電阻),當 PT100 的電阻值和 VR 的電阻值不相等時,電橋輸出一個毫伏級的壓差信號,這個壓差信號經(jīng)過運放電路放大后輸出一個期望范圍內大小的電壓信號,該信號可直接送入模擬量擴展模塊進行 A/D 轉換。溫度傳感器是一種能將溫度變化轉換為電量變化的元件,本系統(tǒng)采用了鉑熱電阻 PT100, PT100 是一種廣泛應用的熱電阻式溫度傳
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