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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 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，向多产品系列化
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