参考论文-基于西门子S7-200PLC的温度控制系统设计毕业论文

基于西门子S7-200 PLC的温度控制系统设计毕业论文
第一章前言
1.1 课题研究背景
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都
与温度密切相关。

在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着
极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。

对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，
所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。

例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等[1]。

温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。

它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中
深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用[2]。

目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别
是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。

但就其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的PID控制。

PID结构简单、稳定性好、工作
可靠、使用中不必弄清系统的数学模型[3]。

PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级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、通用层次的软件工具。

在组态
概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。

编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。

组态软件的
出现，解决了这个问题。

对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成.组态王是国内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用[4]。

1.2 温度控制系统的发展状况
温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。

温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。

期间，从
低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。

当前比较流行的温
度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC 的温度控制系统，
基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。

单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。

单片机已经由开始的4位
机发展到32位机，其性能进一步得到改善[5]。

基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。

但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、
中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。

PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指
令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字
输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。

PLC可靠性高、抗干扰
能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广
泛应用[6]。

相对于 IPC，DCS，FSC等系统而言，PLC是具有成本上的
优势。

因此，PLC占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。

工控机（IPC）即工业用个人计算机。

IPC的性能可靠、软件丰富、价格
低廉，应用日趋广泛。

它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、
防灰尘，防电磁辐射。

过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一
般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的
复杂系统。

影响燃烧的因素十分复杂，较正确的数学模型不易建立，以
经典的PID为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。

而计算机提供
了诸如数字滤波，积分分离PID，选择性PID。

参数自整定等各种灵活算
法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的
[7]。

在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的
监控品质，提高了平均热效率[7]。

但如果单独采用工控机作为控制系统，
又有易干扰和可靠性差的缺点。

集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新
型控制系统。

与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。

DCS
的关键是通信。

也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。

由于它
的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计
就决定了总体的灵活性和安全性。

基本DCS的温度控制系统提供了生产
的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统
的效率[8]。

但DCS在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致DCS 成本太高。

现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制
技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。

其优势在于网络化、
分散化控制。

基于总线控制系统（FCS）的温度控制系统具有高精度，
高智能，便于管理等特点，FCS系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。

而且它可以对现场装置(含变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的[9]。

但是，FCS 还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，另一方面，目前现场总线的国际标准共有12种之多，这给FSC的广泛应用添加了很
大的阻力。

各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，
当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。

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
比有着较大差距。

成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为
主。

它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。

而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还
不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多
的成熟产品。

但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发
出性能可靠的自整定软件。

控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。

国
外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得
成果。

日本、美国、德国、瑞典等技术领先，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，并在各行业广泛应用。

目前，国外温
度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展[10]。

1.3本文的研究内容
本论文主要是利用PLC S7-200 采用PID控制技术做一个温度控制系统，
要求稳定误差不超过正负1℃，并且用组态软件实现在线监控。

具体有以
下几方面的内容：
第一章，对PLC系统应用的背景进行了阐述，并介绍当前温度控制系统的
发展状况。

第二章，简单概述了PLC的基本概念以及组成。

第三章，介绍了控制系统设计所采用的硬件连接、使用方法以及编程软件
的简单介绍。

第四章，介绍了本论文中用到的一些算法技巧和思想，包括PWM、PID
控制、PID在PLC中的使用方法以及PID的参数整定方法。

第五章，介绍了设计程序的设计思想和程序，包括助记符语言表和梯形图。

第六章，介绍了组态画面的设计方法。

第七章，进行系统设计，检验控制系统控制质量。

第八章,对全文进行总结。

第二章可编程控制器的概述
2.1 可编程控制器的产生
可编程控制器是一种工业控制计算机，英文全称：Programmable Controller，为了和个人计算机(PC)区分，一般称其为PLC。

可编程控制器(PLC)是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。

其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域。

20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大，未能在工业领域中获得推广。

1968年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备十大条件，立即引起
了开发热潮。

1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。

可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。

1971年日本开始生产可编程控制器，而欧洲是1973开始的。

如今，世界各国的一些著名的电气工厂几
乎都在生产可编程控制器[11]。

可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代，见表1-1。

表 1-1 可编程控制器功能表
代次器件功能
第一代 1位处理器逻辑控制功能第二代 8位处理器及存储器产品系列化第三代高性能8位微处理器及位片式微处理器处理速度提高，向多
功能及联网通信发展
第四代 16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器逻辑、运动、
数据处理、联网功能的多功能
2.2 可编程控制器的基本组成
PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。

整体式PLC一般由
CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源组成。

模块式PLC一般由CPU
模块、I /O模块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。

本论文实物采
用的是模块式的PLC，不管哪种PLC，都是属于总线式的开发结构，其构
成如图2-1所示 [12]。

1)CPU（中央处理器）
和一般的微机一样，CPU是微机PLC的核心，主要由运算器、控制器、
寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。

CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的控制规模、工
作速度和内存容量。

CPU控制着PLC工作，通过读取、解释指令，指导PLC有条不紊的工作。

2)存储器
存储器（内存）主要用语存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成部分。

PLC中的存储器一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。

系统程序一般由厂家编写的，用户不能修改；而用户程序是随PLC的控
制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。

3)输入输出模块
输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。

PLC提供了各种工作电平、连接形式和驱动能力的I/O模块，有各种功能的I/O模块供拥护
选用。

按 I/O点数确定模块的规格和数量，I/O模块可多可少，但其最大
数受PLC所能管理的配置能力，即底版的限制。

PLC还提供了各种各样的特殊的I/O模块，如热电阻、热电偶、高速计算器、位置控制、以太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打
印机等专用型或智能型模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。

智能
接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器及
与PLC系统总线相连接的接口。

4)编程装置
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编
程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。

常见的编程器有简易手持编程器、智能
图形编程器和基于PC的专用编程软件。

目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件
后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机
和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。

5）电源
PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流
电，是整个PLC的能源供给中心。

PLC大都采用高质量的工作稳定性好、
抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V
稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。

第三章硬件配置和软件环境
实验配置
3.1.1 西门子S7-200
S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。

其
系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示
器等。

本论文采用的是CUP224。

它具有24个输入点和16个输出点。

S7-200系列的基本单元如表3-1所示[13]。

3.1.2 传感器
热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势
信号。

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

所调用标准
热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统
一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。

非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的
分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

标准化热电偶我国从1988年1 月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

本论文才用的
是K型热电阻[14]。

3.1.3 EM 231模拟量输入模块
传感器检测到温度转换成0～41mv的电压信号，系统需要配置模拟量输
入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。

在这里，我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。

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：J、K、E、N、S、T和R型，它也允许连接微小的模拟量信号(±80mV
范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。

EM231模块需要用户通过DIP开关进行选择的有：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，用户可以很方便地通过位于模块下部的组态DIP开关进行以上选择，如图3-2所示。

本设计采用的是K型热电偶，结合其他的需要，我们设置DIP开关为00100000。

对于EM231 4TC模块，SW1～SW3用于选择热电偶类型，见表3-3 。

SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断
线检测，SW7用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿，见
表3-4[15]。

为了使DIP开关设置起作用，用户需要给PLC的电源断电再通电。

3.2 STEP 7 Micro/WIN32软件介绍
STEP 7-MWIN32编程软件是基于Windows的应用软件，是西门子公司
专门为SIMTIC S7-200系列PLC设计开发的。

该软件功能强大，界面友
好，并有方便的联机功能。

用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监
控用户程序的执行状态，该软件是SIMATIC S7-200拥护不可缺少的开
发工具
安装
在开始安装的时候是选择语言界面，对于版本来说，这时候没有选择
中文的，但可以先选择其他语言，见图3-5。

等软件安装好之后再进行语
言的切换。

在安装的最后，会出现一个界面，按照硬件的配置，我们需要用232
通信电缆，采用PPI的通信方式，所以要选择PPI/PC Cable(PPI)，这个
时候在弹出来的窗口中选择端口地址，通信模式，一般选择默认就可以
了，见图3-6。

如果想改变编程界面的语言，可在软件的主界面的工具栏中选择tools目
录下选择option选项，在出现的界面中选择general,然后在右下角就可以
选择中文了。

见图3-7所示。

3.2.2 系统参数设置
系统块用来设置S7-200 CPU的系统选项和参数等。

系统块更改后需要下载到CPU中，新的设置才能生效。

系统块的设置如下，需要注意的是，PLC的地址默认是2，但本设计中需要用到的地址是1，如图3-8。

通信端口的设置，同样的，我们用到的地址是1，如图3-9所示。

图 3-9 通信端口设置
第四章控制算法描述
4.1 PWM技术
脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换的许多领域中。

PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器
的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要
么完全有(ON)，要么完全无(OFF) [16]。

本论文中采样周期和加热周期都是10秒。

采样后，根据温差的大小进行PID调节，转化得到一个加热时间（0-10秒）作为下一个加热周期的加热时间。

例如温差大，加热时间就大，温差小，那么加热时间就小。

程序采用的是粗调和微控两段式控制方式。

在粗控调阶段，占空比恒为一。

在
微控制阶段，占空比就根据温差不停地变化。

4.2 PID控制程序设计
模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经
有60多年，现在依然广泛地被应用。

人们在应用的过程中积累了许多的
经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。

比例控制(P)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。

其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。

在积分控制(I)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。

在微分控制(D)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。

微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势。

避免较
大的误差出现，微分控制不能消除余差。

PID控制，P、I、D各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互
相制约，但只有合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量[17]。

4.2.1 PID控制算法
如图4-1所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。

偏差
e和输入量r、输出量c的关系:
(4.2)
控制器的输出为:
(4.3)
上式中, ——PID回路的输出;
——比例系数P;
——积分系数I;
——微分系数D;
PID调节器的传输函数为：
(4.4)
数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采
样后，计算机输出值。

其离散化的规律如表4-5所示：
表 4-5 模拟与离散形式
模拟形式离散化形式
所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为:
式中，
称为比例项；
称为积分项；
称为微分项；
上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累
积值[17]。

计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留
积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。

故可利用PLC中的PID指令实现位置式PID 控制算法量[18]。

4.2.2 PID在PLC中的回路指令
现在很多PLC已经具备了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是专用模块，有些是指令形式。

西门子S7-200系列PLC中使用的是
PID回路指令。

见表4-7。

表4-7 PID回路指令
名称 PID运算
指令格式 PID
指令表格式 PID TBL，LOOP
梯形图
使用方法：当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。

指令的两
个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是
VB100，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD100到VD132
都被占用了。

LOOP是回路号，可以是0~7，不可以重复使用。

PID回路
在PLC中的地址分配情况如表4-8所示。

表4-8 PID指令回路表
偏移地址名称数据类型说明
0 过程变量（PVn）实数必须在之间
4 给定值（SPn）实数必须在之间
8 输出值（Mn）实数必须在之间
12 增益（Kc）实数比例常数，可正可负
16 采样时间（Ts）实数单位为s，必须是正数
20 采样时间（Ti）实数单位为min，必须是正数
24 微分时间（Td）实数单位为min，必须是正数
28 积分项前值（MX）实数必须在之间
32 过程变量前值（PVn-1）实数必须在之间
1)回路输入输出变量的数值转换方法
本文中，设定的温度是给定值SP，需要控制的变量是炉子的温度。

但它
不完全是过程变量PV，过程变量PV和PID回路输出有关。

在本文中，
经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这
两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转
换。

温度输入变量的数10倍据转化。

传感器输入的电压信号经过EM231
转换后，是一个整数值，他的值大小是实际温度的把A/D模拟量单元输出
的整数值的10倍。

但PID指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整
数转化成实数。

使用指令DTR就可以了。

如本设计中，是从AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。

其转换程序如下:
MOVW AIW0, AC1
DTR AC1, AC1
MOVR AC1, VD100
2)实数的归一化处理
因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外，其他几个参数都要求输入
或输出值之间，所以，在执行PID指令之前，必须把PV和SP
的值作归一化处理。

使它们的值都在之间。

归一化的公式如4.9:
（4.9）
式中, ——标准化的实数值；
——未标准化的实数值;
——补偿值或偏置，单极性为0.0，双极性为0.5;
——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6400。

本文中采用的是单极性，故转换公式为:
（4.10）
因为温度经过检测和转换后，得到的值是实际温度的10倍，所以为了SP
值和PV值在同一个数量值，我们输入SP值的时候应该是填写一个是实
际温度10倍的数，即想要设定目标控制温度为100℃时，需要输入一个1000。

另外一种实现方法就是，在归一化的时候，值域大小可以缩小10 倍，那么，填写目标温度的时候就可以把实际值直接写进去[19]。

3)回路输出变量的数据转换
本设计中，利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。

回路的输
出值是在之间，是一个标准化了的实数，在输出变量传送给D/A
模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。

这一过程是实
数值标准化过程。

（4.11）
S7-200不提供直接将实数一步转化成整数的指令，必须先将实数转化成双
整数，再将双整数转化成整数。

程序如下：
ROUND AC1, AC1
DTI AC1, VW34
4.2.3 PID参数整定
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时
间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质
量指标要求。

一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。

目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲
线法。

经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行
经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温。