PLC加热器温度控制课程设计.docx
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PLC加热器温度控制课程设计
重庆科技学院
课程设计报告
院（系）:
_电气与信息工程学院专业班级:
测控普2007-01
学生姓名:
刘恩刚学号:
**********
设计地点（单位）__I502____________________
设计题目:
__基于WinCC和S7-200的温度测控系统__
完成日期：
2010年12月10日
指导教师评语:
_______________________________________
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
成绩（五级记分制）:
________________
指导教师（签字）:
________________
1设计任务书
设计题目：
基于WinCC和S7-200的温度测控系统
学生姓名
刘恩刚
课程名称
现场总线测控系统设计
专业班级
测控普2007
地点
I502
起止时间
10.11.29～10.12.10
设计内容及要求
使用WinCC和S7-200PLC系统设计一套加热炉温度控制系统。
内容及要求如下：
1.接线图设计：
S7-200和加热炉控制对象之间的接线图设计。
2.程序设计
（1）PLC控制程序设计
包括温度采集程序，标度换算、数字滤波程序、PID控制程序、D/A输出程序设计等内容。
（2）WinCC组态设计
包括通信连接、变量组态、画面组态（温度控制回路相关参数的显示画面，温度趋势的显示画面，参数修改画面），变量连接等内容。
3.温度PID控制参数的整定
整定PID参数，分析不同PID对温度控制精度的影响。
设计
参数
技术指标：
1.温度采集精度：
0.5%
2.温度控制精度：
1%
进度
要求
第1天：
选题、讲解任务、S7-200基本应用；第2天：
温度控制回路接线图设计、S7-200编程；第3天：
数据采集程序、换算程序、数字滤波程序、输出程序设计与调试；第4天：
PID程序设计与调试；第5天：
WinCC基本应用培训与训练；第6-7天：
WinCC温度控制变量组态、画面设计、通信连接等；第8-9天：
温度控制系统WinCC与PLC联调；第10天：
撰写设计报告和检查设计结果
参考资料
1.廖常初.S7-200/400PLC应用技术（第2版）[M].机械工业出版社.2008
2.西门子自动化与驱动集团.深入浅出西门子WinCCV6[M].北京航空航天大学出版社,2005.9
其它
说明
１.本表应在每次实施前一周由负责教师填写二份，院系审批后交院系办备案，一份由负责教师留用。
２.若填写内容较多可另纸附后。
3.一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。
教研室主任：
指导教师：
胡文金、刘显荣
2010年11月26日
2温度控制对象概述
2.1功能特点与技术参数
这次课程设计的任务是基于WinCC和S7-200的温度测控系统，所以本次的控制对象是加热炉的温度，所用的控制器是PLC。
即通过加热器里面的温度传感器和变送器把0到100℃的温度信号转变成4到20毫安的直流信号，并通过S7-200PLC的AD采集模块采集直流信号，在经过标度变换和PID运算，把输出量作用于DA模块，经过DA输出去控制加热器的加热量，从而控制加热器的温度。
同时，本次设计还用到了上位机控制，通过Profibus总线构成了PLC和上位机通信，可以把设定值、比例系数，微分时间、积分时间等常数传输给PLC，也可以把采集到的温度值等信号传输给上位机。
通过两个星期对加热器控制对象的了解，发现了它具有一定的滞后性，这是加热对象常有的现象。
并且，在这次控制对象中，加热器的升温比较快，滞后性相对比较小，因为加热器本身体积不是很大，容积滞后比较小，纯滞后也比较小，所以升温比较快。
但是在降温时，由于没有安装特定的降温设备，这使得降温要完全靠它自身的散热来达到降温的目的。
这样一来，降温就显得非常慢，控制就变得很不灵敏。
因此要达到控制效果好的目的，就必须减小超调量，这样不仅可以使系统调节的品质变好，还可以达到缩短调节时间的目的。
2.2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。
3方案设计
3.1现场总线概述
现场总线这一技术是发展十分迅速和活跃的，而Profibus正是各种现场总线中非常有代表性的一种。
它是德国20世纪90年代初制定的国家工业现场总线协议标准，德国科学技术部总结了20世纪80年代德国工业自动控制技术的发展经验，认为为了适应20世纪90年代分布式计算机自动控制系统的发展需求，有必要对现有的各家公司自己定义的网络协议加以规范化、公开化，使得不同厂家生产的自动控制设备在网络通信级能够兼容。
以利于工业整体标准化水平的提高，于1987年将Profibus列为德国国家项目，由13家公司以及5家研究所经过两年多的时间完成了该现场总线协议标准的制定。
Profibus现在已是欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，它的应用领域包括加工制造、过程和建筑自动化，如今已成为国际化的开放式现场总线标准，即欧洲EN50179欧洲标准。
在这次温度控制中，我们所使用的现场总线是Profibus-DP，它主要用于传感器和执行器的高速数据传输，以ＤＩＮ１９２４５的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充，ＤＰ的数据传输速率可达１２Ｍｂｉｔ＼ｓ，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传送方式工作。
它的设计目的在用于设备一级的高速数据传送。
在这一级，中央控制器（如ＰＬＣ）通过高速串行线同分散的现场设备进行通信，同这些分散的设备进行数据交换的多数是层次用户。
3.2WinCC+S7-200温度控制系统的硬件组成
本系统采用西门子公司推出的S7-200PLC作为现场控制器，选用CPU226主机模块；通过现场总线完成现场控制器同中控机之间的通信。
现场控制器S7-200扩展了一块EM235AD\DA模块，该模块带有4个模拟输入点，集成有12位/转换器，分辨率达0.003℃。
因此，扩展后的S7-200PLC能够同时完成数据采集和数据处理功能，如采集电流信号，进行软件滤波处理等。
系统的温度信号的检测采用加热器自带的PT100温度传感器，这种温度传感器具有测量精度较高高、性能稳定可靠的特点。
同时这种加热装置还带有硬件数据处理能力，它把变送器也集成在这一个加热装置中了。
因此，可以认为这个加热装置出来的信号是和温度成线性关系的工业标准的DDZ-3型电流信号。
同时，由于现场控制器S7-200不能直接同PROFIBUS—DP现场总线相连，因而为S7-200外扩了PROFIBUSDP模块EM277。
要实现对加热器温度的控制，本设计方案是通过上位机把设定值通过现场总线下传到PLC，在由PLC对测量值的检测，求出偏差，经过PID运算后，得到输出值，在经过DA转换，把输出值传送给加热器，从而控制加热器的温度保持稳定。
同时，PLC中的各种PID参数，如积分时间、微分时间、测量值、设定值等还可以通过总线上传给工控机，在利用WinCC的画面组态，实现对温控对象的实时监控。
系统的结构图如图3.2所示。
图3.2系统的结构图
3.3WinCC+S7-200温度控制系统的软件配置
在本温度控制系统中，所用的控制器是S7-200PLC，要使WinCC与S7-200系列PLC通过PPI协议进行通信。
必须使用的软件是PC-access,因为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。
PC-access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。
3.3.1软硬件要求：
*PC机，Windows98操作系统
*S7-200系列PLC。
*PC/PPI电缆。
*安装PC-access软件。
*安装WinCC4.0软件及以上。
3.3.2连接：
在控制面板中设定PG/PC接口参数。
在AccessPointoftheApplication中选择Computing，Interface参数选择PC/PPICable。
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OPCGROUP中新建一个连接，打开属性，选择OPCGroupSetting，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ItemName与S7-200系列PLC中用于监控的变量名对应。
例如：
ItemName为M0.0。
3.3.3优缺点
优点：
该方法连接简单、硬件投资少、可以读写S7-200系列PLC中所有存储区域。
缺点：
通信速度比较慢、需要OPC软件及相应授权、系统扩展不方便。
应用场合：
用于低速、实时性要求不高、系统投资资金有限的系统。
另外，也可以通过其他公司的OPC软件进行通信，例如用开普的KEPServerEx作为OPC服务器，用WinCC作为OPC客户端来读写S7-200系列PLC内部数据区。
实现与上述第二种方法类似，不同的是必须在OPC服务器中建立标签与S7-200系列PLC中存储地址对应。
在复杂系统中，如果系统中同时有S7-200系列PLC和S7-300系列PLC存在，S7-200系列PLC一般作为S7-300系列PLC的从站挂到Profibus总线上，WinCC通过S7-300系列PLC对S7-200系列PLC进行监控。
3.4WinCC+S7-200温度控制系统的网络结构
本系统所用的是Profibus网络结构，PROFIBUS用于将现场设备（例如，分布式I/O设备、阀或驱动器）连接到自动化系统（例如，SIMATICS7、SIMOTION、SINUMERIK或PC）。
根据IEC61158和EN50170而标准化的PROFIBUS是一款功能强大、开放、稳定且反应时间较短的现场总线系统。
自动化行业中的大多数重要公司都支持此开放式现场总线标准。
PROFIBUS以快速、可靠数据交换功能以及集成诊断功能，为完整系统和过程自动化提供现场总线解决方案PROFIBUS还可在危险区中使用，并可用于故障安全应用场合和HART设备。
3.5温度控制算法
在该系统中，温度控制算法是用的S7-200PLC自带的PID算法。
经过这几天的调试，可以肯定，这种算法是比较好的,也比较方便的。
只要对PID参数的整定方法熟悉，则这次的PID参数整定是比较容易的。
下面就是它的PID算法的核心内容。
4S7-200PLC控制程序的设计
4.1控制程序的组成
在这个温度控制对象当中，控制程序包括中断初始化程序，温度采集程序，滤波程序，PID控制程序等。
下面就针对温度采集程序，数字滤波程序，PID控制程序分别加以重点说明。
4.2温度采集程序设计
本温度控制系统中，所用的控制器是S7-200PLC,它有外扩了AD采集模块。
因此，用S7-200PLC来采集加热器的温度是很方便的。
加热器一共有两个接口，其中一个接口是用于采集温度用的接口，它的输出范围是4到20毫安，其中，4毫安对应于加热器的0℃，20毫安对应于加热器的100℃。
同时，温度与输出电流成线性关系，这样用PLC的AD模块测出输出电流就可以算出对应的温度。
要想测出输出电流，其实并不难，用一条PLC的AD采集程序就可以采集到电流值。
但要注意一下几点。
①在进行AD采集之前，必须配置PLC的AD输入为电流输入模式。
②AD输入对应的是两个字节，而PID运算需要4个字节，因此采集进来的电流必须进行转换成双字。
③AD采集配置成的电流输入范围是0到20毫安，但如入温度的0℃对应于4毫安，把电流采集进来之后，必须减去4毫安对应的AD值。
④进行PID运算的数的换位是0到1中的值，因此，要对输入电流对应的AD采集值除以最大AD采集变化值把它化成0到1中的数。
4.3数字滤波程序设计
在本次温度采集中，除了对温度采集进行硬件滤波，同时还可以对AD采集值进行软件滤波。
本次滤波的思想是对电流进行10次采集，然后减去最大值和最小值，取平均值。
这种滤波算法即实用，又简单，是应用非常广泛的滤波算法。
进行采集10次用的主要指令是FOR循环指令，还有就是指针在PLC中的运用。
即把采集到的数用指针来存储，每次采集后指针加一个存储空间大小。
这样，循环10次后，就把电流大小采集到一片地址空间了。
然后把他们累加，减去最大值，最小值，从而求出平均值。
这样就实现了滤波程序的设计。
4.4PID控制程序设计
在本次温度采集算法中，所用的PID是PLC中自带的PID算法。
它已经把PID算法集成起来了，在进行PID算法求取输出值时，只需要调用它的PID运算指令即可。
它把PID算法所需的一些参数规定了它们固定的存入以一个首地址开始的连续存储空间，如积分时间，微分时间，偏差，输出值，输入值等。
在进行PID运算时，程序自动会在以首地址为开始的连续空间提取所需要的各个参数。
因此，我们需要做的是把首地址给出来，同时要在相应的存储空间中把对应的各个参数值赋值到相应的存储空间。
5WinCC组态
5.1变量组态
在这次设计中，用到了PC—access对变量的连接，上面已经说了，要实现WinCC与PLC的变量之间的连，就必须使用这个软件。
在这次变量组态中，下面对几个重要的变量重点加以说明。
①设定值变量，这个变量是对温度的大小进行设定，它是0到100中的任意一个数，他的大小决定了温度的稳态值的大小。
②测量值，这个值的大小反映了当前的温度大小，如果PID参数选得恰当，经过一定的PID调节时间后，它的值基本上和设定值相等。
在本次设计中，它的值和设定值的最小差值是0.001℃，基本上可以认为两个值近视相等。
③比例系数，这个值是PID调节中非常重要的一个参数，它的大小决定了系统调节的灵敏度。
对于关系这PID参数整定的这几个变量，它们的作用将在PID参数整定中详细说明。
④微分时间，这是一个关系这微分作用强弱的一个变量，它越小，微分作用越强。
⑤积分时间，这个变量决定了积分作用的强弱，积分时间在本系统中的作用是非常大的，加热对象往往具有一定的滞后时间加入了积分后会使系统的滞后时间减小。
积分时间越大，积分作用越强。
5.2画面组态
在这个系统中，画面的组态就是要用合适的方式显示这些变量。
本次设计用到了文本显示，输入输出的I\O显示，以及用曲线显示的趋势显示。
在PID这三个参数的调节中，由于必须进行输入输出显示功能，所以使用的是输入输出的I＼O域；同理，由于测量值和设定值最好能够以曲线的形式显示出来，这样就可以看到一段时间内它们随时间的变化趋势。
这样对PID三个参数的调节是很有帮助的，它们的组态如图5.2所示。
图5.2画面的组态
5.3变量连接
在变量的连接中，使用到了PC-access,变量连接不是很难的一件事，但是要先对建立好的变量保存，这样才能正确的连连。
图5.3就是变量的连接图。
图5.3变量的连接图
6程序调试
6.1PLC程序调试方法与结果
在这次程序的调试中，由于以前没有用S7-200来进行温度采集，所以在这次调试中还是遇到了一些问题，但最终还是通过网上查资料、向老师请教以及通过和范例程序比较等方法成功的解决了相应的问题。
第一个问题是在编写滤波程序时，要进行连续的AD采集，把它们存储的一片连续的地址空间。
思路有了，就是用FOR循环进行连续的AD采集，这是很容易实现的。
但是，怎么样才能把它们存储到连续空间呢？
有没有想一个C语言类似的指针变量呢？
对从来没有接触过S7-200的人来说，真是没有什么办法，只好去问指导老师。
结果还是非常满意，果然有PLC的指针变量。
这样，滤波算法的问题就解决了。
在看似所有的软件问题都解决的情况下，把程序成功下载到了PLC，但是PLC不能运行，还提示——出现严重的错误。
以为是程序的原因，就用模板程序进行下载，结果还是运行不起。
于是产生了这样的想法——这就奇怪了，怎么好好的PLC就不能运行了呢?
难道是PLC的硬件坏了吗？
后来经过硬件复位，PLC就可以运行，但当我一下载刚编好的程序，PLC又出现刚才的情况。
这下可以肯定是我的软件问题。
于是又重新仔细检查了软件的各个逻辑看是否正确，经过仔细检查，逻辑没有出错。
于是我初步猜想是可能用到了不该用的存储空间或者地址用错了导致PLC不能运行。
经过和模板程序进行比较，原来是我的程序一个地方指令用错了。
在进行PID运算的各个参数是用的浮点数来进行运算的，但我用的是和浮点数的存储空间大小一样的整数移位指令，同时参与PID运算的数我也是输入的是整数。
当看到这个错误后，我的心情顿时好起来。
赶紧把程序改正过来，下载到PLC中，结果真的PLC正常运行，AD采集也正常。
于是,AD采集PLC的所有程序调试完成。
6.2WinCC组态调试方法与结果
由于这是第一次使用WinCC进行组态，所以还是难免在这次WinCC的组态调试过程中也遇到了一些问题，但是通过不断查阅资料以及和同学、老师们交流，问题还是成功的解决了。
首先，要实现WinCC的组态，必须使用的软件是Access软件，在使用这个软件进行变量的连接的时候，遇到了变量连接时一直出现‘坏’的结果。
后来，向同学打听，结果是由于在连接前要先对它进行保存，只有保存后的文件才能成功的连接变量。
变量连接正确了，接下来就是实际的WinCC的组态了，在使用组态时，要注意的是保持WinCC时，不能用中文保存，否则会出现错误。
在这次设计中，比例系数，积分时间，微分时间等都是要进行输入输出的变量，所以在组态的时候，就应该把它们配置成输入输出的格式，不能使用静态文本格式。
这是比较简单的，但是，在设定值和测量值等有着动态变化的变量，无论用输入输出格式或者静态文本格式都不太合适，最好是用坐标曲线等方式进行动态显示，这样才能看到整个变化的趋势。
但是，对于从来没有用过WinCC进行组态的学生来说，着又是一个难事，到底这个功能怎么样才能在WinCC中实现这一功能呢？
经过向老师质询，在趋势显示中找到了这个功能。
它可以把像测量值随设定值动态变化的趋势动态的显示在一起，能够清楚地观察到它们随时间的变化规律。
但要注意的是，在显示过程中，必须把它们设定成为公共X轴和公共Y轴，这样它们就是以相同的时间域显示。
便于比较它们的大小。
还有一点值得注意的是由于温度调节比较缓慢，要使整个调节过程的曲线都能显示在一个画面中，必须改变时间轴中的时间域。
在调试过程中，本同学的时间是设定的5分钟，也就是说，在扰动来如果开始计时，在5分钟内达到稳定状态都可以以一个画面显示出它的动态变化趋势，如果大于5分钟，则前面的画面将逐渐看不见，被后面的画面取代，但一般5分钟是足够的，在本次调试过程中，还没有遇到调节时间大于5分钟的调节过程。
一般在小于两分钟就可以使系统达到平衡。
7PID参数的整定
7.1整定方法
在这次的温度控制PID参数整定当中，所用的方法是经验法。
就是给它一个扰动，看测量值随设定值的变化规律，然后更具PID调节的经验不断改变PID三个参数，最终找到合适的PID参数。
在这次PID参数的整定过程中，还参考了《计算机测控应用技术》这本书上的PID中的各个参数对系统的影响这些理论知识。
主要的有以下几个方面。
7.1.1采样周期T对系统的性能影响
当系统的采样周期等于控制周期时，选择采样周期就是选择控制周期，如果二者不等，则是指控制周期的选择，数字PID的控制器要求采样周期足够小于系统的时间常数，采样周期越小，数字PID的效果越接近连续PID的控制效果。
更具采样定理，一般采样频率大于信号变化频率的两倍。
这样采集出来的信号就可以恢复原来的模拟信号。
从控制系统的性能来看，要求T取得小一些；从计算机的工作量来看，T则应该取得大一些。
从计算机处理精度来看，过小的采样周期也不适合，它会导致积分项系数过小而导致积分作用不明显。
因此，在设计这个温度系统时，采样周期定为0.5秒。
7.1.2比例系数Kc对系统性能的影响
在系统的动态过程中，比例系数越大，系统的动作越灵敏，速度越快。
但比例系数增大，振荡次数增多，调节时间加长。
Kc太大，将使系统不稳定。
Kc太小，又会使系统动作不灵敏。
当系统达到稳态时，加大Kc可以减小稳态误差，提高控制精度，但不能完全消除稳态误差。
本次系统Kc在50.0到80.0效果都比较好。
7.1.3积分时间Ti对系统的影响
在系统的动态过程中，积分控制通常使系统稳定地下降。
Ti太小将使系统趋于不稳定。
Ti太小，振荡次数增多；Ti太大，对系统的性能影响小，作用不明显。
合适的Ti时，系统的动态过程比较理想，当系统到达稳太后，合适的Ti可以完全消除稳态误差，提高控制精度。
但Ti太大，积分作用太弱，也不能消除稳态误差。
在本次系统中，Ti在0.1到0.2效果都比较好。
7．1.4微分时间对系统性能的影响
微分控制可以改善系统的动态性能，如减小超调量，缩短调节时间。
但当Td偏大或者偏小时，超调量会加大，调节时间也会加长，只有合适的Td，才能得到满意的调节过程，在本次系统中，Td在1.0到1.5效果都比较好。
7.2整定结果及分析
在本次温度控制中，得到的最小超调量是0.9℃，最小的静态误差是0.001℃。
在范例程序当中，得到的最小超调量是3℃左右，静态误差也有0.5℃，经过几天的PID参数调节，还是得到了较为满意的结果。
同时，本同学发现，同意的程序和同样的PID算法和参数，作用到不同的加热器对象上，得到的效果有较大差别，可以看出不同的加热器的各种性能参数都有差别。
所以，在以后的工程实践中，应当注意这一点。
8技术小结
本次课程设计研究了电炉的温度控制，系统采用西门子的S7-200PLC为控制器，运用了PID算法对炉内温度进行控制，还采用了上位机控制，可以通Profibus网络把上位机的命令发送给PLC，也可以接收PLC传来的被测参数，通过WINCC组态，可以动态的检测加热炉的温度随设定值的动态变化画面。
该系统采用S7-200PLC对电炉温度进行控制，虽说之前没有学过该类PLC，但S7-200PLC的软硬件学习还是很方便的，通过实际操作很容易掌握。
对于该类PLC配套的WINCC人机界面设计也是非常方便的，可以通过人机界面方便的监控加热器温度的动态变化。
本设计的系统虽说成功的实现了电炉内部的恒温控制，但在系统的设计中也存在一些问题，如：
PID参数的整定，利用PLC内部功能模块对PID参数进行整定的时，并不是每次都会得到理想的参数，并且参数的自整定需要比较长的时间；系统的硬件部分过于复杂，该系统在PLC的输入和输出端都需要加变送
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