摘 要傳統(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(shí)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的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(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)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)有相當(dāng)?shù)囊饬x。在以PLC控制為核心，加熱爐為基礎(chǔ)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，PLC將加熱爐溫度設(shè)定值與溫度傳感器的測量值之間的偏差經(jīng)PID運(yùn)算后得到的信號控制輸出電壓的大小，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制的目的。文章介紹了基于S7-200溫度控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：PLC 溫度控制 PID 調(diào)節(jié)器 S7-200 溫度傳感器 目錄1 溫度控制對象11.1 功能特點(diǎn)與技術(shù)參數(shù)11.2 控制手段12 方案設(shè)計(jì)02.1 現(xiàn)場總線概述02.2 WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的硬件組成33 WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的軟件配置53.4 WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)63.5 溫度控制算法84 S7-200 PLC控制程序的設(shè)計(jì)134.1 控制程序的組成134.2 溫度采集程序設(shè)計(jì)134.3 數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)144.4 PID控制程序設(shè)計(jì)165 WinCC組態(tài)175.1 變量組態(tài)175.2 畫面組態(tài)175.3 變量連接186 程序調(diào)試206.1 PLC調(diào)試方法與結(jié)果206.2 WinCC調(diào)試方法與結(jié)果207 PID參數(shù)的整定217.1 整定方法217.2 整定結(jié)果及分析228 技術(shù)小結(jié)23參考文獻(xiàn)24附錄I 1 溫度控制對象溫度控制對象，在工業(yè)控制過程中，是相當(dāng)重要的控制對象，因?yàn)闇囟戎苯拥挠绊懙搅巳紵⒒瘜W(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、蒸餾、濃度，結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理的和化學(xué)的變化過程。溫度控制的不好很有可能引起嚴(yán)重的安全事故，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列的問題。溫度控制是許多設(shè)備的重要的構(gòu)成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內(nèi)，以利于進(jìn)行工件的加工與處理。不論是在生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度的變化對生活、生產(chǎn)的某些細(xì)節(jié)環(huán)節(jié)都會(huì)造成不同程度的影響，所以適時(shí)地對溫度進(jìn)行控制具有重要的意義。1.1 功能特點(diǎn)與技術(shù)參數(shù)實(shí)踐證明溫度對象的特點(diǎn)是:時(shí)間常數(shù)大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，反應(yīng)在控制系統(tǒng)上，就是被控溫度的變化滯后于調(diào)節(jié)器的輸出。我們知道熱量的傳遞是需要一定時(shí)間的，溫度上升的快慢與其熱容量的大小有關(guān)，通常溫度的上升與下降和時(shí)間的關(guān)系是一個(gè)指數(shù)曲線關(guān)系。而產(chǎn)生滯后則與熱量的傳遞過程有關(guān)，再者測溫元件也有一定的慣性，這些都會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。本次設(shè)計(jì)選用的是TKPLC2型溫度控制器，該溫度控制器同樣的具有滯后大和慣性大的特點(diǎn)。該加熱器用的是0V到5V的電壓加熱，1.2 控制手段通過以上的分析，系統(tǒng)的總的滯后時(shí)間比較大，升溫的滯后時(shí)間相對降溫來說是比較小的。因此，在PID調(diào)節(jié)中，要使系統(tǒng)的品質(zhì)變好，除了加入適當(dāng)?shù)姆e分以消除靜態(tài)誤差外，還應(yīng)該加強(qiáng)比例作用使調(diào)節(jié)更加靈敏，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，同時(shí)還應(yīng)該加入適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔茫瓜到y(tǒng)的超調(diào)量減小。2 方案設(shè)計(jì)主要是通過實(shí)驗(yàn)的需要選擇硬件。然后將選擇的硬件組成控制系統(tǒng)，根據(jù)任務(wù)的要求選擇西門子的S7-200的PLC，TKPLC-2型加熱爐等硬件，硬件選擇完成后，跟據(jù)所選擇的硬件選擇合適的軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，只有擁有完整的硬件和軟件的系統(tǒng)才能所需要的功能。下面就仔細(xì)的介紹在設(shè)計(jì)中運(yùn)用到的硬件和軟件。2.1 現(xiàn)場總線概述目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface）、MODBus、SDS、Arcnet，國際標(biāo)準(zhǔn)組織-基金會(huì)現(xiàn)場總線FF：FieldBusFoundation、WorldFIP、BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等。這些現(xiàn)場總線大都用于過程自動(dòng)化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運(yùn)輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，大概不到十種的總線占有80左右的市場。下面仔細(xì)的介紹九種比較常用的現(xiàn)場總線。 2.1.1 基金會(huì)現(xiàn)場總線這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并的。該總線在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景?；饡?huì)現(xiàn)場總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，另外增加了用戶層。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kbit/秒，通信距離可達(dá)1900m，可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距離為750m和500m，支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符號IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。 2.1.2 LonWorks總線它由美國Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導(dǎo)。它采用ISO/OSI模型的全部7層通訊協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質(zhì)，通訊速率從300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距離可達(dá)2700m（78Kbit/s），被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。Lonworks技術(shù)采用的LonTalk協(xié)議被封裝到Neuron（神經(jīng)元）的芯片中，并得以實(shí)現(xiàn)。采用Lonworks技術(shù)和神經(jīng)元芯片的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。 2.1.3 Profibus總線Profibus是德國標(biāo)準(zhǔn)（DIN19245）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN50170）的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS-DP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA系列組成。DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。FMS適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。PA用于過程自動(dòng)化的總線類型，服從IEC11582標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s小為200m，可采用中繼器延長至10km，傳輸介質(zhì)為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。 2.1.4 CAN總線 最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術(shù)，通過設(shè)置優(yōu)先級來避免沖突，通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達(dá)40M /1Mbp/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。目前已有多家公司開發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。 2.1.5 HART總線HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫，最早由Rosemount公司開發(fā)。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過渡產(chǎn)品。其通信模型采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層，支持點(diǎn)對點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式。由于它采用模擬數(shù)字信號混和，難以開發(fā)通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆的要求，并可用于由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。 2.1.6 CC-Link總線CC-Link是Control&Communication Link（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的縮寫，在1996年11月，由三菱電機(jī)為主導(dǎo)的多家公司推出，其增長勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額。在其系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同是以10Mbit/s高速傳送至現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，具有性能卓越、使用簡單、應(yīng)用廣泛、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。其不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場配線復(fù)雜的問題，同時(shí)具有優(yōu)異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個(gè)以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。2005年7月CC-Link被中國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)批準(zhǔn)為中國國家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。 2.1.7 WordFIP總線WorkdFIP的北美部分與ISP合并為FF以后，WorldFIP的歐洲部分仍保持獨(dú)立，總部設(shè)在法國。其在歐洲市場占有重要地位，特別是在法國占有率大約為60%。WorldFIP的特點(diǎn)是具有單一的總線結(jié)構(gòu)來適用不同的應(yīng)用領(lǐng)域的需求，而且沒有任何網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋，用軟件的辦法來解決高速和低速的銜接。WorldFIP與FFHSE可以實(shí)現(xiàn)“透明聯(lián)接”，并對FF的H1進(jìn)行了技術(shù)拓展，如速率等。在與IEC61158第一類型的連接方面，WorldFIP做得最好，走在世界前列。 2.1.8 INTERBUS總線INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現(xiàn)場總線，2000年2月成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158。INTERBUS采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，具有強(qiáng)大的可靠性、可診斷性和易維護(hù)性。其采用集總幀型的數(shù)據(jù)環(huán)通信，具有低速度、高效率的特點(diǎn)，并嚴(yán)格保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院椭芷谛裕辉摽偩€的實(shí)時(shí)性、抗干擾性和可維護(hù)性也非常出色。INTERBUS廣泛地應(yīng)用到汽車、煙草、倉儲(chǔ)、造紙、包裝、食品等工業(yè)，成為國際現(xiàn)場總線的領(lǐng)先者。 2.1.9 DeviceNet總線DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，有著開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet具有的直接互聯(lián)性不僅改善了設(shè)備間的通信而且提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級陣地功能。DebiceNet基于CAN技術(shù)，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)為64個(gè)，其通信模式為：生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer），采用多信道廣播信息發(fā)送方式。位于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以自由連接或斷開，不影響網(wǎng)上的其他設(shè)備，而且其設(shè)備的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結(jié)構(gòu)是Open DeviceNet Vendor Association（開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會(huì)，簡稱“ODVA”）。1 2.1.10 PPI總線本次設(shè)計(jì)使用的是西門子的PPI總線，PPI（ 點(diǎn)對點(diǎn)接口） 是一種專為SIMATIC S7-200而開發(fā)的集成接口。PPI網(wǎng)絡(luò)通常連接S7-200設(shè)備。然而，其它 SIMATIC S7控制器（例如S7-300和S7-400）或操作員面板均可與PPI網(wǎng)絡(luò)中的S7-200進(jìn)行通訊。PPI是一種主站-從站協(xié)議，通過該協(xié)議主站設(shè)備可向從站設(shè)備發(fā)送請求。從站設(shè)備并不啟動(dòng)消息，而是一直等到主站設(shè)備發(fā)送請求或輪詢響應(yīng)。通訊將通過常用的PPI連接來執(zhí)行。主站設(shè)備包括：帶有 STEP7Micro/WIN的編程設(shè)備HMI設(shè)備（觸摸面板、文本顯示或操作員面板），從站設(shè)備包括：S7-200CPU擴(kuò)展機(jī)架（例如EM277）也可以通過編程將S7-200CPU作為PPI主站來激活。PPI基于PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)（IEC61158和EN50170），并支持以下總線拓?fù)洌嚎偩€型星型使用PPI，可以建立最多包括32個(gè)主站的多主站網(wǎng)絡(luò)：可以與任何從站進(jìn)行通訊的主站數(shù)量不受限制。可以為主站分配從站。可以使用RS-485中繼器擴(kuò)展PPI網(wǎng)絡(luò)。還可以將調(diào)制解調(diào)器連接至PPI網(wǎng)絡(luò)?？梢詾镻PI建立多種組態(tài)：單主站PPI網(wǎng)絡(luò)、多主站PPI網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜PPI網(wǎng)絡(luò)、帶有S7-300或S7-400的PPI網(wǎng)絡(luò)。2.2 WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的硬件組成溫度控制系統(tǒng)的主要硬件組成：帶有WinCC和有STEP7Micro/WIN軟件的計(jì)算機(jī)、PLC、PPI數(shù)據(jù)線、TKPLC-2型加熱爐。下面是本次系統(tǒng)的硬件組成圖，如圖2.2.1所示。上位機(jī)PLCS7-200TKPLC-2型加熱爐圖 2.2.1 系統(tǒng)硬件圖TKPLC-2型加熱爐，集成了加熱爐驅(qū)動(dòng)模塊和加熱爐變送器。這樣使硬件系統(tǒng)的組成更簡單、更容易。該系統(tǒng)是通過簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。由PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2.2.2所示，系統(tǒng)工作過程：一是給定值（0100）通過鍵盤輸入PLC主機(jī)，再由PLC主機(jī)傳遞給數(shù)字量輸出模塊，控制固態(tài)繼電器的開關(guān)狀態(tài)，從而控制電阻爐的加熱情況；二是通過溫度檢測裝置熱電偶檢測到的變換為電流信號的爐溫值通過模擬量輸入模塊讀入PLC主機(jī)，由PLC主機(jī)內(nèi)部PID的程序與溫度給定值相比較，對數(shù)字量輸出模塊進(jìn)行下一度的控制。其中PLC是整個(gè)系統(tǒng)的主控核心。PLC主機(jī)計(jì)算機(jī)PID調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度檢測裝置圖2.2.2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)圖實(shí)際溫度電阻爐2.2.1 S7-200PLC的選型S7-200系列PLC是SIEMENS公司新推出的一種小型PLC。它以緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的擴(kuò)展性、強(qiáng)大的指令功能、低廉的價(jià)格，已經(jīng)成為當(dāng)代各種小型控制工程的理想控制器。S7-200PLC包含了一個(gè)單獨(dú)的S7-200CPU和各種可選擇的擴(kuò)展模塊，可以十分方便地組成不同規(guī)模的控制器。其控制規(guī)?？梢詮膸c(diǎn)上到幾百點(diǎn)。S7-200PLC可以方便地組成PLC-PLC網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)-PLC網(wǎng)絡(luò)，從而完成規(guī)模更大的工程。S7-200的編程軟件STEP7-Micro/WIN32可以方便地在Windows環(huán)境下對PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控，使得PLC的編程更加方便、快捷?？梢哉f，S7-200可以完美地滿足各種小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。S7-200有四種CPU，其性能差異很大。這些性能直接影響到PLC的控制規(guī)模和PLC系統(tǒng)的配置。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種。檔次最低的是CPU221，其數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)有6點(diǎn)，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)有4點(diǎn)，是控制規(guī)模最小的PLC。檔次最高的應(yīng)屬CPU226，CPU226集成了24點(diǎn)輸入16點(diǎn)輸出，共有40個(gè)數(shù)字量I/O?？蛇B接七個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248點(diǎn)數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O。本次設(shè)計(jì)選用的是CPU226。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,輸出模塊以及輸入/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)際情況進(jìn)行選擇。在S7-200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號的數(shù)值范圍是0-32000，雙極性模擬信號的數(shù)值范圍是-32000- +320002。2.2.2 加熱爐的選型本次實(shí)驗(yàn)選用的加熱爐為TKPLC-2型。這種加熱爐集成有驅(qū)動(dòng)模塊和溫度變送器使用簡單，只需將輸入端和輸出端分別接到PLC的輸出模塊和輸入模塊就可以了。免去了硬件設(shè)計(jì)的麻煩。TKPLC-2型加熱爐，也具有慣性大，滯后大的特點(diǎn)，在實(shí)際控制過程的過程中會(huì)比較麻煩，而且該加熱爐是靠周邊環(huán)境自然降溫，所以降溫過程比較長。不過通過改良PID調(diào)節(jié)的參數(shù)，能勉強(qiáng)控制好加熱爐的溫度，使得穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差都能達(dá)到任務(wù)的要求。3 WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的軟件配置本次設(shè)計(jì)使用的軟件STEP7-Micro/WIN32和WinCC以及PC access，通過STEP7-Micro/WIN32編寫PLC的程序，通過Wincc的組態(tài)實(shí)現(xiàn)對控制過程的控制和監(jiān)視。PLC與WinCC之間通過PPI總線實(shí)現(xiàn)通信，實(shí)時(shí)的監(jiān)控加熱爐的工作狀態(tài)。3.1 STEP7-Micro/WIN32的介紹STEP7-Micro/WIN32是西門子公司專為SIMATIC S7-200系列可編程序控制器研制開發(fā)的編程軟件，它是基于Windows的應(yīng)用軟件，功能強(qiáng)大，既可用于開發(fā)用戶程序，又可實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。STEP7-Micro/WIN32編程軟件的基本功能是協(xié)助用戶完成應(yīng)用軟件的開發(fā)，其主要實(shí)現(xiàn)以下功能： 1）在脫機(jī)（離線）方式下創(chuàng)建用戶程序，修改和編輯原有的用戶程序。在脫機(jī)方式時(shí)，計(jì)算機(jī)與PLC斷開連接，此時(shí)能完成大部分的基本功能，如編程、編譯、調(diào)試和系統(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)的磁盤上。2）在聯(lián)機(jī)（在線）方式下可以對與計(jì)算機(jī)建立通信關(guān)系的PLC直接進(jìn)行各種操作，如上載、下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等。3）在編輯程序的過程中進(jìn)行語法檢查，可以避免一些語法錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)類型方面的錯(cuò)誤。經(jīng)語法檢查后，梯形圖中錯(cuò)誤處的下方自動(dòng)加紅色波浪線，語句表的錯(cuò)誤行前自動(dòng)畫上紅色叉，且在錯(cuò)誤處加上紅色波浪線。4）對用戶程序進(jìn)行文檔管理，加密處理等。5）設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。3.2 WinCC的介紹西門子公司的WinCC是WlndowsControIConter(視窗控制中心)的簡稱。 它集成了SCADA、組態(tài)、腳本(Script)語言和OPC等先進(jìn)技術(shù)，為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)(W1ndows2000或XP)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動(dòng)化(TIA)產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)和無縫集成的特點(diǎn)。WinCC運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境，可以與多種自動(dòng)化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目、可視窗口和菜單選項(xiàng)，使用方式靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報(bào)表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計(jì)周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一個(gè)特點(diǎn)在于其整體開放性，它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機(jī)界面，滿足實(shí)際需要。用戶也可將WinCC作為系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過開放式接口，開發(fā)其自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)。3.3 PC ACCESS的介紹西門子最新推出的PC Access 軟件是專用于S7-200 PLC的 OPC Server（服務(wù)器）軟件，它向OPC客戶端提供數(shù)據(jù)信息，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC Client（客戶端）通訊。PC Access軟件自帶OPC客戶測試端，用戶可以方便的檢測其項(xiàng)目的通訊及配置的正確性。OPC作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供了工業(yè)環(huán)境中信息交換的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，數(shù)據(jù)用戶不用再為不同廠家的數(shù)據(jù)源開發(fā)驅(qū)動(dòng)或服務(wù)程序。OPC將數(shù)據(jù)來源提供的數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)方式傳輸至任何客戶機(jī)應(yīng)用程序。OPC（用于進(jìn)程控制的OLE）是一種開放式系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，可允許在自動(dòng)化/PLC應(yīng)用、現(xiàn)場設(shè)備和基于PC的應(yīng)用程序（例如 HMI或辦公室應(yīng)用程序）之間進(jìn)行簡單的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交換。 定義工業(yè)環(huán)境中各種不同應(yīng)用程序的信息交換，它工作于應(yīng)用程序的下方。您可以在PC機(jī)上監(jiān)控、調(diào)用和處理可編程控制器的數(shù)據(jù)和事件。PC Access可以用于連接西門子，或者第三方的支持OPC技術(shù)的上位軟件。PC Access可以通過如下硬件連接與S7-200通訊：通過PC/PPI電纜（USB/PPI電纜）連接PC機(jī)上的USB口和S7-200、通過PC/PPI電纜（RS-232/PPI電纜）連接 PC機(jī)上的串行COM口和 S7-200、通過西門子通訊處理器（CP）卡和 MPI電纜連接 S7-200、通過PC機(jī)上安裝的調(diào)制解調(diào)器（Modem）連接S7-200上的EM241模塊、通過以太網(wǎng)連接 S7-200上的CP243-1或CP243-1 IT模塊，上述S7-200的通訊口可以是CPU通訊口，也可以是EM277的通訊口。PC Access所支持的協(xié)議：PPI（通過 RS-232PPI和 USB/PPI電纜）、MPI（通過相關(guān)的 CP卡）、Profibus-DP（通過CP卡）、S7協(xié)議（以太網(wǎng)）、Modems（內(nèi)部的或外部的，使用TAPI 驅(qū)動(dòng)器）。所有協(xié)議允許同時(shí)有8個(gè)PLC連接，一個(gè)PLC通訊口允許有4個(gè)PC機(jī)的連接，其中一個(gè)連接預(yù)留給Micro/WIN，PC Access與Micro/WIN可以同時(shí)訪問CPU，支持S7-200所有內(nèi)存數(shù)據(jù)類型。3.4 WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) WinCC和S7-200的網(wǎng)絡(luò)連接，只要是通過RS232或USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸速率在1.2 kbps 至 115.2 kbps 之間。WinCC和S7-200的網(wǎng)絡(luò)連接是點(diǎn)對點(diǎn)的連接，遵循PPI的通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有3種：單主站PPI網(wǎng)絡(luò)、多主站PPI網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜PPI網(wǎng)絡(luò)。下面就將各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。3.4.1 單主站PPI網(wǎng)絡(luò)通常，單主站PPI網(wǎng)絡(luò)由以下組件組成：帶有STEP7-Micro/WIN的編程設(shè)備/PC或作為主站設(shè)備的HMI設(shè)備（面板），作為從站設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)S7-200。單主站PPI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成如圖3.4.1所示。圖3.4.1 單主站PPI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖3.4.2 多主站PPI網(wǎng)絡(luò)PPI網(wǎng)絡(luò)還有構(gòu)成多主站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是由多臺(tái)主站計(jì)算機(jī)或者HMI設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)。利用這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)我們可以組態(tài)一個(gè)包含多個(gè)主站設(shè)備的PPI網(wǎng)絡(luò)，這些設(shè)備可以作為從站設(shè)備與一個(gè)或多個(gè)S7-200 進(jìn)行通訊。每個(gè)主站（編程設(shè)備/PC 或面板）均可以與網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)從站交換數(shù)據(jù)。多主站網(wǎng)絡(luò)原理如圖3.4.2所示。圖3.4.2 多主站網(wǎng)絡(luò)原理圖3.4.3 復(fù)雜PPI網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜PPI 網(wǎng)絡(luò)中，還可以對S7-200進(jìn)行編程以進(jìn)行對等通訊。對等通訊表示通訊伙伴都具有同等權(quán)限，既可以提供服務(wù)，也可以使用服務(wù)。在一個(gè)S7-200的用戶程序中的“從網(wǎng)絡(luò)讀取”(NETR)和“寫入網(wǎng)絡(luò)”(NETW)指令可以訪問其它S7-200中的過程數(shù)據(jù)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)原理如圖3.4.3所示。圖3.4.3 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)原理圖雖然PPI網(wǎng)絡(luò)能夠成很多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本次根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，我們只需控制一臺(tái)S7-200，所以我使用了單主站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3.5 溫度控制算法在工程實(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)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(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單,最常用的控制方式4。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(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。 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(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)。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)測誤差變化的趨勢，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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)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(dòng)態(tài)特性。3.5.1 PID算法的種類PID的基本算式有：位置型、增量型和速度型三種形式，其中最常用的事增量型式。設(shè)u(n)為本周期PID控制器的輸出（控制量），e(n)為本周期的PID輸入偏差信號，e(n-1)為上一個(gè)周期的偏差信號，e(n-2)為上上個(gè)周期的偏差信號。KP 為比例增益，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間，則PID基本算式的公式如下：1）位置型PID算式 （3.1） 根據(jù)微分方程和差分方程的對應(yīng)關(guān)系可知，如果微分方程中的積分運(yùn)算對應(yīng)差分方程 的累加運(yùn)算，微分方程對應(yīng)一個(gè)周期的增量變化，則能很容易的推導(dǎo)出表達(dá)式3.1。2）增量型PID算式 （3.2）由增量型PID算式也可以得到PID控制器的位置輸出： （3.3）3）速度型PID算式速度型PID算式的輸出值和執(zhí)行器的位置變化率（如調(diào)節(jié)閥的開度變化率、直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度等）相對應(yīng)，它是由增量型PID算式除以T得到： （3.4）33.5.2 回路定義表從在PID指令框中輸入的表格（TBL）起始地址為回路表分配八十（80個(gè)字節(jié)。S7-200的PID指令引用一個(gè)包含回路參數(shù)的回路表。此表起初的長度為36個(gè)字節(jié)。在增加了PID自動(dòng)調(diào)諧后，回路表現(xiàn)已擴(kuò)展到80個(gè)字節(jié)。如果使用PID調(diào)諧控制面板，與PID回路表的全部相互作用將由此控制面板代您完成。如果需要由操作員板提供自動(dòng)調(diào)諧能力，您的程序必須提供操作員和PID回路表之間的相互作用，以發(fā)起和監(jiān)視此自動(dòng)調(diào)諧進(jìn)程，以及隨后套用建議的調(diào)諧數(shù)值。表3.1 回路定義表偏移量域格式類型說明0PVn進(jìn)程變量雙字實(shí)數(shù)入包含進(jìn)程變量，必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。4SPn設(shè)定值雙字實(shí)數(shù)入包含設(shè)定值，必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。8Mn輸出雙字實(shí)數(shù)入/出包含計(jì)算輸出，在0.0至1.0范圍內(nèi)。12Kc增益雙字實(shí)數(shù)入包含增益，此為比例常數(shù)，可為正數(shù)或負(fù)數(shù)。16Ts采樣時(shí)間雙字實(shí)數(shù)入包含采樣時(shí)間，以秒為單位，必須為正數(shù)。20TI積分時(shí)間或復(fù)原雙字實(shí)數(shù)入包含積分時(shí)間或復(fù)原，以分鐘為單位，必須為正數(shù)。24TD微分時(shí)間或速率雙字實(shí)數(shù)入包含微分時(shí)間或速率，以分鐘為單位，必須為正數(shù)。28MX偏差雙字實(shí)數(shù)入/出包含0.0和1.0之間的偏差或積分和數(shù)值。32PVn-1以前的進(jìn)程變量雙字實(shí)數(shù)入/出包含最后一次執(zhí)行PID指令存儲(chǔ)的進(jìn)程變量以前的數(shù)值。3.5.3 PID回路計(jì)算方法S7-200 CPU提供PID回路指令（比例、積分、微分回路），執(zhí)行PID計(jì)算。PID回路操作取決于存儲(chǔ)在36個(gè)字節(jié)回路表中的9個(gè)參數(shù)。在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，PID控制器管理輸出數(shù)值，以便將錯(cuò)誤（e）驅(qū)動(dòng)為零。錯(cuò)誤測量由設(shè)定值（所需的操作點(diǎn)）和進(jìn)程變量（實(shí)際操作點(diǎn)）之間的差別決定。PID控制原則基于以下公式，其中將輸出M(t)表示為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)： （3.5）其中： M(t)作為時(shí)間函數(shù)的回路輸出 TD回路增益 E回路錯(cuò)誤（設(shè)定值和進(jìn)程變量之間的差別）Minitial回路輸出的初始值為了在數(shù)字計(jì)算機(jī)中運(yùn)行該控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)量化為錯(cuò)誤值的定期樣本，并隨后計(jì)算輸出。數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算以下列相應(yīng)的公式為基礎(chǔ)： （3.6）其中： Mn 采樣時(shí)間n的回路輸出計(jì)算值 Kc 回路增益 en 采樣時(shí)間n的回路錯(cuò)誤值 en-1 回路錯(cuò)誤的前一個(gè)數(shù)值（在采樣時(shí)間n -1） KI積分項(xiàng)的比例常數(shù) Minitial微分項(xiàng)的比例常數(shù) KD 微分項(xiàng)的比例常數(shù)在該公式中，積分項(xiàng)被顯示為全部錯(cuò)誤項(xiàng)的函數(shù)，從第一個(gè)樣本至當(dāng)前樣本。微分項(xiàng)是當(dāng)前樣本和前一個(gè)樣本的函數(shù)，而比例項(xiàng)僅是當(dāng)前樣本的函數(shù)。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，既不可能也沒有必要存儲(chǔ)所有的錯(cuò)誤項(xiàng)樣本。因?yàn)閺牡谝粋€(gè)樣本開始，每次對錯(cuò)誤采樣時(shí)數(shù)字計(jì)算機(jī)都必須計(jì)算輸出值，因此僅需存儲(chǔ)前一個(gè)錯(cuò)誤值和前一個(gè)積分項(xiàng)數(shù)值。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果的重復(fù)性，可在任何采樣時(shí)間對公式進(jìn)行簡化。簡化后的公式為： (3.7)其中： Mn 采樣時(shí)間n的回路輸出計(jì)算值 Kc 回路增益 en 采樣時(shí)間n的回路錯(cuò)誤值 en-1 回路錯(cuò)誤的前一個(gè)數(shù)值（采樣時(shí)間n1）KI 積分項(xiàng)的比例常數(shù) MX 積分項(xiàng)的前一個(gè)數(shù)值（采樣時(shí)間n1） KD 微分項(xiàng)的比例常數(shù)計(jì)算回路輸出值時(shí)，CPU使用對上述簡化公式的修改格式。修改后的公式為： (3.8)其中： Mn 采樣時(shí)間n的回路輸出計(jì)算值 MPn 采樣時(shí)間n的回路輸出比例項(xiàng)數(shù)值 MIn 采樣時(shí)間n的回路輸出積分項(xiàng)數(shù)值 MDn 采樣時(shí)間n的回路輸出微分項(xiàng)數(shù)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： （3.9）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與偏差和成正比。S7-200解決的求積分的算式是： （3.10）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)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)： （3.11）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： （3.12）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)作1.0看待。526現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4 S7-200 PLC控制程序的設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)完成過后，就需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，通過軟件設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)的要求，因此軟件設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)的過程中也是相當(dāng)?shù)闹匾Ｓ辛撕玫暮线m的程序才能使系統(tǒng)發(fā)揮其最大的優(yōu)勢，來調(diào)節(jié)加熱爐的溫度。4.1 控制程序的組成控制程序主要由溫度采集程序、數(shù)據(jù)濾波程序、PID控制程序組成，溫度采集程序的作用是將溫度值轉(zhuǎn)換成PLC能夠識別的數(shù)值。數(shù)據(jù)濾波程序是為了消除干擾對測量結(jié)果的影響，在PID控制前，需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣是為了避免由于外部的干擾而導(dǎo)致PID運(yùn)算出錯(cuò)。因此，濾波程序是非常的重要的。4.2 溫度采集程序設(shè)計(jì) 圖 4.2.1 溫度采集程序 溫度采集程序，由于溫度變送器送出的是4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，信號采集模塊將采集到的電流轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號過后，再通過一系列的數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，使得采集到的數(shù)據(jù)變成標(biāo)準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)信號，方便識別。同時(shí)采集到的數(shù)值也需要轉(zhuǎn)化成PLC的PID運(yùn)算要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型。爐溫實(shí)際溫度的檢測是要將溫度量轉(zhuǎn)化為PLC可識別的量，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。此時(shí)得到測得溫度值在PLC中計(jì)算所對應(yīng)的數(shù)，將該數(shù)送入變量寄存器VD296。4.3 數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)圖4.3.1網(wǎng)絡(luò)一 網(wǎng)絡(luò)一的程序是將每次采集到的值進(jìn)行累加，將累加后得到的值存入VD300中，進(jìn)行累加后就將得到所采集到的溫度值的總和。每次采集十組數(shù)據(jù)。圖4.3.2網(wǎng)絡(luò)二 網(wǎng)絡(luò)二是找出最大值和最小值。圖4.3.3網(wǎng)絡(luò)三 網(wǎng)絡(luò)三是將VB0寄存器中的數(shù)據(jù)清零。圖4.3.4網(wǎng)絡(luò)四 網(wǎng)絡(luò)四是將最大值和最小值從所求的總和中減去，從而實(shí)現(xiàn)，減去一個(gè)最大值和減去一個(gè)最小值，達(dá)到限幅的作用。圖4.3.5 網(wǎng)絡(luò)五 網(wǎng)絡(luò)五是將剩下的總和求平均，從而得到設(shè)計(jì)中想的到的溫度值。圖4.3.6 網(wǎng)絡(luò)六 網(wǎng)絡(luò)六的作用是將所有使用過的寄存器初始化。數(shù)據(jù)濾波的方法有很多種，其中軟件濾波的方法包括：限幅濾波、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法（又稱滑動(dòng)平均濾波法）、中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法）、限幅平均濾波法、一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖濾波法、限幅消抖濾波法。圖4.3.1到圖4.3.6的程序圖使用的是限幅平均值濾波。整體思想是，將十次采集到的數(shù)據(jù)，先去掉一個(gè)最大值，然后去掉一個(gè)最小值，然后將剩下的8個(gè)數(shù)求和取平均值。4.4 PID控制程序設(shè)計(jì) 圖4.4.1 PID控制程序 PID控制程序在整個(gè)程序中是重要的組成部分，通過PID控制程序可以很好的控制加熱爐的工作狀態(tài)。PID控制程序在整個(gè)程序中是重要的組成部分，通過PID控制程序可以很好的控制加熱爐的工作狀態(tài)。當(dāng)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(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(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)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。本設(shè)計(jì)采用的是閉環(huán)控制系統(tǒng)。比例增益、積分時(shí)間、比例時(shí)間，根據(jù)回路定義表的要求分別存到VD332、VD340、VD344中?，F(xiàn)場總線測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)5 WinCC組態(tài) WinCC的組態(tài)在人機(jī)界面的制作中是必不可少的過程，只有正確的將各個(gè)變量正確的組合到WinCC當(dāng)中，我們才能正常的監(jiān)視加熱爐的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)的對加熱爐進(jìn)行控制。5.1 變量組態(tài)變量組態(tài)是通過PC ACCESS完成的，PC ACCESS是專用于S7-200 PLC的 OPC Server（服務(wù)器）軟件，它向 OPC客戶端提供數(shù)據(jù)信息，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC Client（客戶端）通訊。變量組態(tài)完成后，可以用軟件自帶的OPC客戶測試端檢測其項(xiàng)目的變量是否通訊及配置是否正確。變量組態(tài)在畫面組態(tài)前是相當(dāng)重要的工作，只有通過OPC客戶測試端檢測通訊正常后，WinCC組態(tài)后的變量才能正常和PLC通訊。OPC的使用步驟：設(shè)置通訊訪問通道、創(chuàng)建PLC、創(chuàng)建Folder、創(chuàng)建Item、測試通訊質(zhì)量。當(dāng)測試通訊質(zhì)量顯示好時(shí)，說明了變量組態(tài)完成。變量組態(tài)如表5.1。表5.1 變量組態(tài)表名稱地址數(shù)據(jù)類型存取TVD296REALRWINPUTVD200REALRWKcVD332REALRWTiVD340REALRWTdVD344REALRWPVD204REALRW5.2 畫面組態(tài)打開 WinCC Explorer 窗口 創(chuàng)建一個(gè) WinCC單用戶項(xiàng)目，在變量管理器添加新的驅(qū)動(dòng)程序OPC。在OPC 項(xiàng)目管理器中添加S7-200的系統(tǒng)參數(shù)。將所需要的變量全部添加到變量管理器中。然后在WinCC資源管理器中，右擊“圖形編輯器”，在彈出的菜單中，單擊“新建畫面”選項(xiàng)，選擇新建畫面，系統(tǒng)默認(rèn)畫面名為“NewPdl.pdl”（pdl為畫面描述文件），雙擊擊“NewPdl.pdl”，進(jìn)入圖形編輯畫面。進(jìn)入圖形編輯界面后，就要進(jìn)行圖形的編輯，首先是利用靜態(tài)文本顯示輸出值，這種窗口的數(shù)據(jù)只能看，不能進(jìn)行修改，所以只適用于我溫度輸出值顯示。而需要輸入數(shù)據(jù)的就使用輸入輸出文本。這種文本的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的修改，并把修改的變量值傳送PLC，例如溫度設(shè)定值，PID算法的增益，積分時(shí)間，微分時(shí)間都需要用這種方式。然后再建立曲線圖，曲線圖主要用來進(jìn)行設(shè)定值與顯示值的對比。整個(gè)畫面組態(tài)完成后的圖如圖5.2.1所示。圖 5.2.1 畫面組態(tài)5.3 變量連接S7-200與WinCC的通訊是PPI協(xié)議，PPI協(xié)議是西門子S7-200系列PLC常用通信協(xié)議，但WinCC中沒有集成該協(xié)議，即WinCC不能直接監(jiān)控S7-200系列PLC組成的控制系統(tǒng)。S7-200 OPC Server是西門子公司推出的專為解決上位機(jī)監(jiān)控S7-200系列PLC控制系統(tǒng)的接口軟件。因此，WinCC可以通過該軟件與S7-200系列PLC很方便的建立通信。在WinCC變量管理器中添加一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)程序，新的驅(qū)動(dòng)程序選擇OPC.CHN，在OPC GROUP中新建一個(gè)連接，打開屬性，選擇 OPC Group Setting，OPC服務(wù)器名稱為OPCServer.MicroComputing。然后在新添加的連接中新建變量，變量的Item Name與S7-200系列PLC中用于監(jiān)控的變量名對應(yīng)。變量連接的基本步驟如下：1)用STEP7 MICROWIN完成S7-200的工程建立和編程，其中必須為OPC準(zhǔn)備好符號表。注意符號表名稱以及表中變量名都禁用中文，這是OPC的要求。2)安裝PC ACCESS，然后導(dǎo)入前面建立的S7-200符號表，同時(shí)定義PC access到S7-200的通訊。這在PG/PC INTERFACE中完成。具體通過PPI，或MPI，或PROFIBUS，或以太，或MODEM均可以，根據(jù)所用硬件定。3)進(jìn)入WinCC，添加OPC驅(qū)動(dòng)，定義OPC的屬性時(shí)點(diǎn)擊瀏覽。瀏覽路徑是LOCAL/SIMATIC S7-200 OPC SERVER，由此按提示將導(dǎo)入到PC ACCESS中的變量添加到WinCC。4)進(jìn)入WinCC完成其他組態(tài)，即可引用S7-200中的變量。變量連接后，運(yùn)行WinCC，相應(yīng)的變量的值就會(huì)在WinCC上很好的顯示出來，顯示結(jié)果如圖5.3.1.圖5.3.1 變量顯示圖現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)6 程序調(diào)試 程序調(diào)試是非常重要的階段，我們寫程序不可能一寫就對，在編寫的過程中會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的問題，當(dāng)然我們就必須通過程序調(diào)試，使得程序正確，達(dá)到預(yù)期的功能，通過修改和調(diào)試程序，也可以使控制的品質(zhì)更高。6.1 PLC調(diào)試方法與結(jié)果PLC程序的調(diào)試分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試兩個(gè)調(diào)試過程，在此之前首先對PLC外部接線作仔細(xì)檢查，外部接線一定要準(zhǔn)確無誤。也可以用事先編寫好的試驗(yàn)程序?qū)ν獠拷泳€做掃描通電檢查來查找接線故障。為了安全考慮，最好將主電路斷開。將編寫完成的程序逐條仔細(xì)檢查，并改正寫入時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。當(dāng)我寫完程序過后，首先編譯檢查錯(cuò)誤，看使用的語句中是否有違反PLC規(guī)定的用法，發(fā)現(xiàn)了語句錯(cuò)誤過后馬上進(jìn)行修改，通過多次的修改，最后程序