毕业设计（论文）用VB设计基于PLC的温度控制系统

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1、35沈阳理工大学学士学位论文摘 要本文介绍了一种用VB6.0设计基于西门子PLC S7-200开发、通过温度实验箱对电加热炉进行控制与调节的系统软件。该系统软件主要是用于对Pt100温度传感器的温度进行实时采集，并在上位PC机上进行显示，通过PID控制器对数据进行实时处理，同时将数据传送给PLC S7-200控制温度实验箱上的双向可控硅，从而达到对电加热炉通断电控制的目的，这样也就能对Pt100传感器的温度进行控制了。根据实际条件和具体需要，本系统采用PLC S7-200和计算机作为主要元件，温度自动控制实验箱、Pt100，RS485/RS232转换接口、电加热炉等作为辅助器材；同时选用功能强

2、大、工业成本低、人机对话功能强的Visual Basic 6.0作为上位机的编程软件。本设计主要实现温度数据地实时采集、控制以及对温度信号变化做出实时处理，最终达到对Pt100传感器的温度进行实时控制的目的。具有处理能力强、人机交互效果好、性能稳定的特点。关键词 S7-200；温度自动控制实验箱；Visual Basic 6.0；PID调解器；双向可控硅Abstract This thesis introduces a kind of software system, using the Visual Basic 6.0 as the software ,which is based in t

3、he S7-200 PLC .It is able to control and regulate the electric furnace ,using the box of temperature experiment. The system software is used mainly the collecting of the Pt100s temperatuer datas in actual time and doing with the datas immediately with the PID regulating apparatus. At the same time i

4、t passes the datas to S7-200 PLC inorder to control the SCR in the box of temperature experiment so that it can also control the Pt100. According to the actual condition and the specific needs,this system uses the S7-200 PLC and the comperature as the chief element and chooses a box of temperature e

5、xperiment, a Pt100,a conversion interface of RS485 and RS232 and a electirc furnace as the supplementaries. At the same time ,because VB 6.0 function is strong ,the industrial cost is low and the effectiveness of man-machine interaction is excellent ,so we choose Visual Basic6.0 as the software in t

6、he computer. This systems purpose is to collect and control the temperature datas in actual time and do something with the changes immediately and at last can control the Pt100at once. It has the character of great manager ability and excellent effectiveness of man-machine interaction.Key Words S7-2

7、00 PLC;box of temperature experiment;Visual Basic 6.0 PID regulating apparatus;SCR引 言S7-200系列PLC是西门子SIMATIC PLC家族中的成员之一，在西门子工业控制领域应用中占有重要地位。SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化，在钢铁、化学、生物等行业具有很重要的理论意义和实际意义。就其理论意义而言，它可以研究被控对象的数学模型、特性，PID调节中个参量间的关系、规律，数字PID调解器的特性和系统性能分析。就其实际意义而言，计算机每次发送一个33字节长

8、的指令来实现一次读/写操作，经计算机实时地对温度值进行处理，同时能够输出电压从而控制双向可控硅对电加热炉通断电，来达到对温度进行实时控制的目的，并且直观地显示温度实时曲线。该系统自动化程度高、稳定性好、运行可靠。S7-200系列PLC体积小，软硬件功能强大，系统配置方便。第一种CPU221无扩展模块，不利于A/D与D/A的转换；后三种CPU均可最多有7个扩展模块，主要适合大型的控制对象。因此本设计结合实际条件及具体需要，选用最多两个扩展模块的CPU222，同时利用S7-200的自由口通信对温度自动控制实验箱进行温度实时控制，并进行温度曲线的直观显示。PLC与PC机的通信可选用多种软件编程，例如

9、功能比较强大的组态软件也是前辈们常常使用的一种上位机编程软件。但是一般价格比较昂贵，而且组态软件本身并不具备直接访问PLC寄存器或其它智能仪表的能力,必须借助I/O驱动程序来实现。Visual Bsic6.0相对而言具有成本较低、界面友好、开发简洁等优点，就比较方便快捷，而且目前在PC监控领域已经得到了广泛的应用。本系统中使用的就是VB6.0作为编程软件的。在随后的章节中，本文将重点讲述S7-200、CPU222及其扩展模块的连接、与计算机的通信以及数据的采集和控制，并介绍相关的电路设计，最后进行系统整体调试，得出结论。预期设想该系统软件能够及时显示Pt100的温度，进行数据处理后，决定电加热

10、炉是否通电，来改变Pt100的温度，从而实现温度的实时控制。本设计基于PLC开发的温度控制系统软件，由于经验与知识水平有限，在有些方面存在很多缺点与不足，敬请各位老师批评指正。 陈志娟2006年6月第1 章 总体设计方案与原理本设计采用VB6.0作为上位机编程软件，选用西门子PLC的S7-200中CPU222作为主站、EM277和EM235作为扩展模块，使用自由口通信来对与温度自动控制实验箱相连的温度传感器Pt100进行温度采集、数据处理、PID控制及数据输出，并对电加热炉进行通断电控制，从而达到温度实时控制的目的。其中下位机的Step7编程是由封装好的梯形图控制程序提供的，使用前必须首先进行

11、下载，然后进行串口连接。本系统软件使用COM2口，连接时选择COM2即可了。根据S7-200的工作原理需要，连接成功后，还要关闭Step7界面，再打开VB程序进行运行。VB6.0成本较低、界面友好、开发简洁、编程效率高、开发周期短；S7-200PLC是超小型化的PLC，而且功能强大。S7-200 PLC内部集成的PPI接口为用户提供了强大的通信功能，可在多种模式下工作：PPI、Profibus-DP、自由口方式等。其中自由口通信方式最具有特色，通信协议可完全由梯形图程序控制，通过它可以实现PLC与任何具有通信能力的设备进行互连，因而在本系统中选用自由口通信方式。在本设计中，我主要需要解决上位机

12、的编程与电路的连接，包括数据的采集、传输、接收、PID控制、数据的输出与显示以及电路的连接等问题。以下是该系统的主要原理图：其中S7-200的主站与扩展模块的连接见下图：温度箱实物图：第2章 系统的硬件简介2.1西门子PLC的概述在工业控制系统中，PLC作为一种稳定可靠的控制器已经得到了广泛的应用。而西门子（SIEMENS）公司的PLC产品在工业控制领域应用市场中有较高的占有率，该产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC

13、（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。1. SIMATICS7-200PLC S7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-200PLC可提供5个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用：CPU 221、CPU 222、CPU 224、CPU 224XP和CPU 226。本系统设计就选用了CPU222作为主站模块。2.SIMATICS7-300PLCS7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能

14、要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200PLC比较，S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等

15、等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7

16、等自动化控制系统。3.SIMATICS7-400PLCS7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。S7-400PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。4.工业通讯网络通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯，“SIMATICNET”是全部网络系列产品的总称，他们能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接口并

17、且相互之间完全兼容。5.人机界面（HMI）硬件 HMI硬件配合PLC使用，为用户提供数据、图形和事件显示，主要有文本操作面板TD200（可显示中文），OP3，OP7，OP17等；图形/文本操作面板OP27，OP37等，触摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。个人计算机（PC）也可以作为HMI硬件使用。HMI硬件需要经过软件（如ProTool）组态才能配合PLC使用。2.2 西门子S7-200的概述2.2.1 S7-200的简介S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成的电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而组成了一个功能强大的微型

18、PLC。 在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。S7-200主机介绍从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型可编程序控制器发展至今，大致经历了两代：第一代产品其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216。第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加扩展

19、模块。SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成。见下图所示：2.2.2 S7-200的安装S7-200既可以安装在控制柜背板上，也可以安装在标准导轨上；既可以水平安装，也可以垂直安装。安装方法及规则如下：（1）S7-200按照惯例，在安源装器件时，总是把产生高电压和高电子噪声设备与诸如S7-200这样的低压、逻辑型的设备分隔开。（2）在控制柜背板上安排S7-200时，应区分发热装置并把电子器件安排在控制柜中温度较低的区域内。电子器件在高温环境下工作会缩短其无故障时间。（3）要考虑控制柜背板的布线，避免将低压信号线和通讯电缆与交流供电线和高能量、开关频率很高的直流线路布置在一

20、个线槽中。（4）在安排S7-200设备时，应留出接线和连接通讯电缆的足够空间。当配置S7-200系统时，可以灵活地使用I/O扩展电缆。（5）S7-200设备的设计应当采用自然的对流散热方式，在器件的上方和下方都必须留有至少25mm的空间，以便于正常的散热。前面板与背板的板间距离也应保持至少75mm。1、 DIN导轨安装：具体安装见下图：2、背板安装：S7-200的CPU和扩展模块都有安装孔，可以很方便地安装在背板上。本设计就采用该背板安装法2.3 硬件配置及外围电路相关说明：1、硬件组成：（1）基本单元 （2）扩展单元 （3）特殊功能模块 （4）相关设备 2、CPU型号及各项参数：3、 主机及

21、I/O特性：S7-200 CPU为每个主机数字量输入提供了脉冲捕捉功能，它可以使主机能够捕捉小于一个扫描周期的短脉冲，并将其保持到主机读到这个信号，但前提是只有通过滤波器后，脉冲捕捉才有效。此外，在一个给定的扫描周期内如果有不只一个脉冲，则只有第一个脉冲可以被捕捉到，几种情况下的脉冲捕捉波形如下图所示。4、设置：在PC/PPI电缆上有DIP开关，可设置通讯的波特率，具体的设置方法如下：其中通讯参数的缺省设置：设置项设置值波特率9600bps数据位8位校验无校验停止位1位5、SIMATIC S7-200系列PLC数据类型 ：数据类型说明：寄存器名称寄存器名格式数据类型变量类型VVddddBYTE

22、,INT,UINT,LONG,FLOATI/O整数,I/O实数QQddddBYTEI/O整数,I/O实数IIddddBYTEI/O整数,I/O实数2.4 Pt100温度传感器简介Pt100工作原理及其主要技术参数Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值对应关系为：（1）-200t0时，RPt100=1001+At+Bt2+Ct3（t-100） （1）（2）0t850时，RPt100=100（1+At+Bt2） （2）式中，A=3.9080210-3；B=-5.8010-7；C=4.273510-12。Pt100温度传感器的主要技术参数如

23、下：测量范围：-200+850；允许偏差值：A级（0.150.002t）， B级（0.300.005t）；热响应时间=Answerlen等待应答帧 Dotag1=Commfrm.MSComm1.Input LoopUntillCommfrm.MSComm1.InbufferCount=0读完应答帧3、 VB应用程序利用DDE技术与本节点其它Windows应用程序进行数据交换。DDE（Dynamic Data Exchange）即动态数据交换，它是Windows支持的三种内部通信机制之一，是应用程序间通过共享内存进行进程间通信的一种形式。应用程序间进行数据交换称为会话（Conversation）

24、，申请会话端叫客户（Client），响应申请端叫服务器（Server）。一旦客户与服务器间建立起DDE所需的数据链路就可自动进行数据交换。在监控系统开发中，工控组态软件以其功能强大、使用方便等特点得到广泛应用，但在处理复杂数据时其计算功能受到一定限制，而VB可以较好地弥补这一不足，并且还能承担数据采集、报表打印等功能。这就需要在VB应用程序与组态软件应用程序间进行动态数据交换。VB中只有TextBox、PictureBox、Label和Form可以与其它应用程序进行动态数据交换，控件用于DDE的属性项有LinkTopic（连接主题）、LinkItem（连接项）、LinkMode（连接模式）和L

25、inkTimeout（连接等待时间）。4、 主程序界面显示3.6 PID控制3.6.1 PID控制简介目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统

26、的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的P

27、LC-5等。还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。1、 开环控制系统开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。2、 闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈。3、 阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要