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1、毕业设计论文基于组态的试验机温度监控系统设计摘 要试验机是工业装置，工业炉是依靠其它能源对工件进行加热，以达到对工件进行处理的标准。与其他相比，其温度方便控制，炉内情况易掌握，热效率高，实现生产过程的机械化和自动化。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。显然，系统正常运行还需要可编程控制器进行控制，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
2、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1。 本文完成了基于亚控公司的组态王和西门子公司S7-200系列的可编程控制器的炉温控制系统的设计方案。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。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。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Based on the Configuration of the Tester Tem
3、perature Monitoring SystemAbstractThe Testing machine is an industrial equipment, industrial furnaces is to rely on other energy heating the workpiece, the workpiece processing standards. Compared with other stoves, convenient to control the temperature, the furnace is easy to master, high thermal e
4、fficiency, realize the production process of mechanization and automation.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 us
5、ers. 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 o
6、f automatic control.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 reliab
7、ility and suitable for long-term characteristics of continuous work. It is very suitable for temperature control requirements.This essay mainly introduces configuration software Kingview which is developed by Beijing Yakong Company and a design of temperature control system with SIMATIC programmable
8、 logic controller (PLC) .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 Hu
9、man 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 tem
10、perature control field.Keywords: Temperature Control;PLC;HMI;Kingview目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 项目背景、意义11.2 温控系统的现状1第2章 试验机的概述错误！未定义书签。2.1试验机类型错误！未定义书签。2.2试验机工作原理错误！未定义书签。2.3试验机特点及控制要求4第3章 PLC控制系统硬件设计53.1 PLC控制系统设计的基本原则53.2 PLC控制系统设计的一般步骤53.3 PLC的选型与硬件配置63.3.1 PLC型号的选择63.3.2 S7-200 CPU的选择73.3.3 EM23
11、1模拟量输入模块73.3.4热电式传感器93.4 I/O点分配及电气连接图93.5 PLC控制器的设计103.5.1控制系统数学模型的建立103.5.2 PID控制及参数整定11第4章 基于组态王的监控界面设计144.1组态设备连接及变量的建立144.1.1组态设备连接144.1.2组态变量的建立174.2创建组态画面184.2.1主画面184.2.2实时趋势曲线194.2.3报警窗口194.2.4报表窗口204.3 PLC程序设计204.3.1设计思路204.3.2 PID指令向导的运用214.3.3梯形图程序234.4系统测试264.4.1启动组态王264.4.2实时曲线观察274.4.3
12、历史数据报表观察28第5章 总结30谢 辞31参考文献32VI第1章 绪论1.1 项目背景、意义近年来，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，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。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。人机界面在自动控制领域的作用日益显著。H
13、MI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系统必须有几项基本的能力：实时的资料趋势显示，自动记录资料，历史资料趋势显示，报表的产生与打印，图形接口控制，警报的产生与记录2。此外，在工业自动化领域内，PLC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工业自动化之中。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。在这种方式的基
14、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。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3。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能话、小型化等方面快速发展。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内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仍然有着较大的差距。随着我国加入WTO，我国政府及
15、企业对此非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度仪表等工业得到迅速的发展。第2章 试验机的概述2.1试验机类型试验机的类型，有多种不同的分类方法，下面简单列举几个常见的分类：1按照传统分类方法可以分为：金属材料试验机、非金属材料试验机、动平衡试验机、振动台和无损探伤机等五大类。2按加荷方法分类：静负荷试验机(静态)和动负荷试验机(动态)。3按用途分类： 测定机械性能用试验机和工艺试验用试验机，包装物试验机，汽车检测仪器，力和重量、长度基准测量仪器，各种试验机附件（夹具、环境箱）。4按传动方式分
16、类：机械传动，电气传动，气压传动和液压传动等。2.2试验机工作原理试验机是利用电流使其内电热元件或加热介质发热，从而对工件加热。试验机以电为热源，通过电热元件将电能转化为热能，对金属进行加热。试验机热源和火焰比，热效率高，可达50，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。本论文是试验机的温度控制系统为研究对象，其中一部分为硬件设计，主要PLC硬件，温度传感器和EM231模拟量输入模块选型等。从硬件上保证了测温精度，为提高控制精度打下了基础。控制采用比较成熟的PID 算法，并且通过PLC进行参数控制，通过组态进行实时监控。试验机温主控系统基本构成如图
17、2.1 所示，它由监控系统组态王、PLC主控系统、固态继电器、试验机、温度传感器（热电偶）等 5 个部分组成。图2.1 试验机温控系统制基本组成试验机温度控制实现过程是：首先温度传感器将试验机的温度化为电压信号，EM231模块将传送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量，然后将系统给定温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过 PID 运算处理后，给固态继电器输入一个控制信号，控制固态继电器的输出端导通与否，从而使试验机开始加热或停止加热。即试验机温度控制得到实现4。2.3试验机特点及控制要求试验机特点：1品种多，量小，计量仪，高科技产品（随工业发展质量要求高，范围广）。2除纵向外，两维、三维测
18、试。3温度环境模拟，（模拟化向真实真实微度发展）。4系列化，动功能化，组合化系统的主要功能要求：试验机采用380V三相交流电供电，用热电偶作温度传感器，每个炉中共设多个检测点,以计算炉内的平均温度。配置的温度传感器越多，平均温度的精度越好，温度范围在01000控制内。 1实时控制、检测与显示炉内温度；2具有自诊断实时检测功能，检测各通道是否正常，当发生故障时进行声音和视觉报警并显示故障点。第3章 PLC控制系统硬件设计3.1 PLC控制系统设计的基本原则1充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。2在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。3保证控制系统安全
19、可靠。4应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、IO点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。3.2 PLC控制系统设计的一般步骤设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量、系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置5。PLC控制系统的设计步骤可参考图 3.1 。评估控制任务PLC机型的选择控制柜设计及布线程序设计联机调试PLC安
20、装程序检查、调试控制流程的设计程序备份修改软、硬件模拟运行投入使用是否满足要求图3.1 PLC控制系统设计步骤3.3 PLC的选型与硬件配置3.3.1 PLC型号的选择本项目的温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200型的PLC。它的硬件配置灵活，既可用一个独立的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块，模拟量模块或智能接口模块的扩展，组成中等规模控制系统6。如图3.2所示PLC实物。图3.2 S7-200系列PLC实物图3.3.2 S7-200 CPU的选择S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226 、CP
21、U224XP等类型。为了能调用编程软件STEP 7 里的PID模块，本项目选用S7-200 CPU226，CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量输入输出端口。可与7个扩展模块相连，最大连接248点数字量或35点模拟量I/O。还有13KB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。配有2个RS485通讯口，具有PPI，MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为39.4 kbit/s，适用于较高要求的中小型控制系统7。3.3.3 EM231模拟量输入模块本项目传感器将检测到的温度转换成041mv的电压信号，系统需要配置模拟
22、量，输入模块将电压信号转换成数字信号再转送至PLC中进行运算。经考虑，最终选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。EM231热电偶模块有一个方便的，隔离的接口，可适用七种热电偶类型：它也允许连接微小的模拟量信号，相同类型模块上的热电偶才能连到一起，且最好使用含有屏蔽的热电偶传感器8。DIP开关将EM231模块进行组态：热电偶类型选择SW1SW3，SW4不使用，断线检测方向使用SW5，是否进行断线检测选择了SW6，测量单位选择了SW7，是否进行冷端补偿选择了SW8。本系统选用K型热电偶为温度检测元件，最终DIP开关SW1SW8组态为00100000；EM231具体技术指标见表3.1。表3.
23、1 EM231技术指标型号EM231模拟量输入模块总体特性外形尺寸：71.2mm80mm62mm功耗：3W输入特性本机输入：4路模拟量输入电源电压：标准DC 24V/4mA输入类型：010V，05V，5V,2.5V,020mA分辨率：12 Bit转换速度：250S隔离：有耗电从CPU的DC 5V （I/O总线）耗电10mADIP开关SW1 0, SW2 0, SW3 1（以K型热电偶为例）表3.2所示为使用DIP开关设置EM231模块使用方法，开关1、2和3可选择模拟量输入范围。模拟量输入范围设置成相同的。表中ON为导通，OFF为截止。表3.2 EM231选择模拟量输入范围的开关表单极性满量程
24、输入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2.5mvONOFF0到5V1.25mv0到20mv5uA双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON5V2.5mvONOFF2.5V1.25mvEM231校准和配置位置图如图3.3所示图3.3 DIP配置EM2313.3.4热电式传感器热电式传感器是一种将温度信号转化为电压信号的装置。其中热电偶和热电阻是最常用于测量温度的装置，热电偶是将温度信号转换为电压信号，热电阻是将温度信号转换为电阻信号。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛使用。本项目中应该用传感器将温度转换成电压，且炉子的温度不能超过1000度，所以我们选择了热
25、电偶作为传感器。国际标准热电偶有七种类型分别是S、B、E、K、R、J、T，在本系统中，我们选择K型热电偶，其测温范围大约是01000。炉内最高温度也到不到1000，其成本也比较合理9。3.4 I/O点分配及电气连接图（1）该温度控制系统中输入输出点分配表如表3.3所示。表3.3输入输出点分配表输入触点功能说明输出触点功能说明IO.1启动按钮Q0.0运行指示灯（绿）I0.2停止按钮Q0.1停止指示灯（红）Q0.3固态继电器（2）系统整体设计方案系统选用PLC CPU226为控制器， K型热电偶将检测到的实际炉温转化为电势变化，经过EM231模拟量输入模块转换成数字信号并进行PID调节，PID控制
26、器输出控制信号，控制固态继电器输出端的导通与截止，从而控制炉体加热的通断。PLC和组态王连接，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PLCEM231模块固态继电器热电偶试验机图3.4 系统框架图图3.5 系统硬件连接图3.5 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至关重要。首先要以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案。接下来依据所要求的性能指标选择控制器的参数值10。3.5.1控制系统数学模型的建立本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。PLC控制器固态继电器电炉温度模块热电偶图3
27、.6 控制系统结构图图3.7 控制系统方框图3.5.2 PID控制及参数整定 1.PID控制器的组成PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为： （3.1）Error! Reference source not found.(1) 比例系数KC对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。c偏大，振荡次数加多，调节时间加长。c太大时，系统会趋于不稳定。c太小，又会使系统的动作缓慢。c可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果c的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现
28、这样的情况c的符号就一定要取反。 Error! Reference source not found.(2) 积分控制i对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，i小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。 Error! Reference source not found.(3) 微分控制d对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，d偏大时，超调量较大，调节时间较短。d偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有d合适，才能使超调量较小，减短调节时间。至此温度控制系统就已经完成。在系统运行之前，还需要进行控制器的参数整定。我们将运用经验整定法来整定PID的参数
29、值，下面简单说明其步骤。经验整定法又称经验凑试法，是技术人员生产实践中在长期工作经验的显现。事先的计算和实验都可以省略，而是依靠以往经验，先保证一组控制器参数，使系统投入运行，通过观察人为加入的干扰过渡过程曲线，根据不同的控制作用对过渡过程的各种影响来改变相应的控制参数值，进行重复试验，最终得到满意的控制质量11。由于比例作用是最普遍的控制，经验整定法主要通过调整比例度的大小来完成质量指标的预定。整定途径要遵循两条： （1）单独运用P作用，加入人为干扰后，将过渡过程调整为4：1的衰减振荡过程。然后再加入I 作用，先将积分时间T1选取为衰减振荡周期的一半。同时在加入的积分作用之前，应先减少比例作
30、用，通常把比例度增大9%-25%。然后调整积分时间，最终到 4：1的衰减振荡程度为止。最后加入D作用，以零为开端，逐渐增大微分时间Td，由于微分作用能强制降低振荡，在加入微分作用之前，可以把积分时间减小。将过渡时间最短，超调量最小。必须要通过微分时间的不断试用，（2）通常取Td=(1/3-1/4)Ti，所以要注意积分时间Ti和Td的选取，然后反复凑试比例度，直至结果满意为止。如果得不到要求的理想曲线，很有可能是开始时Ti和Td设置的不合适。这时Ti和Td应重复凑试，使曲线最终达到控制目标。表3.4 控制器参数经验数据控制变量规律的选择比例度（%）积分时间Ti（分钟）微分时间Td（分钟）温度对象
31、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20-603-100.5-3经过经验整定法的整定，PID控制器整定参数值设为：比例系数=120，积分时间=3分钟，微分时间=1分钟。第4章 基于组态王的监控界面设计随着我国工业化和信息化进程的加快，工控组态软件扮演者越来越重要的角色，为自动化控制系统监控层提供了良好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。工业HMI也可以称作触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。HMI的主要功能有：数据的输入与显示；系统或设备的操作状态方面的实时信息显示；报警处理及打印；数据归
32、档和报表系统12。此外，新一代工业人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录及配方等智能化控制功能。在本项目中，我们选择了组态王来完成监控画面和西门子S7-200 PLC的设计组态王和其他组态软件相比最大的优势是它操作方便灵活，有较强的通信功能，支持的硬件非常丰富。PLC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。4.1组态设备连接及变量的建立4.1.1组态设备连接双击组态王的快捷方式，出现组态王的工程管理器窗口，双击新建按扭，按照弹出的建立向导，填写工程名称。然后打开刚建立的工程。进入组态画面的设计，如图4.1
33、所示。图4.1 新建工程进入工程管理器后，在画面右方双击“新建”，新建画面，并设置画面属性，如图4.2所示。图4.2 新建画面 由于组态画面要与西门子S7-200 PLC连接之后才能使用，所以要新建S7-200的连接13，具体步骤如图4.3、4.4、4.5和4.6所示。图4.3 步骤1图4.4 步骤2图4.5步骤3图4.6 步骤44.1.2组态变量的建立要实现组态王对S7-200的在线监控，就先必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者间的数据变量。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，不跟被监控的设备进行交换。而I/O变量是两者之间互相交换数据的桥梁，
34、S7-200和组态王的数据交换是双向的14。具体操作如下，打开工程浏览器，点击“数据词典”，再点击“新建”建立“设定温度”、“当前温度”、“启动”、“停止”、“Kc”、“Ti”、 “Td”、“采样时间”等变量。寄存器和数据类型要与程序中一致，否则组态王就不能起到监控作用了。如图4.7 所示。图4.7 新建变量图4.8为变量“当前温度”报警定义设置图，我们设置了当前温度低于100度时，报警当前温度太低。当前温度大于700时，报警当前温度偏高。图4.8当前温度报警定义设置图4.9为变量“试验机炉温控制”记录和安全区设置图，我们设置“记录”为数据变化记录，变化灵敏度设为1。这个主要是为历史趋势曲线服
35、务的，若不设置这个，往往历史趋势曲线就出不来或者效果很差。图4.9 当前温度记录和安全区设置4.2创建组态画面4.2.1主画面 根据系统的特点，设计了实时控制主画面，主要包括了系统结构原理画面，实时曲线画面，预定温度的设定，炉温实时温度的显示，PID控制器参数的设定。系统结构原理画面说明了系统的控制原理以及数据的传输方向，以便于更好的了解试验机监控系统的控制流程。实时曲线画面用于显示被测量，被控量以及设定值的实时变化趋势。以便于操作人员了解被测量，被控量等的变化，从而更好的对监控过程进行分析，研究等，历史报表画面提供浏览和打印历史数据的功能。如图4.10所示。图4.10主界面4.2.2实时趋势
36、曲线打开开发系统页面后，点击工具箱中的“实时趋势曲线”按钮，把实时趋势曲线放进开发页面，然后双击曲线画面，对曲线进行设置，实时趋势曲线随时间变化自动卷动，可快速反应变量的新变化。如图4.11所示。图4.11实时趋势曲线4.2.3报警窗口打开开发系统页面后，点击工具箱中的“报警窗口”把报警窗口放进开发页面，然后双击画面，对报警窗口进行设置，包括通用属性、列属性、操作属性、条件属性、颜色和字体属性的设置。即可形成如图4.12所示的报警窗口画面。系统运行时，报警窗口会根据当前温度值做出适当的报警。图4.12报警窗口4.2.4报表窗口打开开发系统页面后，点击工具箱中的“报表窗口”，把报表窗口放进开发页
37、面。然后添加报表设置，打印预览，报表打印，关闭画面等按钮并对其进行设置。如图4.13所示，报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。图4.13历史数据报表窗口4.3 PLC程序设计4.3.1设计思路PLC运行时，利用特殊继电器SM0.0的初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等，存入有关的数据寄存器，使定时器复位；按启动按钮，系统开始温度采样，采样周期为10秒；K型热电偶传感器把所测量的温度进行标准量转换（0-41毫伏）；模拟量输入通道AIW0通过读入0-41毫伏的模拟电压量送入PLC；经过程序计算后得出实际测量的温度T，将T和温度设定值比较，根据偏差计算调
38、整量，发出调节命令15。图4.14即是控制程序流程图。图 4.14程序流程图4.3.2 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16。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”
39、，选择“PID”，如图4.15所示。图4.15 配置PID指令图4.16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4.16 配置PID环路参数点击“下一步”后出现如图4.17所示画面。图4.17回路输入选项连续“下一步”就会出现，如图4.18所示。图4.18初始化子程序点击“下一步”，如图4.19所示，配置成功。图4.19完成向导配置4.3.3梯形图程序图4.20 梯形图程序网络1上述程序中，I0.1和I0.2分别是启动和停止按钮，Q0.0和Q0.1分别是系统运行指示灯
40、（绿灯）和系统停止指示灯（红灯），M0.0和M0.1是中间继电器，如图4.20所示。 图4.21梯形图程序网络2这里用SM0.0直接调用了编程软件自带的PID子程序，其实就是利用PID指令向导编程。上面的指令中，PV_I为反馈值，也就是热电偶将检测到的当前温度值送入温度模块后输出的模拟电压值AIW0；Setpoint_R为设定值17,如图4.21所示。每个PID回路都有两个输入变量，给定值SP和过程变量PV。执行PID指令前必须把它们转换成标准的浮点型实数。即先把整数值转换成浮点型实数值，再把实数值进行归一化处理，使其为0.0-1.0之间的实数。归一化的公式为：R1=(R/S+M) （4-1）
41、式中，R1为标准化的实数值；R为未标准化的实数值；M为偏置，单极性为0.0，双极性为0.5；S为值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000，双极性为64000。在本项目中，R=100，即就是设定温度100度；S=32000，M=0.0，所以按照归一化公式R1=100/32000+0.0=0.03125，即Setpoint_R为0.03125。图4.22梯形图程序网络3该网络的程序功能是把PID回路输出转换成占空比。因PID回路的输出PID0_Output为0.0-1.0之间的实数值，又因我们设置了采样时间为10秒，所以第一个指令MUL_R中INT2为100.0。ROUND是将实数
42、转换成双整数，DI_I是将双整数转换成整数。VW2和VW4分别是采样周期内的加热时间和非加热时间18，如图4.22所示。图4.23 梯形图程序网络4上述程序用了两个100ms的定时器T241和T242来控制加热时间，其中Q0.3为连接固态继电器的输出端子，如图4.23所示。图4.24 梯形图程序网络5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，如图4.24所示。4.4系统测试组态王和PLC编程软件不能同时启动，因为他们使用的是同一个端口，要想在线利用
43、组态王监控程序，那就先必须在关闭组态王的情况下，先把PLC程序下载到PLC中，并且运行程序，再把编程软件关闭，才可以启动组态王，这样就可以利用组态王在线监控了19。4.4.1启动组态王打开组态王的项目工程管理器，点击窗口栏中“WIEW”或者在画面中点击右键，选择“切换到VIEW”，启动组态王，进入主画面。这个时候，系统会自动打开一个信息窗口，可以通过信息窗口来知道，组态王的运行情况以及和PLC的连接是否成功。如果连接不成功，会出现通信失败的提示语言，那就要查明原因，否则不能监控。如果提示连接设备成功，窗口会显示开始记录数据，那就表示可以开始系统的运行了。组态监控启动之后，会自动显示组态画面，如
44、图 4.25 所示。图4.25系统运行主界面4.4.2实时曲线观察点击组态画面的实时曲线按钮，可以观察，在自PID参数的作用下，控制效果的情况。如图4.26所示。图4.26炉温实时曲线控制器起到了调节作用，最后温度稳定在了设定温度上，它的调节时间长短与PID参数的设定有关。所以，我们可以增大Kc，使调节时间变短，点击主控控制画面的参数设定窗口的比例增益来进行调节，如图 4.27所示。图4.27 PID参数设置4.4.3历史数据报表观察点击主画面的报表按钮，出现实时数据报表窗口，点击报表查询，可以查看报表记录的数据。如图4.28所示。图 4.28 报表查询记录的数据如图 4.29所示。图4.29
45、 数据记录如图4.30所示，温度控制系统从300度变成800度，开始运行到趋于稳定需要77秒，系统反应快速，控制精确度高，抗干扰能力强。图4.30炉温实时曲线第5章 总结 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。PID闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效果。组态软件组态王因其简单易用的特点，在HMI设计中深受用户的喜欢而得到广泛的使用。在西门子S7-200系列PLC和组态软件组态王的基础上，我们成功设计出了温度监控系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。再加上由组态王设计的人机界面，整个系统操作简单，控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。该温度控制系统也有一些有不足的地方需要改进，编程时我们用了编程软件自带的PID指令向导模块，这样虽然方便，但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大，若不直接调用该模块，而是自己编写PID控制子程序的话，控制效果可能会更好。谢 辞在此次毕业设计初始，我盲目的在网上搜索资料，