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1、基于PLC和组态王的温度控制系统的设计目 录第一章系统及工控机的设计与选择1.1系统整体设计方案1.2系统硬件各部分选型1.3传感器Pt100的选型设计1.4 温度变送器选型设计第二章PLC和HMI基础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2.1.2可编程控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2.2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2.2.3人机界面产品的特点第三章PLC控制系统硬件设计3.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤3.1.1PLC控制系统设计的基本原则3.1.2PLC控制系统设计的一般步骤3.2PLC的选型
2、与硬件配置3.2.1PLC型号的选择3.2.2S7-200 CPU的选择3.2.3EM231模拟量输入模块3.2.4热电式传感器3.3I/O点分配及电气连接图3.4PLC控制器的设计3.4.1控制系统数学模型的建立3.4.2PID控制及参数整定第四章PLC控制系统软件设计4.1PLC程序设计方法4.2编程软件STEP7-Micro/WIN概述4.2.1STEP7-Micro/WIN简单介绍4.2.2梯形图语言特点4.2.3STEP7-Micro/WIN参数设置（通讯设置）4.3程序设计4.3.1设计思路4.3.2控制程序流程图4.3.3梯形图程序4.3.4PID指令向导的运用4.3.5语句表（
3、STL）程序第五章基于组态王的HMI设计5.1人机界面（HMI）设计5.1.1监控主界面5.1.2实时趋势曲线5.1.3历史趋势曲线5.1.4报警窗口5.1.5设定画面5.2变量设置5.3动画连接4第六章系统运行结果及分析6.1系统运行6.2运行结果分析6.2.1温度趋势曲线分析6.2.2报警信息分析第七章 总结参考文献摘 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
4、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A
5、bstractProgrammable 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 sui
6、table 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-
7、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
8、 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 a
9、rithmetic 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.
10、 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 automati
11、c 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第一章 系统及工控机的设计与选择1.1系统整体设计方案1.1.1系统整体设计原理要实现计算机控制，外部的设备（检测机构和执行机构）都是采用的模拟量信号，但是计算机不能识别模拟量信号，只能识别是数字量信
12、号，所以要实现计算机控制必须实现模拟量信号到数字量转换和数字信号到模拟量信号的转换3。因此，根据设计要求，本设计以IPC板卡为核心，外加研华610H工业控制计算机、Pt100温度传感器、SBWZ温度变送器等其它外围设备搭建硬件线路构成一个单闭环温度控制系统；用工业控制计算机作控制器，通过IPC板卡的温度采集、模数转换和功放输出，搭建用数据采集板卡进行现场温度数据采集和用功放输出板卡进行输出控制的硬件线路，用工控机的组态软件编写板卡温度量采集与监控程序并设计PID控制算法，并用组态软件编制组态界面实现温度的显示控制，可以实时监测当前温度，并进行温度的实时控制，实现在0-100温度范围内控制精度为
13、0.5的温度控制。工控机IPC5373低压继电器接触器加热器锅炉PT100温度变送器接线端子A/D转换PCL818L系统具体组建方案：电加热锅炉中水的当前温度经过Pt100热电阻测量后得到对应电阻值变化，传送到SBWZ温度变送器，得到4-20mA的电流信号，经串联一个250的电阻，得到1-5V模拟电压信号，通过研华的PCL-818L板卡的A/D转换，将采集外部温度传感器和变送装置测量现场得到的电压信号转换为计算机可识别的数字量信号，送入计算机，本设计用VB来读取这个数字量信号。为达到预期目标温度，选择控制算法，用组态软件自带的控制模块编写一个数字PID程序，对系统进行PID参数的调节，寻找最好
14、的适合系统的最佳的PID参数的值。实现对输入的信号的分析处理，然后通过组态王控制算法PID算法程序进行运算调整，得出PID控制器的输出值，经康拓IPC5373板卡的D/A转换，将数字量信号转换成低压继电器可识别的开关量信号，输出控制中间继电器。中间继电器为接触器给定控制信号，接触器的通断则执行了对加热过程的控制，实现控制继电器的接通与断开时间，进而控制电加热锅炉的接通与断开来达到控制水温的目的，从而实现对锅炉温度的实时控制。如图1所示为计算机温度监控系统的原理框图。图1 计算机温度监控系统原理框图根据控制要求，温度单回路控制系统的控制参数是电加热锅炉中水的温度，课题设计要求实现的目标是电加热锅
15、炉中水的温度达到设定值。在这里以研华610H工业控制计算机作为控制器，Pt100热电阻作为温度传感器，SBWZ温度变送器，PCL-818L板卡和IPC5373板卡分别作为信号输入和控制输出单元，完成系统的A/D和D/A转换，电磁低压继电器、交流接触器作为执行器，电加热丝为被控对象4。1.1.2系统设计过程流程图在系统设计过程中，首先应考虑控制任务中需要解决或重点探究的地方，根据任务需求，选择系统设计中需要的硬件和软件。在外围硬件电路搭建完成之后，根据硬件编写合适的控制程序。然后就可以进入到调试环节，调试，修改，调试，修改。从而达到所需要的控制效果。在本次系统设计中，评估控制任务的目的是为了考虑
16、现场实际应用和控制要求、任务，从而确定系统设计的最后可行性方案。在方案设计完成以后，就需要选用一定的硬件和软件了，硬件是系统的肉体，软件是系统的灵魂，两者结合才会是一个完美的系统设计。在硬件中，对各部分的选型，对硬件的学习、了解等都是前期必须要掌握的内容，掌握好每个部分，才能够将部分联系成整体。将整体系统连接起来以后，开始联机调试，发现未处理、未考虑到的问题及时的处理，那么这套系统就可以完成了。系统设计图如图2所示。1.2系统硬件各部分选型1.2.1板卡选型设计板卡在系统设计中的作用就是信号处理，即模拟量到数字量的转换，数字量到模拟量的转换。为了能够满足设计要求，顺利地完成本次设计，查阅了相关
17、的资料，结合对市场上的主流板卡品牌的了解，再综合考虑到学校实验室的具体情况，在此设计中，模拟量到数字量的转换即为A/D转换，本次设计所选用的数据采集输入板卡为研华PCL-818L A/D板卡，数字量到模拟量的转换即为D/A转换，本次设计所选用的数据输出板卡为康拓IPC5373板卡。1.2.1.1 模拟量输入通道的板卡设计模拟量输入通道主要的设备就是数据采集输入板卡为研华PCL-818L A/D板卡，它的主要功能是实现模拟量到数字量的一个A/D转换。研华PCL818L A/D板卡主要技术规格5如下：12位A/D 分辨率。最高可达100kS /s的采样率。16通道单端或8通道差分输入。单极性或双极
18、性模拟量输入范围。双极模拟输入范围。可编程的增益设置：0.5，1，2，4，8。输入范围：10V、5V、2.5V、1.25V、0.625V、0-10V、0-5V、0-2.5V。自动模拟输入扫描；模拟输入支持DMA传输方式。2通道12位多路切换模拟输出，1通道16位通用定时/计数器。16通道TTL数字输入和16通道TTL数字输出。PCL-818L是PCL-818系列中的入门级板卡。该板卡可以供要求低价位的用户使用。除了采样速率为40KHz，以及只能接受双极性输入外，其他功能和PCL-818HD和PCL-818HG完全相同。这样无需更改硬件或软件，就可以将应用升级到高性能的数据采集卡。PCL-818
19、L 具备所有数据采集卡的功能，例如，A/D 、D/A 转换、DIO 和定时/计数器，本卡的高规格使其在需要高速采集的情况下得到广泛应用。 PCL-818L 为低电平输入(例如，热耦合信号测量)提供专门的高增益可编程仪表放大器。PCL-818L 板卡在全部增益下最高可达到100kS /s 高速采样率。PCL-818L 具有16 路单端输入和双极性输出，PCL-818L 具有2 路12 位双缓冲模拟输出，16 路数字输入和16 路数字输出，1 个通用定时/计数器。板卡完整详细原理及规格请参见研华PCL-818系列板卡中文手册。1.2.1.2 数字量输出通道的板卡设计数字量输出通道主要的设备就是康拓
20、IPC5373 32路光隔开关量功放输出板卡，它的主要功能是实现数字量到模拟量的一个D/A转换。IPC5373板是一种带光电耦合器件的开关量输出板，它可以实现PC总线与被测工业设备或数字仪器之间完全的电隔离，以消除公共地线和电源的干扰。从而使工业设备和微机系统可靠工作。此外，它还具有较强的输出驱动能力和电平转换能力。可直接驱动继电器、电磁阀等。其主要技术规格6如下：PC总线与用户接口设备之间实现完全的电隔离，隔离电压2500Vrms。32个开关量输出，占用4个连续口地址：154H-157H。各输出信号具有锁存功能，上电复位清零。采用达林顿管功放集电极开路输出，负载电源540V，驱动电流单路最大
21、200mA，每片达林顿管负载电流最大500mA，可直接驱动继电器、电磁阀等。用户接口为40芯扁平电缆插座（IPC5373）或37芯D型连接器（IPC5373D），IPC5373D板上带DC/DC，不用外接电源。详细功能以及电路原理请参见IPC5373使用说明书。1.2.2工控机的选型设计工控机就是工业控制用电脑，其主要是指用在是专供工业界使用的个人电脑，可作为工业控制器使用。工业电脑基本性能与相容性与同样规格的商用个人电脑相差无几，但是工业电脑更多的防护措施，注重的部份在不同环境下的稳定，如防尘、防水、防静电等。工业用电脑并不要求当前最高效能，只求达到符合系统的要求，需符合工业环境中的可靠性要
22、求与稳定，否则用于生产线万一遇到电脑当机，则可能造成严重损失，因此工业用电脑所要求的标准值都有要求符合严格的规范与扩充性。结合本次设计和学校实验室的具体情况，本次设计所选用的安装配合所选用的板卡的计算机为研华610H工控机及其配套设备。其主要技术规格如下：4U高度，支持14槽背板。配置300WATX PFC PS/2电源。前端可安装3个半高磁盘驱动器，一个3.5FDD 和一个3.5磁盘驱动器。前置USB / PS2 接口。前置系统状态监测模块。能抗冲击，振荡，并且能在高温下稳定工作。支持ATX 母板和400W PFC电源。IPC的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软
23、驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。在此设计中，值得注意的是实验室工控机的开关按钮也许是组装过或者维修过，不是只按下拨动开关就行了，而是按下“1”之后，还需要拨动它弹起来回到“0”处，才能正常的开机。1.3传感器Pt100的选型设计传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置设备，它能感受到被测量的信息信号，并能将检测感受到的信息信号，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。在此次系统设计中，我们的被测量是温度信号，即锅炉内的水温，为此考虑设计条件，我们选择较为成熟的Pt1
24、00。Pt100为铂热电阻。它的阻值会随着温度变化而变化，且成正比关系。Pt100的阻值与温度的变化关系为：当Pt100温度为0度时，它的阻值为100欧姆，在100度时它的阻值为138.5欧姆。它的工作原理是：当Pt100在0度的时候，它的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而匀速增长。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用下面这个近似的关系式来表示：Rt=Rt01+a（t-t0）。式子中，Rt为温度t时的阻值，Rt0为温度t0时对应的电阻值，a为温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为：Rt=Aet/t。式子中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。相比较而言，热敏电阻
25、的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50300左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200500范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。热电阻实物如图6所示。工业上常用金属热电阻从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这个性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大（在同样灵敏度下减小传感器的尺寸）、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系（最好呈线性关系）。
26、1.4 温度变送器选型设计变送器（transmitter）是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成工业用标准的电信号，同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。SBWZ系列温度变送器是一种小型、高精度的测温仪表。与现场传感器连在一起构成测温回路。它采用二线制传送方式（两根导线作为电源输入，同时作为信号输出的公用传输线），将热电阻的信号变换成线性的4-20mA输出的电流信号。温度变送器作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油、化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研
27、等工业部门。其应用特点如下：采用密封结构，因此耐震，耐湿，适合恶劣现场环境中安装使用。输出4-20mA，补偿导线费用低，信号长距离传送过程中的抗干扰能力强。变送器具有输入端开路指示功能。精度高、功耗低，使用环境温度范围宽，工作稳定可靠。温度变送器技术参数如下表1所示。表1 温度变送器参数规格参数工作制式4-20ma输出（两线制或三线制）精度等级0.1%FS、 0.2%FS、0.5%FS。工作电压DC24V1V量程范围-50-50；0-50;0-100; 0-150;0-200; 0-300;0-600工作环境温度:-085,湿度:095%RH负载能力500.外形尺寸45mm41mm（1）调试步
28、骤:在左边输入端接入标准电阻箱（如ZX38/11型和ZX-25a型），其中上两路为电阻箱的公共端，在输出端串接上标准电流表和 24VDC稳压电源。改变信号源发生器(电阻箱)，使之等于量程的下限对应阻值，调整调零电位器，使电流表的读数为 4mA，改变信号源，使之等于量程的上限对应阻值，调整调满电位器，使电流表的读数为 20mA即可。例：输入型号为 Pt100，量程为 0100的温度变送器标定，正确接线后，电阻箱输出阻值 100，调整调零电位器，使电流表读数为 4mA；电阻箱输出阻值为 138.5（即铂热电阻在 100时对应的电阻值），调整调满电位器，使电流表的读数为 20mA。（2）应用说明：P
29、T100为热电阻传感器，采集到的电流信号给SBWZ温度变送器，进而转换为标准的4-20ma电流信号，然而PCL818L的模拟量输入通道接收的是电压信号，所以需要在其输出端并联上一个250的电阻，转换为1-5V电压信号。1.5其它硬件设备选型1.5.1 外部接线端子为配合各部件的整体互联，本次设计所选用的连接现场仪表变送器与数据采集输入板卡的接线端子为研华PCLD8115接线端子，其主要作用就是为了方便与数据采集输入板卡之间的接线，在温度变送器与输入板卡之间架起一道桥梁。其主要技术规格如下：工业接线端子板；用于818L/ 818HG/ 1800等；支持PCL-818系列多功能数据采集控制卡；易于
30、安装的DIN导轨安装外壳；低成本螺丝端子板；能在恶劣环境中可靠连接的工业端子板。为了完善系统功能，完成外围控制硬件电路的完整搭建，还选用了以下元器件：低压中间继电器（24V）、交流接触器（220V）、小型加热锅炉、按钮开关、信号指示灯（220V）、空气开关、导线若干、接线端子排和电源排插。1.5.2 继电器根据设计的要求，在选用继电器时主要考虑工作条件以及安装使用方便还有工作稳定性，加热丝功率是1500W，最大工作电流I=6.8A，因此选用HH52P型小型继电器，HH52P系列小型继电器，配套底座PYF08A,适用于交流50Hz或60Hz，可承受电流AC：7A,DC：5A，符合锅炉加热丝的负载
31、要求，线圈的承受电压AC：6380V，DC：5220V，供电子设备、通讯设备、电子计算机控制设备、自动化控制装置等动作切换电路及扩大控制范围使用。其规格品种属于基型、磁保持性、带指示灯、带浪涌抑制；电寿命：50万次；安装方式：插拔式；特点：体积小、容量大、寿命长。底部有八个引脚，分别为1、2、3、4、5、6、7、8，说明如下：7、8为线圈 1、3、5是一组触头，5是公共点，5与1为常闭，5与3为常开 ，2、4、6为一组触头，6是公共点，6与2为常闭，6与4为常开，当7、8得到线圈额定电压后，5、3闭合5、1断开；同时6、4闭合，6、2断开，失电后恢复原状。1.5.3 交流接触器根据设计选用的加
32、热丝功率为1500W，电压为220V，正常工作电流I=6.8A，没有特殊要求，所以接触器就可以选用使用广泛的、购买方便的、价格较低的CJ20-10型交流接触器。CJ20-10交流接触器（以下简称接触器）适用于50Hz，最大电压至660V电流至63A的电力系统中接通与分断电路，还可用于与适当的热继电器或电子式保护装置组合成电机起动器以保护可能发生过载的电路。进线接1/L1 3/L2 5/L3 7/L4 三相四线制，出线接2/T1 4/T2 6/T3 8/T4三相四线制，如果只接三相可以只用前三对触头；11、12和41、42是两对常闭触头，接联锁电路和停机指示的；23 24和33 34是两对常开触
33、头，接自锁电路和运行指示的。额定绝缘电压660V，额定工作电压220V；380V,约定发热电流10A，接380V的三相交流电时额定工作电流10A，机械寿命1000万次，在380V工作电压下电寿命100万次，在380V工作电压下操作频率1200次/时，接线能力截面积为1.5 的铜导线。1.6PLC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。1.6.1可编程控制器基础1.6.1.1
34、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工业领域，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境等原因，未能在工业控制领域获得推广。1968年，美国通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，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（DEC）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
35、，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、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等5。1.6.1.2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CPU、存储器、I/O接口单元及扩展接口和扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，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：输入接口中央处理单元CPU输出接口
36、主程序存储单元 图2-1 PLC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，并存入规定的寄存器中，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PLC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数据，并送入用户程序存储器存储。（2）监视电源、PLC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误，对用户程序进行编译。（4）在PLC进入运行状态后，从用户程
37、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中。（6）按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据寄存器的内容。（7）根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。（8）响应中断和各种外围设备（如编程器、打印机等）的任务处理请求。2） I/O接口 PLC是通过各种I/O接口模块与外界联系的，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限制，即受最大的底板或机架槽数限制。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。
38、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。3）存储器 存储器（内存）主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序存储器用于存储整个系统的监控程序，一般采用只读存储器（ROM），具有掉电不丢失信息的特性。用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或者控制功能设计的控制程序，早期一般采用随机读写存储器（RAM），需要后备电池在掉电后保存程序。目前则
39、倾向于采用电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存(Flash Memory)，免去了后备电池的麻烦。4）电源模块 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。5）智能模块 除了上述通用的I/O模块外，PLC还提供了各种各样的特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、温度控制、中断控制、位置控制、以太网、远程I/O控制、打印机等专用型或智能型的I/O模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。I/O模块的类型、品种与规格越多，系统的灵活性越好，模块的I/O容量越大，系统的适应性就越强。6）编程设备常见的编程设
40、备有简易手持编程器、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作6。1.6.1.3可编程控制器的分类及特点根据PLC的结构形式，可将PL
41、C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: IO点数在256以下为小型PLC； IO点数在2561024为中型PLC； IO点数大于1024为大型PLC； IO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。1.7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
42、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。1.7.1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。1.7.2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
43、。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。1.7.3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
44、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8。第二章 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PL
45、C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。2.1 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，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图3-1所示的步骤。2.1.1 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
46、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。 (