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基于PLC的热水箱恒温控制系统设计.rar

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    编号:20180802233203815    类型:共享资源    大小:7.78MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-02
      
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    基于 PLC 水箱 恒温 控制系统 设计
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    天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文第 1 页 共 37 页内容摘要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。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。关键字:温度控制 PLC 组态天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文第 2 页 共 37 页目 录1 引言 .................................................................31.1 温度控制系统的意义 .................................................31.2 温度控制系统背景 ...................................................31.3 研究技术介绍 .......................................................32 硬件设计 .............................................................62.1 硬件配置 ...........................................................62.2 I/O 分配表 ..........................................................82.3 硬件接线图 ........................................................103 软件设计 ............................................................103.1 PID 控制程序设计 ...................................................153.2 S7-200 程序设计流程图 ..............................................163.3 内存地址分配与 PID 指令回路表 ......................................173.4 S7-200 程序设计梯形图 ..............................................174 组态编程 ............................................................254.1 PLC 通信配置与通信方式 .............................................254.2 网络的通讯 PPI 协议 ................................................254.3 组态软件 Kingview..................................................274.4 组态王定义外部设备和数据变量 ......................................274.5 组态王界面 ........................................................304.6 启动组态王 ........................................................29结论 ...................................................................32致谢 ...................................................................35参考文献 ...............................................................36天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文第 3 页 共 37 页1 引言1.1 温度控制系统的意义温度及湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合,及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的,近年来,温湿度测控领域发展迅速,并且随着数字技术的发展,温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台,能够在工业、农业等各领域中广泛使用。1.2 温度控制系统背景自 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,在这方面,一日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,都产生了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行各业广泛应用。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然十分广泛,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。目前,我国在这方面总体水平处于 20 实际 80 年代中后期水平,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系统参数的自整定方面,还没开发性能可靠的自整定软件。参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。随着科学技术的不断发展,人们对温度控制系统的要求越来越高,因此,高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。1.3 研究技术介绍天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文第 4 页 共 37 页1.3.1 传感技术传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础技术。中华人名共和国国家标准 GB7665-1987 对传感器(transducer/sensor)的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。其中,敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中能将敏感元件或响应的被测量转换成适于传感器或被测量的电信号部分。 ”对生产过程的监控首先离不开采集设备工作信息,因此选用合适的传感器至关重要,如果把计算机看作是自动化系统的“大脑” ,信道看作是“神经网络”的话,那么传感器就是自动化系统的“五官” 。无法对现场数据进行准确、可靠、实时测量,监控也就无从谈起了。1.3.2 PLC可编程控制器的英文名称是 Programmable Logic Controller,即可编程逻辑控制器,简称 PLC。现代制造业必须对市场需求做出快速反应,生产小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品,这便要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高可靠性和灵活性。可编程控制器正是顺应这一潮流而出现的,以微处理器为基础的通用工业控制装置。在 20 世纪 60 年代的汽车制造业,传统继电接触器控制装置广泛应用于生产流水线的自动控制系统中。这套装置设备体积庞大,可靠性差,同时维护不便,而且,完全由逻辑硬件构成,接线十分复杂。一旦生产过程某一环节发生改变,控制装置就要重新设计改造。随着汽车生产工业的迅猛发展,对于汽车型号频繁改进,传统控制系统捉襟见肘,弊端日益放大,最终 PLC 应运而生。它开创性地引入程序控制功能,使计算机科学技术进入工业生产控制领域应用。早期 PLC 仅仅是替代继电器控制装置完成顺序控制、定时等任务,但是其简单易懂、安装方便、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用的特点,使得 PLC 很快就得到了推广应用。随着超大规模集成电路技术和微处理器性能的天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文第 5 页 共 37 页飞速发展,PLC 的软、硬件功能不能丰富、完善。国际电工委员会(IEC)对 PLC 的正式定义:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境应用而设计,它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟或输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 ”PLC 技术发展至今已十分成熟,生产 PLC 产品的厂家多达 200 多个,其中较著名有德国的西门子(Siemens)公司、美国的 Rockwell 自动化公司所属的A-B(Allen & Bradly)公司、GE-Fanuc 公司、法国的施耐德(Schneider)公司、日本的三菱公司和欧姆龙(OMRON)公司。1.3.3 上位机即便远离生产现场,操作人员仍可以通过远程计算机—即上位机—直接向生产设备发出控制指令的。上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号变化(液压,水位,温度等) ,便是人机界面(Human Machine Interface) 。而下位机是获取设备状况及直接控制设备的计算机,一般是 PLC 或单片机。1.3.4 组态软件组态软件,处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。在组态软件出现之前,工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI(人机接口软件)应用,开发时间长、效率低、可靠性差;或者购买专用的工控系统,通常是封闭的系统,选择余地小,往往不能满足需求,很难与外界进行数据交互,升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能,构建一套最适合自己的应用系统。随着工业自动化水平的迅速提高,计算机在工业领域的广泛应用,种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用,传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时,一旦工业被控对象有变天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文第 6 页 共 37 页动,就必须修改其控制系统的源程序,导致其开发周期长;已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低,导致它的价格昂贵。通用工业自动化组态软件能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题,使用户能根据自己的对象和控制目的的任意组态,完成最终的自动化控制工程。天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文第 7 页 共 37 页2 硬件设计2.1 硬件配置2.1.1 西门子 S7-200 CUP226S7-200 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、写入器等。S7-200 系列的基本单元如表 2.1 所示。表 2.1 S7-200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本单元型号 输入点 输出点 可带扩展模块数S7-200CPU221 6 4 0S7-200CPU222 8 6 2 个扩展模块S7-200CPU224 24 10 7 个扩展模块S7-200CPU224XP 24 16 7 个扩展模块S7-200CPU226 24 16 7 个扩展模块本论文采用的是 CUP226。它具有 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。2.1.2 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、答应误差、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天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文第 8 页 共 37 页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。本论文采用的是 K 型热电阻。2.1.3 EM 235 模拟量输入模块EM 235 模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体(ST)单片集成变送器 ASIC 芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块,它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的 DC4~20mA(通过 250Ω 电阻转换 DC 1~5V 或通过 500Ω 电阻 转换 DC2~10V)恒流环标准信号,连续输送到接收装置(计算机或显示仪表) 。表 2-1 所示为如何用 DIP 开关设置 EM 235 模块。开关 1 到 6 可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。表2.2 所示为如何选择单/双极性(开关 6) 、增益(开关 4 和 5)和衰减(开关1、2 和 3) 。下表 2.2 中,ON 为接通,OFF 为断开。表 2.2 EM 235 选择模拟量输入范围和分辨率的开关表单极性SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6满量程输入分辨率ON OFF OFF ON OFF ON 0 到 50mV 12.5μVOFF ON OFF ON OFF ON 0 到 100mV 25μVON OFF OFF OFF ON ON 0 到 500mV 125uAOFF ON OFF OFF ON ON 0 到 1V 250μVON OFF OFF OFF OFF ON 0 到 5V 1.25mVON OFF OFF OFF OFF ON 0 到 20mA 5μAOFF ON OFF OFF OFF ON 0 到 10V 2.5mV根据温度检测和控制模块,我设置 PID 开关为 010001天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文第 9 页 共 37 页图 2.1 DIP 开关2.1.4 温度检测和控制模块由学校提供,模拟真实锅炉的温度检测和控制模块,可自行将 0~10V 模拟信号转化为占空比对锅炉进行加热。输出的模拟信号也是 0~10V,锅炉外接24V 直流电源。2.2 I/O 分配表表 2.3 I/O 分配表输入I0.0 启动按钮I0.1 停止按钮输出Q0.1 启动指示灯Q0.2 停止指示灯Q0.3 正常运行指示灯Q0.4 温度越上限报警指示灯Q0.5 锅炉加热指示灯2.3 硬件接线图天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文第 10 页 共 37 页图 2.2 硬件连接图电流变送器电压变送器未使用输入端电压负载电流负载图 2.3 EM 235 CN 连接图
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