苯基苯酚甲醛树脂——过程控制毕业设计

毕业设计

苯基苯酚甲醛树脂——过程控制

Phenyl phenol formaldehyde resin -- process control

班级： 过程装备与自动化 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 导师单位： 徐州工业职业技术学院 论文提交日期：

徐州工业职业技术学院

课题名称：课题性质：系 名 称：专 业：班 级：指导教师：学生姓名：毕业设计任务书

苯基苯酚甲醛树脂——过程控制 工程设计类 机电工程系 过程装备与自动化

一、课题名称：苯基苯酚甲醛树脂——过程控制

二、毕业论文（设计）主要内容：

1、运用三维造型软件绘制塑件的三维立体图。

2、分析所设计塑件的工艺性（包括原材料分析、尺寸精度分析、表面质量分析和塑件的结构工艺性分析） 2、选择注射机的型号； 3、设计模具结构（包括型腔数目和结构形式、分型面的选择、浇注系统设计、成型零部件的结构设计和尺寸计算、推出机构设计、冷却系统设计以及标准模架的选择等）；

4、注射机相关工艺参数的校核； 5、绘制模具装配图和非标准件的零件图（逐步完善和确定各零件的结构和尺寸、尽量选用标准组合结构和标准件）； 6、编写设计说明书；

三、计划进度：

第8周 运用三维软件绘制塑件三维实体；查阅资料，做好准

备工作，分析塑件的工艺性，选择注射机型号

第9周 模具结构设计、模具结构有关计算； 第10周 选择标准模架，确定各个模板的尺寸；

第11、12周 绘制装配图、零件图，编写设计说明书； 第13周 论文答辩。

四、毕业论文（设计）结束应提交的材料：

1、设计说明书（毕业论文）1份（8000字以上）； 2、装配图一份，非标准件的零件图3-5张。

指导教师 教研室主任

年 月 日 年 月 日

论文真实性承诺及指导教师声明

学生论文真实性承诺

本人郑重声明：所提交的作品是本人在指导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。

毕业生签名：

日 期：

指导教师关于学生论文真实性审核的声明

本人郑重声明：已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。

指导教师签名： 日 期：

摘 要

可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。

在工业领域，随着自动化程度的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要

求越来越高，人机界面的出现正好满足了用户这一需求。人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括过程监测、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得操作人性化、过程可视化，在自动控制领域的作用日益显著。 本文主要介绍了基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器和亚控公司的组态软件组态王的炉温控制系统的设计方案。编程时调用了编程软件STEP 7 -Micro WIN中自带的PID控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。利用组态软件组态王设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。

关键词：温度控制 可编程控制器 人机界面 组态王

I

Abstract

Programmable Logic Controller (PLC) is a kind of automatic control equipment which is widely used in the industrial manufacture. It merges the traditional control technology, computer and communication technologies with a strong ability to control, flexible operation, high reliability and suitable for long-term characteristics of continuous work. It is very suitable for temperature control requirements.

In the industrial field, with the rapid increase in the degree of automation, it is more and more important to monitor the process of control system for the users. The emergence of human-machine interface meets the needs of users. Man-machine interface can comprehensively monitor the control system, including process monitoring, alarm, data logging and other functions, so that the control systems have become user-friendly operation, the process of visualization and it will play more and more important part in the field of automatic control.

This essay mainly introduces a design of temperature control system with SIMATIC programmable logic controller (PLC) and configuration software Kingview which is developed by Beijing Yakong Company. When programming, we use the PID control arithmetic software module which is contained in the program software STEP 7 -Micro WIN so that the program looks easier and operates more quickly. In order to monitor the control system and process data in actual time, we designed Human Machine Interface（HMI）with the configuration software Kingview. The result of experiment proves that this temperature control system could run quickly, accurately and have good stability, which is the advantage of the control system. This control system has been widely used in the industrial temperature control field. With the continuous development of automatic science and technology, high-precision, intelligent, user-friendly temperature control system is the inevitable trend of development at home and abroad.

Keywords: Temperature Control PLC HMI Kingview

II

目 录

第一章 前言 ......................................................................................................................................... 1 1.1 1.2 第二章 2.1

项目背景、意义 ..................................................................................................................... 1 苯基苯酚的现状 ..................................................................................................................... 1 PLC和HMI基础 ............................................................................................................ 2 可编程控制器基础 ................................................................................................................. 2

可编程控制器的产生和应用 ......................................................................................... 2 可编程控制器的组成和工作原理 ................................................................................. 3 可编程控制器的分类及特点 ......................................................................................... 4 人机界面的定义 ............................................................................................................. 5 人机界面产品的组成及工作原理 ................................................................................. 5 人机界面产品的特点 ..................................................................................................... 5 PLC控制系统硬件设计 .................................................................................................... 6 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 ................................................................................. 6

2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 第三章 3.1

人机界面基础 ......................................................................................................................... 5

3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 ......................................................................................... 6 3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤 ......................................................................................... 8 3.2

PLC的选型与硬件配置 ....................................................................................................... 10 3.2.1 PLC型号的选择 ............................................................................................................... 10 3.2.2 S7-200 CPU的选择 .......................................................................................................... 11 3.2.3 EM231模拟量输入模块 .................................................................................................... 11 3.2.4 3.3 3.4

热电式传感器 ............................................................................................................... 13 I/O点分配及电气连接图 .................................................................................................... 14 PLC控制器的设计 ............................................................................................................... 14

控制系统数学模型的建立 ........................................................................................... 14

3.4.1

3.4.2 PID控制及参数整定 ....................................................................................................... 16 第四章 4.1 4.2

PLC控制系统软件设计 .................................................................................................. 19 PLC程序设计方法 ............................................................................................................... 19 编程软件STEP7--MICRO/WIN概述 ............................................................................... 20

梯形图语言特点 ........................................................................................................... 21

4.2.1 STEP7-Micro/WIN简单介绍 ............................................................................................ 20 4.2.2 4.3

4.2.3 STEP7-Micro/WIN参数设置（通讯设置）..................................................................... 22

程序设计 ............................................................................................................................... 24

设计思路 ....................................................................................................................... 24 控制程序流程图 ........................................................................................................... 24 梯形图程序 ................................................................................................................... 25

4.3.1 4.3.2 4.3.3

4.3.5 语句表（STL）程序 ........................................................................................................ 29 第五章 基于组态王的HMI设计 .................................................................................................... 31 5.1

人机界面（HMI）设计 ....................................................................................................... 31

III

5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.2 5.3

监控主界面 ................................................................................................................... 33 实时趋势曲线 ............................................................................................................... 34 历史趋势曲线 ............................................................................................................... 35 报警窗口 ....................................................................................................................... 35 设定画面 ....................................................................................................................... 37

变量设置 ............................................................................................................................... 37 动画连接 ............................................................................................................................... 39

第六章 系统运行结果及分析 ........................................................................................................... 41 6.1 6.2

系统运行 ............................................................................................................................... 41 运行结果分析 ....................................................................................................................... 42

温度趋势曲线分析 ....................................................................................................... 42 报警信息分析 ............................................................................................................... 44

6.2.1 6.2.2

第七章 总结 ........................................................................................................................................ 45 参考文献 ................................................................................................................................................ 46 致 谢 ...................................................................................................................... 错误！未定义书签。

IV

第一章 前言

1.1 项目背景、意义

徐州工业职业技术学院化工学院，中式反应室苯基苯酚甲醛树脂合成项目研究工艺， 。

1.2 苯基苯酚的现状

苯基苯酚甲醛树脂产品外观为淡黄色至红棕色粘稠液体或透明固体，能溶于乙醇。有热塑性和热固性两种 。

二十世纪八十年代天津树脂厂用生产苯酚的副产物邻苯基苯酚和甲醛为原料，在氢氧化钠催化剂作用下，经催化缩合，中和、水洗、真空蒸馏制得热固性苯基苯酚甲醛树脂(定名为401树 脂 )，外观为粘稠状红棕色液体，粘度300 — 600C P (20qC )，成功地为我国铸造业提供了自己配的砂芯粘合剂，用本剂所粘合的砂芯其抗弯性、抗 拉、流动性、透气性和固化时间等指标都比较理想。

据资料分析我国市场需求量约为1500～ 2500Ⅱ哲年，目前远远不能满足需求，随着我国石油化工快速发展，应尽快利用环己酮一步法催化合成苯基苯酚技术进行商品化开发

我国邻苯基苯酚生产始于20世纪70年代后期。天津市卫津化工厂、上海染料化工厂、大连化工研究设计院等单位从磺化法生产苯酚的蒸馏残渣中回收邻苯基苯酚，提取纯度也能达到98%。但由于工艺落后、受原料来源，国内采用此工艺生产的企业并不多，产量有限。随着国内磺化法生产苯酚装置关停并转，邻苯基苯酚产量越来越少。国内需求主要依赖进口，严重制约了我国新型阻燃纤维和材料、LED发光母体、水果蔬菜保鲜、塑料热稳定剂等产业的发展。 20世纪90年代初期，伴随着国内外对邻苯基苯酚需求量逐渐增大，我国掀起了邻苯基苯酚开发热潮，国内不少科研机构开展了邻苯基苯酚生产工艺的研究。1992～1994年，中科院山西煤炭化学研究所曾进行过环己酮聚合脱氢合成邻苯基苯酚的研究；1993～1995年，北京化工研究院进行了环己酮聚合脱氢合成邻苯基苯酚的研究，在南京投资建设了1条生产线，但由于成本太高，产品卖不出去，当时处于半停产状态；盐城市华业医药化工有限公司于1998年起对OPP进行技术调研和市场论证，2000年建立了OPP实验室，2001年，盐城市华业医药化工有限公司与国内二家大专院校合作开发成功了环己酮路线合成邻苯基苯酚新工艺，在催化剂活性上有了较大创新，通过离子交换法制得的钯ZSM-5分子筛Pd/H-ZSM-5和Pd/Mg-ZSM-5作为催化剂，在合成邻苯基苯酚过程中活性衰减速度明显降低，解决了该工艺催化剂的活性难题。2003年在国内首家建成了200t/aOPP中试生产装置并通过省级科技成果鉴定，2004年建立了盐城市OPP工程技术研究中心，致力OPP产业化研究和OPP应用研究，才在国内首次实现了大规模工业化的生产。

目前，市场上以油溶性邻苯基苯酚甲醛树脂为主，能做出寿命长 、而且对水和碱稳定性能寒冷和海上船只使极好的清漆，这种清漆具有极强耐久性和耐候性，特别适用于潮湿用。尤其是船舶漆，具有极佳的耐久性，特别适用于海上船只。

我国在苯基苯酚甲醛树脂方面没有成熟的生产技术，仅检索到以邻苯基苯酚和甲醛为原料的氢氧化钠催化缩合工艺、以苯酚和甲醛为原料的氢氧化钠及盐酸催化缩合工艺，对于以

苯基苯酚和甲醛为原料的无机酸、碱性阴离子交换树脂、酸性阳离子交换树脂催化缩合工艺末见报到。

国外多采用合成法生产邻苯基苯酚，主要企业在日本、美国和德国。美国陶氏是最早厂家，主要采用氯苯为原料生产。德国拜耳公司主要采用环己酮为原料，经过二聚脱氧生产邻苯基苯酚。国外现已开发出从环己酮一步催化法合成邻苯基苯酚，时联产对苯基苯酚的方法， 该技术关键在于催化剂制备与选择。

目前世界苯基苯酚总年产能力约7000 吨，主要生产厂家有美国陶氏公司、英国煤化工产品公司、德国拜耳公司和日本三光兴产化学公司 。我国邻苯基苯酚生产始于20世纪70 年代后期，主要为上海染料化工厂、天津市卫津化工厂、锦西化工总厂、大连化工研究院等从磺化法苯酚的蒸馏残渣中回收，先后逐步停产。1998年葫芦岛市洋洋化工有 限公司建成年产250吨邻苯基苯酚装置从磺化法苯酚的蒸馏残渣中提取邻苯基苯酚，同时联产对苯基苯酚。但随着磺化法生产苯酚装置的关停并转，邻苯基苯酚产量越来越少，主要依赖进口。 2003年盐城市华业医药化工有限公司在国内首家建成了年产200吨环己酮路线合成邻苯基 苯酚新工艺中试装置，促进苯基苯酚的应用开发。

第二章 PLC和HMI基础

可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLC（Programmable Logic

Controller），它是将传统的继电器控制技术、现代的微电子技术、计算机技术和通信技术融为一体的自动化控制设备。

2.1 可编程控制器基础

2.1.1 可编程控制器的产生和应用

1969年美国数字设备公司（DEC）首先研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司（GM）的自动生产线上试用成功，取得很好的效果。从而开创了工业控制的新局面。

20世纪80年代，随着大规模集成电路和微型计算机技术的发展，以16位和32位微处理器为核心的PLC得到了迅速的发展，使PLC在设计、性能、价格等方面都有了新的突破。目前，PLC的生产厂家众多，产品的型号、规格不可胜数，但主要分为欧洲、日本、美国三大块，本次采用的是日本的三菱。

随着PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。目前，PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。PLC的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信及联网。

2.1.2 可编程控制器的组成和工作原理

PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本相同。无论是整体式还是模块式，从硬件结构看，PLC都是由微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出接口（I/O接口）、编程器及电源部分组成，如下图2-1所示：

存储单元 输 入 接 口 处理单元CPU 电源 输 出 接 口

图2-1 PLC基本结构图

1）微处理器（CPU）

CPU是PLC的运算控制中心，PLC在CPU的控制下，协调系统内部各部分的工作，执行监控程序和用户程序，进行信息和数据的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，实现对现场各个设备的控制。 2）存储器（RAM、ROM）

PLC的存储器分为系统存储器（ROM）和用户存储器（RAM）。系统存储器用来存放系统管理程序，并固化在ROM内，用户不能访问和更改；用户存储器用来存放用户编制的应用程序和工作数据，其内容可以由用户随意修改，目前较先进的PLC采用可随时读写的快闪存储器作为用户存储器，它不需要后备电池，掉电时数据也不会丢失。

3）输入输出接口（I/O接口）

PLC是通过各种I/O接口模块和工业现场输入与输出设备连接的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力的，即受最大的底板或机架槽数。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块于外界联系来实现的。输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间的传递信息的作用。I/O模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。 4）编程器

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。编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作些设定，监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程设备在PLC的应用系统设计与调试、监控运行和检查维护中是不可缺少的部件，但不直接参与现场的控制。

PLC本质上就是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有计算机的许多特点。但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循环扫描的工作方式。工作时逐条顺序扫描用户程序，如果一个线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需等扫描到该触点时才会动坐。 5）电源

PLC中的电源，是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。电源可分直流和交流两种类型，交流输入220VAC或110VAC，，直流输入通常是24V。 2.1.3 可编程控制器的分类及特点

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。 还可以按I/O点数分类，根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型、大型和超大型四类:

• I／O点数在256以下为小型PLC； • I／O点数在256～1024为中型PLC； • I／O点数大于1024为大型PLC； • I／O点数在4000以上为超大型PLC

可编程控制器有可靠性高、编程简单易学、功能强、安装简单、维修方便、

采用模块化结构、接口模块丰富、系统设计与调试周期短等特点[7]。

2.2 人机界面基础

随着社会的进步，工业自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。人机界面（HMI Human Machine Interface）以其美观易懂、操作人性化等显著特点，正好满足这种需求而得到广泛的应用。 2.2.1 人机界面的定义

人机界面是指连接可编程控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。

2.2.2 人机界面产品的组成及工作原理

人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如组态王等）。用户必须先使用组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。 2.2.3 人机界面产品的特点 (1) 系统运行过程清晰化

控制过程可以动态地显示在HMI设备上。例如：炉子加热通断可以通过指示灯亮灭来显示，炉子的温度大小可以用棒图来指示等等，使整个控制系统变得形象易懂，也更加清晰。 (2) 系统操作简单化

操作员可以通过监控界面来控制过程。可从监控界面上启动和停止系统、设定温度上下限、设置PID参数等。

(3) 显示报警

控制过程达到临界状态或系统运行错误时会自动触发报警，例如，当炉子温度超出温度上下限时自动触发报警。 (4) 数据归档

HMI系统可以记录过程变量值和报警信息并归档。例如：通过归档数据，您可以查看过去一段时间的系统运行情况，过程变量等。 (5) 报表系统

HMI系统可以输出报警和过程值报表。例如，您可以在生产某一轮班结束时打印输出生产数据。

第三章 PLC控制系统硬件设计

在掌握了PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以PLC作为主要控制器来构造PLC控制系统。本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。

3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤

弄懂PLC的基本工作原理和指令系统后,就可以把PLC应用到实际的工程项目中。无论是用PLC组成集散控制系统，还是控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图3-1所示的步骤。 3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则

任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。

1. 设计原则

(1)完整性原则。最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。 (2)可靠性原则。确保计算机控制系统的可靠性。 (3)经济型原则。力求控制系统简单、实用、合理。

(4)发展性原则。适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能

力等方面留有余地。 2. 评估控制任务

根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。 (1) 控制规模

一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。 (2) 工艺复杂程度

当工艺要求较复杂时,采用PLC控制具有更大的优越性.

(3) 可靠性要求

目前,当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。 (4) 数据处理速度

若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜[9]。

评估控制任务 PLC机型的选择 控制流程的设计 程序设计 控制柜设计及布线 程序检查、调试 PLC安装 模拟运行 联机调试 修改软、硬件 是否满足要求 程序备份 投入使用 图3-1 PLC控制系统设计步骤

3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤

PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下5步进行。

1. 熟悉被控对象

深入了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对

象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系;PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网;系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。 2. 硬件选择 具体包括如下。

(1) 系统I/O设备的选择。输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。 (2) 选择PLC。PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。

(3) PLC的I/O端口分配。在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。

(4) 绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。 (5)计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。 3. 编写应用程序

根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容：

(1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

(2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对，一般在程序设计基本完成时再添加。

(3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。

4. 程序调试

程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序

模拟调试是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。

根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

(1)硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

(2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

现场调试。当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，及时更正软硬件方面的问题。 5. 编写技术文件

技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等[10]。

3.2 PLC的选型与硬件配置

3.2.1 PLC型号的选择

本温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。S7-200 PLC属于小型整体式的PLC, 本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统[10]。完整的S7-200系列PLC实物如图3-2所示。

图3-2 S7-200系列PLC实物图

3.2.2 S7-200 CPU的选择

S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。此系统选用S7-200 CPU226，CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量I/O。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。还有13KB程序和数据存储空间空间，6个的30KHz高速计数器，2路的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。配有2个RS485通讯口，具有PPI，MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4 kbit/s，可用于较高要求的中小型控制系统[11]。

本温度控制系统由于输入/输出点数不多，本可以使用CPU224以下的类型，不过为了能调用编程软件STEP 7 里的PID模块，只能采用CPU226及以上机种。 3.2.3 EM231模拟量输入模块

本温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成0～41mv的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里，我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。EM231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允许连接微小的模拟量信号(±80mV范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM231模块需要用户通过DIP开关进行组态： SW1～SW3用于选择热电偶类型，SW4没有使用，SW5

用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿。本系统用的是K型热电偶，所以DIP开关SW1～SW8组态为00100000；EM231具体技术指标见表3-1。

表3-1 EM231技术指标

型号 EM231模拟量输入模块 总体特性 外形尺寸：71.2mm×80mm×62mm 功耗：3W 输入特性 本机输入：4路模拟量输入 电源电压：标准DC 24V/4mA 输入类型：0~10V，0~5V，±5V,±2.5V,0~20mA 分辨率：12 Bit 转换速度：250μS 隔离：有 耗电 从CPU的DC 5V （I/O总线）耗电10mA DIP开关 SW1 0, SW2 0, SW3 1（以K型热电偶为例）

表3-2所示为如何使用DIP开关设置EM231模块，开关1、2和3可选择模拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。表中，ON为接通，OFF为断开。

表3-2 EM231选择模拟量输入范围的开关表

单极性 满量程输入 SW1 ON SW2 OFF ON SW3 ON OFF 0到10V 0到5V 0到20mA 双极性 满量程输入 SW1 OFF SW2 OFF ON SW3 ON OFF ±5V ±2.5V 2.5mV 1.25mV 分辨率 2.5mV 1.25mV 5uA 分辨率

EM231校准和配置位置图如图3-3所示。

图3-3 DIP配置EM231

3.2.4 热电式传感器

热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度变化转换为电势变化,而热电阻是将温度变化转换为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛应用。

该系统中需要用传感器将温度转换成电压，且炉子的温度最高达几百度,所以我们选择了热电偶作为传感器。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。国际标准热电偶有S、B、E、K、R、J、T七种类型，在本系统中，我们选用了K型热电偶（分度表如表3-3所示），其测温范围大约是0～1000℃。系统里的烤炉最高温度不过几百度，加上一定的裕度就足够了，另外其成本也不算高[12]。

表3-3 K型热电偶分度表

3.3 I/O点分配及电气连接图

1) 该温度控制系统中I/O点分配表如表3-4所示。

表3-4 I/O点分配表

输入触点 IO.1 I0.2 功能说明 启动按钮 停止按钮 输出触点 Q0.0 Q0.1 Q0.3 功能说明 运行指示灯（绿） 停止指示灯（红） 固态继电器 2)系统整体设计方案及硬件连接图。系统选用PLC CPU226为控制器， K型热电偶将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过EM231模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。PLC和HMI相连接，实现了系统的实时监控。整个硬件连接图如图3-4和3-5所示。

计算机 P L C EM231模块 热电偶 固态继电器 烤炉

图3-4 系统框架图

3.4 PLC控制器的设计

控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。

3.4.1 控制系统数学模型的建立

本温度控制系统中，传感器（电热偶）将检测到的温度信号转换成电压信号经过温度模块后，与设定温度值进行比较，得到偏差，此偏差送入PLC控制器

按PID算法进行修正，返回对应工况下的固态继电器导通时间，调节电热丝的有效加热功率，从而实现对炉子的温度控制。控制系统结构图如图3-6所示，方框图如图3-7所示。

图3-5 系统硬件连接图

PLC控制器 固态继电器 烤炉 温度模块

热电偶 图3-6 控制系统结构图

R(s) + E(s) U(s) Y(s) Gc(s) Go(s) _

图3-7 控制系统方框图

图3-7中，R(s)为设定温度的拉氏变换式；E(s)为偏差的拉氏变换式； Gc(s)为控制器的传递函数；Go(s)为广义对象，即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并；

该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统，传递函数为

（3-1）

式3-1中，K0为对象放大系数；T0为对象时间常数；为对象时滞。

（3-2）

由阶跃响应法求得， K0=0.5；T0=2.5分钟；=1.2分钟。

3.4.2 PID控制及参数整定

比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基本的控制规律，具有反应速度快，控制及时，但控制结果有余差等特点。积分控制可以消除余差，但是工业上很少单独使用积分控制的，因为与比例控制相比，除非积分速度无穷大，否则积分控制就不可能想比例控制那样及时的对偏差加以响应，所以控制器的输出变化总是滞后与偏差的变化，从而难以对干扰进行及时且有效的控制。微分作用是对偏差的变化速度加以响应的，因此，只要偏差一有变化，控制器就能根据变化速度的大小，适当改变其输出信号，从而可以及时克服干扰的影响，抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。但是理想微分控制器的控制结果也不能消除余差，而且控制效果要比纯比例控制器更差。将三种方式加以组合在一起，就是比例积分微分（PID）控制,其数学表达式为

（3-3）

式3-3中：Kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。 根据以上的分析，本温度控制系统适于采用PID控制。

完成了上述内容后，该温度控制系统就已经确定了。在系统投运之前，还需要进行控制器的参数整定。控制器参数整定方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。

理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，通过理论计算（微分方程、根轨迹、频率法等），来求得最佳的整定参数。这类方法计算繁杂，工作量又大，而且由于用解析法或实验测定法求得的对象数学模型都只能近似的反映过程的动态特性，整定结果的精度是不高的，因而未在工程上受到广泛推广。

对于工程整定法，工程技术人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所需的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛使用。常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法来整定控制器的参数值。下面介绍下方法步骤。

经验整定法实质上是一种经验凑试法，是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数，并将系统投入运行，通过观察人为加入干扰（改变设定值）后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数值，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。

由于比例作用是最基本的控制作用，经验整定法主要通过调整比例度的大小来满足质量指标。整定途径有以下两条：

1）先用单纯的比例（P）作用，即寻找合适的比例度，将人为加入干扰后的过渡过程调整为4：1的衰减振荡过程。然后再加入积分( I )作用，一般先取积分时间T1为衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡加剧，在加入的积分作用之前，要先衰减比例作用，通常把比例度增大10%-20%。调整积分时间的大小，直到出现4：1的衰减振荡。需要时，最后加入微分（D）作用，即从零开始，逐渐加大微分时间Td，由于微分作用能抑制振荡，在加入微分作用之前，可以把积分时间也缩短一些。通过微分时间的凑试，使过渡时间最短，超调量最小。

2）先根据表选取积分时间Ti和Td，通常取Td=(1/3-1/4)Ti，然后对比例度进行反复凑试，直至得到满意的结果。如果开始时Ti和Td设置的不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。这时应适当调整Ti和Td，再重复凑试，使曲线最终符合控制要求[13]。

表3-5 控制器参数经验数据

控制 变量 温度 对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓，应小，Ti要长，一般需要微分 规律的选择 比例度 积分时间 Ti（分钟） 3-10 微分时间 Td（分钟） 0.5-3 （%） 20-60

通过经验整定法的整定，PID控制器整定参数值为： 比例系数Kc=120，积分时间Ti=3分钟，微分时间Td=1分钟。

第四章 PLC控制系统软件设计

PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分，上一章已经详细介绍了本项目硬件连接。本章在硬件设计的基础上，将详细介绍本项目软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法，编程软件STEP7--Micro/WIN的介绍以及本项目程序设计。

4.1 PLC程序设计方法

PLC的

PLC程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。 1. 图解法编程

图解法是靠画图进行PLC程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。 （1）梯形图法

梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法，其图形甚至元件名称都有继电器电路十分相似。这种方法很容易地把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一种编程方法。

（2）逻辑流程图法

逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反映输入与输出的关系。逻辑流程图会使整个程序脉络清晰，便于分析控制程序、查找故障点及调试和维修程序。

（3）时序流程图法

时序流程图法是首先画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把框图写成PLC程序。这种方法很适合以时间为基准的控制系统的编程方法。

（4）步进顺控法

步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂的程序都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序可以看成整个控制过程的一步。

2. 经验法编程

经验法是运用自己的或者别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。

3.计算机辅助设计编程

计算机辅助设计是通过PLC编程软件（比如STEP7--Micro/WIN）在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。使用编程软件可以很方便的在计算机上离线或在线编程、在线调试，在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE文件[14]。

4.2 编程软件STEP7--Micro/WIN概述

STEP7--Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为s7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。它是西门子s7-200用户不可缺少的开发工具。现在加上中文程序后，可在全中文的界面下进行操作，用户使用起来更加方便。操作主界面如图4-1所示。 4.2.1 STEP7-Micro/WIN简单介绍

以STEP7-Micro/WIN创建程序，为接通STEP 7--Micro/WIN，可双击STEP 7--Micro/WIN图标，或选择开始（Start）> SIMATIC >STEP 7 Micro/WIN 4.0菜单命令。如图4-1所示，STEP 7--Micro/WIN项目窗口将提供用于创建控制程序的便利工作空间。工具栏将提供快捷键按钮，用于经常使用的菜单命令，可显示或隐藏工具栏的任何按钮。浏览条给出了多组图标，用于访问STEP 7--Micro/WIN的不同编程特性。指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象和指令。可将单个的指令从指令树拖放到程序中，或双击某个指令，以便将其插入到程序编辑器中光标的当前位置。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的底部均按标签显

示。单击标签可在子程序、中断程序和主程序之间来回变换[15]。

STEP 7--Micro/WIN提供了用于创建程序的三个编辑器：梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）。尽管有某些，在这些程序编辑器的任何一个中编写的程序均可用其它程序编辑器进行浏览和编辑。用的比较多的是梯形图（LAD）编程语言。下面详细介绍梯形图的特点。

图4-1 编程软件STEP7--Micro/WIN主界面

4.2.2 梯形图语言特点

梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。

梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言

采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。 在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：

（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；

（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；

（3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power FLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；

（4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查[16]。

4.2.3 STEP7-Micro/WIN参数设置（通讯设置）

本项目中PLC要与电脑正确通信，安装完STEP7-Micro/WIN编程软件且设置好硬件后，可以按下列步骤进行通讯设置。

（1）在STEP7-Micro/WIN运行时单击通讯图标，或从“视图”菜单中选择选项“通信”，则会出现一个通信对话框（如图4-2所示）。

图4-2 通信参数设置

（2）在对话框中双击PC/PPI电缆的图标，将出现PG/PC接口对话框或者直接单击“检视”栏中单击“设置PG/PC接口”也行。如图4-3所示。

图4-3 PG/PC接口对话框

（3）单击Properties按钮，将出现接口属性对话框，检查各参数的属性是否正确，其中通信波特率默认值为9.6kbps（如图4-4所示）。

图4-4 通信参数设置

4.3 程序设计

4.3.1 设计思路

PLC运行时，通过脉冲进行初始化，将温度关的数据寄存器，使定时温度采样，采样周期为测量的温度进行标准量通道AIW0通过读入PLC；经过程序计算后得度设定值比较，根据偏差4.3.2 控制程序流程图

开始 特殊继电器SM0.0产生初始化

启动 设定值，PID参数值等，存入有器复位；按启动按钮，系统开始

绿灯亮，系统运行 10秒；K型热电偶传感器把所转换（0-41毫伏）；模拟量输入

调用PID模块 0-41毫伏的模拟电压量送入出实际测量的温度T,将T和温计算调整量，发出调节命令。

PID输出转 换成占空比 定时器控制 加热时间 温度当前值和 设定值等显示

4-5 程序流程图

4.3.3 梯形图程序

启动，绿灯亮

图

停止，红灯亮

上述程序中，I0.1和I0.2分别是启动和停止按钮，Q0.0和Q0.1分别是系统运行指示灯（绿灯）和系统停止指示灯（红灯），M0.0和M0.1是中间继电器。

调用PID模块

这里用SM0.0直接调用了编程软件自带的PID子程序，即就是用PID指令向导编程。上面的指令中，PV_I为反馈值，也就是热电偶将检测到的当前温度值送入温度模块后输出的模拟电压值AIW0；Setpoint_R为设定值。

每个PID回路都有两个输入变量，给定值SP和过程变量PV。执行PID指令前必须把它们转换成标准的浮点型实数。即先把整数值转换成浮点型实数值，再把实数值进行归一化处理，使其为0.0-1.0之间的实数。归一化的公式为

R1=(R/S+ M) （3-1）

式中，R1为标准化的实数值；R为未标准化的实数值；M为偏置，单极性为0.0，双极性为0.5；S为值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000，双极性为000[17]。

在本项目中，R=100,即就是设定温度100度；S=32000,M=0.0,所以按照归一化公式R1=100/32000+0.0=0.03125，即Setpoint_R为0.03125.

该网络的程序功能是把PID回路输出转换成占空比。因PID回路的输出PID0_Output为0.0-1.0之间的实数值，又因我们设置了采样时间为10秒，所以第一个指令MUL_R中INT2为100.0。ROUND是将实数转换成双整数，DI_I是将双整数转换成整数。VW2和VW4分别是采样周期内的加热时间和非加热时间。

上述程序用了两个100ms的定时器T241和T242来控制加热时间，其中Q0.3为连接固态继电器的输出端子。

该网络的程序是为了在电脑上通过STEP7-Micro/WIN编程软件显示当前温度和设定温度值而写的，其实也就是归一化的逆过程。若无该网络，则显示的温度值都是归一化的实数值，不便于记录和观察。 4.3.4 语句表（STL）程序

下面是STL程序，它可以和梯形图程序相互转换。

第五章 基于组态王的HMI设计

随着自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。人机界面（HMI Human Machine Interface）以其过程可视化、操作员对操作过程可方便的控制等显著特点，很好的满足了这种需求而得到广泛的应用。工业HMI又称触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。它一般与PLC等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互。HMI的主要功能有：数据的输入与显示；系统或设备的操作状态方面的实时信息显示；报警处理及打印；数据归档和报表系统。此外，新一代工业人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录及配方等智能化控制功能[19]。

5.1 人机界面（HMI）设计

HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成，HMI画面设计对于HMI来说是非常关键的。HMI画面是用组态软件来做的，常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的组态王、力控等。在本温度控制系统设计中，我们选择了组态王来完成监控画面的设计。组态王和其他组态软件相比最大的优势是它操作方便，提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，对于新手来说很容易上手。

我们从北京亚控公司的主页上下载了组态王6.5.3演示版，安装好以后。双

击桌面图标，打开工程管理器，建立工程。如图5-1所示，最下面的一行是我们新建的工程，工程名称为“组态王”。

双击工程管理器中的工程名，出现工程浏览器。在工程浏览器中，双击新建图标，新建画面（如图5-2所示）。在这里我们制作了监控主界面、实时趋势曲线、历史趋势曲线、报警窗口等画面。

下面详细介绍每个画面的设计方法。

图5-1 新建工程

图5-2 新建画面 5.1.1 监控主界面

打开开发系统页面后，点击“图库”，打开图库管理器，把开关、温度仪表、闹钟直接拖进开发页面，再利用工具箱做好“开始”和“停止”按钮以及温度显示、设定画面、报警窗口等按钮。完整的主界面如图5-3所示。运行组态王后，点击“开始”按钮，开关变绿色，系统开始运行，目前温度值下面的方框和仪表上都显示当前温度值，闹钟上显示当前日期。点击“设定画面”会进入参数设定画面，点击“报警窗口”会进入报警画面，实时趋势曲线和历史趋势曲线也是一样。点击“停止”按钮，系统运行结束，同时开关变红色。

图5-3 主界面

5.1.2 实时趋势曲线

打开开发系统页面后，点击工具箱中的“实时趋势曲线”把实时趋势曲线放进开发页面，然后双击曲线画面，对曲线进行设置，如X轴和Y轴的设置及标示定义等，最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图5-4所示的实时趋势曲线画面。系统运行时，实时趋势曲线会显示当前温度值的变化趋势和设定温度值。点击“返回主界面”按钮，就会回到主界面。

图5-4 实时趋势曲线

5.1.3 历史趋势曲线

打开开发系统页面后，点击“图库”，打开图库管理器，双击“历史曲线”把它放进开发页面，再双击历史趋势曲线画面，对曲线进行设置，包括曲线定义，坐标系，操作面板和安全属性等设置，最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图5-5所示的历史趋势曲线画面。系统运行时，画面上会记录某段时间内设定温度值和当前温度值的变化曲线。点击“返回主界面”按钮，就会回到主界面。 5.1.4 报警窗口

打开开发系统页面后，点击工具箱中的“报警窗口”把报警窗口放进开发页面，然后双击画面，对报警窗口进行设置，包括通用属性、列属性、操作属性、条件属性、颜色和字体属性的设置。最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图5-6所示的报警窗口画面。系统运行时，报警窗口会根据当前温度值做出适当的报警。此项目中我们设置当前温度低于90度时，“报警类型”栏显

示当前温度偏低。当前温度超过105度时，“报警类型”栏显示当前温度偏高。

图5-5 历史趋势曲线

图5-6 报警窗口

5.1.5 设定画面

设定画面的设计和上面4个画面类似，系统运行时该画面会显示增益Kc、积分时间Ti、微分时间Td、采样时间、设定温度等参数的值，未运行时和图6-2基本一样，只是没有值显示出来。

5.2 变量设置

打开工程浏览器，点击“数据词典”，再点击“新建”建立“设定温度”、“当前温度”、“启动”、“停止”、“Kc”、“Ti”、 “Td”、“采样时间”等变量。其中变量类型和寄存器是最关键的，在组态王和PLC之间传输的变量都是I/O类型的，只在组态王内部需要的是内存型的。寄存器和数据类型要与程序中一致，否则组态王就不能起到监控作用了。比如“设定稳定”的寄存器为v68,数据类型为float。“当前稳定”的寄存器为v60,数据类型为float。

下面我们以当前温度设置为例来说明变量设置的步骤和方法。图5-7为变量“当前温度”基本属性设置图，变量类型设置为I/O实数，连接设备为PLC，寄存器为v60，数据类型是float。

图5-7当前温度基本属性设置

图5-8为变量“当前温度”报警定义设置图，我们设置了当前温度低于60

度时，报警当前温度太低。当前温度在60度到90之间时，报警当前温度偏低。当前温度大于105时，报警当前温度偏高。

图5-8 当前温度报警定义设置

图5-9为变量“当前温度”记录和安全区设置图，我们设置“记录”为数据变化记录，变化灵敏度设为1.这个主要是为历史趋势曲线服务的，若不设置这个，往往历史趋势曲线就出不来或者效果很差。

图5-9 当前温度记录和安全区设置

5.3 动画连接

打开主界面，双击“开始”按钮，出现如图5-10的动画连接画面。在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入图5-11所示的命令，再点击“确定”，就完成了“开始”按钮的动画连接设置。这样，点击“开始”后，系统就开始运行，此按钮就相当于PLC硬件图中的绿色启动开关。“停止”按钮的动画连接设置类似。

图5-10 动画连接

打开主界面，双击目前温度值下面的框，出现如图5-10所示的动画连接画面。在模拟值输出左边打钩，出现模拟值输出连接画面。点击表达式框右边的问号，选择变量“当前温度”。输出格式中设置整数位数为2，小数位数为1，显示格式设置为十进制，最后点击“确定”。这样，变量“当前温度”的动画连接设置就完成了。

打开主界面，双击“设定画面”按钮，出现如图5-10的动画连接画面。在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入图5-12所示的命令，再点击“确定”，就完成了“设定画面”按钮的动画连接设置。运行时，点击主界面中的“设定画面”就可以进入设定画面了。其他按钮的动画连

接方法和“开始”按钮类似，只是输入的命令稍有不同。

到这里，整个人机界面（HMI）就完成了。

图5-11 开始按钮命令语言输入窗口

图5-12 设定画面命令语言输入窗口

第六章 系统运行结果及分析

完成了PLC程序设计和人机界面设计之后，进入系统运行测试阶段。首先在STEP7-Micro/Win编程软件中将设计好的程序下载到PLC中，然后打开组态王，切换到运行模式。

6.1 系统运行

打开主界面，点击“开始”按钮，则开关变绿色，系统开始运行，目前温度值开始有数据显示，温度仪表上也显示了当前温度值。图6-1是当前温度为100.1度时的主界面。其中设定温度为100度。

图6-1 系统运行—主界面

打开主界面，点击“设定画面”按钮，则切换到设定画面。增益Kc、积分时间Ti、微分时间Td、采样时间、设定温度这几个变量的值也显示在画面上。本项目编写程序时用了PID指令向导，Kc设置了120，Ti设置了3分钟，Td设置了1分钟，则设定画面上也是现实同样的数据。如图6-2所示。

6.2 运行结果分析

6.2.1 温度趋势曲线分析

1）打开主界面，点击“实时趋势曲线”按钮，则切换到实时趋势曲线画面。画面中红色曲线表示设定温度，蓝色曲线表示当前温度。由实时趋势曲线图可知，系统运行后当前温度快速上升到95度，然后稍微缓慢上升到105度左右，最后下降到100度左右稳定下来。其中，当前温度值最大为105.5度，稳定后在98度到100.3度之间，与设定温度极为接近。可见，该温控系统超调量很小。图6-3是当前温度在95度到100度之间缓慢上升的阶段。

图6-2 系统运行—设定画面

2) 打开主界面，点击“历史趋势曲线”按钮，则切换到历史趋势曲线画面。如图6-4所示，画面中红色曲线表示设定温度，蓝色曲线表示当前温度。其中Y轴不是实际的温度值而是百分比。从曲线可以看出，开始时蓝色曲线快速上升，最后超出红色曲线一点，和它平行，最后差不多重合。由图6-4可知，该温度控制系统从开始运行到趋于稳定需要14分钟 20秒，系统反应快速，控制精确度高，抗干扰能力强。

图6-3 系统运行—实时趋势曲线

图6-4 系统运行—历史趋势曲线

6.2.2 报警信息分析

打开主界面，点击“报警窗口”按钮，则切换到报警窗口。如图6-5所示，当温度低于60度时，报警类型显示当前温度太低。当温度低于90时，显示当前温度偏低，当温度超过105时，显示当前温度偏高。经过测试，当设定温度为100度时，当前温度值最大为105.5度。由图6-5可知，当前温度为105.1度时，报警类型显示当前温度偏高；当前温度为60度时，报警类型显示当前温度偏低；当前温度为30.1度时，报警类型显示当前温度太低。可见，报警信息显示正确，从而为操作人员及时了解系统运行情况提供了很大的帮助。

图6-5 系统运行—报警窗口

第七章 总结

PLC（可编程控制器） 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。 PID闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效果。组态软件组态王因其简单易用的特点，在HMI设计中深受用户的喜欢而得到广泛的使用。

在西门子S7-200系列PLC和组态软件组态王的基础上，我们成功设计出了温度控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。再加上由组态王设计的人机界面，整个系统操作简单，控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。

该温度控制系统也有一些有不足的地方需要改进，编程时我们用了编程软件自带的PID指令向导模块，这样虽然方便，但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大，若不直接调用该模块，而是自己编写PID控制子程序的话，控制效果可能会更好。还有人机界面内容不够丰富，若再加上报表系统、打印功能的话，那就更完美了。

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