參考論文-基于西門子S7-200PLC的溫度控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文

1、基于西門子S7-200 PLC的溫度控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文第一章 前 言1.1 課題研究背景溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關。在科學研究和生產(chǎn)實踐的諸多領域中, 溫度控制占有著極為重要的地位, 特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案 也有所不同。例如冶金、機械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等1。溫度控制系統(tǒng) 的工藝過程復雜多變，具有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進的控制技術和控制理

2、論?？删幊炭刂破鳎≒LC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，是繼承計算機、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜， 可靠性強，編程簡單，易學易用等特點，在工業(yè)領域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個領域中被廣泛地使用2。目前在控制領域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（DCS）。但就其控制策略而言，占統(tǒng)治地位的 仍然是常規(guī)的PID控制。PID結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學模型3。PID的使用已經(jīng)有60多年了，有人稱贊它是控制領 域的常青樹。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過

3、程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動 控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。在組態(tài)概念出現(xiàn)之前，要實現(xiàn)某一任務，都是通過編寫程序來實現(xiàn)的。編寫程序不但工作量大、周期長，而且容易犯錯 誤，不能保證工期。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個問題。對于過去需要幾個月的工作，通過組態(tài)幾天就可以完成.組態(tài)王是國內(nèi)一家較有影響力的組態(tài)軟件開發(fā)公司 開發(fā)的，組態(tài)王具有流程畫面，過程數(shù)據(jù)記錄，趨勢曲線，報警窗口，生產(chǎn)報表等功能，已經(jīng)在多個領域被應用4。1.2 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國

4、防、科研以及日常生活等領域占有重要的地位。溫度控制系統(tǒng)是人類供熱、取暖的主要設備的驅動 來源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。期間，從低級到高級，從簡單到復雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對溫度控制精度要求的不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術得 到迅速發(fā)展。當前比較流行的溫度控制系統(tǒng)有基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機（IPC）的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）等。單片機的發(fā)展歷史雖不長，但它憑著體積小，成本低，功能強大和可靠性高等特點，已經(jīng)在許多領域得到了廣泛的應用。單片機已經(jīng)由開始的4位機發(fā)展到32位 機，其性能進一步得到改善5。基于

5、單片機的溫度控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，工作精度高。但相對其他溫度系統(tǒng)而言，單片機響應速度慢、中斷源少，不利于在復雜 的，高要求的系統(tǒng)中使用。PLC是一種數(shù)字控制專用電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)與演算等功能，并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等組 件，控制各種機械或工作程序。PLC可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單，易于被工程人員掌握和使用，目前在工業(yè)領域上被廣泛應用6。相對于 IPC，DCS，F(xiàn)SC等系統(tǒng)而言，PLC是具有成本上的優(yōu)勢。因此，PLC占領著很大的市場份額，其前景也很有前途。工控機（IPC）即工業(yè)用個人計算機。IPC的性能可靠、軟件豐富、價格低廉，應用日

6、趨廣泛。它能夠適應多種工業(yè)惡劣環(huán)境，抗振動、抗高溫、防灰塵，防電 磁輻射。過去工業(yè)鍋爐大多用人工結合常規(guī)儀表監(jiān)控，一般較難達到滿意的結果，原因是工業(yè)鍋爐的燃燒系統(tǒng)是一個多變量輸入的復雜系統(tǒng)。影響燃燒的因素十分復 雜，較正確的數(shù)學模型不易建立，以經(jīng)典的PID為基礎的常規(guī)儀表控制，已很難達到最佳狀態(tài)。而計算機提供了諸如數(shù)字濾波，積分分離PID，選擇性PID。 參數(shù)自整定等各種靈活算法，以及“模糊判斷”功能，是常規(guī)儀表和人力難以實現(xiàn)或無法實現(xiàn)的7。在工業(yè)鍋爐溫度檢測控制系統(tǒng)中采用控機工可大大改善了對 鍋爐的監(jiān)控品質(zhì)，提高了平均熱效率7。但如果單獨采用工控機作為控制系統(tǒng)，又有易干擾和可靠性差的缺點。集

7、散型溫度控制系統(tǒng)（DCS）是一種功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系統(tǒng)。與常規(guī)儀表相比具有豐富的監(jiān)控、協(xié)調(diào)管理功能等特點。DCS的關鍵是通 信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全 性?；綝CS的溫度控制系統(tǒng)提供了生產(chǎn)的自動化水平和管理水平，能減少操作人員的勞動強度，有助于提高系統(tǒng)的效率8。但DCS在設備配置上要求網(wǎng) 絡、控制器、電源甚至模件等都為冗余結構，支持無擾切換和帶電插拔，由于設計上的高要求，導致DCS成本太高?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）綜合了數(shù)字通信技術、計算機技術、自動控制

8、技術、網(wǎng)絡技術和智能儀表等多種技術手段的系統(tǒng)。其優(yōu)勢在于網(wǎng)絡化、分散化控制。基 于總線控制系統(tǒng)（FCS）的溫度控制系統(tǒng)具有高精度，高智能，便于管理等特點，F(xiàn)CS系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場化，能直接執(zhí)行傳感、控制、報警和計算功能。而 且它可以對現(xiàn)場裝置(含變送器、執(zhí)行器等)進行遠程診斷、維護和組態(tài)，這是其他系統(tǒng)無法達到的9。但是，F(xiàn)CS還沒有完全成熟，它才剛剛進入實用化的 現(xiàn)階段，另一方面，另一方面，目前現(xiàn)場總線的國際標準共有12種之多，這給FSC的廣泛應用添加了很大的阻力。各種溫度系統(tǒng)都有自己的優(yōu)缺點，用戶需要根據(jù)實際需要選擇系統(tǒng)配置，當然，在實際運用中，為了達到更好的控制系統(tǒng)，可以采取多個系統(tǒng)的集

9、成，做到互補長短。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比有著較大差距。 成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能 化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國外技術保密及我國開發(fā)工作的滯 后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試確定。國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成

10、果。日本、美國、德國、瑞典等技術領先，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，并在各行業(yè)廣泛應用。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10。1. 3本文的研究內(nèi)容本論文主要是利用PLC S7-200 采用PID控制技術做一個溫度控制系統(tǒng)，要求穩(wěn)定誤差不超過正負1，并且用組態(tài)軟件實現(xiàn)在線監(jiān)控。具體有以下幾方面的內(nèi)容：第一章，對PLC系統(tǒng)應用的背景進行了闡述，并介紹當前溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況。第二章，簡單概述了PLC的基本概念以及組成。第三章，介紹了控制系統(tǒng)設計所采用的硬件連接、使用方法以及編程軟件的簡單介紹。第四章，介紹了本論文中用到的一些算法

11、技巧和思想，包括PWM、PID控制、PID在PLC中的使用方法以及PID的參數(shù)整定方法。第五章，介紹了設計程序的設計思想和程序，包括助記符語言表和梯形圖。第六章，介紹了組態(tài)畫面的設計方法。第七章，進行系統(tǒng)設計，檢驗控制系統(tǒng)控制質(zhì)量。第八章,對全文進行總結。第二章 可編程控制器的概述2.1 可編程控制器的產(chǎn)生可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，英文全稱：ProgrammableController，為了和個人計算機(PC)區(qū)分，一般稱其為PLC。可編程控制器(PLC)是繼承計算機、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動 裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛地應用于工業(yè)控制的各個領域。20世紀60年代，計算機

12、技術開始應用于工業(yè)控制領域，但由于價格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大，未能在工業(yè)領域中獲得推廣。1968年，美國的汽車制造公司通用汽車公司(GM)提出了研制一種新型控制器的要求，并從用戶角度提出新一代控制器應具備十大條件，立即引起了開發(fā)熱潮。1969年，美國數(shù)字設備公司(DEC)研制出了世界上第一臺可編程序控制器，并應用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上?？删幊炭刂破髯詥柺酪詠恚l(fā)展極為迅速。1971年日本開始生產(chǎn)可編程控制器，而歐洲是1973開始的。如今，世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器11?？删幊炭刂破鲝恼Q生到現(xiàn)在經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，見表1-1。表 1-1 可編程控制器功能表

13、代次 器件 功能第一代 1位處理器 邏輯控制功能 第二代 8位處理器及存儲器 產(chǎn)品系列化第三代 高性能8位微處理器及位片式微處理器 處理速度提高，向多功能及聯(lián)網(wǎng)通信發(fā)展第四代 16位、32位微處理器及高性能位片式微處理器 邏輯、運動、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)功能的多功能2.2 可編程控制器的基本組成PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種。整體式PLC一般由CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存和電源組成。模塊式PLC一般由CPU模塊、I /O模塊、內(nèi)存模塊、電源模塊、底版或機架組成。本論文實物采用的是模塊式的PLC，不管哪種PLC，都是屬于總線式的開發(fā)結構，其構成如圖2-1所示 12。1) CPU（中

14、央處理器）和一般的微機一樣，CPU是微機PLC的核心，主要由運算器、控制器、寄存器以及實現(xiàn)他們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構成。CPU在很大程度上決定了PLC的整體性能，如整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量。CPU控制著PLC工作，通過讀取、解釋指令，指導PLC有條不紊的工作。2) 存儲器存儲器（內(nèi)存）主要用語存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成部分。PLC中的存儲器一般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。系統(tǒng)程序一般由廠 家編寫的，用戶不能修改；而用戶程序是隨PLC的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應用程序。3) 輸入輸出模塊輸入模塊和輸出模塊通

15、常稱為I/O模塊或I/O單元。PLC提供了各種工作電平、連接形式和驅動能力的I/O模塊，有各種功能的I/O模塊供擁護選用。按 I/O點數(shù)確定模塊的規(guī)格和數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受PLC所能管理的配置能力，即底版的限制。PLC還提供了各種各樣的特殊的I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、高速計算器、位置控制、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、溫度控制、中斷控制、聲音輸出、打印機等專用 型或智能型模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的CPU、系統(tǒng)程序、存儲器及與PLC系統(tǒng)總線相連接的接 口。4) 編程裝置編程器作用是將用戶編寫的程序下載至PLC的用戶程序存儲器，并利

16、用編程器檢查、修改和調(diào)試用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過程，顯示PLC狀態(tài)、內(nèi)部器件 及系統(tǒng)的參數(shù)等。常見的編程器有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。目前PLC制造廠家大都開發(fā)了計算機輔助PLC編程支持軟件， 當個人計算機安裝了PLC編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計算機和PLC之間的通信接口實現(xiàn)用戶程序的雙向傳 送、監(jiān)控PLC運行狀態(tài)等。5）電源PLC的電源將外部供給的交流電轉換成供CPU、存儲器等所需的直流電，是整個PLC的能源供給中心。PLC大都采用高質(zhì)量的工作穩(wěn)定性好、抗干擾能力強 的開關穩(wěn)壓電源，許多PLC電源還可向外部提供直

17、流24V穩(wěn)壓電源，用于向輸入接口上的接入電氣元件供電，從而簡化外圍配置。第三章 硬件配置和軟件環(huán)境實驗配置3.1.1 西門子S7-200S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。本論文采用的是CUP224。它具有24個輸入點和16個輸出點。S7-200系列的基本單元如表3-1所示13。3.1.2 傳感器熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家標 準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標

18、準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標 準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)， 并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。本論文才用的是K型熱電阻14。3.1.3 EM 231模擬量輸入模塊傳感器檢測到溫度轉換成041mv的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉換成數(shù)字信號再送入PLC中進行處理。在這里，我們選用了西門子EM231 4TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊提供一個方便的，隔離的接

19、口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允許連接微小的模擬量信號(±80mV范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。EM231模塊需要用戶通過DIP開關進行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷端補償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組 態(tài)DIP開關進行以上選擇，如圖3-2所示。本設計采用的是K型熱電偶，結合其他的需要，我們設置DIP開關為00100000。對于EM231 4TC模塊，SW1SW3用于選擇熱電偶類型，見表3-3 。SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進行斷線檢測，

20、SW7用于選擇測量單位，SW8用于選擇是否進行冷端補償，見表3-415。 為了使DIP開關設置起作用，用戶需要給PLC的電源斷電再通電。3.2 STEP 7 Micro/WIN32軟件介紹STEP 7-MWIN32編程軟件是基于Windows的應用軟件，是西門子公司專門為SIMTIC S7-200系列PLC設計開發(fā)的。該軟件功能強大，界面友好，并有方便的聯(lián)機功能。用戶可以利用該軟件開發(fā)程序，也可以實現(xiàn)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該 軟件是SIMATIC S7-200擁護不可缺少的開發(fā)工具安裝在開始安裝的時候是選擇語言界面，對于版本來說，這時候沒有選擇中文的，但可以先選擇其他語言，見圖3-5。等軟件

21、安裝好之后再進行語言的切換。在安裝的最后，會出現(xiàn)一個界面，按照硬件的配置，我們需要用232通信電纜，采用PPI的通信方式，所以要選擇PPI/PC Cable(PPI)，這個時候在彈出來的窗口中選擇端口地址，通信模式，一般選擇默認就可以了，見圖3-6。如果想改變編程界面的語言，可在軟件的主界面的工具欄中選擇tools目錄下選擇option選項，在出現(xiàn)的界面中選擇general,然后在右下角就可以選擇中文了。見圖3-7所示。3.2.2 系統(tǒng)參數(shù)設置系統(tǒng)塊用來設置S7-200 CPU的系統(tǒng)選項和參數(shù)等。系統(tǒng)塊更改后需要下載到CPU中，新的設置才能生效。系統(tǒng)塊的設置如下，需要注意的是，PLC的地址默認

22、是2，但本設計中需要 用到的地址是1，如圖3-8。通信端口的設置，同樣的，我們用到的地址是1，如圖3-9所示。圖 3-9 通信端口設置第四章 控制算法描述4.1 PWM技術脈寬調(diào)制（PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在測量、通信、功率控制與變換的許多領域中。PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF) 16。本論文中采樣周期和加熱周期都是10秒。采樣后，根據(jù)溫差的

23、大小進行PID調(diào)節(jié)，轉化得到一個加熱時間（0-10秒）作為下一個加熱周期的加熱時間。例如 溫差大，加熱時間就大，溫差小，那么加熱時間就小。程序采用的是粗調(diào)和微控兩段式控制方式。在粗控調(diào)階段，占空比恒為一。在微控制階段，占空比就根據(jù)溫差 不停地變化。 4.2 PID控制程序設計模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是PID控制，PID在工業(yè)領域的應用已經(jīng)有60多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應用。人們在應用的過程中積累了許多的經(jīng)驗，PID的研究已經(jīng)到達一個比較高的程度。比例控制(P)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系。其特點是具有快速反應，控制及時，但不能消除余差。在積分控制(I)中，控

24、制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點，不能快速對誤差進行有效的控制。在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。微分控制具有超前作用，它能預測誤差變化的趨勢。避免較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的優(yōu)點和缺點，它們一起使用的時候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量17。4.2.1 PID控制算法如圖4-1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的關系:(4.2)控制器的輸出為:(4.3)上式中, PID回路的輸出;

25、比例系數(shù)P;積分系數(shù)I;微分系數(shù)D;PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為：(4.4)數(shù)字計算機處理這個函數(shù)關系式，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4-5所示：表 4-5 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: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17。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18。4.2.2 PID在PLC中的回路指令現(xiàn)在很多PLC

26、已經(jīng)具備了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是專用模塊，有些是指令形式。西門子S7-200系列PLC中使用的是PID回路指令。見表4-7。表4-7 PID回路指令名稱 PID運算指令格式 PID指令表格式 PID TBL，LOOP梯形圖使用方法：當EN端口執(zhí)行條件存在時候，就可進行PID運算。指令的兩個操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因 為一個PID回路占用了32個字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號，可以是07，不可以重復使用。PID回路在PLC中的地 址分配情況如表4-8所示。表4-8 PID指令回

27、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) 必須在之間4 給定值（SPn） 實數(shù) 必須在之間8 輸出值（Mn） 實數(shù) 必須在之間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) 必須在之間32 過程變量前值（PVn-1） 實數(shù) 必須在之間1) 回路輸入輸出變量的數(shù)值轉換方法本文中，設定的溫度是給定值SP，需要控制的變量是爐子的溫度。但它不完全是過程變量PV，過程變量PV和PID回路輸出有關。在

28、本文中，經(jīng)過測量的溫度 信號被轉化為標準信號溫度值才是過程變量，所以，這兩個數(shù)不在同一個數(shù)量值，需要他們作比較，那就必須先作一下數(shù)據(jù)轉換。溫度輸入變量的數(shù)10倍據(jù)轉化。 傳感器輸入的電壓信號經(jīng)過EM231轉換后，是一個整數(shù)值，他的值大小是實際溫度的把A/D模擬量單元輸出的整數(shù)值的10倍。但PID指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)必須 是實數(shù)型，所以需要把整數(shù)轉化成實數(shù)。使用指令DTR就可以了。如本設計中，是從AIW0讀入溫度被傳感器轉換后的數(shù)字量。其轉換程序如下:MOVW AIW0, AC1DTR AC1, AC1MOVR AC1, VD1002) 實數(shù)的歸一化處理因為PID中除了采樣時間和PID的三個參數(shù)外，其

29、他幾個參數(shù)都要求輸入或輸出值之間，所以，在執(zhí)行PID指令之前，必須把PV和SP的值作歸一化處理。使它們的值都在之間。歸一化的公式如4.9:（4.9）式中, 標準化的實數(shù)值；未標準化的實數(shù)值;補償值或偏置，單極性為0.0，雙極性為0.5;值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32000.雙極性為6400。本文中采用的是單極性，故轉換公式為:（4.10）因為溫度經(jīng)過檢測和轉換后，得到的值是實際溫度的10倍，所以為了SP值和PV值在同一個數(shù)量值，我們輸入SP值的時候應該是填寫一個是實際溫度10倍的 數(shù)，即想要設定目標控制溫度為100時，需要輸入一個1000。另外一種實現(xiàn)方法就是，在歸一化的時

30、候，值域大小可以縮小10倍，那么，填寫目標溫度的 時候就可以把實際值直接寫進去19。3) 回路輸出變量的數(shù)據(jù)轉換本設計中，利用回路的輸出值來設定下一個周期內(nèi)的加熱時間?；芈返妮敵鲋凳窃谥g，是一個標準化了的實數(shù)，在輸出變量傳送給D/A模擬量單元之前，必須把回路輸出變量轉換成相應的整數(shù)。這一過程是實數(shù)值標準化過程。（4.11）S7-200不提供直接將實數(shù)一步轉化成整數(shù)的指令，必須先將實數(shù)轉化成雙整數(shù)，再將雙整數(shù)轉化成整數(shù)。程序如下：ROUND AC1, AC1DTI AC1, VW344.2.3 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

31、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，應用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應曲線法。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4-12所示。表 4-12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 2060 310 0.53實驗湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。1）整定比例控制將

32、比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。2）整定積分環(huán)節(jié)先將步驟1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調(diào)整比例系數(shù)，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數(shù)。3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)20。根據(jù)反復的試湊，調(diào)出比較好的結果是。第五章 程序設計方案設計思路PLC采用的是的S7-200，CPU是224系列，采用了5個燈來顯示過程的狀態(tài)，分別是運行燈，停止燈，溫度正常燈，溫

33、度過高（警示燈）燈，和加熱 燈，可以通過5個燈的開關狀況判斷加熱爐內(nèi)的大概情況。K型傳感器負責檢測加熱爐中的溫度，把溫度信號轉化成對應的電壓信號，經(jīng)過PLC模數(shù)轉換后進行 PID調(diào)節(jié)。根據(jù)PID輸出值來控制下一個周期內(nèi)（10s）內(nèi)的加熱時間和非加熱時間。在加熱時間內(nèi)使得繼電器接通，那加熱爐就可處于加熱狀態(tài)，反之則停 止加熱21。1) 硬件連線如圖5-1所示。2) I/O點地址分配如表5-2所示。地址 名稱 功能I0.1 啟動按扭 按下開關，設備開始運行I0.2 開關按鈕 按下開關，設備停止運行I0.3 保護按鈕 按下開關，終止加熱 Q0.0 運行燈 燈亮表示設備處于運行狀態(tài)Q0.1 停止燈 燈

34、亮表示設備處于停止狀態(tài)Q0.3 溫度狀態(tài)指示燈（正常 燈亮表示爐溫在正常范圍內(nèi)Q0.4 溫度狀態(tài)指示燈（危險） 燈兩表示爐溫過高，處于危險狀態(tài)Q0.5 固態(tài)繼電器 燈亮表示加熱爐正處于加熱階段3）程序地址分配如表5-3所示。表 5-3 內(nèi)存地址分配地址 說明VD0 用戶設定比例常數(shù)P存放地址VD4 用戶設定積分常數(shù)I存放地址VD8 用戶設定微分常數(shù)D存放地址VD12 目標設定溫度存放地址VD16 系統(tǒng)運行時間秒存放地址VD20 系統(tǒng)運行時間分鐘存放地址VD30 當前實際溫度存放地址VW34 一個周期內(nèi)加熱時間存放地址VW36 一個周期內(nèi)非加熱時間存放地址4） PID指令回路表如表5-4所示。表

35、 5-4 PID指令回路表地址 名稱 說明VD100 過程變量（PVn） 必須在之間VD104 給定值（SPn） 必須在之間VD108 輸出值（Mn） 必須在之間VD112 增益（Kc） 比例常數(shù)，可正可負VD116 采樣時間（Ts） 單位為s，必須是正數(shù)VD120 采樣時間（Ti） 單位為min，必須是正數(shù)VD124 微分時間（Td） 單位為min，必須是正數(shù)VD128 積分項前值（MX） 必須在之間VD132 過程變量前值（PVn-1） 必須在之間5.2 程序流程圖程序流程圖如圖5-5所示，1個主程序，3個子程序。助記符語言表主程序常ON LPS / 將壓棧AR<= VD30, 10

36、5.0 / 如果溫度小于105S Q0.3, 1 / 使保持ONR Q0.4, 1 / 使保持OFFLPP / 彈出AR>= VD30, 105.0 / 如果溫度大于105S Q0.4, 1 / 使保持ONR Q0.3, 1 / 使保持OFFLPSA I0.1 / 按下啟動按扭，啟動系統(tǒng)為保護關開，一般情況下保持ONS M0.1, 1R M0.2, 1LPPA I0.2 / 按下關閉按扭，停止運行R M0.1, 1S M0.2, 1LPSS M0.0, 1R Q0.1, 1 / 使停止指示燈（Q0.1）OFFS Q0.0, 1 / 使運行指示燈（Q0.0）ONLPPS Q0.1, 1 /

37、 使停止指示燈（Q0.1）ONR M0.0, 1R Q0.0, 1 / 使停止指示燈（Q0.0）OFFCALL SBR0 / 調(diào)用子程序0CALL SBR1 / 調(diào)用子程序1LPSTON T50, 100LPPA T50= M0.3 /每10S使中間繼電器為ONCALL SBR2 /每10S調(diào)用一次子程序LPSAN T52 /T51爐子一個周期內(nèi)的加熱時間TON T51, VW34 /T51爐子一個周期內(nèi)的非加熱時間LRDAN T51= Q0.5 /使繼電器（Q0.5）接通，爐子加熱LPPA T51TON T52, VW36子程序0LPSAR<= VD30, 84.0 /如果溫度小于84

38、S I0.4, 1 /使常ONR I0.5, 1 /使常OFFLPPAR>= VD30, 84.0 /如果溫度大于84S I0.5, 1 /使常ONR I0.4, 1 /使常OFFLD M0.0 /常ON繼電器A I0.4 /如果為ON，則執(zhí)行以下程序MOVR 300.0, VD0 /輸入P值300到VD0MOVR 999999.0, VD4 /輸入I值到VD4MOVR 0.0, VD8 /輸入D值到VD8MOVR 100.0, VD12 /輸入設定溫度值到VD12A I0.5 /如果為ON，則執(zhí)行以下程序MOVR 120.0, VD0 /輸入P值到VD0MOVR 3.0, VD4 /輸

39、入I值3.0. 到VD4MOVR 1.0, VD8 /輸入D值到VD8MOVR 100.0, VD12 /輸入設定溫度值到VD12子程序 1MOVR VD12, VD104 /輸入設定溫度值/R 3200.0, VD104 /把設定值歸一化處理MOVR VD0, VD112 /輸入P值到PID回路中MOVR 10.0, VD116 /輸入采樣時間到PID回路中MOVR VD4, VD120 /輸入I值到PID回路中MOVR VD8, VD124 /輸入D值到PID回路中子程序2MOVW AIW0, AC1 /采樣溫度，放于AIW0中DTR AC1, AC1MOVR AC1, VD100/R 3

40、2000.0, VD100 /把采樣值歸一化處理MOVR AC1, VD30/R 10.0, VD30 /把實際溫度值放于VD30中PID VB100, 0 /調(diào)用PID指令+R 10.0, VD16MOVR VD16, VD20 /計時/R 60.0, VD20MOVR VD108, AC1 /控制器輸出* R 100.0, AC1 /把輸出值轉化為下一周期的加熱時間ROUND AC1, AC1DTI AC1, VW34MOVW +100, VW36 /下一周期的非加熱時間- I VW34, VW36第六章 組態(tài)畫面設計組態(tài)軟件概述組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，可為擁護提供快

41、速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件一般英文簡稱有三種，分 別為HMI/MMI/SCADA/.HMI/MMI翻譯為人機接口軟件，SCADA翻譯為監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集軟件。國內(nèi)外的主要產(chǎn)品有wonderware公司的InTouch軟件，Intellution公司的FIX軟件，CIT公司的Citech軟件，Simens公司的Wincc 軟件，亞控公司的組態(tài)王，華富計算機公司的Controx軟件，力控公司的ForceControl軟件和北京昆倉公司的MCGS軟件22。組態(tài)王的介紹組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是眾多組態(tài)軟件里面的一種，組態(tài)王是一個具有豐富功能的HMI/SCADA軟件。

42、可用于工業(yè)自動化的過程控制和管理監(jiān)控。它提供了 集成、靈活、易用的開發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，能夠快速建立、測試和部署自動化應用，來連接、傳遞和記錄實時信息。使用戶可以實時查看和控制工業(yè)生產(chǎn)過程。該 系統(tǒng)是中文界面,具有人機界面友好、結果可視化的優(yōu)點。對用戶而言,操作簡單易學且編程簡單,參數(shù)輸入與修改靈活,具有多次或重復仿真運行的控制能力,可 以實時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實時趨勢曲線,這些很強的交互能力使其在自動控制系統(tǒng)的實驗中可以發(fā)揮理想的效果 23。組態(tài)畫面的建立本論文的組態(tài)軟件采用亞控公司的組態(tài)王版本。組態(tài)軟件提供了可視化監(jiān)控畫面，包括動畫，實時趨勢曲線，歷

43、史趨勢曲線，實時數(shù)據(jù)報表，歷史數(shù)據(jù)報 表，實時報警窗口，歷史報警窗口，配方管理等等的功能。可方便地監(jiān)視系統(tǒng)的運行。并可在在線修改程序參數(shù)，有利于系統(tǒng)的性能發(fā)揮。創(chuàng)建項目雙擊組態(tài)王的快捷方式，出現(xiàn)組態(tài)王的工程管理器窗口，雙擊新建按扭，按照彈出的建立向導，填寫工程名稱。然后打開剛建立的工程。進入組態(tài)畫面的設計,如圖所示。1）新建畫面進入工程管理器后，在畫面右方雙擊“先建”，新建畫面，并設置畫面屬性，如圖所示，包括畫面名稱，注釋，畫面位置，畫面風格，畫面類型和背景顏色 等。如下圖。點擊確定，就會出現(xiàn)，畫面就會自動打開。畫面的工具欄里面，可以選擇工具箱，調(diào)色板，線形等在畫面中顯示，這些在畫圖的時候經(jīng)常

44、需要用上。2）新建變量要實現(xiàn)組態(tài)王對S7-200的在線監(jiān)控，就先必須建立兩者之間的聯(lián)系，那就需要建立兩者間的數(shù)據(jù)變量?；绢愋偷淖兞靠梢苑譃椤皟?nèi)存變量”和I/O變量兩 類。內(nèi)存變量是組態(tài)王內(nèi)部的變量，不跟被監(jiān)控的設備進行交換。而I/O變量是兩者之間互相交換數(shù)據(jù)的橋梁，S7-200和組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換是雙向的，一者 的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，另外一者的數(shù)據(jù)也跟著變化。所以需要在創(chuàng)建連接前新建一些變量，如圖所示。本文中，PLC用內(nèi)存VD30來存放當前的實際溫度值。并規(guī)定溫度超過105為溫度過高，立刻要作出相應警示信號。點擊工程管理器中的“數(shù)據(jù)詞典”再雙擊右邊窗口的新建，在出現(xiàn)的定義變量口中填寫相應的要求項，并

45、可在“報警定義”中設定報警，如圖所示。建立主畫面如圖所示，在該畫面中，仿真實物設備的連接，通過設置開關按扭和關閉按扭來控制系統(tǒng)的啟動和停止。旁邊的指示燈，與對應綠色表示系統(tǒng)在運 行，紅色表示系統(tǒng)停止運行。加熱爐的指示燈是表示加熱爐的加熱狀態(tài)，與對應綠色（亮），表示系統(tǒng)處于加熱狀態(tài)，黑色（暗）表示爐正處于加熱狀態(tài)。 爐子的溫度可以在畫面中顯示出來。建立趨勢曲線畫面實時趨勢曲線可在工具箱中雙擊后在畫面直接獲得。實時趨勢曲線隨時間變化自動卷動，可快速反應變量的新變化，但不能查詢過去的情況，其畫面時間跨度可以通 過動畫連接中“表示定義設置”，一個畫面最多可以設置四條曲線，本文只需要用到兩條曲線，綠色曲

46、線表示設定的溫度，紅色曲線表示當前實際溫度。X方向表示 時間，Y方向表示變量的量程百份比。Y軸上不能直接出現(xiàn)實際的過程值，但可以通過工具箱的文本進行對應的標記，本文中設置了量程是200，故處 的X方向表示100。另外，在畫面中設置了返回按扭，點擊就可以返回到主畫面。如圖所示。歷史趨勢曲線可在圖庫管理器中得到。歷史趨勢曲線可以查詢查詢過去的情況。 歷史趨勢曲線需要事先建立兩個內(nèi)存變量，分表是調(diào)整跨度和舉動百分比。調(diào)整跨度是為了設置畫面跨度的時間。以秒為單位，可以輸入3600，表示跨度為1 個小時。卷動百分比是為了控制一次卷動的時間跨度，最小值是0，最大值是100。歷史趨勢曲線可設置8條曲線，本文

47、只采用了兩條。X表示時間，Y表示百分 比，需要另外標識實際的溫度。另外，畫面中設置了爐溫度的在某段時間內(nèi)的最大值最小值和平均值，時間段可以在畫面中通過按扭選擇。這里需要應用到一個函 數(shù)，HTGetValueAtZone，例如，需要輸出最小值，那么需要輸入函數(shù)HTGetValueAtZone ( 歷史曲線,2, "MinValue" );，如圖所示。建立數(shù)據(jù)報表1）建立實時數(shù)據(jù)報表數(shù)據(jù)報表是反應生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，并對數(shù)據(jù)進行記錄的一種重要形式。數(shù)據(jù)報表有實時數(shù)據(jù)報表和歷史數(shù)據(jù)報表，既能反應系統(tǒng)實時的運行情況，也能監(jiān)測長期的系統(tǒng)運行狀況。在組態(tài)王的工具箱內(nèi)選擇“報表工具”，在數(shù)據(jù)報表畫面