PLC西门子S7-200温度控制系统毕业设计.docx
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1、内容摘要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。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、
2、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。关键字:温度控制PLC组态3软件设计3.1 PID控制程序设计模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制,PID在工业领域的应用已经有 60多年,现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验,PID 的研究已经到达一个比较高的程度。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。其特点是具有快速反应,控制及时,但不能消除余差。在积分控制中,控制器的输出与输入误差信
3、号的积分成正比关系。积分 控制可以消除余差,但具有滞后特点,不能快速对误差进行有效的控制。在微分控制(D)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。微分控制具有超前作用,它能猜测误差变化的趋势。避免较大的 误差出现,微分控制不能消除余差。PID控制,P、I、D各有自己的长处和缺点,它们一起使用的时候又和互相 制约,但只有合理地选取PID值,就可以获得较高的控制质量。3. 1. 1 PID控制算法r+吩3ID控制环节_口,被控对象J斗)快馈环节|带PID控制器的闭环控制系统框图图3.1闭环控制系统如图3.1所示,PID控制器可调节回路输出,使系统达到稳定状态。偏差e 和
4、输入量r、输出量c的关系:eQ) = r(t) - c(t)(3-1)控制器的输出为:(3-2)=KpeQ) + 7 je 力+ 4u(t)PID回路输出Kp比例系数P1积分系数I微分系数DPID调节的传输函数为D(s) =U(s) 口s)= K1 +4+,S(3-3)数字计算机处理这个函数关系式,必须将连续函数离散化,对偏差周期采 样后,计算机输出值。其离散化的规律如表3.1所示:表3.1模拟与离散形式所以PID输出经过离散化后,它的输出方程为:模拟形式离散化形式e(t) = r(Z) - c(r)e(n) r(n) c(n)de(t) dTTtJ e(t)dt0之e(i)T = T之e i
5、=0i=0(3-4)(3-4)()=Kp e(n) + e(i) +e(n)-e(n-l)4 i=0/= + % ()+ (仙)+ u0式中,称为比例项up(n) = Kpe(n)%(n) = Kp不e(i)h z=0%(n) = Kp不e(i)h z=0称为积分项ud (n) = Kp e(n) - e(n -1)称为微分项上式中,积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。计算中,没有必要保留所有的采样周期的误差项,只需要保留积分项前值, 计算机的处理就是按照这种思想。故可利用PLC中的PID指令实现位置式PID 控制算法量。3. 1.2 PID在PLC中的回路指令西门子S
6、7-200系列PLC中使用的PID回路指令,见表3. 2表3.2 PID回路指令名称P1D运算指令格式PID指令表格式PID TBL, LOOP梯形图EN PID ENOTBL LOOP使用方法:当EN端口执行条件存在时候,就可进行PID运算。指令的两个 操作数TBL和LOOP, TBL是回路表的起始地址,本文采用的是VB1OO,因为一个 PID回路占用了 32个字节,所以VD1OO到VD132都被占用了。LOOP是回路号,可以是07,不可以重复使用。PID回路在PLC中的地址分配情况如表3.3所zjS O表3.3 PID指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程变量(PVn)实数必须在0. 0
7、1.0之间4给定值(SPn)实数必须在0. 01.0之间8输出值(Mn)实数必须在0. 01.0之间12增益(Kc实数比例常数,可正可负16采样时间(Ts)实数单位为S,必须是正数20采样时间(Ti)实数单位为min,必须是正数24微分时间(Td)实数单位为min,必须是正数28积分项前值(MX)实数必须在0. 01.0之间3. 1.3回路输入输出变量的数值转换方法32过程变量前值(PVn-1)实数必须在0. 0L0之间本文中,设定的温度是给定值SP,需要控制的变量是炉子的温度。但它不 完全是过程变量PV,过程变量PV和PID回路输出有关。在本文中,经过测量的 温度信号被转化为标准信号温度值才
8、是过程变量,所以,这两个数不在同一个 数量值,需要他们作比较,那就必须先作一下数据转换。传感器输入的电压信 号经过EM235转换后,是一个整数值,但PID指令执行的数据必须是实数型, 所以需要把整数转化成实数。使用指令DTR就可以了。如本设计中,是从AIWO 读入温度被传感器转换后的数字量。其转换程序如下:MOVW AIWO ACODTR ACO ACOMOVR ACO VD1OO3. 1.4实数归一化处理因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外,其他几个参数都要求输入 或输出值0.01.0之间,所以,在执行PID指令之前,必须把PV和SP的值作 归一化处理。使它们的值都在0.01.0之间
9、。单极性的归一化的公式:鼠,”=(葭3 32000)(3-5)PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时 间Td,改善系统的静态和动态特性,使系统的过渡过程达到最为满意的质量指 标要求。一般可以通过理论计算来确定,但误差太大。目前,应用最多的还是 工程整定法:如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。经验法又叫现场凑试法,它不需要进行事先的计算和实验,而是根据运行 经验,利用一组经验参数,根据反应曲线的效果不断地改变参数,对于温度控 制系统,工程上已经有大量的经验,其规律如表3. 4所示表3. 4温度控制器参数经验数据被控变量规律的选择比例度积分时间(分钟)微分
10、时间(分钟)根据反复的试凑,调处比较好的结果是P=15, 1=2.0, D=0.5温度滞后较大20 603-100.5-33.2 S7-200程序设计流程图主程序子程序0中断程序图3.2设计流程图3. 3内存地址分配与PID指令回路表3. 3.1内存地址分配表3.5内存地址分配地址说明VD0实际温度存放VD4设定温度存放VD30实际温度的存放3. 3.2 PID指令回路表表3.6内存地址分配地址名称说明VD100过程变量(PVn)必须在0. (T1. 0之间VD104给定值(SPn)必须在0. 01.0之间VD108输出值(Mn)必须在0. 01.0之间VD112增益(Kc比例常数,可正可负V
11、D116采样时间(Ts)单位为S,必须是正数VD120采样时间(Ti)单位为min,必须是正数VD124微分时间(Td)单位为min,必须是正数VD128积分项前值(MX)必须在0. 01.0之间VD132过程变量前值(PVn-l)必须在0. (T1.0之间3.4 S7-200程序设计梯形图3. 4. 1初次上电1)读入模拟信号,并把数值转化显示锅炉的当前电压2)判断炉温是否在正常范围,打亮正常运行指示灯/温度越上限报警指示灯Network 1Network 2网络标题|判断炉温是否在正常范围SMO.OVD30Q0.213. 4.2启动/停止阶段启动过程:按下启动按钮后,开始标志位M0.1置位
12、,M0.2复位。打开运行 指示灯Q0.0,熄灭并停止指示灯初始化PID。开始运行子程序0。停止过程:按下停止按钮后,开始标志位M0.1复位,点亮停止指示灯,熄 灭运行指示灯。并把输出模拟量AQW0清零,停止锅炉继续加热。停止调用子程 序3仍然显示锅炉温度。Network 3SM0.0SM0.011Network 5显示锅炉是否被加热Network 4SMO.OM0,1Q0.11QO.O(R)1停止时模拟量输出清零,防止锅炉继续升温。Network 6SBR 0调用子程序。3. 4. 3子程序1)输入设定温度2)把设定温度、P值、I值、D值都导入PID3)每100ms中断一次子程序进行PID运算
13、1. 弓I言3温度控制系统的意义31.1 温度控制系统背景3研究技术介绍32硬件设计61硬件配置62. 2I/O分配表82.3硬件接线图103软件设计101PID控制程序设计153. 2S7-200程序设计流程图153内存地址分配与PID指令回路表162. 4S7-200程序设计梯形图164 组态编程243. 1PLC通信配置与通信方式242网络的通讯PPI协议244. 3组态软件 Kingview254. 4组态王定义外部设备和数据变量264. 5组态王界面284.6启动组态王29结论32致谢33参考文献34Network 1设定温度SMO.OMOV.RENENO 50.0- INOUT -
14、VD4Network 2导入DIP。中断程序。3. 4.4中断程序,PID的计算1)模拟信号的采样处理,归一化导入PID2) DIP程序运算3)输出DIP运算结果,逆转换为模拟信号Network 1PIDEN ENOTBLLnPNetwork 2调用PID计算一SMO.OPiD1|EN ENONVB100-0-Network 34组态编程4.1 PLC通信配置与通信方式串行数据传送和并行数据传送1)并行数据传送:并行数据传送时所有数据位是同时进行的,以字或字节 为单位传送。并行传输速度快,但通信线路多、成本高,适合近距离数据高速 传送。2)串行数据传送:串行数据传送时所有数据是按位(bit)进
15、行的。串行通信 仅需要一对数据线就可以。在长距离数据传送中较为合适。PLC网络传送数据的方式绝大多数为串行方式,而计算机或PLC内部数据处 理、存储都是并行的。若要串行发送、接收数据,则要进行相应的串行、并行 数据转换,即在数据发送前,要把并行数据先转换成串行数据;而在数据接收 后,要把串行数据转换成并行数据后再处理。4. 1. 2异步方式与同步方式根据串行通信数据传输方式的不同可以分为异步方式和同步方式。1)异步方式:又称起止方式。它在发送字符时,要先发送起始位,然后才 是字符本身,最后是停止位。字符之后还可以加入奇偶校验位。异步传送较为 简单,但要增加传送位,将影响传输速率。异步传送是靠起
16、始位和波特率来保 持同步的。2)同步方式:同步方式要在传送数据的同时,也传递时钟同步信号,并始 终按照给定的时刻采集数据。同步方式传递数据虽提高了数据的传输速率,但 对通信系统要求较高。PLC网络多采用异步方式传送数据。4. 2网络的通讯PPI协议PPI是一种主从设备协议:主设备给从属装置发送请求,从属装置进行响应。从属装置不发出讯息,而是一直等到主设备发送请求或轮询时才作出响应。主设备与从属装置的通讯将通过按PPI协议进行管理的共享连接来进行。PPI不限制与任何一个从属装置进行通讯的主设备的数目,网络上最多可安装 32个主设备。HMI:主设备图77 PPI网络图4. 1 PPI网络如果在用户
17、程序中激活PPI主设备模式,则S7200 CPU在处于RUN (运行) 模式时可用作主设备。激活PPI主设备模式之后,可使用“网络读取”或“网 络写入”指令从其它S7200读取数据或将数据写入其它S7200。当S7200 用作PPI主设备时,它将仍然作为从属装置对来自其他主设备的请求进行响应。对于简单的单台主设备网络,编程站和S7-200 CPU既可以通过PPI多台 主设备电缆连接,也可以通过安装在编程站中的通讯处理器(CP)卡连接。在图上部的范例网络中,编程站(STEP7Micro/WIN)是网络主设备。在 图下部的范例网络中,人机界面(HMI)设备(例如TD 200、TP或0P)是网络 主
18、设备。0S7-200在两个范例网络中,S7-200 CPU是对主设备的请求进行响应的从属装置。STEP7-Micro/WIN V 1 D|HMI (例加TD200 )图4.2单台主设备PPI网络4. 3组态软件Kingview组态王开发监控系统软件,是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计 算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。具有适应性强、开 放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为 控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层,对上连 接管理层,它不但实现对现场的实时监测与控制,且在自动控制系统中完成上 传下达、组态开发的重要作用。
19、尤其考虑三方面问题:画面、数据、动画。通 过对监控系统要求及实现功能的分析,采用组态王对监控系统进行设计。组态 软件也为试验者提供了可视化监控画面,有利于试验者实时现场监控。而且, 它能充分利用Windows的图形编辑功能,方便地构成监控画面,并以动画方式 显示控制设备的状态,具有报警窗口、实时趋势曲线等,可便利的生成各种报 表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。4.4组态王定义外部设备和数据变量4. 4.1外部设备的定义组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都做为外部设备使 用。外部硬件设备在本文中就是PLC S7-200o可使用“设备配置向导” 一步步 完
20、成设备的连接。4. 4.2定义数据变量要实现组态王对S7-200的在线控制,就必须建立两者之间的联系,那就需 要建立两者的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和“I/O变量” 两类。内存变量是组态王内部的变量,不跟监控设备进行交换。而I/O变量时 两者之间互相交换数据的桥梁,S7-200和组态王的数据交换是双向的,一者的 数据发生变化,另外一者的数据也跟着变化。所以需要在创建连接前新建一些 变量。本文中,PLC用内存VD0来存放当前的实际温度。并规定温度超过105为 温度过高,立即要作出相应警示信号。如图4. 3所示。点击工程管理器中的“数据词典”再双击右边窗口的新建,在出现的定义 变
21、量口中填写相应的要求项,并可在“报警定义”中设定报警。如图4.4所示。定义变量基本属性;报警定义|记录和安全区|确定取消定义变量图4. 3定义画面变量设置基本属性报警定义记录和安全区|报警组名RootNode报警I限界限值报警文本死区|优先级|i T变化率报警厂变化率F开关量报警偏差报警偏差 厂小偏差 r大偏差厂 厂死区丁r越限或偏差报警延时:报警文本 厂离散r关断助后r开通11)屏报警文本r 开-洪洋百 关-疥匚=目标值扩展城1扩展城2:图4.4定义变量报警4. 4.3数据类型只对I/O类型的变量起作用,共有9种类型:Bit: 1 位,Byte: 8 位,Byte: 8 位,一个字节Shor
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