揚(yáng)州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校YANGZHOUTECHNICALVOCATIONALCOLLEGE畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目基于倉庫糧食溫度的監(jiān)控與處理作者所屬學(xué)校揚(yáng)州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校專業(yè)年級08屆電氣自動(dòng)化指導(dǎo)教師職稱教師寫作時(shí)間20120423摘要可編程控制器是一種應(yīng)用很廣泛的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合溫度控制的要求。在工業(yè)領(lǐng)域，隨著自動(dòng)化程度的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，人機(jī)界面的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機(jī)界面可以對控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，包括過程監(jiān)測、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得操作人性化、過程可視化，在自動(dòng)控制領(lǐng)域的作用日益顯著。本文主要介紹了基于西門子公司S7200系列的可編程控制器和亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王的爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。編程時(shí)調(diào)用了編程軟件STEP7MICROWIN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡潔，運(yùn)行速度更為理想。利用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采樣與處理。實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)具有快、準(zhǔn)、穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)溫度控制領(lǐng)域能夠廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞溫度控制可編程控制器人機(jī)界面組態(tài)王ABSTRACTPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLCISAKINDOFAUTOMATICCONTROLEQUIPMENTWHICHISWIDELYUSEDINTHEINDUSTRIALMANUFACTUREITMERGESTHETRADITIONALCONTROLTECHNOLOGY,COMPUTERANDCOMMUNICATIONTECHNOLOGIESWITHASTRONGABILITYTOCONTROL,FLEXIBLEOPERATION,HIGHRELIABILITYANDSUITABLEFORLONGTERMCHARACTERISTICSOFCONTINUOUSWORKITISVERYSUITABLEFORTEMPERATURECONTROLREQUIREMENTSINTHEINDUSTRIALFIELD,WITHTHERAPIDINCREASEINTHEDEGREEOFAUTOMATION,ITISMOREANDMOREIMPORTANTTOMONITORTHEPROCESSOFCONTROLSYSTEMFORTHEUSERSTHEEMERGENCEOFHUMANMACHINEINTERFACEMEETSTHENEEDSOFUSERSMANMACHINEINTERFACECANCOMPREHENSIVELYMONITORTHECONTROLSYSTEM,INCLUDINGPROCESSMONITORING,ALARM,DATALOGGINGANDOTHERFUNCTIONS,SOTHATTHECONTROLSYSTEMSHAVEBECOMEUSERFRIENDLYOPERATION,THEPROCESSOFVISUALIZATIONANDITWILLPLAYMOREANDMOREIMPORTANTPARTINTHEFIELDOFAUTOMATICCONTROLTHISESSAYMAINLYINTRODUCESADESIGNOFTEMPERATURECONTROLSYSTEMWITHSIMATICPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLCANDCONFIGURATIONSOFTWAREKINGVIEWWHICHISDEVELOPEDBYBEIJINGYAKONGCOMPANYWHENPROGRAMMING,WEUSETHEPIDCONTROLARITHMETICSOFTWAREMODULEWHICHISCONTAINEDINTHEPROGRAMSOFTWARESTEP7MICROWINSOTHATTHEPROGRAMLOOKSEASIERANDOPERATESMOREQUICKLYINORDERTOMONITORTHECONTROLSYSTEMANDPROCESSDATAINACTUALTIME,WEDESIGNEDHUMANMACHINEINTERFACE（HMI）WITHTHECONFIGURATIONSOFTWAREKINGVIEWTHERESULTOFEXPERIMENTPROVESTHATTHISTEMPERATURECONTROLSYSTEMCOULDRUNQUICKLY,ACCURATELYANDHAVEGOODSTABILITY,WHICHISTHEADVANTAGEOFTHECONTROLSYSTEMTHISCONTROLSYSTEMHASBEENWIDELYUSEDINTHEINDUSTRIALTEMPERATURECONTROLFIELDWITHTHECONTINUOUSDEVELOPMENTOFAUTOMATICSCIENCEANDTECHNOLOGY,HIGHPRECISION,INTELLIGENT,USERFRIENDLYTEMPERATURECONTROLSYSTEMISTHEINEVITABLETRENDOFDEVELOPMENTATHOMEANDABROADKEYWORDSTEMPERATURECONTROLPLCHMIKINGVIEW目錄第一章前言111項(xiàng)目背景、意義112溫控系統(tǒng)的現(xiàn)狀213項(xiàng)目研究內(nèi)容3第二章PLC和HMI基礎(chǔ)521可編程控制器基礎(chǔ)5211可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用5212可編程控制器的組成和工作原理5213可編程控制器的分類及特點(diǎn)822人機(jī)界面基礎(chǔ)8221人機(jī)界面的定義8222人機(jī)界面產(chǎn)品的組成及工作原理9223人機(jī)界面產(chǎn)品的特點(diǎn)9第三章PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1031PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟10311PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則10312PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟1132PLC的選型與硬件配置13321PLC型號的選擇13322S7200CPU的選擇14323EM231模擬量輸入模塊14324熱電式傳感器1633I/O點(diǎn)分配及電氣連接圖1734PLC控制器的設(shè)計(jì)17341控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立17342PID控制及參數(shù)整定19第四章PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2241PLC程序設(shè)計(jì)方法2242編程軟件STEP7MICRO/WIN概述23421STEP7MICRO/WIN簡單介紹23422梯形圖語言特點(diǎn)24423STEP7MICRO/WIN參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置）2543程序設(shè)計(jì)27431設(shè)計(jì)思路27432控制程序流程圖27433梯形圖程序28434PID指令向?qū)У倪\(yùn)用31435語句表（STL）程序35第五章基于組態(tài)王的HMI設(shè)計(jì)3751人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì)37511監(jiān)控主界面38512實(shí)時(shí)趨勢曲線39513歷史趨勢曲線40514報(bào)警窗口40515設(shè)定畫面4252變量設(shè)置4253動(dòng)畫連接44第六章系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及分析4661系統(tǒng)運(yùn)行4662運(yùn)行結(jié)果分析47621溫度趨勢曲線分析47622報(bào)警信息分析49第七章總結(jié)50參考文獻(xiàn)51致謝52第一章前言11項(xiàng)目背景、意義溫度控制在電子、冶金、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對控制調(diào)節(jié)器要求極高。目前,仍有相當(dāng)部分工業(yè)企業(yè)在用窯、爐等烘干生產(chǎn)線，存在著控制精度不高、爐內(nèi)溫度均勻性差等問題,達(dá)不到工藝要求，造成裝備運(yùn)行成本費(fèi)用高，產(chǎn)出品品質(zhì)低下，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，急需技術(shù)改造。近年來，國內(nèi)外對溫度控制器的研究進(jìn)行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，溫度控制器的研究取得了巨大的發(fā)展，形成了一批商品化的溫度調(diào)節(jié)器，如職能化PID、模糊控制、自適應(yīng)控制等，其性能、控制效果好,可廣泛應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關(guān)設(shè)備的技術(shù)改造服務(wù)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi),PLC（可編程控制器）以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。目前的工業(yè)控制中,常常選用PLC作為現(xiàn)場的控制設(shè)備,用于數(shù)據(jù)采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機(jī)則是利用HMI軟件來完成工業(yè)控制狀態(tài)、流程和參數(shù)的顯示,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和存儲等功能。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了PLC和計(jì)算機(jī)各自的特點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。在這種方式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套溫度控制系統(tǒng)。以基于PLC的下位機(jī)和完成HMI功能的上位機(jī)相結(jié)合,構(gòu)建成分布式控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了溫度自動(dòng)控制。PLC不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴(kuò)展輸入輸出模塊，特別是可以擴(kuò)展一些智能控制模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體，實(shí)現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制?，F(xiàn)代PLC以集成度高、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定受到普遍歡迎，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用,尤其適合溫度控制的要求。此外，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，人機(jī)界面（HMI）的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機(jī)界面可以對控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，包括參數(shù)監(jiān)測、信息處理、在線優(yōu)化、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得簡單易懂、操作人性化，深受廣大用戶的喜歡。人機(jī)界面（HMI）在自動(dòng)控制領(lǐng)域的作用日益顯著。HMI正在成為引導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)制造走向成功的重要因素，因?yàn)檫@些系統(tǒng)越來越多的用于監(jiān)控生產(chǎn)過程，讓過程變得更加準(zhǔn)確、簡潔和快速。HMI其實(shí)廣義的解釋就是“使用者與機(jī)器間溝通、傳達(dá)及接收信息的一個(gè)接口”。舉個(gè)例子來說，在一座工廠里頭，我們要搜集工廠各個(gè)區(qū)域的溫度、濕度以及工廠中機(jī)器的狀態(tài)等等的信息透過一臺主控器監(jiān)視并記錄這些參數(shù)，并在一些意外狀況發(fā)生的時(shí)候能夠加以處理。這便是一個(gè)很典型的SCADA/HMI的運(yùn)用，一般而言，HMI系統(tǒng)必須有幾項(xiàng)基本的能力實(shí)時(shí)的資料趨勢顯示把擷取的資料立即顯示在屏幕上。自動(dòng)記錄資料自動(dòng)將資料儲存至數(shù)據(jù)庫中，以便日后查看。歷史資料趨勢顯示把數(shù)據(jù)庫中的資料作可視化的呈現(xiàn)。報(bào)表的產(chǎn)生與打印能把資料轉(zhuǎn)換成報(bào)表的格式，并能夠打印出來。圖形接口控制操作者能夠透過圖形接口直接控制機(jī)臺等裝置。警報(bào)的產(chǎn)生與記錄使用者可以定義一些警報(bào)產(chǎn)生的條件。比方說溫度過度或壓力超過臨界值，在這樣的條件下系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生警報(bào)，通知作業(yè)員處理1。12溫控系統(tǒng)的現(xiàn)狀自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在職能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)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,并在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用2。它們主要具有如下特點(diǎn)1適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。2能適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。3能適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。4這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工職能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛。5溫度控制器普遍具有參數(shù)自整定功能。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。6溫度控制系統(tǒng)既有控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。目前,國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能話、小型化等方面快速發(fā)展3。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛,但從國內(nèi)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(jìn)國家相比仍然有著較大的差距。目前,我國在這方面總體水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平,成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主,它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制,難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)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(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒開發(fā)出性能可靠的自整定軟件。控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及我國現(xiàn)場調(diào)試來確定。這些差距，是我們必須努力克服的。隨著我國加入WTO，我國政府及企業(yè)對此非常重視，對相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過合資、技術(shù)合作等方式，組建了一批合資、合作及獨(dú)資企業(yè)，使我國溫度儀表等工業(yè)得到迅速的發(fā)展4。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對溫度控制系統(tǒng)的要求愈來愈高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國內(nèi)外必然發(fā)展趨勢。13項(xiàng)目研究內(nèi)容可編程控制器PLC是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱PLC、工業(yè)機(jī)器人、CAD/CAM之一。PLC的應(yīng)用已成為一個(gè)世界潮流，在不久的將來PLC技術(shù)在我國將得到更全面的推廣和應(yīng)用。本論文研究的是PLC技術(shù)在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)，控制對象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。本論文通過德國西門子公司的S7200系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實(shí)現(xiàn)對爐子溫度的控制。同時(shí)利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設(shè)計(jì)一個(gè)人機(jī)界面（HMI），通過串行口與可編程控制器通信，對控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便?？傮w上包括的技術(shù)路線硬件設(shè)計(jì)，軟件編程，參數(shù)整定等。全論文分七章,各章的主要內(nèi)容說明如下。第一章，對溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用的背景及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了闡述，指出了本文的研究意義所在。第二章，簡單概述了PLC和人機(jī)界面的基本概念以及結(jié)構(gòu)功能等基礎(chǔ)內(nèi)容。第三章，主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度,介紹該項(xiàng)目的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、PLC的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及PLC控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的整定。第四章，在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法，編程軟件STEP7MICRO/WIN的介紹以及本項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)。第五章，詳細(xì)介紹了如何在亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”的基礎(chǔ)上進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。第六章，展示了系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，然后對其分析得出結(jié)論。第七章，總結(jié)全文。第二章PLC和HMI基礎(chǔ)可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡稱PLC（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），它使用了可編程序的記憶以存儲指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程。21可編程控制器基礎(chǔ)211可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價(jià)格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得推廣。1968年，美國通用汽車公司（GM）為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，立即引發(fā)了開發(fā)熱潮。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來。隨著PLC功能的不斷完善，性價(jià)比的不斷提高，PLC的應(yīng)用面也越來越廣。目前，PLC在國內(nèi)外已經(jīng)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(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通?？煞譃殚_關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等5。212可編程控制器的組成和工作原理PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結(jié)構(gòu)上基本相同。無論是整體式還是模塊式，從硬件結(jié)構(gòu)看，PLC都是由CPU、存儲器、I/O接口單元及擴(kuò)展接口和擴(kuò)展部件、外設(shè)接口及外設(shè)和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖21所示輸入接口中央處理單元CPU輸出接口電源存儲單元圖21PLC基本結(jié)構(gòu)圖1）CPU（中央處理器）CPU是PLC的核心，由運(yùn)算器、控制器、寄存器、系統(tǒng)總線，外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路構(gòu)成。它的功能是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)定的寄存器中，同時(shí)，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(cuò)誤等，是PLC不可缺少的組成單元。主要功能包括以下幾個(gè)方面。（1）接收從編程器或者計(jì)算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲器存儲。（2）監(jiān)視電源、PLC內(nèi)部各個(gè)單元電路的工作狀態(tài)。（3）診斷編程過程中的語法錯(cuò)誤，對用戶程序進(jìn)行編譯。（4）在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。（5）采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。（6）按程序進(jìn)行處理，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。（7）根據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，將結(jié)果送到輸出接口。（8）響應(yīng)中斷和各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機(jī)等）的任務(wù)處理請求。2）I/O接口PLC是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點(diǎn)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所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。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(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。PLC的對外功能主要是通過各種I/O接口模塊于外界聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是PLC與現(xiàn)場I/O裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備之間的傳遞信息的作用。I/O模塊分為開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。3）存儲器存儲器（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。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)程序存儲器用于存儲整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲器（ROM），具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲器用于存儲用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設(shè)計(jì)的控制程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲器（RAM），需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲器（EEPROM）或閃存FLASHMEMORY，免去了后備電池的麻煩。4）電源模塊PLC中的電源，是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。電源可分直流和交流兩種類型，交流輸入220VAC或110VAC，直流輸入通常是24V。5）智能模塊除了上述通用的I/O模塊外，PLC還提供了各種各樣的特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程I/O控制、打印機(jī)等專用型或智能型的I/O模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。I/O模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好，模塊的I/O容量越大，系統(tǒng)的適應(yīng)性就越強(qiáng)。6）編程設(shè)備常見的編程設(shè)備有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶程序，對系統(tǒng)作些設(shè)定，監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程設(shè)備在PLC的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場的控制。PLC本質(zhì)上就是一臺微型計(jì)算機(jī)，其工作原理與普通計(jì)算機(jī)類似，具有計(jì)算機(jī)的許多特點(diǎn)。但其工作方式卻與計(jì)算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。工作時(shí)逐條順序掃描用戶程序，如果一個(gè)線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作，需等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作6。213可編程控制器的分類及特點(diǎn)根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。還可以按I/O點(diǎn)數(shù)分類，根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型、大型和超大型四類IO點(diǎn)數(shù)在256以下為小型PLC；IO點(diǎn)數(shù)在2561024為中型PLC；IO點(diǎn)數(shù)大于1024為大型PLC；IO點(diǎn)數(shù)在4000以上為超大型PLC可編程控制器有可靠性高、編程簡單易學(xué)、功能強(qiáng)、安裝簡單、維修方便、采用模塊化結(jié)構(gòu)、接口模塊豐富、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試周期短等特點(diǎn)7。22人機(jī)界面基礎(chǔ)隨著社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，控制過程也變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。人機(jī)界面（HMIHUMANMACHINEINTERFACE）以其美觀易懂、操作人性化等顯著特點(diǎn)，正好滿足這種需求而得到廣泛的應(yīng)用。221人機(jī)界面的定義人機(jī)界面是指連接可編程控制器（PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互的數(shù)字設(shè)備,由硬件和軟件兩部分組成。222人機(jī)界面產(chǎn)品的組成及工作原理人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理器的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI的核心單元。根據(jù)HMI的產(chǎn)品等級不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件分為兩部分，即運(yùn)行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運(yùn)行于PC機(jī)WINDOWS操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如組態(tài)王等）。用戶必須先使用組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC機(jī)和HMI產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運(yùn)行。223人機(jī)界面產(chǎn)品的特點(diǎn)1系統(tǒng)運(yùn)行過程清晰化控制過程可以動(dòng)態(tài)地顯示在HMI設(shè)備上。例如爐子加熱通斷可以通過指示燈亮滅來顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來指示等等，使整個(gè)控制系統(tǒng)變得形象易懂，也更加清晰。2系統(tǒng)操作簡單化操作員可以通過監(jiān)控界面來控制過程。可從監(jiān)控界面上啟動(dòng)和停止系統(tǒng)、設(shè)定溫度上下限、設(shè)置PID參數(shù)等。3顯示報(bào)警控制過程達(dá)到臨界狀態(tài)或系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，例如，當(dāng)爐子溫度超出溫度上下限時(shí)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。4數(shù)據(jù)歸檔HMI系統(tǒng)可以記錄過程變量值和報(bào)警信息并歸檔。例如通過歸檔數(shù)據(jù)，您可以查看過去一段時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)行情況，過程變量等。5報(bào)表系統(tǒng)HMI系統(tǒng)可以輸出報(bào)警和過程值報(bào)表。例如，您可以在生產(chǎn)某一輪班結(jié)束時(shí)打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)8。第三章PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)在掌握了PLC的硬件構(gòu)成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可以PLC作為主要控制器來構(gòu)造PLC控制系統(tǒng)。本章主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度，介紹該項(xiàng)目的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、PLC的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及PLC控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的整定。31PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟弄懂PLC的基本工作原理和指令系統(tǒng)后,就可以把PLC應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中。無論是用PLC組成集散控制系統(tǒng)，還是獨(dú)立控制系統(tǒng)，PLC控制部分的設(shè)計(jì)都可以參考圖31所示的步驟。311PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對象生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)原則往往會(huì)涉及很多方面，其中最基本的設(shè)計(jì)原則可以歸納為4點(diǎn)。1設(shè)計(jì)原則1完整性原則。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機(jī)械設(shè)備的控制要求。2可靠性原則。確保計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。3經(jīng)濟(jì)型原則。力求控制系統(tǒng)簡單、實(shí)用、合理。4發(fā)展性原則。適當(dāng)考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2評估控制任務(wù)根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務(wù)，對被控對象的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，特別是從以下幾個(gè)方面給以考慮。1控制規(guī)模一個(gè)控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的I/O設(shè)備總數(shù)來衡量。當(dāng)控制規(guī)模較大時(shí),特別是開關(guān)量控制的I/O設(shè)備較多時(shí)，最適合采用PLC控制。2工藝復(fù)雜程度當(dāng)工藝要求較復(fù)雜時(shí),采用PLC控制具有更大的優(yōu)越性3可靠性要求目前,當(dāng)I/O點(diǎn)數(shù)在20甚至更少時(shí)，就趨向于選擇PLC控制了。4數(shù)據(jù)處理速度若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時(shí)，采用PLC控制將非常適宜9。評估控制任務(wù)PLC機(jī)型的選擇控制柜設(shè)計(jì)及布線程序設(shè)計(jì)聯(lián)機(jī)調(diào)試PLC安裝程序檢查、調(diào)試控制流程的設(shè)計(jì)程序備份修改軟、硬件模擬運(yùn)行投入使用是否滿足要求圖31PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟312PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。所謂硬件設(shè)計(jì)，是指PLC外部設(shè)備的設(shè)計(jì)，而軟件設(shè)計(jì)即PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分以下5步進(jìn)行。1熟悉被控對象深入了解被控系統(tǒng)是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)人員必須深入現(xiàn)場，認(rèn)真調(diào)查研究，收集資料，并于相關(guān)技術(shù)人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題。這一階段必須對被控對象所有功能全面的了解，對對象的各種動(dòng)作及動(dòng)作時(shí)序、動(dòng)作條件、必要的互鎖與保護(hù)電氣系統(tǒng)與機(jī)械、液壓、氣動(dòng)及各儀表等系統(tǒng)間的關(guān)系PLC與其他設(shè)備的關(guān)系，PLC之間是否通信聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的工作方式及人機(jī)界面，需要顯示的物理量及顯示方式等。2硬件選擇具體包括如下。1系統(tǒng)I/O設(shè)備的選擇。輸入設(shè)備包括按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等。輸出設(shè)備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等。2選擇PLC。PLC選擇包括對PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。3PLC的I/O端口分配。在進(jìn)行I/O通道分配時(shí)應(yīng)給出I/O通道分配表，表中應(yīng)包含I/O編號、設(shè)備代號、名稱及功能等。4繪制PLC外圍硬件線路圖。畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。5計(jì)數(shù)器、定時(shí)器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。3編寫應(yīng)用程序根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實(shí)現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)容1初始化程序。在PLC上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動(dòng)作必要的準(zhǔn)備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作。初始化程序的主要內(nèi)容有對某些數(shù)據(jù)區(qū)、計(jì)數(shù)器等進(jìn)行清零，對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，對某些繼電器進(jìn)行置位或復(fù)位，對某些初始狀態(tài)進(jìn)行顯示等等。2檢測、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對獨(dú)立，一般在程序設(shè)計(jì)基本完成時(shí)再添加。3保護(hù)和連鎖程序。保護(hù)和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認(rèn)真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。4程序調(diào)試程序調(diào)試分為2個(gè)階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場調(diào)試。程序模擬調(diào)試是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場實(shí)際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。1硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺PLC或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時(shí)效性較強(qiáng)。2軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場信號，其簡單易行，但時(shí)效性不易保證。模擬調(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。現(xiàn)場調(diào)試。當(dāng)控制臺及現(xiàn)場施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時(shí)更正軟硬件方面的問題。5編寫技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序以及使用說明書等10。32PLC的選型與硬件配置321PLC型號的選擇本溫度控制系統(tǒng)選擇德國西門子公司的S7200系列的PLC。S7200PLC屬于小型整體式的PLC,本機(jī)自帶RS485通信接口、內(nèi)置電源和I/O接口。它的硬件配置靈活，既可用一個(gè)單獨(dú)的S7200CPU構(gòu)成一個(gè)簡單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴(kuò)展，構(gòu)成較復(fù)雜的中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)10。完整的S7200系列PLC實(shí)物如圖32所示。圖32S7200系列PLC實(shí)物圖322S7200CPU的選擇S7200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型。此系統(tǒng)選用S7200CPU226，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。可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248點(diǎn)數(shù)字量或35點(diǎn)模擬量I/O。還有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間空間，6個(gè)獨(dú)立的30KHZ高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHZ高速脈沖輸出，具有PID控制器。配有2個(gè)RS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為384KBIT/S，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)11。本溫度控制系統(tǒng)由于輸入/輸出點(diǎn)數(shù)不多，本可以使用CPU224以下的類型，不過為了能調(diào)用編程軟件STEP7里的PID模塊，只能采用CPU226及以上機(jī)種。323EM231模擬量輸入模塊本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入PLC中進(jìn)行處理。在這里，我們選用了西門子EM2314TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊提供一個(gè)方便的，隔離的接口，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(guān)進(jìn)行組態(tài)SW1SW3用于選擇熱電偶類型，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用于選擇測量單位，SW8用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償。本系統(tǒng)用的是K型熱電偶，所以DIP開關(guān)SW1SW8組態(tài)為00100000；EM231具體技術(shù)指標(biāo)見表31。表31EM231技術(shù)指標(biāo)型號EM231模擬量輸入模塊總體特性外形尺寸712MM80MM62MM功耗3W輸入特性本機(jī)輸入4路模擬量輸入電源電壓標(biāo)準(zhǔn)DC24V/4MA輸入類型010V，05V，5V,25V,020MA分辨率12BIT轉(zhuǎn)換速度250S隔離有耗電從CPU的DC5V（I/O總線）耗電10MADIP開關(guān)SW10,SW20,SW31（以K型熱電偶為例）表32所示為如何使用DIP開關(guān)設(shè)置EM231模塊，開關(guān)1、2和3可選擇模擬量輸入范圍。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍。表中，ON為接通，OFF為斷開。表32EM231選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表單極性SW1SW2SW3滿量程輸入分辨率OFFON0到10V25MV0到5V125MVONONOFF0到20MA5UA雙極性SW1SW2SW3滿量程輸入分辨率OFFON5V25MVOFFONOFF25V125MVEM231校準(zhǔn)和配置位置圖如圖33所示。圖33DIP配置EM231324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。其中最常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化,而熱電阻是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)中需要用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，且爐子的溫度最高達(dá)幾百度,所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。國際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有S、B、E、K、R、J、T七種類型，在本系統(tǒng)中，我們選用了K型熱電偶（分度表如表33所示），其測溫范圍大約是01000。系統(tǒng)里的烤爐最高溫度不過幾百度，加上一定的裕度就足夠了，另外其成本也不算高12。表33K型熱電偶分度表33I/O點(diǎn)分配及電氣連接圖1該溫度控制系統(tǒng)中I/O點(diǎn)分配表如表34所示。表34I/O點(diǎn)分配表2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及硬件連接圖。系統(tǒng)選用PLCCPU226為控制器，K型熱電偶將檢測到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過EM231模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實(shí)現(xiàn)對爐子溫度的控制。PLC和HMI相連接，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。整個(gè)硬件連接圖如圖34和35所示。輸入觸點(diǎn)功能說明輸出觸點(diǎn)功能說明IO1啟動(dòng)按鈕Q00運(yùn)行指示燈（綠）I02停止按鈕Q01停止指示燈（紅）Q03固態(tài)繼電器計(jì)算機(jī)PLCEM231模塊固態(tài)繼電器熱電偶烤爐圖34系統(tǒng)框架圖34PLC控制器的設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì)是基于模型控制設(shè)計(jì)過程中最重要的一步。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(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能指標(biāo)確定控制器的參數(shù)值。341控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器（電熱偶）將檢測到的溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號經(jīng)過溫度模塊后，與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法進(jìn)行修正，返回對應(yīng)工況下的固態(tài)繼電器導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對爐子的溫度控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖36所示，方框圖如圖37所示。圖35系統(tǒng)硬件連接圖PLC控制器固態(tài)繼電器烤爐溫度模塊熱電偶圖36控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖RSESUSYS_圖37控制系統(tǒng)方框圖圖37中，RS為設(shè)定溫度的拉氏變換式；ES為偏差的拉氏變換式；GCS為控制器的傳遞函數(shù)；GOS為廣義對象，即控制閥、對象控制通道、測量變送裝置三個(gè)環(huán)節(jié)的合并；該溫度控制系統(tǒng)是具有時(shí)滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為GCSGOS（31）式31中，為對象放大系數(shù)；為對象時(shí)間常數(shù)；為對象時(shí)滯。0K0T（32）由階躍響應(yīng)法求得，05；25分鐘；12分鐘。00T342PID控制及參數(shù)整定比例、積分、微分三種控制方式各有獨(dú)特的作用。比例控制是一種最基本的控制規(guī)律，具有反應(yīng)速度快，控制及時(shí)，但控制結(jié)果有余差等特點(diǎn)。積分控制可以消除余差，但是工業(yè)上很少單獨(dú)使用積分控制的，因?yàn)榕c比例控制相比，除非積分速度無窮大，否則積分控制就不可能想比例控制那樣及時(shí)的對偏差加以響應(yīng)，所以控制器的輸出變化總是滯后與偏差的變化，從而難以對干擾進(jìn)行及時(shí)且有效的控制。微分作用是對偏差的變化速度加以響應(yīng)的，因此，只要偏差一有變化，控制器就能根據(jù)變化速度的大小，適當(dāng)改變其輸出信號，從而可以及時(shí)克服干擾的影響，抑制偏差的增長，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是理想微分控制器的控制結(jié)果也不能消除余差，而且控制效果要比純比例控制器更差。將三種方式加以組合在一起，就是比例積分微分（PID）控制,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（33）式33中為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。PKITDT根據(jù)以上的分析，本溫度控制系統(tǒng)適于采用PID控制。完成了上述內(nèi)容后，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)確定了。在系統(tǒng)投運(yùn)之前，還需要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定?？刂破鲄?shù)整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法。理論計(jì)算整定法是在已知被控對象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，通過理論計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來求得最佳的整定參數(shù)。這類方法計(jì)算繁雜，工作量又大，而且由于用解析法或?qū)嶒?yàn)測定法求得的對象數(shù)學(xué)模型都只能近似的反映過程的動(dòng)態(tài)特性，整定結(jié)果的精度是不高的，因而未在工程上受到廣泛推廣。對于工程整定法，工程技術(shù)人員無需知道對象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計(jì)算所需的理論知識，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛使用。常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應(yīng)曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法來整定控制器的參數(shù)值。下面介紹下方法步驟。經(jīng)驗(yàn)整定法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)湊試法，是工程技術(shù)人員在長期生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的。它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行，通過觀察人為加入干擾（改變設(shè)定值）后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應(yīng)的控制參數(shù)值，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗(yàn)整定法主要通過調(diào)整比例度的大小來滿足質(zhì)量指標(biāo)。整定途徑有以下兩條1）先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的比例度，將人為加入干擾后的過渡過程調(diào)整為41的衰減振蕩過程。然后再加入積分I作用，一般先取積分時(shí)間T1為衰減振蕩周期的一半左右。由于積分作用將使振蕩加劇，在加入的積分作用之前，要先衰減比例作用，通常把比例度增大1020。調(diào)整積分時(shí)間的大小，直到出現(xiàn)41的衰減振蕩。需要時(shí)，最后加入微分（D）作用，即從零開始，逐漸加大微分時(shí)間TD，由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可以把積分時(shí)間也縮短一些。通過微分時(shí)間的湊試，使過渡時(shí)間最短，超調(diào)量最小。2）先根據(jù)表選取積分時(shí)間TI和TD，通常取TD1/31/4TI，然后對比例度進(jìn)行反復(fù)湊試，直至得到滿意的結(jié)果。如果開始時(shí)TI和TD設(shè)置的不合適，則有可能得不到要求的理想曲線。這時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整TI和TD，再重復(fù)湊試，使曲線最終符合控制要求13。表35控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)控制變量規(guī)律的選擇比例度（）積分時(shí)間TI（分鐘）微分時(shí)間TD（分鐘）溫度對象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩，應(yīng)小，TI要長，一般需要微分2060310053通過經(jīng)驗(yàn)整定法的整定，PID控制器整定參數(shù)值為比例系數(shù)120，CK積分時(shí)間3分鐘，微分時(shí)間1分鐘。ITDT第四章PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，上一章已經(jīng)詳細(xì)介紹了本項(xiàng)目硬件連接。本章在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將詳細(xì)介紹本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法，編程軟件STEP7MICRO/WIN的介紹以及本項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)。41PLC程序設(shè)計(jì)方法編寫PLC程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。1圖解法編程圖解法是靠畫圖進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時(shí)序流程圖法和步進(jìn)順控法。（1）梯形圖法梯形圖法是用梯形圖語言去編制PLC程序。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法，其圖形甚至元件名稱都有繼電器電路十分相似。這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成PLC的梯形圖語言。這對于熟悉繼電器控制的人來說，是最方便的一種編程方法。（2）邏輯流程圖法邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示PLC程序的執(zhí)行過程，反映輸入與輸出的關(guān)系。邏輯流程圖會(huì)使整個(gè)程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點(diǎn)及調(diào)試和維修程序。（3）時(shí)序流程圖法時(shí)序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時(shí)序圖（即到某一個(gè)時(shí)間應(yīng)該進(jìn)行哪項(xiàng)控制的控制時(shí)序圖），再根據(jù)時(shí)序關(guān)系畫出對應(yīng)的控制任務(wù)的程序框圖，最后把框圖寫成PLC程序。這種方法很適合以時(shí)間為基準(zhǔn)的控制系統(tǒng)的編程方法。（4）步進(jìn)順控法步進(jìn)順控法是在順控指令的配合下設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制程序。一般比較復(fù)雜的程序都可以分成若干個(gè)功能比較簡單的程序段，一個(gè)程序可以看成整個(gè)控制過程的一步。2經(jīng)驗(yàn)法編程經(jīng)驗(yàn)法是運(yùn)用自己的或者別人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。多數(shù)是設(shè)計(jì)前先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己的“試驗(yàn)程序”。結(jié)合自己工程的情況，對這些“試驗(yàn)程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是通過PLC編程軟件（比如STEP7MICRO/WIN）在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。使用編程軟件可以很方便的在計(jì)算機(jī)上離線或在線編程、在線調(diào)試，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序的存取、加密以及形成EXE文件14。42編程軟件STEP7MICRO/WIN概述STEP7MICRO/WIN編程軟件是基于WINDOWS的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為S7200系列可編程控制器設(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，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。它是西門子S7200用戶不可缺少的開發(fā)工具?，F(xiàn)在加上中文程序后，可在全中文的界面下進(jìn)行操作，用戶使用起來更加方便。操作主界面如圖41所示。421STEP7MICRO/WIN簡單介紹以STEP7MICRO/WIN創(chuàng)建程序，為接通STEP7MICRO/WIN，可雙擊STEP7MICRO/WIN圖標(biāo)，或選擇開始（START）SIMATICSTEP7MICRO/WIN40菜單命令。如圖41所示，STEP7MICRO/WIN項(xiàng)目窗口將提供用于創(chuàng)建控制程序的便利工作空間。工具欄將提供快捷鍵按鈕，用于經(jīng)常使用的菜單命令，可顯示或隱藏工具欄的任何按鈕。瀏覽條給出了多組圖標(biāo)，用于訪問STEP7MICRO/WIN的不同編程特性。指令樹將顯示用于創(chuàng)建控制程序的所有項(xiàng)目對象和指令?？蓪蝹€(gè)的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個(gè)指令，以便將其插入到程序編輯器中光標(biāo)的當(dāng)前位置。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(shí)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底部均按標(biāo)簽顯示。單擊標(biāo)簽可在子程序、中斷程序和主程序之間來回變換15。STEP7MICRO/WIN提供了用于創(chuàng)建程序的三個(gè)編輯器梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。盡管有某些限制，在這些程序編輯器的任何一個(gè)中編寫的程序均可用其它程序編輯器進(jìn)行瀏覽和編輯。用的比較多的是梯形圖（LAD）編程語言。下面詳細(xì)介紹梯形圖的特點(diǎn)。圖41編程軟件STEP7MICRO/WIN主界面422梯形圖語言特點(diǎn)梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計(jì)稱為編程。梯形圖程序設(shè)計(jì)語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語言。采用梯形圖程序設(shè)計(jì)語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設(shè)計(jì)語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。每個(gè)梯級是一個(gè)因果關(guān)系。在梯級中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在后面。梯形圖程序設(shè)計(jì)語言是最常用的一種程序設(shè)計(jì)語言。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā)展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應(yīng)用。梯形圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)是（1）與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性；（2）與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對電氣技術(shù)人員來說，易于撐握和學(xué)習(xí)；（3）與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點(diǎn)是，梯形圖中的能流（POWERFLOW）不是實(shí)際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實(shí)際存在的繼電器，因此，應(yīng)用時(shí)，需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對待；（4）與布爾助記符程序設(shè)計(jì)語言有一一對應(yīng)關(guān)系，便于相互的轉(zhuǎn)換和程序的檢查16。423STEP7MICRO/WIN參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置）本項(xiàng)目中PLC要與電腦正確通信，安裝完STEP7MICRO/WIN編程軟件且設(shè)置好硬件后，可以按下列步驟進(jìn)行通訊設(shè)置。（1）在STEP7MICRO/WIN運(yùn)行時(shí)單擊通訊圖標(biāo)，或從“視圖”菜單中選擇選項(xiàng)“通信”，則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)通信對話框（如圖42所示）。圖42通信參數(shù)設(shè)置（2）在對話框中雙擊PC/PPI電纜的圖標(biāo)，將出現(xiàn)PG/PC接口對話框或者直接單擊“檢視”欄中單擊“設(shè)置PG/PC接口”也行。如圖43所示。圖43PG/PC接口對話框（3）單擊PROPERTIES按鈕，將出現(xiàn)接口屬性對話框，檢查各參數(shù)的屬性是否正確，其中通信波特率默認(rèn)值為96KBPS（如圖44所示）。圖44通信參數(shù)設(shè)置43程序設(shè)計(jì)431設(shè)計(jì)思路