基于PLC和组态王的温度控制系统设计完整毕业论文
基于PLC和组态王的温度控制系统设计完整毕业论文日录第一章前言…1.1项日背景、意义1.2温控系统的现状1.3项目研究内容…第二章PLC和HM工基础……..2.1可编程控制器其础2.1.1可编程訇器的产生和应用………2.1.2可编程制器的组成和工作原理……2.1.3可编程控制器的分类及特点.2人机界面基础..2.2.1人机界面的定义……2.2.2人机界面产品的组成及工作原理889922.3人机界面产品的特点…第三章PLC控制系统硬件设计中审…103.1PLC控制系統设计的基本原则和步骤3.1.1PLC控制系统设计的基本原则103.1.2PLC控制系统设计的一般步骤.…111-111111132PLC的选型与砭件配置….…133.2.1PC型号的选择3.2.2S7-200CPU的近择143.2.3EM231模拟量输入模坎…1432.4热电式传感器1633I/O点分及电气连接图173.4PC控制器的设计173.4.1控制系统数学模型的建立……173.4.2PID控制及参数整定…19第四章PLC控制系统软件设计…4.1PLC程序设计方法·=·“““:·····““·:··“:4*·:::·ss·s····4.2编程钦件STEP7-- MICRO/WIN模述4.2.1STEP7- Micro/W|N简单介绍234.2.2梯形图语言特点,4.2.3STEP7- Micra/WN参数设置(通讯设置)54.3程序设计274.3.1设计思路274.3.2控制程斥流程图..……274.3.3梯形图程序.284.34PID指令向导的运用4.3.5语句表(STL)程序35第五章基于组态王的HMI设计…5.1人机界面(HMI)设计375.1.1监控主界面量++·++++分什分++f++b世+,."+++子量++-晋++++出±“++++““++世“+++++++牙++土++量世““++世世385.1.2实时趋势由线…395.1.3历史趋势曲线!1:1t!405.1.4报警窗一5.1.5设定画面5.2变量以置425.3动画连接…第六章系统运行结果及分析……466.1系统运行….466.2运行结果分析…476.2.1温度趋势曲线分析……47622报警信息分析…49第七章总结香音看量音重量重量套音音音音音量量音音音音盘量晋牙量雷看宙曲连自尝普套套50参考文献…5致谢·…如一哪物物自回.错误!木定义书签第一章前言1.1项目背景、意义温度控制在电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。由于其具有工况复杂、参效多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求极高。目前,仍有相当部分工业企业在用窑、炉等烘千生产线,存在着控制精度不高、炉内温度均匀性差等问题,达不到工艺要求,造成装备运行成木费用高,产出品品质低下,严重影响企业经济效益,急需技术改造近年来,国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究,特别是随着计算机技术的发展,温度控制器的研究取得了巨大的发展,形成了一批商品化的温度调节器,如:职能化PID、模糊控制、臼适应控制等,其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。在工业自动化领域内,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,目前的工业控制中,常常选用PLC作为现场的控制设备,用于薮据采集与处理、逻辑判断、输出控制;而上位机则是利用HI软件来完成工业控制状态、流程和参数的显示,实现监控、管理、分忻和存储等功能。这种监控系统充分利用了PLC和计算机各自的特点,得到了广泛的应用。在这种方式的基础上设计了一套温度控制系统。以基于PC的下位机和完成IMI功能的上位杌相结合,构建成分布式控制系统,实现了浧度自动控制。PLC不仅具有传统继电器控制系统的控制功能,而且能扩展输入输岀模块,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λ输岀控制和现代控制方法融为一体,实现智能控制、闭环控制、多控訇功能一体的综合控制。现代PC以集成度皛、功能强、抗干扰能力强、组态灵活、⊥作稳定受到普遍欢迎,在传统工业的现代化改造中发挥越来越重妟的作用,尤其逅合温度控制的要求此外,随着Tν自动化水平的迅速提高,用户对控制系统的过程监控要求越来越高,人机界面(HMⅠ的出现正好满足了用户这一求ε人机界面可以对控制系统进行全面睑控,包括参薮监测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能,从而使控制系统变得简单易懂、搀作人性化,深受广大用户的喜欢。人机界面(HMI)在自动控制领域的作用日益显著。HM正在成为引导工业生产制造走向成功的重要因素,因为这些系统越来越多的用于监控生产过程,让过程变得更加准确、简洁和快速。HMI其实广义的解释就是“使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口”。举个例子来说,在一座工厂里头,我们要搜集工厂各个区域的温度、湿度以及工厂中机器的状态等等的信息透过一台主控器监视并记录这些参数,并在一些意外状况发生的时候能够加以处理。这便是一个很典型的 SCADA/HMI的运用,一般而言,HI系统必须有几项基本的能力:实吋的资料趋势显示——把撷取的资料立即显示在屏幕上。白动记录资料——自动将资料储存至数据库中,以便日后査看历史资料趋势显示—把数据库中的资料作可视化的旱现报表的产生与打印——能把资料转换成报表的格式,并能够打印出来。图形接口控制操作者能够透过图形接口直接控制机台等装置。警报的产生与记录—使用者可以定义一些警报产生的条件。比方说温度过度或压力超过临界值,在这样的条件下系统公产生警报,通知作业员处理。1.2温控系统的现状自70年代以来,由于工业过程控制的需要,特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发晨的推动下,国内外温度控制系统发展迅速,并在职能化、自适应、参数自整定等方面取得成果,在这方面,以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,都生产山了“批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行各业广泛应用凹。它们主要具有如下特点:1)适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。2)能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3)能适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。4这些温度控制系统普遍采用自遹应控制、自校正控制、模糊控制、人工职能等理论及计算机技术,运用先进的算法,适应的范围广泛。5)温度控制器旾遍具有参数自整定功能。借助计算杌软件技八,温控器具有对控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能,它能够根据历史经验炇控制对象的变化情况,自动调整相关控制参数,以保证控制效果的最优化。6)温度控系统既冇控制精度高、抗干扰能υ强、鲁棒性好的特点。目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能话、小型化等方面快速发展l温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前,我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期水平,成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主,它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后、复杂,时变温度系统控制。而适应于较髙控制场合的智能化、自适应控制仪表,国内技术还不十分成熟。形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面,国外已有较多的成熟产品,但由丁国外技术保密及我国开发工作的滞后,还没开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。这些差距,是我们必须努力克服的。随着我国加入WTO,我国政府及企业对此非常重视,对相关企业资源进行了重组,相继建立了一些国家、企业的研发中心,并通过合资、技术合作等方式,组建了一批合资、合作及独资企业,使我国温度仪表等工业得到迅速的发展。随着科学技术的不断发展,人们对温度控制系统的要求愈来愈高,因此,高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国內外必然发展趋势1.3项目研究内容可编程控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越,已被广泛应用于工业控制的各亼领域,并已成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人, CAD/CAM之。PLC的应用己成为·个世界潮流,在不久的将米PC技术在我国将得到更全面的推和应用。本论文研究的是PLC技术在温度监控系统上的应用。从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设训、程序设讣,控淛对黎效芓模型的建立、控制算法的选择和参数的整定,人机界面的设计等。本论文通过德国西门子公司的S7-200系列PC控制器,温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号,经过模拟量输入模块转换成数字星信号并送到PLC中进行PI调节,PID控制器输出量转化成占空比,通过同态缢电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。同时利用平控公司的组态软件“组态王”设计一个人机界面(HMⅠ),通过串行口与可编程控制器通信,对控訇系统进行全面监控,从而使用户操作更方便。总体上包括的技术路线:硬件设计,软件编程,参数整定等。全论文分七章,各章的主要内容说明如下。第一章,对温度控制系统应用的背景及国内外的发展状况进行了阐述,指出了本文的研究意义所在。第二章,简单概述了PLC和人杌界面的基本概念以及结构功能等基础内容。第三章,主要从系统没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、妒部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整第四章,在硬件设计的基础上,详细介绍了本项目软件设计,主要包括软件设计的基本步骤、方法,编程软件STE7- Micro/WIN的介绍以及本项目稈序设第五章.详细介绍了如何在亚控公司的组态软件“组态王”的基础上进行人札界面的设计。第六章,展示了系统运行结果,然后对其分析得出结论。第七章,总结全文第二章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 logicController),它使用了可编程序的记忆以存储指令,用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能,并通过数字或模拟的输入和输出,以控制各种机械或生产过程。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20世纪60年代,计算机技术开始应用于⊥业领域,由于价格高、输入电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环堉等原因,未能在工业控制领域获得推广。1968年,美国通用汽车公司(GM)为了适应产工艺不断更新的需要,要求寻找一种比继电器更可靠、功能史齐全、响应速度更快的新型下业控制器,并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件,立即引发了开发热潮。1969年美国数字设备公司(DFC)根据美国通用汽车公司的这种要求,研制成功了世界上第一台可编程控制器,并在通用汽车公司的自动装配线上试用,取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。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铟铁、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。PC的应用范围通常可分为厂关逻辑控制、运动控制、过程控制、机楲加工中的欻字控制、机器人控制、通信和联网等52.1.2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CP、存储器、L/0接口单汇攴扩展接口和扩展部件、外设接口歧外设和电涼等部分组成,各部分之间通过系统总线连接。PLC的基本结构如图2-1所示:存储单元中央处理单元输入接CPU输出接电源图21PLC基本结构图1)CPU(中央处理器)CPU是PLC的核心,由运算器、控制器、寄存器、系统总线,外围芯片、总线接口及有关电路构成。它的功能是接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的备存器中,同时,诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等,是PC不可缺少的组成单元。主要功能包括以下几个方面。1)接收从编程器或者计算机输入的程序和薮据,并送入用户程序存储器存储(2)监视电源、FLC内部各个单元电路的工作状态。3〕诊断编程过程中的语法错淏,对用户程序进行编译。(4)在PC进入运行状态后,从用户程序存储器中逐条读取指令,并分析、执行该指令(5)采集由现场输入装置送来的数据,并存入指定的寄存器口6)按稈斥进行处珅,根椐运算结果,更新有关标志位的状态和输岀状态或数据寄存器的内容。(7)根据输岀状态或数据寄存器的有关内容,将结果送到输岀接口。8)响应中断和各种外围设备(如编程器、打印机等)的任务处理谓求。2)1/接口∏LC是通过各种I/O接口模块与外界联系的,按Ⅰ0点数确定模块规格及数量,I0模块可多可少,但其最大数受CFU所能管理的基本配置能力的限制,即受最大的底板或机架糟数限制。I/O嫫块集成了PC的I/电路,其输入暂存器
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ansoft Maxwell 3d 向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器时的Maxwell 3D成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。可以分析涡流、位移电流、集肤效应和邻近效应具有不可忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈等电磁部件的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗（R和L）、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、B和H分布图、能量密度、温度分布等图形结果。本文件是软件使用教程.希望能帮助大家·Printing HistorNew editions of this manual include material up dated since theprevious edition. The manual printing date, indicating the manualscurrent edition, changes w hen a ncw edition is printed. Minorcorrections and updates incorporated al reprint do not cause the daleto changeUpdate packages may be issued betw een editions and containadditional and/ or rep lacement pages to be merged into the manualby the user Pages which are rearranged because of changes on aprevious page are not considered to be revised.EditionDateSoftwareRevisionFebruary 1991April 199212December 1993October 19964.1September 19995.06December 20006.0WWW⊥nmTypeface ConventionsComputerCter type is used fon promptsand messages, for field names, and for keyboard entries that must be ty ped in theirentirety exactly as shown. For example, thenstruction"copy filel"means to type the w ordcopy, to type a space. and then to type filelMenu/Command Computer type is also used to display the commands that are needed to perform a specifictask Menu levels are separated by forwardslashes (/) For example, the instructionhoose File/Open"means to choose the Opencommand under the file menuItalicsItalic type is used for emphasis and for thetitles of manuals and other publications. Italictype is also used for key board entries when aname or a variable must be typed in place ofthe words in italics. For example, the instruc-rion“ copy filename” means to type the wordcopy, to type a space, and then to type then amc of a filc. such as filelKeysHelvetica type is used for labeled keys on thecomputer keyboard. For example, the instruc-tion"Press Return?"means to press the key onthe com puter that is lahcled Returnwww.docin.coInstallationBefore you use Maxwell 3D, you must1. Set up your systems graphical windowing systerm2. Install the Maxwell softw are, using the directions in theAnsell PC or UNIX Installation guideIf you have not yet done these steps, refer to the ansoft installetionguides and the documentation that came w ith your computer systemor ask your system administrator for helpsing a Graphical User InterfaceIf you are familiar with the concepts of using a mouse, menus, andother graphical user interface(GUn)tools, skip to Chapter 1“ IntroductionIf you have not used GuI systems before, this section will help youunderstand some of the terminology used in this guide. Since GUIare basically visual, the best way to learn to use them is by practicingon your systemMost gui systcms usc a mouseas a poinTing device, with whichyou can select areas on the screenfor command execution andmoving from one program toanother. Your mouse may have 2www.door 3 buttons; Maxwell 3D ignoresthe middle button on 3-buttondelsAnsoft products donot usc this button. You canprogram mouse buttons to work in non-standard ways, as you mightwant to if you are left-handed. For simplicity, the left-hand hutton(under your forefinger if you are right-handed) is called the leftbutton, and the one on far right is the right mouse button. You willprobably find the terms intuitive once you use these buttons a fewtimesPoint and click; Right clickTo choose an item with the mouse, first move it on your desk until thearrow cursor is on that item; you are now pointing" at the item. Next,ress and release the left bu tton thlled"clicking " Point-andclick is the most common action you will make with your mouseally, click" refers to a lefise button clickYou can sometimes use your right mouse button to access or entercommands. In the 3d Modeler for instance, a right mouse buttonclick causes a short menu of commands to appear at the moustcursor. Generally, right click "refers to a right mouse button clickDouble-ClickOccasionally you may want to sclect all of thc text in a box,orperform a special lask(such as indicating the end of drawing a linewhile you are using Maxwell 3D. You can do this efficiently byquickly clicking twice with your left mouse button -a doubleDragging objects; Click and HoldWhen you are drawing in the 3D Modeler, you can often use yourmouse to enter objects and move around the screen. Frequently, youwill click the mouse button and hold it down until the next part of thecommand is reached (the object is oved, the next point is enteredand so forth). If you click and hold on the edge of a w indow, you canposition, or drag, the window on your screen. You can often dragobjects in Maxwell; experiment to see w hat will moveTool BarsTool bars are shortcut methods for entering commands. There is atool bar in the 3d Modeler and most of the setup modules for severalcommand s. To use a tool bar. click the mouse cursor on the buttonyou want to use. Here is an example of a tool bar囗。圖哦良风≌固函MenusWithin each screen of maxwell 3d are areas w hich list subsets ormenus,of commands. You can access a menu by clicking your mouseon the word or button that indicates the menu. The menu is pulleddown, listing the commands available on that menu. (For examplethc New command is availablc on the File mcnu. Usually, thc mcnuwill remain displayed until you choose a command, or click on thedesktop to exit. If the menu does not remain displayed, click and holdthe mouse button, then release the button to make your choiceFile Edit viewNewopenCloseSavectrl+SSave AsImportExportExitctrl+QAn arrow on the right side of a command indicates that there is asubmenu for that command. An ellipsis (. )indicates that a pop-upwindow appears aftcr choosing this commandWhen you are asked to use a menu command, each level is separatedby a"/". Thus, to zoom in on a drawing, you would choose the viewLoom In menu command To open a new file, you would choose File/There are also pop-up menus, which appear when you righL-click ona maxwell modeler window. choose commands from thcsc menus inthe same way as from menu barsFor more information on using GUIs, refer to"User Interface"in theMaxwell Control Panel,s online help systemOther ReferencesFor detailed information on Maxwell 3d commands refer to theonline documentation for the maxwell 3d field simulatorTo start maxwell 3d, you must first access the maxwell controlPanel. for more detailed inform ation on the maxwell control panelcommands, refer to the Maxwell Control Panels online help systemwww.docin.comTable of Contents1. Introduction1-1General Procedure.1-2The Sample Problem1-4Meshes.....,,,,,,,,面2. Create aAccess the maxwell Control Panel·:.·:·甲,,,,,,,,,,2-2Start the Project managerCreate a Project directoryCreate a New project··,···············,·,,,,,,,,,,2-6Enter notes2-73. Draw the model3-1Open the project3-2Start. the 3D Modeler3-3Side window........................snaps3-6Define the problem region: Coordinates and Units ..,...... 3-7Absolute and relative coordinates3-7Grids3-7Zooming in and out of the view window3-9Create the electromagnet3-10Draw the Coil...,,.,..,3-10Draw thc Circlc........,..,...,,,......,..........3-10Create the Cylinder,,3-11Create the hole for the Core3-12Draw the Core·中··············3-13SavingP3-14Create the magnel翻...3-15Draw the magnet3-15Move the magnet3-15Toggle Off the Background..................3-16Create a termini..........,,,,,..,,,,......,,,..3-17Create the Coil terminal..........,,......,,,.,..3-18Define the Problem Region;..,;;“;##.3-20Define the Problem Region .................. 3-21Shading and rendering . ......................................3-22Exit the 3d modeler3-234 Define The problemAccess the Material Manager4-2Exclude the background·····+···,,,,,,,,,,,,,,.4-2Assign Steel to the CoreAssign Copper to the Coil4-3Assign vacuum to the problem Region.......4.......4-3Assign NdFe35 to the Magnet4-3Access the 3D Boundary/Source Manager45assign a current to the coil.....4-6Define the sourceAssigning the Source lo the Termina.........,..,,,,∴4-64-7Check the Direction of the CurrentExit the 3D Boundary/Source Manager4-85. Generate a Solution5-1Setup executive Parameters······5-2Create a Force Setup for the Magnet.5-3Create a Force Setup for the Coil and Core5-3Create a Force Setup for the entire model·········Exiting the Executive Parameters moduleSpecifying Solution Criteria·非5-5Solver type11翻自。■非非首·····:.··.·Magnetic Field SolveResidualSolve for Field and Parameters+++++++++++++++++++++;,+“++Adaptive analysisContents-2
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