鍋爐供熱控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 39 頁 共 39 頁1 引言11 系統(tǒng)設(shè)計背景近年來，加熱爐溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，冶金機械食品化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種加熱爐熱處理爐反應(yīng)爐，對工件的處理均需要對溫度進行控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和家居生活過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控。由于許多實踐現(xiàn)場對溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù)，由于采用固定接線的硬件實現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，傳

2、統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計算機技術(shù)而產(chǎn)生PLC控制技術(shù)所取代。而PLC本身優(yōu)異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟高效穩(wěn)定且維護方便。這種溫度控制系統(tǒng)對改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。通過本設(shè)計可以熟悉并掌握西門子S7-300PLC的原理與功能以及它的編程語言，以自動控制理論為指導(dǎo)思想，解決工業(yè)生產(chǎn)及生活中溫度控制的問題。12 系統(tǒng)工作原理加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1-1所示，它由PLC主控系統(tǒng)、固態(tài)繼電器、加熱爐、溫度傳感器等4個部分組成。PID控制器D/A固態(tài)繼電器加熱爐A/D溫度傳感器PLC主控系統(tǒng)SV PV圖1-1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本組成加熱爐溫度控制實現(xiàn)過程是

3、:首先溫度傳感器將加熱爐的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進來的電壓信號轉(zhuǎn)化為西門子S7-300PLC可識別的數(shù)字量，然后 PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行比較并經(jīng)過PID運算處理后，給固態(tài)繼電器輸入端一個控制信號控制固態(tài)繼電器的輸出端導(dǎo)通與否從而使加熱爐開始加熱或停止加熱。既加熱爐溫度控制得到實現(xiàn)。其中PLC主控系統(tǒng)為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分起著重要作用。13 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示。上位機S7-300PLC控制器固態(tài)繼電器電阻爐溫度傳感器圖1-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由圖1-2可知，溫度傳感器采集到數(shù)據(jù)后送給S7-300PLC，S7-300PLC通

4、過運算后給固態(tài)繼電器一個控制信號從而控制加熱爐的導(dǎo)通與否。上位機是編寫PLC程序以及監(jiān)控溫度的變化。14 系統(tǒng)設(shè)計目標及技術(shù)要求本系統(tǒng)應(yīng)能夠控制在設(shè)定值的±5的誤差范圍內(nèi)并且具有溫度上下限報警功能和故障報警功能。由學(xué)校提供，模擬真實鍋爐的溫度檢測和控制模塊，可自行將010V模擬信號轉(zhuǎn)化為占空比對鍋爐進行加熱。輸出的模擬信號也是010V，鍋爐外接24V直流電源。15 技術(shù)綜述自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應(yīng)參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技

5、術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀80年代中后期水平。成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復(fù)雜時變溫度系統(tǒng)控制，而且適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。

6、現(xiàn)在，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外還有著一定的差距。 溫度控制系統(tǒng)大致可分別用3種方式實現(xiàn)，一種是用儀器儀表來控制溫度，這種方法控制的精度不高。另一種是基于單片機進行PID控制，然而單片機控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計較為復(fù)雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處, 而PLC 在這方面卻是公認的最佳選擇。隨著PLC功能的擴充在許多PLC控制器中都擴充了PID控制功能。因此本設(shè)計選用西門子S7-300PLC來控制加熱爐的溫度。2 下位機硬件系統(tǒng)設(shè)計隨著微處理器、計算機和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種

7、、多規(guī)格、高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。本系統(tǒng)控制軟件設(shè)計分為PLC的軟件和工控機的軟件設(shè)計兩部分，其中下位機使用的軟件為siemens公司的step7。本章主要介紹西門子S7-300系列PLC以及其它硬件的組成與選型。21 硬件系統(tǒng)框圖22 傳感器溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學(xué)會的調(diào)查，1990年，溫度傳感

8、器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。2.2.1 熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度測量元件。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。當電阻值變化時，二

9、次儀表便顯示出電阻值所對應(yīng)的溫度值。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的。鉑熱電阻根據(jù)使用場合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們提供精確的輸入值。若做成一體化溫度變送器，可輸出4-20mA標準電流信號或0-10V標準電壓信號，使用起來更為方便。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅。此外，現(xiàn)在已開始采用鉻、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。根據(jù)使用場合的不同，熱電阻也有鎧裝式熱電阻、裝配式熱電阻、隔爆式熱電阻等種類，與熱電偶類似。鉑電阻的

10、工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關(guān)系即分度特性符合IEC標準。分度號Pt100的含義為在0時的名義電阻值為100，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。此外還有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等鉑熱電阻，Cu50、Cu100的銅熱電阻等。2.2.2 熱電偶工業(yè)熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中不同范圍的溫度。若配接輸出4-20mA、0-10V等標準電流、電壓信號的溫度變送器，使用更加方便、可靠。對于實驗室等短距離的應(yīng)用場合，可以直接把熱電偶信號引入PLC進行測量。熱電偶的工作

11、原理是,兩種不同成份的導(dǎo)體,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當熱端和冷端存在溫差時，就會在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)；接上顯示儀表，儀表上就會指示所產(chǎn)生的熱電動勢的對應(yīng)溫度值，電動勢隨溫度升高而增長。熱電動勢的大小只和熱電偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關(guān)，而和熱電偶的長短粗細無關(guān)。根據(jù)使用場合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。裝配式熱電偶由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強等特點，適宜安裝在裝配式熱電偶無法安裝的場合，它的外保護管

12、采用不同材料的不銹鋼管，可適合不同使用溫度的需要，內(nèi)部充滿高密度氧化絕緣體物質(zhì)，非常適合于環(huán)境惡劣的場合。隔爆式熱電偶通常應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體的場合，如果使用普通熱電偶極易引起氣體爆炸，則在這種場合必須使用隔爆熱電偶。熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關(guān)，用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程，如燃燒和爆炸過程等。對一般的工業(yè)

13、應(yīng)用來說，為了保護感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護套里面，外觀就顯得笨大，對于溫度場的反應(yīng)也就遲緩得多。使用熱電偶的時候，必須消除環(huán)境溫度的波動對測量帶來的影響。有的把它的自由端放在不變的溫度場中，有的使用冷端補償器抵消這種影響。當測量點遠離儀表時，還需要使用熱電勢率和熱電偶相近的導(dǎo)線來傳輸信號，這種導(dǎo)線稱為補償導(dǎo)線。 本設(shè)計選用鎳鉻-鎳硅N型熱電偶。 23 PLC的基本概念可編程序控制器簡稱為PLC，它的應(yīng)用面廣、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中，PLC在其它領(lǐng)域，例如在民用和家庭自動化設(shè)備中的

14、應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。2.3.1 S7-300簡介 S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。品種繁多的CPU模塊、信號模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動控制任務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時更換模塊也很方便。S7-300有很高的電磁兼容性和抗振動抗沖擊能力，有350多條指令，其編程軟件STEP7功能強大，可以使用多種編程語言。S7-300采用緊湊的、無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，各個模塊都安裝在導(dǎo)軌上，用螺栓鎖緊即可。模塊如下： (1) 數(shù)字量輸入模塊數(shù)字量輸入模塊用于連接外部的機械觸點和電子數(shù)字式傳感器，例如二線式光電開關(guān)和接近開關(guān)等。數(shù)字量輸入模塊將從現(xiàn)

15、場傳來的外部數(shù)字信號的電平轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部的信號電平。輸入電路中一般設(shè)有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起的錯誤輸入信號，輸入電流一般為數(shù)毫安。 （2） 數(shù)字量輸出模塊SM 322數(shù)字量輸出模塊將S7-300的內(nèi)部電平信號轉(zhuǎn)化為控制過程所需的外部信號電平，同時具有隔離和功率放大的作用。輸出模塊的功率放大元件有驅(qū)動直流負載的大功率晶體管和場效應(yīng)晶體管、驅(qū)動交流負載的雙向晶閘管或固態(tài)繼電器，以及既可以驅(qū)動交流負載又可以驅(qū)動直流負載的小型繼電器。輸出電流典型值為0.52A，負載電源由外部現(xiàn)場提供。 （3） 數(shù)字量輸入/輸出模塊SM323是S7-300的數(shù)字量輸入/輸出模塊，它由兩

16、種型號可供選擇。一種是8點的輸入和8點輸出的模塊，輸入點和輸出點均只有一個公共端。另外一種有16點輸入（8點一組）和16點輸出（8點一組）。輸入、輸出的額定電壓均為DC24V，輸入電流為7mA,最大輸出電流為0.5A，每組總輸出電流為4A。輸入電路和輸出電路通過光耦合器與背板總線相連，輸出電路為晶體管型，有電子保護功能。 （4） 模擬量輸入模塊模擬量變送器：生產(chǎn)過程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用PLC來測量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量、液位、物體的成分（例如氣體中的含氧量）和頻率等。有的是強電電量，例如發(fā)電機組的電流、電壓、有功功率和無功功率、功率因素等。變送器用于將傳感器提供

17、的電量或非電量轉(zhuǎn)換為標準的直流電流或直流電壓信號，例如DC010V和420mA。SM331模擬量輸入模塊的基本結(jié)構(gòu)：模擬量輸入模塊用于將模擬量信號轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號，其主要組成部分是A/D（Analog/Digit）轉(zhuǎn)換器。SM331也可以直接連接不帶附加放大器的溫度傳感器（熱電偶或熱電阻），這樣可以省去溫度變送器，不但節(jié)約了硬件成本，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也更加緊湊。 （5） 模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊的基本結(jié)構(gòu)：S7-300的模擬量輸出模塊SM332用于將CPU送給的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為成比例的電流信號或電壓信號，對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)或控制，其主要組成部分是D/A轉(zhuǎn)換器。模擬量輸出模塊的技

18、術(shù)參數(shù)：SM332的4種模擬量輸出參數(shù)均有診斷功能，用紅色LED指示故障，可以讀取診斷信息。額定負載電壓均為DC24V。模塊與背板總線有光隔離，使用屏蔽電纜時最大距離為200m。都有短路保護，短路電流最大25mA,最大開路電壓18V。2.3.2 模塊式PLC的基本結(jié)構(gòu)這里我們主要介紹的是西門子S7-300，S7-300屬于模塊式PLC。西門子的PLC以其極高的性價比，在國內(nèi)占有很大的市場份額，在我國的各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。S7-300模塊式PLC，主要由機架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成，各種模塊安裝的機架上。通過CPU模塊或通信模塊上的通信

19、接口，PLC被連接到通信網(wǎng)絡(luò)上，可以與計算機、其它PLC或其它設(shè)備通信。圖2-1是PLC控制系統(tǒng)的示意圖。接觸器電磁閥指示燈電源接口模塊其他設(shè)備其他PLC計算機通信網(wǎng)絡(luò)擴展機架CPU模塊通信模塊輸出模塊電源模塊輸入模塊圖2-1 PLC控制系統(tǒng)示意圖CPU模塊：CPU模塊主要由微處理器和存儲器組成，S7-300將CPU模塊簡稱為CPU。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當于人的大腦和心臟，它不斷的采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出，模塊中的存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)。信號模塊：輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊一般簡稱為I/O模塊，開關(guān)量輸入/輸出模塊簡稱為DI模塊和DO模塊，

20、模擬量輸入/輸出模塊簡稱為AI模塊和AO模塊，在S7-300中統(tǒng)稱為信號模塊。信號模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場設(shè)備和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)等來的開關(guān)量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。開關(guān)量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制電動調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。在信號模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內(nèi)部電路和外部的輸入、輸出電路。

21、功能模塊：為了增強PLC的功能，擴大應(yīng)用領(lǐng)域，減輕CPU的負擔，PLC廠家開發(fā)了各種各樣的功能模塊。主要用于完成某些對實時性和存儲容量要求很高的控制任務(wù)。接口模塊：CPU模塊所在的機架稱為中央機架，如果一個機架不能容納全部模塊，可以增設(shè)一個或多個擴展機架。接口模塊用來實現(xiàn)中央機架和擴展機架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴展機架供電。通信處理器：通信處理器用于PLC之間、PLC與遠程I/O之間、PLC與計算機和其他智能設(shè)備之間的通信，可以將PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工業(yè)以太網(wǎng)，或者用于點對點通信。電源模塊：PLC一般使用AC 220V電源或DC 24V電源，電源模塊用

22、于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC 24V和背板總線上的DC 5V電壓，供其他模塊使用。編程設(shè)備：S7-300使用安裝了編程軟件STEP7的個人計算機作為編程設(shè)備，在計算機屏幕上直接生成和編輯各種文本程序或圖形程序，可以實現(xiàn)不同編程語言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)遠程編程。編程軟件還具有對網(wǎng)絡(luò)和硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控和故障診斷等功能。24 PLC的工作原理CPU中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序。操作系統(tǒng)用來處理PLC的起動、刷新輸入/輸出過程映像區(qū)、調(diào)用用戶程序、處理中斷和錯誤、管理存儲區(qū)和通信等任務(wù)。用戶程序由用戶生

23、成，用來實現(xiàn)用戶要求的自動化任務(wù)。STEP7將用戶程序和程序所需的數(shù)據(jù)放置在塊中，功能塊FB和功能FC相當于用戶編寫的子程序，系統(tǒng)功能SFC和系統(tǒng)功能塊SFB是操作系統(tǒng)提供給用戶使用的標準子程序，這些塊統(tǒng)稱為邏輯塊。PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，這種運行方式也稱為掃描工作方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊，相當于用戶程序中的主程序，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。PLC得電或由STOP模式切換到RUN模式時，CPU執(zhí)行啟動操作，清除沒有保持功能的位存儲器、定時器和計數(shù)器，清除中斷堆棧和塊堆棧的內(nèi)容，復(fù)位保存的硬件中斷等。此外還要執(zhí)行一次用戶編寫的“系統(tǒng)啟動組織塊”O(jiān)B10

24、0，完成用戶指定的初始化操作。以后進入周期性的循環(huán)運行。圖2-2是掃描過程。結(jié)合圖簡要介紹下掃描過程：（1）操作系統(tǒng)啟動循環(huán)時間監(jiān)控；（2）CPU將輸出過程映像區(qū)的數(shù)據(jù)寫到輸出模塊；（3）CPU讀輸入模塊的輸入狀態(tài)，并存入輸入過程映像區(qū)；（4）CPU處理用戶程序，執(zhí)行用戶程序中的指令；（5）在循環(huán)結(jié)束時，操作系統(tǒng)執(zhí)行所有掛起的任務(wù)；（6）CPU返回第一階段，重新啟動循環(huán)時間監(jiān)控。 啟動循環(huán)時間監(jiān)控數(shù)據(jù)寫入輸出模塊讀取輸入模塊執(zhí)行用戶程序執(zhí)行其他任務(wù)執(zhí)行OB100 圖2-2掃描過程在啟動完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1中可以調(diào)用其他邏輯塊（FB、SFB、FC、SFC）。循環(huán)程序處理過程可以

25、被某些事件中斷。如果有中斷事件出現(xiàn)，當前正在執(zhí)行的塊被暫停執(zhí)行，并調(diào)用分配給該事件的組織塊。該組織塊被執(zhí)行完后，被暫停執(zhí)行的塊將從被中斷的地方開始繼續(xù)執(zhí)行。在PLC的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入過程映像區(qū)和輸出過程映像區(qū)。PLC梯形圖中的其他編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)。在循環(huán)程序處理過程中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU內(nèi)部的過程映像區(qū)。在寫輸出模塊階段，CPU將輸出過程映像區(qū)的狀態(tài)傳送到輸出模塊。梯形圖中某一輸出位的線圈“通電”時，對應(yīng)的輸出過程映像位為1狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出

26、模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。若梯形圖中的線圈“斷電”，對應(yīng)的輸出過程映像位為0狀態(tài)，在寫輸出模塊階段之后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。在讀輸入模塊階段，PLC把所有外部輸入電路的接通/斷開狀態(tài)讀入輸入過程映像區(qū)。外部輸入電路接通時，對應(yīng)的輸入過程映像位為1狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入位的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外部輸入觸點電路斷開時，對應(yīng)的輸入過程映像位為0狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入位的常開觸點斷開，常閉觸點通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了改變，輸入過程映像位的狀態(tài)也不會隨之而變，

27、輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個循環(huán)掃描周期的讀輸入模塊階段被讀入。PLC的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令和塊調(diào)用指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入過程映像區(qū)或別的存儲區(qū)中將有關(guān)編程元件的0、1狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算，運算的結(jié)果寫入到對應(yīng)的存儲區(qū)中，因此，各編程元件的存儲區(qū)（輸入過程映像區(qū)除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。循環(huán)時間是指操作系統(tǒng)執(zhí)行一次如圖2-2所示的循環(huán)操作所需的時間，包括執(zhí)行OB1中的程序段和中斷該循環(huán)的系統(tǒng)操作的時間，也稱掃描循環(huán)時間或掃描周期。循環(huán)時間

28、與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。25 硬件配置2.5.1 s7-300硬件配置圖2-3 S7-300硬件配置2.5.2 模擬量輸出屬性框圖2-4模擬量輸出屬性框硬件配置中選擇模擬量輸出輸出屬性中的信號類型范圍與傳感器、驅(qū)動器匹配。都選擇0-10V。26 I/O分配表表2-1 I/O分配表輸入I0.0啟動按鈕I0.1停止按鈕I0.2進水閥開關(guān)AI0.3出水閥開關(guān)AI0.4進水閥開關(guān)BI0.5出水閥開關(guān)B輸出Q4.0鍋爐加熱指示燈Q4.1溫度越上限報警指示燈Q4.2超溫報警指示燈Q4.3低溫警指示燈Q4.4調(diào)節(jié)器AQ4.5進水閥AQ4.6出水閥Q4.7液位溢出指示燈

29、Q5.0正常運行指示燈Q5.1停止運行指示燈Q5.2高水位報警指示Q5.3低水位報警指示Q5.4調(diào)節(jié)器BQ5.5進水閥BPIW752檢測溫度PQW752加熱器驅(qū)動PIW754液位檢測PQW754液位計驅(qū)動3 PID控制器3.1 PID控制器基本概念PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量來進行控制。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時、控制理論的其它技術(shù)難以采用時,系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時,最適合采用PID控制

30、技術(shù)。（1）比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。（2）積分（I）控制在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng),如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差的運算取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增

31、大，使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，采用比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分（D）控制在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大的慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨

32、勢，這樣，具有比例+微分的控制器就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。3.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點 控制系統(tǒng)一般包括開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)(Open-loop Control System)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響，在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控制量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)(Closed-loop Control System)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器

33、的輸出,形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋,若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反,則稱為負反饋( Negative Feedback)；若極性相同，則稱為正反饋。一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)?？梢?，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠優(yōu)于開環(huán)控制系統(tǒng)。PID就是應(yīng)用最廣泛的閉環(huán)控制器。如圖3-1所示系統(tǒng)是用于電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)目標設(shè)定值為期望的加熱爐溫度，閉環(huán)控制器的反饋值通過溫度傳感器測得，并經(jīng)A/D變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；目標設(shè)定值與溫度傳感器的反饋信號相減，其差送入PID控制器，經(jīng)比例、積分、微分運算，得到疊加的一個數(shù)字量；該數(shù)字量經(jīng)過上限、

34、下限限位處理后進行D/A變換，輸出一個電壓信號去控制固態(tài)繼電器，以控制加熱爐的溫度。該系統(tǒng)的PID控制器一般采用PLC提供的專用模塊（本系統(tǒng)采用FB58模塊），也可以采用編程的方法（如PLC編程、高級語言編程或組態(tài)軟件編程等）生成一個數(shù)字PID控制器。同時，其它功能如A/D、D/A都由PLC實現(xiàn)，加熱爐的反饋信號直接送PLC采集，控制固態(tài)繼電器的電壓信號也由PLC送出，從而控制加熱爐的溫度。 控制下限D(zhuǎn)/A固態(tài)繼電器加熱爐溫度傳感器控制上限比例積分微分目標設(shè)定值A(chǔ)/Derror圖3-1電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用實例3.3 PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的

35、核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性，確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來有如下兩大類：（1）理論計算整定法。它主要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接使用,還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。（2）工程整定法。它主要依賴于工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。這三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參

36、數(shù)，都需要在實際運行中進行最后的調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。3.4 PID控制器的主要優(yōu)點 PID控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器，它具有以下優(yōu)點：（1）PID算法蘊涵了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在、將來的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。其中，比例（P）代表了當前的信息，起糾正偏差的作用，使過程反應(yīng)迅速。微分（D）在信號變化時有超前控制作用，

37、代表將來的信息。在過程開始時強迫過程進行，過程結(jié)束時減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡過程。積分（I）代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。此三種作用配合得當，可使動態(tài)過程快速、平穩(wěn)、準確，收到良好的效果。（2）PID控制適應(yīng)性好，有較強的魯棒性，對各種工業(yè)應(yīng)用場合，都可在不同的程度上應(yīng)用。特別適于“一階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”和“二階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”的過程控制對象。（3）PID算法簡單明了，各個控制參數(shù)相對較為獨立，參數(shù)的選定較為簡單，形成了完整的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。 （4）PID控制根據(jù)不同的要求，針對自身的缺陷進行了不少改進，形

38、成了一系列改進的PID算法。例如，為了克服微分帶來的高頻干擾的濾波PID控制，為克服大偏差時出現(xiàn)飽和超調(diào)的PID積分分離控制，為補償控制對象非線性因素的可變增益PID控制，等。這些改進算法在一些應(yīng)用場合取得了很好的效果。同時當今智能控制理論的發(fā)展，又形成了許多智能PID控制方法。3.5 PID指令的使用注意事項 3.5.1 PID控制器的選取PID控制器的性能和處理速度只與所采用的CPU的性能有關(guān)。對于任意給定的CPU，控制器的數(shù)量和每個控制器被調(diào)用的頻率是相互矛盾的?？刂骗h(huán)執(zhí)行的速度，也即在每個時間單元內(nèi)操作值必須被更新的頻率決定了可以安裝的控制器的數(shù)量。對要控制的過程類型沒有限制，遲延系統(tǒng)

39、（溫度、液位等）和快速系統(tǒng)（流量、電機轉(zhuǎn)速等）都可以作為被控對象。過程分析時應(yīng)注意：控制過程的靜態(tài)性能（比例）和動態(tài)性能（時間延遲、死區(qū)和重設(shè)時間等）對被控過程控制器的構(gòu)造和設(shè)計以及靜態(tài)（比例）和動態(tài)參量（積分和微分）的維數(shù)選取有著很大的影響。準確地了解控制過程的類型和特性數(shù)據(jù)是非常必要的?？刂破鬟x取時應(yīng)注意：控制環(huán)的特性由被控過程或被控機械的物理特性決定，并且設(shè)計中可以改變的程度不是很大。只有選用了最適合被控對象的控制器并使其適應(yīng)過程的響應(yīng)時間，才能得到較高的控制質(zhì)量。不用通過編程就可以生成控制器的大部分功能（構(gòu)造、參數(shù)設(shè)置和在程序中的調(diào)用等），前提是必須已經(jīng)掌握STEP 7的編程基礎(chǔ)知識。

40、 3.5.2 PID參數(shù)的設(shè)定 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。大慣量如大烘房的溫度控制，一般P可在10以上，I=3-10，D=1左右。小慣量如一個小電機帶一個水泵進行壓力閉環(huán)控制，一般只用PI控制，P=1-10，I=0.1-1，D=0，這些要在現(xiàn)場調(diào)試時進行修正，主要是靠經(jīng)驗及對生產(chǎn)工藝的熟悉，參考對測量值的跟蹤與設(shè)定值的曲線，從而調(diào)整P、I、D的大小。下面具體說明經(jīng)驗法的整定步驟：（1）讓調(diào)節(jié)器參數(shù)的積分系數(shù)I=0，微分系數(shù)D=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數(shù)P，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。（2）取比例系數(shù)P為當前的值乘以0.

41、83，由小到大增加積分系數(shù)I，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至得到滿意的控制過程。（3）積分系數(shù)I保持不變，改變比例系數(shù)P，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)P增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)I，力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)P和積分系數(shù)I為止。（4）引入適當?shù)奈⒎窒禂?shù)D，此時可適當增大比例系數(shù)P和積分系數(shù)I。和前述步驟相同，微分系數(shù)的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過程滿意為止。需要注意的是：仿真系統(tǒng)所采用的PID調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的工業(yè)PID調(diào)節(jié)器有所不同，其各個參數(shù)之間是相互隔離的，因而互不影響，用其觀察調(diào)節(jié)規(guī)律十分方便。經(jīng)驗法實質(zhì)上是一種試湊法

42、，它是在生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的行之有效的方法，并在現(xiàn)場中得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)驗法簡單可靠，但需要有一定的現(xiàn)場運行經(jīng)驗，整定時易帶有主觀片面性。當采用PID調(diào)節(jié)器時，由于有多個整定參數(shù)，反復(fù)試湊的次數(shù)增多，因此增加了得到最佳整定參數(shù)的難度。3.6 FB41簡介FB41是S7-300系統(tǒng)自帶的PID運算控制模塊。在P,I,D這三種控制作用中，比例部分與誤差部分信號在時間上時一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時地產(chǎn)生與誤差成正比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時的特點。比例系數(shù)越大，比例調(diào)節(jié)作用越強，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高；但是對于大多數(shù)的系統(tǒng)來說，比例系數(shù)過大，會使系統(tǒng)的輸出振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。調(diào)節(jié)器中的

43、積分作用與當前誤差的大小和誤差的歷史情況都有關(guān)系，只要誤差不為零，控制器的輸出就會因積分作用而不斷變化，一直要到誤差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，積分部分才不再變化，因此，積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是積分作用的動作緩慢，可能給系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性代來不良影響，因此很少單獨使用。積分時間常數(shù)增大時，積分作用減弱，系統(tǒng)的動態(tài)性能（穩(wěn)定性）可能有所改善，但是，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分），微分部分提前給出較大的調(diào)節(jié)作用，微分部分反映了系統(tǒng)變化的趨勢，它較比例調(diào)節(jié)更為及時，所以微分部分具有預(yù)測的特點。微分時間常數(shù)增大時，超調(diào)量減小，動態(tài)性能得到改善，但抑制高頻干擾

44、的能力下降。如果微分時間常數(shù)過大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)值時上升緩慢。采樣時間按常規(guī)來說應(yīng)越小越好，但是時間間隔過小時，會增加CPU的工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，所以也不易將此時間取的過小，另外，假如此項取比運算時間短的時間數(shù)值，則系統(tǒng)無法執(zhí)行。S7-300PLC自帶的FB41默認的采樣時間是0.1秒，而OB1的循環(huán)掃描時間一般遠低于0.1秒，而且不固定，故一般在OB35（默認0.1秒周期執(zhí)行）中調(diào)用。3.6.1 FB41部分端口定義EN：使能，高電平有效COM_RST：初始化，高電平清除所用中間值與輸出值MAN_ON：高電平手動工作，低電平閉環(huán)工作P_SEL、I_SEL、D_S

45、EL：PID三種運算使能，高電平采用該運算CYCLE：采樣時間，一般取100MSGAIN：比例參數(shù),實數(shù)TI、TD：積分、微分參數(shù)，時基為1MS的32位整數(shù)SP_INT：給定值，實數(shù)PV_IN：反饋值，實數(shù)DEADB：死區(qū)，差值的百分數(shù)LMN_PER：PID運算輸出，0-6C003.6.2 PID控制算法PID控制環(huán)節(jié)被控對象反饋環(huán)節(jié)r（t）e(t)u(t)c(t)+圖3-2閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3-2所示，PID控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系: （3-1）控制器的輸出為： （3-2）-PID回路輸出-比例系數(shù)P-積分系數(shù)I-微分系數(shù)DPID調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)

46、為 （3-3）數(shù)字計算機處理這個函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對偏差周期采樣后，計算機輸出值。其離散化的規(guī)律如表3-1所示：表3-1 模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以PID輸出經(jīng)過離散化后，它的輸出方程為: （3-4）式中， 稱為比例項 稱為積分項 稱為微分項上式中，積分項是包括第一個采樣周期到當前采樣周期的所有誤差的累積值。計算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項，只需要保留積分項前值，計算機的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的PID指令實現(xiàn)位置式PID控制算法量。表3-2 PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據(jù)類型說明0過程變量（PVN）實數(shù)必須在0.01.0之間4給定值（SPN

47、）實數(shù)必須在0.01.0之間8輸出值（Mn）實數(shù)必須在0.01.0之間12增益（Kc實數(shù)比例常數(shù)，可正可負16采樣時間（Ts）實數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20采樣時間（Ti）實數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時間（TD）實數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項前值（MX）實數(shù)必須在0.01.0之間32過程變量前值（PVN-1）實數(shù)必須在0.01.0之間3.6.3 PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時間Ti和和微分時間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標要求。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗

48、法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗法又叫現(xiàn)場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，利用一組經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗，其規(guī)律如表3-3所示表3-3 溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時間（分鐘）微分時間（分鐘）溫度滯后較大20603100.53根據(jù)反復(fù)的試湊，調(diào)處比較好的結(jié)果是P=15，I=2.0，D=0.55 控制系統(tǒng)上位機設(shè)計某高校鍋爐控制系統(tǒng)上位機使用SIEMENS公司丌發(fā)的與STEP7-300配套的上位機開發(fā)軟件，并使用MPI卡與下位機STEP7之間的通信，同時為了適應(yīng)現(xiàn)在集約型自動

49、化控制的需要，采用與WINCC配套的WEB NAVIGATOR軟件來實現(xiàn)遠程WEB瀏覽功能，從而可以進行遠程系統(tǒng)監(jiān)測與控制。5.1 WINCC軟件介紹WINCC(Windows Control Center)是SIEMENS公司的一種功能強大的工業(yè)控制軟件，是“真正開放的”人機界面SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))軟件。它是第一個使用最新的32位技術(shù)的過程監(jiān)控系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性、分布式多任務(wù)的特點，適合于對過程事件的快速反應(yīng)。無論是單用戶系統(tǒng)還是冗余多服務(wù)器/多用戶系統(tǒng)、還是針對復(fù)雜的或特定的任務(wù)，WINCC均能夠很好的處理；WINCC集成ODBC/SQL數(shù)據(jù)庫，具有OLE，Ac

50、tiveX，OPC等標淮接口、開放的API程序接口以及針對所有主要PLC廠商的通訊接口程序。WINCC編程語言為ANSI C語言，易于組態(tài)，能夠在組態(tài)和在線運行環(huán)境中切換語言；WINCC支持分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有廣泛的應(yīng)用，可以連接到已存在的自動化環(huán)境中；WINCC是模塊化結(jié)構(gòu)，可運行于Windows98/2000或NT，用戶只需要選擇購買應(yīng)用所需要的部分。WINCC具有控制自動化過程的強大功能，是基于個人計算機、同時具有極高性價比的SCADA級的操作監(jiān)控系統(tǒng)。WINCC容易結(jié)合標準的和用戶的程序建立人機界面，精確的滿足生產(chǎn)實際要求。系統(tǒng)集成商可應(yīng)用WINCC作為其系統(tǒng)擴展的基礎(chǔ)，通過開放接口開發(fā)

51、自己的應(yīng)用軟件。5.1.2 WINCC的特點1強大的圖形組態(tài)功能：WINCC組態(tài)軟件以Microsoft Windows平臺作為操作平臺，充分利用了Windows圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點。WINCC的圖形編輯器提供了強大的圖形庫，設(shè)計人員可高效快捷地繪制出各種工藝畫面，并可方便進行編輯，使采用PC機比以往使用專用機開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更有通用性，減少了工控軟件開發(fā)者的重復(fù)工作。另外WINCC支持豐富的動畫連接如“閃爍”、“旋轉(zhuǎn)”、“填充”、“移動”等，使畫面生動直觀。2支持腳本語言：從使用腳本語方面，組態(tài)軟件均使用腳本語言提供二次開發(fā)。腳本語言也稱命令語言、控制語言。用戶可根據(jù)

52、自己需要編寫程序。組態(tài)軟件在腳本語言功能及提供的腳本函數(shù)數(shù)量上不斷提高。WINCC內(nèi)部提供了很多標準函數(shù)和內(nèi)部函數(shù)，編程人員可直接調(diào)用這些函數(shù)，另外WINCC提供C腳本編輯器，設(shè)計人員可根據(jù)任務(wù)自行設(shè)計項目函數(shù)，或修改標準函數(shù)和內(nèi)部函數(shù)。3全集成自動化：WINCC與SIMATIC產(chǎn)品家族中的組件一起使用時可能進行廣泛的集成。這種集成有利于：全局組態(tài)和編程；全局數(shù)據(jù)維護；全局通訊。因此，在使用WINCC進行工作時，可對STEP7中所定義的符號表直接進行訪問。在用戶S7自動化系統(tǒng)中可用的所有變量的列表將顯示在WINCC變量選擇對話框中。用戶既可從該列表選擇所需的變量，也可在WINCC中重新創(chuàng)建變量

53、。4開放性：WINCC提供了開放的界面用于用戶解決方案，這使得將WINCC集成入復(fù)雜、廣泛的自動控制解決方案成為可能。可以集成通過ODBC和SOL方式的歸檔數(shù)據(jù)訪問，以及通過OLE2。和ActiveX控件的對象和文檔的鏈接。5強大的數(shù)據(jù)庫：組態(tài)軟件均有一個實時數(shù)據(jù)庫作為整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)組織和管理的核心。負責(zé)整個應(yīng)用系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、報警處理，完成與過程的雙向數(shù)據(jù)通訊。WINCC通過變量記錄和報警記錄等編輯器對過程值進行歸檔，自動存入數(shù)據(jù)庫。6豐富的功能模塊：組態(tài)軟件以模塊形式掛接在基本模塊上，互相獨立提高了系統(tǒng)可靠性和可擴展性。WINCC利用圖形編輯器、變量記錄編輯器、報

54、警記錄編輯器、報表編輯器和腳本編輯器等功能模塊，完成實時監(jiān)控、報表生成、實時曲線、歷史曲線、提供報警等功能。5.1.3 WINCC主要控制模塊1計算機：在該處用戶可組態(tài)該WINCC項目的開始畫面，設(shè)置運行環(huán)境、光標和安全特性等。2變量管理器：該管理器用于建立過程變量標簽(又叫外部變量標簽)和部變量標簽。其中，過程變量標簽用于與PLC通訊，它對應(yīng)PLC內(nèi)部的內(nèi)存位置，是監(jiān)視自動化過程的數(shù)據(jù)標簽。通過它，WINCC可以將現(xiàn)場數(shù)據(jù)讀入上位機以圖形方式顯示出來，也可以將上位機的命令傳送到PLC中；內(nèi)部變量標簽是WINCC內(nèi)的內(nèi)存位置，與PLC無關(guān)，可以存放計算過程中的中間結(jié)果，也可以在軟件調(diào)試階段暫時

55、代替過程標簽。3結(jié)構(gòu)變量：結(jié)構(gòu)變量是特殊的變量，它含有不同數(shù)據(jù)類型的元素。它們與ANSIC結(jié)構(gòu)相似，并可用于生成普通設(shè)備的樣板，這些設(shè)備通常有許多I0點與之相連。在生成某一結(jié)構(gòu)變量后，即可簡單地按照通常的方式，在數(shù)據(jù)類型的下拉式菜單中選擇該變量作為新的數(shù)據(jù)類型。在編輯圖形對象或組態(tài)曲線、報警功能時，可將該結(jié)構(gòu)變量內(nèi)的變量標簽元素與其它任何“正?！钡淖兞繕撕炓粯訉Υ?。4圖形編輯器：所有的WINCC運行應(yīng)用都集中在該編輯器生成的可視界面中。它允許用戶開發(fā)所需的圖形用戶界面(GUI)、監(jiān)視過程數(shù)據(jù)、瀏覽其它WINCC編輯器中的應(yīng)用以及綜合安全性。根據(jù)對象相關(guān)設(shè)計原則，圖形編輯器中的對象使用屬性和事件

56、作為用戶和過程數(shù)據(jù)的接口。圖形編輯器與其它編輯器一樣都有兩種操作模式：組態(tài)模式(CS)和運行模式(RT)。用戶在組態(tài)模式中用各種工具和對象生成圖形畫面，用變量標簽、C腳本以及其它方法對應(yīng)于過程數(shù)據(jù)變化定義圖形的行為。在運行模式，WINCC將過程數(shù)據(jù)和靜態(tài)圖形對應(yīng)起來，并根據(jù)各編輯器中進行的組態(tài)設(shè)置，實際地生成運行應(yīng)用以監(jiān)視用戶的過程。5報警記錄：報警記錄編輯器用于歸檔和獲取消息，具有從過程接收消息并準備、顯示、確認和歸檔等功能。報警記錄組態(tài)系統(tǒng)(報警記錄CS)用來組態(tài)消息，以便按要求顯示。報警記錄運行(報警記錄RT)用于獲取消息和接收確認。報警記錄編輯器可以表示位報警和模擬量報警。位報警根據(jù)標簽指定位的狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的報警信息，可用于對開關(guān)量的判斷。模擬量報警對標簽的極限值進行監(jiān)測；如果標簽值高于指定的上限值或指定的另一標簽的當前值，則產(chǎn)生上限報警；如果標簽值低于指定的下限值或指定的另一標簽的當前值，則產(chǎn)生下限報警。報警信息可存于硬盤的報警檔案中，