课程设计报告论文-基于PLC的电加热炉温度控制系统设计.doc

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第一章绪论
1.1选题背景及意义
加热炉是利用电能来产生蒸汽或热水的装置。因为其效率高、无污染、自动化程度高，稳定性好的优点，冶金、机械、化工等各类工业生产过程中广泛使用电加热炉对温度进展控制。而传统的加热炉普遍采用继电器控制。由于继电器控制系统中，线路庞杂，故障查找和排除都相对困难，而且花费大量时间，影响工业生产。随着计算机技术的开展，传统继电器控制系统势必被PLC所取代。二十世纪七十年代后期，伴随着微电子技术和计算机技术的快速开展，也使得PLC具有了计算机的功能，成为了一种以电子计算机为核心的工业控制装置，在温度控制领域可以让控制系统变得更高效，稳定且维护方便。
在过去的几十年里至今，PID控制已在工业控制中得到了广泛的应用。在工业自动化的三大支柱〔PLC、工业机器人、CAD/CAM〕中位居第一。由于其原理简单 、使用方便、适应能力强，在工业过程控制中95%甚至以上的控制回路都采用了PID构造。虽然后来也出现了很多不同新的算法，但PID仍旧是最普遍的规律。
1.2国内外研究现状及开展趋势
一些先进国家在二十世纪七十年代后期到八十年代初期就开场研发电热锅炉，中国到八十年代中期才开场起步，对电加热炉的生产过程进展计算机控制的研究。直到九十年代中期，不少企业才开场应用计算机控制的连续加热炉，可以说开展缓慢，而且对于国内的温度控制器，总体开展水平仍不高，不少企业还相当落后。与欧美、日本，德国等先进国家相比，其差距较大。目前我国的产品主要以“点位〞控制和常规PID为主，只能处理一些简单的温度控制。对于一些过程复杂的，时变温度系统的场合往往束手无策。而相对于一些技术领先的国家，他们生产出了一批能够适应于大惯性、大滞后、过程复杂，参数时变的温度控制系统。并且普遍采用自适应控制、模糊控制及计算机技术。
近年来，伴随着科学技术的不断快速开展，计算机技术的进步和检测设备及性能的不断提升，人工智能理论的实用化。因此，高精度、智能化、人性化必然是国内外必然的开展趋势。
1.3工程研究内容
以PLC控制为核心，PLC将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差，经过PID运算后得到的信号控制输出电压的大小，采用PID算法，运用PLC编程语言编程，从而调节加热器加热，实现温度的自动控制。
由两个或两个以上的控制器串联，一个控制器的输出是另一个控制器的设定而组成的串级控制系统。改善了主回路的响应速度。主调节器具有“细调〞作用，副调节器具有“粗调〞作用，从而改善了系统的品质。
第二章 系统设计
2.1系统的过程控制设计
在本系统中假设采用以原料出口温度为被控量的单回路系统，由于在加热炉的过程控制中存在着时间滞后和容量滞后，系统不能立即感知。直到经过大容量滞后，才能反映到原料的温度变化。系统的控制作用才开场反映，但为时已晚。同样，控制器的动作也必须经过较大的容量滞后才能开场对输出的改变做出调整，导致系统的品质变差。
因此，增设炉膛温度作为另一个被控参量，构成串级控制系统，如图5-1副调节器
可控硅
炉膛
出口
副变送器
主变送器
+
—
+
——
主调节器
C2
C1
图5-1 串级系统控制框图

当原料温度变化时，首先使得炉膛温度C2发生变化。而出口处的原料温度C1还没有发生变化。因此，主调节器输出不变，炉膛温度测量值发生变化。通过副变送器反响到副调节器。通过可控硅控制加热元件的电流大小，使电炉保持在设定的温度工作状态。
与此同时，炉膛温度的变化也会引起管壁的温度变化，从而影响出口C1温度的变化，使主调节器的输出发生变化。由于主调节器的输出就是副调节器的输入，而副调节器的输出直接控制可控硅导通角的大小，进一步加速了控制系统的调节过程，使主被控量即加热炉出口温度恢复到设定值。
2.1.1控制系统的性能［1］
⑴对二次扰动的抑制能力强，当二次扰动产生后，副被控量首先检测到扰动的影响并及时控制操作变量，使副被控量恢复到设定值。从而使扰动对主被控量的影响减小，即副回路对扰动进展粗调，主回路对扰动进展细调。
⑵串级控制系统由于有副回路的存在改善副对象的动态特性，从而提高了整个系统的动态特性。
⑶串级控制系统由于副回路性能的改善，主控制器的比例带可以变得更窄，从而提高了系统的工作频率，即提高了系统的快速响应能力。
⑷有一定的自适应能力。在副回路的作用下，包括控制阀在内的副对象在操作条件和负荷变化时，其特性变化对系统的影响显著地削弱了。
2.2 控制器的设计
2.2.1 控制器的控制规律选择
PID控制器是应用最广泛的一种控制器。包括P控制器、PD控制器，PI控制器及完整的PID控制器。P的作用是增加开环增益，降低系统的稳态误差，提高控制精度，但缺点是会使系统变得不稳定。I的作用是消除静差，但有过调现象且不及时。D的作用是增加系统的稳定性，但同时也放大了系统的高频噪声。可见，合理运用才能使系统的效益最大化。
1)比例〔P〕控制
比例控制是最简单的工作方式。其控制器输入与输出的误差信号成比例关系。比例控制器的传递函数为：
Gc(S)=KP〔2.1〕
其中：Kp称为比例系数或增益。其倒数称为比例带，也称比例度。
2〕比例积分〔PI〕控制
具有比例加积分的控制规律的控制称为比例积分控制，即PI控制。可减少或消除系统的稳态误差，改善系统的稳态性能，但存在过调现象而且不及时，存在滞后。PI控制的传递函数及输出信号为：
Gc(S)=KP+KP/Ti·1/S=KP(S+1/Ti)/S (2.2)
u(t)=Kpe(t)+KP/Ti∫0te(t)d(t) (2.3)
其中：Kp为比例系数 Ti称为积分时间常数
3〕比例微分〔PD〕控制
具有比例加微分的控制规律的控制称为比例微分控制，即PD控制。它能改善系统的动态特性，但具有放大高频噪声的缺点。PD控制的传递函数及输出信号为：
Gc(s)=KP+KPτS (2.4)
u(t)=KPe(t)+KPτde(t)/dt (2.5)
其中：KP为比例系数 τ为微分时间常数
4)比例积分微分〔PID〕控制
具有比例加微分和积分的控制规律的控制称为比例积分微分控制，即PID控制。PID控制具有提高系统稳定性能的优点外，还可以还改善系统的动态性能，消除误差，缩小超调量，加快反映速度。PID控制的传递函数及输出信号为：
Gc(S)=KP+KP/Ti·S+KPτs (2.6)
u(t)=KPe(t)+KP/Ti∫0te(t)dt+Kpτde(t)/dt (2.7)
其中：KP为比例系数 Ti称为积分时间常数 τ称为微分时间常数 三者都是可调常数。
因为采用串级控制，所以有主副调节器之分。主调节器起定值作用，副调节器起随动作用。原料的出口温度是系统的重要指标，它的允许波动的X围小，且温度控制系统是容量滞后较大的系统，故主控制器选用PID控制，而副控制量采用P控制，因为副被控量的控制X围在工艺上要求不是太严格，允许有余差，故副控制器选用P控制就行。这时如果引入积分就可能会降低副回路反响的快速性影响控制效果。
2.2.2 主、副控制器的正反作用选择
副调节器作用方式确实定：从锅炉的设备和平安出发，一旦系统故障就应自动切断燃料供给。所以可控硅输出电压选用气开式，调节阀的静态放大系数Kv大于0。然后确定副被控过程的K2。当可控硅的导通角增大，电压增大，炉膛水温上升，被控对象为正作用，所以K2大于0。再确定副调节器，为保证回路是负反响，各环节的静态放大系数极性相乘必须为负，所以副调节器K2小于0，副调节器的作用方式为反作用方式
主调节器作用方式确实定：炉膛水温升高，出口温度也升高，被控对象为正作用，所以K1大于0。为保证主回路为负反响，各环节的放大系数相乘必须为负，所以主调节器的放大系数K1小于0。主调节器的作用方式为反作用方式。
2.3 系统组成
本系统的构造框如图2-2所示
变送器

PLC
热电偶
锅 炉

锅炉

可控硅
图2-2 系统组成的构造框图

系统选用S7-300PLC为控制器，用热电偶检测炉温，温度变送器将热电偶输出的微弱信号转换为标准信号。然后送给模拟量输入模块，经A/D转换成数字量。CPU将它与温度设定值作比拟，并按PID控制算法对误差进展运算，将结果送给模拟量输出模块，经D/A转换变为模拟信号。用来控制可控硅的导通角大小，从而调节电热丝的加热，改变温度大小。
第三章 硬件设计及网络构造
3.1可编程控制器概述
可编程控制器简称PLC，它几乎完全占领了工业控制领域。由于PLC的应用面广、功能强大、使用维护方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用。
PLC有两种工作状态，即运行〔RUN〕状态和停顿〔STOP〕。其中运行状态是执行应用程序的状态，在CPU执行启动操作时，去除没有保持功能的位存储器，定时器和计数器，去除堆栈内容等。再执行一次启动组织块OB100,它由用户编写，即完成对指定的初始化操作。之后反复不断地重复执行用户程序。停顿状态一般用于程序的编制与修改。
除了执行用户程序外，PLC还要完成启动循环时间监，数据写入输出模块，读取输入模块状态，并存入输入过程映像区；在系统循环完毕时，接着执行所有挂起的任务。最后返回第一阶段。各个阶段如图3-1所示
执行OB100
启动循环时间监控
数据写入输出模块
读取输入模块状态
执行用户程序
执行其他任务
图3-1 扫描过程

PLC的特点如下：
n 可靠性高，抗干扰能力强，适应性强。
n 系统的安装、设计和调试工作量小，维护方便。
n 硬件配套齐全，编程方便易学，操作方便。
n 体积小，功能强大，能耗低，性价比高。
3.2 S7-300的输入输出模块
S7-300属于模块式PLC，主要由CPU模块、电源模块、输入输出模块组成〔图3-2〕。各种模块安装在机架上，通过通信模块，PLC可以与计算机，其他PLC或其他设备进展通信。
电源模块
接口模块
输 入 模 块
CPU 模块
输 出 模 块
通信接口
其他设备
其他PLC
计算机
通信网络
扩展机架
图3-2 PLC根本构造

Ø 模拟量输入模块
在温度控制系统中，传感器将检测到的温度信号转换成4～20mA的电流信号。模拟量输入模块SM331用于将模拟量信号转换为CPU内部处理的数字信号。其主要组成局部是A/D转换器。模拟量输入模块的输入信号一般是模拟量变送器的标准输出信号。
为了减少电磁干扰，传送模拟信号时使用双绞屏蔽电缆。模拟信号电缆的屏蔽层两端接地，如果电缆两端存在电位差，将会造成对模拟信号的干扰。在这种情况下，将电缆的屏蔽层一点接地。
Ø 模拟量输出模块
模拟量输出模块SM332用于将CPU送给执行元件的数字信号转换成成比例的电流信号，其主要部件是D/A转换器、
模拟量输出模块为负载和执行器提供电流或电压，模拟信号使用屏蔽电缆或双绞线电缆来传送。
Ø 数字量输入模块
数字量输入模块SM321用于连接外部的机械触点和电子式传感器，比方接近开关，二线式开关等。数字量输入模块把外部传来的数字信号转换为PLC的内部信号，输入电路中一般含有RC滤波器，防止由于外部干扰而引起的错误信号输入。输入电流一般为几毫安。
Ø 数字量输出模块
数字量输出模块SM322用于驱动接触器，灯等小功率电机负载。数字量输出模块将PLC的内部信号转换为控制过程所需的外部信号。具有隔离和功率放大作用，其功率放大元件如大功率晶体管和场效应晶体管，固态继电器，驱动交流负载的双向晶体管等。输出电流一般为0.5～2A
3.3 温度传感器
温度传感器是最早开发，应用最广的一种传感器。它是把检测到的温度转化为电量的装置。按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶，热电偶是将温度转化为电势的变化，而热电阻是将温度的变化转化为电阻的变化。
² 热电阻
热电阻是金属导体的电阻随温度的增加而增加的这一特性来测量温度的，是测量低温的温度传感器，一般测量温度在-200～800℃。热电阻由金属材料制成，应用最广的是铂和铜。热电阻式温度传感器有如下特点:
优点：1〕准确度高 2)输出信号大，灵敏度高。3〕测量X围广，稳定性好。4)输出线性好 缺点：1〕抗机械冲击与振动性能差 2〕元件构造复杂，热响应时间长，不适宜测量温度瞬变区域。
² 热电偶
将两种不同的金属导体焊接在一起，构成闭合回路。在焊接端〔测量端〕加热产生温差，就会在回路里产生热电流，相应地产生热电动势。这种以测量热电动势的方法来测量温度的元件称为热电偶。一般测量X围在400～1800℃。热电偶温度传感器有如下特点：
优点：1〕构造简单，制造容易 2)价格廉价 3)准确度高 4〕测量X围广，能适应各种测量对象的要求，远距离测量和控制 5〕具有极高的响应速度，可以测量极速变化的过程 缺点：灵敏度较低，容易受到环境干扰的影响。
本设计使用镍镉-镍硅N型热电偶，具有线性度好，热电动势大，灵敏度稳定性均较好的优点。
3.4 温度变送器
变送器用于将传感器提供的电量转换为标准量程的直流电流或直流电压信号。例如DC0～10V和4～20mA。变送器分为电流输出型和电压输出型。PLC模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高。如果变送器距离PLC较远，传送模拟量电压信号时抗干扰能力会很差。当PLC的模拟量输入模块输入电流时，产生的干扰较小，所以模拟量电流信号适合于远距离传送。本设计选用电流输出型。
3.5 温度控制器
本设计采用可控硅作为开关元件，可以防止传统继电器的频繁吸合造成损坏的问题。而且具有动作快，寿命长，可靠性好等优点。通过将可控硅的导通角大小来调节输出功率，从而控制主回路加热元件电流大小，使加热炉保持在设定温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成，主回路由可控硅、快速熔断器，加热元件等局部组成。控制回路由电源、热电偶、PID调节器等局部组成。
3.6系统网络构造
西门子的STMATIC NET网络系统可分为四层，如图3-3
管理层
单元层
现场层
执行器—传感器
工业以太网
工业以太网
Profibus
Profibus
AS-i
图3-3 网络系统

1.现场层是通过连接如分布式I/O、执行机构、传感器和开关等现场设备，完成现场设备控制及设备的连接控制。西门子网路系统将执行器与传感器单独分一层，并使用AS-i网络。
2.单元层 单元层又称车间监控层，用来连接车间的生产设备，实现车间级设备的监控，设备故障报警及维护等。单元层〔车间监控〕网络采用PROFIBUS-FMS或工业以太网。PROFIBUS-FMS是一个多主网络，能传送大量信息。
3管理层 车间操作员工作站可以通过集线器与车间办公管理网连接。通过工业以太网将车间产生的数据传送到车间管理层。工厂管理层通常采用TCP/IP通信协议标准，即符合IEC802.3标准的以太网。
S7-300PLC有PROFIBUS-DP和工业以太网的通信模块以及点对点通信模块。通过PROFIBUS-DP或AS-i现场总线，CPU与分布式I/O模块之间周期性地自动交换数据。
3.6.1 PROFIBUS现场总线
现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式串行多点式通信的数据总线，具有如下优点：
1〕现场总线使自动控制设备和系统组成了一个信息网络
2〕多个控制设备可共用一对双绞线，便于节省费用。
3〕具有维护方便，系统可靠性高。
4〕用户可以灵活地自由集成系统。
工业现场总线PROFIBUS是用于车间级监控〔单元层〕和现场层的通信系统。PROFIBUS是不依赖于生产厂家、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备都可以通过同样的接口交换信息。PROFIBUS由三局部组成，即分布式外围设备PROFIBUS-DP，用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信;报文规XPROFIBUS-FMS，它定义了主站与主站之间的通信模型，用于系统级和车间级的不同级之间供给商的自动化系统之间传输数据;过程自动化PROFIBUS-PA，用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输。其中PROFIBUS-DP应用最广。
S7-300PLC可以通过集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP网络上，具有快速、高效、低本钱等优点及可以进展组态、诊断和报警处理。PROFIBUS-DP设备可以分为三类不同类型的设备：1类DP主站〔DPM1〕是系统的中央控制器，与DP从站循环地交换信息，对总线通信进展控制和管理;2类DP主站〔DPM2〕是DP网路中的编程、诊断和管理设备，除了具有DPM1的功能外，在与一类DP主站进展数据通信时可以读取DP从站的输入/输出数据和当前组态数据，可以给DP从站分配新的总线地址；3类DP从站是进展输入信息采集和输出信息发送的外围设备，它只与组态它的DP主站交换用户数据，可以向该主站报告本地诊断中断和过程中断。［］
本系统采用插有PROFIBUS网卡的PC机作为1类主站，PC机上装有程序编程软件STEP7，用PC机和MCGS组态软件作监控操作站，连接在PROFIBUS总线上，可以完成远程编程组态以及在线监控功能。西门子ET-200M作为从站，ET-200M是模块化分布式I/O,具有集成的模块诊断功能。
3.6.2 MPI网络
MPI是多点接口的总称，每个S7-300CPU都集成了多点接口的通信协议，其物理层是RS-485,最大传输速率为12M bit/s,两个相邻节点最大传输距离为50m。PLC通过MPI可以访问功能模块，可以自动播送其总线参数组态，可以与多个设备同时建立通信连接，连接的设备有运行STEP7的PC机，HMI,及西门子其他型号的PLC。
联网的CPU可以通过MPI接口实现全局数据(GD)效劳，周期性地相互进展数据交换。西门子有两种MPI连接器，一种有PG〔编程器〕接口，另一种那么没有PG接口，在PC机上插上了一块MPI卡或使用PC/MPI适配器。
3.6.3 AS-i网路
执行器传感器接口AS-i网路，用于传感器和执行器的双向数据通信网路。位于自动控制系统最底层的网路。AS-i用于连接需要传送开关量的传感器和执行器，比方读取温度开关的状态，控制各种阀门等，也可以传送模拟量数据。
AS-i属于主从式网路，每个网段只能有一个主站，主站是网路通信的中心，用于网路的初始化，设置从站的地址和参数等。AS-i从站是AS-i系统的输入通道和输出通道。CP343-2通信处理器用于AS-i主站。AS-i的从站由专用的AS-i通信芯片和传感器、执行器局部组成，带有集成的AS-i连接的传感器和执行器可以直接连接到AS-i上。
第四章 软件设计
4.1 STEP7编程软件
STEP7编程软件是由西门子公司设计开发，具有提供编程、测试、参数设置、通信组态、维护，监控和参数设置的标准工具。本系统采用的是SETP7 V5.4版。
4.1.1 STEP7的硬件接口
为了在PC机上使用STEP7,应配置PC/MPI通信适配器。连接计算机的RS-232接口和PLC的MPI接口，将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络。计算机一侧的通信速率为19.2Kbit/s,PLC一侧的通信速率为19.2Kbit/s～1.5Mbit/s。
在STEP7的管理器中执行菜单命令：“选项〞→“设置PG/PC接口〞。在翻开的对话框中可以选择实际使用的硬件接口。如图4-1，单击“选择〞，可以安装上述选择框中没有列出的硬件接口的驱动程序。

图4-1

4.1.2 STEP7的编程功能
STEP7的编程语言有梯形图〔LAD〕、功能图〔FBD〕、语句表〔STL〕。梯形图〔LAD〕是STEP7编程语言的图形表示，适合于电气行业的用户；语句表〔STL〕是文本编程语言，与机器代码类似，能够节省输入时间和存储区域，适合于计算机技术领域的用户；功能块〔FBD〕也是STEP7编程语言的图形表示，用逻辑框表示逻辑功能，类似于数字门电路，适合于电路工程领域的用户
STEP7通过符号编辑器，可以管理所有的全局变量，用于设置符号名称、定义数据类型、注释及排序功能。STEP7的测试和效劳功能具有设置断点、强制输入输出、调用块等，同时检测几个块的状态的功能，还有帮助功能，包括在线帮助及从帮助菜单获得帮助。
4.2 STEP7工程的创立
在STEP7中，用工程来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP7用SIMATIC管理器对工程进展集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的数据。
使用向导来创立工程，双击Windows桌面上的SIMATIC管理器图标，进入SIMATIC Manager窗口。如下列图：

图4-2

l 下一步，CPU类型中选择CPU315-2DP,MPI缺省值为2。如下列图：
图4-3

l 下一步，块名称OB1作为主程序的组织块，所选的语言为LAD。如下列图:

图4-4

l 下一步，输入工程名称，按“完成〞生成工程，如下列图：
图4-5

4.3 用变量表调试程序
4.3.1 系统调试步骤
首先用变量表来测试硬件，同时观察CPU模块上的故障指示灯，或者使用故障诊断工具来诊断故障；第二，下载用户程序，在下载程序之前将CPU的存储器复位，将CPU切换到STOP模式；第三，排除可能导致CPU停机的程序中的错误；最后调试用户程序，在执行用户程序过程中来检查系统的功能，在调试时记录对程序的修改。
在调试时，最先调试启动组织块OB100,然后调试FB和FC，调试启动组织块后，接着应先调试嵌套调用最深的块。如图4-6。在FB1调试好后再调试FB1的FC2,指令BEU可以在完整的OB1中临时插入只有BEU指令之前的局部被执行。调试好后将它删除掉。
〔1〕
启动
〔5〕

OB1
(4)

FC1
(3)

FC2
(2)

FB1
DB1
图4-6 程序调试的步骤
4.3.2 变量表的根本功能
使用变量表可以在一个画面中同时监视，修改和强制用户感兴趣的全部变量。为满足不同的调试要求，一个工程可以生成多个变量表，在变量表中赋值的变量包括输入输出、定时器、计数器、位存储器，DB在内的存储器和外设I/O。
利用变量表可以监视变量，在计算机上显示用户程序或CPU中的每个变量的当前值。也可以对变量进展修改，将固定值赋给变量，对外设输出赋值，在停机的状态下将固定值赋给CPU的每个输出点。强制变量，给某个变量赋予一个固定值，即使用户程序被进展，也不会影响被强制变量的值。
4.3.3 变量表的生成
在SIMATIC管理器中，用菜单命令“插入〞→“S7块〔B〕〞→“变量表〞，出现一个对话框，在对话框中可以给变量表取一个符号名，“确定〞生成一个新的变量表，如图4-7。也可以在变量表编辑器中，用菜单命令“表格〞新建一个新的变量表，可以为一个用户生成几个变量表。输入变量时，可以在“地址〞栏输入在符号表中定义过的地址。当用回车键完成输入项时，其余的详细资料会自动地出现，可以用“选项〞中的“符号表〞将地址粘贴到变量表中。

图 4-7

4.3.4 变量表的使用
为了监视或修改在当前变量表中的输入变量，要与监视的CPU建立连接，选择变量表的菜单命令“PLC〞→“连接到〞→“建立此连接〞，建立与CPU的连接，可以方便地进展变量的监视或修改。用菜单命令“PLC〞→“断开连接〞，可以断开变量表和CPU的连接。
用菜单命令“变量〞→“触发器〞翻开对话框，选择在程序中的触发来监视或修改变量。变量表显示的是被监视的变量在触发点的数值，同时也可以选择监视的触发条件：一次或每次循环，如图4-8。
图 4-8

将CPU的模式开关调到RUN-P位置，单击“变量〞→“监视〞，执行监视功能，变量表中的状态值按设定的触发点和触发条件显示在变量表中。在STOP模式下修改变量时，因为用户程序没有被执行，各个变量的状态时相互独立的，相互不会影响。一些数字量可以任意地置0或置1状态，并且有保持的功能。这种通常用来测试数字量输出点的硬件是否正常。在RUN模式下修改变量时，各变量受到用户程序的控制，所以在RUN模式下不能改变数字量输入的状态，仅取决于外部电路的通断状态。
强制变量可以给用户程序中的变量赋一个固定的值，这个值不会由于用户程序的被执行而发生变化。被强制的变量只能读取，不能用写访问来该变其强制值。用菜单命令“变量〞→“更新监视值〞翻开窗口，被强制的变量和它们的强制值都显示在窗口中。其中显示的黑体字表示该变量已被赋予了固定值，普通字表示该变量已在被编辑，灰色字表示该变量不存在。变量的监视和修改只能在变量表中进展，而不能在“强制数值〞窗口中进展。
第五章 组态分布式I/O
在常规自动化系统中，连接传感器和执行器的这些电缆直接连接到中央可编程逻辑控制器的I/O模块上，这就需要大量的接线。使用分布式I/O模块，就可以把输入输出模块放到离传感器和执行器较近的地方，从而省了很多接线。本设计使用PROFIBUS-DP来建立可编程控制器、I/O模块和现场设备之间的连接。
5.1 STEP7硬件组态与诊断
硬件组态工具用于对自动化系统中使用的硬件进展配置和参数设置，包括系统组态，CPU的参数设置，模块的参数设置。同时还可以进展通信组态，包括连接的组态和显示，设置用MPI或PROFIBUS-DP连接的设备之间的周期性数据传送的的参数，设置用于MPI,PROFIBUS或工业以太网实现的数据传输。系统的诊断为用户提供自动化系统的状态，可以通过浏览CPU的数据和用户程序在运行中的故障原因。也可以用图形方式显示硬件配置，显示模块故障，显示诊断和缓冲区的信息等。
在PLC控制系统设计前期，首先需确定系统的硬件配置，确定了硬件组成后，需要在STEP7中完成硬件配置。硬件组态就是在STEP7中生成一个与实际的硬件系统相符的系统。PLC在启动时，将在STEP7中生成的硬件设置与实际的硬件相比拟，如果发现不同，将立刻生成错误报告。同样，也可以对以太网，PROFIBUS-DP和MPI等网络系统的构造和通信参数进展组态。
在SIMATIC管理器中双击“硬件〞图标，如下列图。进入硬件组态窗口。在UR导轨中放置模块。
图 5-1

双击模块，在对话框中设置模块的参数，包括模块的属性和DP主站和从站的参数。例如翻开CPU315-2 DP(1)模块的参数设置如下列图
图 5-2

在启动选项卡中，勾中“如果预设值组态与实际值组态不匹配那么启动〞表示如果一个模块没有插在组态时指定的槽位，或者某个槽插入的不是组态模块，CPU也会启动。除了PROFIBUS-DP接口模块外，CPU不会检查I/O组态。按下保存编译按钮并下载到PLC中区，如下列图

图5-3

5.2 参数设置
〔1〕CPU模块参数的设置
S7-300各种模块的参数用STEP7来设置，双击CPU315-2DP模块，如图5-2。在“启动〞选项卡中的“监视时间〞是CPU将参数传送给模块的最大时间，单位为100ms。如果超出了设置时间，CPU按“如果预设置的组态与实际组态不匹配那么启动〞的设置进展处理。
“周期/时钟〞选项卡中可以设置扫描循环、监视时间。如果超过了设定值，CPU将进入STOP模式。“诊断/时钟〞选项卡对系统中出现的故障进展识别，并作出相应的响应及保存诊断结果。为了准确地记录故障顺序，由系统中的时钟作出同步调整。“保持存储器〞用来设置从MBO，TO和CO开场的需要断电保持的存储器字节数，定时器和计数器的数量，在掉电或CPU突然由RUN进入STOP模式后，其余内容保持不变。还有保护级别的选择，在“保护〞选项卡中，有3个保护级别：级别1没有口令，在RUN位置只有读操作；级别2，如果知道口令的用户可以进展读写，但对于不知道口令的人员只能读访问；级别3不能读写。“日时钟中断〞选项卡用来产生日期-时间中断，中断产生时调用组织块OB10～OB17,还可以设置中断优先级。
〔2〕数字量输入输出模块的参数设置
在STEP7设置数字量输入输出模块的参数设置必须在CPU处于STOP模式下进展。设置参数完成后，把参数下载到CPU中区，双击四号机架的“DI32×DC24V〞,出现如5-4所示的属性窗口。在地址中可以设置模块的起始字节地址。用同样的方法设置数字量输出模块的参数。

图 5-4

〔3〕模拟量输入输出模块的参数设置
双击“AI8×12Bit〞,弹出如图5-5。选择“输入〞选项卡，在该页额可以选择是否“诊断中断〞或“超出限时的硬件中断〞，也可以分别对模块的每一个通道组选择允许的任意量程，每两个通道为一组。本设计选用TC-I热电偶，选勾“超出限时硬件中断〞，上限和下限分别为200℃和20℃，如图5-6。

图 5-6

图 5-7

5.3 组态DP主站系统
在HW Config中选择槽2.1的DP主站，菜单命令“插入〞→“主站系统〞，在对话框中使用默认地址，在“子网〞中选择“PROFIBUS(1)〞，如图5-8

图 5-8

在硬件目录下查找模块B-16DI，在该模块平移到“DP主站系统(1)处，弹出一个对话框，如图5-9，选择默认地址然后确认。
图 5-9

选择模块B-16DO，用同样的方法拖放到“DP主站系统(1)〞，使用缺省地址，再将接口模块IM153拖放到主站系统。选中IM153模块，单击4号槽，在硬件目录下选择ET-200M,其中的SM321 DI32×DC24V。双击该模块将其插入，如图5-10，最后保存并编译该组态。
也可以在SIMATIC Manager中双击网络“PROFIBUS(1)〞翻开NetPro窗口。按照上述方法把模块拖放到PROFIBUS DP，如图5-11。双击任意模块对其组态，HW Config窗口被翻开。

图 5-10

图 5-11

第六章 PLC控制程序设计
6.1 用户程序的根本构造
PLC中的程序分为操作系统和用户程序，操作系统用于实现的功能与特定的控制任务无关。比方处理PLC的起动、调用用户程序，管理存储区和处理通信等。用户程序在STEP7中生成，然后再下载到CPU，用户程序包含控制任务所需的所有功能。
STEP7将用户编写的程序和相应的数据放在块中。通过块与块之间的调用，和子程序类似，不仅可以简化程序组织，而且使得程序易于修改，调试和过失。也变得更易理解、易维护，增加了PLC程序的组织透明性。
Ø 组织块(OB)
组织块用于控制扫描循环和中断程序的执行、PLC的起动等。是操作系统和用户程序的接口，由操作系统调用。其中OB1用于循环处理，是用户程序中的主程序。操作系统循环一次就调用一次组织块OB1，组织块可分为启动组织块、循环组织块的程序组织块、定期执行的程序组织块、事件驱动执行的程序组织块,OB1属于循环执行的程序组织块，而且就仅此这一个。启动组织块有三个：OB100〔暖启动〕、OB101(热启动)、OB102(热启动)。
Ø 功能块(FB)和功能(FC)
功能和功能块是用户编写的包含使用的子程序，然后在主程序OB1或其他程序块中调用FB。每次调用功能块时必需提供各种类型的数据给功能块，功能块也要返回变量给调用它的块。功能(FC)与功能块(FB)类似，根本区别在于FB有自己的存储区(背景数据块)，而FC那么没有。
Ø 数据块(DB)
数据块的作用是存放执行用户程序时所需要的数据区域，STEP7按数据生成的顺序自动地为数据块中的变量分配地址。数据块分为背景数据块(DI)和共享数据块(DB)。背景数据块是调用FB和SFB时用于传送参数的数据块，自动生成数据。共享数据块是为用户程序提供可保存的数据区域，共享DB存储的是全局数据，供所有块共享。
Ø 系统功能(SFC)和系统功能块(SFB)
系统功能和系统功能块是为用户预先编写好程序的块，它们已经固化在S7PLC的CPU中。用户在程序中可以调用它们，但不能修改。其中SFB有存储功能，其变量保存在背景数据块中，而SFC那么无存储区。
6.2 PID温度控制
STEP7包含了两个温度控制器。1、FB59“TCONT_S〞(步进控制器)2、FB58“TCONT_CP〞,该温度控制器用于具有连续或脉冲输入信号的执行器，此外还有PID参数的自整定功能。FB58“TCONT_CP〞温度控制器通过PROC_P模拟温度过程。本系统采用FB58“TCONT_CP〞(连续控制)，在OB35中以100ms为周期性中断时间调用控制器和过程块。当OB100启动时，控制器和过程块的重启位被置位。
在符号表中，为程序中寻址的绝对地址分配符号名和数据类型，即全局变量。这样可以增加S7程序的可读性。符号表见下列图：

图6-1 符号表

在SIMATIC Manager 中插入一个新对象：变量表。双击翻开如图4-7，在VAT_LC变量表中输入如下列图
图6-2 变量表

在OB1中创立程序如下列图
图6-3 主程序OB1

为了可以调用FB58、FB100功能块，必须生成相应的数据块，一个背景数据块指定给一个功能块。如下列图
图6-4 背景数据块DB58

图6-5 背景数据块DB100

在OB35中调用控制器和过程块，OB35 中以100 毫秒为周期性中断时间调用控制器和过程块，见图6-6、6-7。
图6-6 组织块OB35(1)

图6-7 组织块OB35(2)

创立组织块OB100,启动组织块OB100用于系统初始化，见下列图：

在启动组织块中，上面两行程序用于控制器和过程的例行启动程序。下三行为切换控制器到手动模式，并输出被控变量=0
最后通过菜单命令“PLC〞→“下载〞，复制到CPU中，调试好后投入运行。
结 论
通过一周时间的课设，使自己更加熟练地运用PLC及软件，通过自己的翻书查阅、请教教师、网上看教程等方式，较为成功地完成了这次课设的内容，初步掌握了PLC的实用根底，自己也从中学到了不少的实用性知识。而且在这次课设中，遇到不少的难题，在解决一个个难题中学会了如何去解决问题并且完善。通过这次课设，我学会了电加热炉温度控制系运用成熟的PLC技术，软件和硬件相结合，较好地解决了传统加热炉在温度控制上存在的问题。本系统采用S7-300可编程控制器，利用传统的PID策略对温度进展控制，且运用串级控制系统，能够较好地实现了电炉温度的自动调节，设计便捷、效果好、工作可靠、精度高、稳定性好，远高于常规仪表组成的系统。通过本系统的设计，使我对在校所学的知识又有了进一步的稳固和加深、拓展。加热炉温度控制系统采用成熟的PLC技术和电力电子技术，采用软硬件结合，较好的解决了传统的加热炉温