3 控制系统硬件
3.1 控制设备
3.1.1 PLC基本介绍
可编程控制器最早起源于美国数字设备公司（DEC），它于1969研制出的世界上第一台成功应用于美国通用汽车公司（GM）生产线的可编程控制器。但当时该控制器只具备进行逻辑运算的能力，所以称它为可编程逻辑控制器，简称为PLC（Programmable Logic Controller）。70年代后期，随着计算机技术和微电子技术的迅猛发展，PLC从简单的开关量的逻辑控制扩展到了数字控制及生产过程控制领域，真正成为电子计算机工业控制装置，它被称作可编程控制器，简称PC（Programmable Controller）。但是由于简称PC容易与个人计算机（Personal Computer）混淆，所以人们习惯性仍用PLC作为可编程控制器的简称。PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的，继电器在控制系统中主要起两种作用：1、逻辑运算；2、弱电控制强电，所以PLC在数学处理、顺序控制方面具有独特的优势。PLC作为集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已经跃居至工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CADCAM）的首位。1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下： 可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
可编程控制器具有 1、系统构成灵活，扩展容易；2、编程简单（采用简单明了的梯形图、逻辑图和语句表等编程语言）、使用方便，；3、对工作环境要求不高，抗干扰能力强，可靠性强等特点
PLC由于高可靠性而运用广泛，生产PLC的厂家也有很多，其中不乏西门子（SIMATIC），三菱（Mitsubishi Electric），罗克韦尔（AB）等大公司，它们的产品规格性能，适用场合有大同小异的也有截然不同的，以西门子公司为例就有LOGO，
图3.1 西门子S7-300系列模块图
本设计使用的正是德国西门子公司的S7-300系列PLC，S7-300 PLC是模拟式中小型PLC，主要由机体框架、电源模块（PS）、CPU模块、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）、通信处理器（CP）和编程设备组成。各个模块都是独立的，每个模块都具备一个总线连接器，用以插在各个模块的背后，可以通过U形总线把它们紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。一条导轨共有11个槽号：1号槽至11号槽，S7编程软件组态主架导轨硬件时，电源模块，CPU模块和接口模块分别置于导轨的1号槽、2号槽和3号槽上，其中4号槽至11号槽可以随意放置除电源模块、CPU模块和接口模块以外的其他模块。
3.1.2 S7-300 PLC CPU模块说明
PLC的CPU模块是该前馈-反馈控制系统的核心，负责整个系统的中央控制，程序的存储与执行，实现通信功能，并为U形总线提供5V的电源。S7-300 PLC的CPU有4种操作模式分别是：STARTUP（启动）、RUN（运行）、HOLD（保持）和STOP（停机）。目前S7-300的CPU模块大致可以分为以下几类：
1、紧凑型CPU：CPU 312C、CPU 313C、CPU 314C-2DP等。 2、标准型CPU：CPU 312、CPU 313、CPU 314、CPU 315等。 3、革新的标准型CPU：CPU 312、CPU 314、CPU 315-2DP。 4、户外型CPU：CPU 312 IFM、CPU 314 IFM等。 5、大容量高端型CPU：CPU 317-2DP、CPU 318-2DP。 6、主从接口安全型CPU：CPU 315F-2DP。
3.1.3 S7-300 PLC信号模块（SM）说明
信号模块（SM）又叫输入输出模块（IO模块），是CPU模块与现场输入输出原件和设备连接的桥梁，用户可以根据现场输入输出设备来选择各种用途的IO模块。按输入输出量的不同信号模块又可以分为数字量模块和模拟量模块两类。
S7-300 PLC常用的数字量模块有数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322和数字量输入输出模块SM323：
数字量输入模块将现场过程送来的数字量电平转换成PLC的内部信号电平，SM321有四种型号可选：直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入。
数字量输出模块与数字量输入模块相反则是将PLC内部信号电平转换成现场过程
所要求的控制信号电平。按输出方式不同SM322又可以分为晶体管输出（直流输出模块）、可控硅输出（交流输出模块）、继电器触点输出（交直流两用输出模块）。从响应速度来看，晶体管响应最快，继电器响应最慢；从安全隔离效果及应用灵活性来看，则是继电器触点输出型最佳。
数字量输入输出模块SM323有两种类型：一种带8个共地输入端和8个共地输出端，另一种带16个共地输入端和16个共地输出端，二者特性相同。IO额定负载电压为24V DC,输入信号“1”高电平为11～30V，信号“0”低电平为-3～+5V，IO通过光耦与背板总线隔离，在额定输入电压下，输入延迟为1.2～4.8ms，此外输出还具有电子短路保护功能。
S7-300 PLC常用的模拟量模块有模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332、模拟量输入输出模块SM334：
模拟量输入（简称AI）模块SM331有三种规格型号，分别是8AI×12位模块、2AI×12位模块以及8AI×16位模块。SM331主要由AD转换部件、光电隔离部件、模拟切换开关、恒流源、逻辑电路和补偿电路等组成。
模拟量输出（简称AO）模块SM332有332-5HB01、332-5HD01、332-5HF00、332-7ND02四种分别支持2、4、8、4（同步模式）点的模拟量输出。
模拟量输入输出模块SM334则有334-0CE01-0AA0、334-0KE00-0AB0两种，都是具有4模拟量输入，2模拟量输出；但是后者为电阻测量式（Pt100）。
3.2测量变送设备
3.2.1 温度传感器、变送器
温度传感器（temperature transducer）是可以检测温度并将其转换为可用输出信号的仪器。温度传感器是温度测量仪器的核心组成部分，品种繁多。按照测量方式可分为接触式和非接触式两种类型；根据传感器的材料和电子元器件的特性也可以划分成两种类型即热电阻式和热电偶式。Pt100铂热电阻温度传感器在-200～+420℃的测量精度非常高甚至是测温的基准元件，其抗振性耐温耐压特性也很出色，因此本设计装置中采用了Pt100铂热电阻温度传感器来检测锅炉内胆的水温。温度变送器则是指将测温元件通常是传感器测量出来的温度信号经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、VI转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的4～20mA电流信
号的器件，在本设计中温度变送器将Pt100铂热电阻温度传感器测得的温度电阻信号转变成电流信号输出给控制器使用。
3.2.2 流量计
流量计是用来测量流体流量的仪表，本设计装置的流量计有电磁流量计和涡轮流量计两种：电磁流量计用以测量电动调节阀控制的动力支路，它的优点是零点比较稳定，抗干扰能力强，不受被测介质压力、温度、粘度、密度等物理参数变化的影响，反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比较宽。电磁流量计的工作电压为220V，可以测量的流量范围是0～0.3m（数据监控和采集系统）。它指的是进行数据采集与过程控制的一种特殊的软件。它们是在自动控制系统的软件平台和开发环境一级，使用灵活的组态方式，是为用户迅速建设工业自动控制系统监控功能的软件工具。组态软件的应用非常广泛，可应用于电力系统，给水系统，石油，监控和数据采集和过程控制领域和其他领域的化学。也被称为电力系统远动和电气化铁路（RTU系统，远程终端单元）。
用组态软件构造“监控和数据采集系统”的好处之一就是能大大缩短开发时间，并能保证系统的质量。能快速便捷地进行图形维护和数据采集是此类系统的关键点。组态王正是提供了丰富的快速应用设计的工具。组态王具有以下几个特点：（1）方便实用的工程管理；（2）集成的开发环境；（3）功能强大、易用的绘图工具（4）灵活的便捷菜单（5）图形对象丰富。
目前比较常用的组态软件有很多，例如万维公司（Wonderware）的InTouch，西门子自动化与驱动集团(A&D)的WinCC以及北京亚控科技发展有限公司的组态王（KingView）等等。作为具有一定的地位的国内本土品牌《组态王》，装机量不容小视，同时其功能也是相当完善的，而且上手较快，因此本次设计选用组态王来实现上位机的监控，下面对组态王的使用作一个简单的介绍：
图5.1 组态王工程管理器
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打开组态王我们将会见到图4.8所示的界面，要是我们是运行已有工程可以直接选定一个工程双击或者单击“运行”按钮；若是要进行编程或者画面设计则要点击“开发”按钮；如果是新建一个工程则要点击“新建”，下面介绍一下新建一个工程的步骤：
图5.2 新建工程向导画面一
点击“下一步”；
图5.3 新建工程向导画面二
在向导画面2选择浏览工程的储存路径，之后点击“下一步”；
图5.4 新建工程向导画面三
对工程的命名和描述在向导画面三种完成，点击“完成”则一个新的项目工程新建完毕。在工程管理器中选择刚刚新建好的工程点击“开发”就可以进入如下图所示的项目工程的开发界面了；
图5.5 新建工程向导画面三
大部分的开发工作都是从图4.11的工程浏览器开始的，例如我们要创建一个新的画面步骤是：先在左边栏里选择画面，再在右边栏里选择新建就可以进入新建画面的窗口了；其他的诸如数据词典的建立、设备端口的设置等等都是这样先在左边栏里选好右边栏里再选择相应的操作即可。
图5.6 新建画面
图5.7 新建变量
5.2 组态的建立过程
本设计的组态建立过程大致可以分为四个步骤：1.设计工程画面；2.构造数据变量词典；3.建立动画连接；4.与下位机通讯并调试。
首先我们参照4.2节在组态王里新建好一个项目工程，并根据2.2节前馈-反馈控制系统的框图可以得出此次设计组态界面应该包含的动画元素，因此我们利组态王画出的监控界面如下图：
图5.8 锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统组态界面
新建好画面之后，我们在工程浏览器里选择COM口并新建一个PLC设备：