现场总线测控系统设计 摘要
摘 要
温度是各种工业生产和科学实验中最普遍、也是最重要的热工参数之一。温度控制的精度对产品或实验结果会产生重大的影响。温度控制的模式多样，而PLC可靠性高，抗干扰能力强，易学易用，采用PLC控制是其中一种比较优越的控制。
本文介绍了基于西门子可编程控制器(PLC)S7-200和组态软件WinCC的炉温监控系统的设计方案。硬件方面采用了CPU型号为226的S7-200、热电偶和温度模块EM235。热电偶作为温度的采集元件，采集的信号经过EM235的处理后就可把数据送入PLC中进行处理。PLC的程序中采用了PID算法，根据PID参数计算并输出4～20mA控制信号，实现温度的自动控制。
人机界面采用的是国内的一个比较流行的WinCC软件，WinCC可以实现在线监控。人机界面中制作了曲线画面和参数监控画面，用户可方便地查询PLC的运行情况、数据采集和在线控制。
关键字： 温度控制 可编程控制器 PID WinCC
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现场总线测控系统设计 目录
目 录
1 课程设计任务书 .......................................................... 1 2 温度控制对象概述 ........................................................ 2
2.1 功能特点与技术参数 ................................................ 2 2.2 控制手段 .......................................................... 2 3 方案设计 ................................................................ 3
3.1 现场总线概述 ...................................................... 3 3.2 WinCC+S7-200温度控制系统的硬件组成 ................................ 6 3.3 WinCC+S7-200温度控制系统的软件配置 ................................ 7 3.4 WinCC+S7-200温度控制系统的网络结构 ................................ 8 3.5 温度控制算法 ...................................................... 9 4 S7-200 PLC控制程序的设计 .............................................. 13
4.1 控制程序的组成 ................................................... 13 4.2 温度采集程序设计 ................................................. 13 4.3 数字滤波程序设计 ................................................. 13 4.4 PID控制程序设计 .................................................. 14 5 WinCC组态 ............................................................. 16
5.1 变量组态 ......................................................... 16 5.2 画面组态 ......................................................... 16 5.3 变量连接 ......................................................... 17 6 程序调试 ............................................................... 18
6.1 PLC程序调试方法与结果 ............................................ 18 6.2 WinCC组态调试方法与结果 .......................................... 18 7 PID参数的整定 ......................................................... 19
7.1 整定方法 ......................................................... 19 7.2 整定结果及分析 ................................................... 19 8 技术小结 ............................................................... 21 参考文献 ................................................................. 22 附录1：S7-200控制程序清单 ............................................... 23
现场总线测控系统设计 任务书
1 课程设计任务书
设计题目：基于WinCC和S7-200的温度测控系统 学生姓名 课程名称 地 点 学生选题后附名单（29人） 现场总线测控系统设计 专业班级 起止时间 10.11.29～10.12.10 使用WinCC和S7-200 PLC系统设计一套加热炉温度控制系统。内容及要求如下： 1. 接线图设计：S7-200和加热炉控制对象之间的接线图设计。 2. 程序设计 设(1)PLC控制程序设计 计包括温度采集程序，标度换算、数字滤波程序、PID控制程序、D/A输出程序设内计等内容。 容(2)WinCC组态设计 及包括通信连接、变量组态、画面组态（温度控制回路相关参数的显示画面，温要度趋势的显示画面，参数修改画面），变量连接等内容。 求 3. 温度PID控制参数的整定 整定PID参数，分析不同PID对温度控制精度的影响。 设技术指标： 计 1. 温度采集精度：0.5% 参2. 温度控制精度：1% 数 第1天：选题、讲解任务、S7-200基本应用；第2天：温度控制回路接线图设计、进S7-200编程；第3天：数据采集程序、换算程序、数字滤波程序、输出程序设计与度 调试；第4天：PID程序设计与调试；第5天：WinCC基本应用培训与训练；第6-7要天：WinCC温度控制变量组态、画面设计、通信连接等；第8-9天：温度控制系统求 WinCC与PLC联调；第10天：撰写设计报告和检查设计结果 参1. 廖常初.S7-200/400 PLC应用技术（第2版）[M].机械工业出版社.2008 考资2. 西门子自动化与驱动集团. 深入浅出西门子WinCC V6[M].北京航空航天大学出料 版社,2005.9 其 它 说１.本表应在每次实施前一周由负责教师填写二份，院系审批后交院系办备案，一份由负责教师留用。２.若填写内容较多可另纸附后。3.一题多名学生共用的，在设计明 内容、参数、要求等方面应有所区别。 教研室主任： 指导教师：
2010 年 11月 26 日
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现场总线测控系统设计 温度控制对象概述
2 温度控制对象概述
温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC 的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。
2.1 功能特点与技术参数
本设计是由WinCC和S7-200 PLC系统组合而成的一套加热炉温度控制系统。加热炉是由实验室提供的模拟真实锅炉的温度检测和控制模块，可通过热电偶将温度信号转换成热电动势信号，再转换为标准的4～20mA电信号，从而对温度进行测量。控制模块由PLC输出的1～5V控制信号对锅炉进行加热。
2.2 控制手段
可编程控制器（PLC）是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用[1]。相对于IPC，DCS，FSC等系统而言，PLC是具有成本上的优势。因此，PLC占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。
本系统是由S7-200 PLC和WinCC组成的一个二级计算机控制系统。采集的温度从S7-200 PLC模拟量通道进入，数据通过总线送到WinCC界面显示，再由总线将输入的设定值以及PID参数送入S7-200 PLC作PID运算，最后将产生的1～5V控制信号送到加热器，即能实现对温度的控制。
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现场总线测控系统设计 方案设计
3 方案设计
根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。整个控制系统分为硬件和软件程序设计两部分。
系统硬件框图结构如图所示:
给定温度 CPU运算处理 S7-200PLC 温 度 变送器 图3.1 系统硬件框图
温 度 传感器 加热器 炉子 被控对象为炉内温度，温度传感器检测炉内的温度信号，经温度变送器将温度值转换成4～20mA的电流信号送入PLC模块。PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出1～5V控制信号来控制电加热器，从而实现炉温的控制。
3.1 现场总线概述
根据国际电工委员会IEC1158定义：现场总线是指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、多点通信的数据总线[2]。现场总线具有如下特点特点及优点：
1）全数字化通信 2）开放型的互联网络 3）互可操作性与互用性 4）现场设备的智能化 5）系统结构的高度分散性 6）对现场环境的适应性
下面就9种主流的现场总线做一简单介绍。 1）基金会现场总线（FoundationFieldbus，简称FF）
这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。
基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供
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