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基于PLC的遠程溫度控制系統設計

時間：2007-12-07 15:28:00來源：zhangting

導語：?介紹了一種基于SIMATIC PLC和MCGS的遠程溫度控制系統的設計和開發。

摘　要　介紹了一種基于SIMATIC PLC和MCGS的遠程溫度控制系統的設計和開發。詳細闡述了系統的功能、硬件組成、通信以及軟件設計。經過系統仿真和組裝實驗,該系統完全達到設計要求。 關鍵詞　PLC 　MCGS　溫度控制　觸摸屏 0引言 在工業自動化領域內,PLC（可編程控制器）以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應用于現代工業的自動控制之中。目前的工業控制中,常常選用PLC 作為現場的控制設備,用于數據采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機則是利用HMI/ SCADA 軟件來完成工業控制狀態、流程和參數的顯示,實現監控、管理、分析和存儲等功能。這種監控系統充分利用了PLC 和計算機各自的特點,得到了廣泛的應用。在這種方式的基礎上設計了一套溫度控制系統。以基于PLC 的下位機和完成HMI/ SCADA 功能的上位機相結合,構建成分布式控制系統,實現了溫度自動控制。 1、系統工作原理 將被控系統的溫度控制在10攝氏度到100攝氏度之間，當溫度低于10攝氏度或高于100攝氏度時，應能自動調節，當調整1分鐘后仍不能脫離不正常狀態，應使高溫報警指示燈閃爍。系統設置一個啟動按鈕來啟動控制程序，設置綠、紅、藍，三個指示燈來指示溫度狀態，被控溫度在要求范圍內，綠燈亮，表示系統運行正常，當被控溫度超過上限或者溫度超高景調整不能回到正常范圍，紅燈亮；當被控溫度低于下限，藍燈亮。為了把溫度傳感器PT100隨溫度變化的電阻轉換成相應的溫度變化值，利用下面的溫度公式求得：T℃=（溫度數字量-0℃偏置量）/1℃數字量，溫度數字量=存儲在AIWx（x=0,2,4）中的值，0℃偏置量=在0℃測量出的數字量，1℃數字量=溫度每升高1℃的數字量。 2、PLC控制系統的構成采用西門子S7-200PLC作為控制器，并應具備模擬量輸入、輸出及運算能力。根據被控系統的要求，選用CPU222 DC\DCPLC基本單元，并配置EM235模擬量輸入/輸出單元。在被控系統中溫度測量點，溫度信號經變送器變成4-20mA的電流信號送入EM235的第二個模擬量輸入通道AIW2中，PLC讀入溫度值后，再取其平均值作為被控系統的實際溫度值。若被測溫度超過允許范圍，則溫度高報警指示燈亮，且系統自動調整，如果調整時間過長（超過一分鐘），系統立即切斷電源，停止加熱；如果被測溫度低于預設值，則溫度低報警指示燈亮，系統立即啟動加熱器，進行加熱，直至達到設定溫度范圍內。 3 溫度控制系統的軟件設計與實現 軟件設計主要包括上位機監控軟件和下位機軟件設計。 3.1 下位機軟件設計下位機軟件設計是在監控級利用STEP7 系列的編程軟件STEP7 - Micro/ Win4. 0 完成對下位機程序的編制與調試, 然后把調試好的程序通過PPI編程電纜下載到PLC 中。下位機軟件主要實現PLC 與監控級的通訊、PLC 對溫度自動控制,故障診斷等。上電初始化，當系統開始運行時,為了保證系統運行的安全性,首先將系統的所有輸出點置為安全狀態。初始化操作包括對RAM、ROM清零,對控制參數的初始化,當前模擬量采樣值清零等參數進行預置。系統要求溫度控制在10攝氏度-100攝氏度的范圍之內，為了控制方便，設定一個溫度比較值（50攝氏度），并以此作為被空溫度的基準值。在此系統中，PLC通過輸出端口Q0.0控制綠燈的亮滅，Q0.1控制紅燈的亮滅，Q0.2控制藍燈的亮滅，Q0.3控制風扇的啟停，Q0.4控制加熱器的起停。系統流程圖設計如圖1。 3.2 實現溫度監測與控制過程 1） PLC投入運行時，通過特殊繼電器SM0.0產生初始化脈沖進行初始化，包括將溫度校準值、設定值等，存入有關的數據寄存器，使定時器復位。 2）按動啟動按鈕控制系統投入運行。 3） Pt100傳感器把所測量的溫度送到溫度變送器中進行標準量轉換（4-20mA）。 4）模擬量輸入通道AIW2通過讀入4-2mA的模擬電流量送入PLC。 5）經過程序計算后得出實際測量的溫度Q。 6）將Q與Qmax（溫度允許上限）比較。如未超過上限，將Q與Qmin（溫度允許下限）比較，若也未低于下限，則說明溫度正常，綠燈亮，等待下一次采樣。 7）若Q>Qmax，進行上限處理，計算Q與上限溫度偏差，根據偏差計算調整量，發出調整命令，并判斷調節時間，若調節時間太長，超高溫度報警燈閃爍，若未到調節時間超高溫度就被調節到正常溫度范圍內，則溫度正常指示燈亮。 8）當采樣溫度低于下限，即Q

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圖1 流程圖[/align]3.4 MCGS監控軟件設計上位機軟件設計采用北京昆侖通態的MCGS嵌入版組態軟件。MCGS是HMI/ SCADA 軟件中應用非常廣泛的其中一個。通過MCGS 開發的組態系統能夠使整個系統通過完整和豐富的編程系統實現了雙向的開放性;實現了數據庫系統的全面開放;廣泛的采用了最新的開放性軟件技術和標準,能面向多種操作系統平臺。在本系統中,依靠MCGS系統開發過程流程畫面、監控畫面、實時調節曲線、歷史曲線、報警畫面、歷史報警信息,從而實現對現場的實時監控。 1）系統畫面綜述系統畫面上有“實際溫度” 輸入框，“最高溫度” 輸入框，“最低溫度” 輸入框，“超高溫度”輸入框，通過這些輸入框來設置溫度，調整時間，以便控制加熱器；“實時曲線”是為了更好的反映實際溫度的曲線圖，通過它可以觀察比較每一時刻的溫度變化值；“溫度表”指示來配合實時曲線反映實際溫度；“溫度報警”按鈕，“實時數據”按鈕，“歷史數據”按鈕，通過這些按鈕可以更方便的打開溫度報警信息，實時數據信息，歷史數據和歷史曲線信息，這樣讓用戶獲得更多的數據，為以后調整系統作充分的準備；“工作狀態”輸入框來反映風扇的運行狀態，以便更好的保護加熱器；另外，系統還設置了啟動、停止按鈕，同這兩個按鈕可以通過觸摸屏或上位機來啟動和停止加熱器，“退出”按鈕用來退出整個系統，為了更好的反映加熱器工作的狀態，系統設置了紅、綠、藍三只指示燈，若加熱器工作正常，則溫度正常綠燈亮，若加熱器溫度超過設置溫度的上限值或溫度超過上上限值，溫度高報警、溫度超高報警指示燈（紅燈）亮，并且閃爍，若溫度低于下限值，則溫度低報警指示燈（藍燈）亮，這些指示燈狀態可以使用戶能更好，更及時地對加熱系統進行維護。系統畫面如圖1 [align=center]

圖2 溫度控制系統演示系統畫面[/align] [align=center]

圖3 溫度報警數據顯示畫面[/align] [align=center]

圖4 溫度歷史數據及歷史曲線顯示畫面[/align] 2）實時數據庫實時數據庫是整個系統的關鍵所在，是MCGS組態軟件的核心，也是應用系統的數據處理中心，系統各部分均以實時數據庫為公共區，進行數據交換、數據處理和實現數據的可視化處理。通過對系統的分析，整個溫度系統需要13個開關型、9個數值型和一個組對象，通過對這些數據屬性設置，用戶可以利用它們在需要的地方直接調用。在本系統中實時數據庫設置如圖5。 [align=center]

圖5 溫度控制系統實時數據庫[/align] 3）通訊連接既然用MCGS控制此系統，那么怎么才能讓其與西門子PLC相互通訊，起到監控的作用？MCGS組態軟件在設備窗口中建立系統與外部硬件設備的連接關系，使系統能夠從外部設備讀取數據并控制外部設備的工作狀態，實現對工業過程的實時監控。根據此系統的控制要求以及控制方式，可以利用PPI電纜，相互傳數據，以便實現監控。在設備窗口中需要設置設備0-[通用串行口父設備]屬性和設備1-[西門子S7-200PPI]屬性，此時，還需要設置設備內部屬性增加相應的PLC通道，和通道讀寫類型，輸入通道多數用到的是內部寄存器，讀寫類型是只讀類型，輸出寄存器Q0.0～Q0.6讀寫類型，Q1.0.和Q1.1只讀類型值讀取SA313和SA32的開關信號，在實際通訊過程中，在設備屬性設置中“串口端口號”設為0-COM1,通訊波特率設為：6-9600，數據位位數：3-8位，數據校驗方式：偶校驗，一位停止位，數據采集方式：同步采集。設置完后單擊“確認”按鈕返回。為了西門子S7-200PLC與MCGS更好的通訊，必須在設備屬性設置：[設備1]對話框中設置屬性設備注釋為：西門子S7-200PPI,初始工作狀態為：啟動，最小采樣周期為：1000ms,PLC地址為：2，內部屬性設置PLC通道要與實施數據庫中所定義的名字相對應。如圖8。 [align=center]

圖8 PLC通道屬性設置[/align] 編輯完畢組態畫面，在上位機上試驗成功，便可以通過上位機的網線接口用一根網線和觸摸屏上的網線借口相連接，并且在MCGS嵌入式組態軟件菜單欄中“工具”\“下載配置”設置好IP地址，便可以下載到觸摸屏中，然后，用PPI電纜連接觸摸屏和PLC，母頭連接觸摸屏COM5口，公頭連接在PLC接口上，即可實現丟掉控制柜面板上的按鈕控制，用觸摸屏的軟按鈕控制，畫面生動，清晰。 4 結論 基于PLC 的下位機與HMI/ SCADA 的上位機形成分布式溫度控制系統是一個可行的、高效率的系統。在我們的仿真和組裝實驗中,調節后,溫度可以控制在目標溫度-0. 5 —+0. 5 ℃范圍內,而且加一個擾動后,能夠很快實現平衡。從而符合我們系統所要求達到的目標。總之,基于PLC 和MCGS的溫度控制系統充分考慮了中小化工企業的現狀和控制要求,可以應用于大量類似的工況環境和場合。由于PLC和MCGS 構建的控制系統可靠、靈活、具有較強適應性,它在類似的控制系統領域具有很強的生命力。

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