PLC控制系统软件设计基于PLC和1组态王的温度控制系统设计毕业论文 - 图文

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目 录

第一章 前言 ......................................................................................................................................... 3 1.1 1.2 1.3 第二章 2.1

项目背景、意义 ..................................................................................................................... 3 温控系统的现状 ..................................................................................................................... 4 项目研究内容 ......................................................................................................................... 5 PLC和HMI基础 ............................................................................................................ 7 可编程控制器基础 ................................................................................................................. 7

可编程控制器的产生和应用 ......................................................................................... 7 可编程控制器的组成和工作原理 ................................................................................. 7 可编程控制器的分类及特点 ....................................................................................... 10 人机界面的定义 ........................................................................................................... 10 人机界面产品的组成及工作原理 ............................................................................... 11 人机界面产品的特点 ................................................................................................... 11 PLC控制系统硬件设计 .................................................................................................. 12 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 ............................................................................... 12

2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 第三章 3.1

人机界面基础 ....................................................................................................................... 10

3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 ....................................................................................... 12 3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤 ....................................................................................... 13 3.2

PLC的选型与硬件配置 ....................................................................................................... 15 3.2.1 PLC型号的选择 ............................................................................................................... 15 3.2.2 S7-200 CPU的选择 .......................................................................................................... 16 3.2.3 EM231模拟量输入模块 .................................................................................................... 16 3.2.4 3.3 3.4

热电式传感器 ............................................................................................................... 18 I/O点分配及电气连接图 .................................................................................................... 19 PLC控制器的设计 ............................................................................................................... 19

控制系统数学模型的建立 ........................................................................................... 19

3.4.1

3.4.2 PID控制及参数整定 ....................................................................................................... 21 第四章 4.1 4.2

PLC控制系统软件设计 .................................................................................................. 24 PLC程序设计方法 ............................................................................................................... 24 编程软件STEP7--MICRO/WIN概述 ............................................................................... 25

梯形图语言特点 ........................................................................................................... 26

4.2.1 STEP7-Micro/WIN简单介绍 ............................................................................................ 25 4.2.2 4.3

4.2.3 STEP7-Micro/WIN参数设置（通讯设置）..................................................................... 27

程序设计 ............................................................................................................................... 29

设计思路 ....................................................................................................................... 29 控制程序流程图 ........................................................................................................... 29 梯形图程序 ................................................................................................................... 30 语句表（STL）程序 .................................................................................................... 37

4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.5

4.3.4 PID指令向导的运用 ....................................................................................................... 33

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第五章 基于组态王的HMI设计 .................................................................................................... 39 5.1

人机界面（HMI）设计 ....................................................................................................... 39

监控主界面 ................................................................................................................... 40 实时趋势曲线 ............................................................................................................... 41 历史趋势曲线 ............................................................................................................... 42 报警窗口 ....................................................................................................................... 42 设定画面 ....................................................................................................................... 44

5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.2 5.3

变量设置 ............................................................................................................................... 44 动画连接 ............................................................................................................................... 46

第六章 系统运行结果及分析 ........................................................................................................... 48 6.1 6.2

系统运行 ............................................................................................................................... 48 运行结果分析 ....................................................................................................................... 49

温度趋势曲线分析 ....................................................................................................... 49 报警信息分析 ............................................................................................................... 51

6.2.1 6.2.2

第七章 总结 ........................................................................................................................................ 52 参考文献 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。 致 谢 ...................................................................................................................................................... 53

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摘 要

可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。

在工业领域，随着自动化程度的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要

求越来越高，人机界面的出现正好满足了用户这一需求。人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括过程监测、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得操作人性化、过程可视化，在自动控制领域的作用日益显著。 本文主要介绍了基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器和亚控公司的组态软件组态王的炉温控制系统的设计方案。编程时调用了编程软件STEP 7 -Micro WIN中自带的PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。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、数据的实时采样与处理。实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。

关键词：温度控制 可编程控制器 人机界面 组态王

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Abstract

Programmable Logic Controller (PLC) is a kind of automatic control equipment which is widely used in the industrial manufacture. It merges the traditional control technology, computer and communication technologies with a strong ability to control, flexible operation, high reliability and suitable for long-term characteristics of continuous work. It is very suitable for temperature control requirements.

In the industrial field, with the rapid increase in the degree of automation, it is more and more important to monitor the process of control system for the users. The emergence of human-machine interface meets the needs of users. Man-machine interface can comprehensively monitor the control system, including process monitoring, alarm, data logging and other functions, so that the control systems have become user-friendly operation, the process of visualization and it will play more and more important part in the field of automatic control.

This essay mainly introduces a design of temperature control system with SIMATIC programmable logic controller (PLC) and configuration software Kingview which is developed by Beijing Yakong Company. When programming, we use the PID control arithmetic software module which is contained in the program software STEP 7 -Micro WIN so that the program looks easier and operates more quickly. In order to monitor the control system and process data in actual time, we designed Human Machine Interface（HMI）with the configuration software Kingview. The result of experiment proves that this temperature control system could run quickly, accurately and have good stability, which is the advantage of the control system. This control system has been widely used in the industrial temperature control field. With the continuous development of automatic science and technology, high-precision, intelligent, user-friendly temperature control system is the inevitable trend of development at home and abroad.

Keywords: Temperature Control PLC HMI Kingview

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前言

1.1 项目背景、意义

温度控制在电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。目前,仍有相当部分工业企业在用窑、炉等烘干生产线，存在着控制精度不高、炉内温度均匀性差等问题,达不到工艺要求，造成装备运行成本费用高，产出品品质低下，严重影响企业经济效益，急需技术改造。

近年来，国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得了巨大的发展，形成了一批商品化的温度调节器，如:职能化PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。

在工业自动化领域内,PLC（可编程控制器） 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。目前的工业控制中,常常选用PLC 作为现场的控制设备,用于数据采集与处理、逻辑判断、输出控制；而上位机则是利用HMI 软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示,实现监控、管理、分析和存储等功能 。这种监控系统充分利用了PLC 和计算机各自的特点,得到了广泛的应用。在这种方式的基础上设计了一套温度控制系统。以基于PLC 的下位机和完成HMI功能的上位机相结合,构建成分布式控制系统,实现了温度自动控制。

PLC 不仅具有传统继电器控制系统的控制功能，而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些智能控制模块，构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制。现代PLC 以集成度高、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定受到普遍欢迎，在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用,尤其适合温度控制的要求。

此外，随着工业自动化水平的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面（HMI）的出现正好满足了用户这一需求。人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括参数监测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记

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录等功能，从而使控制系统变得简单易懂、操作人性化，深受广大用户的喜欢。人机界面（HMI）在自动控制领域的作用日益显著。HMI正在成为引导工业生产制造走向成功的重要因素，因为这些系统越来越多的用于监控生产过程，让过程变得更加准确、简洁和快速。

HMI其实广义的解释就是“使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口”。举个例子来说，在一座工厂里头，我们要搜集工厂各个区域的温度、湿度以及工厂中机器的状态等等的信息透过一台主控器监视并记录这些参数，并在一些意外状况发生的时候能够加以处理。这便是一个很典型的SCADA/HMI的运用，一般而言，HMI系统必须有几项基本的能力：

实时的资料趋势显示——把撷取的资料立即显示在屏幕上。 自动记录资料——自动将资料储存至数据库中，以便日后查看。 历史资料趋势显示——把数据库中的资料作可视化的呈现。

报表的产生与打印——能把资料转换成报表的格式，并能够打印出来。 图形接口控制——操作者能够透过图形接口直接控制机台等装置。 警报的产生与记录——使用者可以定义一些警报产生的条件。

比方说温度过度或压力超过临界值，在这样的条件下系统会产生警报，通知作业员处理[1]。

1.2 温控系统的现状

自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机

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，国内外温度控制系统发展迅速，并在职能化、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,并在各行各业广泛应用[2]。它们主要具有如下特点:1)适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。2)能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3)能适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。4)这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工职能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。5)温度控制器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验

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