基于PLC的太阳能水温控制装置软件.docx
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基于PLC的太阳能水温控制装置软件
基于PLC的太阳能水温控制装置软件
华南农业大学珠江学院
毕业论文（设计）
基于PLC的太阳能水温控制装置
（软件设计）
指导教师：
系：
信息工程系年级专业：
提交日期：
答辩日期：
答辩委员会主席（签名）：
评阅人（签名）：
年月日
摘要
太阳能是一种清洁能源，太阳能热水器在生活中越来越受欢迎，也是我国太阳能利用装置中应用最广泛、产业发展最迅速的太阳能产品。
可编程控制器（PLC），具有自动化程度高、实时性好、I/O口模块丰富、运行稳定、精度高、容易控制等特点，在工业自动化中经常用到。
本设计是基于日本三菱公司PLC（FX2N-32MR）的太阳能水温控制，设计中给出了设计方案和相对应的模块处理，有温度控制，液位控制等模块的硬件设计分析方案、软件设计方案、组态联合设计方案等。
采用GXDeveloper进行软件设计，如温度液位PID算法的分析，运用组态王KingView6.55与PLC等硬件进行联合，通过组态的界面进行仿真和监控。
关键词：
PLC；温度控制；液位控制；PID；组态
Abstract
Solarenergyisacleanenergy,thewaterheaterbythesolarisbecomemoreandmorepopularinourlife,itisalsomostwidelyusedinourcountrythatsolarenergyutilization,andtheindustryofdevelopthesolarenergyproductsisbecomemorerapid.Programmablelogiccontronller（PLC）,hasthecharacteristicsofhighdegreeofautomation,goodreal-timeperformance,I/Oportmoduleisrich,stableoperation,highprecision,easytocontrol,oftenusedinindustrialautomation.
ThisdesignistheMitsubishiCoofJapanbasedeonPLC（FX2N-32MR）solarwatertemperaturecontrol.thedesignschemeisgivenandthecorrespondingprocessingmodule,temperaturecontrol,analysisscheme,sofewaredesign,configurationanddesignschemeofhardwaredesignlevelcontrolmodule.UsingGXDevelopertodesignsofeware,suchastemperaturelevelanalysisofPIDalgorithm.usingtheKingView6.55configurationsofewareandharewaresuchasPLCjoint,simulationandmonitoringthroughtheconfigurationinterface.
Keywords:
PLC;temperaturecontrol;levelcontrol;PID;configuration
设计说明
本毕业设计是基于PLC的太阳能水温控制装置系统的设计。
根据设计任务书的要求，设计对一台经济简便的小型的太阳能水温控制装置，编制可以用于本科生《自动控制原理》、《检测技术》和《过程控制》等课程的检测、建模或简单控制系统实验的PLC梯形图测控、通信软件以及上位机的组态王显示软件。
本设计主要有两大部分，分别为硬件部分和软件部分。
本人负责PLC梯形图测控和上位机的组态王软件显示。
本设计的主要内容：
基于PLC的液位控制系统，能够控制水位容器的液位高度在某个允许的温度误差里波动并维持一开始设定的液位高度。
具体内容：
（1）熟悉GXDeveloper的操作与运用，进行梯形图的设计；
（2）熟悉组态王6.53的基本要求，进行界面模型的建立；
（3）组态王与PLC之间的通信连接；
（4）进行实验系统软件部分的调试；
（5）配合硬件的整体联合调试。
关键词：
PLC梯形图测控；组态王软件显示；GXDeveloper；梯形图的设计
1前言1
2太阳能热水器介绍3
3PLC与组态4
3.1可编程控制器（PLC）简介4
3.1.1PLC的特点4
3.1.2PLC的结构4
3.1.3PLC的原理6
3.2组态6
3.2.1组态简介6
3.2.2组态的特点与功能7
3.2.3组态的系统成员构成7
3.3I/O口的分配图及其接线图7
4温度控制和液位控制的软件设计10
4.1GXDeveloper编程软件10
4.1.1GXDeveloper的特点10
4.1.2GxDeveloper的安装11
4.2温度控制软件设计11
4.2.1温度控制的基本功能12
4.2.2温度控制的算法12
4.2.3软件设计语言13
4.3液位控制软件设计19
4.3.1液位控制软件设计的基本功能19
4.3.2液位控制设计语言19
5组态设计20
5.1组态软件20
5.2组态王的概述20
5.3组态王的特点21
5.4立应用工程的步骤22
5.5建立工程22
5.6定义硬件设备23
5.7构造数据库26
5.8图形界面的设计27
5.9创建动画链接29
5.10运行组态30
6系统调试31
6.1硬件调试31
6.2软件调试32
6.3软硬联合调试32
6.3.1AD模块模拟量与数字量的转换33
6.3.2PID调试34
7结论36
参考文献37
致谢38
附录39
附录A程序总体设计图39
附录B组态水温控制图42
附录C水温控制实物图43
1前言
随着中国经济的快速发展，人们的生活质量在不断提升，对能源的需求越来越大。
然而当前的常规能源日趋紧缺，并且价格不断攀升。
太阳能作为无污染可再生能源，它的利用越来越受到重视，太阳集热工程以其独特的节能及环保优势越来越广泛地被人们所认可。
太阳能热水器是我国太阳能利用装置中应用最广泛、产业发展最迅速的太阳能产品。
可编逻辑程序控制器（ProgrammableLogicController）,简称PLC。
在科技高度发展的工业控制上，是一种在集电路和计算机技术基础上的一种新型的控制设备。
因具有可靠性高、实时性好、配置灵活、I/O模块丰富、安装便利的特点，目前在我国已广泛地应用于自动化控制的各个领域[1]。
可编程控制器的产生和继电器—接触器控制系统有很大的关系。
继电器—接触器控制已经有上百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的优点。
对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常实用，至今仍有广泛的用途。
但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。
1969年，第一台可编程控制器PDP—14由美国数字设备公司（DEC）制作成功，并在GM公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域内产生了历史性革命。
PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。
PLC进入九十年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领。
国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAC/CAM）种跃居首位。
我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、美国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等[2]。
国内太阳能热水器配套的控制器一直处于研究和开发阶段，市场出现的一些太阳能热水器配套的控制的性能还不是很稳定，容易产生误操作，在温度、水位检测、控制误差大、显示器有时会出现乱码、电辅助加热装置还不能够很好的配合及太阳能利用率低等[3]。
国外相对于国内太阳能热水器方面的研究和推广应用一直比较活跃，对热管材料、应用软件等做了比较多的技术研究，比较相对成熟的加热温度控制装备。
在工业生产中经常需要高稳定度的恒温环境,传统的模拟式仪表温度控制,以简单的PID来实现,此类仪表对环境条件和控制参数较敏感,较难达到理想的波动度,即使能达到要求的波动度时,也需要较长的过渡时间。
常规的PID调节具有结构简单,稳定性好,可靠性高,易于工程实现等优点,其主要问题是参数整定问题,一旦整定计算好后,在整个控制过程中都是固定不变的,而在实际系统中,由于系统状态和参数等发生变化,控制过程具有大滞后、非线性、时变性,采用常规PID控制较难获得最佳的控制效果。
PLC为核心的温度控制系统,采用了专家智能PID控制方法,利用专家系统知识库输出修正PID参数以及改变PID控制方式。
实践表明用PLC实现的智能PID控制,方法简单易行、适应性好、鲁棒性强。
本设计中采用三菱FX2N控制，组态王界面为控制界面；程序编写中主要的有针对PLC的A/D模块所采集的经过水箱温度进行判断，通过PID算法进行控制，采取太阳能加热；液位控制通过硬件不同水位的不同模拟信号进行，进行水位控制，再通过执行机器如水阀、电热棒辅助加热。
组态王与PLC链接，采用组态王的界面，形象的反应实际场景，通过数字字典定义，通过界面的动态数据形象的表示出来。
2太阳能热水器介绍
太阳能热水器的工作原理:
首先,太阳照射在真空集热管上,给集热器里边的水进行加热;接着集热器中的温度传感器T3与用户中的设定温度TN作比较,若存在偏差,就在热水箱控制,继续用电热棒加热,在通过热水箱的温度传感器T1来控制,最终达到用户的设定温度[4]。
如图2.1系统控制原理所示。
图2.1系统控制原理
注释:
①T1:
热水箱的温度传感器②T2:
循环水管中的温度传感器③F1:
冷水阀④F3:
热水阀
3PLC与组态
3.1可编程控制器（PLC）简介
可编程控制器（ProgrammableLogicController,简称PLC,是一种在工业环境中经常用到的数字运算操作的电子系统，是在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。
它具有可以编程的存储器，能在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、运动控制、计数、定时、步进控制、模/数和数/模转换和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
3.1.1PLC的特点
PLC的抗扰能力强、可靠性能高。
PLC主要模块都使用大规模或超大规模集成电路，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很强的抗干扰能力和很高的可靠性。
PLC的控制能力强。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
PLC的配置灵活。
PLC在需要扩展中心单元的I/O口，可以随意的连接中心基本单元与扩展单元对系统进行扩展。
模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，如三菱公司的FX2N系列推出了不同点数的扩展单元和扩展模块、不同功能的特殊模块及各种软元件[5]。
体积小，重量轻，能耗低，以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
3.1.2PLC的结构
PLC由中央处理器（CPU）、存储器（memory）、输入输出（I/O）接口以及电源等组成的。
这里以三菱公司EX2N系列的PLC为例，如图3.1所示。
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
存储器（memory）有RAM（RandomAssessMemory）、EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）、EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）等类型。
具有存储读写的作用，存储器中的一位有两种状态：
0和1，通常0代表继电器失电，1代表继电器得电。
输入输出（I/O）接口是与外部控制电路联络的主要通道，采用了光电隔离、滤波等抗干扰措施，根据各种型号的输入输出接口模块，分为直流信号输入输出、交流信号输入输出；或者是数字量输入输出、模拟量输入输出[6]。
编程电缆
电源指示灯/运行指示灯/电池指示灯/出错指示灯
扩展端口
输出端
输入端
图3.1PLC的外形
3.1.3PLC的原理
常用的PLC可以等效成三个相对独立的电路：
输入部分电路、逻辑部分电路、输出部分电路[7]。
PLC采用了一种扫描技术的运行方式，PLC除了正常的内部系统初始化及自诊断检查等工作外，完成一梯形图的过程可分为以下3个阶段：
（1）输入采样阶段；
（2）程序处理阶段；
（3）输出刷新结果阶段。
如图3.2所示。
图3.2PLC扫描周期图
3.2组态
3.2.1组态简介
组态的英文叫做“Configuration”,用于应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。
组态最早的概念出现在工业计算机控制中，如集散系统DSC组态，可编程控制器PLC梯形图组态，而人机界面生成的软件就叫工控组态软件。
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。
在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。
组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。
随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容[8]。
3.2.2组态的特点与功能
组态软件是数据采集监控系统（SupervisoryControlandDataAcquisition）的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。
它的主要特点有：
延续性、可扩充性、封装性、通用性。
它的主要功能有：
（1）对工控系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；
（2）处理数据报警和系统报警；
（3）提供各种数据驱动程序；
（4）各类报表的生成和打印输出；
（5）使用脚本语言提供二次开发的功能；
（6）存储历史数据并支持历史数据的查询等。
3.2.3组态的系统成员构成
组态软件因为功能强大，每个功能具有一定的独立性，典型组件可以分为七大类：
（1）应用程序管理器；
（2）图形界面开发程序；
（3）图形界面运行程序；
（4）实时数据库系统组态程序；
（5）实时数据库系统运行程序；
（6）I/O驱动程序；
（7）扩展可选组件[9]。
3.3I/O口的分配图及其接线图
输入输出端各有十六个I/O口，水箱水位高低的七个水位的七个线接入PLC的输入端，同时通过外面的灯显示器水位的情况；在用户界面中，通过人为的控制水泵和控制温度的参数输入PLC的输入端；在PLC的输出端中，根据用户的选定和设计的要求，通过PLC的输出端进行接线，表3.1为PLC的输入输出的I/O端口的分配图。
表3.1PLC的I/O分配图
输入端
输出端
X0
给定温度实时温度转换键
Y0
水泵启动
X1
次高水位
Y1
加热控制
X2
第三高水位
Y2
报警灯
X3
中间水位
Y3
温度显示
X4
第三低水位
Y4
温度显示
X5
次低水位
Y5
温度显示
X6
最低水位
Y6
温度显示
X7
手动启动水泵
Y7
温度显示
X10
手动关闭水泵
Y10
温度显示
X11
增1
Y11
温度显示
X12
减1
Y12
温度显示
X13
复位
Y13
出错信号灯
X14
增10
Y14
给定温度指示灯
X15
减10
Y15
实时温度指示灯
X16
自适应控制
Y16
水位报警指示灯
X17
PID控制
图3.3为PLC的外部接线图。
图3.3PLC的I/O接线图
4温度控制和液位控制的软件设计
4.1GXDeveloper编程软件
GXDeveloper是三菱PLC的编程软件。
适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。
支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。
4.1.1GXDeveloper的特点
（1）软件的共通化GXDeveloper能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU））,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。
此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP（DOS）,FXGP（WIN）格式的文档。
（2）利用Windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制、粘贴，并有效利用。
（3）程序的标准化：
a.标号编程用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。
用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。
b.功能块（以下，略称作FB）FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。
把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。
此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。
c.宏只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。
（4）能够简单设定和其他站点的链接由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。
（5）能够用各种方法和可编程控制器CPU连接：
a.经由串行通讯口；b.经由USB；c.经由MELSECNET/10（H）计算机插板；d.经由MELSECNET（Ⅱ）计算机插板；e.经由CC-Link计算机插板；f.经由Ethernet计算机插板；g.经由CPU计算机插板；h.经由AF计算机插板。
（6）丰富的调试功能：
a.由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。
没有必要再和可编程控制器连接；没有必要制作条使用的顺序程序；b.在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利；c.数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短[10]。
4.1.2GxDeveloper的安装
要安装这个软件，先要打开GX编程软件MELSOFT\EnvMEL\里的SETUP这个程序。
这个安装程序是共通部件。
并且要注意一下几点：
（1）去掉文件夹名称中的中文字符。
（2）先安装GXDeveloper\EnvMEL里的环境包。
（3）打开GXDeveloper里的SETUP.EXE这个安装文件，开始安装，中间会要你输入ID序列号，最好安装时候关闭杀毒软件，完成后再打开。
注意安装时不要选择监控模式，如果有不清楚的，就用默认的，直接点击下一步就可以了。
三菱的8.52的软件有的存在这个问题，和WIN系统有关，可以把缺少的文件从8.26的复制到8.52的里面，这个我试过，能行。
注意只复制8.52没有的就行。
或者先安装好8.26的，不用卸载，直接安装8.52的也可以的。
我亲自安装过的。
注意最好不要用GHOST的系统，因为这样的系统精简掉了很多东西，特别是用在工控方面，在安装软件或应用的时候会出现很多莫名其妙的问题。
4.2温度控制软件设计
按偏差的比例、积分和微分进行控制的控制方案简称为PID控制。
上世纪20年代，Minorsky在对船舶自动导航的研究中，提出了基于输出反馈的Pm控制器的设计方法，到了上世纪40年代PID控制器已在过程控制中得到了广泛的应用。
PID控制是连续系统中技术成熟、应用最广泛的一种控制方法，在工程控制中90%以上的控制回路为PID及其改进形式。
近年来，人们对PID控制器的再认识和再研究的兴趣日益高涨，2000年召开的一次IFAC会议上，对PID发展历史和现状进行了分析并对未来的展望，进一步使国际工业控制界对PID有了更深的认识和更高的研究热情。
PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，在长期应用中积累了丰富的实用操作经验。
在工业过程控制中，由于建立控制对象的精确数学模型比较困难，系统参数又经常发生变化，运用现代控制理论的方法往往耗费很大的人力物力资源，并且往往得不到预期的效果，所以常采用PID控制器。
计算机的出现使控制得到了进一步的发展，用计算机实现的PID控制，成为计算机控制中应用最为广泛的算法，它是将PID控制与计算机的逻辑判断功能结合起来，使PID控制更加灵活，从而能满足工业生产复杂的生产过程所提出的各种需求[11]。
4.2.1温度控制的基本功能
根据用户设定的温度，检测实时温度，比较两个温度，是否接近，倘若用户设定的温度高于实时温度，则PLC将启动电热丝进行加热，在此加热期间，进行多次检测，直到水温与用户给定的温度相接近，就停止加热，控制水温在用户给定的范围里。
4.2.2温度控制的算法
模拟PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、参数物理意义明确、理论分析体系完整、鲁棒性好和可靠性高等优点，因此在工业过程控制，尤其在可建立精确数学模型的确定性控制系统中，常规PID控制系统主要由被控对象和控制器所组成，其系统构成图如下图。
图4.1PID控制系统结构图
程序对设定值、PID控制参数、定值中断时间
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