基于PLC和组态王的温度控制系统设计完整毕业论文

扬 州 高 等 职 业 技 术 学 校

YANGZHOU TECHNICAL VOCATIONAL COLLEGE

毕题 作 所 属 学专 业 年指 导 教写 作 时

业论文（设计）

目 基于仓库粮食温度的监控与处理 者 余水生

校 扬州高等职业技术学校 级 08届电气自动化

师 乔茹

职 称 教师

间

2012-04-23

I

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

II

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

III

目 录

第一章 前言 ......................................................................................................................................... 1 1.1 1.2 1.3 第二章 2.1

项目背景、意义 ..................................................................................................................... 1 温控系统的现状 ..................................................................................................................... 2 项目研究内容 ......................................................................................................................... 3 PLC和HMI基础 ............................................................................................................ 5 可编程控制器基础 ................................................................................................................. 5

可编程控制器的产生和应用 ......................................................................................... 5 可编程控制器的组成和工作原理 ................................................................................. 5 可编程控制器的分类及特点 ......................................................................................... 8 人机界面的定义 ............................................................................................................. 8 人机界面产品的组成及工作原理 ................................................................................. 9 人机界面产品的特点 ..................................................................................................... 9 PLC控制系统硬件设计 .................................................................................................. 10 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 ............................................................................... 10

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 ......................................................................................................................... 8

3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 ....................................................................................... 10 3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤 ....................................................................................... 11 3.2

PLC的选型与硬件配置 ....................................................................................................... 13 3.2.1 PLC型号的选择 ............................................................................................................... 13 3.2.2 S7-200 CPU的选择 .......................................................................................................... 14 3.2.3 EM231模拟量输入模块 .................................................................................................... 14 3.2.4 3.3 3.4

热电式传感器 ............................................................................................................... 16 I/O点分配及电气连接图 .................................................................................................... 17 PLC控制器的设计 ............................................................................................................... 17

控制系统数学模型的建立 ........................................................................................... 17

3.4.1

3.4.2 PID控制及参数整定 ....................................................................................................... 19 第四章 4.1 4.2

PLC控制系统软件设计 .................................................................................................. 22 PLC程序设计方法 ............................................................................................................... 22 编程软件STEP7--MICRO/WIN概述 ............................................................................... 23

梯形图语言特点 ........................................................................................................... 24

4.2.1 STEP7-Micro/WIN简单介绍 ............................................................................................ 23 4.2.2 4.3

4.2.3 STEP7-Micro/WIN参数设置（通讯设置）..................................................................... 25

程序设计 ............................................................................................................................... 27

设计思路 ....................................................................................................................... 27 控制程序流程图 ........................................................................................................... 27 梯形图程序 ................................................................................................................... 28 语句表（STL）程序 .................................................................................................... 35

4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.5

4.3.4 PID指令向导的运用 ....................................................................................................... 31

第五章 基于组态王的HMI设计 .................................................................................................... 37

IV

5.1 人机界面（HMI）设计 ....................................................................................................... 37

监控主界面 ................................................................................................................... 38 实时趋势曲线 ............................................................................................................... 39 历史趋势曲线 ............................................................................................................... 40 报警窗口 ....................................................................................................................... 40 设定画面 ....................................................................................................................... 42

5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.2 5.3

变量设置 ............................................................................................................................... 42 动画连接 ............................................................................................................................... 44

第六章 系统运行结果及分析 ........................................................................................................... 46 6.1 6.2

系统运行 ............................................................................................................................... 46 运行结果分析 ....................................................................................................................... 47

温度趋势曲线分析 ....................................................................................................... 47 报警信息分析 ............................................................................................................... 49

6.2.1 6.2.2

第七章 总结 ........................................................................................................................................ 50 参考文献 ................................................................................................................................................ 51 致 谢 ...................................................................................................................... 错误！未定义书签。

V

EM231校准和配置位置图如图3-3所示。

图3-3 DIP配置EM231

3.2.4 热电式传感器

热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度变化转换为电势变化,而热电阻是将温度变化转换为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛应用。

该系统中需要用传感器将温度转换成电压，且炉子的温度最高达几百度,所以我们选择了热电偶作为传感器。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。国际标准热电偶有S、B、E、K、R、J、T七种类型，在本系统中，我们选用了K型热电偶（分度表如表3-3所示），其测温范围大约是0～1000℃。系统里的烤炉最高温度不过几百度，加上一定的裕度就足够了，另外其成本也不算高[12]。

表3-3 K型热电偶分度表

3.3 I/O点分配及电气连接图

1) 该温度控制系统中I/O点分配表如表3-4所示。

表3-4 I/O点分配表

输入触点 IO.1 I0.2 功能说明 启动按钮 停止按钮 输出触点 Q0.0 Q0.1 Q0.3 功能说明 运行指示灯（绿） 停止指示灯（红） 固态继电器 2)系统整体设计方案及硬件连接图。系统选用PLC CPU226为控制器， K型热电偶将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过EM231模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。PLC和HMI相连接，实现了系统的实时监控。整个硬件连接图如图3-4和3-5所示。

计算机 P L C EM231模块 热电偶 固态继电器 烤炉

图3-4 系统框架图

3.4 PLC控制器的设计

控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。

3.4.1 控制系统数学模型的建立

本温度控制系统中，传感器（电热偶）将检测到的温度信号转换成电压信号经过温度模块后，与设定温度值进行比较，得到偏差，此偏差送入PLC控制器

按PID算法进行修正，返回对应工况下的固态继电器导通时间，调节电热丝的有效加热功率，从而实现对炉子的温度控制。控制系统结构图如图3-6所示，方框图如图3-7所示。

图3-5 系统硬件连接图

PLC控制器 固态继电器 烤炉 温度模块

热电偶 图3-6 控制系统结构图

R(s) + E(s) U(s) Y(s) Gc(s) Go(s) _

图3-7 控制系统方框图

图3-7中，R(s)为设定温度的拉氏变换式；E(s)为偏差的拉氏变换式； Gc(s)为控制器的传递函数；Go(s)为广义对象，即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并；

该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统，传递函数为

错误！未找到引用源。

（3-1）

式3-1中，错误！未找到引用源。为对象放大系数；T0为对象时间常数；?为对象时滞。

错误！未找到引用源。 （3-2）

由阶跃响应法求得， K0=0.5；T0=错误！未找到引用源。2.5分钟；?=错

误！未找到引用源。1.2分钟。 3.4.2 PID控制及参数整定

比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基本的控制规律，具有反应速度快，控制及时，但控制结果有余差等特点。积分控制可以消除余差，但是工业上很少单独使用积分控制的，因为与比例控制相比，除非积分速度无穷大，否则积分控制就不可能想比例控制那样及时的对偏差加以响应，所以控制器的输出变化总是滞后与偏差的变化，从而难以对干扰进行及时且有效的控制。微分作用是对偏差的变化速度加以响应的，因此，只要偏差一有变化，控制器就能根据变化速度的大小，适当改变其输出信号，从而可以及时克服干扰的影响，抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。但是理想微分控制器的控制结果也不能消除余差，而且控制效果要比纯比例控制器更差。将三种方式加以组合在一起，就是比例积分微分（PID）控制,其数学表达式为

错误！未找到引用源。 （3-3）

式3-3中：Kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。 根据以上的分析，本温度控制系统适于采用PID控制。

完成了上述内容后，该温度控制系统就已经确定了。在系统投运之前，还需要进行控制器的参数整定。控制器参数整定方法很多，归纳起来可分为两大类，

即理论计算整定法和工程整定法。

理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，通过理论计算（微分方程、根轨迹、频率法等），来求得最佳的整定参数。这类方法计算繁杂，工作量又大，而且由于用解析法或实验测定法求得的对象数学模型都只能近似的反映过程的动态特性，整定结果的精度是不高的，因而未在工程上受到广泛推广。

对于工程整定法，工程技术人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所需的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛使用。常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法来整定控制器的参数值。下面介绍下方法步骤。

经验整定法实质上是一种经验凑试法，是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数，并将系统投入运行，通过观察人为加入干扰（改变设定值）后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数值，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。

由于比例作用是最基本的控制作用，经验整定法主要通过调整比例度?的大小来满足质量指标。整定途径有以下两条：

1）先用单纯的比例（P）作用，即寻找合适的比例度?，将人为加入干扰后的过渡过程调整为4：1的衰减振荡过程。然后再加入积分( I )作用，一般先取积分时间T1为衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧，在加入的积分作用之前，要先衰减比例作用，通常把比例度增大10%-20%。调整积分时间的大小，直到出现4：1的衰减振荡。需要时，最后加入微分（D）作用，即从零开始，逐渐加大微分时间Td，由于微分作用能抑制振荡，在加入微分作用之前，可以把积分时间也缩短一些。通过微分时间的凑试，使过渡时间最短，超调量最小。

2）先根据表选取积分时间Ti和Td，通常取Td=(1/3-1/4)Ti，然后对比例度?进行反复凑试，直至得到满意的结果。如果开始时Ti和Td设置的不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。这时应适当调整Ti和Td，再重复凑试，使曲

线最终符合控制要求[13]。

表3-5 控制器参数经验数据

控制 变量 温度 对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓，?应小，Ti要长，一般需要微分 规律的选择 比例度 积分时间 Ti（分钟） 3-10 微分时间 Td（分钟） 0.5-3 ?（%） 20-60

通过经验整定法的整定，PID控制器整定参数值为： 比例系数Kc=120，积分时间Ti=3分钟，微分时间Td=1分钟。

第四章 PLC控制系统软件设计

PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分，上一章已经详细介绍了本项目硬件连接。本章在硬件设计的基础上，将详细介绍本项目软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法，编程软件STEP7--Micro/WIN的介绍以及本项目程序设计。

4.1 PLC程序设计方法

编写PLC程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。 1. 图解法编程

图解法是靠画图进行PLC程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。 （1）梯形图法

梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法，其图形甚至元件名称都有继电器电路十分相似。这种方法很容易地把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一种编程方法。

（2）逻辑流程图法

逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反映输入与输出的关系。逻辑流程图会使整个程序脉络清晰，便于分析控制程序、查找故障点及调试和维修程序。

（3）时序流程图法

时序流程图法是首先画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把框图写成PLC程序。这种方法很适合以时间为基准的控制系统的编程方法。

（4）步进顺控法

步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂的程序都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序可以看成整个控制过程的一步。

2. 经验法编程

经验法是运用自己的或者别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。

3.计算机辅助设计编程

计算机辅助设计是通过PLC编程软件（比如STEP7--Micro/WIN）在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。使用编程软件可以很方便的在计算机上离线或在线编程、在线调试，在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE文件[14]。

4.2 编程软件STEP7--Micro/WIN概述

STEP7--Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为s7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。它是西门子s7-200用户不可缺少的开发工具。现在加上中文程序后，可在全中文的界面下进行操作，用户使用起来更加方便。操作主界面如图4-1所示。 4.2.1 STEP7-Micro/WIN简单介绍

以STEP7-Micro/WIN创建程序，为接通STEP 7--Micro/WIN，可双击STEP 7--Micro/WIN图标，或选择开始（Start）> SIMATIC >STEP 7 Micro/WIN 4.0菜单命令。如图4-1所示，STEP 7--Micro/WIN项目窗口将提供用于创建控制程序的便利工作空间。工具栏将提供快捷键按钮，用于经常使用的菜单命令，可显示或隐藏工具栏的任何按钮。浏览条给出了多组图标，用于访问STEP 7--Micro/WIN的不同编程特性。指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象和指令。可将单个的指令从指令树拖放到程序中，或双击某个指令，以便将其插入到程序编辑器中光标的当前位置。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的底部均按标签显示。单击标签可在子程序、中断程序和主程序之间来回变换[15]。

STEP 7--Micro/WIN提供了用于创建程序的三个编辑器：梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）。尽管有某些限制，在这些程序编辑器的任何一

个中编写的程序均可用其它程序编辑器进行浏览和编辑。用的比较多的是梯形图（LAD）编程语言。下面详细介绍梯形图的特点。

图4-1 编程软件STEP7--Micro/WIN主界面

4.2.2 梯形图语言特点

梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。

梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。

在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：

（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；

（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；

（3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power FLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；

（4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查[16]。

4.2.3 STEP7-Micro/WIN参数设置（通讯设置）

本项目中PLC要与电脑正确通信，安装完STEP7-Micro/WIN编程软件且设置好硬件后，可以按下列步骤进行通讯设置。

（1）在STEP7-Micro/WIN运行时单击通讯图标，或从“视图”菜单中选择选项“通信”，则会出现一个通信对话框（如图4-2所示）。

图4-2 通信参数设置

该网络的程序是为了在电脑上通过STEP7-Micro/WIN编程软件显示当前温度和设定温度值而写的，其实也就是归一化的逆过程。若无该网络，则显示的温度值都是归一化的实数值，不便于记录和观察。

4.3.4 PID指令向导的运用

STEP7-Micro/WIN提供了PID Wizard（PID指令向导），可以帮助用户方便地生成一个闭环控制过程的PID算法。此向导可以完成绝大多数PID运算的自动编程，用户只需在主程序中调用PID向导生成的子程序，就可以完成PID控制任务。PID向导既可以生成模拟量输出PID控制算法，也支持开关量输出；既支持连续自动调节，也支持手动参与控制[18]。本项目程序中就正好运

STEP7-Micro/WIN软件自带的PID指令向导。从而使得程序简单易懂，同时也达到了控制要求。

首先打开“指令向导”，选择“PID”，如图4-6所示。

图4-6 配置PID指令 点击“下一步”后出现如图4-7所示画面。

图4-7 编辑0的PID配置

图4-8是配置PID环路参数的。其中，增益Kc=120,积分时间为3分钟，微分时间为1分钟，抽样时间为10秒。还有，PID环路的设定点设置为0.0-1.0，便于归一化处理。

图4-8 PID参数设置

一般单极性的值域都是0-32000，如图4-9所示。

图4-9 环路输入、输出设置

设置好以上所有步骤后，接下来需要根据回路表为PID参数分配存储地址，图4-10、图4-11和图4-12就是此作用。

图4-10 为PID配置分配内存

图4-11 创建初始化子例行程序

图4-12 为配置生成项目元件

到此为止，PID配置结束。

4.3.5 语句表（STL）程序

下面是STL程序，它可以和梯形图程序相互转换。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a4lg.html