毕业设计（论文）基于PLC的温度控制系统设计

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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于PLC的温度控制系统设计学生姓名：学 号：专 业：自动化班 级：自06-3班指导教师：内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)基于PLC的温度控制系统设计摘要温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。一般来说,单片机在数据采集、数据处理等方面占据优势,其通用性和适应性较强。 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, 而PLC在这方面却是公认的最佳选

2、择。加热炉温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。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。本设计是用电烤箱来模拟加热炉，利用西门子S7-200 PLC控制电烤箱温度的控制系统。首先介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了西门子S7-200 PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。关键词：西门子S7-200 PLC、EM235、PID、温度传感器、固态继电器PLC-based temperature control system designAbstractTemperature

3、control system has been widely used in the industry controlled field, as the temperature control system of boilers and welding machines in steel works、chemical plant、heat-engine plant etc. Heating-stove temperature control has also been applied wildly in all kinds of fields. In general, the MCU take

4、s advantage of their strong versatility and adaptability in data collection, data processing and so on. Yet the hardware and software design of DDC system controlled by MCU is somewhat complicated, its not an advantage especially related to logic control, however it is accepted as the best choice wh

5、en mentioned to PLC. The furnace temperature of heating-stove is a large inertia system, so generally using PID adjusting to control. With the expanding of PLC function, the control function in many PLC controllers has been expanded. Therefore it is more reasonable to apply PLC controlling in the ap

6、plicable fields where logical control and PID control blend together. The design is to come to simulate Heating-stove, using Siemens S7-200 PLC to control the electric oven temperature control system. In the first place this paper presents the working principles of the temperature control system and

7、 the elements of this system. Then it introduces Siemens S7-200 PLC and the specific design procedures of the hardware and the software.Key words：Siemens S7-200 PLC、EM235、PID、temperature pickup、solid state relay 目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 系统设计背景11.2 系统工作原理11.3 技术综述2第二章 系统设计32.1 闭环控制系统特点32.2 PID控制原理32

8、.2.1 PID控制器基本概念32.2.2 PID控制器的参数整定42.3 S7-200 PLC在PID闭环控制系统中的应用62.3.1 PLC实现PID控制的方式72.3.2 PLC的PID控制器的实现72.3.3 PID指令及其回路表102.4 系统组成11第三章 硬件设计123.1 PLC基本概述123.2 PLC的组成及功能133.3 PLC的工作方式与运行框图163.4 PLC的工作过程183.5 S7-200 PLC简介193.5.1 S7-200 PLC组成原理及技术指标193.5.2 CPU224及EM235203.5.3 S7-200网络213.6 固态继电器223.7 温度

9、传感器27第四章 软件设计294.1 S7-200 CPU的PID控制294.1.1 PID算法在S7-200中的实现294.1.2 PID控制器的调试304.2 PID Wizard - PID 向导314.3 系统程序流程图404.4 变量分配表414.5 温控曲线41结束语44参考文献45附录46致谢49III第一章 绪论1.1 系统设计背景近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金机械食品化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉热处理炉反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行

10、检测和监控。由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，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普遍性意义。本课题类型属于工程设计型题目，用电烤箱来模拟加热炉，通过本设计可以熟悉并掌握西门子S7-200 PLC的原理与功能以及它的编程语言，以自

11、动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制的问题。1.2 系统工作原理电烤箱温度控制系统基本构成如图1.1所示，它由PLC主控系统、固态继电器、温度传感器、电烤箱等4个部分组成。图1.1 电烤箱温度控制系统方框图电烤箱温度控制实现过程是:首先温度传感器将电烤箱的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-200 PLC可识别的数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使电烤箱开始加热或停止加热，既电烤箱温度控制得到实现。其中PLC主控系统为电

12、烤箱温度控制系统的核心部分起着重要作用。1.3 技术综述自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国的技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国

13、在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。温度控制系统大致可分别用3种方式实现，一种是用仪器仪表来控制温度，这种方法控制的精度不高。另一种是基于单片机进行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, 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P

14、LC控制器中都扩充了PID控制功能。因此本设计选用西门子S7-200 PLC来控制电烤箱的温度。本章小结：本章从总体上介绍了本设计的设计背景以及系统的工作原理，并且简单介绍了目前国内外本领域的技术水平。第二章 系统设计2.1 闭环控制系统特点控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统。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,不依赖将被控制量反送回来以形成任何闭环回路。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

15、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。一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。可见，闭环控制系统性能远优于开环控制系统。2.2 PID控制原理2.2.1 PID控制器基本概念在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数选定比较简单，调整方便等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞

16、后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（如可为PI调节，PD调节等）。长期以来，PID控制器被广大科技人员及现场操作人员所采用，并积累了大量的经验。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。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。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

17、适合采用PID控制技术。（1）比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。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。（2）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”。积分项对误差的运算取决于时间的积分，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，采用比例+积分(PI)控制器,可以使系统在

18、进入稳态后无稳态误差。（3）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的惯性组件或有滞后组件，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，从而避免被控量的严重超调。

19、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。2.2.2 PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性，确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有如下两大类：一是理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定法。它主要依赖于工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，

20、主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后的调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。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。PID控制器的数字化增量式数字PID控制算式为：(2-1)其中，, ,T为采样周期。比例调节器对于偏差是及时反应的

21、，一旦偏差产生，调节器立即产生控制作用，使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。比例调节器虽然简单快速，但是对于具有自平衡性的控制对象存在静差。加大比例系数可以减小静差，但过大的比例系数可能导致系统动荡而处于闭环不稳定状态。为了消除比例调节器中的残存的静差，可以在比例调节的基础上加入积分调节。积分时间大，则积分作用弱，反之积分作用强。积分时间越大，消除静差越慢，但可以减小超调，提高系统的稳定性。但它的不足之处在于积分作用存在滞后特性，积分控制作用太强会使控制的动态性能变差，以至于使系统不稳定。 加入积分调节环节，虽然减小了静差，但是降低了系统的响应速度。加入微分环节，能敏

22、感出误差的变化趋势，将有助于减小超调，克服系统震荡，使系统趋于稳定，能改善系统的动态性能。它的缺点是对干扰同样敏感，使系统抑制干扰的能力降低。根据不同的控制对象适当地整定PID的三个参数，可以获得比较满意的控制效果。实践证明，这种参数整定的过程，实际上是对比例、积分、微分三部分控制作用的折衷。但是，PID本质上是一种线性控制器，并且上面讨论时是忽略了纯滞后时间的，实际系统中，如果（是纯滞后时间，是系统总的惯性时间常数），用PID控制器的效果就不理想了。而实际工业对象具有较大的惯性和纯滞后特性，以及其动力学系统的内部不确定性和外部干扰的不确定性，所有这些都给PID控制带来了困难和复杂性。一般来说

23、，要获得满意的控制性能，单纯采用线性控制方式还是不够的，还必须引进一些非线性控制方式，采取灵活有效的手段，如变增益、智能积分、智能采样等多种途径，主要依靠专家经验、启发式直观判断、直觉推理等智能控制方法，有利于解决系统控制中的稳定性和准确性的矛盾。可以说智能PID赋予传统PID以新的生命。PID控制器的主要优点PID控制器成为应用最广泛的控制器，它具有以下优点：（1）PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在、将来的主要信息，而且其配置几乎最优。其中，比例（P）代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速。积分（I）代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统的静态特性。微分（D）在信号变

24、化时有超前控制作用，代表将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。此三种作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、准确，收到良好的效果。（2）PID控制适应性好，有较强的鲁棒性，对各种工业应用场合，都可在不同的程度上应用。特别适于“一阶惯性环节+纯滞后”和“二阶惯性环节+纯滞后”的过程控制对象。（3）PID算法简单明了，各个控制参数相对较为独立，参数的选定较为简单，形成了完整的设计和参数调整方法，很容易为工程技术人员所掌握。 （4）PID控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一系列改进的PID算法。例如，为了克服微分

25、带来的高频干扰的滤波PID控制，为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制，为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等。这些改进算法在一些应用场合取得了很好的效果。同时当今智能控制理论的发展，又形成了许多智能PID控制方法。2.3 S7-200 PLC在PID闭环控制系统中的应用在工业生产中,常需要用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量,无论是使用模拟量控制器的模拟控制系统还是使用计算机(包括PLC) 的数字控制系统,PID控制都得到了广泛应用。PID控制器是比例积分微分控制( Proportional Integral Derivative) 的简称,其优点是不需要精

26、确的控制系统数学模型,有较强的灵活性和适应性,而且PID控制器的结构典型、程序设计简单、工程上易于实现、参数调整方便。为了实现对现场生产过程的精确控制,PLC闭环控制系统在工业生产中正得到越来越广泛的应用,下面以西门子公司S7-200 PLC为例介绍PLC在PID闭环控制系统中的应用。2.3.1 PLC实现PID控制的方式用PLC对模拟量进行PID控制大致有如下几种方法：(1)使用PID过程控制模块:这种模块的PID控制程序是PLC厂家设计的,并放在模块中,用户使用时只需要设置一些参数,使用起来非常方便。(2)使用PID功能指令:它是用于PID控制的子程序,与模拟量输入/输出模块一起使用,可以

27、得到类似于使用PID过程控制的效果,但价格便宜得多。如S7-200的PID指令。(3)用自编的程序实现PID闭环控制:在没有PID过程控制模块和功能指令的情况下,仍希望采用某种改进的PID控制算法,此时用户需要自己编制PID控制程序。下面以西门子S7-200 PLC为例,说明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的实现。2.3.2 PLC的PID控制器的实现(1)PID控制器的数字化PLC的PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础,将其数字化,写成离散形式的PID方程,再根据离散方程进行控制程序的设计。在连续系统中,典型的PID闭环控制系统如图2.1。sp(t)是给定

28、值; pv(t)为反馈量;c(t)为系统的输出量, PID控制器的输入/输出关系如式(2-2)所示: (2-2)式中:M(t)为控制器输出; Mo为输出的初始值;e(t)=sp(t)-pv(t)为误差信号; KC为比例系数; TI为积分时间常数, TD为微分时间常数。等号右边前三项分别是比例、积分、微分部分,它们分别与误差、误差的积分和微分成正比。如果取其中的1 项或2 项,可以组成P ,PD或PI控制器。图2.1 连续闭环控制系统方框图假设采样周期为TS , 系统开始运行的时刻为t =0 ,用矩形积分来近似精确积分, 用差分近似精确微分,将式1离散化, 第n次采样时控制器的输出如式(2-3)

29、所示: (2-3)式中: en- 1 为第n - 1 次采样时的误差值；KI 为积分系数；KD 为微分系数。基于PLC的闭环控制系统如图2.2所示,图中虚线部分在PLC 内, spn ,pvn , en , Mn 分别为模拟量sp(t) ,pv(t) ,e(t),M(t)在第n次采样的数字量。在许多控制系统中,可能只需要P,I,D中的1种或者2种控制类型。例如,可能只要求比例控制或比例与积分控制,通过设置参数可对回路控制类型进行选择。图2.2 PLC闭环控制系统方框图(2)输入输出变量的转换PID控制有输入量2个：给定值sp和过程变量pv。给定值通常是固定值,过程变量通常是经过A/D转换和计算

30、后得到的被控量的实测值。给定值和过程变量都是和被控对象有关的值,对于不同的系统,它们的大小、范围与工程单位有很大的不同。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前,必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。同样,对于PID指令的输出,在将其送给D/A转换器之前,也需要进行转换。a.回路输入的转换首先,将给定值或A/D转换后得到的整数值由16位整数转换为浮点数,可以用下面的程序实现这种转换:XORD AC0 , AC0 / / 清除累加器MOVW AIW0 ,AC0 / / 将待转换的模拟量存入累加器LDW = AC0 ,0 / / 如果模拟数值为正JMP 0 / / 直接转换成实数NOT / /

31、反之ORD 16 # FFFF0000 ,AC0/ / 将AC0 内的数值进行符号扩展,扩展为32 位负数LBL 0DTR AC0 ,AC0 / / 将32 位整数转换成实数然后,将实数进一步转换成0. 01. 0之间的标准数,可用式(2-4)对给定值及过程变量进行标准化: (2-4)式中: RNorm为标准化实数值;RRaw为标准化前的值;Offset为偏移量,对单极性变量为0.0 ,对双极性变量为0.5;Span为取值范围,等于变量的最大值减去最小值,单极性变量的典型值为32 000,双极性变量的典型值为64 000。下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性数(其中span = 64

32、000)转换为0.01.0之间的实数的转换程序为:/ R 64000.0 ,AC0 / / 将累加器中的实数标准化+ R 0.5 ,AC0 / / 加上偏移值,使其在0. 01. 0 之间MOVR AC0 ,VD100 / / 将标准化后的值存入回路表内b.回路输出的转换回路输出即PID控制器的输出, 它是标准化的0.01.0之间的实数。将回路输出送给D/A转换器之前,必须转换成16位二进制数,这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。用下面的式(2-5)将回路输出转换为实数: (2-5)式中, Rscal是回路输出对应的实数值;Mn是回路输出标准化的实数值。将回路输出转换为对应的实数的

33、程序为:MOVR VD108 ,AC0 / / 将回路输出送入累加器- R 0.5 ,AC0 / / 仅双极性数才有此语句* R 64000.0 ,AC0 / / 单极性变量应乘以32 000. 0将代表回路输出的实数转化为16位整数的指令为:ROUND AC0 ,AC0 / / 将实数转化为32 位整数MOVW AC0 ,AQW0/ / 将16 位整数写入模拟输出(D/A)寄存器2.3.3 PID指令及其回路表S7-200 PLC的PID指令如图2.3所示。指令中TBL是回路表的起始地址,LOOP是回路编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围,CPU将生成编译错误(范围错误)

34、 ,引起编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查,应保证过程变量、给定值等不超限。回路表如表2.1所示：图2.3 PID指令表2.1 PID回路表偏移地址变量格式类型描述0过程变量PVn双字节数输入应在0.01.0之间4给定值SPn双字节数输入应在0.01.0之间8输出值Mn双字节数输入/输出应在0.01.0之间12增益Kc双字节数输入比例常数,可正可负16采样时间Ts双字节数输入单位为s,必须为正数20积分时间Ti双字节数输入单位为min,正数24微分时间Td双字节数输入单位为min,正数28上一次积分值双字节数输入/输出应在0.01.0之间32上一次过程变量双字节数输入/输

35、出最后一次运算过程变量值过程变量与给定值是PID运算的输入值,在回路表中他们只能被PID指令读取而不能改写。每次完成PID运算后,都要更新回路表内的输入值Mn ,它被限制在0.01.0之间。如果PID指令中的算术运算发生错误,特殊存储器位SM 1.1 (溢出或非法数值) 被置为1,并将中止PID指令的执行,想要消除这种错误,在下一次执行PID运算之前,应改变引起运算错误的输入值,而不是更新输出值。2.4 系统组成本系统结构框图如图2.4所示上位机S7-200 PLC 控制器温度传感器固态继电器电烤箱图2.4 系统结构框图由图2.4可知，温度传感器采集到数据后送给S7-200 PLC，S7-20

36、0 PLC通过运算后给固态继电器一个控制信号从而控制电烤箱的导通与否。上位机是编写PLC程序以及监控温度的变化。本章小结：本章简单介绍了系统的总体设计以及支持该系统的理论依据。重点阐述PLC实现PID控制的3种常用方式,分析闭环控制系统中PID数字控制器的原理,结合西门子S7-200 PLC详细介绍PID指令使用和输入/输出变量转换的方法,为S7-200 PLC 在PID闭环控制系统中的应用提供一整套解决方案。第三章 硬件设计随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求做出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、高质量的产

37、品。为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器（Programmable Logic Controller）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置。本章主要介绍西门子S7-200系列PLC以及其它硬件的选型。3.1 PLC基本概述(1)PLC的定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术操作等面向用户的指令，并通过数字化或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。(2)PLC的特点现代工业生产是复杂多样的

38、，它们对控制的要求也各不相同。可编程控制器由于具有以下的特点而深受工厂工程技术人员和工人欢迎。a.可靠性高，抗干扰能力强：PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。S7-200有极强的故障诊断能力。PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被公认为最可靠的工业控制设备之一。b.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、

39、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。c.编程方法简单易学：梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。d.系统的设计、安装、调试工作量少：PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种设计方法很有规律，容易掌握。可以

40、在实验室模拟调试PLC的用户程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少的多。e.功能强，性能价格比高：一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。f.维修工作量小，维修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。g.体积小，能耗低：对

41、于复杂的控制系统，使用PLC后，由于减少了大量的中间继电器和时间继电器，开关柜的体积比继电器控制系统小的多。由于具有上述特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。3.2 PLC的组成及功能(1)PLC的基本组成PLC实质上一种工业控制计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言，故PLC与计算机的组成十分相似。从硬件结构看，它也有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等，如图3.1所示。电源输出接口输入接口中央处理器来自用户设备 至用户设备存储器编程器外围接口图3.1 PLC的

42、基本组成(2)PLC各组成部分的作用a.中央处理器（CPU）与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作，其主要任务有：控制从编辑器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像存储器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出影响存储器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。b.存储器PLC的存储器包

43、括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分。第一部分为系统管理程序，它主要控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。第二部分为用户指令解释程序。通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。第三部分为标准程序模块与系统调用。它包括许多不同的功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这

44、部分程序的多少决定了PLC性能的强弱。用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM（有掉电保护）、EPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户功能存储器是用来存放（记忆）用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等，它构成PLC的各种内部器件，也称“软元件”。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少，是反映PLC性能的重要指标之一。c.输入/输出接口输入/输出接口是PLC与外界连接的

45、接口。输入接口用来接收和采集两种类型的出入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。d.电源小型整体式可编程控制器内部有一个开关式稳压电源。此电源一方面可为CPU板、I/O板及扩展单元提供工作电源（5VDC），另一方面可为外部输入元件提供24VDC。e.扩展接口扩展接口用于将扩展电源与基本单元相连,使PLC的配置更加灵活。f.通信接口为了实现“人-机”或“机-机”之间

46、的对话，PLC配置多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机、其它的PLC或计算机相连。g.智能I/O接口为了满足更加复杂的控制功能的需要，PLC配有多种智能I/O接口。h.编程器它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。i.其它部件PLC还可配有盒式磁带机、EPROM写入器、存储器卡等其它外部设备。3.3 PLC的工作方式与运行框图PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。执

47、行用户程序时，需要各种现场信息，这些现场信息已接到PLC的输入端。PLC采集现场信息即采集输入信号有两种方式：集中采样输入方式。一般在扫描周期的开始或结束将所有输入信号采集并存放到输入映像寄存器中。执行用户程序所需输入状态均在输入映像寄存器中取用，而不直接到输入端或输入模块去取用。立即输入方式。随程序的执行需要哪一个输入信号就直接从输入端或输入模块取用这个输入状态，如“立即输入指令”就是这样，此时输入映像寄存器的内容不变，到下一次集中采样输入时才变化。同样，PLC对外部的输出控制也有集中输出和立即输出两种方式。PLC工作的全过程可用如图3.2运行框图来表示。整个运行可分为三部分：第一部分是上电

48、处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其它初始化处理等。第二部分是扫描过程。PLC上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其它外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，在转入执行自诊断检查。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄

49、存器中回存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。图3.2 PLC运行框图3.4 PLC的工作过程当PLC处于正常工作时，它将不断重复图中的扫描过程，不断循环扫描的工作下去。分析上述扫描过程，如果我们对远程I/O特殊模块和其它通信服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”、“输出刷新”三阶段了。下面就对这三阶段进行详细的分析，并用图3.3表示。图3.3 PLC扫描工作过程输入采样阶段。PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在程序执行阶段

50、和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。程序执行阶段。根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC按先左后右、先上后下的步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。但指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件的状态会随着程序执行过程而变化。输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，元件映像寄存

51、器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。3.5 S7-200 PLC简介3.5.1 S7-200 PLC组成原理及技术指标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。S7-200 PLC包含了一个单独的S7-200 CPU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。S7-200 PLC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

52、-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7个扩展模块，最

53、大扩展至248点数字量I/O点或35路模拟量I/O。S7-200系列PLC四种CPU的外部结构大体相同。状态指示灯LED显示CPU所处的工作状态指示。存储卡接口可以扦入存储卡。通讯接口可以连接RS-485总线的通讯电缆。顶部端子盖下边为输出端子和PLC供电电源端子。输出端子的运行状态可以由顶部端子盖下方一排指示灯显示，ON状态对应的指示灯亮。底部端子盖下边为输入端子和传感器电源端子。输入端子的运行状态可以由底部端子盖上方一排指示灯显示，ON状态对应的指示灯亮。前盖下面有运行、停止开关和接口模块插座。将开关拨向停止位置时，可编程序控制器处于停止状态，此时可以对其编写程序。将开关拨向运行位置时，可

54、编程序控制器处于运行状态，此时不能对其编写程序。将开关拨向监控状态，可以运行程序，同时还可以监视程序运行的状态。接口插座用于连接扩展模块实现I/O扩展。3.5.2 CPU224及EM235(1)CPU224的技术指标CPU224本机集成了14点输入10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点。CPU224有13K字节程序和数据存贮空间，6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有1个RS-485通讯编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的

55、小型控制器。CPU224的接线a.DC输入DC输出：DC输入端由1M、0.00.7为第1组，2M、1.01.5为第2组，1M、2M分别为各组的公共端。24V DC的负极接公共端1M或2M。输入开关的端接到24V DC的正极，输入开关的另端连接到CPU224各输入端。DC输出端由1M、1+、0.00.4为第1组，2M、2+、0.51.1为第2组组成。1L+、2L+分别为公共端。第1组24V DC的负极接1M端，正极接1L+端。输出负载的端接到1M端，输出负载的另端接到CPU224各输出端。第2组的接线与第1组相似。b.DC输入继电器输出：DC输入端与CPU224的DC输入DC输出相同。继电器输出

56、端由3组构成，其中N(-)、1L、0.00.3为第1组，N(-)、2L、0.40.6为第2组，N(-)、3L、0.71.1为第3组。各组的公共端为1L、2L和3L。第1组负载电源的一端N接负载的N(-)端，电源的另外一端L(+)接继电器输出端的1L端。负载的另一端分别接到CPU224各个继电器输出端子。第2组、第3组的接线与第1组相似。图3.4 CPU224接线图(2)模拟量混合模块EM235EM235具有4路模拟量输入和1路模拟量输出。它的输入信号可以是不同量程的电压或电流。其电压、电流的量程是由开关SW1、SW2到SW6设定。EM235有1路模拟量输出，其输出可以是电压也可以是电流。图3.

57、5 EM235接线图3.5.3 S7-200网络S7-200 PLC可以插入CP 243-2通讯处理器构成AS-I主站，进一步扩大I/O点数。S7-200 PLC也可以插入EM227模块构成MPI的从站，成为MPI网络的一员，或者构成PROFIBUS-DP从站成为DP网络的员。还可以利用内部集成的PPI接口进行PPI方式、自由口方式组成通讯网络。(1)网络主站与从站在通讯网络中，上位机、编程器和各个可编程序控制器都是整个网点的一个成员，或者说它们在网络中都是一个节点。每个节点都被分配有各自的节点地址。在网络通讯中，可以用节点地址去区分各个设备。但是，这些设备在整个网络中所起的作用并不完全相同。

58、有的设备如上位PC机、PG编程器等设备可以读取其它节点的数据，也可以向其它节点写入数据，还可以对其它节点进行初始化。这类设备掌握了通讯的主动权，叫主站。还有些设备比如S7-200系列PLC，在有些通讯中它可以做主站使用。但是，有另一些通讯网络中，它只能让主站读取数据，让主站写入数据。而不能读取其它设备的数据，也无权向其它设备写入数据，这类设备在这种通讯网络中是被动的，把这类设备叫从站。根据网络的结构不同，在个网络中的主站和从站数量也不完全相同。般情况总是把PC机和编程器作为主站。网络也有单主站和多主站之分。单主站就是个主站连到多个从站构成网络。多主站就是由多个主站和多个从站构成网络。(2)网络

59、协议S7-200 CPU支持多种通讯协议。使用S7-200 CPU，可以支持一个或多个以下协议：第一种是点到点(Point-to-point)接口即PPI方式。第二种是多点(Multi-Point)接口即MPI方式。第三种是过程现场总线PROFIBUS即PROFIBUS-DP方式。第四种是用户自定义协议即自由口方式。3.6 固态继电器固态继电器（Solid State Relay,缩写SSR）,是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。对于控制电压固定的控制信号，采用阻性输入

60、电路。控制电流保证再大于5mA。对于大的变化范围的控制信号（如3-32V）则采用恒流电路，保证在整个电压变化范围内电流在大于5mA可靠工作。隔离驱动电路：隔离电路采用光-电耦合和高频变压器耦合（磁电耦合），光电耦合通常使用光电二极管光电三极管，光电二极管双向光控可控硅，光伏电池，实现控制侧与负载侧隔离控制。高频变压器耦合是利用输入的控制信号产生的自激高频信号经耦合到次级，经检波整流，逻辑电路处理形成驱动信号。SSR的功率开关直接接入电源与负载端，实现对负载电源的通断切换。主要使用有大功率晶体三极管（开关管-Transistor）,单向可控硅（Thyristor或SCR），双向可控硅（Triac

61、）,功率场效应管（MOSFET）,绝缘栅型双极晶体管（IGBT）.固态继电器可以方便的与TTL,MOS逻辑电路连接。专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。目前已广泛应用于计算机外围接口设备，调温、调速、

62、调光、电机控制、电炉加温控制、电力石化、医疗器械、金融设备、煤碳、仪器仪表、交通信号等领域。(1)固态继电器的组成固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。(2)固态继电器的工作固态继电器是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。SSR的结构示意图如图3.6所示,通常为四端组件: 2个输入端和2个输出端;基本组成可分为3部分: PC、触发电路和输出开关(BCR) 。图3.6 SSR基本原理示意图SSR的工作原理为:当输入端、接收到控制信号,使二极管(LED)发光,经光敏管耦合启动触发电路工作,使可控硅(BCR)导通。SSR的输入端和输出端之间是相互绝缘的,内部有吸收电路可防止