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基于PLC的换热器温度控制系统设计

web 2025/5/6 6:37:23

摘要

本系统设计的换热器温度控制系统由可编程控制器、探测器、调节阀以及电动机等组成。可编程控制器作为控制系统的大脑，按照工艺说明分析，对各种外部输入信号按照换热器温度系统的工艺分析结果及程序设计流程，完成系统各项工艺功能的实现，通过上位机系统将当前的状态进行显示和参数设定等控制。按照方案的选择和设备型号的选择，采用的可编程控制器为西门子S7-200 系列，该可编程控制器设计小巧，功能强大，运行稳定。本系统设计首先进行工艺分析，确定该系统设计的工艺控制方案，完成系统硬件部分的型号选择计算以及总体控制方案的设计。在此基础上进行硬件分析和图纸设计，完成工艺流程图的设计以及程序的编写，进行MCGSE触摸屏组态设计，监控系统状态及数据并且根据实际工艺修改当前参数，达到系统可视化的要求。通过程序仿真设计以及上位机联机调试和修改，系统安全可靠、使用灵活、扩展性强、开发周期短，后期修改方便，达到本设计的工艺要求，以及为后期系统升级改造创造条件。

关键词：换热器温度控制；可编程控制器；MCGSE

Abstract

The heat exchanger temperature control system designed by this system is mainly composed of upper computer, programmable controller, detector, control valve and motor. As the brain of the control system, the programmable controller, according to the process description, analyses various external input signals according to the process analysis results and program design process of the heat exchanger temperature system, completes the realization of various process functions of the system, and controls the current state through the upper computer system, such as display and parameter setting. According to the choice of scheme and equipment type, the programmable controller adopted is Siemens S7-200 series. The programmable controller is compact in design, powerful in function and stable in operation. The system design first carries on the process analysis, determines the process control scheme of the system design, completes the model selection calculation of the hardware part of the system and the design of the overall control scheme. On this basis, hardware analysis and drawing design are carried out, process flow chart design and programming are completed, MCGSE touch screen configuration design is carried out, status and data of monitoring system are monitored, and current parameters are modified according to actual process to meet the requirements of system visualization. Through program simulation design and on-line debugging and modification, the system is safe and reliable, flexible in use, strong in expansibility, short in development cycle, convenient in later modification, which meets the technological requirements of this design and creates conditions for later system upgrade and transformation.

Key words: heat exchanger temperature control; programmable controller; MCGSE

摘要 1

Abstract 2

1 绪论 4

1.1 课题研究的目的及意义 4

1.2 课题研究的内容 4

1.3 课题研究的思路 5

2 换热器温度控制的总体设计 6

2.1 换热器温度的控制工艺 6

2.2 换热器温度的控制原理 7

2.3 可编程控制器的选择 8

2.4 温度传感器的选择 10

2.5 系统控制方案的确定 11

3 换热器温度控制的硬件设计 12

3.1 硬件设计的思路 12

3.2 系统的硬件图纸设计 12

4 换热器温度控制的软件设计 15

4.1 I/O分配地址的设计 15

4.2 系统的程序流程设计 15

4.3 编程软件的介绍 16

4.4 PID原理的分析 17

4.5 PID的指令导向设置及分析 18

4.6 程序的设计 22

4.6.1 主程序的设计 22

4.6.2 PID程序的设计 23

4.6.3 数据转换子程序的设计 25

5 换热器温度控制的触摸屏设计 27

5.1 组态软件开发的流程 27

5.2 组态软件开发的流程 27

5.3 系统的联机调试 30

总结 33

致谢 34

参考文献 35

1 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

在化工、石油以及动力等行业，换热器的应用比较广泛，在生产中具有重要的地位。特别在化工行业的生产过程中，换热器可以作为加热器、冷却器以及蒸发器等使用，应用比较广泛。对于换热器，就是对不同温度的两种流体之间，进行热量传递，将高温能量流体传递到低温能量流体，使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。

系统设计采用PLC进行程序控制，达到系统工艺控制的目的。本系统设计在详细了解控制系统的工艺要求的基础上，采用可编程控制器进行系统的硬件设计和软件编程调试，通过程序流程的思路和编程技巧达到系统的工艺目的。可编程控制器可靠性能高、抗干扰性强、经济实用、功能完善、体积小巧、扩展性好等优点，是现代工厂控制系统设计的最佳选择。以往的继电器-接触器电路由于接线线路复杂，电器元件使用较多，触点容易老化，故障排查和解决比较困难，可靠性低等缺点，没法满足现代控制系统的使用要求。根据本课题研究的工艺对象，采用可编程控制器进行系统设计，对本人大学学习期间的总结和实战，在认真学习可编程控制器的硬件手册和软件教程的基础上，完成图纸设计及程序编写和调试，达到系统的工艺要求。

1.2 课题研究的内容

本课题主要研究化工行业的换热器，该换热器主要用于高温流体的冷却，对高温流体进行冷却温度的控制。采用PID控制的思路，控制低温流体的流速，达到高温流体快速冷却，并且对高温流体的出口温度进行检测和调节。系统分为热水泵、冷水阀、温度传感器、冷水电动调节阀。具体控制任务如下：冷流体和热流体分别通过换热器的管程和壳程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。热流体通过热水泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。冷流体通过冷水阀经换热器的壳程。在换热器的冷流体进口处设置一个调节阀，可以调节冷流体的大小，从而达到热流体温度控制的目的。

1.3 课题研究的思路

按照换热器温度控制系统的设计内容，详细分析该系统的具体工艺，对要实现的功能进行说明，并明确系统的输入控制部分和输出控制部分，确定控制策略，提出控制方案，对方案进行综合比较，选择最佳设计策略。

（1）按照系统选择的最佳策略进行总体分析设计，对可编程控制器进行具体型号选择，对传感器进行具体型号选择，以及其他的控制电气元件的型号。根据选择的设备电气元件型号详细分析总体设计方案，保证工艺控制的基本要求。

（2）硬件设计部分进行设计分析，明确硬件设计的基本要求，包括预留扩展、系统安全保护。通过工艺策略的分析对电气原理图进行设计，采用CAD软件进行绘图，按照规定的电气符号进行设计。

（3）通过输入输出分配设计，为程序设计打下基础，在程序设计部分，主要进行流程图的设计，并且按照流程图的设计进行程序的分布设计，对工艺的每个部分进行功能实现。最后通过系统的仿真调试，对系统的硬件图纸、工艺方案、软件程序等进行逐一验证，通过反复试验和修改，完成工艺的设计，达到课题设计的目的。

（4）按照设计任务要求，进行上位机组态软件设计，对画面和变量进行编译，通讯协议建立，命令语言编写，达到系统可视化设计的要求。

2 换热器温度控制的总体设计

2.1 换热器温度的控制工艺

换热器由冷流体和热流体两个介质组成，通过换热器的管程和壳程将两个介质进行能量转换，从而达到对热流体出口的温度调节目的。系统设计采用热水泵、冷水阀、温度传感器、冷水电动调节阀进行控制。热水泵的目的是对热流体进行循环，使热流体通过换热器；冷水阀控制主要打开冷水的循环管路，使冷水形成循环冷却回路；温度传感器主要检测换热器热水出口的温度，将该温度值反馈到可编程控制器；冷水电动调节阀主要按照温度传感器反馈值和温度设定值之间的比较，通过PID运算，输出的模拟量对电动调节阀进行开度的调节控制。对于换热器的温度控制系统工艺流程图如下图2-1所示。

图2-1 换热器温度控制系统工艺流程图

根据能量守恒定律，热流体失去的热量等于冷流体吸收的热量，热量平衡方程为：

式中，q为传热速率；G为质量流量；c为比热容；T为温度。式中的下标处1为载热体；2为冷流体；i为入口；o为出口。

传热过程中的传热速率为：

式中，K为传热系数；F为传热面积；为两流体间的平均温差。

其中，平均温差对于逆流、单程的情况为对数平均值：

当时，其误差在5%以内，可采用算术平均值来代替，算术平均值表示为：

由于冷流体间的传热符合热量平衡方程，也符合传热速率方程，因此有下列关系

整理后得

从上式可以看出，在传热面积F、冷流体进口流量、温度和比热容一定的情况下，影响冷流体出口温度的因素主要是传热系数K以及平均温差。

2.2 换热器温度的控制原理

通过该流程图的分析，基本控制工艺如下图2-2所示：

图2-2 系统控制工艺框图

（1）首先设定YS温度设定值，通过外部测量元件对YM测量值进行检测控制，将YS设定值和YM测量值之间的差值进行调节。

（2）其次将差值通过调节器计算，输出U控制信号，对电动调节阀执行器进行控制，改变被控过程的状态，达到与设定的温度值相同。

（3）再次外部的干扰因素，比如换热器的工作效率、外部环境温度等这些干扰变量会影响到被控变量，对被控变量进行再次检测，返回第一步，进行执行器的开度调节。

2.3 可编程控制器的选择

可编程控制器主要应用于工业控制环境，是一种通过数字运算和逻辑控制操作的电子系统。可编程控制器通过专用的编程软件进行设备组态和工艺程序的编制，来实现工业现场逻辑控制运算、顺序功能控制、时间控制、计数控制以及各种数据计算和控制，达到工业现场系统自动化、智能化的工艺控制目的。可编程控制器将先进的自动化控制技术、计算机硬件和软件技术、通信科学技术等多领域的学科融为一起，形成强大的电子控制产品。就当前工业自动化发展趋势而言，可编程控制器是最重要、能够在各种场合下实现控制的工业工控产品。

西门子的小型PLC系列中，S7-200可编程控制器应用比较广泛，该可编程控制器的可靠性能高、系统的功能比较强大、指令丰富，可以应对各种场合的工况设计，该可编程控制器常用的通讯方式为PPI通讯、MUDBUS通讯、以及USS通讯等。在实际应用中，可以根据工程的具体协议进行设计。该可编程控制器可以扩展7块功能模块。在S7-200的系列家族中，按照系统的功能特性，主要由CPU221-226各种型号组成。本系统按照设计的要求，选用的可编程控制器为S7-200 CPU224型号进行程序的设计和硬件的开发设计。该可编程控制器具有丰富的功能，可以实现基本逻辑控制、数据运算以及特殊功能的使用。可以扩展其他模块对现场进行控制。系统采用的编程软件为 Step7- Microwin4.0。该可编程控制器运行速度快，扩展能力强，适合于一般场合的中小型控制系统设计。

图2-3 S7-200可编程控制器

在模拟量扩展模块中有DIP开关进行输入类型的设置和量程范围的设置。模拟量扩展模块使用时需要校准，校准时断开模块的输入电源，设置DIP开关，然后进行PLC和模拟量扩展模块上电，采用标准的电压源或电流源你模拟量接线到扩展模块上，通过可编程控制器进行数值显示，按照要求进行调节电位计，直到数值为零，表示校准成功。本系统按照设计的要求，选用模拟量输入模块EM231以及模拟量输出模块EM232,进行系统的模拟量信号输入和处理。

图2-4模拟量扩展模块

2.4 温度传感器的选择

热电偶的主要原理是热电效应，通过两个不同介质成分的导体，将两端结合形成回路。而当结合点的温度变化时，将会产生相应变化的电动势。对于用作测量的介质，称之为工作端，另一端将成为冷端，冷端与工作端之间有电动势，接入仪表，可显示当前的温度。在实际应用中，热电偶型号包括S型热电偶、B型热电偶、K型热电偶、R型热电偶等七种标准化的热电偶。而使用比较广泛的为K型热电偶。K型热电偶的测量精度比较高，线性度比较好，测量范围为-10摄氏度到1300摄氏度之间，抗氧化性能比较强。K型热电偶的输出接线端为两种颜色，分别为红色端子和蓝色端子，红色端子为工作端，而蓝色端子为冷端。本系统设计采用K行热电偶进行介质的测量，将介质的温度信号转换为弱电动势信号传输到控制单元，经过信号处理，转换为当前的温度值。

图2-5 K型热电偶

2.5 系统控制方案的确定

对于换热器的温度控制，主要对热流体的出口温度进行PID控制，使温度达到恒定的控制目的。系统输入部分主要包括系统的启停输入、热水泵的启停输入、热水泵的热继电器输入、温度模拟量信号输入等。系统的输出部分主要包括运行输出、热水泵输出、冷水阀输出、电动调节阀模拟量输出、报警输出等。系统采用西门子S7-200 CPU224作为控制单元，采用模拟量输入模块SM231，模拟量输出模块SM232。系统控制采用PID调节控制的思路，并且采用顺序控制，当热水泵启动后，才能进行系统启动。

图2-6 系统的控制方案

3 换热器温度控制的硬件设计

3.1 硬件设计的思路

按照换热器温度控制系统的设计工艺以及总体方案设计，对该系统的硬件部分进行详细设计。可编程控制器的硬件接线考虑分析电源部分、输入接口部分及输出接口部分的具体接线，确保界限准确无误。电动机部分接线要确保电动机运行的保护作用。为了提高系统的稳定性，在控制电路中要考虑现场条件的干扰影响，采取措施。根据设备选型，按照以上的分析，硬件设计的具体思路如下：

（1）可编程控制器的硬件设计重点考虑输入部分电路、输出部分电路和电源电路。系统输入部分主要包括系统的启停输入、热水泵的启停输入、热水泵的热继电器输入、温度模拟量信号输入等。系统的输出部分主要包括运行输出、热水泵输出、冷水阀输出、电动调节阀模拟量输出、报警输出等。以上的输入和输出都要考虑预留余量，为后期的系统升级改造留有空间，要达到本系统可扩展性的要求。

（2）对于热水泵电动机，主电路设计主要包括断路器设计、接触器设计以及热继电器设计，按照系统设计的思路，采用自锁电路进行设备的控制，当控制系统的输出信号动作，接触器线圈得电，主触点吸合，电动机将通电运行。当接触器线圈失电，主触点断开，电动机将断电停止。在主电路设计中，重点考虑保护作用，比如过流保护及过载保护等。过流保护依靠断路器进行保护、过载保护依靠热继电器进行保护。当发生过流时，断路器进行自动跳闸，切断故障电路；当发生过载时，热继电器进行信号输出，将控制电路断开，主触点断开，电动机将停止。

3.2 系统的硬件图纸设计

本系统设计的主电路为热水泵电路，主电路采用自锁电路，分别控制执行电机的启动和停止。QF01为系统总开关，选用型号为正泰电器的NM1系列，额定电流40A；由于执行机构电机为3KW，额定电流为5.7A，所以选用的QF02断路器为正泰DZ47系列断路器，额定电流为16A，选用接触器为正泰电器的CJX2系列，额定电流为9A，选用热继电器为正泰电器的CJR系列，范围为4.8-7.2A。

图3-1 系统控制电气原理图

可编程控制器在接线时，需要考虑两部分，首先是电源的电压等级，本系统设计考虑使用AC220V电压进行可编程控制器的接线设计；其次考虑输入输出部分，本系统的输入部分经过系统的控制策略统计，输入部分为5个输入点，输出部分为4个输出点。对系统的输入输出，考虑电压等级为AC220V，可编程控制器的公共端子，输入部分接负极，输出部分接正极。按照系统设计的要求，留有足够的余量，为后期系统升级改造提供空间。按照系统设计的要求，留有足够的余量，为后期系统升级改造提供空间。该温度模拟量接线信号为4-20MA，正极接线接入AI+，负极接入COM；对于电动调节阀的模拟量输出线，信号类型为标准的电流信号4-20MA，正极接入AO+，负极接入COM。

4 换热器温度控制的软件设计

4.1 I/O分配地址的设计

根据换热器温度控制系统的设计要求，对可编程控制器进行分配设计，在进行系统仿真调试时，根据I/O分配表井然有序地进行逐步调试，比如某个限位开关的动作名称，按照工艺要求，该系统启停是否有信号输入，输入指示灯是否亮等，来判断系统执行的正确性和可靠性。如果执行输出过程中，如果执行单元未动作，可以查询I/O分配表，判断该输出指示灯是否亮，如果不亮，说明程序没执行输出；如果亮，说明该执行元件的接线可能错误。通过I/O分配设计，将快速准确的判断系统状态，非常方便。I/O数据记录如下，如表4-1所示。

表4-1 I/O点的分配表

序号

定义点

符号

功能

I0.0

SB01

系统启动

I0.1

SB02

系统停止

I0.2

SB03

热水泵启动

I0.3

SB04

热水泵停止

I0.4

FR1

热水泵热继电器

Q0.0

HL1

系统运行

Q0.1

KM1

热水泵运行

Q0.2

YV1

冷水阀输出

Q0.3

HL2

报警指示

AIW0

热电偶温度信号

AQW0

电动调节阀模拟量输出

4.2 系统的程序流程设计

当系统初始化后，按下外部的热水泵启动按钮，热交换器的热介质开始循环；按下系统启动按钮后，冷水阀开始运行，热交换器的冷介质开始循环。系统开始进行PID循环调节控制的程序。当热介质的出口温度反馈值和出口温度设定值进行比较，并且通过外部操作屏的P、I、D三个参数的调节，控制电动调节阀的开度输出。

图4-1 程序流程设计框图

系统设计分为三部分，首先为主程序的逻辑控制部分，对热水泵、冷水阀、故障报警、PID调用等进行控制设计；其次为模拟量输入的数据转换部分，该部分主要对数据进行转换，将6400-32000数据转换为实时温度值。再次为PID温度调节程序，该部分程序主要依靠PLC软件的PID子程序调用进行设计。

4.3 编程软件的介绍

西门子S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN必须安装在微软开发的操作系统上，比如经常使用的XP系统，WIN7系统等。为了能够下载或监控程序，用户需要自备编程电缆，常用的编程电缆为PC/PPI电缆和MPI电缆。当软件安装后，如果需要使用中文界面，可以在“工具”栏的“选项”对话框修改语言为中文，这样编程环境就转换为中文界面，便于学习和理解。

在进行项目设计时，通过新建项目后，该项目由程序块、数据块、符号表、系统快、状态图表和交叉引用表等组成。对每个块进行分布介绍如下：

（1）程序块：程序块可以进行程序的编写，通过选择编程语言，使用具体的指令进行用户程序的设计，程序块的指令树包含了丰富的指令以及功能库。程序块主要由各个网络和程序注释组成，程序分为主程序和子程序。子程序需要在主程序或上一级程序中调用使用，程序下载时，只下载执行代码，并不下载注释。

（2）数据块：数据块是由系统指定的具体数据和注释组成，可以存放某一特殊功能的数据，一般开关量数据不需要存放在数据块。

（3）符号表：为了进行程序编写方便，避免错误，需要在符号表内进行变量名称，绝对地址和注释，这样在程序编写时，对变量的名称清楚明白，避免绝对地址编写的枯燥和错误。下载程序时只下载绝对变量地址，不下载变量名称。

（4）系统块：系统快主要完成程序的参数设置和组态设计，如果在系统块进行了编辑设计，在下载程序时需要将系统块进行下载。

（5）状态图表：状态图表主要对程序监控中的某些变量进行状态监控，便于工程调试和修改，状态图表不需要下载到PLC，只是作为监控工具进行使用。

（6）交叉引用表：在程序监控调试时，总是存在对某一变量忘记在哪个子程序使用，需要使用交叉引用表进行查询，方便调试。

4.4 PID原理的分析

在工业应用的环境中，有许多模拟量参数，比如电热炉的温度参数模拟量、储液罐的液位参数模拟量、管道的压力参数模拟量或流量参数模拟量等，模拟量的主要特点为连续变化的量。而在自动化控制中，经常遇到对以上模拟量参数的控制，而绝大多数的控制都要求模拟量参数恒定在某一数值，就是常说的恒温、恒压、恒定流量、恒定液位等。而为了达到控制工艺，对以上的模拟量进行控制，就需要对工业现场的模拟量数学模型进行建立，但往往现场的干扰因素复杂，综合因素比较多，当我们无法对该参数模拟量的数学模型进行建立的时候，可以通过合理有效的手段进行控制，需要引进PID控制方法。PID其实是比例计算、积分计算和微分计算的缩写简称。PID控制调节的控制原理比较简单易懂，在工程过程控制中比较容易实现，使用的范围比较广，是典型的过程控制方法， PID控制调节的公式如下所示：

通过PID调节的公式分析可知，Kp表示该公式的比例系数，Ti为该公式的积分时间参数，Td为该公式的微分时间参数。通过上式可知，该公式将计算偏差e的比例值、积分值以及微分值相叠加，得到的结果u作用于控制对象。基本控制原理框图如下图4-2所示。

图4-2 PID控制算法原理框图

通过实际应用可知，当比例值过大时，往往会导致系统的调节变差，引起被控对象的震荡，使系统无法稳定。而比例值过小时，将会反应迟钝，无法根据当前的反馈值变化而进行被控对象的给定变化，导致控制效果不佳。所以通过改变比例系数Kp来达到比例值的调节目的；积分环节的主要作用是将偏差进行累积，之后作为输出。当积分时间过大时，往往会导致系统积累作用减弱，当积分时间过小时，往往会引起超调。所以通过积分时间进行积分的误差累计调节，达到系统稳定的目的；微分的主要作用就是阻止系统偏差的变化，微分可以较小超调量，对系统的震荡有一定的抑制作用，增大微分时间，往往可以加快系统的响应速度，却减弱了系统干扰变化抑制作用。

4.5 PID的指令导向设置及分析

在STEP7-Micro/WIN编程软件中，内置PID控制功能，利用可编程控制器的PID功能，可以进行PID调节，需要通过可编程控制器的指令导向进行PID控制的建立，如下图4-3所示。

图4-3 PID指令向导对话框一

在该对话框里，可以帮助配置PID指令，该PID指令主要使用闭环控制，含有9个控制参数，通过系统具体的工艺进行配置。本系统设计选用配置PID回路代号为0,之后点击下一步，如下图4-4所示。

图4-4 PID指令向导对话框二

通过图4-4对话框，可以进行给定值上限值和下限值的设定，对回路的参数进行比例增益、采样时间、微分时间、积分时间等设置。本系统按照控制工艺参数的常规的设置，先设置比例增益为11.0、积分时间为1.0分钟、微分时间为2.0分钟。采样时间为1.0秒。在给定值上限值和下限值设定中，设置上限值为100.0，下限值为0.0。这样可以设置默认的参数。单击下一步，如下图4-5所示。

图4-5 PID指令向导对话框三

在图4-5的指令导向对话框中，对输入部分的模拟量进行类型标定，本系统设计的模拟量采用4-20MA信号输入，所以选择单极性，并且选择使用20%的偏移量。这样可知对应的过程变量和回路给定值之间，6400对应为0.0,32000对应为100.0。而在模拟量输出回路中，按照系统的模拟量输出类型，采用4-20MA信号输入，所以选择单极性，并且选择使用20%的偏移量。这样可知对应的过程变量和回路输出值之间，0.0对应为6400, 100.0对应为32000。单击下一步，进入图4-6对话框。

图4-6 PID指令向导对话框四

在图4-6对话框中，主要对回路报警进行选择，按照系统设计，本系统选用的报警使能包括低限报警使能和高限报警使能。设置低限的报警使能为0.05，设置高限的报警使能位0.95，不选择模块报错使能。然后单击下一步，如下图4-7所示。

图4-7 PID指令向导对话框五

因为PID调节需要大量的数据运算和存储，所以要对PID进行存储区的选择，按照本系统的设计，选择的存储区为VB0-VB119，也就是说该存储区间内，只适用于PID调节的数据存储。然后单击下一步，如下图4-8所示。

图4-8 PID指令向导对话框六

在图4-8对话框中，主要对子程序进行命名，对PID调节的中断程序进行命名，本系统设计选用默认的命名。不使用PID手动控制功能。单击下一步，如下图4-9所示。

图4-9 PID指令向导对话框七

在图4-9中，对以上的设置进行汇总，按照汇总的情况来看，本系统设置的PID子程序为“PID0_INIT”，中断程序为“PID_EXE”，事件中断为10.采用SMB34特殊循环中断定时器进行计时。单击完成，本系统的PID指令向导配置结束。

4.6 程序的设计

4.6.1 主程序的设计

在主程序中，首先调用数据处理子程序，模拟量输入地址为AIW0，温度的显示值地址为VD0，模拟量AIW0的范围为6400-32000，温度显示值的范围为0-500.0摄氏度。

系统首先启动热水泵，按下外部的按钮I0.2，热水泵Q0.0输出并自锁，当外部按钮I0.3输入或者热水泵继电器I0.4输入，Q0.0将断开输出。当热水泵启动后，按下外部按钮I0.0，系统启动，M0.0得电并自锁，系统运行指示Q0.0输出。当系统运行后，输出冷水阀Q0.2。

4.6.2 PID程序的设计

对于PID程序设计，首先要对P、I、D参数进行设定，系统按照温度调节控制的经验值设置，比例参数VD12设置为1.5,积分时间VD16设置为28秒，微分时间VD20设置为35秒，系统采样时间设置为0.1秒。在系统运行后，进行PID调节程序的调用和运算。调用输入部分为AIW0，温度设定值为VD4，系统PID调节分为手动和自动，手动时，根据给定的数值，直接输出到模拟量，无需进行反馈比较计算；而自动时，需要根据给定值和反馈值的比较差值，进行计算，并控制模拟量输出值。系统模拟量调节输出值为VW30。当系统运行时，将VW30给到最终输出值AQW0，当系统停止时，将6400给到系统最终输出值AQW0。

4.6.3 数据转换子程序的设计

数据转换子程序的基本原理是，将外部的模拟量输入值0-32000的模拟量范围，通过一定公式的计算，转换成适合系统的实数显示值。AIW0的值范围为6400-32000，实数范围为0-500，通过计算，模拟量的值6400对应实数的值0；模拟量的值32000对应实数的值500.0。当外部模拟量输入16000时，对应的实数值为270.0。程序设计如下：

5 换热器温度控制的触摸屏设计

5.1 组态软件开发的流程

为了正确完整开发系统稳定、功能丰富的组态王软件，达到现场工业环境的使用要求。通常情况下，开发设计组态软件常用的设计步骤如下分析：

（1）首先将现场所有的输入/输出点收集完成，并制作成表格，并且详细分析输入/输出点的逻辑状态和布线情况，为后期的组态软件开发和PLC程序设计提供依据。

（2）对现场所有的输入/输出点的设备生产厂家、设备类型和具体型号、设备通讯接口、采用的通讯协议详细了解，为后期的设计和硬件组态通讯提供依据。

（3）对现场收集的所有输入/输出点进行I/O地址分配，并且对地址进行命名，通常都按照输入/输出点的功能命名。

（4）按照工业现场提供的工艺设计要求和功能要求，绘制系统的控制策略图，明确控制要求和实现工艺的具体思路。

（5）按照统计出来的输入/输出点表格，建立组态软件的实时数据库，并且正确组态每个数据的通讯协议、完成每个参数属性设置。

（6）按照工艺设计的要求，进行画面绘制，包括控制画面、设置画面、监控画面、报警画面、数据报表等。

（7）对每个图形对象进行变量建立和动画连接，完成系统可视化的工艺要求内容，并且对动画属性和要求进行设置，完成安全权限窗口属性的设置。

（8）对组态设计进行运行系统设置，并且完成组态的分段调试和总体调试，按照调试的结果进行组态修改，直到组态系统达到现场的工艺设计要求。

（9）进行资料整理和存档，为后期系统升级改造提供设计依据。

5.2 组态软件开发的流程

打开MCGSE图标，开始进行新建工程，出现如下界面，按照该工程进行HMI的型号选择，系统选择TPC7062KX型号的HMI，如下图5-1所示：

图5-1 MCGSE新建工程框图

按照控制系统设计的要求，采用MCGSE系列的软件进行系统设计，实现系统可视化控制的目的，通过画面设计，变量设计及通讯设计等方法，实现控制系统的自动化控制。打开MCGS软件，通过“新建”启动新建工程导向，按照新建工程的导向要求，设置保存路径，项目名称等。设定完毕后，通过确认，项目就建立成功。

图5-2 新建工程对话框

打开MCGSE软件，通过“新建”启动新建工程导向，按照新建工程的导向要求，设置保存路径，项目名称等。设定完毕后，通过确认，项目就建立成功。在画面设计中，首先进行画面新建，对画面进行名称编译，画面的风格编译，以及画面的位置和大小编译等。通过以上的编译，完成画面的设置，编译完成后，按下“确定”按钮。

按照上面的对话框设定好画面后，打开画面，在画面编译设计中，可以看到工具箱，通过工具箱可以完成画面的绘制，文字的输入，属性的设置，以及画面保存，系统的MCGS主控画面如图5-3所示。

图5-3 主控画面

I/O变量需要通过与可编程控制器互相通讯才能完成，通过MCGS的组态设计，可以建立系统和下位机之间的驱动程序，完成驱动程序的编译。变量的建立主要包括对变量名称的设置，数据类型的设置，连接设备和连接地址的设置，按照变量对话框进行每个变量的设计，完成所有变量的设置。如表5-1所示。

表5-1数据变量

按照上面的对话框设定好画面后，打开画面，在画面编译设计中，可以看到工具箱，通过工具箱可以完成画面的绘制，文字的输入，属性的设置，颜色的设计，以及画面保存。特别是工程图片的打开，可以看到多种类型的工程图片，可以调用这些图片，完成画面的美观设计。对运行灯进行设计，当启动后，灯将变为绿色，停止后，灯将变为红色。表达式为“启动”，当表达式为0时，填充颜色为红色，当表达式为1时，填充颜色为绿色。

图5-4 动画链接

5.3 系统的联机调试

当程序下载到PLC后，进行组态和PLC的连接。画面和动画连接设计好后，就可以进行系统仿真运行。系统仿真运行和调试步骤如下分析：

（1）对设计好的HMI程序进行运行系统初始画面的编译，设置好初始画面后，上位机组态画面可以进入运行系统。

（2）对MCGSE上位机系统和PLC之间进行通讯连接，设置好通讯类型和协议，保证通讯速率相同，地址对应。如果通讯设置正常，将可以通过上位机的变量表检测到测试正常。

（3）将PLC程序下载到可编程控制器，打到运行模式。这样可编程控制器和上位机之间就进行通讯连接，完成数据传输和交互。MCGS画面可以显示当前系统的监控状态。

（4）对系统进行仿真调试，首先进行手动控制调试，完成系统设计的基本功能测试。再进行自动监控调试，对连锁控制和工艺流程控制进行测试和调整。准确无误的反应系统工艺流程和控制策略。

图5-5 反馈温度高于设定温度仿真运行图

图5-6 反馈温度低于设定温度仿真运行图

在触摸屏系统设计中，通过连接通讯设备、建立变量表、编译画面并完成动画连接设计，达到了系统可视化的工艺要求。通过系统的调试，本系统设计符合换热器温度控制系统的工艺方案。通过最终的系统测试，本设计的系统稳定可靠，扩展性强，易于理解和升级，符合设计的要求。

总结

本系统设计换热器温度控制系统，通过PID调节的思路，对换热器热流体的出口温度进行温度调节。按照工艺的详细分析，采用可编程控制器+上位机的设计方案，选用可编程控制器为S7-200 CPU224。通过总体方案的确定，进行图纸的设计，包括可编程控制器接线图、模拟量扩展模块接线图以及主电路接线图等。在程序流程分析中，重点对各个控制进行详细设计，完成程序的设计和调试。在上位机系统设计中，通过连接通讯设备、建立变量表、编译画面并完成动画连接设计，达到了系统可视化的工艺要求。通过系统的调试，本系统设计符合控制系统的工艺方案。通过最终的系统测试，本设计的系统稳定可靠，扩展性强，易于理解和升级，符合设计的要求。

致谢

经过大学期间的刻苦学习以及本次毕业设计的锻炼和考验，终于到了大学学习的收尾阶段。此次毕业设计是检测本人大学期间对每个科目学习和设计能力的大考验，从最开始的毕业设计任务，到图书馆资料借阅查询、学习课题设计技巧和设计基本流程、设计方案选择确定、接线图绘制、程序编写和仿真调试等，经历了艰难而富有收获的课题设计过程。通过本次设计，我深深掌握到课题设计的基本方法和思路，遇到设计问题该怎样学习和处理，也深深感受到学无止境的真正含义。仔细回想整个设计过程，发现自己对电气自动控制行业越来越有兴趣，特别是可编程控制器的开发和程序设计，使我对以后的工作充满了激情和信心，让我明确今后工作努力的方向，提高自学能力，满怀激情投入到电气工作。

毕业设计是个艰难而收获极大的综合测试，在此期间我遇到许多设计上的问题，特别是程序的设计技巧和仿真调试，让我曾经止步前行，我们的指导老师给了我极大的帮助，老师兢兢业业，细心辅导我对一些设计流程该采用怎样的设计方法，系统调试时该注意那些问题，在图纸设计中，明白那些设计规范。我也特别感谢我的同学，我和他们一起并肩战斗，熬夜设计，对设计中的问题互相讨论，互相学习和进步。我也感谢父母长期对我的经济支持，让我顺利完成课业。我将在电气控制行业越走越稳，越走越远，回报自己感谢他人。