基于PLC的温度控制闭环系统

1 绪论

1.1 课题背景

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随着现代工业的逐步发展,在工业生产中,温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量.其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制［1］.这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂，特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。

随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量.因此,PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。这也正是本课题所重点研究的内容。

1。2 研究的主要内容

本课题的研究内容主要有： 1）温度的检测；

2）采用PLC进行恒温控制; 3）PID算法在PLC中如何实现; 4）PID参数对系统控制性能的影响； 5）温控系统人机界面的实现。

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2 基于PLC的炉温控制系统的硬件设计

2.1系统控制要求

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本PLC温度控制系统的具体指标要求是:对加热器加热温度调整范围为0℃-150℃,温度控制精度小于3℃,系统的超调量须小于15％。软件设计须能进行人机对话，考虑到本系统控制对象为电炉，是一个大延迟环节，且温度调节范围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。

2。2系统设计思路

根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计.整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。

系统硬件框图结构如图所示:

图2.1系统硬件框图

被控对象为炉内温度，温度传感器检测炉内的温度信号，经温度变送器将温度值转换成0～10V的电压信号送入PLC模块。PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出控制信号,经调压装置输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现炉温的连续控制。

2。3系统的硬件配置

2.3。1 S7—200PLC选型

S7-200 系列 PLC 是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用[2］

S7—200系列可以根据对象的不同, 可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上.

SiemensS7-200 主要功能模块介绍：

(1)CPU 模块S7-200的CPU 模块包括一个中央处理单元，电源以及数字I/O 点,这些都被集成在一个紧凑，独立的设备中。CPU 负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号,驱动外部负载.从 CPU 模块的功能来看， CPU

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模块为CPU22＊，它具有如下五种不同的结构配置CPU 单元：①CPU221 它有 6 输入/4 输出，I/0 共计 10 点.无扩展能力,程序和数据存 储容量较小,有一定的高速计数处理能力，非常适合于少点数的控制系统。②CPU222 它有8 输入/6 输出,I/0 共计 14 点，和 CPU 221 相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。③CPU224 它有 14 输入/10 输出，I/0 共计 24 点,和前两者相比,存储容量 扩大了一倍,它可以有 7 个扩展模块,有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多 S7—200 产品。④CPU226 它有 24 输入/16 输出，I/0 共计 40 点，和 CPU224 相比，增加了 通信口的数量,通信能力大大增强。它可用于点数较多，要求较高的小型或中型控制系统。⑤CPU226XM 它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和 CPU226相同.

(2）开关量 I/O 扩展模块 当 CPU 的 I/0 点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行 I/O 扩 展，I/O 扩展包括 I/O 点数的扩展和功能模块的扩展。通常开关量 I/O 模块产品 分 3 种类型：输入模块，输出模块以及输入/输出模块.为了保证 PLC 的工作可 靠性，在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施.如光电隔离,输入保护（浪 涌吸收器，旁路二极管,限流电阻）,高频滤波，输入数据缓冲器等.由于 PLC 要控制的对象有多种，因此输出模块也应根据负载进行选择,有直流输出模块, 交流输出模块和交直流输出模块.按照输出开关器件种类不同又分为 3 种:继电 器输出型，晶体管输出型和双向晶闸管输出型。这三种输出方式中，从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中；若从 与外部电路安全隔离角度看,继电器输出型最好。在实际使用时,亦应仔细查看开关量 I/O 模块的技术特性，按照实际情况进行选择。

由于本系统是单回路的反馈系统，CPU224XP相比与其他型号具有更好的硬件指标，其上自带有模拟量的输入和输出通道，因此节省了元器件的成本，CPU224XP自带的模拟量I/O规格如表：

表2.1模拟量I/O配置表

I/O信号 信号类型 电压信号 ±10V 电流信号 / 模拟量输入＊2 本科毕业设计论文

模拟量输出 0~10V 第4页共35页

0～20mA CPU224XP自带的模拟量输入通道有2个,模拟量输出通道1个.

在S7-200中，单极性模拟量的输入/输出信号的数值范围是0~32000，双极性模拟信号的数值范围是-32000~+32000[3] 2。3.2 温度传感器

温度传感器有四种主要类型: 热电偶、 热敏电阻、 电阻温度检测器（RTD)和 IC 温度传感器。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高,性能稳定，典型的有铜热电阻、铂热电阻等。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪,它的阻值会随着温度的变化而改变,通常用PT100来表示。其中PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138。5欧姆。

PT100是广泛应用的测温元件,在-50~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势,包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正.校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正,模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用,将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值［4]。

常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上,使得导线电阻得以消除.常用的采样电路有两种:一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。本设计采用的就是三线制接线。

由于铂热电阻测出的是温度变化，需要在将信号输入PLC前加一个温度变送器,将温度信号转换成电压信号。本系统采用的温度变送器是DZ4130，使用过程中要加一个24V的电源，该电源可以从PLC上直接获得。 2。3.3 调压装置（SSR）

由于PLC输出的信号是直流信号，而被控制的加热器小灯泡是由220伏特交流电供应工作的，所以在由PLC接入到小灯泡时要加入一个调压装置,本设计采用的是一个可将5伏特的直流电转化为220伏特交流电的反相调压器EUV—75A。

该调压装置工作时需要有两个工作电源,分别支持交流部分和直流部分工作，交

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流部分需要220伏特的工作电压,直流部分需要5伏特的直流电压.EUV-75A是反相调压器,即输入0伏特对应的输出是220伏特的输出，而输入5伏特对应的是0伏特是输出。

EUV—75A的硬件接线如图所示：

交流电源

输出接口

直流部分 交流电源和输出接口

图2.2 EUV-75A硬件接线图

其中直流部分共有5根线，实际使用的时候只有其中3根式有用的，一根接5伏特的直流电源，一根为信号的输出端，还有一根是电源和输出信号的公共接地。EUV—75A的交流部分有3个端口，对角线的两个端口是接工作电源220伏特的交流电，输出信号接剩下的一个端口和其下方的一个端口。

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3 炉温PID控制算法

3.1模拟PID算法简介

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在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一.当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便［5］.即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P)控制：比例控制是一种最简单,最常用的控制方式［6］。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系.当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

积分(I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统(System with Steady—state Error）.为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项\".积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加,积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差.

微分（D）控制：在微分控制中，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。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳.其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前\"，即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项\它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调.所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD）控制器能改善系统在调节过程

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中的动态特性。

模拟PID控制系统框图：

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图3.1 PID模拟控制系统框图

PID控制器的微分方程和传递函数形式为：

tu（t）Kp[r(t)1/Tie(t)dtTd*de(t)/dt]

0U(s)/E(s)Kp(11/TisTds)

3。2 PID算法的数字化处理

为了能让数字计算机处理这个控制式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值,数字计算机处理的算式如下： Mn =Kc＊en +Ki*∑ex+Mintial+Kd*（en-en-1) 输出=比例项+积分项 +微分项

其中：Mn 在采样时刻n,PID回路输出的计算值 Kc PID回路增益

en 采样时刻n回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的前一个值 ex 采样时刻x的回路偏差值 Ki 积分项的比例常数 Mintial 回路输出的初始值 Kd 微分项的比例常数

从这个公式可以看出,积分项是从第一个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数,微分项是当前采样和前一次采样的函数,比例项是当前采样的函数，在数字计算机中，不保存所有的误差项，实际上也不必要。

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由于计算机从第一次采样开始,每有一个偏差采样值必须计算一次输出值，只要保存偏差前值和积分项前值.作为数字计算机解决的重复性的结果，可以得到在任何采样时刻必须计算的方程的一个简化算式。简化算式是： Mn =Kc＊en +Ki＊en +MX+Kd*(en-en—1） 输出=比例项+积分项+微分项

其中：Mn 在第n采样时刻，PID回路输出的计算值 Kc PID回路增益

en 采样时刻n回路的偏差值 en—1 回路的偏差值的起一个值 Ki 积分项的比例常数 MX 积分项前值 Kd 微分项的比例常数

CPU实际上使用以上简化算式的改进形式计算PID输出，这个改进型算式是: Mn =MPn +MIn +MDn 输出=比例项+积分项+微分项 其中：Mn 第n采样时刻的计算值 MPn 第n采样时刻的比例项值 Min 第n采样时刻的积分项值 MDn 第n采样时刻的微分项值

比例项MP是增益(Kc）和偏差（e）的乘积。其中Kc决定输出对偏差的灵敏度，偏差(e）是给定值(SP）与过程变量值(PV）之差，S7—200解决的求比例项的算式是： MPn=Kc＊（SPn—PVn）

其中：MPn 第n采样时刻比例项的值 Kc 增益

SPn 第n采样时刻的给定值 PVn 第n采样时刻的过程变量的值

积分项值MI与偏差和成正比。S7-200解决的求积分的算式是： MIn=Kc*Ts/Ti＊(SPn-PVn）+MX 其中：MIn 第n采样时刻积分项的值 Kc 增益

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Ts 采样时间间隔 Ti 积分时间

SPn 第n采样时刻的给定值 PVn 第n采样时刻的过程变量的值

MX 第n-1采样时刻积分项（积分项前值）

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积分和（MX）是所有积分项前值之和，在每次计算出MIn后，都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被调整或限制，MX的处置通常在第一次计算输出以前被设为Minitial（初值）。积分项还包括其他几个常数:增益（Kc)，采样时间（Ts)和积分时间（Ti)。其中采样时间是重新计算输出的时间间隔，而积分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小.

微分项值Md与偏差的变化成正比，S7-200使用下列算式来求解微分项： Mdn=Kc＊Td/Ts＊(（SPn-PVn）-(SPn—1-PVn-1））

为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变，假定给定值不变SPn=SPn-1，这样可以用过程变量的变化替代偏差的变化，计算算式可改进为： Mdn=Kc*Td/Ts＊（SPn-PVn-SPn+PVn—1) 或

Mdn=Kc*Td/Ts*(PVn—1+PVn）

其中：Mdn 第n采样时刻的微分项值 Kc 回路增益 Ts 回路采样时间 Td 微分时间

SPn 第n采样时刻的给定值 SPn-1 第n-1采样时刻的给定值 PVn 第n采样时刻的过程变量的值 PVn-1 第n-1采样时刻的过程变量的值

为了下一次计算微分项值,必须保存过程变量,而不是偏差，在第一采样时刻，初始化为PVn—1=PVn。

在许多控制系统中，只需要一两种回路控制类型。例如只需要比例回路或者比例积分回路，通过设置常量参数，可以选择需要的回路控制类型。

如果不想要积分动作（PID计算中没有“I”)，可以吧积分时间（复位）置为无

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如果不想要微分回路，可以把微分时间置为零.

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穷大“INF”.即使没有积分作用，积分项还是不为零,因为有初值MX。

如果不想要比例回路,但需要积分或积分微分回路，可以把增益设为0.0,系统会在计算积分项和微分项时，把增益当做1.0看待［7］.

4 基于PLC的炉温控制系统的软件设计

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4。1 STEP 7 MICRO/WIN32软件介绍

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STEP7-Micro/WIN32编程软件是由西门子公司专为S7-200系列PLC设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用[8]，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等.

程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。梯形图中的错误处的下方自动加红色曲线,语句表中错误行前有红色叉,且错误处的下方加红色曲线.

软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式)下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。

联机方式：有编程软件的计算机与PLC 连接,此时允许两者之间做直接通信. 离线方式：有编程软件的计算机与PLC 断开连接,此时能完成大部分基本功能.如编程、编译和调试程序系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机上[9］.

两者的主要区别是：联机方式下可直接针对相连的PLC进行操作，如上载和下载用户程序和组态数据等；而离线方式下不直接与PLC 联系，所有程序和参数都暂时存放在磁盘上，等联机后在下载到PLC 中。

4.2 输入输出点配置

表4.1程序使用输入输出点配置

符号 地址 注释 本科毕业设计论文

运行 输出归一 手自动 手动输出 实际温度 设定温度 模拟输出 PID输出 M0.0 VD900 M0。3 VD700 VD550 VD650 AQW0 VW800 第12页共35页 0运行 1 停止 0~1 0手动1自动 0~1 度 度 16000~0 VW800 4.3 系统流程图

铂电阻Pt100 温度变送器 模数转换 与设定值比较 PID算法 数模转换 直流转换为交流 灯泡 图4。1系统流程图

4.4 系统程序实现

4。4.1 炉温实际温度的检测

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图4。2将采集采集实际温度转换为PLC计算数值的程序

炉温实际温度的检测是要将温度量转化为PLC可识别的量，所以，将温度变送器输出的值先由16位的整型转化为32位的双整型,再由双整型转化为实型，实型小数点后可有6位，故比较精确。由于铂电阻的最大量程为150摄氏度，PLC模拟输入输出最大位为32000，为将测得的温度值与PLC中计算值相对应,故将送入PLC中的温度值先除以32000再乘以150,此时得到测得温度值在PLC中计算所对应的数,将该数送入变量寄存器VD550。

4.4。2 PID算法在S7—200中的实现

S7-200的编程软件Micro/WIN提供了PID指令向导,PID控制程序可以通过指令向导自动生成[10]。除此之外，PID指令也同时会被自动调用。

首先选择运用PID算法的回路，本系统就一个回路，故选择回路0：

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图4。3回路选择界面

第二步给回路参数定值，本系统采用的铂电阻的测量范围是0~150度，故给定范围的低限和高限分别为0和150；回路的参数可以先不设定，因为新的S7—200 CPU支持PID自整定功能

图4。4回路给定值范围和参数配置界面

第三步设置回路输入输出项，输入和输出量都是单级性的模拟量，因为S7200的单极性模拟量输入输出信号的数值范围是0~32000［11］，所以输入项的量程为0~32000,由于输出时通过的变相器的量程只有输入时的一半，故输出的量程设置为

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0~16000

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图4。5回路输入输出参数性质配置界面

第四步是给该子程序命名和添加手动控制

图4.6子程序命名和选择手动控制界面

这步完成以后PID向导就帮我们完成了PID算法子程序的设计。 然后在程序中调用向导生成的PID子程序（如下图）

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图4。7生成子程序图

图4。8 PID子程序图

4。4。3 输出控制量的处理

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图4。9输出控制程序图

经PID控制过后的输出量和输入一样,同样要其由整型转化为实型，但由于本系统的电压变送器采用的是5伏的反相模块，所以对应的最大值变为16000。虽然铂电阻的测温范围是在0到150摄氏度之间，所以本系统只对0至150摄氏度之间的温度做显示, 当输出值大于16000时，说明温度高于150摄氏度，考虑到反相调压模块，输出值设为0；当输出值小于0时说明温度低于0摄氏度,同样要考虑到反相调压模块，输出要设为16000；当输出在0至150摄氏度之间时,输出值应当设定为16000减去当前值才可适应于反相调压模块。将输出值要送至模拟输出端AW0。

当开关M0。0断开时，会有一个脉冲下降沿，故当开关断开时同样要考虑反相调压模块，要将16000送至输出端。

4。5 系统程序调试

在进行系统调试时，要得到精确的控制精度，最关键的问题就是PID控制器三参

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数(比例系数、积分时间、微分时间）的整定.整定的好坏不但会影响到控制质量,而且还会影响到控制器的鲁棒性[12].为此，需要根据该控制对象的特性确定准确的PID参数.

由于西门子S7-200的V4。0版的编程软件STEP7—Micro/WIN提供了PID参数自整定功能。

V4.0版的编程软件STEP7—Micro/WIN增加了PID整定控制面板.这两项功能相结合,使用户能轻松地实现PID的参数自整定，同时可以对最多8个回路进行自整定.自整定能提供一组近似最优的整定参数。

西门子S7-200的PID参数自整定属于基于规则的自整定,此方法对模型要求较少，借助于控制器输出和过程输出变量的观测值来表征动态特性，具有易执行且鲁棒性较强的特点,这种自整定法能综合采用专家经验进行整定。但这类方法的理论基础较弱，需要丰富的控制知识，其性能的优劣取决于开发者对控制回路参数整定的经验以及对反馈控制理论的理解程度。

S7—200使用的自整定算法为Astrom和Hagglun提出的继电型PID自整定控制法，它用继电特性的非线性环节代替ZN法(Ziegler-Nichols）中的纯比例控制器，使系统出现极限环，从而获取所需要的临界值。基于继电反馈的自动整定法避免了ZN法整定时间长、临界稳定等问题,且保留其简单性,目前已成为PID自动整定方法中应用最多的一种。其基本思想是在控制系统中设置两种模态：测试模态和调节模态。在测试模态下,由一个继电非线性环节来测试系统的振荡频率和增益，而在调节模态下,由系统的特征参数首先得到PID控制器,然后由此控制器对系统的动态性能进行调节。如果系统的参数发生变化，则需要重新进入测试模态进行测试，测试完毕之后再回到调节模态进行控制。要确定系统的振荡频率ωc与Kc增益，比较常用的是描述函数方法，根据非线性环节输入与输出信号之间的基波分量关系来进行近似分析. 4.5。1 S7-200PLC的PID参数整定过程

西门子S7—200的PID参数自整定可由PID整定控制面板来实现，如下图：

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图4.10 PID调节面板界面

第一步：在PID Wizard （向导）中完成PID功能配置 第二步:打开PID调节控制面板，设置PID回路调节参数

在Micro/WIN V4.0在线的情况下，进入PID调节控制面板中，如果面板没有被激活(所有地方都是灰色），可点击配置按钮运行CPU.在PID调节面板的当前PID区选择要调节的PID回路号，在调节参数区选择手动，调节PID参数并点击更新,使新参数值起作用，监视其趋势图，根据调节状况改变PID参数直至调节稳定。

第三步：在调节参数区点击高级按钮，设定PID自整定选项.如果不是很特殊的系统，也可以不加理会。

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图4。11 高级PID自动调节参数界面

第四步：在手动将PID调节到稳定状态后,即过程值与设定值接近，且输出没有不规律的变化，并最好处于控制范围中心附近。此时可点击调整参数区内的开始自动调节按钮启动PID自整定功能，这时按钮变为停止自动调节。这时只需耐心等待,系统完成自整定后会自动将计算出的PID参数显示在d.区。当按钮再次变为开始自动调节时,表示系统已经完成了PID自整定(要使用自整定功能，必须保证PID回路处于自动模式.开始自整定后，给定值不能再改变）.

第五步:如果用户想将PID自整定的参数应用到当前PLC中，则只需点击更新PLC. 根据上述操作，参数调整结果如下:

表4。2 PID参数表

参数 Kp Ti Td 结果 28。45 2。90 0。00 4.5.2 PLC炉温控制系统的调试

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软件可以实现运行监控。

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当PID参数整定完成后，系统便可以实现温度的控制，通过STEP7—Micro/WIN32

第一步：连接硬件并设置通信端口，将PLC与计算机通信口连接，PLC的通信端口是RS485端口，而计算机的通信端口是RS232端口,所以连接的时候要使用变送电缆.当硬件连接完毕后在软件上设置通信，单击通信，设置PG/PC借口,然后双击刷新,完成后确定即可;

第二步：下载程序，单击工具栏中的下载按钮即可；

第三步:实施监控和调试，单击工具栏的监控,此时计算机中显示PLC的运行状态,显示屏幕上被点亮的原件表示接通状态。程序中设定值的变量存储器是VD650，可以对其进行状态强制更新［13］，此时PID输出的控制值（VD800)也应该改变以减小设定值和当前值的差值，输出的温度值（AQW0）也会随之改变。

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5 基于MT500 系列触摸屏的监控软件的设计

5。1 MT500系列触摸屏概述

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MT500系列触摸屏是专门面向PLC应用的,它不同于一些简单的仪表式或其它的一些简单的控制PLC的设备，其功能非常强大，使用非常方便，非常适合现代工业越来越庞大的工作量及功能的需求。日益成为现代工业必不可少的设备之一[14］. MT500系列人机除了拥有一般的人机所拥有的功能外，还提供了许多如下特有的功能：

1.可以同时开启6个弹出窗口；

2。可以拥有和WINDOWS系列操作系统一样的任务栏和快选窗口——工作按钮 ； 3。 方便快捷的主从连接方式使多台触摸屏的互连通信简单易行,稳定可靠而又效率出众；

4.可在弹出窗口中放置窗口控制功能键，使弹出窗口可以最小（大)化，及任意移

动窗口；

5。新增留言板功能，可更改笔的粗细，颜色,并可使用橡皮擦功能等。 用该软件设计出的人机触摸屏界面应满足能迅速获取、处理应用系统运行过程中的数据、命令，并且以适当的形式显示出来［15].

5。2 触摸屏编程软件Eview简介

WeinView MT500系列人机界面的组态工具EasyBuilder500软件操作容易而功能强大,Easy Manager是整套WeinView500软件的系统综合软件,整个WeinView500系统共包含3个模块：EasyLoad［Upload（上传）和Download(下载)］、EasyWindow（在线模拟和离线模拟）及Easybuilder。Easybuilder是组态软件，用来配置各种元件，一般简称EB500。在Easybuilder中也可以下载及在线(或离线）模拟，但是它是通过EasyManager来调用其它2个模块的方式来实现的。

5.3 监控软件设计流程图

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建立一个新工程 第23页共35页

画上所需要的按钮和要显示的内容 对应于PLC上的参数将各按钮进行设定 编译 下载到触摸屏图5.1监控软件设计流程图

5.4 监控软件设计

第一步:创建一个新的工程并设定参数

1) 安装好EB500软件后，在[开始]中选择[程序]/［EasyBuilder]/［EasyBuilder 500].

图5.2选择EasyBuilder 500界面

2) 这时如果是第一次进入系统或者上次进入系统时最后一次打开的是一个空白的工程,将弹出如下对话框：

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图5.3触摸屏选择界面

选择［MT506T/C/M 320*234］,按下［确认］即可.

3)接下来选择菜单［编辑］/[系统参数],弹出系统参数设置对话框,如图所示

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图5。4系统参数设置界面

我们选择PLC的类型为SIEMENS S7/200， ［人机类型］选择相应的触摸屏类型.其它设置如上图所示。 第二步：添加元件

1) 选择菜单［元件］/[位状态切换开关］或者按下开关属性对话框如下图所示:

图标。这时将弹出位状态切换

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图5。5开关元件设置界面

依次放2个位切换开关:运行,手动；其中参数如下表：

表5。1开关参数配置表

开关 运行 手动 读取地址 M0。0 M0.0. 输出地址 M0。0 M0。3 属性（开关类型） 切换开关 切换开关 2）切换到［图形］页，选中[使用位图］复选框，并按下［位图库］按钮

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图5。6开关元件位状态图形选择界面

3)这时将弹出［位图库］对话框，，在图库中选择所需要的图标，如下图：

图5。7位图库

然后将返回到图形选择对话框，按下［确定］ 在屏幕上按下鼠标左键,把元件放置如下所示：

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图5.8开关放置后的触摸屏图

4）功能元件和文本文件的放置和切换开关元件的放置一样,其对应的属性如下表：

表5。2文本元件和功能元件配置表

文本文件 Kp Ti Td 后显示元件 数值显示元件 数值显示元件 数值显示元件 元件读取地址 VW1012 VW1020 VW1024 字数 2 2 2 显示 数值（X) 单精度浮点 0。0本科毕业设计论文

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图5.9触摸屏窗口显示图

6）新建窗口11以显示温度变化速度曲线，窗口上的按钮参数和最终结果如下图表所示:

表5.3文本元件和功能元件配置

元件 趋势图(TD_0) 设定后的元件（ND_0） 实际后的元件（ND_1） 读取地址 VW550 VW650 VW550 字数 / 2 2 显示 / 单精度浮点 单精度浮点

图5。10实时曲线显示图

功能元件（返回主页）的作用是：切换回窗口10 第三步:保存、编译并下载

1） 选择菜单［文件］/［保存］,接着选择菜单[工具］/［编译］。这时将弹出编译工程对话框,按下［编译]按钮，编译完毕后关闭编译对话框

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图5。11编译界面

2） 选择菜单［工具]/［下载］,如图所示：

图5。12触摸屏下载程序界面

下载完毕,把触摸屏重新复位,这时将可以在触摸屏上通过手指来触控PLC的运行并可以监控系统的温度变化。

5.6 系统联机调试

将PLC与计算机,触摸屏联机调试，PLC接计算机的COM1口,触摸屏接计算机的COM4口,PLC与触摸屏通过RS-485端口连接。

第一步：让PLC处于RUN状态(可以通过计算机或者拨动硬件上的开关）; 第二步：在触摸屏上按运行按钮，让系统运行;

第三步：在触摸屏上按自动按钮,此时触摸屏上的设定值为当前温度的实际值; 第四步：通过触摸屏改变设定值,输入想要让电炉内温度达到的值；

第五步:在计算机上的STEP7-Micro/WIN32软件上监控，并调出PID自整定面板，开始自动调节,到调节完成后，小灯泡将根据输出的电压发出相应的亮度来给电炉加热。

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的趋势和温度的设定值。

系统的实时曲线监控画面如图所示:

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第六步：在触摸屏上按速度曲线按钮，触摸屏可显示当前温度变化的趋势,电压调节

图5.13系统调节的实时曲线图

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结 论

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本设计研究了电炉的温度控制，系统采用西门子的S7—200PLC为控制器，运用了PID算法对炉内温度进行控制，最后可在监控的触摸屏画面上准确的观测到温度的实时变化.

该系统采用S7—200PLC对电炉温度进行控制，虽说之前没有学过该类PLC，但S7-200PLC的软硬件学习还是很方便的，通过实际操作很容易掌握。对于该类PLC配套的人机界面设计也是非常方便的，可以通过人机界面方便的监控PLC的运行状态。

本设计的系统虽说成功的实现了电炉内部的恒温控制，但在系统的设计中也存在一些问题,如：PID参数的整定，利用PLC内部功能模块对PID参数进行整定的时,并不是每次都会得到理想的参数,并且参数的自整定需要花很成长的时间;系统的硬件部分过于复杂，该系统在PLC的输入和输出端都需要加变送器,使得整个系统硬件过于繁杂。这些问题都是需要进一步研究改进的。

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致 谢

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本次毕业设计是在我的指导老师李海波老师的悉心指导下完成的,当我在设计原理和硬件的运用上遇到困难时，她总会不厌其烦的为我解答，在元器件的选择上，李老师也给予了很大的帮助。

另外还要感谢和我一起参加设计的同学们和老师，谢谢你们一直以来的关心和关怀,特别感谢李伟同学，在PLC的运用上给予了我很多指导.

在此还要感谢陪我走过大学4年的所有同学,你们给了我很多美好的回忆，谢谢你们。

最后，再一次感谢在此次毕业设计中给予我帮助的人。

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参 考 文 献

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[1］ 毕业设计加热炉参数检测和炉温控制系统设计[J］。 http://www。docin.com/p-35427746.html。

［2］ 袁宏斌,刘斐，牛双国等。西门子S7-200PLC应用教程[M]。北京：机械工业出版社,2007.21~26。

［3］ 刘华波。西门子S-7200PLC编程及应用案例精选［M].北京:机械工业出版社，2009.5

［4］ 热电阻Pt100测温电路调试体会［J］。 http://www.docin.com/p—6184064.html。 [5］ 李方园.西门子S7—200PLC从入门到实践［M］。北京:电子工业出版，2010。 143. [5] 陈忠平，周少华，侯玉宝，李锐敏。西门子S-7200系列PLC自学手册[M］.北京：人民邮电出版社，2008.8。

[6] 向晓汉等.西门子PLC高级应用实例精讲［M］。北京：机械工业出版社,2010。14～16.

[7］ S7—200PLC可编程控制器系统手册［M］。 西门子公司，2004：160~162. ［8］ 严盈富。西门子S7-200PLC入门[M]。北京:人民邮电出版社,2007。 33。 ［9］ 张扬，蔡春伟，孙建明。 S7—200PLC原理与应用系统设计［M].北京：机械工业出版社,2007.107～108.

[10］ 田淑珍。 S7—200PLC原理及应用.北京:机械工业出版社,2009.170～175. ［11］ 吴志敏，阳胜峰。西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程［M].北京：中国电力出版社，2009,242～248.

［12] 曾喜娟,庄其仁，吴志华.基于S7—200PLC的PID参数自整定方法［J］。控制与检测.2010,1:47～50。 [13] 龚仲华. S7-200PLC/300/400PLC应用技术通用篇[M］。北京：人民邮电出版社，2007.323～325。

[14] EB500使用手册［M]。威纶公司。

[15] 高鸿斌，孔美静，赫孟合.西门子PLC与工业控制网络应用.北京：电子工业出版社，2006。242~244。

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附录A

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