基于西门子s7-200的温度控制系统设计毕业设计论文

郑州大学毕业设计（论文）

题目基于西门子S7-200 PLC的温度

控制系统设计

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摘要

温度是各种工业过程最普遍、最重要的参数之一，温度控制的精度对实验结果或工业生产都会产生重要的影响。

传统的温控系统采用温控仪表和继电器式控制柜等进行控制，其主要缺点是结构复杂，体积大，故障率高，通用性差，控制精度低．人机交互困难，自动化程度低．难以满足现代生产加工的需要。随着现代传感技术与控制方法的不断革新和发展，对实时温度控制的精度以及反应快速性的要求越来越高。本文就是基于PLC的温度控制系统设计。

本文主要介绍了PLC相关知识、温度控制系统的硬件设计、软件设计，同时对传感技术、PID算法以及调压技术进行了涉及。在硬件上主要采用西门子S7-200系列CPU224XP，K型热电偶传感器及K型热电偶变送器、柱式电压调压器以及EM235模拟量输入输出扩展模块。热电偶作为温度采集元件，采集的信号经温度变送器转换盒放大后送到EM235处理，随后送入PLC进行PID运算，运算结果控制调压器对加热过程进行调节实现自动化控制。

关键词温度控制PLC PID

Abstract

Temperature is one of the most common variety of industrial processes, the most important parameter, the accuracy of temperature control will have an important impact on the results or industrial production.

The temperature control system is adopted in traditional temperature control meter and relay control cabinet control, its main disadvantage is the complicated structure, big volume, high failure rate, poor universality, low control accuracy. Human-computer interaction difficulties, low degree of automation. It is difficult to meet the needs of modern production and processing. With the continuous innovation and development of modern sensor technology and control method, the higher of the real-time temperature control precision and response speed are required. This article is based on the PLC temperature control system design.

This paper mainly introduced the PLC related knowledge, the temperature control system hardware design, software design, at the same time, sensor technology, PID algorithm and the pressure regulating technology is involved. The hardware mainly adopts Siemens S7-200 series CPU224XP, the column voltage type K thermocouple sensor and K type thermocouple temperature transmitter, pressure regulator and EM235 analog input and output expansion module. Thermocouple as the temperature acquisition device, the signals collected by the temperature transmitter conversion kit amplified to EM235 processing, then sent to PLC PID operation, the control voltage regulator is adjusted to realize automatic control of heating process calculation results.

Keywords temperature control PLC PID

目录

摘要 ........................................................................................................................................................ I I Abstract .................................................................................................................................................. V 第一章绪论. (1)

1.1 课题研究背景及意义： (1)

1.2 课题研究的主要内容 (2)

1.3 研究技术介绍 (2)

1.3.1 传感检测技术 (2)

1.3.2 PLC (3)

1.3.3 上位机 (3)

1.3.4 组态软件 (4)

第二章硬件设计 (5)

2.1 硬件配置 (5)

2.1.1 西门子S7-200PLC (5)

2.1.2 热电偶 (8)

2.1.3 电力调整器 (9)

2.2 硬件连接 (12)

2.3 地址分配表 (13)

第三章软件设计 (14)

3.1 PID控制程序设计 (14)

3.1.1 PID控制内容 (14)

3.1.2 PID控制原理（PID算法） (14)

3.1.3 PID输入输出值转换 (15)

3.1.4 PID在PLC中的回路指令 (17)

3.1.5 PID参数调整的一般步骤 (18)

3.2 程序设计流程图 (18)

3.3 内存分配地址及PID指令回路表 (20)

3.4 S7-200程序设计梯形图 (21)

3.4.1 启动/停止 (21)

3.4.2 初始化 (21)

3.4.3 调用子程序 (22)

3.4.4 数据导入 (23)

3.4.5 测量值归一处理 (24)

3.4.6 计算设定量与过程变量差值 (25)

3.4.7 根据具体情况选择合适的加热方式 (25)

第四章组态软件Kingview (27)

4.1 外部设备定义 (27)

4.2 数据变量 (28)

4.3 组态王画面设计 (29)

4.3.1 建立新画面 (29)

4.3.2 实时趋势曲线制作 (30)

4.3.3 报警窗口制作 (32)

4.3.4 指示灯 (34)

4.3.5 温度数值显示 (35)

4.3 组态王与西门子PLC的通信 (36)

第五章结论 (37)

致谢 (38)

参考文献 (39)

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义：

工业生产当中，温度是一个非常重要的参数，温度的轻微变化均可能带来较大的物理化学变化，从而给生产质量带来了巨大的挑战。在科学研究和生产实践当中——特别是在冶金、化工、建材、视频、机械、石油等工业当中，温度控制更是具有举足轻重的作用，而不同的工业生产和工业要求下的温度控制系统所采用的加热方式也各不相同，考虑到电阻炉能够实现较快的控制变化以适应复杂多变的工业生产过程，电阻炉温度控制系统的优劣更是衡量质量的重要属性，故而本课题主要以电阻炉为对象设计根据生产要求及实时状态不同的情况下均具有较好温度控制效果的温度控制系统。

传统的温控系统采用温控仪表和继电器式控制柜等进行控制，其主要缺点是结构复杂，体积大，故障率高，通用性差，控制精度低．人机交互困难，自动化程度低．难以满足现代生产加工的需要。随着现代传感技术与控制方法的不断革新和发展，对实时温度控制的精度以及反应快速性的要求越来越高。传统的模拟式温度控制方法已经不能适用干现代工业对系统稳定性和快速性的需求，特别是当系统的温度指令信号发生快速变化时，传统的模拟控制器固有的反应时间和器件特性使系统的反应稳定过程较慢、而且易受干扰，不能适应现代高精度温度控制的需求。

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。就发展情况和使用现状而言，PLC与集散控制系统的发展越来越接近，多数情况下已经可以实现功能的互相替代；而工业微机在要求快速、实时性强、模型复杂的工业控制系统中占有优势，但是最致命的弱点是尚不能适应复杂多变的工业现场环境且对操作人员要求比较高。综合对比而言，PLC具有相当大的功能和成本优势：PLC不仅具有传统继电器控制系统的控制功能．而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些智能控制模块．构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，实现智能控制、闭环控制、多控制功能一体的综合控制系统;PLC功能强、集成度高、抗干扰能力强、组态灵活、工作稳定，编程简单，无论对编程人员还是对操作人员都无需较高的专业水平，具有更强大的适应性；另外一个比较关键的优势是，PLC发展相对完善且具有明显的成本优势。故而，本课题选取的西门子S7—200PLC作为控制元件。

1.2 课题研究的主要内容

本文主要以电阻炉为对象研究设计了能够根据实时状态采取不同温度控制方式的温度控制系统，并保证了用户可以调整预设温度来针对不同的生产实践过程，具有较强的适应性。对此，本文主要进行了以下几个方面的工作：

（1）较为简单明了的阐明了锅炉控制的主要机理，并就整个温度控制过程给出了较为清晰明了的说明；

（2）介绍了西门子S7—200系列PLC的主要内容，并根据实际需要对型号和使用器件进行了对比选择；

（3）介绍了PID控制算法的相关内容以及PLC自带PID模块的使用，并就系统自调整的步骤给出了相关介绍；

（4）根据控制系统的设计要求进行PLC控制程序的编制；

（5）上位机监控软件的设计，采用应用范围较大的组态王软件对整个温度控制过程进行监控。

1.3 研究技术介绍

1.3.1 传感检测技术

传感检测技术是应用传感器将被测量信息转换成便于传输和处理的物理量，进而进行变换、传输、现实、记录和分析数据处理的技术。随着科学技术和生产发展的需要，传感检测技术已经发展成为一门完整的交叉性技术学科，综合应用了现代电子技术、微电子技术、生物技术、材料科学、化学科学、光电技术、精密机械技术、微细加工技术等。

传感检测技术是实现自动控制、自动调节的关键环节，它与信息系统的输入端相连接，并将检测到的信号输送到信息处理部分，是机电一体化系统的感受器官。随着现代电子技术、微电子技术及信息技术的发展，在各种可用信号中电信号最便于处理、传输、显示和记录，因此传感器大多集中在“将外界非电信号转换成电信号输出”。

传感器按工作原理可以分为电阻式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、电容式传感器光电式传感器、热电偶传感器等。其中热电势传感器时利用转换元件电磁参量岁温度变化的特性，对温度和与温度有关参量进行检测的装置，常用于温度监控系统的信息采集。

1.3.2 PLC

国际电工委员会（IEC）于1982年颁布了PLC标准草案第一稿，1987年颁布了第三稿，对可编程控制器（Programmable Logic Controller）定义如下：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专业为工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定式、技术和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械动作过程。可编程控制器及其相关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。

PLC型号品种繁多，但实质都是一种工业控制计算机，PLC内部组成分为中央处理器（CPU）、存储器、电源、输入输出单元和通信街头。PLC在运行状态执行用户指令分为3个时间段，第一段是输入信号采集阶段，以扫描方式顺序读入外面信号的输入状态并将该状态输入到输入映像存储器中；第二阶段是用户指令执行阶段，按照梯形图的顺序先左后右、从上到下的对指令进行读取和解释，并从输入映像存储器和输出映像存储器中读取输入和输出的状态，结合原来的各软元件的数据及状态进行逻辑运算，运算的结果存入响应的寄存器，然后执行下一条指令直至END；第三阶段是结果输出阶段，输出映像存储器的状态将成批输出到输出锁存寄存器中，输出锁存寄存器一一对应着物理点输出口，这才是PLC的实际输出。

世界上生产PLC的厂家非常多，著名的有美国A·B，日本三菱，德国西门子等公司。PLC编程语言常用的有梯形图、指令图和SFC图，由于梯形图比较直观容易掌握，因此受到普通技术人员欢迎。PLC变成工具有手持式编程器，一般供现场调试及修改使用；个人电脑，利用专用的编程软件（STEP7-MicroWIN）进行编程。

1.3.3 上位机

上位机是可以直接发出操控指令的计算机，一般为PC机；与上位机对应的下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般为PLC/单片机等。上位机发出命令给下位机，下位机根据命令解释成相应的时序信号直接控制响应设备；下位机不停读取设备状态数据，转换成数字信号以后反馈给上位机，而上位机的屏幕上可以显示各种信号的变化。

1.3.4 组态软件

在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦变化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业由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。组态软件的出现为解决上述问题提供了一个崭新的方法，因为它能够很好的解决传统工业控制软件存在的问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

组态软件是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控软件，即SCADA （Supervisory Control And Data Acquisition）软件，亦称人机界面或HMI/MMI（Human Machine Interface/Man Machine Interface）软件，俗称组态软件。简单的说，组态软件能够实现对自动化过程和装备的监视和控制，它能从自动化过程和装备中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各种手段传递给相关人员，对信息执行必要的分析处理和存储，发出控制指令。组态软件提供了丰富的用于工业自动化监控的功能，用户根据自己工程的需要进行选择，配置等较为简单的工作来建立自己所需要的监控系统系统。

常用的组态软件有iFLX、InTouch、Citech、WinCC、TraceMode、组态王、力控。其中，组态王软件是国内开发较早的软件，界面操作灵活方便，有较强的通信功能，对比使用便捷性和功能性，本设计采用组态王软件。

第二章硬件设计

2.1 硬件配置

2.1.1 西门子S7-200PLC

西门子S7—200系列PLC以其极高的可靠性、丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通信能力、丰富的扩展模块而适用于各行各业各种场合中的检测、监测及控制的自动化，其强大功能使其无论独立运行或连成网络皆能够实现复杂控制功能。S7—200系列PLC在集散自动化系统中发挥其强大功能，使用范围从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括水电、核电、火电、各种输电、用电设施，各种机床、机械，环境保护设备及运动系统等。SIMATIC S7—200PLC系统构成包括基本单元（CPU模块）、扩展单元（接口模块）、编程器、通信电缆、存储卡、写入器、文本显示器等。

（1）基本单元（CPU）

S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，组成了一个功能强大的PLC。CPU的主要功能使进行逻辑运算及数学运算，并协调整个系统的工作。

西门子提供多种型号的CPU以适应不同的应用要求，每种型号都具有不同的数字量I/O点数、内存容量等规格参数。目前提供的S7-200 CPU型号有CPU 221、CPU 222、CUP 224、CPU 226、CPU 226XM，其规格表如下：

表2.1 西门子S7-200各型号参数

特性CPU 221 CPU 222 CPU224 CPU 224XP CPU226 外观尺寸mm 90?80?62 90?80?62 120.5?80?6

2

140?80?62 190?80?62

程序存储器

带运行模

式下编辑

4096字节4096字节8192字节12288字节16384字节

不带运行

模式下编

辑

4096字节4096字节12288字节16384字节24576字节数据存储器2048字节2048字节8192字节10240字节10240字节

掉电保护时间50小时50小时100小时100小时100小时

本机I/O 数字量6输入/4输

出

8输入/6输

出

14输入/10

输出

14输入/10

输出

24输入/16

输出

模拟量---- ---- ---- 2输入/1输

出

----

拓展模块数量0个模块2个模块7个模块7个模块7个模块

高速计数器单向4路

30KHZ

4路

30KHZ

6路

30KHZ

4路

30KHZ

2路

200KHZ

6路

30KHZ

两相2路

20KHZ

2路

20KHZ

4路

20KHZ

3路

20KHZ

1路

100KHZ

4路

20KHZ

脉冲输出DC 2路

20KHZ

2路

20KHZ

2路

20KHZ

2路

100KHZ

2路

20KHZ

模拟电位器 1 1 2 2 2

实时时钟卡卡内置内置内置

通讯口 1 S-485 1 S-485 1 S-485 2 RS-485 2 RS-485 浮点数运算是

数字I/O映像大小256（128输入/128输出）

布尔型执行速度0.22毫秒/指令

对比较以上数据，考虑到传感器采取数据为模拟量，故而本文选择采用CPU224XP，由于本设计外部设备较少，故而不再对电源供电等方面进行讨论，PLC 内部电源即可满足需求。

（2）扩展模块EM235

为满足工业控制要求，S7—200PLC配有模拟量输入输出模块EM235，它具有4个模块量输入通道，1个模拟量输出通道。该模块的模拟量输入功能同EM231模拟量输入模块，特性基本相同，只是电压输入范围有所不同；该模块模拟量输出功能同EM232模拟量输出模块，特性参数也基本相同。

该模块需要DC24V供电，可由CPU模块的传感器电源DC24V/400mA供电，也可由用户设置外部电源，本设计采用模块数量较少，从经济角度和工业结构稳定角度考虑内部供电。

下表描述了如何用设定开关DIP设置EM235模块，开关1到开关6可选择模拟量输入范围和分辨率，所有输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。其中，开关6为选择单双极性、开关4和5为选择增益，开关1、2和3为选择衰减。

表2.2 EM235设定开关DIP

本设计选择单极性，开关为010001。

（3）编程/通信电缆

编程/通信电缆是PLC用来实现与个人计算机PC通信的，连接PLC的RS485口和计算机的RS232可以用PC/PPI电缆。西门子PC/PPI电缆带有RS232/RS485电平转换器，是PC标准串口RS232到PPI接口（PLC通信端口RS485）的转换电缆、

互连电缆，是一种低成本的通信方式。适用于西门子S7—200系列PLC，支持PPI 协议和自由口通信协议，并可使用MODEM（调制解调器）通过电话线远程通信。PC/PPI电缆具有光电隔离和内置的防静电、浪涌等瞬态过电压保护电路，能够很好的保护电路，解决通信口易烧的问题。

表2.3 PC—RS232插头和PPI—RS485插头的信号定义

PC—RS232插头PPI—RS485插头

针号信号说明针号信号说明

2 接受数据RD（从PC/PPI输出） 2 24V电源负极（RS485逻辑地）

3 发送数据SD（输入到PC/PPI） 3 RS485信号B（RxD/TxD+）

4 数据终端就绪DTR 7 24电源正极

5 地（RS232逻辑地）8 RS485信号A（RxD/TxD-）

7 请求发送RTS 9 协议选择

将PC/PPI电缆的RS485插头插入S7—200PLC的编程口，RS232插头插入PC 的RS232口，并在编程软件上选择对应的COM口号，将10bit、11bit选择开关拨到11bit位置即可。PC/PPI电缆的波特率为0—28.8kbit/s 自动适应无需设置。

考虑到本设计PC机与PLC需要进行长距离通信，需要外接电源，并且在RS485插头3、8之间并接120Ω终端电阻以消除信号反射。

2.1.2 热电偶

热电偶是目前热电测温中普遍使用的一种温度计，其工作原理是基于热电效应，可广泛用来测量-200—1300℃范围内的温度。热电偶温度计具有结构简单，价格便宜，准确度高，测温范围广、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。由于热电偶直接将温度转换为热电势进行检测，使温度的测量、控制、远传以及对温度信号的放大和变换都非常方便，适用于远距离测量和自动控制。在接触式测温方式中，热电偶温度计应用最为普遍。

在我国常用用的热电偶达数十种，国际电工委员会IEC对其中已被国际公认的8种热电偶制定了国际标准，这些热电偶称为标准热电偶。标准热电偶已列入工业化标准文件中，文件规定了其热电势与温度之间的关系、答应误差、并具有统一的分度表，标准热电偶具有与其配套的显示仪表可供选用；与此对应，非标准化热电

偶在适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。本设计选择K型热电偶（镍铬－镍硅），其长期使用温度为-270—1000℃，短期使用温度可达到1300℃，在工业中应用最多，适应氧化性环境、线性度好。下表为其分度表部分内容，参考端温度为0℃。

表2.4 K型热电偶分度表（节选）

由温度传感器检测来的信号不是标准的电压（电流）信号，不能够直接传送给PLC，因此温度传感器采集到的温度信号要经过变送器的处理以后才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。

温度变送器由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后，再由线性电路消除热电势与温度的非线性误差，最后放大转换为4～20mA 电流输出信号。为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故，变送器中还设有断电保护电路。当热电偶断丝或接解不良时，变送器会输出最大值（28mA）以使仪表切断电源。

由于本设计采取了K型热电偶传感器，故而热电偶温度变送器采用K型热电偶温度变送器。

2.1.3 电力调整器

本设计采用的锅炉为电阻炉，电阻炉是基于电阻发热原理的加热设备。电阻炉温度控制系统一般包括控制回路和主回路两个部分，主回路是由可控硅、过电流保护快速熔断器、过电压保护R C 和电阻炉的加热元件等部分组成；控制回路是由直流信号电源、直流工作电源、电流反馈环节、同步信号环节、触发脉冲产生器、温度检测器和PID温度调节器等部分组成，其中主回路根据控制回路PID

控制信号经功率分配调节装置（调功器）来调整加热体能够获取的发热功率。

调功器是加热主回路的核心部件，目前大多采用一体化的晶闸管电力控制器来实现电阻炉负载功率的调节分配。“晶闸管”又称“可控硅”（SCR），是一种四层三端半导体器件，具有体积小、结构简单、功能强大等有点。晶闸管门极与负极之间输入正向触发电压时晶闸管导通，阳极A与阴极K之间外加正向电压；若晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压，则在电压过零时晶闸管会自行关断。调功器主要利用了晶闸管的无触点开关特性，能够迅速的将器件从关闭或阻断状态转换为开启或导通状态，通过开端状态和导通状态时间的改变来调节负载上的电压波形；同时由于晶闸管具有较宽的电流电压控制能力，晶闸管的应用也逐渐普及起来，常用于高电压和大电流的控制，通常情况下以封装好的整体单元来进行使用。

晶闸管调功器一般由触发板、晶闸管模块、专用散热器、风机、外壳等组成，其核心部件是控制板和晶闸管模块，散热系统采用高效散热、低噪音风机。晶闸管调功器一般与带有0-5V，4-20mA的智能PID调节器或PLC配套使用，负载类型可以是三相阻性负载、三相感性负载及三相变压器负载。目前主流电力调整器都是调压与调功一体化的，调压采用移相控制方式，有定周期调功和变周期调功两种方式。

本设计主要采用JK3S系列调功器。JK3S系列调功器是具有高度数字化的新型功率控制设备，集移向调压型和变周期、定周期过零调功型三种触发方式于一体，通过外部转换开关可在三种触发方式之间任意转换；带有数码显示模块，能够实时显示输入信号、负载功率、负载电压以及负载电流，有斜率调整、缓启动、缓关断、电流限制、过流保护、电压限制、过压保护报警等功能，具有开环调压、闭环恒流、闭环恒压、闭环恒功率四种调节方式；参数设置方便，接线简单，具有通讯功能，RS485接口，标准MODBUS RTU通讯协议，计算机能够通过485通讯数字量进行控制。JK3S型三相数字可控硅调压器与0-5V、4-20ma的智能PID 调节器或PLC配套使用，能够实现精确的温度控制。

从北京佳凯中兴自动化技术有限公司网站上查阅到主要技术参数如下：

表2.5 JK3S系列三相全数字晶闸管功率控制器

输入主回路电源3AC100～500V，45～65Hz 控制电源AC220V±15%

风机电源AC220V，50/60Hz

输出输出电压主回路输入电压的0～95%

输出电流AC25～3000A

控制方式开环、恒压、恒流、恒功率、调功、LZ等任意选择负载性质电阻性、电感性、变压器一次侧

主要控制特性

控制信号模拟给定、内部数字给定、通讯给定任意选择

输入输出

5路模拟量输入（可编程），4路开关量输入（可编程）

4路模拟量输出（可编程），3路开关量输出（可编程）

保护

过流保护输出电流≥2倍额定值时保护时保护频率故障电源频率超出范围时保护（45～65Hz）SCR过热保护SCR温度＞75℃时保护缺相保护主回路输入电源缺相时保护

负载断线负载断线或部分断线时保护

调节精度电流、电压、功率控制优于1%

2.2 硬件连接

正常停止

24V CD

1M0.00.1

1L0.00.1

CPU 224XP

S1

S2

EM 235

变送器

传

感

器

加热管

调整器

220V

图2.1 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2.2 EM235模拟量输出模块的端子接线图

2.3 地址分配表

表2.6 I/O地址分配如表I0.0 启动按钮I0.1 停止按钮Q0.0 启动指示灯Q0.1 停止指示灯