基于PLC的热水箱恒温控制系统设计
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题目PLC在恒温箱中的应用一 、课题背景: 1、 PLC与温度: 随着现在工业的逐步发展,在工业生产中,温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。温度是一个非常重要的过程变量。例如:在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域,都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度控制。这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。 随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的,通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单、灵活性大的优点,而且可以大幅度提高被测温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。因此,PLC对温度控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。这也正是本课题所重点研究的内容。 2、恒温箱: 随着社会发展的需求,国内外对于恒温箱的研究越来越深入,恒温箱的用途也越来越广泛,在日常生活当中,人们对恒温箱的需求也逐渐增大,工业生产和实验室中电热恒温箱的应用随处可以见到。在生活中我们保存食物用到恒温箱,自制一些小食品等也可以用到恒温箱;工业生产中一些生产原料的保存用到恒温箱,在实验室里,特别是生物的培育实验,恒温箱的应用更是普遍。用于工业生产的各种作用的恒温箱产品越来越多,但有却不能满足工业生产需求,但是要用到恒温箱的地方,要是用工业生产所用的恒温箱的话,对这些需求的用户来说成本相当高,因而这种低成本而又能达成需求者要求的恒温箱就有了意义。二、恒温箱的控制过程:本系统的控制过程是 这样的:当设定水温后,启动水泵向恒温水箱中注水,当水上升到液位检测点2是启动搅拌电动机,测量水温并与设定值比较,若温度差小于设定值,则开始加热。当水温高于设定值是,进冷水,当储备水箱水温高于设定值时,采取进水与风机冷却同时进行的方法实现降温控制。 系统还要求具有报警功能,如当启动泵时无流量,或加热时无温度变化则发出报警信号。三、控制方案的分析: 由系统的工艺过程及控制过程要求知,本系统的工作实质是根据恒温水箱及储备水箱中水的温度,决定系统的工作状态:或加热搅拌,或经两个途径(冷却及不冷却)为恒温箱供入冷水。由于温度传感器为模拟量传感器,系统中三处温度对应的模拟量均需要变换为数字量供PLC运算处理。为提高加热的快速性及系统的稳定性,加热采用可调压的可控电源,且电源的功率采用PID控制。可调压电源为电压量控制方式。这样系统为输入及输出均需模拟量的控制系统。需为PLC配置A/D、D/A转换单元。本系统还有流量显示要求,拟选用叶轮式流量计,采用PLC的高速计数器对流量计输出脉冲计数的方式测定流量。 从总体控制功能来说,系统为温度值控制下的加热或冷却系统,输入量为温度值、液位值、流量值,输出为搅拌电动机,冷却风扇电动机及电磁阀的动作及自动调节的加热功率。为了方便温度、流量、功率的显示并减少投资,拟采用同一组数码管分时完成。数码管的驱动及译码片信号选用可编程器的输出口,因而PLC应选用晶体管输出的品种。四、恒温控制流程图: 低高是否是否否是判断与PC机连上否?温度设定工作方式选择进水液位到否?启动搅拌电动机测试水箱温度并与设定值比较温度低于设定值吗?PID调节加热功率D/A水温与设定值比较?初始化启动阀放水启动泵上水进行水温调节测室温送PC机处理五、设计任务完成的阶段内容及时间安排第一周收集、查找资料第二周复习相关课程,阅读相关资料,确定设计方案第三周写开题报告第四周、五周选择合适硬件,画出硬件的连接草图。第六周、七周设计系统软件第八周计算系统的控制算法第九周、第十周系统的调式第十一周完成设计论文第十二周、十三周检查设计系统和论文第十四周、十五周准备答辩六、参考文献电气控制与PLC应用 王淑英 编PLC应用与维修技术 张万忠 编基于PLC架构的可编程序控制器 苏中 编PLC应用技术 张伟林 编电子系统设计与实践 周群 编 1摘 要传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术,由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制,使控制系统的体积增大,耗电多,效率不高且易出故障,不能保证正常的工业生产。 随着计算机控制技术的发展,传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。 而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有相当的意义。在以PLC控制为核心,加热炉为基础的温度自动控制系统中,PLC将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差经PID运算后得到的信号控制输出电压的大小,从而调节加热器加热,实现温度自动控制的目的。文章介绍了基于S7-200温度控制系统的PID调节器的实现。关键词:PLC 温度控制 PID 调节器 S7-200 温度传感器 目录1 温度控制对象11.1 功能特点与技术参数11.2 控制手段12 方案设计02.1 现场总线概述02.2 WinCC+S7-200温度控制系统的硬件组成33 WinCC+S7-200温度控制系统的软件配置53.4 WinCC+S7-200温度控制系统的网络结构63.5 温度控制算法84 S7-200 PLC控制程序的设计134.1 控制程序的组成134.2 温度采集程序设计134.3 数字滤波程序设计144.4 PID控制程序设计165 WinCC组态175.1 变量组态175.2 画面组态175.3 变量连接186 程序调试206.1 PLC调试方法与结果206.2 WinCC调试方法与结果207 PID参数的整定217.1 整定方法217.2 整定结果及分析228 技术小结23参考文献24附录I 1 温度控制对象温度控制对象,在工业控制过程中,是相当重要的控制对象,因为温度直接的影响到了燃烧、化学反应、发酵、烘烤、蒸馏、浓度,结晶以及空气流动等物理的和化学的变化过程。温度控制的不好很有可能引起严重的安全事故,产品质量和产量等一系列的问题。温度控制是许多设备的重要的构成部分,它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内,以利于进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中,温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响,所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。1.1 功能特点与技术参数实践证明温度对象的特点是:时间常数大,滞后现象严重,反应在控制系统上,就是被控温度的变化滞后于调节器的输出。我们知道热量的传递是需要一定时间的,温度上升的快慢与其热容量的大小有关,通常温度的上升与下降和时间的关系是一个指数曲线关系。而产生滞后则与热量的传递过程有关,再者测温元件也有一定的惯性,这些都会产生滞后现象。本次设计选用的是TKPLC2型温度控制器,该温度控制器同样的具有滞后大和惯性大的特点。该加热器用的是0V到5V的电压加热,1.2 控制手段通过以上的分析,系统的总的滞后时间比较大,升温的滞后时间相对降温来说是比较小的。因此,在PID调节中,要使系统的品质变好,除了加入适当的积分以消除静态误差外,还应该加强比例作用使调节更加灵敏,减小调节时间,同时还应该加入适当的微分作用,使系统的超调量减小。现场总线测控系统设计2 方案设计主要是通过实验的需要选择硬件。然后将选择的硬件组成控制系统,根据任务的要求选择西门子的S7-200的PLC,TKPLC-2型加热炉等硬件,硬件选择完成后,跟据所选择的硬件选择合适的软件进行程序设计,只有拥有完整的硬件和软件的系统才能所需要的功能。下面就仔细的介绍在设计中运用到的硬件和软件。2.1 现场总线概述目前世界上存在着大约四十余种现场总线,如法国的FIP,英国的ERA,德国西门子公司Siemens的ProfiBus,挪威的FINT,Echelon公司的LONWorks,PhenixContact公司的InterBus,RoberBosch公司的CAN,Rosemounr公司的HART,CarloGarazzi公司的Dupline,丹麦ProcessData公司的P-net,PeterHans公司的F-Mux,以及ASI(ActraturSensorInterface)、MODBus、SDS、Arcnet,国际标准组织-基金会现场总线FF:FieldBusFoundation、WorldFIP、BitBus,美国的DeviceNet与ControlNet等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域,大概不到十种的总线占有80左右的市场。下面仔细的介绍九种比较常用的现场总线。 2.1.1 基金会现场总线这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用,具有良好的发展前景。基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(1,2,7层),即物理层、数据链路层、应用层,另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率,前者传输速率为31.25Kbit/秒,通信距离可达1900m,可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒,通信距离为750m和500m,支持双绞线、光缆和无线发射,协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。 2.1.2 LonWorks总线它由美国Echelon公司推出,并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议,采用面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质,通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等,直接通信距离可达2700m(78Kbit/s),被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron(神经元)的芯片中,并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品,被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。 2.1.3 Profibus总线Profibus是德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)的现场总线标准。由PROFIBUS-DP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输,适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型,服从IEC11582标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s,最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m,在12Mbit/s小为200m,可采用中继器延长至10km,传输介质为双绞线或者光缆,最多可挂接127个站点。 2.1.4 CAN总线 最早由德国BOSCH公司推出,它广泛用于离散控制领域,其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准,得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层:物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构,传输时间短,具有自动关闭功能,具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式,并采用了非破坏性总线仲裁技术,通过设置优先级来避免冲突,通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s,通讯速率最高可达40M /1Mbp/s,网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。 2.1.5 HART总线HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写,最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层,支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和,难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电,可满足本质安全防爆的要求,并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。 2.1.6 CC-Link总线CC-Link是Control&Communication Link(控制与通信链路系统)的缩写,在1996年11月,由三菱电机为主导的多家公司推出,其增长势头迅猛,在亚洲占有较大份额。在其系统中,可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络,具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题,同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络,同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。 2.1.7 WordFIP总线WorkdFIP的北美部分与ISP合并为FF以后,WorldFIP的欧洲部分仍保持独立,总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位,特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求,而且没有任何网关或网桥,用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP与FFHSE可以实现“透明联接”,并对FF的H1进行了技术拓展,如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面,WorldFIP做得最好,走在世界前列。 2.1.8 INTERBUS总线INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线,2000年2月成为国际标准IEC61158。INTERBUS采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(1,2,7层),即物理层、数据链路层、应用层,具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信,具有低速度、高效率的特点,并严格保证了数据传输的同步性和周期性;该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。INTERBUS广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业,成为国际现场总线的领先者。 2.1.9 DeviceNet总线DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案,有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet基于CAN技术,传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个,其通信模式为:生产者/客户(Producer/Consumer),采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开,不影响网上的其他设备,而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是Open DeviceNet Vendor Association(开放式设备网络供应商协会,简称“ODVA”)。1 2.1.10 PPI总线本次设计使用的是西门子的PPI总线,PPI( 点对点接口) 是一种专为SIMATIC S7-200而开发的集成接口。PPI网络通常连接S7-200设备。然而,其它 SIMATIC S7控制器(例如S7-300和S7-400)或操作员面板均可与PPI网络中的S7-200进行通讯。PPI是一种主站-从站协议,通过该协议主站设备可向从站设备发送请求。从站设备并不启动消息,而是一直等到主站设备发送请求或轮询响应。通讯将通过常用的PPI连接来执行。主站设备包括:带有 STEP7Micro/WIN的编程设备HMI设备(触摸面板、文本显示或操作员面板),从站设备包括:S7-200CPU扩展机架(例如EM277)也可以通过编程将S7-200CPU作为PPI主站来激活。PPI基于PROFIBUS标准(IEC61158和EN50170),并支持以下总线拓扑:总线型星型使用PPI,可以建立最多包括32个主站的多主站网络:可以与任何从站进行通讯的主站数量不受限制。可以为主站分配从站。可以使用RS-485中继器扩展PPI网络。还可以将调制解调器连接至PPI网络。可以为PPI建立多种组态:单主站PPI网络、多主站PPI网络、复杂PPI网络、带有S7-300或S7-400的PPI网络。2.2 WinCC+S7-200温度控制系统的硬件组成温度控制系统的主要硬件组成:带有WinCC和有STEP7Micro/WIN软件的计算机、PLC、PPI数据线、TKPLC-2型加热炉。下面是本次系统的硬件组成图,如图2.2.1所示。上位机PLCS7-200TKPLC-2型加热炉图 2.2.1 系统硬件图TKPLC-2型加热炉,集成了加热炉驱动模块和加热炉变送器。这样使硬件系统的组成更简单、更容易。该系统是通过简单的闭环控制系统实现的。由PLC控制的加热炉温度控制系统构成如图2.2.2所示,系统工作过程:一是给定值(0100)通过键盘输入PLC主机,再由PLC主机传递给数字量输出模块,控制固态继电器的开关状态,从而控制电阻炉的加热情况;二是通过温度检测装置热电偶检测到的变换为电流信号的炉温值通过模拟量输入模块读入PLC主机,由PLC主机内部PID的程序与温度给定值相比较,对数字量输出模块进行下一度的控制。其中PLC是整个系统的主控核心。PLC主机计算机PID调节执行机构温度检测装置图2.2.2 电阻炉温度控制系统图实际温度电阻炉2.2.1 S7-200PLC的选型S7-200系列PLC是SIEMENS公司新推出的一种小型PLC。它以紧凑的结构、良好的扩展性、强大的指令功能、低廉的价格,已经成为当代各种小型控制工程的理想控制器。S7-200PLC包含了一个单独的S7-200CPU和各种可选择的扩展模块,可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点上到几百点。S7-200PLC可以方便地组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络,从而完成规模更大的工程。S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN32可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控,使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说,S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。S7-200有四种CPU,其性能差异很大。这些性能直接影响到PLC的控制规模和PLC系统的配置。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种。档次最低的是CPU221,其数字量输入点数有6点,数字量输出点数有4点,是控制规模最小的PLC。档次最高的应属CPU226,CPU226集成了24点输入16点输出,共有40个数字量I/O。可连接七个扩展模块,最大扩展至248点数字量I/O点或35路模拟量I/O。本次设计选用的是CPU226。开关量I/O扩展模块当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行I/O扩展,I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。通常开关量I/O模块产品分3种类型:输入模块,输出模块以及输入/输出模块。为了保证PLC的工作可靠性,在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。如光电隔离,输入保护(浪涌吸收器,旁路二极管,限流电阻),高频滤波,输入数据缓冲器等。由于PLC要控制的对象有多种,因此输出模块也应根据负载进行选择,有直流输出块,交流输出模块和交直流输出模块。按照输出开关器件种类不同又分为3种:继电器输出型,晶体管输出型和双向晶闸管输出型。这三种输出方式中,从输出响应速度来看,晶体管输出型最快,继电器输出型最差,晶闸管输出型居中;若从与外部电路安全隔离角度看,继电器输出型最好。在实际使用时,亦应仔细查看开关量 I/O 模块的技术特性,按照实际情况进行选择。在S7-200中,单极性模拟量的输入/输出信号的数值范围是0-32000,双极性模拟信号的数值范围是-32000- +320002。2.2.2 加热炉的选型本次实验选用的加热炉为TKPLC-2型。这种加热炉集成有驱动模块和温度变送器使用简单,只需将输入端和输出端分别接到PLC的输出模块和输入模块就可以了。免去了硬件设计的麻烦。TKPLC-2型加热炉,也具有惯性大,滞后大的特点,在实际控制过程的过程中会比较麻烦,而且该加热炉是靠周边环境自然降温,所以降温过程比较长。不过通过改良PID调节的参数,能勉强控制好加热炉的温度,使得稳态误差和动态误差都能达到任务的要求。3 WinCC+S7-200温度控制系统的软件配置本次设计使用的软件STEP7-Micro/WIN32和WinCC以及PC access,通过STEP7-Micro/WIN32编写PLC的程序,通过Wincc的组态实现对控制过程的控制和监视。PLC与WinCC之间通过PPI总线实现通信,实时的监控加热炉的工作状态。3.1 STEP7-Micro/WIN32的介绍STEP7-Micro/WIN32是西门子公司专为SIMATIC S7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件,它是基于Windows的应用软件,功能强大,既可用于开发用户程序,又可实时监控用户程序的执行状态。STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发,其主要实现以下功能: 1)在脱机(离线)方式下创建用户程序,修改和编辑原有的用户程序。在脱机方式时,计算机与PLC断开连接,此时能完成大部分的基本功能,如编程、编译、调试和系统组态等,但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。2)在联机(在线)方式下可以对与计算机建立通信关系的PLC直接进行各种操作,如上载、下载用户程序和组态数据等。3)在编辑程序的过程中进行语法检查,可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。经语法检查后,梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线,语句表的错误行前自动画上红色叉,且在错误处加上红色波浪线。4)对用户程序进行文档管理,加密处理等。5)设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。3.2 WinCC的介绍西门子公司的WinCC是WlndowsControIConter(视窗控制中心)的简称。 它集成了SCADA、组态、脚本(Script)语言和OPC等先进技术,为用户提供了Windows操作系统(W1ndows2000或XP)环境下使用各种通用软件的功能。WinCC继承了西门子公司的全集成自动化(TIA)产品的技术先进和无缝集成的特点。WinCC运行于个人计算机环境,可以与多种自动化设备及控制软件集成,具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项,使用方式灵活,功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理,可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境,不仅缩短了软件设计周期,而且提高了工作效率。WinCC的另一个特点在于其整体开放性,它可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起,建立友好的人机界面,满足实际需要。用户也可将WinCC作为系统扩展的基础,通过开放式接口,开发其自身需要的应用系统。3.3 PC ACCESS的介绍西门子最新推出的PC Access 软件是专用于S7-200 PLC的 OPC Server(服务器)软件,它向OPC客户端提供数据信息,可以与任何标准的OPC Client(客户端)通讯。PC Access软件自带OPC客户测试端,用户可以方便的检测其项目的通讯及配置的正确性。OPC作为一种工业标准,提供了工业环境中信息交换的统一标准软件接口,数据用户不用再为不同厂家的数据源开发驱动或服务程序。OPC将数据来源提供的数据以标准方式传输至任何客户机应用程序。OPC(用于进程控制的OLE)是一种开放式系统接口标准,可允许在自动化/PLC应用、现场设备和基于PC的应用程序(例如 HMI或办公室应用程序)之间进行简单的标准化数据交换。 定义工业环境中各种不同应用程序的信息交换,它工作于应用程序的下方。您可以在PC机上监控、调用和处理可编程控制器的数据和事件。PC Access可以用于连接西门子,或者第三方的支持OPC技术的上位软件。PC Access可以通过如下硬件连接与S7-200通讯:通过PC/PPI电缆(USB/PPI电缆)连接PC机上的USB口和S7-200、通过PC/PPI电缆(RS-232/PPI电缆)连接 PC机上的串行COM口和 S7-200、通过西门子通讯处理器(CP)卡和 MPI电缆连接 S7-200、通过PC机上安装的调制解调器(Modem)连接S7-200上的EM241模块、通过以太网连接 S7-200上的CP243-1或CP243-1 IT模块,上述S7-200的通讯口可以是CPU通讯口,也可以是EM277的通讯口。PC Access所支持的协议:PPI(通过 RS-232PPI和 USB/PPI电缆)、MPI(通过相关的 CP卡)、Profibus-DP(通过CP卡)、S7协议(以太网)、Modems(内部的或外部的,使用TAPI 驱动器)。所有协议允许同时有8个PLC连接,一个PLC通讯口允许有4个PC机的连接,其中一个连接预留给Micro/WIN,PC Access与Micro/WIN可以同时访问CPU,支持S7-200所有内存数据类型。3.4 WinCC+S7-200温度控制系统的网络结构 WinCC和S7-200的网络连接,只要是通过RS232或USB接口进行数据传输。数据传输速率在1.2 kbps 至 115.2 kbps 之间。WinCC和S7-200的网络连接是点对点的连接,遵循PPI的通信协议,网络结构主要有3种:单主站PPI网络、多主站PPI网络、复杂PPI网络。下面就将各种网络结构进行详细的介绍。3.4.1 单主站PPI网络通常,单主站PPI网络由以下组件组成:带有STEP7-Micro/WIN的编程设备/PC或作为主站设备的HMI设备(面板),作为从站设备的一个或多个S7-200。单主站PPI网络结构组成如图3.4.1所示。图3.4.1 单主站PPI网络结构图3.4.2 多主站PPI网络PPI网络还有构成多主站网络结构,是由多台主站计算机或者HMI设备组成的网络连接结构。利用这种网络结构我们可以组态一个包含多个主站设备的PPI网络,这些设备可以作为从站设备与一个或多个S7-200 进行通讯。每个主站(编程设备/PC 或面板)均可以与网络中的每个从站交换数据。多主站网络原理如图3.4.2所示。图3.4.2 多主站网络原理图3.4.3 复杂PPI网络在复杂PPI 网络中,还可以对S7-200进行编程以进行对等通讯。对等通讯表示通讯伙伴都具有同等权限,既可以提供服务,也可以使用服务。在一个S7-200的用户程序中的“从网络读取”(NETR)和“写入网络”(NETW)指令可以访问其它S7-200中的过程数据。复杂网络原理如图3.4.3所示。图3.4.3 复杂网络原理图虽然PPI网络能够成很多种网络结构,本次根据设计的要求,我们只需控制一台S7-200,所以我使用了单主站网络结构。3.5 温度控制算法在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近80年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便5。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。比例(P)控制:比例控制是一种最简单,最常用的控制方式4。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 积分(I)控制:在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分(D)控制:在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用, 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。3.5.1 PID算法的种类PID的基本算式有:位置型、增量型和速度型三种形式,其中最常用的事增量型式。设u(n)为本周期PID控制器的输出(控制量),e(n)为本周期的PID输入偏差信号,e(n-1)为上一个周期的偏差信号,e(n-2)为上上个周期的偏差信号。KP 为比例增益,Ti为积分时间,Td为微分时间,则PID基本算式的公式如下:1)位置型PID算式 (3.1) 根据微分方程和差分方程的对应关系可知,如果微分方程中的积分运算对应差分方程 的累加运算,微分方程对应一个周期的增量变化,则能很容易的推导出表达式3.1。2)增量型PID算式 (3.2)由增量型PID算式也可以得到PID控制器的位置输出: (3.3)3)速度型PID算式速度型PID算式的输出值和执行器的位置变化率(如调节阀的开度变化率、直流伺服电机的转动速度等)相对应,它是由增量型PID算式除以T得到: (3.4)33.5.2 回路定义表从在PID指令框中输入的表格(TBL)起始地址为回路表分配八十(80个字节。S7-200的PID指令引用一个包含回路参数的回路表。此表起初的长度为36个字节。在增加了PID自动调谐后,回路表现已扩展到80个字节。如果使用PID调谐控制面板,与PID回路表的全部相互作用将由此控制面板代您完成。如果需要由操作员板提供自动调谐能力,您的程序必须提供操作员和PID回路表之间的相互作用,以发起和监视此自动调谐进程,以及随后套用建议的调谐数值。表3.1 回路定义表偏移量域格式类型说明0PVn进程变量双字实数入包含进程变量,必须在0.0至1.0范围内。4SPn设定值双字实数入包含设定值,必须在0.0至1.0范围内。8Mn输出双字实数入/出包含计算输出,在0.0至1.0范围内。12Kc增益双字实数入包含增益,此为比例常数,可为正数或负数。16Ts采样时间双字实数入包含采样时间,以秒为单位,必须为正数。20TI积分时间或复原双字实数入包含积分时间或复原,以分钟为单位,必须为正数。24TD微分时间或速率双字实数入包含微分时间或速率,以分钟为单位,必须为正数。28MX偏差双字实数入/出包含0.0和1.0之间的偏差或积分和数值。32PVn-1以前的进程变量双字实数入/出包含最后一次执行PID指令存储的进程变量以前的数值。3.5.3 PID回路计算方法S7-200 CPU提供PID回路指令(比例、积分、微分回路),执行PID计算。PID回路操作取决于存储在36个字节回路表中的9个参数。在稳定状态操作中,PID控制器管理输出数值,以便将错误(e)驱动为零。错误测量由设定值(所需的操作点)和进程变量(实际操作点)之间的差别决定。PID控制原则基于以下公式,其中将输出M(t)表示为比例项、积分项和微分项的函数: (3.5)其中: M(t)作为时间函数的回路输出 TD回路增益 E回路错误(设定值和进程变量之间的差别)Minitial回路输出的初始值为了在数字计算机中运行该控制函数,必须将连续函数量化为错误值的定期样本,并随后计算输出。数字计算机运算以下列相应的公式为基础: (3.6)其中: Mn 采样时间n的回路输出计算值 Kc 回路增益 en 采样时间n的回路错误值 en-1 回路错误的前一个数值(在采样时间n -1) KI积分项的比例常数 Minitial微分项的比例常数 KD 微分项的比例常数在该公式中,积分项被显示为全部错误项的函数,从第一个样本至当前样本。微分项是当前样本和前一个样本的函数,而比例项仅是当前样本的函数。在数字计算机中,既不可能也没有必要存储所有的错误项样本。因为从第一个样本开始,每次对错误采样时数字计算机都必须计算输出值,因此仅需存储前一个错误值和前一个积分项数值。由于数字计算机计算结果的重复性,可在任何采样时间对公式进行简化。简化后的公式为: (3.7)其中: Mn 采样时间n的回路输出计算值 Kc 回路增益 en 采样时间n的回路错误值 en-1 回路错误的前一个数值(采样时间n1)KI 积分项的比例常数 MX 积分项的前一个数值(采样时间n1) KD 微分项的比例常数计算回路输出值时,CPU使用对上述简化公式的修改格式。修改后的公式为: (3.8)其中: Mn 采样时间n的回路输出计算值 MPn 采样时间n的回路输出比例项数值 MIn 采样时间n的回路输出积分项数值 MDn 采样时间n的回路输出微分项数值比例项MP是增益(Kc)和偏差(e)的乘积。其中Kc决定输出对偏差的灵敏度,偏差(e)是给定值(SP)与过程变量值(PV)之差,S7-200解决的求比例项的算式是: (3.9)其中:MPn 第n采样时刻比例项的值 Kc 增益 SPn 第n采样时刻的给定值 PVn 第n采样时刻的过程变量的值积分项值MI与偏差和成正比。S7-200解决的求积分的算式是: (3.10)其中:MIn 第n采样时刻积分项的值 Kc 增益 Ts 采样时间间隔 Ti 积分时间 SPn 第n采样时刻的给定值 PVn 第n采样时刻的过程变量的值 MX 第n-1采样时刻积分项(积分项前值) 积分和(MX)是所有积分项前值之和,在每次计算出MIn后,都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被调整或限制,MX的处置通常在第一次计算输出以前被设为Minitial(初值)。积分项还包括其他几个常数:增益(Kc),采样时间(Ts)和积分时间(Ti)。其中采样时间是重新计算输出的时间间隔,而积分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小。微分项值Md与偏差的变化成正比,S7-200使用下列算式来求解微分项: (3.11)为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变,假定给定值不变SPn=SPn-1,这样可以用过程变量的变化替代偏差的变化,计算算式可改进为: (3.12)其中:Mdn 第n采样时刻的微分项值 Kc 回路增益 Ts 回路采样时间 Td 微分时间 SPn 第n采样时刻的给定值 SPn-1 第n-1采样时刻的给定值 PVn 第n采样时刻的过程变量的值 PVn-1 第n-1采样时刻的过程变量的值为了下一次计算微分项值,必须保存过程变量,而不是偏差,在第一采样时刻,初始化为PVn-1=PVn。在许多控制系统中,只需要一两种回路控制类型。例如只需要比例回路或者比例积分回路,通过设置常量参数,可以选择需要的回路控制类型。如果不想要积分动作(PID计算中没有“I”),可以吧积分时间(复位)置为无穷大“INF”。即使没有积分作用,积分项还是不为零,因为有初值MX。如果不想要微分回路,可以把微分时间置为零。如果不想要比例回路,但需要积分或积分微分回路,可以把增益设为0.0,系统会在计算积分项和微分项时,把增益当作1.0看待。525现场总线测控系统设计4 S7-200 PLC控制程序的设计硬件设计完成过后,就需要进行软件设计,通过软件设计使得系统能满足设计的要求,因此软件设计在设计的过程中也是相当的重要。有了好的合适的程序才能使系统发挥其最大的优势,来调节加热炉的温度。4.1 控制程序的组成控制程序主要由温度采集程序、数据滤波程序、PID控制程序组成,温度采集程序的作用是将温度值转换成PLC能够识别的数值。数据滤波程序是为了消除干扰对测量结果的影响,在PID控制前,需要对采集的数据进行处理,这样是为了避免由于外部的干扰而导致PID运算出错。因此,滤波程序是非常的重要的。4.2 温度采集程序设计 图 4.2.1 温度采集程序 温度采集程序,由于温度变送器送出的是4-20mA的标准电流信号,信号采集模块将采集到的电流转化成数字信号过后,再通过一系列的数据类型的转换,使得采集到的数据变成标准的温度数据信号,方便识别。同时采集到的数值也需要转化成PLC的PID运算要求的标准数据类型。炉温实际温度的检测是要将温度量转化为PLC可识别的量,所以,将温度变送器输出的值先由16位的整型转化为32位的双整型,再由双整型转化为实型,实型小数点后可有6位,故比较精确。此时得到测得温度值在PLC中计算所对应的数,将该数送入变量寄存器VD296。4.3 数字滤波程序设计图4.3.1网络一 网络一的程序是将每次采集到的值进行累加,将累加后得到的值存入VD300中,进行累加后就将得到所采集到的温度值的总和。每次采集十组数据。图4.3.2网络二 网络二是找出最大值和最小值。图4.3.3网络三 网络三是将VB0寄存器中的数据清零。图4.3.4网络四 网络四是将最大值和最小值从所求的总和中减去,从而实现,减去一个最大值和减去一个最小值,达到限幅的作用。图4.3.5 网络五 网络五是将剩下的总和求平均,从而得到设计中想的到的温度值。图4.3.6 网络六 网络六的作用是将所有使用过的寄存器初始化。数据滤波的方法有很多种,其中软件滤波的方法包括:限幅滤波、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法(又称滑动平均滤波法)、中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)、限幅平均滤波法、一阶滞后滤波法、加权递推平均滤波法、消抖滤波法、限幅消抖滤波法。图4.3.1到图4.3.6的程序图使用的是限幅平均值滤波。整体思想是,将十次采集到的数据,先去掉一个最大值,然后去掉一个最小值,然后将剩下的8个数求和取平均值。4.4 PID控制程序设计 图4.4.1 PID控制程序 PID控制程序在整个程序中是重要的组成部分,通过PID控制程序可以很好的控制加热炉的工作状态。PID控制程序在整个程序中是重要的组成部分,通过PID控制程序可以很好的控制加热炉的工作状态。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。本设计采用的是闭环控制系统。比例增益、积分时间、比例时间,根据回路定义表的要求分别存到VD332、VD340、VD344中。现场总线测控系统设计5 WinCC组态 WinCC的组态在人机界面的制作中是必不可少的过程,只有正确的将各个变量正确的组合到WinCC当中,我们才能正常的监视加热炉的工作状态和实时的对加热炉进行控制。5.1 变量组态变量组态是通过PC ACCESS完成的,PC ACCESS是专用于S7-200 PLC的 OPC Server(服务器)软件,它向 OPC客户端提供数据信息,可以与任何标准的OPC Client(客户端)通讯。变量组态完成后,可以用软件自带的OPC客户测试端检测其项目的变量是否通讯及配置是否正确。变量组态在画面组态前是相当重要的工作,只有通过OPC客户测试端检测通讯正常后,WinCC组态后的变量才能正常和PLC通讯。OPC的使用步骤:设置通讯访问通道、创建PLC、创建Folder、创建Item、测试通讯质量。当测试通讯质量显示好时,说明了变量组态完成。变量组态如表5.1。表5.1 变量组态表名称地址数据类型存取TVD296REALRWINPUTVD200REALRWKcVD332REALRWTiVD340REALRWTdVD344REALRWPVD204REALRW5.2 画面组态打开 WinCC Explorer 窗口 创建一个 WinCC单用户项目,在变量管理器添加新的驱动程序OPC。在OPC 项目管理器中添加S7-200的系统参数。将所需要的变量全部添加到变量管理器中。然后在WinCC资源管理器中,右击“图形编辑器”,在弹出的菜单中,单击“新建画面”选项,选择新建画面,系统默认画面名为“NewPdl.pdl”(pdl为画面描述文件),双击击“NewPdl.pdl”,进入图形编辑画面。进入图形编辑界面后,就要进行图形的编辑,首先是利用静态文本显示输出值,这种窗口的数据只能看,不能进行修改,所以只适用于我温度输出值显示。而需要输入数据的就使用输入输出文本。这种文本的数据可以进行实时的修改,并把修改的变量值传送PLC,例如温度设定值,PID算法的增益,积分时间,微分时间都需要用这种方式。然后再建立曲线图,曲线图主要用来进行设定值与显示值的对比。整个画面组态完成后的图如图5.2.1所示。图 5.2.1 画面组态5.3 变量连接S7-200与WinCC的通讯是PPI协议,PPI协议是西门子S7-200系列PLC常用通信协议,但WinCC中没有集成该协议,即WinCC不能直接监控S7-200系列PLC组成的控制系统。S7-200 OPC Server是西门子公司推出的专为解决上位机监控S7-200系列PLC控制系统的接口软件。因此,WinCC可以通过该软件与S7-200系列PLC很方便的建立通信。在WinCC变量管理器中添加一个新的驱动程序,新的驱动程序选择OPC.CHN,在OPC GROUP中新建一个连接,打开属性,选择 OPC Group Setting,OPC服务器名称为OPCServer.MicroComputing。然后在新添加的连接中新建变量,变量的Item Name与S7-200系列PLC中用于监控的变量名对应。变量连接的基本步骤如下:1)用STEP7 MICROWIN完成S7-200的工程建立和编程,其中必须为OPC准备好符号表。注意符号表名称以及表中变量名都禁用中文,这是OPC的要求。2)安装PC ACCESS,然后导入前面建立的S7-200符号表,同时定义PC access到S7-200的通讯。这在PG/PC INTERFACE中完成。具体通过PPI,或MPI,或PROFIBUS,或以太,或MODEM均可以,根据所用硬件定。3)进入WinCC,添加OPC驱动,定义OPC的属性时点击浏览。浏览路径是LOCAL/SIMATIC S7-200 OPC SERVER,由此按提示将导入到PC ACCESS中的变量添加到WinCC。4)进入WinCC完成其他组态,即可引用S7-200中的变量。变量连接后,运行WinCC,相应的变量的值就会在WinCC上很好的显示出来,显示结果如图5.3.1.图5.3.1 变量显示图现场总线测控系统设计6 程序调试 程序调试是非常重要的阶段,我们写程序不可能一写就对,在编写的过程中会出现这样那样的问题,当然我们就必须通过程序调试,使得程序正确,达到预期的功能,通过修改和调试程序,也可以使控制的品质更高。6.1 PLC调试方法与结果PLC程序的调试分为模拟调试和现场调试两个调试过程,在此之前首先对PLC外部接线作仔细检查,外部接线一定要准确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。为了安全考虑,最好将主电路断开。将编写完成的程序逐条仔细检查,并改正写入时出现的错误。当我写完程序过后,首先编译检查错误,看使用的语句中是否有违反PLC规定的用法,发现了语句错误过后马上进行修改,通过多次的修改,最后程序没有语言错误,下面就是检查是否有逻辑错误,看整个程序的运行状况怎么样,能否达到预期的效果。在第一次运行的过程中有一段语句出现了红色的情况,当程序运行到那里时就会出现乱码,后来经过计算分析,原来是调用数据是调错了,该处的数据只能是0-1之间的数,后来将该处处理后,程序运行正常。我写程序是分块写的,首先写的是数据采集块,数据采集就是主要是将采集到的数据进行处理,经过一系列的数据变换使的最后的显示值和所测量的温度值一致。在写数据采集程序的过程中也遇到一些问题,通过同学的帮助,最后将这些问题解决了,正常的实现了数据采集。然后写的是数据输出,数据输出程序也包括了PID运算程序,写好后就是出现了数据溢出的情况,后来分析发现是PID算法内的数据搞错了。最后进行了数据滤波程序的编写,数据滤波程序是在同学的帮助下完成的。通过多天的程序调试和修改,通过状态表监视,整个程序基本符合设计要求。为人机界面的编写做好了准备。6.2 WinCC调试方法与结果WinCC的调试也是主要检查各个变量是否准确无误的连接上了,是否能正常的通讯,WinCC人机界面的制作还算比较顺利,除了曲线设置出了点问题外,其他都还能正常通讯,通过变量的连接,可以通过WinCC实时的修改PID参数,得到控制曲线,通过多次的调整WinCC最后成功的完成了,在保存的过程中遇到过一些问题,做好的WinCC关后怎么也打不开了,后来老师给我们说了怎么弄,按照老师说的方法,最后能正常的用了。现场总线测控系统设计7 PID参数的整定 准确地选择PID调节器的结构和它的参数,能使系统在受到扰动后仍保持稳定,并将静态误差和动态误差保持在最小值。在整定调节器的参数之前,应首先确定调节器的结构,对于具有平衡性质的控制对象或生产过程应选择有积分环节的调节器;对于纯滞后性质的控制对象,在调节器中往往应加入微分环节。调节器参数的选择,必须考虑到具体的工程的工艺控制要求,并结合实验、经验和凑试等方法进行整定。7.1 整定方法控制器参数的整定,就是按照已定的控制方案,求取使控制质量最好的控制器参数值。具体来说,就是确定最合适的控制器比例度P、积分时间TI,和微分时间TD。控制器参数整定的方法很多,主要有两大类,一类是理论计算的方法,另一类是工程整定法。工程整定法主要包括:1)稳定边界法(临界比例度法) 稳定边界法属于闭环整定方法,根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据(临界比例度Pm和振荡周期Tm),按经验公式求出调节器的整定参数。2)衰减曲线法衰减曲线法也属于闭环整定方法,但不需要寻找等幅振荡状态,只需寻找最佳衰减振荡状态即可。3)响应曲线法响应曲线法属于开环整定方法。以被控对象控制通道的阶跃响应为依据,通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。4)经验法 经验法是凭经验凑试。 其关键是“看曲线,调参数”。在闭环的控制系统中,凭经验先将控制器参数放在一个数值上,通过改变给定值施加干扰,在记录仪上观察过渡过程曲线,根据P、 TI 、 TD对过渡过程的影响为指导,对比例度P 、积分时间TI和微分时间TD逐个整定,直到获得满意的曲线为止。我在这次参数整定过程中采用的是临界比例度法,利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下:(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。最主要还是靠经验及工艺的熟悉,参考测量值跟踪与设定值曲线,从而调整PID的大小。7.2 整定结果及分析当加热炉刚启动加热时,由于测到的炉温为常温,sp-pvU为正值且较大,U为PID调节器的输入,此时PID调节器中P起主要作用,使PLC为最大电压给加热炉加热。当加热炉温度达到30以上时,sp-pvU为负值,经PID调节,使PLC输出电压减小,加热炉温度降低。当温度正好达到30时,U为零PID不调节,此时PLC输出的电压正好平衡加热炉消耗的热量,系统达到动态平衡。系统平衡后的界面如图7.2.1所示。图 7.2.1 系统平衡界面现场总线测控系统设计8 技术小结加热炉温度控制系统采用成熟的PLC技术,采用软硬件结合,较好的解决了传统加热炉温控系统中出现的问题。本实
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