基于組態(tài)軟件的自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要隨著我國工業(yè)不斷發(fā)展進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化水平也不斷提高，談及工作與自動(dòng)化，我們必須談到工程控制計(jì)算機(jī)，在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)過程中，自動(dòng)化設(shè)備的控制離不開工控機(jī)，而在工控機(jī)眾多的類別中，可編程控制器（PLC）的安全性和可靠性都比較好，應(yīng)用范圍也非常廣泛。電加熱鍋爐在各行各業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，電加熱鍋爐控制系統(tǒng)性能的優(yōu)良程度決定了企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)劣。目前，世界上大多數(shù)的電加熱鍋爐控制系統(tǒng)通常采用微型處理器作為系統(tǒng)的核心，這不僅可以增強(qiáng)了電加熱鍋爐控制系統(tǒng)的智能化程度，而且可以提高整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果和精度。本文將針對電加熱爐自動(dòng)化溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及組態(tài)情況進(jìn)行分析。整個(gè)控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、較高的可靠性、短暫的響應(yīng)時(shí)間以及優(yōu)異的控制精度等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)在工業(yè)控制具有十分重要的意義。關(guān)鍵詞：鍋爐溫度控制系統(tǒng)串級控制組態(tài)王PIDPLC第1章緒論1.1課題背景電加熱鍋爐在各行各業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，電加熱鍋爐控制系統(tǒng)性能的優(yōu)良程度決定了企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)劣。目前，世界上大多數(shù)的電加熱鍋爐控制系統(tǒng)通常采用微型處理器作為系統(tǒng)的核心，這不僅可以增強(qiáng)了電加熱鍋爐控制系統(tǒng)的智能化程度，而且可以提高整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果和精度。PLC在上世紀(jì)八十至九十年代中期得到了快速的發(fā)展，在這段時(shí)期中，PLC在處理數(shù)模轉(zhuǎn)換、人機(jī)交互和通信的能力上也同時(shí)得到大幅度的改善，PLC在工控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。PLC的可靠性好、抗干擾能力佳、靈活性強(qiáng)、易于安裝維護(hù)和調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)使得它在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。電熱鍋爐是通過加熱水，產(chǎn)生熱水、蒸汽或壓力提供生產(chǎn)生活的一種熱力設(shè)備。電熱鍋爐具有清潔，基本沒有噪聲，占空間少，持續(xù)供能，自動(dòng)化程度好等優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)生活中可靠的供暖設(shè)備。隨著人們對環(huán)境的訴求越來越高，電熱鍋爐這種清潔設(shè)備的使用逐漸受到人們的重視。目前電熱鍋爐多應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)功供能或民用生活用水中范圍，提供熱水或供暖[2]。1.2論文的結(jié)構(gòu)安排本文主要介紹了電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)。包括系統(tǒng)硬件選型、PLC程序設(shè)計(jì)、組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)對電加熱爐溫度的自動(dòng)控制。第一章：介紹課題背景。包括論文的結(jié)構(gòu)安排。第二章：主要對溫度控制的上位機(jī)組態(tài)軟件和下位機(jī)PLC兩大重要部分進(jìn)行簡單介紹。第三章：對本文的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)闡述。包括硬件選型、方案設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)和PLC軟件設(shè)計(jì)等。第四章：介紹組態(tài)畫面的繪制和溫度控制系統(tǒng)的調(diào)試。包括上位機(jī)和下位機(jī)的通信、設(shè)備連接和整定控制參數(shù)。第五章：對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)。第2章PLC和組態(tài)軟件2.1可編程控制器2.1.1可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展世界上第一臺新型控制器PLC最先是由美國的一家公司研制出，它的型號為PDP-14，人們把它稱為可編程序邏輯控制器，在樣機(jī)成功通過實(shí)踐生產(chǎn)后，PLC開始廣泛應(yīng)用于各種開關(guān)邏輯應(yīng)用領(lǐng)域，并在東西方發(fā)達(dá)國家普及。我國在上世紀(jì)八十年代末才發(fā)展了PLC技術(shù)，這比其他國家晚了許多。由于電子科技的推動(dòng)，可編程控制器在二十世紀(jì)七十年代采用微型處理器技術(shù)使控制功能進(jìn)一步加強(qiáng)。進(jìn)入八十年代，以位處理器為核心的現(xiàn)有PLC的結(jié)構(gòu)形式得以迅速發(fā)展和推廣。直至今日，PLC已發(fā)展到高性能與網(wǎng)絡(luò)化階段，CPU運(yùn)行速度與位數(shù)不斷提高，體積越來越小，可靠性提高，成本下降。為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，PLC生產(chǎn)廠商開發(fā)了適應(yīng)于過程控制和運(yùn)動(dòng)控制的特殊功能與模塊，其應(yīng)用場合拓展到整個(gè)自動(dòng)控制領(lǐng)域。2.1.2可編程控制器的組成和工作原理可編程控制器的硬件配置構(gòu)成包含：CPU一部分、儲存器一部分、鍵入\輸出插口一部分及其別的插口和開關(guān)電源一部分。1.中央處理器（CPU）CPU是PLC中最重要的元器件，它是控制板的計(jì)算和監(jiān)測中心，它的每日任務(wù)主要是承擔(dān)進(jìn)行或運(yùn)算、數(shù)字運(yùn)算及其融洽自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)一部分的一切正常工作中。CPU一般由運(yùn)算器、控制板、和存儲器等構(gòu)成，根據(jù)系統(tǒng)總線與外部設(shè)備或儲存器聯(lián)接[7]。2.輸入\輸出模塊PLC的鍵入\輸出插口也稱作系統(tǒng)軟件的I\O控制模塊，它是PLC與工業(yè)自動(dòng)化當(dāng)場聯(lián)接的重要一部分。在生產(chǎn)過程中，工業(yè)自動(dòng)化當(dāng)場的I/O數(shù)據(jù)信號關(guān)鍵包含兩大類數(shù)據(jù)信號，即模擬信號和脈沖信號。因此，I\O插口也是有數(shù)據(jù)I\O口和仿真模擬I\O插口，前面一種稱之為DI\DO，即開關(guān)量鍵入\輸出，后面一種稱之為AI\AO，即模擬量輸入鍵入\輸出。鍵入插口的功效是將工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)場的各式各樣的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為cpu可以鑒別和解決的電子信號，假如系統(tǒng)軟件中的鍵入數(shù)據(jù)信號是脈沖信號，則必須開展A\D變換，隨后變?yōu)閿?shù)據(jù)量，最終再贈(zèng)給PLC開展解決。普遍的仿真模擬有電流量數(shù)據(jù)信號和工作電壓數(shù)據(jù)信號。除開通用性的I\O控制模塊，也有一些獨(dú)特的鍵入plc模塊，I\O控制模塊總數(shù)多受CPU的解決工作能力限定。3.存儲器系統(tǒng)軟件中干固的程序流程、客戶撰寫的程序流程及其運(yùn)作全過程中造成的數(shù)據(jù)信息都儲放在這個(gè)儲存器中，它由括系統(tǒng)軟件程序存儲器和客戶程序存儲器兩一部分構(gòu)成。一般狀況下，系統(tǒng)軟件程序存儲器用以儲放生產(chǎn)廠商所撰寫的系統(tǒng)軟件程序流程，此一部分程序流程一般在原廠時(shí)干固在PROM或EPRM中使用人不能瀏覽該一部分程序流程[8]?？蛻舫绦虼鎯ζ饔靡詢Ψ趴蛻糇珜懙某绦蛄鞒蹋娜莘e尺寸立即限定了可執(zhí)行程序的尺寸和復(fù)雜性，另外也限定了PLC的特性，因而客戶程序存儲器一部分才算是決策PLC特性的重要。4.其他接口PLC的別的插口一般包含下列幾類：擴(kuò)展插口、通信協(xié)議、開發(fā)板插口及其儲存插口等。（1）I\O擴(kuò)展插口:：I\O擴(kuò)展插口關(guān)鍵擴(kuò)展I\O端口數(shù)，當(dāng)PLC必須聯(lián)接擴(kuò)展控制模塊時(shí)，PLC根據(jù)I\O擴(kuò)展端口號與擴(kuò)展控制模塊相連。PLC的擴(kuò)展工作能力關(guān)鍵受尋址方式工作能力和驅(qū)動(dòng)器工作能力的限定；（2）通信協(xié)議：PLC有各種各樣通信協(xié)議，如USB，RS-232C，RS-485等。插口能夠根據(jù)常見的通訊聯(lián)線與別的機(jī)器設(shè)備或操縱端聯(lián)接，完成資源共享，數(shù)據(jù)傳輸；（3）開發(fā)板插口：PLC一般不內(nèi)置開發(fā)板，因此PLC要根據(jù)開發(fā)板插口與開發(fā)板聯(lián)接完成對本身的程序編寫和監(jiān)管；（4）儲存器插口：此插口專為操縱儲存區(qū)而存有，根據(jù)它能夠依據(jù)必須擴(kuò)展儲存器；（5）別的外圍設(shè)備插口：是PLC開展人機(jī)對戰(zhàn)友善互動(dòng)交流，設(shè)備與設(shè)備溝通交流的安全通道。5.電源PLC的開關(guān)電源是將外界出示的交流電流轉(zhuǎn)化成各控制模塊集成電路芯片需要的工作中開關(guān)電源。不一樣類型的可編程控制器供電系統(tǒng)方法不一樣，不僅有直流電供電系統(tǒng)也是有溝通交流供電系統(tǒng)[9]?？删幊炭刂破鞯脑恚篜LC運(yùn)作可執(zhí)行程序時(shí)從0號儲存詳細(xì)地址儲存的第一個(gè)程序流程逐漸按詳細(xì)地址號增長的順序逐一逐一程序執(zhí)行，并不斷循環(huán)系統(tǒng)反復(fù)，直至關(guān)機(jī)或終止運(yùn)行狀態(tài)。這類工作方式稱之為PLC的掃描儀工作方式，掃描儀完一次程序流程稱為一次掃描儀周期時(shí)間。PLC的掃描儀工作方式關(guān)鍵有三個(gè)環(huán)節(jié)：鍵入掃描儀、程序運(yùn)行、輸出更新。2.2組態(tài)軟件2.2.1組態(tài)的含義組態(tài)軟件有配備、拼裝、設(shè)定等含意，還可以稱為每個(gè)控制模塊的隨意組成。在手機(jī)軟件范疇中，指的是工程項(xiàng)目專業(yè)技術(shù)人員依據(jù)運(yùn)用目標(biāo)和操縱的整體規(guī)定配備系統(tǒng)軟件的全過程，根據(jù)工具軟件對電子計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)軟件的各種各樣資源開展有針對性的設(shè)定，用以能轉(zhuǎn)化成特殊的操縱或程序流程，達(dá)到作業(yè)者的要求。組態(tài)簡單地說便是工業(yè)觸摸屏\數(shù)據(jù)信息采集工具，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，根據(jù)對組態(tài)非程序編寫式的實(shí)際操作，關(guān)鍵有界面搭建、基本參數(shù)、動(dòng)漫聯(lián)接等使構(gòu)建的全部系統(tǒng)軟件具備特殊的作用。組態(tài)也出示了程序編寫系統(tǒng)軟件讓客戶應(yīng)用普遍的計(jì)算機(jī)語言系統(tǒng)對開展更健全的配備，如類SASIC語言表達(dá)、VB、C#等。工業(yè)控制系統(tǒng)行業(yè)海外常見的組態(tài)有FIX/iFIX、InTouch、ZENON等。國內(nèi)的組態(tài)關(guān)鍵有組態(tài)王、MCGS、Synall2000、ControX2000、ForceControl等。本課題研究根據(jù)組態(tài)王來搭建組態(tài)軟件。2.2.2組態(tài)王的功能與特點(diǎn)組態(tài)王普遍的幾層面作用有：（1）強(qiáng)勁的桌面顯示組態(tài)軟件作用。工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)大部分是在Windows自然環(huán)境下運(yùn)作，工程項(xiàng)目專業(yè)技術(shù)人員能夠靈活運(yùn)用微軟公司生產(chǎn)廠家所出示的個(gè)性化頁面[11]，立即在圖型數(shù)據(jù)可視化情況下開展控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，組態(tài)出示了多種多樣圖型控制、數(shù)據(jù)分析表，協(xié)助客戶依據(jù)要求搭建令人滿意的工業(yè)生產(chǎn)頁面，并能夠隨便編寫，節(jié)約了開發(fā)者的時(shí)間；（2）優(yōu)良的開放式。開放式一般就是指組態(tài)能夠開展解決不一樣通訊協(xié)議的工作能力，而且可以與多種多樣操縱設(shè)備連接通訊，并且它適用多種多樣硬件配置機(jī)器設(shè)備中間開展數(shù)據(jù)信息互相溝通交流，開放式是點(diǎn)評組態(tài)作用整體性的關(guān)鍵主要參數(shù)；（3）豐富多彩的程序模塊。組態(tài)大多數(shù)能出示各種各樣程序模塊來完成實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，造成表格和曲線圖，使系統(tǒng)軟件具備非常好的人機(jī)對戰(zhàn)互動(dòng)交流頁面[11]；（4）強(qiáng)勁的數(shù)據(jù)庫查詢。組態(tài)王手機(jī)軟件可以完成系統(tǒng)對運(yùn)作全過程中造成的多種多樣基本數(shù)據(jù)類型開展儲存作用；（5）強(qiáng)勁的模擬仿真作用和安全性保密措施。2.3.3組態(tài)王進(jìn)行仿真的基本方法（1）設(shè)計(jì)方案用戶界面：依據(jù)要求設(shè)計(jì)方案抽象性的界面仿真模擬工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)場和運(yùn)作的機(jī)器設(shè)備；（2）創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫：創(chuàng)建實(shí)際的數(shù)據(jù)信息自變量來意味著系統(tǒng)軟件的操縱目標(biāo)；（3）創(chuàng)建動(dòng)漫聯(lián)接：使創(chuàng)建好的界面中的圖型能時(shí)況仿真模擬工業(yè)自動(dòng)化當(dāng)場機(jī)器設(shè)備的運(yùn)作，還可以根據(jù)程序編寫來控制系統(tǒng)；（4）運(yùn)作和調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)系統(tǒng)軟件以做到令人滿意實(shí)際效果。第3章溫度控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)3.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和步驟3.1.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原則1.充分利用PLC滿足控制要求；2.盡量使系統(tǒng)簡潔、經(jīng)濟(jì)、便于維護(hù)；3.考慮工業(yè)現(xiàn)實(shí)發(fā)展需要，為系統(tǒng)留有余量，以便系統(tǒng)擴(kuò)充升級。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟流程圖如圖3-1所示：圖3-1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟流程圖3.1.2PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的一般步驟1.畫出控制系統(tǒng)功能圖2.設(shè)計(jì)梯形圖程序3.編寫指令表程序4.程序調(diào)試3.2PLC選型和硬件配置3.2.1PLC型號的選擇本設(shè)計(jì)選用西門子S7-200PLC溫控系統(tǒng)的控制器。S7-200PLC雖然是小型的可編程控制器，但是它適用的范圍比較廣，而且能滿足很多場合的信息檢測和監(jiān)控的要求[12]。并且功能也很強(qiáng)大，是具極高性價(jià)比的一類可編程控制器。3.2.2可編程控制器CPU的選擇S7-200系列的PLC有多種CPU可供選擇，如CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等,。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的中央處理器CPU的型號為226，而其CPU226集成24路DI/DO共40個(gè)輸入輸出數(shù)字點(diǎn)，其可拓展7個(gè)硬件模塊，13K字節(jié)存儲空間，6個(gè)高速計(jì)數(shù)器，2個(gè)RS485接口.并且能夠接受PPI通信協(xié)議，同時(shí)還可以進(jìn)行PID運(yùn)算[13]。3.2.3EM235模擬量輸入/輸出模塊在溫度測量系統(tǒng)軟件中，溫度感應(yīng)器能夠接受到的是4-50mA的規(guī)范電流量數(shù)據(jù)信號，智能變送器必須將規(guī)范數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為模擬信號送進(jìn)PLC中開展計(jì)算解決，西門子PLCEM235控制模塊是較為常見的AD轉(zhuǎn)換控制模塊，針對本系統(tǒng)軟件也徹底可用。EM235具備4aI/AO。運(yùn)作時(shí)其DIP電源開關(guān)設(shè)定為:SW1~SW3熱電廠感應(yīng)器的種類，SW4閑置，斷開檢驗(yàn)方位SW5，SW6用以是不是斷開檢驗(yàn)，觀察方位SW7，SW8冷端賠償。本系統(tǒng)軟件采用的是PT100熱電偶感應(yīng)器作為溫度感應(yīng)器來檢驗(yàn)感應(yīng)加熱爐的爐內(nèi)溫度和出入口溫度。3.2.4可控硅加熱裝置簡介針對電采暖鍋爐規(guī)定維持水的穩(wěn)定溫度，且不用數(shù)據(jù)調(diào)整儀表盤表明和調(diào)整溫度。其關(guān)鍵方法根據(jù)系統(tǒng)軟件輸出的0~10A電流量數(shù)據(jù)信號來操縱晶閘管工作電壓調(diào)節(jié)器通斷角的大小來調(diào)整電熱絲功率來給加熱爐加溫。系統(tǒng)軟件根據(jù)熱電偶收集溫度數(shù)據(jù)信號歷經(jīng)PID控制器調(diào)整輸出規(guī)范電流量數(shù)據(jù)信號來操縱加熱裝置通斷角的大小，為此來操縱主控制回路中加溫元器件電流量的尺寸以使溫度與預(yù)設(shè)值差不多。3.3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選用計(jì)算機(jī)為上位機(jī)連接PLC，通過PT100熱電阻檢測鍋爐出口水溫，經(jīng)EM235A/D轉(zhuǎn)換模塊變換為數(shù)字信號送達(dá)PLC然后進(jìn)行PID運(yùn)算再將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流信號，以此來控制可控硅電壓調(diào)整器調(diào)節(jié)輸出功率來控制電阻絲的加熱，上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖3-2所示：PLCPLC圖3-2整體方案設(shè)計(jì)硬件連線如圖3-3所示：圖3-3硬件接線圖3.4PLC控制器的設(shè)計(jì)PLC控制器的設(shè)計(jì)是溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分重要的一部分，要依照被控參數(shù)的具體特點(diǎn)和系統(tǒng)特征來判斷決定控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)值[14]。3.4.1建立系統(tǒng)模型本系統(tǒng)中，T1是PT100檢測到的鍋爐出口水溫，變換為模擬信號后送入模擬量輸入/輸出模塊的A路，再作為主控制器的過程變量（SPn），即控制器的反饋值。PID向?qū)гO(shè)置其上下限為6400~32000對應(yīng)范圍0%~100%。T2是PT100測量到的爐膛溫度，也是變換為模擬信號后送入模擬量輸入/輸出模塊的B路，再作為主控制器的過程變量（SPn），屬性同主過程變量。這一對信號進(jìn)入PLC，經(jīng)過PLC的PID運(yùn)算調(diào)節(jié)進(jìn)行溫度控制。系統(tǒng)模型框圖如圖3-4所示：圖3-4串級系統(tǒng)框圖3.4.2PID控制及參數(shù)整定1.PID控制器的組成一般來說，PID控制器由比例控制、積分控制、微分控制組成。其數(shù)學(xué)表達(dá)式（3-1）所示：（3-1）（1）比例系數(shù)系統(tǒng)對特性的危害：增益值越大系統(tǒng)軟件的回應(yīng)越明顯。當(dāng)占比增益值很大時(shí)系統(tǒng)軟件便會造成震蕩，調(diào)整時(shí)間也會相對應(yīng)的延長，系統(tǒng)軟件便會愈來愈趨向不穩(wěn)定情況；（2）積分系統(tǒng)對特性的危害：積分的應(yīng)用則會清除系統(tǒng)軟件的靜態(tài)數(shù)據(jù)差值，提高系統(tǒng)軟件的精確性；（3）求微分系統(tǒng)對特性的危害：求微分改進(jìn)系統(tǒng)軟件的動(dòng)態(tài)性特性，Td擴(kuò)大時(shí)，超調(diào)擴(kuò)大，系統(tǒng)軟件調(diào)整時(shí)間減少，合適的Td主要參數(shù)才可以使系統(tǒng)軟件有不錯(cuò)的回應(yīng)。2.PID主要參數(shù)整定值主要參數(shù)整定值的方式多種多樣，在其中關(guān)鍵有工作經(jīng)驗(yàn)法、半工作經(jīng)驗(yàn)法、反映曲線圖法與基礎(chǔ)理論測算法等方式。本畢業(yè)論文設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)軟件選用的是工作經(jīng)驗(yàn)法整定值主要參數(shù)，最先要調(diào)整占比功效的尺寸，擴(kuò)大Kc獲得快速響應(yīng)，超調(diào)較小的曲線圖。在占比階段平穩(wěn)的狀況下，假如恒定差值依然存有，系統(tǒng)軟件不可以趨向預(yù)設(shè)值，則先要減少占比增益值，將積分時(shí)間t設(shè)一個(gè)很大的值，隨后再漸漸地減少積分時(shí)間，而且觀查曲線圖直至獲得令人滿意結(jié)果。若添加求微分功效則可改進(jìn)系統(tǒng)軟件的動(dòng)態(tài)性特性，調(diào)整求微分時(shí)間時(shí)，要漸漸地?cái)U(kuò)大求微分時(shí)間，另外更改PI主要參數(shù)，經(jīng)不斷調(diào)節(jié)獲得令人滿意結(jié)果。3.主輔控制板的挑選選用串級控制方式的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)必須2個(gè)控制板，在其中的一個(gè)是做為主控制板，另一個(gè)是做為副控制板。主控制板關(guān)鍵具有時(shí)間常數(shù)操縱的功效，副操縱則具有轉(zhuǎn)向頭燈操縱的功效。主控制板的主要參數(shù)一般都需要規(guī)定無余差，因此主控制板一般狀況下均采用PI操縱，為了更好地確保主控制板的操縱質(zhì)量，副控制板則容許余差可采用P操縱規(guī)律性[15][16]。4.明確控制板的功效方法主控制板功效方法的明確：當(dāng)爐內(nèi)溫度上升加熱爐的出入口溫度也會上升，為了更好地使主控制回路是負(fù)的反饋，即主控制回路各階段放大系數(shù)為負(fù)，因此主控制板為反作用力方法，Ki低于0。副控制板功效方法的明確：充分考慮安全性要素，其調(diào)節(jié)閥門應(yīng)選用氣開啟式調(diào)節(jié)閥門[15][16]，放大系數(shù)超過0。當(dāng)調(diào)節(jié)閥門的開啟度擴(kuò)大，電熱絲加溫，副控主要參數(shù)擴(kuò)大，副被測全過程超過0，為確保控制電路為負(fù)的反饋，因此副控制板為反作用力方法，放大系數(shù)低于0。5.取樣周期時(shí)間的明確由于本系統(tǒng)軟件是溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，是有延遲時(shí)間特點(diǎn)的慣性環(huán)節(jié)，取樣周期時(shí)間假如過小會擴(kuò)大系統(tǒng)軟件勞動(dòng)量，并且收集的數(shù)據(jù)信息基本上沒有很大的轉(zhuǎn)變，那麼PID整定值輸出值基本上為0，因此取樣周期時(shí)間不可以過短，一般為15~20s，本系統(tǒng)軟件采用取樣周期Ts為17s。3.5PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.5.1PLC程序設(shè)計(jì)的主要方法本論文設(shè)計(jì)的PLC程序主要采用的是梯形圖設(shè)計(jì)方法。3.5.2STEP7--Micro/WIN開發(fā)環(huán)境概述STEP7--Micro/WIN軟件是S7-200專用編輯軟件，主要為用戶提供程序編寫與監(jiān)控，功能強(qiáng)大。如圖3-5所示：圖3-5STEP7--Micro/WIN項(xiàng)目窗口S7-200的編程軟件外觀如上圖3-4所示，編輯界面上主要分為菜單欄、工具欄、指令樹窗口、輸出窗口和用戶窗口。界面的左側(cè)查看欄主要存放一些常用的編程模塊，主要包含程序塊、符號表、狀態(tài)表、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊、交叉參考及通訊按鈕等。其中編寫程序主要在右半部分區(qū)域中操作，底部的標(biāo)簽可分別顯示主程序、子程序和中斷程序。本課題中我們使用STEP7--Micro/WINV4.0SP5編程軟件。3.5.3計(jì)算機(jī)與PLC的通信在編程軟件的指令樹中雙擊“通信”按鈕，雙擊刷新軟件即可自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)上的PLC設(shè)備并在窗口顯示出來。如圖3-6所示：圖3-6PLC通信窗口3.5.4PLC程序設(shè)計(jì)1.程序設(shè)計(jì)思路在本系統(tǒng)軟件中，PLC在運(yùn)行運(yùn)作時(shí)在其中的獨(dú)特繼電器SM0.0可能造成復(fù)位單脈沖，隨后采集系統(tǒng)各一部分起止情況。接著系統(tǒng)軟件運(yùn)行，T1溫度感應(yīng)器精確測量加熱爐出入口溫度將其轉(zhuǎn)換為脈沖信號后送進(jìn)模擬量輸入I/O一部分EM235的A路根據(jù)AIW0進(jìn)到PLC隨后做為主控制板PID0的意見反饋值開展PI計(jì)算。T2溫度感應(yīng)器精確測量爐內(nèi)溫度隨后將其轉(zhuǎn)換為脈沖信號后送進(jìn)模擬量輸入鍵入plc模塊EM235的B路，再根據(jù)AIW2進(jìn)到PLC做為副控制板PID1的意見反饋值經(jīng)P計(jì)算根據(jù)AQW0輸出[17~20]。其輸出的規(guī)范電流量數(shù)據(jù)信號能夠用于操縱晶閘管的導(dǎo)通角來調(diào)更改電熱絲的工作電壓，為此進(jìn)行對溫度的操縱。2.PID指令向?qū)Ш喗閳D3-7PID指令模塊如圖3-6所示，PV_I表示PID控制器的反饋值地址，Setpoint是給定值存儲地址，Output是PID控制器的輸出值地址。主回路PID向?qū)гO(shè)置，單擊工具按鈕打開指令向?qū)?，如圖3-8所示：圖3-8PID指令模塊選擇選擇PID模塊，點(diǎn)擊下一步，如圖3-9所示：圖3-9配置0號PID模塊設(shè)置主控制器PID參數(shù)，如圖3-10所示：圖3-10PID參數(shù)設(shè)置主控制器采用PI運(yùn)算規(guī)律，所以微分時(shí)間為0。設(shè)置回路輸入量的范圍，根據(jù)溫度采集的模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號，確定回路浮點(diǎn)數(shù)范圍為4600~32000。如圖3-11所示：圖3-11PID回路設(shè)置配置PID指令表占用的存儲地址如圖3-12所示：圖3-12地址配置完成指令向?qū)У呐渲萌鐖D3-13所示：圖3-13向?qū)瓿稍谂渲酶被芈稰ID的過程中，本文將會采用P運(yùn)算，其配置過程和主控制器PID相同，配置號為1。3.5.5設(shè)計(jì)控制程序溫度采集AIW0和AIW2輸入的是6400~32000的數(shù)字量，實(shí)際溫度計(jì)算公式（3-2）所示：(3-2)其中，T為檢測到的實(shí)際溫度，D為主回路和副回路輸入的數(shù)字量。PLC內(nèi)存地址分配見表3-1所示：表3-1內(nèi)存地址分配地址說明VD250鍋爐出口水溫地址VD260爐膛水溫地址VD270主控制器PID輸出地址VD300設(shè)定溫度存放地址VD304主控制器Kc地址VD308主控制器Ti地址VD312主控制器TD地址VD320副控制器Kc地址PID指令表如表3-2所示：表3-2PID指令表地址變量名注釋VD0主調(diào)節(jié)過程變量（PVn）范圍在0~1之間VD4主調(diào)節(jié)給定值（SPn）范圍在0~1之間VD8主調(diào)節(jié)器輸出值（Mn）范圍在0~1之間VD12主調(diào)節(jié)器增益（Kc）比例常數(shù)可正負(fù)VD16主調(diào)節(jié)采樣時(shí)間（Ts）正數(shù)，單位為秒VD20主調(diào)節(jié)積分時(shí)間（Ti）正數(shù)，單位為分VD24主調(diào)節(jié)微分時(shí)間（Td）正數(shù)，單位為分VD120副調(diào)節(jié)器過程變量（PVn）范圍在0~1之間VD124副調(diào)節(jié)器給定值（SPn）范圍在0~1之間VD128副調(diào)節(jié)器輸出值（Mn）范圍在0~1之間VD132副調(diào)節(jié)器增益（Kc）比例常數(shù)，可正負(fù)VD136副調(diào)節(jié)器采樣時(shí)間（Ts）正數(shù)，單位為秒VD140VD144控制程序如圖3-14—圖3-20所示：主程序：溫度檢測和保護(hù)圖3-14控制程序1主回路調(diào)節(jié)程序：將AIW0讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)圖3-15控制程序2程序：主控制器PID初始化圖3-16控制程序3程序：設(shè)定主控制器PID參數(shù)圖3-17控制程序4副回路調(diào)節(jié)程序：將AIW2讀出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)圖3-18控制程序5程序：當(dāng)前電熱爐水溫參數(shù)顯示圖3-19控制程序6程序：副控制器PID初始化及參數(shù)設(shè)定圖3-20控制程序7第4章組態(tài)軟件畫面的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試4.1組態(tài)軟件數(shù)據(jù)變量的建立及設(shè)備通信單擊組態(tài)王軟件然后進(jìn)入工程管理器窗口，左樣式擊“新建”按鈕將出現(xiàn)工程組態(tài)界面新建向?qū)В床襟E輸入工程信息，完成新工程的建立。如圖4-1所示：圖4-1新建工程4.1.1組態(tài)軟件畫面工程建立好后，雙擊工程管理器中的工程名稱，進(jìn)入工程瀏覽器，單擊左側(cè)條目中的畫面按鈕，開始組態(tài)畫面的新建。如圖4-2所示：圖4-2新建畫面4.1.2設(shè)備通信連接組態(tài)王軟件如果要達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，必須與西門子PLC建立通信連接，以便實(shí)現(xiàn)信息交流。打開工程瀏覽器左側(cè)的“COM1”口，選擇“新建”按鈕，然后就依照設(shè)備配置向?qū)?，完成通信設(shè)置。具體步驟如圖4-3—圖4-7所示：圖4-3選擇PLC設(shè)備圖4-4指定設(shè)備名稱圖4-5選擇通信串口圖4-6設(shè)備地址設(shè)置圖4-7檢查設(shè)備信息4.1.3數(shù)據(jù)變量組態(tài)王組態(tài)畫面的圖素或輸入輸出值如果要與PLC建立連接，就要定義兩者之間的數(shù)據(jù)變量。組態(tài)王中的數(shù)據(jù)類型主要有內(nèi)存變量和I/O變量兩種類型，內(nèi)存變量不與設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，其只限于軟件內(nèi)部。其中的I/O變量是組態(tài)王與PLC通信的連接關(guān)鍵，軟件和PLC都是通過它實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲或運(yùn)算。在工程瀏覽器的左側(cè)雙擊“數(shù)據(jù)字典”字樣的按鈕，就會進(jìn)入變量定義窗口，然后就可以定義變量了。如圖4-8所示：圖4-8定義變量溫控系統(tǒng)中定義的變量如圖4-9所示：圖4-9系統(tǒng)變量4.2創(chuàng)建組態(tài)軟件畫面4.2.1設(shè)計(jì)主畫面如圖4-10所示，主畫面中當(dāng)溫度高于95攝氏度時(shí)，就會產(chǎn)生高溫報(bào)警，右側(cè)PID參數(shù)設(shè)置用來整定PID參數(shù)。圖4-10系統(tǒng)主界面4.2.2新建數(shù)據(jù)報(bào)表數(shù)據(jù)報(bào)表包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)報(bào)表，通過在系統(tǒng)運(yùn)行過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和監(jiān)測，來實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)運(yùn)行狀況，如圖4-11所示：圖4-11數(shù)據(jù)報(bào)表窗口4.2.3新建實(shí)時(shí)曲線在繪圖工具箱中選擇“