基于PLC的溫度控制閉環(huán)系統(tǒng)方案

1、 PAGE37 / NUMPAGES371 緒論1.1 課題背景隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個(gè)非常重要的過程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制1。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行PID控制,然而單片機(jī)控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,特別是涉與到邏輯控制方面更不是其長(zhǎng)處,然而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。隨著PLC功能的擴(kuò)充在許多PLC控制器中都擴(kuò)充了PID控制功能,因此在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場(chǎng)所中采用PLC控制是

2、較為合理的，通過采用PLC來對(duì)它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測(cè)溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，PLC對(duì)溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問題。這也正是本課題所重點(diǎn)研究的容。1.2 研究的主要容本課題的研究容主要有：溫度的檢測(cè)；采用PLC進(jìn)行恒溫控制；PID算法在PLC中如何實(shí)現(xiàn)；PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響；溫控系統(tǒng)人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)。2 基于PLC的爐溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)控制要求本PLC溫度控制系統(tǒng)的具體指標(biāo)要：對(duì)加熱器加熱溫度調(diào)整圍為0150，溫度控制精度小于3，系統(tǒng)的超調(diào)量須小于15%。軟件設(shè)計(jì)須能進(jìn)行

3、人機(jī)對(duì)話，考慮到本系統(tǒng)控制對(duì)象為電爐，是一個(gè)大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)圍較寬，所以本系統(tǒng)對(duì)過渡過程時(shí)間不予要求。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路根據(jù)系統(tǒng)具體指標(biāo)要求，可以對(duì)每一個(gè)具體部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩部分。系統(tǒng)硬件框圖結(jié)構(gòu)如圖所示:圖2.1系統(tǒng)硬件框圖被控對(duì)象為爐溫度，溫度傳感器檢測(cè)爐的溫度信號(hào)，經(jīng)溫度變送器將溫度值轉(zhuǎn)換成010V的電壓信號(hào)送入PLC模塊。PLC把這個(gè)測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后，發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)調(diào)壓裝置輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電壓，從而實(shí)現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。2.3系統(tǒng)的硬件配置2.3.1 S7-200PLC選型S7-200 系列

4、 PLC 是由德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能夠滿足多種自動(dòng)化控制的需求，其設(shè)計(jì)緊湊，價(jià)格低廉，并且具有良好的可擴(kuò)展性以與強(qiáng)大的指令功能，可代替繼電器在簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合，也可以用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于它具有極強(qiáng)的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用2S7-200系列可以根據(jù)對(duì)象的不同, 可以選用不同的型號(hào)和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上。SiemensS7-200 主要功能模塊介紹：(1)CPU 模塊S7-200的CPU 模塊包括一個(gè)中央處理單元,電源以與數(shù)字I/O 點(diǎn),這些都被集成在一個(gè)緊湊,獨(dú)立的設(shè)備中。CPU 負(fù)責(zé)執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)

5、場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào),輸出部分則輸出控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載.從 CPU 模塊的功能來看, CPU 模塊為CPU22*,它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置CPU 單元：CPU221 它有 6 輸入/4 輸出,I/0 共計(jì) 10 點(diǎn).無擴(kuò)展能力,程序和數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)容量較小,有一定的高速計(jì)數(shù)處理能力,非常適合于少點(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。CPU222 它有8 輸入/6 輸出，I/0 共計(jì) 14 點(diǎn)，和 CPU 221 相比,它可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個(gè)模塊的擴(kuò)展,因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。CPU224 它有 14 輸入/10 輸出，I/0 共計(jì) 24 點(diǎn)，和前兩者相比,存儲(chǔ)容量 擴(kuò)大了一倍,它可以有 7 個(gè)擴(kuò)展

6、模塊,有置時(shí)鐘,它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力,是使用得最多 S7-200 產(chǎn)品。CPU226 它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計(jì) 40 點(diǎn),和 CPU224 相比,增加了 通信口的數(shù)量,通信能力大大增強(qiáng)。它可用于點(diǎn)數(shù)較多,要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。CPU226XM 它在用戶程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量上進(jìn)行了擴(kuò)展,其他指標(biāo)和 CPU226一樣。(2)開關(guān)量 I/O 擴(kuò)展模塊 當(dāng) CPU 的 I/0 點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時(shí),就要進(jìn)行 I/O 擴(kuò) 展,I/O 擴(kuò)展包括 I/O 點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。通常開關(guān)量 I/O 模塊產(chǎn)品 分 3 種類型:輸入模塊,輸出模

7、塊以與輸入/輸出模塊。為了保證 PLC 的工作可 靠性,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術(shù)措施。如光電隔離,輸入保護(hù)(浪 涌吸收器,旁路二極管,限流電阻),高頻濾波,輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。由于 PLC 要控制的對(duì)象有多種,因此輸出模塊也應(yīng)根據(jù)負(fù)載進(jìn)行選擇,有直流輸出模塊, 交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開關(guān)器件種類不同又分為 3 種：繼電 器輸出型,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中,從輸出響應(yīng)速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中；若從 與外部電路安全隔離角度看,繼電器輸出型最好。在實(shí)際使用時(shí)，亦應(yīng)仔細(xì)查看開關(guān)量 I/O 模塊的技術(shù)特性，按照實(shí)際情況

8、進(jìn)行選擇。由于本系統(tǒng)是單回路的反饋系統(tǒng)，CPU224XP相比與其他型號(hào)具有更好的硬件指標(biāo)，其上自帶有模擬量的輸入和輸出通道，因此節(jié)省了元器件的成本，CPU224XP自帶的模擬量I/O規(guī)格如表：表2.1模擬量I/O配置表I/O信號(hào)信號(hào)類型電壓信號(hào)電流信號(hào)模擬量輸入*210V/模擬量輸出010V020mACPU224XP自帶的模擬量輸入通道有2個(gè)，模擬量輸出通道1個(gè)。在S7-200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號(hào)的數(shù)值圍是032000，雙極性模擬信號(hào)的數(shù)值圍是-32000+3200032.3.2 溫度傳感器溫度傳感器有四種主要類型： 熱電偶、 熱敏電阻、 電阻溫度檢測(cè)器(RTD)和 IC 溫度傳感

9、器。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，典型的有銅熱電阻、鉑熱電阻等。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變，通常用PT100來表示。其中PT后的100即表示它在0時(shí)阻值為100歐姆，在100時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。PT100是廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，在-50600圍具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不

10、高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的AD值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值4。常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測(cè)溫電路，一為恒流源式測(cè)溫電路。本設(shè)計(jì)采用的就是三線制接線。由于鉑熱電阻測(cè)出的是溫度變化，需要在將信號(hào)輸入PLC前加一個(gè)溫度變送器，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。本系統(tǒng)采用的溫度變送器是DZ4130，使用過程中要加一個(gè)24V的電源，該電源可以從PLC上直接獲得。2.3.

11、3 調(diào)壓裝置（SSR）由于PLC輸出的信號(hào)是直流信號(hào)，而被控制的加熱器小燈泡是由220伏特交流電供應(yīng)工作的，所以在由PLC接入到小燈泡時(shí)要加入一個(gè)調(diào)壓裝置，本設(shè)計(jì)采用的是一個(gè)可將5伏特的直流電轉(zhuǎn)化為220伏特交流電的反相調(diào)壓器EUV-75A。該調(diào)壓裝置工作時(shí)需要有兩個(gè)工作電源，分別支持交流部分和直流部分工作，交流部分需要220伏特的工作電壓，直流部分需要5伏特的直流電壓。EUV-75A是反相調(diào)壓器，即輸入0伏特對(duì)應(yīng)的輸出是220伏特的輸出，而輸入5伏特對(duì)應(yīng)的是0伏特是輸出。EUV-75A的硬件接線如圖所示：直流部分交流電源和輸出接口輸出接口交流電源圖2.2 EUV-75A硬件接線圖其中直流部分

12、共有5根線，實(shí)際使用的時(shí)候只有其中3根式有用的，一根接5伏特的直流電源，一根為信號(hào)的輸出端，還有一根是電源和輸出信號(hào)的公共接地。EUV-75A的交流部分有3個(gè)端口，對(duì)角線的兩個(gè)端口是接工作電源220伏特的交流電，輸出信號(hào)接剩下的一個(gè)端口和其下方的一個(gè)端口。3 爐溫PID控制算法3.1模擬PID算法簡(jiǎn)介在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)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(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用

13、時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便5。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（P）控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單,最常用的控制方式6。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存

14、在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)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(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或

15、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(shí)，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(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)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(dòng)態(tài)特性。模擬PID控制系統(tǒng)框圖： 圖3.1 PID模擬控制系統(tǒng)框圖PID控制器的微分方程和傳遞函數(shù)形式為:

16、 u（t）=Kpr(t)+1/Ti3.2 PID算法的數(shù)字化處理為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)控制式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計(jì)算輸出值，數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下：Mn =Kc*en +Ki*ex+Mintial+Kd*(en-en-1)輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng) +微分項(xiàng)其中：Mn 在采樣時(shí)刻n，PID回路輸出的計(jì)算值 Kc PID回路增益 en 采樣時(shí)刻n回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的前一個(gè)值 ex 采樣時(shí)刻x的回路偏差值 Ki 積分項(xiàng)的比例常數(shù) Mintial 回路輸出的初始值 Kd 微分項(xiàng)的比例常數(shù)從這個(gè)公式可以看出，積分項(xiàng)是從第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差項(xiàng)

17、的函數(shù)，微分項(xiàng)是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項(xiàng)是當(dāng)前采樣的函數(shù)，在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，不保存所有的誤差項(xiàng)，實(shí)際上也不必要。由于計(jì)算機(jī)從第一次采樣開始，每有一個(gè)偏差采樣值必須計(jì)算一次輸出值，只要保存偏差前值和積分項(xiàng)前值。作為數(shù)字計(jì)算機(jī)解決的重復(fù)性的結(jié)果，可以得到在任何采樣時(shí)刻必須計(jì)算的方程的一個(gè)簡(jiǎn)化算式。簡(jiǎn)化算式是：Mn=Kc*en+Ki*en+MX+Kd*(en-en-1)輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中：Mn 在第n采樣時(shí)刻，PID回路輸出的計(jì)算值 Kc PID回路增益 en 采樣時(shí)刻n回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的起一個(gè)值 Ki 積分項(xiàng)的比例常數(shù) MX 積分項(xiàng)前值 Kd 微分項(xiàng)的比例

18、常數(shù)CPU實(shí)際上使用以上簡(jiǎn)化算式的改進(jìn)形式計(jì)算PID輸出，這個(gè)改進(jìn)型算式是：Mn =MPn +MIn +MDn輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中：Mn 第n采樣時(shí)刻的計(jì)算值 MPn 第n采樣時(shí)刻的比例項(xiàng)值 Min 第n采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)值 MDn 第n采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值比例項(xiàng)MP是增益（Kc）和偏差（e）的乘積。其中Kc決定輸出對(duì)偏差的靈敏度，偏差（e）是給定值（SP）與過程變量值（PV）之差，S7-200解決的求比例項(xiàng)的算式是：MPn=Kc*（SPn-PVn）其中：MPn 第n采樣時(shí)刻比例項(xiàng)的值 Kc 增益 SPn 第n采樣時(shí)刻的給定值 PVn 第n采樣時(shí)刻的過程變量的值積分項(xiàng)值MI與偏差和成正

19、比。S7-200解決的求積分的算式是：MIn=Kc*Ts/Ti*(SPn-PVn)+MX其中：MIn 第n采樣時(shí)刻積分項(xiàng)的值 Kc 增益 Ts 采樣時(shí)間間隔 Ti 積分時(shí)間 SPn 第n采樣時(shí)刻的給定值 PVn 第n采樣時(shí)刻的過程變量的值 MX 第n-1采樣時(shí)刻積分項(xiàng)（積分項(xiàng)前值） 積分和（MX）是所有積分項(xiàng)前值之和，在每次計(jì)算出MIn后，都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被調(diào)整或限制，MX的處置通常在第一次計(jì)算輸出以前被設(shè)為Minitial（初值）。積分項(xiàng)還包括其他幾個(gè)常數(shù)：增益（Kc），采樣時(shí)間（Ts）和積分時(shí)間（Ti）。其中采樣時(shí)間是重新計(jì)算輸出的時(shí)間間隔，而積分時(shí)間控制積分項(xiàng)在整個(gè)

20、輸出結(jié)果中影響的大小。微分項(xiàng)值Md與偏差的變化成正比，S7-200使用下列算式來求解微分項(xiàng)：Mdn=Kc*Td/Ts*(SPn-PVn)-(SPn-1-PVn-1)為了避免給定值變化的微分作用而引起的跳變，假定給定值不變SPn=SPn-1，這樣可以用過程變量的變化替代偏差的變化，計(jì)算算式可改進(jìn)為：Mdn=Kc*Td/Ts*(SPn-PVn-SPn+PVn-1)或Mdn=Kc*Td/Ts*(PVn-1+PVn)其中：Mdn 第n采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值 Kc 回路增益 Ts 回路采樣時(shí)間 Td 微分時(shí)間 SPn 第n采樣時(shí)刻的給定值 SPn-1 第n-1采樣時(shí)刻的給定值 PVn 第n采樣時(shí)刻的過程變量

21、的值 PVn-1 第n-1采樣時(shí)刻的過程變量的值為了下一次計(jì)算微分項(xiàng)值，必須保存過程變量，而不是偏差，在第一采樣時(shí)刻，初始化為PVn-1=PVn。在許多控制系統(tǒng)中，只需要一兩種回路控制類型。例如只需要比例回路或者比例積分回路，通過設(shè)置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類型。如果不想要積分動(dòng)作（PID計(jì)算中沒有“I”），可以吧積分時(shí)間（復(fù)位）置為無窮大“INF”。即使沒有積分作用，積分項(xiàng)還是不為零，因?yàn)橛谐踔礛X。如果不想要微分回路，可以把微分時(shí)間置為零。如果不想要比例回路，但需要積分或積分微分回路，可以把增益設(shè)為0.0，系統(tǒng)會(huì)在計(jì)算積分項(xiàng)和微分項(xiàng)時(shí)，把增益當(dāng)做1.0看待7。4 基于PLC的爐溫控

22、制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 STEP 7 MICRO/WIN32軟件介紹STEP7-Micro/WIN32編程軟件是由西門子公司專為S7-200系列PLC設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用8，例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡(jiǎn)單語法檢查功能。同時(shí)它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯(cuò)誤。梯形圖中的錯(cuò)誤處的下方自動(dòng)加紅色曲線，語句表中錯(cuò)誤行前有紅色叉，且錯(cuò)誤處的下方加紅色曲線。軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以在聯(lián)機(jī)工作方式（在

23、線方式）下進(jìn)行，部分功能的實(shí)現(xiàn)也可以在離線工作方式下進(jìn)行。聯(lián)機(jī)方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與PLC 連接，此時(shí)允許兩者之間做直接通信。離線方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與PLC 斷開連接，此時(shí)能完成大部分基本功能。如編程、編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等，但所有的程序和參數(shù)都只能存放在計(jì)算機(jī)上9。兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機(jī)方式下可直接針對(duì)相連的PLC進(jìn)行操作，如上載和下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等；而離線方式下不直接與PLC 聯(lián)系，所有程序和參數(shù)都暫時(shí)存放在磁盤上，等聯(lián)機(jī)后在下載到PLC 中。輸入輸出點(diǎn)配置表4.1程序使用輸入輸出點(diǎn)配置符號(hào)地址注釋運(yùn)行M0.00運(yùn)行 1 停止輸出歸一VD90001手自動(dòng)M0.30手動(dòng)1自

24、動(dòng)手動(dòng)輸出VD70001實(shí)際溫度VD550度設(shè)定溫度VD650度模擬輸出AQW0160000PID輸出VW800VW8004.3 系統(tǒng)流程圖鉑電阻Pt100溫度變送器模數(shù)轉(zhuǎn)換與設(shè)定值比較PID算法數(shù)模轉(zhuǎn)換直流轉(zhuǎn)換為交流燈泡圖4.1系統(tǒng)流程圖4.4 系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)4.4.1 爐溫實(shí)際溫度的檢測(cè)圖4.2將采集采集實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換為PLC計(jì)算數(shù)值的程序爐溫實(shí)際溫度的檢測(cè)是要將溫度量轉(zhuǎn)化為PLC可識(shí)別的量，所以，將溫度變送器輸出的值先由16位的整型轉(zhuǎn)化為32位的雙整型，再由雙整型轉(zhuǎn)化為實(shí)型，實(shí)型小數(shù)點(diǎn)后可有6位，故比較精確。由于鉑電阻的最大量程為150攝氏度，PLC模擬輸入輸出最大位為32000，為將測(cè)得的

25、溫度值與PLC中計(jì)算值相對(duì)應(yīng)，故將送入PLC中的溫度值先除以32000再乘以150，此時(shí)得到測(cè)得溫度值在PLC中計(jì)算所對(duì)應(yīng)的數(shù)，將該數(shù)送入變量寄存器VD550。4.4.2 PID算法在S7-200中的實(shí)現(xiàn)S7-200的編程軟件Micro/WIN提供了 HYPERLINK mk:MSITStore:C:UsersvistaDesktop考試畢業(yè)設(shè)計(jì)Micro%20n%20Power.chm:/s7-200/programming/wizard/pid_wizard/pid_wiz.htm PID指令向?qū)?，PID控制程序可以通過指令向?qū)ё詣?dòng)生成10。除此之外，PID指令也同時(shí)會(huì)被自動(dòng)調(diào)用。首先選擇

26、運(yùn)用PID算法的回路，本系統(tǒng)就一個(gè)回路，故選擇回路0：圖4.3回路選擇界面第二步給回路參數(shù)定值，本系統(tǒng)采用的鉑電阻的測(cè)量圍是0150度，故給定圍的低限和高限分別為0和150；回路的參數(shù)可以先不設(shè)定，因?yàn)樾碌腟7-200 CPU支持PID自整定功能圖4.4回路給定值圍和參數(shù)配置界面第三步設(shè)置回路輸入輸出項(xiàng)，輸入和輸出量都是單級(jí)性的模擬量，因?yàn)镾7200的單極性模擬量輸入輸出信號(hào)的數(shù)值圍是03200011，所以輸入項(xiàng)的量程為032000，由于輸出時(shí)通過的變相器的量程只有輸入時(shí)的一半，故輸出的量程設(shè)置為016000圖4.5回路輸入輸出參數(shù)性質(zhì)配置界面第四步是給該子程序命名和添加手動(dòng)控制圖4.6子程序

27、命名和選擇手動(dòng)控制界面這步完成以后PID向?qū)Ь蛶臀覀兺瓿闪薖ID算法子程序的設(shè)計(jì)。然后在程序中調(diào)用向?qū)傻腜ID子程序（如下圖）圖4.7生成子程序圖圖4.8 PID子程序圖4.4.3 輸出控制量的處理圖4.9輸出控制程序圖經(jīng)PID控制過后的輸出量和輸入一樣，同樣要其由整型轉(zhuǎn)化為實(shí)型，但由于本系統(tǒng)的電壓變送器采用的是5伏的反相模塊，所以對(duì)應(yīng)的最大值變?yōu)?6000。雖然鉑電阻的測(cè)溫圍是在0到150攝氏度之間，所以本系統(tǒng)只對(duì)0至150攝氏度之間的溫度做顯示， 當(dāng)輸出值大于16000時(shí)，說明溫度高于150攝氏度，考慮到反相調(diào)壓模塊，輸出值設(shè)為0；當(dāng)輸出值小于0時(shí)說明溫度低于0攝氏度，同樣要考慮到反相

28、調(diào)壓模塊，輸出要設(shè)為16000；當(dāng)輸出在0至150攝氏度之間時(shí)，輸出值應(yīng)當(dāng)設(shè)定為16000減去當(dāng)前值才可適應(yīng)于反相調(diào)壓模塊。將輸出值要送至模擬輸出端AW0。當(dāng)開關(guān)M0.0斷開時(shí)，會(huì)有一個(gè)脈沖下降沿，故當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)同樣要考慮反相調(diào)壓模塊，要將16000送至輸出端。4.5 系統(tǒng)程序調(diào)試在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，要得到精確的控制精度，最關(guān)鍵的問題就是PID控制器三參數(shù)（比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間）的整定。整定的好壞不但會(huì)影響到控制質(zhì)量，而且還會(huì)影響到控制器的魯棒性12。為此，需要根據(jù)該控制對(duì)象的特性確定準(zhǔn)確的PID參數(shù)。由于西門子S7-200的V4.0版的編程軟件STEP7-Micro/WIN提供了PID

29、參數(shù)自整定功能。V4.0版的編程軟件STEP7-Micro/WIN增加了PID整定控制面板。這兩項(xiàng)功能相結(jié)合,使用戶能輕松地實(shí)現(xiàn)PID的參數(shù)自整定,同時(shí)可以對(duì)最多8個(gè)回路進(jìn)行自整定。自整定能提供一組近似最優(yōu)的整定參數(shù)。西門子S7-200的PID參數(shù)自整定屬于基于規(guī)則的自整定,此方法對(duì)模型要求較少,借助于控制器輸出和過程輸出變量的觀測(cè)值來表征動(dòng)態(tài)特性,具有易執(zhí)行且魯棒性較強(qiáng)的特點(diǎn),這種自整定法能綜合采用專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整定。但這類方法的理論基礎(chǔ)較弱,需要豐富的控制知識(shí),其性能的優(yōu)劣取決于開發(fā)者對(duì)控制回路參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)以與對(duì)反饋控制理論的理解程度。S7-200使用的自整定算法為Astrom和Haggl

30、un提出的繼電型PID自整定控制法,它用繼電特性的非線性環(huán)節(jié)代替ZN法(Ziegler-Nichols)中的純比例控制器,使系統(tǒng)出現(xiàn)極限環(huán),從而獲取所需要的臨界值?；诶^電反饋的自動(dòng)整定法避免了ZN法整定時(shí)間長(zhǎng)、臨界穩(wěn)定等問題,且保留其簡(jiǎn)單性,目前已成為PID自動(dòng)整定方法中應(yīng)用最多的一種。其基本思想是在控制系統(tǒng)中設(shè)置兩種模態(tài):測(cè)試模態(tài)和調(diào)節(jié)模態(tài)。在測(cè)試模態(tài)下,由一個(gè)繼電非線性環(huán)節(jié)來測(cè)試系統(tǒng)的振蕩頻率和增益,而在調(diào)節(jié)模態(tài)下,由系統(tǒng)的特征參數(shù)首先得到PID控制器,然后由此控制器對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化,則需要重新進(jìn)入測(cè)試模態(tài)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試完畢之后再回到調(diào)節(jié)模態(tài)進(jìn)行控制。要確

31、定系統(tǒng)的振蕩頻率c與Kc增益,比較常用的是描述函數(shù)方法,根據(jù)非線性環(huán)節(jié)輸入與輸出信號(hào)之間的基波分量關(guān)系來進(jìn)行近似分析。4.5.1 S7-200PLC的PID參數(shù)整定過程西門子S7-200的PID參數(shù)自整定可由PID整定控制面板來實(shí)現(xiàn)，如下圖：圖4.10 PID調(diào)節(jié)面板界面第一步： HYPERLINK mk:MSITStore:C:UsersvistaDesktop考試畢業(yè)設(shè)計(jì)Micro%20n%20Power.chm:/s7-200/programming/wizard/pid_wizard/pid_wiz.htm 在PID Wizard (向?qū)В┲型瓿蒔ID功能配置第二步：打開PID調(diào)節(jié)控制

32、面板，設(shè)置PID回路調(diào)節(jié)參數(shù)在Micro/WIN V4.0在線的情況下，進(jìn)入PID調(diào)節(jié)控制面板中，如果面板沒有被激活（所有地方都是灰色），可點(diǎn)擊配置按鈕運(yùn)行CPU。在PID調(diào)節(jié)面板的當(dāng)前PID區(qū)選擇要調(diào)節(jié)的PID回路號(hào)，在調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)選擇手動(dòng)，調(diào)節(jié)PID參數(shù)并點(diǎn)擊更新，使新參數(shù)值起作用，監(jiān)視其趨勢(shì)圖，根據(jù)調(diào)節(jié)狀況改變PID參數(shù)直至調(diào)節(jié)穩(wěn)定。第三步：在調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)點(diǎn)擊高級(jí)按鈕，設(shè)定PID自整定選項(xiàng)。如果不是很特殊的系統(tǒng)，也可以不加理會(huì)。圖4.11 高級(jí)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)界面第四步：在手動(dòng)將PID調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)后，即過程值與設(shè)定值接近，且輸出沒有不規(guī)律的變化，并最好處于控制圍中心附近。此時(shí)可點(diǎn)擊調(diào)整參

33、數(shù)區(qū)的開始自動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕啟動(dòng)PID自整定功能，這時(shí)按鈕變?yōu)橥Ｖ棺詣?dòng)調(diào)節(jié)。這時(shí)只需耐心等待，系統(tǒng)完成自整定后會(huì)自動(dòng)將計(jì)算出的PID參數(shù)顯示在d.區(qū)。當(dāng)按鈕再次變?yōu)殚_始自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，表示系統(tǒng)已經(jīng)完成了PID自整定（要使用自整定功能，必須保證PID回路處于自動(dòng)模式。開始自整定后，給定值不能再改變）。第五步：如果用戶想將PID自整定的參數(shù)應(yīng)用到當(dāng)前PLC中，則只需點(diǎn)擊更新PLC。 根據(jù)上述操作，參數(shù)調(diào)整結(jié)果如下：表4.2 PID參數(shù)表參數(shù)結(jié)果Kp28.45Ti2.90Td0.004.5.2 PLC爐溫控制系統(tǒng)的調(diào)試當(dāng)PID參數(shù)整定完成后，系統(tǒng)便可以實(shí)現(xiàn)溫度的控制，通過STEP7-Micro/WIN32軟件

34、可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行監(jiān)控。第一步：連接硬件并設(shè)置通信端口，將PLC與計(jì)算機(jī)通信口連接，PLC的通信端口是RS485端口，而計(jì)算機(jī)的通信端口是RS232端口，所以連接的時(shí)候要使用變送電纜。當(dāng)硬件連接完畢后在軟件上設(shè)置通信，單擊通信，設(shè)置PG/PC借口，然后雙擊刷新，完成后確定即可；第二步：下載程序，單擊工具欄中的下載按鈕即可；第三步：實(shí)施監(jiān)控和調(diào)試，單擊工具欄的監(jiān)控，此時(shí)計(jì)算機(jī)中顯示PLC的運(yùn)行狀態(tài)，顯示屏幕上被點(diǎn)亮的原件表示接通狀態(tài)。程序中設(shè)定值的變量存儲(chǔ)器是VD650，可以對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)強(qiáng)制更新13，此時(shí)PID輸出的控制值（VD800）也應(yīng)該改變以減小設(shè)定值和當(dāng)前值的差值，輸出的溫度值（AQW0）也會(huì)

35、隨之改變。5 基于MT500 系列觸摸屏的監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)5.1 MT500系列觸摸屏概述MT500系列觸摸屏是專門面向PLC應(yīng)用的，它不同于一些簡(jiǎn)單的儀表式或其它的一些簡(jiǎn)單的控制PLC的設(shè)備，其功能非常強(qiáng)大，使用非常方便，非常適合現(xiàn)代工業(yè)越來越龐大的工作量與功能的需求。日益成為現(xiàn)代工業(yè)必不可少的設(shè)備之一14。MT500系列人機(jī)除了擁有一般的人機(jī)所擁有的功能外，還提供了許多如下特有的功能：1.可以同時(shí)開啟6個(gè)彈出窗口；2.可以擁有和WINDOWS系列操作系統(tǒng)一樣的任務(wù)欄和快選窗口工作按鈕；3.方便快捷的主從連接方式使多臺(tái)觸摸屏的互連通信簡(jiǎn)單易行，穩(wěn)定可靠而又效率出眾；4.可在彈出窗口中放置窗口控

36、制功能鍵，使彈出窗口可以最小(大)化，與任意移動(dòng)窗口；5.新增留言板功能，可更改筆的粗細(xì)，顏色，并可使用橡皮擦功能等。 用該軟件設(shè)計(jì)出的人機(jī)觸摸屏界面應(yīng)滿足能迅速獲取、處理應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)、命令，并且以適當(dāng)?shù)男问斤@示出來15。5.2 觸摸屏編程軟件Eview簡(jiǎn)介WeinView MT500系列人機(jī)界面的組態(tài)工具EasyBuilder500軟件操作容易而功能強(qiáng)大，Easy Manager是整套WeinView500軟件的系統(tǒng)綜合軟件，整個(gè)WeinView500系統(tǒng)共包含3個(gè)模塊：EasyLoadUpload(上傳)和Download(下載)、EasyWindow(在線模擬和離線模擬)與E

37、asybuilder。Easybuilder是組態(tài)軟件，用來配置各種元件，一般簡(jiǎn)稱EB500。在Easybuilder中也可以下載與在線(或離線)模擬，但是它是通過EasyManager來調(diào)用其它2個(gè)模塊的方式來實(shí)現(xiàn)的。5.3 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)流程圖建立一個(gè)新工程畫上所需要的按鈕和要顯示的內(nèi)容對(duì)應(yīng)于PLC上的參數(shù)將各按鈕進(jìn)行設(shè)定編譯下載到觸摸屏上圖5.1監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)流程圖5.4 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)第一步：創(chuàng)建一個(gè)新的工程并設(shè)定參數(shù)1) 安裝好EB500軟件后,在開始中選擇程序/EasyBuilder/EasyBuilder 500.圖5.2選擇EasyBuilder 500界面2) 這時(shí)如果是第一次進(jìn)入

38、系統(tǒng)或者上次進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)最后一次打開的是一個(gè)空白的工程,將彈出如下對(duì)話框:圖5.3觸摸屏選擇界面選擇MT506T/C/M320*234,按下確認(rèn)即可。3)接下來選擇菜單編輯/系統(tǒng)參數(shù),彈出系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框,如圖所示圖5.4系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面我們選擇PLC的類型為SIEMENS S7/200, 人機(jī)類型選擇相應(yīng)的觸摸屏類型.其它設(shè)置如上圖所示.第二步：添加元件1) 選擇菜單元件/位狀態(tài)切換開關(guān)或者按下圖標(biāo).這時(shí)將彈出位狀態(tài)切換開關(guān)屬性對(duì)話框如下圖所示：圖5.5開關(guān)元件設(shè)置界面依次放2個(gè)位切換開關(guān)：運(yùn)行，手動(dòng)；其中參數(shù)如下表：表5.1開關(guān)參數(shù)配置表開關(guān)讀取地址輸出地址屬性（開關(guān)類型）運(yùn)行M0.0M0

39、.0切換開關(guān)手動(dòng)M0.0.M0.3切換開關(guān)2）切換到圖形頁,選中使用位圖復(fù)選框,并按下位圖庫按鈕圖5.6開關(guān)元件位狀態(tài)圖形選擇界面3）這時(shí)將彈出位圖庫對(duì)話框,，在圖庫中選擇所需要的圖標(biāo)，如下圖：圖5.7位圖庫然后將返回到圖形選擇對(duì)話框,按下確定在屏幕上按下鼠標(biāo)左鍵,把元件放置如下所示：圖5.8開關(guān)放置后的觸摸屏圖4）功能元件和文本文件的放置和切換開關(guān)元件的放置一樣,其對(duì)應(yīng)的屬性如下表：表5.2文本元件和功能元件配置表文本文件后顯示元件元件讀取地址字?jǐn)?shù)顯示數(shù)值（X）Kp數(shù)值顯示元件VW10122單精度浮點(diǎn)0.0X200.0Ti數(shù)值顯示元件VW10202單精度浮點(diǎn)0.0X200.0Td數(shù)值顯示元件

40、VW10242單精度浮點(diǎn)0.0X200.0當(dāng)前溫度數(shù)值顯示元件VW5502單精度浮點(diǎn)0.0X200.0設(shè)定溫度數(shù)值輸入元件VW6502單精度浮點(diǎn)0.0X200.0燈泡電壓數(shù)值輸入元件VW8502單精度浮點(diǎn)0.0X200.0功能鍵元件的功能屬性是：切換窗口；切換的窗口的編號(hào)為11。最后觸摸屏窗口顯示應(yīng)如下：圖5.9觸摸屏窗口顯示圖新建窗口11以顯示溫度變化速度曲線，窗口上的按鈕參數(shù)和最終結(jié)果如下圖表所示：表5.3文本元件和功能元件配置元件讀取地址字?jǐn)?shù)顯示趨勢(shì)圖(TD_0)VW550/設(shè)定后的元件（ND_0）VW6502單精度浮點(diǎn)實(shí)際后的元件（ND_1）VW5502單精度浮點(diǎn)圖5.10實(shí)時(shí)曲線顯示

41、圖功能元件（返回主頁）的作用是：切換回窗口10第三步：保存、編譯并下載1)選擇菜單文件/保存,接著選擇菜單工具/編譯.這時(shí)將彈出編譯工程對(duì)話框,按下編譯按鈕,編譯完畢后關(guān)閉編譯對(duì)話框圖5.11編譯界面2) 選擇菜單工具/下載,如圖所示：圖5.12觸摸屏下載程序界面下載完畢,把觸摸屏重新復(fù)位,這時(shí)將可以在觸摸屏上通過手指來觸控PLC的運(yùn)行并可以監(jiān)控系統(tǒng)的溫度變化。5.6 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試將PLC與計(jì)算機(jī)，觸摸屏聯(lián)機(jī)調(diào)試，PLC接計(jì)算機(jī)的COM1口，觸摸屏接計(jì)算機(jī)的COM4口，PLC與觸摸屏通過RS-485端口連接。第一步：讓PLC處于RUN狀態(tài)（可以通過計(jì)算機(jī)或者撥動(dòng)硬件上的開關(guān)）；第二步：在觸摸屏上按運(yùn)行按鈕，讓系統(tǒng)運(yùn)行；第三步：在觸摸屏上按自動(dòng)按鈕，此時(shí)觸摸屏上的設(shè)定值為當(dāng)前溫度的實(shí)際值；第四步：通過觸摸屏改變?cè)O(shè)定值，輸入想要讓電爐溫度達(dá)到的值；第五步：在計(jì)算機(jī)上的STEP7-Micro/WIN32軟件上監(jiān)控，并調(diào)出PID自整定面板，開始自動(dòng)調(diào)節(jié)，到調(diào)節(jié)完成后，小燈泡將根據(jù)輸出的電壓發(fā)出相應(yīng)的亮度來給電爐加熱。第六步：在觸摸屏上按速度曲線按鈕，觸摸屏可顯示當(dāng)前溫度變化的趨勢(shì)，電壓調(diào)節(jié)的趨勢(shì)和溫度的設(shè)定值。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)曲線監(jiān)