M7130机床的PLC改造设计论文(2)

毕 业 设 计（论 文）

XA6132卧式铣床的数控化改造

姓 名 系 部 系 专 业 机 班 级 0班 学 号 26 指导老师

20 12 年 5 月

第 0 页 共 28 页

摘要

随着现代化生产工艺及流程的提高，对于生产机械的电气拖动及电气控制的要求越来越高，也越来越复杂了，普通的控制设备已经不适应现代化大规模，高科技含量生产工艺的控制要求。由于此现代化的生产工艺及生产过程频繁翻新。就要求控制设备可随生产工艺及流程的变化而改变其控制功能进而适应于生产设备的电气拖动及电气控制要求。也就是说现代化的电气控制设备要对生产机械实现一种柔性控制。

为了适应上述控制要求，人们在电气自动控制系统中引入了PLC可编程序控制器对生产机械实现柔性控制，而达到对于现代化生产工艺及电气拖动的自动控制要求。

现在社会经济飞速的发展，人们的生活水平也日益提高，各种住宅小区、商用建筑、写字楼像雨后春笋般拔地而起。建筑业的繁荣昌盛，带动了砌块生产业的飞速发展与技术革新。传统的砌块上在全自然的环境中生产出来的，加工周期长，成功率不高。现在各个建材生产厂商专门研制出了一种砌块养护窑自动控制系统，用来加快砌块的出厂周期，以便提高生产效率与经济效益。2

砌块养护自动控制系统是通过可编程序控制器来完成的，可以采用多种不同的控制技术来进行设计。砌块在生产过程中最后一道工序是养护。目前养护的方法有两种。一种是传统的自然养护；自然养护只需要一个可供养护的露天场地，靠阳光加温。另一种养护方法就是在养护窑中进行养护，用户可以根据砌块的工艺要求指定养护规则，由手动或自动方法控制养护程序的进行。

砌块养护自动控制系统的控制核心是采用S7-200型PLC，外加输入输出模块构成自动控制系统。通过本次设计，可以更加了解砌块的生产过程，更好的掌握可编程序控制器的设计和在实际工作中的使用。该控制系统是以PLC为控制核心，以PID控制技术和脉冲调制控制技术为依据的智能炉窑控制系统。通过采用这两种不同的控制技术，使得砌块养护在实际的生产过程中，有效的提高了产品的质量和产品的生产周期。PLC作为新的控制思想，新的控制实现方法，新的编程技巧将层出不穷，我们相信，在自动控制领域PLC的应用前景将是十分广阔的。

关键词 养护窑 S7-200PLC 脉宽调制 PID调制

第 1 页 共 28 页

目 录

摘要……………………………………………………………………………1 第一章 可编程序控制器概述 .............................................................................................. 3

1.1 可编程序控制器介绍 ......................................................................................................... 3 1.2 可编程序控制器的特点 ..................................................................................................... 3 1.3 可编程序控制器的分类 ..................................................................................................... 5 1.4 可编程序控制器的基本组成 ............................................................................................ 6 1.5 PLC与工业控制计算机的比较 ........................................................................................ 8 1.6 可编程序控制器的应用 ..................................................................................................... 8

第二章 西门子S7-200型可编程序控制器 ................................................................. 9

2.1 西门子S7-200系列PLC .................................................................................................... 9

2.1.1 西门子S7-200系列PLC介绍 ..................................................................................... 9 2.1.2 西门子S7-200系列PLC结构 ................................................................................... 10

2.2 西门子S7-200系列PLC的性能 ................................................................................... 10

2.2.1 S7-200系列PLC的中央处理单元 ............................................................................ 10 2.2.2 S7-200系列PLC中央处理单元的特点 .................................................................... 12

2.3 西门子S7-200系列PLC的扩展模块 .......................................................................... 13

2.3.1 数字量扩展模块 ......................................................................................................... 13 2.3.2 模拟量扩展模块 ......................................................................................................... 14

2.4 西门子S7-200系列PLC的通讯 ................................................................................... 15

第三章 S7-200型PLC用于模拟量控制系统 ........................................................... 16

3.1 模拟量控制系统................................................................................................................. 16

3.1.1 关于模拟量控制系统 ................................................................................................. 16 3.1.2 关于砌块养护自动控制系统 ..................................................................................... 17

3.2 比例微积分控制技术应用 .............................................................................................. 17

3.2.1 PID控制技术的特点 .................................................................................................. 17 3.2.2 窑温的PID控制系统 ................................................................................................. 18 3.2.3 程序设计 ..................................................................................................................... 20

致谢…………………………………………………………………………..27 参考文献……………………………………………………………………..28

第 2 页 共 28 页

第一章 可编程序控制器概述

1.1 可编程序控制器介绍

可编程序控制器的起源可以追溯到20世纪60年代。20世纪60年代末，由于市场的需要，工业生产开始从大批量、少品种的生产方式转变为小批量、多品种的生产方式。

1969年美国DEC公司研制出第一台PDP-14可编程序控制器，用在GM公司生产线上获得成功，立即引起了开发热潮。其后日本、德国等相继加入，1971年，日本从美国引进了这项新的技术，很快研制成了日本第一台DCS-8可编程序控制器。 1973年，德国也研制出他们的第一台可编程序控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。可编程序控制器迅速发展起来。但这一时期主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思路，但实际只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称 PLC(Programmable Logic Controller)。

进入20世纪80年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程序控制器才有了突飞猛进的发展。其功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，故称为可编程序控制器，简称 PC(Programmable Controller)。但由于PC容易和个人计算机(Personal Computer)混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。

可编程序控制器是一种数字运算、数字操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计的。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备都是按易于与工业 控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计的。

总之，可编程序控制器是一台计算机，是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的I/0接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程序控制器产品并不是针对某一具体工业应用设计的，在实际应用时，其硬件需要根据实际需要选用配置，其软件则需要根据控制要求进行设计。可编程序控制器问世以来，经过30年的不断发展，现已发展到第四代产品。

1.2 可编程序控制器的特点

PLC之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点，它能较好地解决工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便和经济等问题，其主要特点如下：

第 3 页 共 28 页

1. 可靠性高、抗干扰能力强 PLC是专为工业控制而设计的，可靠性好、抗干扰能力强是其最重要的特点之一。PLC的平均故障问隔时间可达几十万小时。

一般由程序控制的数字电子设备所产生的故障有两种：一种是软故障，由于外界恶劣环境，如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压等引起的未损坏系统硬件的暂时性故障；另一种是由多种因素而导致元器件损坏引起的故障，称为硬故障。

PLC的循环扫描工作方式能在很大程度上减少软故障的发生。一些高档PLC 可采用双CPU模块并行工作，即使有一个CPU模块出现故障，系统也能正常工作，同时可修复或更换故障CPU模块。除此之外，PLC采用了如下一系列的硬件和软件的抗干扰措施： (1) 硬件方面的抗干扰措施

隔离是抗干扰的主要手段之一。在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，可有效地抑制外部干扰源对PLC的影响，同时还可以防止外部高电压进入CPU模块。滤波是抗干扰的又一主要措施。对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，可消除或抑制高频干扰。用良好的导电、导磁材料屏蔽CPU等主要部件可减弱空间电磁干扰。此外，对有些模块还设置了联锁保护、自诊断电路等。 (2) 软件方面的抗干扰措施

设置故障检测与诊断程序。PLC在每一次循环扫描过程的内部处理期间，检测系统硬件是否正常，锂电池电压是否过低，外部环境是否正常，如断电、欠电压等。

当软故障条件出现时，立即把现状态重要信息存入指定存储器，软硬件配合封锁存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防存储信息被冲掉。这样，一旦外界环境恢复正常，便可回到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。

由于采取了以上抗干扰措施，PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高，可以承受幅值为1000v、上升时间为1ns、脉冲宽度为1的干扰脉冲。

2. 编程简单、使用方便 这是PLC的又一重要特点。考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的读图习惯和应用微机的实际水平，目前大多数的PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，这是一种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的微机语言相比更容易被操作人员所接受并掌握。通过阅读PLC的使用手册或短期培训，电气技术人员可以很快地熟悉梯形图语言，并用来编制一般的用户程序。配套的简易编程器的操作和使用也很简单，这也是旧近年来获得迅速普及和推广的原因之一。

3. 设计、安装容易，维护工作量少 由于PLC已实现了产品的系列化、标准化和通用化，用PLC组成控制系统，在设计、安装、调试和维修等方面，表现出了明显的优越性。 设计部门能在规格繁多、品种齐全的PLC系列产品中，选出高性能价格比的产品。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可以在实验室进行模拟调试，用模拟试验开关代替输入信号，其输出状态可通过PLC上的发光二极管指示得知，模拟调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场，进行联机调

第 4 页 共 28 页

试，既安全，又快捷方便。这就大大缩短了应用设计和调试周期，特别是在老厂控制系统的技术改造中更能发挥优点。在用户维修方面，由于PLC本身的故障率极低，维修工作量很小；并且PLC有完善的自诊断和显示功能，即当PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或在线编程器上提供的信息，迅速地查明原因，如果是PLC本身的故障，可以用更换模块的方法迅速排除，因此维修极为方便。

4. 功能完善、功用性强 现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算和数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制；既可以控制单台设备，又可控制一条生产线或全部生产工艺过程。PLC还具有通信联网功能，可与相同或不同类型的PLC 联网，并可与上位机通信构成分布式控制系统。由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的多种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。

5. 体积小，能耗低 以西门子中小型S7-300 PLC为例，314CPU模块可以扩展为 512点开关量，64路模拟量，其外形尺寸为 8Omm3125mm3130mm 重量仅0.53千克，消耗功率为8W。由于体积小，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

6. 性能价格比高 PLC系统的基本特点是：可靠、方便、通用、价廉。

1.3 可编程序控制器的分类

可编程序控制器发展很快，全世界有几百家工厂正在生产几千种不同型号的PLC。从组成结构形式上可以将这些 PLC 分为两类：一类是一体化整体式结构 PLC，另一类是标准模板式结构的 PLC。其特点是电源、中央处理器(CPU)、I/O 接口都集成在一个机壳内。它们的电源模块、CPU模块、开关量I/O模块、模拟量I/O模块等在结构上是相互独立的，可根据具体的应用要求，选择合适的模块，安装在固定的机架或导轨上，构成一个完整的PLC应用系统。

1. 根据结构形状分类

按结构形状分类，PLC 可分为整体或机架模块式两种。

整体式结构的PLC是将中央处理机，电源部件。输入和输出部件集中配置在一起，结构紧凑，体积小，重量轻，价格低，小型PLC常采用这种结构，适用于工业生产中的单机控制。

机架模块式PLC是将各部分单独的模块分开，如中央处理机模块、电源模块、输入模块输出模块等。使用时可将这些模块分别插入机架底板的插座上，配置灵活、方便、便于扩展。可根据生产实际的控制要求配置各种不同的模块，构成不同的控制系统，一般大、中型PLC采用这种结构。

第 5 页 共 28 页

2. 根据 I/O 点数和功能分类

按PLC的I/O点数，存储容量和功能来分。大体可以分为：大、中、小三个等级。小型PLC的I/O点数在120点以下，用户程序存储器容量为 2K 字节以下，具有逻辑运算、定时、计数等功能，它适合开关量的场合，可用它实现条件控制、定时、计数控制，顺序控制等。也有些小型PLC增加了模拟量处理，算术运算功能其应用更广。

中型PLC的I/O点数在l20~512点之间，用户程序存储器容量达到 2-8K字节，具有逻辑运算、算术运算、数据传递、数据通信、模拟量输入输出等功能，可完成即有开关量又比模拟量较为复杂的控制。

大型PLC的I/O点数在512点以上，用户程序存储器容量达到 8K字节或 8K字节以上。具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视、记录、打印等功能。能进行中断控制、智能控制、远程控制。在用于大规模的过程控制中，可构成分布式控制系统。

超大型PLC I/O 点数在896点以上，内存容量在 13KB 以上。

大型和超大型 PLC 除具有中、小型 PLC 的功能外，还增强了编程终端的处理能力和通信能力，适用于多级自动控制和大型分散控制系统。

1.4 可编程序控制器的基本组成

可编程序控制器构成的基本控制系统结构简图如图 1.1所示。其中可编程序控制器的基本组成为电源、中央处理器(CPU)、存储器和I/0模板。

[3]

图 1.1 PLC 控制系统结构图

Fig. 1.1 PLC control system structural diagram

下面分别对中央处理器(CPU)、存储器和I/O模板作简单介绍。

1. 中央处理器 (CPU) 是可编程序控制器的神经中枢，是系统的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，可完成以下任务：

第 6 页 共 28 页

(1) 接收并存储用户程序和数据。

(2) 用扫描的方式接收现场输入设备的状态和数据。

(3) 诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。 (4) 完成用户程序中规定的逻辑运算和算术运算任务。

(5) 更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制、数据通信等功能。

2. 存储器 存储器是一种记忆部件。它用来存储数据或程序，主要包括随机存取存储器(RAM)和 EPROM。RAM中的用户程序可以用 EPROM写入器写入到 EPROM 芯片中。写入了用户程序的 EPROM 又可以通过外部接口与主机连接，然后让主机按 EPROM 中的程序运行。EPROM 是可擦写可编程的只读存储器，如果存储的内容不需要时，可以用紫外线擦出器擦除，重新写入新的程序。

由于PLC的软件由系统软件和应用软件构成，因此 PLC的存储器可分为系统程序存储器和用户程序存储器。把存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。不同类型的PLC其存储容量各不相同，但根据其工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域。

(1) 系统程序存储区 在系统程序存储区中，存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监视程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。

(2) 系统 RAM 存储区 系统RAM存储区包括I/O映像区以及各类软设备(如各种逻辑线圈、数据存储器、计时器、累加器、变址寄存器等)存储区。

(3) 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的应用控制程序，不同类型的PLC，其存储容量各不相同。有些PLC的存储容量可以根据用户的需要加以改变。

3. I/O [输入/输出 (I/O)] 模块 它是CPU与现场I/O设备或其它外部设备的桥梁。PLC提供了具有各种操作电平与输出驱动能力的I/O模块和各种用途的功能模块供用户选用。

一般PLC均配置I/O电平转换及电气隔离。输入电平转换是用来将输入端不同电压或电流信号源转换成微处理器所能接收的低电平信号；输出电平转换是用来将微处理器控制的低电平信号转换为控制设备所需的电压或电流信号；电气隔离是在微处理器与I/O回路之间采用的防干扰措施。

I/O模块既可以与CPU放置在一起，又可远程放置。一般I/O模块具有I/O状态显示和接线端子排。另外，有些PLC还具有一些其它功能的I/0模块，如串/并行变换、数据传递、A/D或D/A转换及其它功能控制等。

4. 电源 电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器，存储器等电子工作所需要的直流电源。使PLC能正常工作，PLC内部电路使用的电源是整机的能源供给中心，它的好坏直接影响PLC的功能和可靠性。

第 7 页 共 28 页

1.5 PLC与工业控制计算机的比较

工业控制计算机是通用微型计算机适应工业生产控制要求发展起来的一种控制设备。硬 件结构方面总线标准化程度高、兼容性强，而软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对象的控制占有优势。但是，使用工业控制机控制生产工艺过程，要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。

PLC 最初是针对工业顺序控制应用而发展来的，硬件结构专用性强，通用性差，很多优秀的微机软件也不能直接使用，必须经过二次开发。但是，PLC 使用了工厂技术人员熟悉的梯形图语言编程，易学、易懂、便于推广应用。

从可靠性方面看，PLC 是专为工业现场应用而设计的，结构上采用整体密封或插件组合 型，并采取了一系列抗干扰措施，具有很高的可靠性。而工业控制计算机虽然也能够在恶劣的工业环境下可靠运行，但毕竟是由通用计算机发展而来，在整体结构上要完全适应现场生 产环境，还要做工作。另一方面，PLC 用户程序是在 PLC 监控程序的基础上运行的，软件方 面的抗干扰措施，在监控程序里已经考虑得很周全，而工业控制计算机用户程序则必须考虑 抗干扰问题，一般的编程人员很难考虑周全，这也是工业控制计算机应用系统比 PLC 应用系统可靠性低的原因。

尽管现代 PLC 在模拟量信号处理、数值运算、实时控制等方面有了很大提高，但在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制计算机则更能发挥其专长。

1.6 可编程序控制器的应用

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保以及文化娱乐等各行各业。随着PLC性能价格比的不断提高，其应用范围将不断扩大。其应用范围大致可归纳为如下几类：

1. 开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制、可用于单机控制、多机群控、自动化生产线的控制等。

2. 位置控制 大多数的PLC制造商，目前都提供拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能可广泛用于各种机械设备。

3. 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量与数字量之间的A/D、D/A转换，并对模拟量进行PID闭环控制。现代的大、中型PLC一般都有PID闭环控制模型。这一功能可用PID子程序来实现，也可用专用的智能PID模块实现。

第 8 页 共 28 页

4. 数据处理 现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，也能完成数据的采集、分析和处理。这些数据可通过通信接口传送到其它智能装置进行处理。

5. 通信联网 PLC的通信包括PLC相互之间、PLC与上位计算机、PLC和其它智能设备间的通信。PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化系统发展的需要。各 PLC 系统或远程 I/O 模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理信息的分布式网络系统。

6. 在计算机集成制造系统(CIMS)中的应用近年来，计算机集成制造系统广泛应用于生产过程中。一般的CIMS可划分为六级子系统：第1级为现场级，包括各种设备，如传感器和各种电力、电子、液压和气动执行机构生产工艺参数的检测；第2级为设备控制级，它接收各种参数的检测信号，按照要求的控制规律实现各种操作控制；第3级为过程控制级，完成各种数学模型的建立，过程数据的采集处理。以上3级属于生产控制级，也称为 EIC 综合控制系统。由此向上的4、5、6级分别为在线作业管理、计划和业务管理及长期经营规划管理，通称为管理信息系统 (MIS)。

EIC 综合控制系统是一种先进的工业过程自动化系统，它包括3个方面的内容：电气控制，以电动机控制为主，包括各种逻辑联锁和顺序控制；仪表控制，实现以PID为代表的各种回路控制功能，包括各种工业过程参数的检测和处理；计算机系统，实现各种模型的计算、参数的设定、过程的显示和各种操作运行管理。 PLC就是实现 EIC 综合控制系统的整机设备，由此可见，PLC在现代工业中的地位是十分重要的。

第二章 西门子S7-200型可编程序控制器

2.1 西门子S7-200系列PLC

2.1.1 西门子S7-200系列PLC介绍

德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC(如S7-200)，小规模性能要求的PLC(如S7-300)和中、高性能要求的PLC(如S7-400)等产品。

西门子 S7-200 系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自

第 9 页 共 28 页

动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200 系列具有极高的性能/价格比。 S7-200 系列出色表现在以下几个方面： ? 极高的可靠性 ? 极丰富的指令集 ? 易于掌握 ? 便捷的操作 ? 丰富的内置集成功能 ? 实时特性 ? 强劲的通讯能力 ? 丰富的扩展模块

S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。例如：冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统。

2.1.2 西门子S7-200系列PLC结构 S7-200 系列产品结构特点

? SIMATIC 的最新获奖的牢固紧凑的塑料外壳 ? 易于接线，操作员控制及显示元件带前面罩保护

? 通过安装孔或标准DIN 导轨可以垂直或水平地安装在机柜上 ? 端子排作为固定的接线配件 S7-200 系列产品质量、安全、特性

? 国际标准：SIMATIC CPU 22X系列符合VDE，UL，CSA和FM 标准和船籍社船用电器认证。在生产过程中使用的质量保证体系已取得ISO9001认证。

? 数据安全性在内部EEPROM 储存用户原程序和预设值。另外，在一个较长时间段，所有中间数据可以通过一个超级电容器保持，如果选配电池模块可以确保 停电后中间数据能保存200天。

2.2 西门子S7-200系列PLC的性能

2.2.1 S7-200系列PLC的中央处理单元

SIEMENS SIMATIC S7-200 系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种 CPU 提供选

第 10 页 共 28 页

择。

CPU 221 本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。

CPU 222 本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。是具有扩展能力的、适应性更广泛的全功能控制器。

CPU 224 本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485 通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可以很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。

CPU 224XP 本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168 路数字量I/O点或38路模拟量I/O 点。22K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器(100KHz)，2个100KHz 的高速脉冲输出，2个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。

CPU 226 本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485 通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可以很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

CPU 221/222/224/224XP/226编程

STEP 7-Micro/WIN32 V4.0 编程软件可以对所有的CPU221/222/224/224XP/226 功能进行编程。同时也可以使用STEP 7-Micro/WIN16 V2.1 软件包，但是它只支持对S7-21x同样具有的功能进行编程。

STEP 7-Micro/DOS 不能对CPU 221/222/224/224XP/226编程。如果使用PG/PC 的串口编程，则需要使用PC/PPI电缆。

第 11 页 共 28 页

如果使用STEP 7-Micro/WIN32 V4.0 编程软件，则可以通过SIMATIC CP 5511 或CP 5611

编程。在这种情况下，通讯速率可高达187.5kbit/s 。

可以利用PC/PPI 电缆和自由口通讯功能把 S7–200 CPU连接到许多和RS-232 标准兼容的设备。有两种不同型号的 PC/PPI 电缆：

?带有RS-232 口的隔离型PC/PPI 电缆，用5个DIP开关设置波特率。 ?带有RS-232 口的非隔离型PC/PPI 电缆，用4个DIP开关设置波特率。 2.2.2 S7-200系列PLC中央处理单元的特点

小型PLC CPU 221，价格低廉，能满足多种集成功能的需要。CPU 222是S7-200 家族中低成本的单元。通过可连接的扩展模块，即可处理模拟量。CPU 224及CPU 224XP 具有更多的输入、输出点及更大的存储器。CPU 226 功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。如表 2.1所示。

表2.1 中央处理单元表

CPU 221 类型 DC 输出 DC 输入 继电器输出 DC 输入 电源电压 24V DC 85V-264V 输入电压 24V DC 24V DC 输出电压 24V DC 24V DC 24-230V AC 24V DC 24V DC 24-230V AC 输出电流 0.75A 晶体管 2A 继电器 24V DC CPU 222 DC 输出 CPU 224 CPU 继电器输85V-264V 224XP 出 CPU 226 四种CPU 具有如下特点：

24V DC 24V DC 0.75A 晶体管 2A 继电器 集成24V负载电源 可直接连接到传感器和变送器(执行器)，CPU 221，CPU 222具有180mA 输出，CPU224，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。 可用作负载电源。

不同的设备类型 CPU 221~226 各2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。

本机数字量输入/输出点CPU 221具6个输入点和4个输出点，CPU 222具8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU224XP 具有14个输入点和10个输出点，CPU226 具有24个输入点和16个输出点。

本机模拟量输入/输出点CPU 224XP 具有2个输入点，1个输出点。 中断输入 允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。

第 12 页 共 28 页

高速计数器 CPU 221/2224个高速计数器(30kHz)，可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可以同时作 加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B 相增量编码器。CPU224/224XP/226有6个高速计数器，具有与 CPU221/222 相同的功能。

CPU 222/224/224XP/226可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。

模拟电位器CPU221/222 有1个，CPU224/224XP/226 有2个。 CPU221/222/224/224XP/226还具有：

脉冲输出 2路高频率脉冲输出，用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。 实时时钟 例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。 EEPROM 存储器模块 可作为修改与拷贝程序的快速工具，并可以进行辅助软件归档工作。

电池模块 用于长时间数据后备。用户数据(如标志位状态，数据块，定时器，计数器)可通过内部的超级电容存贮大约为5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天(10年寿命)。电池模块插在存储器模块的卡槽中。

2.3 西门子S7-200系列PLC的扩展模块

2.3.1 数字量扩展模块

数字量扩展模块为使用除了本机集成的数字量输入/输出点外更多的输入/输出提供了途径。用户使用该模块有下列优势：

最佳适应性 用户可分别对PLC 及任何扩展模块的混合体进行组态，以满足应用的实际要求，同时节约不必要的投资费用。可提供8、16和32个输入/输出点的模块供使用。 灵活性 很容易地扩展I/O 点数。当用应范围扩大，需要更多输入/输出点数时，PLC可以增加扩展模块，即可以增加I/O 点数。

模块类型S7-200PLC 系列目前总共可以提供3大类，共11种数字量输入输出扩展模块。

输入扩展模块EM 221 具有8点DC输入，光耦合隔离8点AC输入(120V~230V)；16点DC输入，光耦合隔离。

输出扩展模块EM 222 有5种类型，包括：4点24V DC输出；4点继电器输出；8点24V DC输出型，8点继电器输出型，8点AC 输出(120V~230V)。

输入/输出扩展模块EM 223 有6种类型，包括24V DC4入/4出，24V DC 4入/继电器4出。24V DC 8入/8出，24V DC 8 入/继电器8出，24V DC 16入/16出，24V DC 16入/继电器16出。

数字量扩展模块具有与基本单元相同的设计特点，S7-200型PLC的扩展模块种类

第 13 页 共 28 页

很多，固定方式与中央处理单元相同。如果需要扩展模块较多时，模块连接起来会过长，这时可以使用扩展转接电缆重叠排布。

直接安装是安装固定螺孔方便于用螺钉将模块安装在墙上。模块装在CPU右边相互之间用总线连接电缆连接。这种安装方式建议在剧烈振动的情况下使用。

在标准导轨上安装模块卡，装在紧挨中央处理单元右侧的导轨上，通过总线连接电缆与中央处理单元互相连接。 2.3.2 模拟量扩展模块

模拟量扩展模块提供了模拟量输入/输出的功能，优点如下： 最佳适应性 可适用于复杂的控制场合。

直接与传感器和执行器相连，12 位的分辨率和多种输入/输出范围能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连，如 EM 235 模块可直接与 PT100 热电阻相连。

灵活性 当实际应用变化时，PLC可以相应地进行扩展，并可非常容易的调整用户程序。

RTD和热电偶模块是为S7-200中的 CPU222、CPU224、CPU226/226XM 设计的。当这些模块安装在稳定的湿度环境中时，将提供最优性能。例如，对于EM231 热电偶模块，具有特殊的冷端补偿电路，该电路测量模块连接器上的温度，并适当改变测量值以补偿参考温度与模块温度之间的温度差。如果在EM231 热电偶模块安装区域的环境温度迅速地变化，则会产生额外的误差。要想达到最大的精度和重复性，西门子建议S7-200 热电阻和热电偶模块应安装在稳定的环境温度中。

EM 231 热电偶模块 EM231 热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型。它允许S7-200 连接微小的模拟量信号，±80mV 范围。用户必须用DIP开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向。所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。组态DIP开关位于模块的下部。为了使DIP开关设置起作用，用户需要给PLC或用户的电源断电再通电。

在标准导轨上安装模块卡，装在紧挨中央处理单元右侧的导轨上，通过总线连接电缆与中央处理单元互相连接。

表 2.2 模拟量扩展模块技术数据表

尺寸(W3H3D) 重量 功 耗 点 数 EM 231 71.2380362 mm 183g 2W 4路模拟量输入 EM 232 46380362 mm 148g 2W 2路模拟量输出 EM 235 71.2380362 mm 186g 2W 4路模拟量输入 2路模拟量输出 第 14 页 共 28 页

功率损耗 +5V DC(从I/O总线) 从L+ L+电压范围 第2级或DC传感器供电 LED 指示器 20mA 60mA 20.4 ～28.8 24V DC 状态 亮=无故障 灭=无24V DC 电源 20mA 70mA (带2路输出20mA) 20.4 ～28.8 24V DC 状态 亮=无故障 灭=无24V DC 电源 30mA 60mA (带输出20mA) 20.4 ～28.8 24V DC 状态 亮=无故障 灭=无24V DC 电源 2.4 西门子S7-200系列PLC的通讯

通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯，“SIMATIC NET”是全部网络系列产品的总称，他们能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接口并且相互之间完全兼容。

内部集成的PPI 接口为 SIMATIC S7-200 的用户提供了强大的通讯功能。PPI 接口物理特性为RS485，可在三种方式下工作： 一、PPI 方式

PPI 通讯协议是西门子专为 S7-200 系列PLC 开发的一个通讯协议。可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。S7-200 系列CPU 上集成的编程口同时就是PPI通讯联网接口。利用PPI通讯协议进行通讯非常简单方便，只用NETR 和NETW 两条语句即可进行数据信号的传递，不需额外再配置模块或软件。PPI通讯网络是一个令牌传递网，在不加中继器的情况下，最多可以由31个S7-200 系列PLC，TD200，OP/TP 面板或上位机为站点，构成PPI网。

使用PPI协议编程电缆：STEP 7-Micro/WIN 编程软件通过支持PPI协议的编程电缆和PLC进行通讯、上传、下载程序，是最简单、最为经济的通讯方式。主要有三种方式：

(1) PC/PPI编程电缆：一台PLC和PC直接连接。PC端接口：RS232串口。 (2) RS-232/PPI多主站编程电缆：多台PLC和PC直接连接，PC端接口：RS232串口。 (3) USB/PPI多主站编程电缆：多台PLC和PC直接连接，PC端接口：USB。 二、MPI 方式

S7-200 可以通过内置接口连接到MPI网络上，其波特率为 19.2kbit/s 和187.5kbit/s 。它可与S7-300/S7-400CPU进行通讯。S7-200CPU在MPI网络中作为从站，它们彼此间不能通讯。 三、自由通讯口方式

自由通讯口方式是S7-200PLC的一个很有特色的功能。它使S7-200 PLC可以与任

第 15 页 共 28 页

何通讯协议公开的其它设备、控制器进行通讯，即S7-200 PLC 可以由用户自己定义通讯协议(例如：ASCII 协议)。波特率最高为 38.4kbit/s 。因此使可通讯的范围大大增加，使控制系统配置更加灵活、方便。

任何具有串行接口的外设，例如：打印机或条形码阅读器，变频器，调制解调器(Modem)，上位PC机等。

S7-200 系列微型PLC，用于两个CPU 间简单的数据交换。用户可通过编程来编制通讯协议，用来交换数据(例如：ASCII 码字符)，具有RS232 接口的设备也可用PC/PPI 电缆连接起来进行自由通讯方式通讯。 四、PROFIBUS-DP 网络

在S7-200 系列的CPU中，CPU 222，CPU 224，CPU 224XP，CPU 226，都可以通过增加EM 277 PROFIBUS-DP 扩展模块的方法支持 Profibus-DP 网络协议。最高传输速率可达12Mbit/s 。

第三章 S7-200型PLC用于模拟量控制系统

3.1 模拟量控制系统

3.1.1 关于模拟量控制系统

模拟量控制系统是指输入信号为模拟量的控制系统。控制系统的控制方式上可分为开环控制和闭环控制。开环控制是根据控制的设定值直接向控制对象输出控制信号，这种控制容易受外界干扰而偏离控制目标。对于控制要求比较高的场合，一般都采用闭环控制方式。闭环控制是使用控制的设定值与反馈值的差进行控制的，以求得设定值与反馈值的偏差最小。因而闭环控制也叫偏差控制。闭环控制根据期设定值的不同，又可以分为调节系统和随动系统两种。调节系统的设定值是由控制系统的控制器给出，控制器的作用就是使反馈值向给定值靠近，以反馈值对设定值的偏差最小为目的。随动系统的设定值是由被控对象给出的，控制器的作用就是使控制目标不断向被控对象靠近。各种跟踪系统都是随动系统。

模拟量控制系统设计中，应该注意干扰问题。解决干扰问题的办法有4个。其一是接地问题，这里包括PLC接地瑞的接地，要真接地不要假接地，这里所说的接地就是接大地。其二是模拟信号线的屏蔽问题。屏蔽线的始端和终端都要接地，信号线的屏蔽是防止干扰的重要措施。其三是对某些高频信号要解决匹配问题。如果不匹配，很容易在信号传送中引起干扰，使信息失真。其四是对信号进行滤波。

模拟量信号如电压值、电流值等，常常会因为现场瞬时干扰而产生较大波动，产

第 16 页 共 28 页

生误差。采用滤波可以有效地减小误差。这里所说的滤波，包括硬件滤波和软件 滤波。软件滤波主要是数字滤波。数字滤波的方法比较多，如常用的平均执法、中值法等等。S7-200系列PLC在系统设计中可以利用STEP7-Micro/MIN32软件对模拟量输入信增加滤波功能。如果需要数字滤波，可以设置滤波选项。 3.1.2 关于砌块养护自动控制系统

砌块在生产过程中最后一道工序是养护。目前养护的方法有两种。一种是传统的自然养护；自然养护只需要一个可供养护的露天场地，靠阳光加温。这种养护方法 投资少，养护成本低。缺点是养护周期太长，受环境温度影响大，对产品质量要求较高时，无法保证高质量与短生产周期。尤其在我国北方地区的冬季，温度低，阳光少，风沙大，天气条件恶劣，不适用这种养护方法。但是在一些规模较小的砌块加工场所还经常用到这种养护方法。另一种养护方法就是在养护窑中进行养护。用户可以根据砌块的工艺要求指定养护规则，由手动或自动方法控制养护程序的进行。养护窑养护过程是严格按照砌块的工艺要求实施控制的。它能保证产品质量，保证生产进度，不受天气影响。

系统自动控制养护方式，可以借助于PID算法、脉宽调制控制法及模糊控制算法和一些优化控制算法，是养护窑的养护温度被严格地控制在养护系统规则要求的范围之内。

3.2 比例微积分控制技术应用

3.2.1 PID控制技术的特点

在实际工程中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

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。当只有比例控制时系统输出存在稳态误差。

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称

第 17 页 共 28 页

有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项也会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

在微分控制中，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。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化超前，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是微分项，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

在调节系统中，其过程控制方式就是将被测量，由传感器变换成统一的标准信号送入调节器，在调节器中，与给定值进行比较，然后把比较出的差值进行PID运算。所谓PID运算就是比例、积分、微分运算。P调节就是调节器的输出和输入成比例。调比例带，也就是调比例系数，比例带就是输出与输入之比的倒数。I调节就是输出是输入量的积分，只要有偏差，调节器就会不断积分，使输送到执行器的信号变化，校正被控量，直到达到无偏差为止，所以有了积分调节器就会消除稳态偏差。D调节就是微分调节，也就是输出对输入的微分。微分调节的优点在于它的超前性，当输入发生变化时，马上就有微分信号产生，使被控量得以提前校正，然后再由P、I进行校正，这样可以使整个调节的过渡过程时间缩短，有利于调节质量的提高。 3.2.2 窑温的PID控制系统

该控制系统核心采用西门子PLC的CPU224，提供数字量输入点数14点，数字量输出点数10点，完全满足系统的数字量和开关量输入输出点数的要求。CPU224本身不具备模拟量输入和输出单元，本系统扩展一片模拟量输入模块EM231，提供4路模拟量输入、4路热电偶输入和两路热电阻输入。扩展一片模拟量输出模块EM232，提供2路模拟量输出。

每个养护窑的进气电磁阀（开关量输出）由一个进气电动阀（模拟量输出）代替，用调整开口角度的大小来控制进气量，从而控制窑温，其他条件不变。

一个养护窑需要3个开关量输入，2个开关量输出，1个模拟量输入和1个模拟量输出。整个控制系统需要开关量输入8点，开关量输入6点，模拟量输入2点，模拟量输出2点，设计控制系统。

第 18 页 共 28 页

1. 硬件选择

模拟量输入部分，由热敏电阻R1，R2（PT100）和温度变送器（电流输入型）构成。热敏电阻是将部分金属的氧化物压在陶瓷体内构成的。热敏电阻具有较大的负电阻温度系数，当有微小的温度变化时，会引起热敏电阻较大的电阻值变化。PT100型热敏电阻的测量精度很高，但热响应慢，耐振动和耐冲击性差，不适合测量高温区；温度变送器是一种超小型、性能优良、高精度的新型测温仪表。它具有体积小、重量轻、使用安装方便的特点。可直接安装在一般工业热电阻、热电偶的接线盒内，与现场传感元件构成一体化结构。实时检测窑温传送给PLC进行处理。模拟量输出部分由硅调压器和交流负载构成。PLC部分由CPU224（14点开关量输入/10点开关量输出，提供扩展单元DC5V电流能力为1000mA）主机、EM231模拟量输入模块（4路模拟量输入，消耗DC5V电流为10mA）1块、EM232模拟量输出模块（2路模拟量输出，消耗DC5V电流为10mA）1块，组成硬件系统。如图 3.1所示。

图 3.1 硬件原理图

所选系统中，CPU224能够满足所带扩展单元全部DC5V电流的要求，且所带的扩展模块不大于7个，这表明硬件配置合理。整个系统具有开关量输入14点，开关量输出10点，模拟量输入4点，模拟量输出2点。这表明硬件系统满足全部工艺要求。

由于CPU224提供PID回路指令，包括比例、积分、微分循环，进行PID计算。PID回路的操作取决于存储在36字节回路表内的九个参数。PID控制回路具有两个输入变量。本系统的两个输入变量即为窑温的当前值PV和设定值SP，这两个多成变量在应用于PID指令之前，必须转换为标准化的浮点数表示形式。转换的第一步是实际值从16位整数数值转换为浮点数数值，第二步是将转换后的浮点数转换成位于0.0~1.0之间的标准化数值。回路的输出是标准化的、位于0.0~1.0之间的实数数值。在回路输出可用于驱动模拟量输出之前，回路输出必须被转换为16位成比例的整数

第 19 页 共 28 页

数值。这一过程是将PV以及SP转换成标准化数值的反过程。在PID指令中，必须指定内存区内的36个字节参数表的首地址。要选定的过程变量、设定值、回路增益、采样时间、积分时间、微分时间等参数全部转换成标准值存放在回路表中。 2. 内存变量分配表

表 3.1 控制系统的输入输出与内存变量分配表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 名 称 1号起动 1号停止 1号急停 2号起动 2号停止 2号急停 总起动 总停止 1号进气阀 1号风机 2号排风阀 2号风机 总进气阀 总排气阀 地址 I0.0 注 释 上升沿有效 I0.1 上升沿有效 I0.2 上升沿有效 I0.3 上升沿有效 I0.4 上升沿有效 I0.5 上升沿有效 I0.6 上升沿有效 I0.7 上升沿有效 Q0.0 “1”有效 Q0.1 “1”有效 Q0.2 “1”有效 Q0.3 “1”有效 Q0.4 “1”有效 Q0.5 “1”有效 12bit 1号热敏电阻 AIW0 1号进气阀 2号进气阀 1号PID表 1号设定值 1号输出值 1号增益 2号热敏电阻 AIW2 12bit AQW0 12bit AQW2 12bit VB0 VD4 VD8 VD12 12bit 8bit 32bit 32bit 32bit 1号过程变量 VD0 序号 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 名 称 1号采样时间 1号积分时间 1号微分时间 1号积分前项 1号过程前值 2号PID表 2号过程变量 2号设定值 2号输出值 2号增益 2号采样时间 2号积分时间 2号微分时间 2号积分前项 2号过程前值 1号养护温度 2号养护温度 1号PID输出 2号PID输出 地址 注 释 VD16 32bit VD20 32bit VD24 32bit VD28 32bit VD32 32bit VB36 8bit VD36 32bit VD40 32bit VD44 32bit VD48 32bit VD52 32bit VD56 32bit VD60 32bit VD64 32bit VD68 32bit VW400 16bit VW402 16bit VW416 16bit VW420 16bit 增计数器 增计数器 “1”有效 “1”有效 1号养护时间 C0 2号养护时间 C1 1号运行标志 M0.0 2号运行标志 M0.1 3.2.3 程序设计

(1) 总体思路 因为本系统仍然是控制规模相同的2个养护窑。控制程序采用PID控制算法控制进气量。其中子程序SBR0为1号窑温控制参数，SBR1为2号窑温控制参数。主程序OB1分别调用SBR0、SBR1子程序块传送PID控制参数。定时中断0为每10ms中断一次，进入INT0。中断服务程序INT0对2个养护窑分别控制。每个养护窑仍然由一个热敏电阻检测窑内温度。

(2) 主程序中的具体控制流程 本系统主程序执行总体起动/停止控制和每个窑的宏观控制。中断程序对各个养护窑进行PID运算，并进行调温控制。子程序是传送

第 20 页 共 28 页

具体单个窑温控制的PID参数。

(3) 控制算法 在本控制系统中，每个养护窑通过一个热敏电阻来检测其内部温度，由一个进气电动阀的周期闭合与断开来控制进气量，以便达到调节窑内温度的目的。控制程序采用主程序和子程序以及中断程序来编写。采用PID控制算法来控制进气电动阀的打开程度，达到控制进气量的目的。应用算法控制窑内温度，是PID的输出值是用来控制电动阀门的开通大小，而不是控制其电磁阀的开通时间长短。

(4) 控制程序 主程序OB1的功能是完成系统控制，子程序SBR0、SBR1的功能是完成各个窑温PID控制参数的检测和传送。而INT0则是对各个养护窑进行PID控制。

主程序2OB1

Network 1 // 设置定时中断。

LD SM0.1 // PLC 上电首次扫描脉冲。

MOVB 10, SMB34 // 设置定时中断 0 的时间间隔为 10ms 。 ATCH INT_0, 10 // 设置定时中断事件10的中断服务程序为 INT0 。 ENI // 开中断。 Network 2 // 系统起动和停止控制。 LD SM0.0 // 常 ON 继电器。 LPS // 压栈。 A I0.6 // I0.6 总起动。 EU // 上升沿有效。 S Q0.4, 1 // Q0.4 总进气阀。 LRD // 读栈。 A I0.7 // I0.7 总停止。 EU // 上升沿有效。 R Q0.4, 1 // Q0.4 总进气阀。 LPP // 弹出。

LDW >= C0, +600 // C0 1 号养护时间。 OW >= C1, +600 // C1 2 号养护时间。 ALD // 块的串联。 = Q0.5 // Q0.5 总排气阀。 Network 3 // 1 号养护窑控制。 LD SM0.0 // 常 ON 继电器。 LPS // 压栈。

A I0.0 // I0.0 l 号起动。

S M0.0, 1 // M0.0 1 号运行标志置位。 LRD // 读栈。

第 21 页 共 28 页

A I0.1 // I0.1 1 号停止。

R M0.0, 1 // M0.0 I 号运行标志复位。 LRD // 读栈。

AW >= C0, +600 // C0 1 号养护时间大于等于设定时间。 = Q0.0 // Q0.0 1 号排气阀排气。 LRD // 读栈。

A I0.2 // I0.2 1 号急停。

R R0.0, 2 // Q0.0 1 号排气阀，Q0.1 1 号电动机复位。 LPP // 弹出。

A M0.0 // M0.0 1 号运行标志。 LPS // 压栈。

= Q0.1 // Q0.1 1 号风机运行。

CALL SBR_0 // 调 1 号养护窑 PID 控制子程序 SBR0 。 AR < VD0, VD4 // VD0 1 号过程变量小于 VD4 1 号设定值。 MOVW VW416, AQW0 // VW416 1 号 PID 输出送 AQW0 1 号进气阀。 LPP // 弹出。

LDR >= VD0, VD4 // VD0 1 号过程变量大于等于 VD4 1 号设定值。 O I0.2 // 或 I0.2 1 号急停。 ALD // 块的串联。

MOVW +16000, AQW0 // AQW2=16000，使 1 号进气阀关闭。 Network 4 // 1 号养护窑养护计时。 LD M0.0 // M0.0 l 号运行标志。 A SM0.4 // SM0.4 1min 计时脉冲。 LD I0.0 // I0.0 1 号起动。 O SM0.1 // SM0.4 1min 计时脉冲。 CTU C0, +0 // C0 累计 1 号养护时间。 Network 5 // 2 号养护窑养护计时。 LD SM0.0 // 常 ON 继电器。 LPS // 压栈。

A I0.3 // I0.3 2 号启动。

S M0.1, 1 // M0.1 2 号运行标志置位。 LRD // 读栈。

A I0.4 // I0.4 2 号停止。

R M0.1, 1 // M0.1 2 号运行标志复位。 LRD // 读栈。

第 22 页 共 28 页

AW >= C1, +600 // C1 2 号养护时间大于等于设定时间。 = Q0.2 // Q0.2 2 号排气阀排气。 LRD // 读栈。

A I0.5 // I0.5 2 号急停。

R Q0.2, 2 // Q0.2 2 号排气阀，Q0.3 2 号风机复位。 LPP // 弹出。

A M0.1 // M0.1 2 号运行标志。 LPS // 压栈。

= Q0.3 // Q0.3 2 号风机运行。

CALL SBR_1 // 调 2 号养护窑 PID 控制子程序 SBR1 。 AR < VD36, VD40 // VD36 2 号过程变量小于 VD40 2 号设定值。 MOVW VW418, AQW2 // VW418 2 号 PID 输出送 AQW2 2 号进气阀。 LPP // 弹出。

LDR >= VD36, VD40 // VD36 2 号过程变量大于等于 VD40 2 号设定值。 O I0.5 // 或 I0.5=2 号急停。 ALD // 块的串联。

MOVW +16000, AQW2 // AQW2=16000，使 2 号进气阀关闭。 Network 6 //记录 2 号窑控温时间。 LD M0.1 // M0.1 2 号运行标志。 A SM0.4 // SM0.4 1min 计时脉冲。 LD I0.3 // I0.3 2 号启动。

O SM0.1 // 复位 2 号窑计数器信号为 2 号起动按钮 I0.3 按下

或 PLC 上电。

CTU C1, +0 // C1 累计 2 号养护时间。

子程序2SBR02(传送 1 号窑PID参数)

Network 1 // 传送 1 号养护温度。 LD SM0.0 // 常 ON 继电器。

MOVW AIW0, VW400 // 1 号养护温度送 VW400 。 -I +6552, VW400 // VW400-6552 送 VW400 。

/I +131, VW400 // VW400/131 送 VW400 (1 号养护温度)。 Network 2 // 传送 1 号窑 PID 参数。 LD SM0.0 // 常 ON 继电器。 MOVR 0.616, VD4 // 1 号设定值送 VD4 。 MOVR 0.01, VD12 // 1 号增益送 VD12 。 MOVR 0.1, VD16 // 1 号采样时间送 VD16 。

第 23 页 共 28 页

MOVR 3.0, VD20 // 1 号积分时间送 VD20 。 MOVR 0.0, VD24 // 1 号微分时间送 VD24 。

子程序2SBR12(传送 2 号窑PID参数)

Network 1 // 传送 2 号养护温度。 LD SM0.0 // 常 ON 继电器。

MOVW AIW2, VW402 // 2 号养护温度送 VW402 。 -I +6552, VW402 // VW402-6552 送 VW402 。

/I +131, VW402 // VW402/131 送 VW402 (2 号养护温度)。 Network 2 // 传送 2 号窑 PID 参数。 LD SM0.0 // 常 ON 继电器。 MOVR 0.616, VD40 // 2 号设定值送 VD40 。 MOVR 0.01, VD48 // 2 号增益送 VD48 。 MOVR 0.1, VD52 // 2 号采样时间送 VD52 。 MOVR 3.0, VD56 // 2 号积分时间送 VD56 。 MOVR 0.0, VD60 // 2 号微分时间送 VD60 。

中断程序2INT02(各养护窑 PID 控制算法)

Network 1 // 1 号养护窑 PID 控制算法。 LD M0.0 // M0.0 1 号运行标志。 LPS // 压栈。 A SM0.5 // 秒脉冲时钟。 EU // 上升沿有效。

MOVW AIW0, AC0 // 1 号养护窑温度送 AC0 。 DTR AC0, AC0 // 转换成实数。

MOVR AC0, VD0 // 1 号过程变量送 VD0 。 /R 32000.0, VD0 // 转换成标准值。 LPP // 弹出。

PID VB0, 0 // VB0 1 号 PID 表。

MOVR VD8, AC0 // 1 号 PID 输出值送 AC0 。 *R 16000.0, AC0 // 转换成控制值。 ROUND AC0, AC0 // 转换成整数。

DTI AC0, AC0 // 把 AC0 中的双整数转换成整数。

MOVW +16000, VW416 // 转换成加温电路的控制电压值 VW416 (1 号 PID输出)。 -I AC0, VW416 // 16000-(AC0) 传送到 VW416 。 Network 2 // 2 号养护窑 PID 控制算法。 LD M0.1 // M0.1 2 号运行标志。

第 24 页 共 28 页

LPS // 压栈。 A SM0.5 // 秒脉冲时钟。 EU // 上升沿有效。

MOVW AIW2, AC0 // 2 号养护窑温度送 AC0 。 DTR AC0, AC0 // 转换成实数。

MOVR AC0, VD36 // 2 号过程变量送 VD36 。 /R 32000.0, VD36 // 转换成标准值。 LPP // 弹出。

PID VB36, 1 // VB36 2 号 PID 表。 MOVR VD44, AC0 // 2 号 PID 输出值送 AC0 。 *R 16000.0, AC0 // 转换成控制值。 ROUND AC0, AC0 // 转换成整数。

DTI AC0, AC0 // 把 AC0 中的双整数转换成整数。

MOVW +16000, VW418 // 转换成加温电路的控制电压值 VW418 (2 号 PID 输

出)。

-I AC0, VW418 // 16000-(AC0) 传送到 VW418 。

在本控制系统中，采用双向晶闸管来控制加热系统，其控制电路工作电压UK为0~5V，这个控制电压由EM232提供。EM232可以把0~32000的数字量转换成0~10V的电压。为了能控制晶闸管，PLC送到EM232的最大数字量应限制在16000。为了达到这一要求，在PID的输出值送到EM232时，要乘上16000而不是32000，这样就可以保证送到晶闸管控制电路的电压不会超过5V。这是本控制系统编制程序的重要环节。

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。其中PID调节已成为自动化系统中应用最广，技术最成熟，控制结构简单，参数调整容易，是目前过程控制中使用广泛的调节方式。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。

第 25 页 共 28 页

致谢

随着科学技术的不断发展，砌块养护的控制也越来越复杂。这就要求PLC的控制功能强、通讯可靠性高、应用灵活方便、可以应用在不同的环境调节下，并能与任何人机界面相连接，西门子S7-200型PLC就具有这样的性能，是其它电子设备无法相比的。本控制系统使用该PLC作为核心控制部件，使控制系统的可靠性大为提高，用PLC实现此类自动控制，具有很大的实用价值。

PLC 是工业自动化的理想控制装置，它是一种专为工业环境应用而设计的，是控制各种类型的机械或生产设备的机器。可编程序控制器具有很多的特点，PLC的软件简单易学，其采用易学易懂的梯形图语言，它是以计算机软件构成人们惯用的继电器模型，形成一套独具风格的以布尔梯形图及布尔梯形图为基础的形象编程语言。

养护在砌块的生产过程中是最后一道工序，传统方法受环境和温度的影响比较大，无法保证产品质量和生产周期。要想能够保证产品质量，保证生产进度，不受天气环境的影响，西门子S7-200型PLC这一高科技的电子产品使它成为了现实。

本文介绍的控制系统经过在实验室反复多次的模拟实验，程序正确，实用性强，可供具体操作。本控制系统以一台PLC控制2个养护窑为例，进行了详细地说明。该控制系统充分的发挥了S7-200型PLC的优异性能。用户也可根据控制需要，对系统的I/O模块进行扩展，控制多个养护窑。所以，该控制系统的可扩展性非常强。

这个题目对于学习自动化专业的学生来说，是很有帮助的。可以让大家更加了解可编程序控制器及其在自动控制系统中的应用。在课上学到的只是一些理论知识是非常抽象的，并不容易理解。而在实际工作当中，光靠理论知识是远远达不到的，要合理的把理论知识和实践经验相结合，把学到的知识快速的融入到实际工作中，这对于我们是非常重要的。

第 26 页 共 28 页

参考文献

[1] 朱善君等编著. 可编程控制系统—原理 应用 维护. 北京: 清华大学出版社,

1994

[2] 宋伯生编著. 可编程控制器—配置 编程 联网. 北京: 中国劳动出版社, 1998 [3] 吕景泉等编著. 可编程序控制器及其应用. 北京: 机械工业出版社, 2001.08 [4] 史屹编著. PLC可编程序控制器基础. 天津: 天津市电子仪表技术学校 [5] 刘颖慧编著. PID控制技术在砌块养护窑中的应用. 湖南: 湖南冶金职业技术学

院

[6] 张利,赵永建编著. 现代电力电子技术. 北京: 科学出版社, 1992 [7] SIEMENS SIMATIC S7-200可编程序控制器. 2005.01

订 号: E2001-K028-C400-V3-5D00-2001

[8] SIEMENS SIMATIC S7-200与S7-300应用论文集. 2002.04

订 号: E20001-H5120-C400-X-5D001437-905105-0402

[9] 马倩倩编著. PID控制原理及参数设定. 中国注塑网. http://www.yxx.com.cn/.

2006.01

第 27 页 共 28 页

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3jj.html