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基于plc温度控制系统毕业设计论文

本科生毕业论文（设计）

题目：

基于S7-200的温度控制系统设计

院系：

信息科学与技术学院自动化系

专业：

自动化

学生姓名：

杨进华

学号：

05376037

指导教师：

杨智（教授）

二〇〇九年五月

附表一、毕业论文开题报告

论文（设计）题目：

基于S7-200的温度控制系统设计

选题依据（简述选题的目的、思路、方法、相关支持条件及进度安排）：

目的：

在工业生产中，温度是一个常见的工艺参数，温度的控制效果会影响到整个生产活动的成败。

人们经常需要对加热炉、热处理炉和锅炉中的温度进行检测和控制，而这些控制对象往往具有多样性与复杂性，因此要求不一样的控制手段。

过往许多炉温度控制采取基于单片机进行PID控制，然而单片机控制系统软硬件设计很复杂，涉及到逻辑控制方面更不是其长处。

随着PLC技术的发展，特别是在许多PLC控制器中扩充了PID控制功能后，基于PLC的炉温控制比其他控制手段更为优越。

本文就基于PLC的温度控制的优越性进行探讨，并尝试利用组态软件组态王进行人机界面的设计。

思路：

使用温度传感器（热电偶）测量实际炉温，通过A/D转换后反馈到控制器，与输入的参考值作比较，得到偏差。

对此偏差按PID算法进行修正，以此调节烤炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。

根据炉子的实际温度,在不同的温度偏差下使用不同的PID参数,实行粗调与微调相结合。

并利用组态软件组态王设计人机界面，实现控制系统的实时监控。

方法：

先从理论上进行系统设计，在理论的指导下实现硬件的设计,然后对系统进行调试,得到最佳效果。

相关支持条件：

硬件方面主要采用西门子的可编程控制器S7－200和EM231热电偶，软件采用STEP7-Micro/Win4.0和组态软件组态王。

进度安排：

2008年10月-2008年12月：

学习掌握相关知识，掌握S7-200的编成方法,从理论得上设计方案。

2009年1月-2009年3月：

对控制系统进行硬件实现,包括组态软件的实现,并进行系统测试。

2009年4月-2009年5月：

结合实际操作的结果，完成论文的写作。

学生签名：

年月日

指导教师意见：

1、同意开题（）2、修改后开题（）3、重新开题（）

指导教师签名：

年月日

附表二、毕业论文过程检查情况记录表

指导教师分阶段检查论文的进展情况（要求过程检查记录不少于3次）：

第1次检查

学生总结：

本阶段通过学习西门子S7-200的基本知识,掌握了S7-200的工作原理和指令的功能,并掌握了传感器和扩展模块EM231的使用方法。

进一步深化了对PID控制技术的了解,对整个系统的设计和算法有了初步的构想。

指导教师意见：

第2次检查

学生总结：

本阶段完成了PLC编成软件STEP7-Micro/Win4.0在PC机的安装,成功和PLC连接,能够下载程序和运行,可进行程序设计和调试。

并已经把本实验所需要的硬件,包括加热炉,传感器,扩展模块EM231和开关等成功地连接到PLC中,开始程序的调试。

指导教师意见：

第3次检查。

学生总结：

程序已经初步调试完毕,本阶段开始了利用组态软件组态王对系统进行组态。

通过学习,成功的安装了组态王,并实现了和PLC的通信。

已完成对系统进行组态,在组态王的强大功能支持下,能方便地对系统进行监控,进一步调试系统,使系统得到了一个较好的性能。

指导教师意见：

第4次检查

学生总结：

结合导师对论文的意见,对系统的部分功能进行了改善,包括美化组态画面和调试反应曲线,得出更为好的实验数据,然后按照这些改变进一步修改论文,同时对论文的格式也进行了修改。

指导教师意见：

学生签名：

年月日

指导教师签名：

年月日

总体

完

成

情

况

指导教师意见：

1、按计划完成，完成情况优（）

2、按计划完成，完成情况良（）

3、基本按计划完成，完成情况合格（）

4、完成情况不合格（）

指导教师签名：

年月日

附表三、毕业论文答辩情况

答辩人

专业

论文（设计）题目

答辩小组成员

答辩记录：

记录人签名：

年月日

学术诚信声明

本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料均真实可靠。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。

对本论文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本毕业论文的知识产权归属于培养单位。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

本人签名：

日期：

摘要

温度是各种工业生产和科学实验中最普遍、也是最重要的热工参数之一。

温度控制的精度对产品或实验结果会产生重大的影响。

温度控制的模式多样，而PLC可靠性高，抗干扰能力强，易学易用，采用PLC控制是其中一种比较优越的控制。

本文介绍了基于西门子可编程控制器（PLC）S7-200和组态软件组态王的炉温监控系统的设计方案。

硬件方面采用了CPU型号为224的S7-200、K型热电偶和温度模块EM231。

热电偶作为温度的采集元件，采集的信号经过EM231的处理后就可把数据送入PLC中进行处理。

PLC的程序中采用了位置式PID算法，脉宽调制PWM方式，运用了粗调和细调的思想，程序在不同的温度段使用不同的PID参数，实现温度的自动控制。

人机界面采用的是国内的一个比较流行的组态王软件。

组态王可以实现在线监控。

组态项目中制作了曲线画面、报表画面、报警画面和参数监控画面，用户可方便地查询PLC的运行情况、数据采集和在线控制。

实验结果表明，采用了粗调和细调思想的程序的PLC系统，具有反应速度快，超调量小，调节迅速，精度高等特点。

组态王功能强大，操作方便，有助于系统的监视与控制，表明了组态软件的具有很好的发展前景。

关键词：

温度控制；可编程控制器；PID；组态王

Abstract

Temperatureisthemostuniversalandimportantindustrialparameterinallkindsoftechnicalproduceandscientificexperiment.Themanipulativeprecisionoftemperaturewilltakeagreateffectonproductionorexperimentalresult.Inmanycases，weneedtocontrolthetemperatureofvarioustypesoffurnace,heattreatmentfurnaces,reactors.Buttheyarecomplexandchanging.Asaresult,itscontroloverdemandregulator.Themodeoftemperaturecontrolisvarious.Theprogrammablelogiccontroller（PLC）isReliable、noteasilytobejammingandeasilytobelearnedandused,welcomedbyworkersandwidelyusedinindustry.

Programmablecontroller（PLC）isadigitalelectroniccomputingoperatingsystem,designedforapplicationsinindustrialenvironmentsdesigned.Itusesaprogrammablememoryforstorageinitsinternalimplementationoflogicoperations,sequencecontrol,timing,calculationandarithmeticoperations,suchasoperatinginstructions,andthroughdigitalandanaloginputandoutput,controlofvarioustypesofmachineryortheproductionprocess.

Configurationistouseapplicationsoftwaretoprovidethetools,methods,andtocompletetheworksinthecourseofaspecifictask.Configurationsoftwareapplicationsisbroad,itcanbeappliedtopowersystems,watersupplysystems,petroleum,chemicalandotherfieldsofdataacquisitionandsupervisorycontrolandprocesscontrolandmanyotherfields.Beforetheconceptoftheconfiguration,inordertoachieveaparticulartask,usingthepreparationprocessisachieved.Programmingisnotonlyaheavyworkload,longandeasytomakemistakes,cannotguaranteeperiod.Theemergenceoftheconfigurationsoftwarecansolvetheproblem.TheKingviewcanhelpcompletethetaskinafewdays.

ThisthesismainlyintroducesadesignoftemperaturecontrolsystemwithSIMATICprogrammablelogiccontroller（PLC）S7-200andtheKingviewconfigurationsoft.WeusethePLCs7-200withcup224、theKtypethermocoupleandtemperaturemoduleEM231asthehardware,andusetheV4.0STEP7MicroWINtoprogramming.Thethermocouplecanmeasurethetemperatureofthestove,andtranslatethetemperaturesignaltothevoltagesignal.AndthentheEM235willtransmitittothePLCafterdisposingthesignal.ThissystemusepositionaltypePIDarithmeticandPulse-WidthModulationmethodology.Andtheprocedureuseideaofcoarseadjustmentalgorithmandthefineadjustmentalgorithm.TheprocedurewillrunwithdifferentPIDparameterindifferentcondition.

WehavedesignedHumanMachineInterface（HMI）withtheKingviewconfigurationsoftwhichisdevelopedbydomesticcompany.TheKingviewcanmonitorandcontrolthePLConline.Wealsohavedesignedseveralmenu,includingthehistoricalcurvescreen、therealtimecurvescreen、thedatareportformsscreen、thealarmscreenandparametermonitoringscreen.UserscaneasilyquerytheoperationofPLC,dataacquisitionandon-linecontrol.

Theexperimentalresultsshowthat，theplccanworkreliably,stably.Thesystemusingcoarseadjustmentalgorithmandthefineadjustmentalgorithmcangetabetterresult.Thatisfastresponse,smallovershoot,rapidadjustment,highaccuracy.TheKingviewispowerful,easytooperate.Wecanspeculatethatconfigurationsoftwarewillhaveagoodprospectfordevelopment.

Keywords：

TemperatureControl；PLC；PID；KingView

第一章前言

1.1课题研究背景

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。

在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。

对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。

例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等[1]。

温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。

它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用[2]。

目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。

但就其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的PID控制。

PID结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型[3]。

PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。

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。

在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。

编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。

组态软件的出现，解决了这个问题。

对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成.组态王是国内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用[4]。

1.2温度控制系统的发展状况

温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。

温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。

期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。

当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。

单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。

单片机已经由开始的4位机发展到32位机，其性能进一步得到改善[5]。

基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。

但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。

PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。

PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用[6]。

相对于IPC，DCS，FSC等系统而言，PLC是具有成本上的优势。

因此，PLC占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。

工控机（IPC）即工业用个人计算机。

IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。

它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电磁辐射。

过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。

影响燃烧的因素十分复杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的PID为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。

而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离PID，选择性PID。

参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的[7]。

在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的监控品质，提高了平均热效率[7]。

但如果单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。

集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。

与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。

DCS的关键是通信。

也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。

由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。

基本DCS的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率[8]。

但DCS在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致DCS成本太高。

现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。

其优势在于网络化、分散化控制。

基于总线控制系统（FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点，FCS系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。

而且它可以对现场装置（含变送器、执行器等）进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的[9]。

但是，FCS还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，另一方面，目前现场总线的国际标准共有12种之多，这给FSC的广泛应用添加了很大的阻力。

各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。

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，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。

但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。

控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。

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。

日本、美国、德国、瑞典等技术领先，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，并在各行业广泛应用。

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[10]。

1.3本文的研究内容

本论文主要是利用PLCS7-200采用PID控制技术做一个温度控制系统，要求稳定误差不超过正负1℃，并且用组态软件实现在线监控。

具体有以下几方面的内容：

第一章，对PLC系统应用的背景进行了阐述，并介绍当前温度控制系统的发展状况。

第二章，简单概述了PLC的基本概念以及组成。

第三章，介绍了控制系统设计所采用的硬件连接、使用方法以及编程软件的简单介绍。

第四章，介绍了本论文中用到的一些算法技巧和思想，包括PWM、PID控制、PID在PLC中的使用方法以及PID的参数整定方法。

第五章，介绍了设计程序的设计思想和程序，包括助记符语言表和梯形图。

第六章，介绍了组态画面的设计方法。

第七章，进行系统设计，检验控制系统控制质量。

第八章,对全文进行总结。

第二章可编程控制器的概述

2.1可编程控制器的产生

可编程控制器是一种工业控制计算机，英文全称：

ProgrammableController，为了和个人计算机（PC）区分，一般称其为PLC。

可编程控制器（PLC）是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。

其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域。

20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大，未能在工业领域中获得推广。

1968年，美国的汽车制造公司通用汽车公司（GM）提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备十大条件，立即引起了开发热潮。

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。

可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。

1971年日本开始生产可编程控制器，而欧洲是1973开始的。

如今，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器[11]。

可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代，见表1-1。

表1-1可编程控制器功能表

代次

器件

功能

第一代

1位处理器

逻辑控制功能

第二代

8位处理器及存储器

产品系列化

第三代

高性能8位微处理器及位片式微处理器

处理速度提高，向多功能及联网通信发展

第四代

16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器

逻辑、运动、数据处理、联网功能的多功能

2.2可编程控制器的基本组成

PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。

整体式PLC一般由CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源组成。

模块式PLC一般由CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。

本论文实物采用的是模块式的PLC，不管哪种PLC，都是属于总线式的开发结构，其构成如图2-1所示[12]。

图2-1PLC的组成

1）CPU（中央处理器）

和一般的微机一样，CPU是微机PL