基于PLC溫度檢測與控制系統(tǒng)的設(shè)計

目錄前言11PLC和組態(tài)軟件根底21.1可編程控制器根底21.1.1可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用21.1.2可編程控制器的組成和工作原理21.1.3可編程控制器的分類及特點51.2組態(tài)軟件的根底51.2.1組態(tài)的定義51.2.2組態(tài)王軟件的特點61.2.3組態(tài)王軟件仿真的根本方法62PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計72.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的根本原那么和步驟72.1.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的根本原那么72.1.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟72.1.3PLC程序設(shè)計的一般步驟82.2PLC的選型和硬件配置92.2.1PLC型號的選擇92.2.2S7-200CPU的選擇102.2.3EM235模擬量輸入/輸出模塊102.2.4熱電式傳感器102.2.5可控硅加熱裝置簡介112.3系統(tǒng)整體設(shè)計方案和電氣連接圖112.4PLC控制器的設(shè)計12控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立122.4.2PID控制及參數(shù)整定123PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計163.1PLC程序設(shè)計的方法163.2編程軟件STEP7--Micro/WIN概述163.2.1STEP7--Micro/WIN簡單介紹163.2.2計算機(jī)與PLC的通信173.3程序設(shè)計183.3.1程序設(shè)計思路183.3.2PID指令向?qū)?83.3.3控制程序及分析234組態(tài)畫面的設(shè)計284.1組態(tài)變量的建立及設(shè)備連接284.1.1新建工程284.2創(chuàng)立組態(tài)畫面324.2.1新建主畫面324.2.2新建PID參數(shù)設(shè)定窗口334.2.3新建數(shù)據(jù)表庫334.2.4新建實時曲線344.2.5新建歷史曲線344.2.6新建報警窗口355系統(tǒng)檢測365.1啟動組態(tài)王365.2實時曲線觀察365.3分析歷史趨勢曲線375.4查看數(shù)據(jù)報表395.5系統(tǒng)穩(wěn)定性測試40謝辭42參考文獻(xiàn)43前言從上世紀(jì)80年代至90年代中期，PLC得到了快速的開展，在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。本文介紹了以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數(shù)，以爐膛內(nèi)水溫為副被控參數(shù)，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數(shù)，以PLC為控制器，構(gòu)成鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)；采用PID算法，運用PLC梯形圖編程語言進(jìn)行編程，實現(xiàn)鍋爐溫度的自動控制。電熱鍋爐的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，在相當(dāng)多的領(lǐng)域里，電熱鍋爐的性能優(yōu)劣決定了產(chǎn)品的質(zhì)量好壞。目前電熱鍋爐的控制系統(tǒng)大都采用以微處理器為核心的計算機(jī)控制技術(shù)，既提高設(shè)備的自動化程度又提高設(shè)備的控制精度。

本文分別就電熱鍋爐的控制系統(tǒng)工作原理，溫度變送器的選型、PLC配置、組態(tài)軟件程序設(shè)計等幾方面進(jìn)行闡述。通過改造電熱鍋爐的控制系統(tǒng)具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、可靠性高,控制精度好等特點，對工業(yè)控制有現(xiàn)實意義。1PLC和組態(tài)軟件根底1.1可編程控制器根底可編程控制器是是一種工業(yè)控制計算機(jī)，簡稱PLC〔ProgrammablelogicController),它使用可編程序的記憶以存儲指令，用來執(zhí)行邏輯、順序、計時、計數(shù)、和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程。1.1.1可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用1969年美國數(shù)字設(shè)備公司成功研制世界第一臺可編程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽車自動裝配線上首次使用并獲得成功。1971年日本從美國引進(jìn)這項技術(shù)，很快研制出第一臺可編程序控制器DSC-18。1973年西歐國家也研制出他們的第一臺可編程控制器。我國從1974年開始研制，1977年開始工業(yè)推廣應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，隨著電子技術(shù)的開展，尤其是PLC采用通訊微處理器之后，這種控制器功能得到更進(jìn)一步增強(qiáng)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛開展，以16位和少數(shù)32位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化PLC，使PLC的功能增強(qiáng)，工作速度快，體積減小，可靠性提高，本錢下降，編程和故障檢測更為靈活，方便。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。1.1.2可編程控制器的組成和工作原理可編程控制器的組成:PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架?！?〕CPUCPU是PLC的核心，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的存放器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。CPU主要由運算器、控制器、存放器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模?！?〕I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出局部〔I/O〕完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入〔DI〕，開關(guān)量輸出〔DO〕，模擬量輸入〔AI〕，模擬量輸出〔AO〕等模塊。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型〔4-20mA,0-20mA〕、電壓型〔0-10V,0-5V,-10-10V〕等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的根本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。〔3〕編程器編程器的作用是用來供用戶進(jìn)行程序的輸入、編輯、調(diào)試和監(jiān)視的。編程器一般分為簡易型和智能型兩類。簡易型只能聯(lián)機(jī)編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言助記符后才能送入。而智能型編程器〔又稱圖形編程器〕，不但可以連機(jī)編程，而且還可以脫機(jī)編程。操作方便且功能強(qiáng)大?！?〕電源PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源〔220VAC或110VAC〕，直流電源〔常用的為24VDC〕?？删幊炭刂破鞯墓ぷ髟?PLC的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。CPU從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。PLC就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。PLC工作的全過程可用圖2-1所示的運行框圖來表示。圖1-1可編程控制器運行框圖1.1.3可編程控制器的分類及特點〔1〕小型PLC小型PLC的I/O點數(shù)一般在128點以下，其特點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個硬件融為一體，除了開關(guān)量I/O以外，還可以連接模擬量I/O以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運算、計時、計數(shù)、算術(shù)、運算數(shù)據(jù)處理和傳送通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應(yīng)用指令?！?〕中型PLC中型PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，其I/O點數(shù)一般在256～1024點之間，I/O的處理方式除了采用一般PLC通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式即在掃描用戶程序的過程中直接讀輸入刷新輸出，它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強(qiáng)，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快?！?〕大型PLC一般I/O點數(shù)在1024點以上的稱為大型PLC，大型PLC的軟硬件功能極強(qiáng)，具有極強(qiáng)的自診斷功能、通訊聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊可以構(gòu)成三級通訊網(wǎng)實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化，大型PLC還可以采用冗余或三CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)使機(jī)器的可靠性更高1.2組態(tài)軟件的根底1.2.1組態(tài)的定義組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務(wù)的過程。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的，一種組態(tài)軟件只能適合某種領(lǐng)域的應(yīng)用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計算機(jī)控制中，如DCS(集散控制系統(tǒng))組態(tài)，PLC梯形圖組態(tài)。人機(jī)界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。工業(yè)控制中形成的組態(tài)結(jié)果是用在實時監(jiān)控的。從外表上看，組態(tài)工具的運行程序就是執(zhí)行自己特定的任務(wù)。工控組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都是內(nèi)置編譯系統(tǒng)，提供類BASIC語言，有的支持VB，現(xiàn)在有的組態(tài)軟件甚至支持C#高級語言。在當(dāng)今工控領(lǐng)域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，組態(tài)王，力控，易控，MCGS等。本設(shè)計采用亞控的組態(tài)王軟件進(jìn)行組態(tài)的設(shè)計。1.2.2組態(tài)王軟件的特點組態(tài)王軟件具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。組態(tài)王軟件仿真的根本方法〔1〕圖形界面的設(shè)計圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備?！?〕構(gòu)造數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),就是創(chuàng)立一個具體的數(shù)據(jù)庫,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性,比方水位、流量等?！?〕建立動畫連接連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。〔4〕運行和調(diào)試2PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計本章主要從系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計的角度，介紹該工程的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設(shè)計以及PLC控制器的設(shè)計參數(shù)的整定。2.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的根本原那么和步驟2.1.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的根本原那么〔1〕充分發(fā)揮PLC功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求。〔2〕在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。〔3〕保證控制系統(tǒng)平安可靠。〔4〕應(yīng)考慮生產(chǎn)的開展和工藝的改良，在選擇PLC的型號、I／O點數(shù)和存儲器容量等內(nèi)容時，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔浚岳谙到y(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充。2.1.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟設(shè)計PLC應(yīng)用系統(tǒng)時，首先是進(jìn)行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計，即根據(jù)被控對象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進(jìn)行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，具體確實定PLC的機(jī)型和系統(tǒng)的具體配置。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計可以按以下步驟進(jìn)行：〔1〕熟悉被控對象，制定控制方案分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機(jī)、電、液之間的配合，確定被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求?！?〕確定I／O設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關(guān)、選擇開關(guān)等)和輸出設(shè)備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定PLC的I／O點數(shù)?！?〕選擇PLC選擇時主要包括PLC機(jī)型、容量、I／O模塊、電源的選擇。〔4〕分配PLC的I／O地址根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場需要，確定控制按鈕，選擇開關(guān)、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設(shè)備的型號、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的PLC的型號列出輸入／輸出設(shè)備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部I／O接線圖和編制程序?！?〕設(shè)計軟件及硬件進(jìn)行PLC程序設(shè)計，進(jìn)行控制柜〔臺〕等硬件的設(shè)計及現(xiàn)場施工。由于程序與硬件設(shè)計可同時進(jìn)行，因此，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計周期可大大縮短，而對于繼電器系統(tǒng)必須先設(shè)計出全部的電氣控制線路后才能進(jìn)行施工設(shè)計?！?〕聯(lián)機(jī)調(diào)試聯(lián)機(jī)調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。2.1.3PLC程序設(shè)計的一般步驟〔1〕繪制系統(tǒng)的功能圖?！?〕設(shè)計梯形圖程序?！?〕根據(jù)梯形圖編寫指令表程序?！?〕對程序進(jìn)行模擬調(diào)試及修改，直到滿足控制要求為止。調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟可參考圖2-1：評估控制任務(wù)評估控制任務(wù)PLC機(jī)型的選擇控制流程的設(shè)計控制柜設(shè)計及布線PLC安裝程序設(shè)計程序檢查、調(diào)試模擬運行聯(lián)機(jī)調(diào)試程序備份修改軟、硬件是否滿足要求投入使用圖2-1PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟2.2PLC的選型和硬件配置2.2.1PLC型號的選擇本溫度控制系統(tǒng)采用德國西門子S7-200PLC。S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。S7-200CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等類型。此系統(tǒng)選用的S7-200CPU226,CPU226集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。EM235模擬量輸入/輸出模塊在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號，系統(tǒng)需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入PLC中進(jìn)行處理。在這里我們選擇西門子的EM235模擬量輸入/輸出模塊。EM235模塊具有4路模擬量輸入/一路模擬量的輸出。它允許S7-200連接微小的模擬量信號，±80mV范圍。用戶必須用DIP開關(guān)來選擇熱電偶的類型，斷線檢查，測量單位，冷端補償和開路故障方向：SW1～SW3用于選擇熱電偶的類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進(jìn)行斷線檢測，SW7用于選擇測量方向，SW8用于選擇是否進(jìn)行冷端補償。所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型。熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢和電阻的方法最為普遍。其中最為常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度轉(zhuǎn)化為電勢變化，而熱電阻是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)需要的傳感器是將溫度轉(zhuǎn)化為電流，且水溫最高是100℃，所以選擇Pt100鉑熱電阻傳感器。P100鉑熱電阻，簡稱為：PT100鉑電阻，其阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100歐姆，在100℃時它的阻值約為138.5歐姆。它的工作原理：當(dāng)PT100在0攝氏度可控硅加熱裝置簡介對于要求保持恒溫控制而不要溫度記錄的電阻爐采用帶PID調(diào)節(jié)的數(shù)字式溫度顯示調(diào)節(jié)儀顯示和調(diào)節(jié)溫度，輸出0～10mA作為直流信號輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，完全可以滿足要求，投入本錢低，操作方便直觀并且容易維護(hù)。溫度測量與控制是熱電偶采集信號通過PID溫度調(diào)節(jié)器測量和輸出0～10mA或4～20mA控制觸發(fā)板控制可控硅導(dǎo)通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設(shè)定的溫度工作狀態(tài)。可控硅溫度控制器由主回路和控制回路組成。主回路是由可控硅，過電流保護(hù)快速熔斷器、過電壓保護(hù)RC和電阻爐的加熱元件等局部組成。2.3系統(tǒng)整體設(shè)計方案和電氣連接圖系統(tǒng)選用了PLCCPU226為控制器，PT100型熱電阻將檢測到的實際鍋爐水溫轉(zhuǎn)化為電流信號，經(jīng)過EM231模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出轉(zhuǎn)化為0～10mA的電流信號輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，從而調(diào)節(jié)電熱絲的加熱。PLC和組態(tài)王連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控。整體設(shè)計方案如圖2-3:EM235鍋爐PT100EM235鍋爐PT100PLC計算機(jī)可控硅可控硅2.4PLC控制器的設(shè)計控制器的設(shè)計是整個控制系統(tǒng)設(shè)計中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對象的連接方式。最后根據(jù)所要求的性能指標(biāo)確定控制器的參數(shù)值。2.4.1控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立在本控制系統(tǒng)中，TT1(出口溫度傳感器)將檢測到的出口水溫度信號轉(zhuǎn)化為電流信號送入EM235模塊的A路，TT2(爐膛溫度傳感器)將檢測到的出口水溫度信號轉(zhuǎn)化為電流信號送入EM235模塊的B路。兩路模擬信號經(jīng)過EM235轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入PLC，PLC再通過PID模塊進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制。具體流程在第四章程序編寫的時候具體論述。由PLC的串級控制系統(tǒng)框圖。主調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)副調(diào)節(jié)器爐膛可控硅鍋爐出口副變送器主變送器如圖2-4串級控制系統(tǒng)框圖2.4.2P〔1〕PID控制器的組成PID控制器由比例單元〔P〕、積分單元〔I〕和微分單元〔D〕組成。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：公式〔3-1〕1〕比例系數(shù)KC對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。Ｋc偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。Ｋc太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。Ｋc太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。Ｋc可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。如果Ｋc的符號選擇不當(dāng)對象狀態(tài)(pv值)就會離控制目標(biāo)的狀態(tài)(sv值)越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況Ｋc的符號就一定要取反。2〕積分控制Ｔi對系統(tǒng)性能的影響： 積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ｔi小〔積分作用強(qiáng)〕會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。3〕微分控制Ｔd對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，Ｔd偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。Ｔd偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有Ｔd適宜，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間?！?〕主、副回路控制規(guī)律的選擇采用串級控制，所以有主副調(diào)節(jié)器之分。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇規(guī)律的根本出發(fā)點。主參數(shù)是工藝操作的重要指標(biāo)，允許波動的范圍較小，一般要求無余差，因此，主調(diào)節(jié)器一般選PI或PID控制，副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選P控制規(guī)律就可以。在本控制系統(tǒng)中，我們將鍋爐出口水溫度作為主參數(shù)，爐膛溫度為副參數(shù)。主控制采用PI控制，副控制器采用P控制?！?〕主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式確實定副調(diào)節(jié)器作用方式確實定：首先確定調(diào)節(jié)閥，出于生產(chǎn)工藝平安考慮，可控硅輸出電壓應(yīng)選用氣開式，這樣保證當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障使調(diào)節(jié)閥損壞而處于全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備平安，調(diào)節(jié)閥的Kv>0。然后確定副被控過程的K02，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，電壓增大，爐膛水溫度上升，所以K02>0。最后確定副調(diào)節(jié)器，為保證副回路是負(fù)反響，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)(即增益)乘積必須為負(fù)，所以副調(diào)節(jié)器K2<0，副調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。

主調(diào)節(jié)器作用方式確實定：

爐膛水溫度升高，出口水溫度也升高，主被控過程K01>0。為保證主回路為負(fù)反響，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為負(fù)，所以主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K1<0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式[7]。〔4〕采樣周期的分析采樣周期Ts越小，采樣值就越能反響溫度的變化情況。但是，Ts太小就會增加CPU的運算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒什么變化，將是PID控制器輸出的微分局部接近于0，所以不應(yīng)使采樣時間太小。，確定采樣周期時，應(yīng)保證被控量迅速變化時，能用足夠多的采樣點，以保證不會因采樣點過稀而喪失被采集的模擬量中的重要信息。因為本系統(tǒng)是溫度控制系統(tǒng)，溫度具有延遲特性的慣性環(huán)節(jié)，所以采樣時間不能太短，一般是15s～20s，本系統(tǒng)采樣17s

經(jīng)過上述的分析，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)根本確定了，在系統(tǒng)投運之前還要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。理論計算整定法是在被控對象的數(shù)學(xué)模型的根底上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，經(jīng)過理論的計算〔微分方程、根軌跡、頻率法等〕，求得最正確的整定參數(shù)。這類方法比擬復(fù)雜，工作量大，而且用于分析法或?qū)嶒灉y定法求得的對象數(shù)學(xué)模型只能近似的反映過程的動態(tài)特征，整定的結(jié)果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應(yīng)用。對于工程整定法，工程人員無需知道對象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計算所學(xué)的理論知識，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡單、實用，在實際工程中被廣泛的應(yīng)用常用的工程整定法有經(jīng)驗整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗整定法整定控制器的參數(shù)值。整定步驟為“先比例，再積分，最后微分〞?！?〕整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反響快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線?！?〕整定積分環(huán)節(jié)假設(shè)在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需參加積分控制。先將步驟〔1〕中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)?！?〕整定微分環(huán)節(jié)假設(shè)經(jīng)過步驟2〕，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，那么應(yīng)參加微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。3PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩局部本在硬件根底上，詳細(xì)介紹本工程的軟件設(shè)計，主要包括軟件設(shè)計的根本步驟、方法、編程軟件STEP7-Micro/WIN的介紹以及本工程的程序設(shè)計。3.1PLC程序設(shè)計的方法PLC程序設(shè)計常用的方法：主要有經(jīng)驗設(shè)計法、繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法、順序控制設(shè)計法、邏輯設(shè)計法等。〔1〕經(jīng)驗設(shè)計法：經(jīng)驗設(shè)計法即在一些典型的控制電路程序的根底上，根據(jù)被控制對象的具體要求，進(jìn)行選擇組合，并屢次反復(fù)調(diào)試和修改梯形圖，有時需增加一些輔助觸點和中間編程環(huán)節(jié)，才能到達(dá)控制要求。這種方法沒有規(guī)律可遵循，設(shè)計所用的時間和設(shè)計質(zhì)量與設(shè)計者的經(jīng)驗有很大的關(guān)系，故稱為經(jīng)驗設(shè)計法?！?〕繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法：用PLC的外部硬件接線和梯形圖軟件來實現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)的功能?！?〕順序控制設(shè)計法：根據(jù)功能流程圖，以步為核心，從起始步開始一步一步地設(shè)計下去，直至完成。此法的關(guān)鍵是畫出功能流程圖?！?〕邏輯設(shè)計法：通過中間量把輸入和輸出聯(lián)系起來。實際上就找到輸出和輸入的關(guān)系，完成設(shè)計任務(wù)。3.2編程軟件STEP7--Micro/WIN概述STEP7-Micro/WIN編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為S7-200系列可編程控制器設(shè)計開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。STEP7--Micro/WIN簡單介紹以STEP7-Micro/WIN創(chuàng)立程序，為接通STEP7-Micro/WIN，可雙擊STEP7-Micro/WIN的圖標(biāo)，如圖3-1所示，STEP7-Micro/WIN工程窗口將提供用于創(chuàng)立程序的工作空間。瀏覽條給出了多組按鈕，用于訪問STEP7--Micro/WIN的不同編程特性。指令樹將顯示用于創(chuàng)立控制程序的所有工程對象指令。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時局部變量的符號名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的的底部按標(biāo)簽顯示。圖3-1STEP7--Micro/WIN工程窗口本工程中我們利用STEP7--Micro/WINV4.0SP5編程軟件，其界面如圖4-1所示。工程包括的根本組件：程序塊、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊、符號表、狀態(tài)表、交叉引用表。3.2.2計算機(jī)與PLC的通信在STEP7-Micro/WIN中雙擊指令樹中的“通信〞圖標(biāo)，或執(zhí)行菜單命令的“查看〞/“組件〞/“通信〞，將出現(xiàn)“通信〞對話框,見圖3-2。在將新的設(shè)置下載到S7-200之前，應(yīng)設(shè)置遠(yuǎn)程站的地址，是它與S7-200的地址。雙擊“通信〞對話框中“雙擊刷新〞旁邊的藍(lán)色箭頭組成的圖標(biāo)，編程軟件將會自動搜索連接在網(wǎng)絡(luò)上的S7-200，并用圖標(biāo)顯示搜索到的S7-200。圖3-2PLC通信窗口3.3程序設(shè)計3.3.1程序設(shè)計思路PLC運行時，通過特殊繼電器SM0.0產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行初始化，將溫度設(shè)定值，PID參數(shù)值等存入數(shù)據(jù)存放器，隨后系統(tǒng)開始溫度采樣，采樣周期是17秒，TT1(出口水溫溫度傳感器)將采集到的出口水溫度信號轉(zhuǎn)換為電流信號，電流信號在通過AIW0進(jìn)入PLC，作為主回路的反響值，經(jīng)過主控制器〔PID0〕的PI運算產(chǎn)生輸出信號，作為副回路的給定值。TT2(爐膛水溫傳感器)將采集到的爐膛水溫度信號轉(zhuǎn)換為電流信號，電流信號在通過AIW2進(jìn)入PLC，作為副回路的反響值，經(jīng)過副控制器〔PID1〕的P運算產(chǎn)生輸出的信號,由AQW0輸出，輸出的4-20mA電流信號控制可控硅的導(dǎo)通角，從而控制電熱絲的電壓，完成對溫度的控制。3.3.2PID指令向?qū)Ь帉慞ID控制程序時，首先要把過程變量〔PV〕轉(zhuǎn)化為0.00-1.00之間的標(biāo)準(zhǔn)實數(shù)。PID運算結(jié)束之后，需要把回路輸出〔0.00--1.00之間的標(biāo)準(zhǔn)化實數(shù)〕轉(zhuǎn)換為可以送給模擬量輸出模塊的整數(shù)。圖3-3PID初始化指令如圖3-3PV_I是模擬量輸入模塊提供的反響值的地址，Setpoint_R是以百分比為單位的實數(shù)給定值〔SP〕,Output是PID控制器的INT型的輸出地址。HighAlarm和LowAlarm分別是超過上限和下限的報警信號輸出，ModuleErr是模擬量模塊的故障輸出信號。主回路PID指令向?qū)?，如圖3-4圖3-4主回路用PID回路PID指令的參數(shù)表占用的V存儲區(qū)的起始地址如圖3-5：圖3-5地址設(shè)置4.向?qū)瓿?，如圖3-6圖3-6向?qū)瓿筛被芈稰ID指令向?qū)В焊被芈凡捎?號PID回路，如圖3-7：圖3-7副回路PID回路設(shè)置〔1〕新建PID配置，如圖3-8：圖3-8PID配置新建〔2〕設(shè)置PID參數(shù)，如圖3-9圖3-9副回路PID設(shè)置因為副回路主要起到“粗調(diào)〞、“快調(diào)〞的作用，所以我們采用P調(diào)節(jié)作用，比例增益Kc=-4.0，Ti無窮大，Td=0;〔3〕副回路輸入量的極性與范圍，如圖3-10如圖3-10副回路輸入輸出設(shè)置〔4〕PID指令的參數(shù)表占用的V存儲區(qū)的起始地址，如圖3-11：圖3-11副回路存儲區(qū)設(shè)置〔5〕向?qū)瓿桑鐖D3-12圖3-12副回路向?qū)瓿?.3.3控制程序及分析因為由AIW0和AIW2輸入的是6400--32000的數(shù)字量，所以要轉(zhuǎn)換為實際的溫度要進(jìn)行運算，運算公式為：公式〔3-2〕其中，T為實際溫度，D為AIWO和AIW2輸入的數(shù)字量。PLC的內(nèi)存地址分配見表3-1地址說明VD250鍋爐出口水溫度存放地址VD260爐膛水溫存放地址VD270主控制器PID輸出存放地址VD300目標(biāo)設(shè)定溫度存放地址VD304主控制器Kc存放地址VD308主控制器Ti存放地址VD312主控制器Td存放地址VD320副調(diào)節(jié)器Kc存放地址表3-1內(nèi)存地址分配PID指令表見表3-2：地址名稱說明VD0主調(diào)節(jié)器過程變量〔PVn〕必須在0.0~1.0之間VD4主調(diào)節(jié)器給定值〔SPn〕必須在0.0~1.0之間VD8主調(diào)節(jié)器輸出值〔Mn〕必須在0.0~1.0之間VD12主調(diào)節(jié)器增益〔Kc〕比例常數(shù)，可正可負(fù)VD16主調(diào)節(jié)器采樣時間〔Ts〕單位為s，必須是正數(shù)VD20主調(diào)節(jié)器積分時間〔Ti〕單位為min，必須是正數(shù)VD24主調(diào)節(jié)器微分時間〔Td〕單位為min，必須是正數(shù)VD120副調(diào)節(jié)器過程變量〔PVn〕必須在0.0~1.0之間VD124副調(diào)節(jié)器給定值〔SPn〕必須在0.0~1.0之間VD128副調(diào)節(jié)器輸出值〔Mn〕必須在0.0~1.0之間VD132副調(diào)節(jié)器增益〔Kc〕比例常數(shù)，可正可負(fù)VD136副調(diào)節(jié)器采樣時間〔Ts〕單位為s，必須是正數(shù)VD140副調(diào)節(jié)器積分時間〔Ti〕單位為min，必須是正數(shù)VD144副調(diào)節(jié)器微分時間〔Td〕單位為min，必須是正數(shù)表3-2PID指令回路表控制程序如圖3-14—圖3-20所示：主程序：圖3-14控制程序1主調(diào)節(jié)器程序：圖3-15控制程序2圖3-16控制程序3圖3-17控制程序4副調(diào)節(jié)器程序：圖3-18控制程序5圖3-19控制程序6圖3-20控制程序74組態(tài)畫面的設(shè)計本章詳細(xì)的講解一個組態(tài)系統(tǒng)的建立和設(shè)計。4.1組態(tài)變量的建立及設(shè)備連接4.1.1新建工程雙擊組態(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?qū)?，填寫工程名稱。然后翻開剛建立的工程。進(jìn)入組態(tài)畫面的設(shè)計，如圖4-1：圖4-1新建工程〔1〕新建畫面進(jìn)入工程管理器后，在畫面右方雙擊“先建〞，新建畫面，并設(shè)置畫面屬性，圖4-2所示：圖4-2畫面新建(2)新建設(shè)備因為組態(tài)畫面要與西門子S7-200PLC連接之后才能使用，所以要新建S7-200的連接，具體步驟如圖4-3：圖4-3步驟1圖4-4步驟2圖4-5步驟3圖4-6步驟4(3)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。根本類型的變量可以分為“內(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(shè)備進(jìn)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。如圖4-7所示：圖4-7新建變量工程中所用到的變量見圖4-8：圖4-8變量表4.2創(chuàng)立組態(tài)畫面4.2.1新建主畫面如圖4-9所示，高溫報警用來顯示當(dāng)溫度高于95°C的時候，等會變紅閃爍，加熱爐上的指示燈用來指示加熱爐的加熱狀態(tài)。圖4-9控制系統(tǒng)主畫面4.2.2新建PID參數(shù)設(shè)定窗口圖4-10PID設(shè)定窗口如圖4-10所示，PID參數(shù)設(shè)定窗口，用來設(shè)定主控制器和副控制器的PID參數(shù)值，可與PID參數(shù)的整定。4.2.3新建數(shù)據(jù)表庫數(shù)據(jù)報表是反響生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，并對數(shù)據(jù)進(jìn)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，既能反響系統(tǒng)實時的運行情況，也能監(jiān)測長期的系統(tǒng)運行狀況，如圖4-11所示：圖4-11數(shù)據(jù)報表窗口4.2.4新建實時曲線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，可快速反響變量的新變化。如圖4-12所示：圖4-12實時曲線窗口4.2.5新建歷史曲線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。圖4-13歷史曲線窗口4.2.6新建報警窗口在工具箱中選用報警窗口工具，在面板中繪制報警窗口，添加文本等就可。如圖5-14所示。由于前面已經(jīng)設(shè)置了報警變量，所以當(dāng)變量值超過所設(shè)置的溫度85度時，那就會在報警畫面中被記錄。如圖5-14所示：圖4-14歷史報警窗口其制作過程和歷史報警窗口類似，不同的是，實時報警畫面是要彈出來的，所以必須在新建畫面的時候，把大小調(diào)好，并選擇是“覆蓋式〞。畫面的自動彈出，在事件命令語言中，輸入showpicture("實時報警窗口");\\本站點\$新報警=0;，這樣每次新報警有產(chǎn)生，就會立刻出報警畫面。如圖4-15所示。圖4-15實時報警曲線5系統(tǒng)檢測組態(tài)王和PLC編程軟件不能同時啟動，因為他們使用的是同一個端口，要想在線利用組態(tài)王監(jiān)控程序，那就先必須在關(guān)閉組態(tài)王的情況下，先把PLC程序下載到PLC中，并且運行程序，再把編程軟件關(guān)閉，才可以啟動組態(tài)王，這樣就可以利用組態(tài)王在線監(jiān)控了。5.1啟動組態(tài)王翻開組態(tài)王的工程工程管理器，點擊窗口欄中“WIEW〞或者在畫面中點擊右鍵，選擇“切換到VIEW〞，啟動組態(tài)王，進(jìn)入主畫面。這個時候，系統(tǒng)會自動翻開一個信息窗口，可以通過信息窗口來知道，組態(tài)王的運行情況以及和PLC的連接是否成功。如果連接不成功，會出現(xiàn)通信失敗的提示語言，那就要查明原因，否那么不能監(jiān)控。如果提示連接設(shè)備成功，窗