《基于PLC和wincc的温度控制系统设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC和wincc的温度控制系统设计.pdf（3页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、基于PLC和WinCC的温度控制系统设计 杨 军 答嘉曦 余调琴 熊永前 (华中科技大学控制科学与工程系 武汉 430074) 摘 要 介绍了一种基于SIMATIC PLC和WinCC的温度控制系统的设计和开发。详细阐述了系统的功能、 硬件组成、 通信以及软件设计。经过系统仿真和组装实验,该系统完全达到设计要求。 关键词 PLC WinCC 过程控制 PID控制 中图分类号 TP273 Design of Temperature Control Systems Based on PLC and WinCC Yang Jun Da Jiaxi Yu Tiaoqin Xiong Yongqian
2、(Dept. of Control Science 工人劳动强度较大;管理分散,无法做到集中监 控各个压力容器的生产运行情况。随着工业自动 程度的日益提高,对控制精度和运行管理的要求也 越来越高。因此,对现有设备升温/恒温监控和管 理进行改造和改善就势在必行。通过设备改造,达 到提高控制精度和产品质量、 减轻工人劳动强度、 提高自动化水平及经济效益的目标。 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,性 能价格比高,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、
3、 逻辑判断、 输出控制;而上位机则是利用 HMI/ SCADA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1。 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和湖 北省某化工企业合作,对其蒸煮工段球形压力容器 的温度控制系统进行了技术改造。以基于PLC的 下位机和完成HMI/ SCADA功能的上位机相结合, 构建成分布式控制系统,实现了蒸球升温/恒温的 自动控制和集中监控。 2 系统的总体设计2 ,3 蒸煮工段有3个蒸球,都是由锅炉通过管道将 蒸汽送入,并由进蒸汽调节阀和排蒸汽调节阀对蒸 球内的物料进行升温/恒温控制
4、。系统需要监控的 参数有:蒸球的温度,蒸球的压力,电机电压,电机 电流,调节阀开度位置信号、 位置开关信号等参数。 为了检测和控制这些运行参数,分别在配电室,电 机和蒸球上安装电流,电压,温度,压力变送器,并 531第34卷(2006)第6期 计算机与数字工程 收到本文时间:2005年8月4日 将调节阀执行机构信号线接入PLC输出端口,通 过4 - 20mA的标准电流信号来控制阀门开度。 经过对工业现场设备控制逻辑关系的分析和 归纳,在系统的总体设计上我们采用集中监测,分 散控制的原则。即各个车间按照操作需求配备操 作员面板(Operator Panel)用来提供蒸球顺序控制 和测量/状态数据
5、实时监视;而将所有PLC收集的 现场数据以及PLC本身的状态数据通过总线网络 集中到总控计算机,用总控计算机的组态软件来实 现控制系统的全局范围的动态监测和现场数据分 析处理与存档。 2.1工厂管理层 工厂管理层的拓扑结构采用工业以太网TCP/ IP通讯协议标准来实现对工业现场的集中管理, 完成更高一层的自动化功能。 2.2生产监控级 监控级采用 IPC( 工业计算机)作为上位机,并 通过WinCC V6实现系统的HMI/ SCADA功能;上 位机同分散PLC进行通讯。上位机属于主控设备 (Master Device) ,需要安装CP 5611 PCI Card ,PLC为 从属设备(Slav
6、e Device) ,从而实现对各个工业现场 的监控,提供工艺流程、 提示报警、 报表生成及打 印、 自动生成历史曲线图、 进行数据库查询等功能。 2.3现场控制级 图1 系统结构图 控制级采用西门子S7 - 200系列的PLC作为 下位机,实现对现场的控制。S7 - 200有4种基本 的CPU型号,根据需要选用的CPU226 AC/ DC/ re2 lay ,这一型号的CPU带24个数字量输入和16个继 电器输出,并且有一个RS485通信/编程口,具有 PPI、MPI、PROFIBUS和自由端口模式等通讯协议。 另外再配置2给模拟量模块EM235 ,每个EM235模 块提供4个模拟量输入和1
7、个模拟量输出。 2.4通讯方式 S7 - 200CPU不仅支持简单的网络,而且支持 比较复杂的网络,它支持多种网络协议,如点对点 接口(PPI)、 多点接口(MPI)和PROFIBUS。在开放 系统互联模型(OSI)七层模式通讯结构的基础上, 这些协议在一个令牌环网络上实现。这些协议都 是基于字符的异步通信协议,带有1位起始位、8 位数据位、 偶校验和1个停止位。 S7 -200系 列CPU中CPU222、CPU224、 CPU226、CPU226XM都可以通过EM277模块支持 ProfibusDP网络协议。EM277通过模块扩展电缆 连接到S7 - 200CPU。作为DP从站,EM277模
8、块接 受从主站来的多种不同的I/ O配置,向主站发送和 接收不同数量的数据。EM277能读写S7 - 200CPU 中在主站方面定义地址的变量数据块 (V 存储区 域)。这样,用户能与主站交换任何类型的数据。 首先,将数据移到S7 - 200CPU中的变量存储器,就 可将输入、 计数值、 定时器值或其他计算值传送到 主站。通讯结构如图2。 图2 通讯结构图 3 温度控制系统的软件设计与实现 软件设计主要包括上位机监控软件和下位机 软件设计。 3.1 WinCC监控软件设计 上位机软件设计采用西门子WinCC V6软件。 西门子视窗控制中心SIMATIC WinCC (Windows Contr
9、ol Center)是HMI/ SCADA软件中应用非常广泛 的一个。通过WinCC开发的组态系统能够使整个 系统通过完整和丰富的编程系统实现了双向的开 放性;实现了数据库系统的全面开放;广泛的采用 了最新的开放性软件技术和标准,能面向多种操作 系统平台4。在本系统中,依靠WinCC系统开发 过程流程画面、 监控画面、 实时调节曲线、 历史曲 线、 报警画面、 历史报警信息、 用户登录系统,从而 631 基于PLC和WinCC的温度控制系统设计 第34卷 实现对现场的实时监控。升温/恒温控制趋势图为 上位机监控画面为SCADA中的一幅,如图3所示。 图3 WinCC组态监控界面 3.2下位机软
10、件设计 下位机软件设计是在监控级利用STEP7系列 的编程软件STEP7 - Micro/ Win4. 0完成对下位机 程序的编制与调试,然后把调试好的程序通过 Profibus网络下载到PLC中。下位机软件主要实现 PLC与监控级的通讯、PLC对升温/恒温过程的自 动控制,故障诊断等子程序。 上电初始化 当系统开始运行时,为了保证系统运行的安全 性,首先将系统的所有输出点置为安全状态。初始 化操作包括对RAM、ROM清零,对控制参数的初始 化,例如将计数器清零,当前模拟量采样值清零等 参数进行预置。 信号处理 现场的模拟量(如压力、 温度、 阀位等模拟电流 信号)采集和通讯的过程会受到现场工
11、作环境里其 他设备的干扰和影响,电流变送器送入模拟量模块 EM235的电流值可能存在波动和干扰等情况,因此 通过模拟量模块采集回来的数据最好不要直接使 用,而要经过滤波处理。对于蒸球系统这样的大惯 性的系统可以采用平均值的算法进行滤波。 具体实现是在主程序在每个扫描周期内,都调 用1次子程序进行模拟量的采集和滤波处理。本 系统中每个扫描周期内调用子程序读取模拟量模 块EM235采集值的A/ D转换结果,然后将其累加, 当采集次数达到预置的采集次数时,将累加值除以 采集次数得到平均值,然后将这个平均值作为本次 采集的最终结果送回主程序。 升温/恒温控制算法5 对关键的升温/恒温过程,我们考虑采用
12、PID 算法来实现控制要求。PID算法因为其显著的优 点在工业控制领域得到了极其广泛的应用。它不 要求控制系统的数学模型,PID控制器结构典型、 易于实现,参数调整也非常方便,而且它有较强的 灵活性和适应性。S7 - 200提供8个回路的PID功 能,同时提供专门的PID指令进行PID控制。同 时,对于蒸球这样一个纯滞后的系统,考虑采用预 估补偿的算法来提高控制效果。如图4所示。 图4 预估补偿一般型框图 4 结论 基于PLC的下位机与HMI/ SCADA的上位机 形成分布式升温/恒温控制系统是一个可行的、 高 效率的系统。在我们的仿真和组装实验中,调节 后,温度可以控制在目标温度+ 0. 5
13、- 0. 5 范围 内,而且加一个扰动后,能够很快实现平衡。从而 符合我们系统所要求达到的目标。 总之,基于PLC和WinCC的升温/恒温控制系 统充分考虑了中小化工企业的现状和控制要求,可 以应用于大量类似的工况环境和场合。由于PLC 和WinCC构建的控制系统可靠、 灵活、 具有较强适 应性,它在类似的控制系统领域具有很强的生命 力。 参 考 文 献 1廖常初. PLC编程及应用M.北京:机械工业出版社, 2004 2汪晓平. PLC可编程控制系统实例开发导航M.北 京:人民邮电出版社,2004 3SIEMENSAG. SIMATACMicroComputing User Manual. 2000 4SIEMENS AG. SIMATAC S7 - 200 Programmable Controller System Manual. 2000 5邵裕森等.过程控制系统及仪表M.北京:机械工业 出版社,1993 731第34卷(2006)第6期 计算机与数字工程