1、提供全套，各專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 編 號(hào)： 審定成績(jī)： 啊啊啊啊大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）設(shè)計(jì)（論文）題目：基于西門子S7-200系列PLC工業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué) 院 名 稱 ：啊啊啊啊啊學(xué) 生 姓 名 ：啊啊啊專 業(yè) ：啊啊啊啊啊啊啊啊班 級(jí) ：0000000學(xué) 號(hào) ：0000000000指 導(dǎo) 教 師 ：啊啊啊答辯組 負(fù)責(zé)人 ：啊啊啊填表時(shí)間： 2014 年 5 月啊啊啊啊大學(xué)教務(wù)處制誠(chéng)信承諾書本人慎重承諾和聲明：本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）過(guò)程中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，恪守學(xué)術(shù)規(guī)范，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成，沒(méi)有剽竊和抄襲他人的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、思想和成果，未篡改研究數(shù)據(jù)，若有違規(guī)行為的發(fā)生，我愿接受學(xué)校處理，并承

2、擔(dān)一切法律責(zé)任。論文作者簽名： 年 月 日 摘 要隨著計(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)生的可編程邏輯控制器（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)變得經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定且維護(hù)方便。本文介紹了基于西門子公司S7200系列PLC的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)采用PC+PLC的主從控制結(jié)構(gòu)，組成一種經(jīng)濟(jì)可靠的工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)。加熱爐溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)大慣性系統(tǒng)，一般采用PID算法進(jìn)行控制，運(yùn)用PLC梯形圖編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，對(duì)鍋爐工作過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。利用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，實(shí)

3、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，并可以實(shí)現(xiàn)友好的用戶界面，是一種具有一定應(yīng)用價(jià)值的實(shí)時(shí)溫度控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)之后系統(tǒng)穩(wěn)定性好、精度高、魯棒性強(qiáng)?！娟P(guān)鍵詞】加熱爐 PLC PID 溫度控制 上位機(jī) ABSTRACTWith the development of the computer control technology，the traditional relay control technology must be replaced necessarily by the programmable logic controller（PLC） control technology whi

4、ch generates based on computer technology，and PLC has excellent performance what makes the temperature control system with PLC technology become more economic，more efficient，more stable and easily maintainThis thesis introduces a design technique of the temperature control system with SIMATIC S7200

5、series PLC，details the hardware design and the software design of the systemThis control system adopts PC&PLC masterslave control construction，constitutes an economic and reliable industrial heating furnace temperature control systemThe furnace temperature control system is a large inertia system，ge

6、nerally uses the PID algorithm to control，and uses ladder diagram programming language of PLC to programme，in order to carry out the automatic control of the heating furnace work processUsing the configuration software KingView to design the upper computer interface to monitor the control system and

7、 real-time sample and processIt is able to get a friendly user interface，is a real-time temperature control system which has moderate application valueAfter the design，the system has a good stability，a high precision and a strong robustness【Key words】The heating furnace PLC PID Temperature control T

8、he upper computer目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc393743818 前 言 PAGEREF _Toc393743818 h 1 HYPERLINK l _Toc393743819 第一章 工業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc393743819 h 2 HYPERLINK l _Toc393743820 第一節(jié) 溫度控制系統(tǒng)背景及發(fā)展趨勢(shì) PAGEREF _Toc393743820 h 2 HYPERLINK l _Toc393743821 一、溫度控制系統(tǒng)背景 PAGEREF _Toc393743821 h 2 HYPERLINK

9、 l _Toc393743822 二、溫度控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) PAGEREF _Toc393743822 h 2 HYPERLINK l _Toc393743823 第二節(jié) 研究?jī)?nèi)容與任務(wù) PAGEREF _Toc393743823 h 3 HYPERLINK l _Toc393743824 第三節(jié) 本章小結(jié) PAGEREF _Toc393743824 h 3 HYPERLINK l _Toc393743825 第二章 設(shè)計(jì)方案及控制算法 PAGEREF _Toc393743825 h 5 HYPERLINK l _Toc393743826 第一節(jié) 設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc393743

10、826 h 5 HYPERLINK l _Toc393743827 一、系統(tǒng)總體方案 PAGEREF _Toc393743827 h 5 HYPERLINK l _Toc393743828 二、硬件設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc393743828 h 5 HYPERLINK l _Toc393743829 三、軟件設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc393743829 h 6 HYPERLINK l _Toc393743830 四、上位機(jī)設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc393743830 h 7 HYPERLINK l _Toc393743831 第二節(jié) 控制算法 PAGEREF _Toc

11、393743831 h 8 HYPERLINK l _Toc393743832 一、控制算法選擇 PAGEREF _Toc393743832 h 8 HYPERLINK l _Toc393743833 二、PID算法介紹 PAGEREF _Toc393743833 h 8 HYPERLINK l _Toc393743834 第三節(jié) 本章小結(jié) PAGEREF _Toc393743834 h 10 HYPERLINK l _Toc393743835 第三章 加熱爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc393743835 h 11 HYPERLINK l _Toc393743836 第一節(jié) 系統(tǒng)

12、硬件組成 PAGEREF _Toc393743836 h 11 HYPERLINK l _Toc393743837 一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 PAGEREF _Toc393743837 h 11 HYPERLINK l _Toc393743838 二、各組成部分的任務(wù) PAGEREF _Toc393743838 h 11 HYPERLINK l _Toc393743839 第二節(jié) AE2000型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) PAGEREF _Toc393743839 h 12 HYPERLINK l _Toc393743840 一、電加熱鍋爐 PAGEREF _Toc393743840 h 12 HYPERLIN

13、K l _Toc393743841 二、溫度變送器 PAGEREF _Toc393743841 h 12 HYPERLINK l _Toc393743842 三、三相晶閘管移相調(diào)壓裝置 PAGEREF _Toc393743842 h 12 HYPERLINK l _Toc393743843 第三節(jié) 可編程邏輯控制器及模擬量擴(kuò)展模塊 PAGEREF _Toc393743843 h 13 HYPERLINK l _Toc393743844 一、可編程邏輯控制器 PAGEREF _Toc393743844 h 13 HYPERLINK l _Toc393743845 二、模擬量擴(kuò)展模塊 PAGERE

14、F _Toc393743845 h 15 HYPERLINK l _Toc393743846 第四節(jié) 本章小結(jié) PAGEREF _Toc393743846 h 17 HYPERLINK l _Toc393743847 第四章 加熱爐控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc393743847 h 18 HYPERLINK l _Toc393743848 第一節(jié) 設(shè)計(jì)思路 PAGEREF _Toc393743848 h 18 HYPERLINK l _Toc393743849 一、主程序部分 PAGEREF _Toc393743849 h 18 HYPERLINK l _Toc393743850

15、 二、溫度標(biāo)度變換部分 PAGEREF _Toc393743850 h 18 HYPERLINK l _Toc393743851 三、PID運(yùn)算調(diào)節(jié)部分 PAGEREF _Toc393743851 h 18 HYPERLINK l _Toc393743852 第二節(jié) 主程序 PAGEREF _Toc393743852 h 18 HYPERLINK l _Toc393743853 第三節(jié) 標(biāo)度變換子程序 PAGEREF _Toc393743853 h 19 HYPERLINK l _Toc393743854 第四節(jié) PID初始化子程序及中斷程序 PAGEREF _Toc393743854 h 2

16、0 HYPERLINK l _Toc393743855 第五節(jié) 本章小結(jié) PAGEREF _Toc393743855 h 26 HYPERLINK l _Toc393743856 第五章 上位機(jī)的設(shè)計(jì)與調(diào)試 PAGEREF _Toc393743856 h 27 HYPERLINK l _Toc393743857 第一節(jié) 上位機(jī)與下位機(jī)的通信連接 PAGEREF _Toc393743857 h 27 HYPERLINK l _Toc393743858 第二節(jié) 組態(tài)王工程的建立和調(diào)試 PAGEREF _Toc393743858 h 27 HYPERLINK l _Toc393743859 第三節(jié)

17、本章小結(jié) PAGEREF _Toc393743859 h 29 HYPERLINK l _Toc393743860 第六章 系統(tǒng)運(yùn)行及結(jié)果分析 PAGEREF _Toc393743860 h 30 HYPERLINK l _Toc393743861 第一節(jié) 系統(tǒng)運(yùn)行 PAGEREF _Toc393743861 h 30 HYPERLINK l _Toc393743862 第二節(jié) 結(jié)果分析 PAGEREF _Toc393743862 h 30 HYPERLINK l _Toc393743863 第三節(jié) 本章小結(jié) PAGEREF _Toc393743863 h 31 HYPERLINK l _To

18、c393743864 結(jié) 論 PAGEREF _Toc393743864 h 32 HYPERLINK l _Toc393743865 致 謝 PAGEREF _Toc393743865 h 33 HYPERLINK l _Toc393743866 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc393743866 h 34 HYPERLINK l _Toc393743867 附 錄 PAGEREF _Toc393743867 h 35 HYPERLINK l _Toc393743868 一、英語(yǔ)原文 PAGEREF _Toc393743868 h 35 HYPERLINK l _Toc393743869

19、二、英語(yǔ)翻譯 PAGEREF _Toc393743869 h 44 HYPERLINK l _Toc393743870 三、源程序 PAGEREF _Toc393743870 h 51前 言溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中，溫度控制占有著極為重要的地位。由于PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控具有很高的可靠性，且編程簡(jiǎn)單、靈活，因此越來(lái)越受到人們重視，PLC也被廣泛地應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)。所以在現(xiàn)代工業(yè)控制中，選用PLC對(duì)溫度進(jìn)行控制將是大多數(shù)人的選擇。因此設(shè)計(jì)一個(gè)基于PLC的工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)具有重要意義。對(duì)于工業(yè)加熱爐控

20、制系統(tǒng)，從分析對(duì)象要求，形成設(shè)計(jì)思想，選用設(shè)備，編寫并優(yōu)化程序，在本論文中都會(huì)得到詳細(xì)和完整地論述。第一章 工業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)概述第一節(jié) 溫度控制系統(tǒng)背景及發(fā)展趨勢(shì)一、溫度控制系統(tǒng)背景溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中被廣泛地使用，同時(shí)又是人們供熱取暖設(shè)備的主要驅(qū)動(dòng)來(lái)源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年。期間，它從低級(jí)到高級(jí)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對(duì)溫度控制精度的要求不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展。自70年代以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)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)的發(fā)展下，還有在自動(dòng)控制理論與設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外的溫度控制系統(tǒng)迅猛發(fā)展，并且在職能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等

21、方面取得了不錯(cuò)成果。在這一方面，日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)的技術(shù)領(lǐng)先，已經(jīng)產(chǎn)生了一批商品化的、性能高的溫度控制器及儀器儀表，并且被各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，我國(guó)總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著較大差距。目前，我國(guó)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(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟。形成商品化并在儀表控制系統(tǒng)參數(shù)的自整定方面，由于國(guó)外技術(shù)保密

22、及我國(guó)開發(fā)工作的滯后，還沒(méi)有開發(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)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定。二、溫度控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)前比較流行的溫度控制系統(tǒng)1有基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機(jī)（IPC）的溫度控制系統(tǒng)，另外還有集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）等。各種溫度系統(tǒng)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，用戶需要根據(jù)實(shí)際需要選擇系統(tǒng)配置。當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)用中，為了達(dá)到更好的控制效果，可以采取多個(gè)系統(tǒng)的集成，做到互補(bǔ)長(zhǎng)短。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外必然的發(fā)展趨勢(shì)。第二節(jié) 研究?jī)?nèi)容與任務(wù)加

23、熱爐由內(nèi)膽、夾套及附屬的加熱電阻絲組成。水的溫度是通過(guò)熱傳遞的方式，將熱能由溫度高的內(nèi)膽水傳到溫度低的夾套水中去。于是，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)加熱電阻絲兩端的電壓，加熱控制內(nèi)膽水溫，進(jìn)而控制夾套水溫。可編程邏輯控制器（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，已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已經(jīng)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技術(shù)在溫度控制系統(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(duì)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)界面地設(shè)計(jì)等。串級(jí)系統(tǒng)2是由調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作

24、，整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，即主回路和副回路，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。一次擾動(dòng)作用在主被控過(guò)程上，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)作用在副被控過(guò)程上，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過(guò)程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。以加熱爐為控制對(duì)象水的容器；以加熱爐夾套水溫為主被控參數(shù)，以內(nèi)膽水溫為副被控參數(shù)；以三相調(diào)壓裝置為系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；以西門子S7200系列PLC3為控制器，構(gòu)成加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，主、副控制器采用PID控制

25、算法，運(yùn)用PLC梯形圖編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，手動(dòng)整定PID參數(shù)，實(shí)時(shí)反饋內(nèi)膽、夾套水溫，控制加熱裝置，使加熱爐溫度達(dá)到設(shè)定溫度值左右，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和停止；運(yùn)行指示燈顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；上述物品及功能實(shí)現(xiàn)加熱爐夾套溫度地自動(dòng)控制。系統(tǒng)配置一臺(tái)上位監(jiān)控PC機(jī)，PC機(jī)安裝有北京亞控公司的“組態(tài)王”監(jiān)控組態(tài)軟件，通過(guò)USBPPI編程電纜同PLC的RS485串行接口進(jìn)行通訊。第三節(jié) 本章小結(jié)隨著歷史的發(fā)展，溫度控制系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，而且精度要求越來(lái)越高，在此期間溫控系統(tǒng)技術(shù)得到迅猛的發(fā)展。尤其以日本，美國(guó)，德國(guó)，瑞典為代表，它們的技術(shù)遙遙領(lǐng)先，并且已經(jīng)生產(chǎn)出商品化，性能高的溫度控制器及儀器儀

26、表。我國(guó)與他們相比，雖然在各行各業(yè)都有廣泛使用溫度控制系統(tǒng)，但是在生產(chǎn)制造、科學(xué)研究等方面，我國(guó)與日本，美國(guó)等國(guó)有很大差距。目前國(guó)內(nèi)有基于單片機(jī)的、PLC的、IPC的溫度控制系統(tǒng)，還有集散型、現(xiàn)場(chǎng)總線溫度控制系統(tǒng)。這些溫度控制系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)：基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，但是它受單片機(jī)的影響較大，因?yàn)閱纹瑱C(jī)響應(yīng)慢，中斷源少，所以此溫度控制系統(tǒng)不適用于復(fù)雜，高要求的工作環(huán)境；考慮到工控機(jī)性能穩(wěn)定，可用軟件多，價(jià)格低的因素，它被廣泛應(yīng)用，但是單獨(dú)使用時(shí)，容易被干擾，可靠性差；集散型溫度控制系統(tǒng)是款集聚監(jiān)控及協(xié)調(diào)管理的不錯(cuò)的控制系統(tǒng)，但是它的成本過(guò)高，難以大范圍的應(yīng)用；現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是個(gè)優(yōu)點(diǎn)較

27、多的控制系統(tǒng)，但是它才剛開始進(jìn)入實(shí)用化，并且各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，在國(guó)際上互換使用比較麻煩；相對(duì)于上述溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，PLC的可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，易于學(xué)習(xí)掌握，所以它在工業(yè)上的使用更加廣泛，從經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)講，其成本低，市場(chǎng)占有率高，前景廣闊。通過(guò)運(yùn)用串級(jí)系統(tǒng)的思想與PLC技術(shù)，以及對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，使得加熱爐溫度控制系統(tǒng)達(dá)成預(yù)定目標(biāo)，即主、副控制器采用PID控制算法，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，手動(dòng)整定PID參數(shù)，控制調(diào)壓裝置及加熱電阻絲兩端電壓，使夾套溫度能夠穩(wěn)定在設(shè)定溫度值的附近，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和停止，運(yùn)行指示燈實(shí)時(shí)監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前內(nèi)膽溫度值與夾套溫度值。第二章 設(shè)

28、計(jì)方案及控制算法第一節(jié) 設(shè)計(jì)方案一、系統(tǒng)總體方案加熱爐溫度控制系統(tǒng)主要由硬件、軟件和上位機(jī)45三部分組成。設(shè)計(jì)方案是對(duì)PLC進(jìn)行編程來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體控制；溫度變送器采集夾套和內(nèi)膽溫度信號(hào)；兩個(gè)常開按鈕分別對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行與停止進(jìn)行手動(dòng)控制；指示燈用來(lái)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；模擬量擴(kuò)展模塊承擔(dān)兩個(gè)模擬量輸入和一個(gè)模擬量輸出的任務(wù)；調(diào)壓裝置根據(jù)模擬量擴(kuò)展模塊的輸出信號(hào)對(duì)加熱爐內(nèi)電阻絲兩端電壓進(jìn)行控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制6。利用上位機(jī)中的組態(tài)軟件的功能，構(gòu)建一套最適合本系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)，允許操作人員通過(guò)上位機(jī)直接向設(shè)備發(fā)出控制指令。二、硬件設(shè)計(jì)方案硬件基本構(gòu)成有PLC部分、模擬量擴(kuò)展模塊、調(diào)壓裝置、溫度變送器

29、、電加熱鍋爐（內(nèi)含加熱電阻絲）、啟動(dòng)/停止按鈕與指示燈七個(gè)部分組成7。其硬件部分組成及其關(guān)系如圖2.1所示：圖2.1 硬件連接圖基本工作原理：加熱爐是控制對(duì)象（本設(shè)計(jì)采用自來(lái)水作為控制對(duì)象）的容器，通過(guò)溫度變送器檢測(cè)內(nèi)膽水溫和夾套溫度，各自產(chǎn)生15V電壓信號(hào)，傳送給S7200 PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235，由PLC主控系統(tǒng)部分進(jìn)行運(yùn)算和處理，之后再將由模擬量擴(kuò)展模塊EM235產(chǎn)生420mA的控制信號(hào)傳送給調(diào)壓裝置，調(diào)壓裝置根據(jù)不同的控制信號(hào)輸出不同的電壓來(lái)控制加熱爐內(nèi)的電阻絲來(lái)對(duì)水進(jìn)行加熱，由此水溫升高或降低會(huì)影響溫度變送器，從而產(chǎn)生了一個(gè)閉環(huán)回路控制，因此達(dá)到平衡控制水溫的目的。通過(guò)啟動(dòng)

30、和停止產(chǎn)生的開關(guān)量數(shù)字信號(hào)來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行與停止，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制的功能。指示燈顯示系統(tǒng)的運(yùn)行情況。三、軟件設(shè)計(jì)方案軟件基本結(jié)構(gòu)由主/副PID控制器控制對(duì)象溫度。其基本工作原理7：首先預(yù)計(jì)出兩個(gè)PID控制器的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行PID初始化；把夾套溫度變送器傳送回來(lái)的15V電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊EM235的輸入口A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)?40032000的數(shù)字量（稱為主回路的夾套溫度過(guò)程值PV1），同時(shí)給定一個(gè)夾套溫度給定值SP，將SP和PV1傳送給主控制器PID1運(yùn)算，得到的結(jié)果OUT1作為副控制器的給定值SP，將它和內(nèi)膽溫度變送器傳送回來(lái)的內(nèi)膽溫度過(guò)程值PV0傳送給副控制器 PID0運(yùn)算，得到的結(jié)果OUT0

31、經(jīng)過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊EM235的輸出口D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)?20mA的控制信號(hào)傳送給調(diào)壓裝置，對(duì)爐內(nèi)加熱電阻絲進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)內(nèi)膽溫度和夾套溫度進(jìn)行檢測(cè)，形成雙閉環(huán)回路的串級(jí)控制。其控制回路組成圖如圖2.2所示：圖2.2 溫度串級(jí)控制系統(tǒng)流程圖如圖2.3所示：圖2.3 系統(tǒng)流程圖四、上位機(jī)設(shè)計(jì)方案使用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)出能反應(yīng)系統(tǒng)的組成；系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；顯示加熱爐實(shí)時(shí)溫度；手動(dòng)啟、停系統(tǒng)；設(shè)定期望溫度值的工程。第二節(jié) 控制算法一、控制算法選擇在工程實(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8，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)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、

32、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(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。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(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合使用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。二、PID算法介紹比例（P）控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單，最常用的控制方式。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。積分

33、（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)。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(wú)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(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其

34、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(shuō)，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(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。圖2.4 帶PID控制器的閉控制系統(tǒng)如圖2.4所示，PID控制器

35、可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差和輸入量、輸出量的關(guān)系： （21）控制器的輸出為： （22）式中，PID回路輸出 比例系數(shù)P 積分系數(shù)I 微分系數(shù)DPID調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)為： （23）數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對(duì)偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)計(jì)算之后再輸出結(jié)果。式（22）離散化的規(guī)律如表2.1所示：表2.1 模擬與離散形式模擬形式離散形式所以PID輸出經(jīng)過(guò)離散化后，它的輸出方程為： （2-4）式中，比例項(xiàng) 積分項(xiàng) 微分項(xiàng)上式中，積分項(xiàng)是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值。計(jì)算中，沒(méi)有必要保留所有采樣周期的積分項(xiàng)，只需要保留前一個(gè)積分項(xiàng)，計(jì)算機(jī)的處理就是按

36、照這種簡(jiǎn)化思想來(lái)計(jì)算的。所以在PLC中，上面三個(gè)式子可以近似9為： 比例項(xiàng) 積分項(xiàng) 微分項(xiàng)式中，采樣時(shí)間n的輸入量（回路設(shè)定值） ，采樣時(shí)間n的反饋量（回路過(guò)程值）第三節(jié) 本章小結(jié)經(jīng)過(guò)研究控制對(duì)象及要求，決定從硬件、軟件和上位機(jī)三個(gè)方面來(lái)研究。本章概略地描述了硬件、軟件和上位機(jī)如何設(shè)計(jì)；針對(duì)不確定系統(tǒng)參數(shù)或模型時(shí)，使用PID控制算法最簡(jiǎn)單有效，并說(shuō)明了在PLC中PID計(jì)算的思想。后面幾章是遵循這種思路，做了詳細(xì)地描述。第三章 加熱爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)第一節(jié) 系統(tǒng)硬件組成一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括一臺(tái)可編程邏輯控制器PLC、一個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊、一個(gè)調(diào)壓裝置、兩個(gè)溫度變送器、一個(gè)電加熱鍋

37、爐（內(nèi)含加熱電阻絲）、兩個(gè)啟動(dòng)/停止按鈕，一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行指示燈。二、各組成部分的任務(wù)1、按鈕和指示燈運(yùn)行指示燈顯示運(yùn)行狀態(tài)。啟動(dòng)按鈕/停止按鈕實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)行，運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮；按下停止按鈕，系統(tǒng)停止運(yùn)行，運(yùn)行指示燈熄滅。2、溫度變送器用來(lái)檢測(cè)夾套和內(nèi)膽溫度，將溫度值轉(zhuǎn)換為電壓模擬量信號(hào)，同時(shí)傳送給PLC模擬量擴(kuò)展模塊。3、調(diào)壓裝置和電加熱鍋爐電加熱鍋爐是PLC控制對(duì)象的容器。調(diào)壓裝置受到PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸出的420mA電流信號(hào)控制，來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)壓裝置的輸出電壓，對(duì)電阻絲進(jìn)行控制，來(lái)升高或者維持內(nèi)膽溫度。4、可編程邏輯控制器及模擬量擴(kuò)展模塊可編程邏輯控制器對(duì)讀取

38、到的溫度數(shù)字量進(jìn)行標(biāo)度變換處理，得到實(shí)際的溫度值；另一方面，經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換處理得到的實(shí)際溫度值，和給定的溫度值進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算采用PID控制算法。模擬量擴(kuò)展模塊可以在輸入口對(duì)從溫度變送器送來(lái)的電壓模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到與溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，并且PLC可以讀取儲(chǔ)存數(shù)字量的地址；PLC計(jì)算之后可以在輸出口地址中儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)化并輸出給調(diào)壓裝置，進(jìn)而控制調(diào)壓裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱電阻絲的控制。第二節(jié) AE2000型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一、電加熱鍋爐由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼鍋爐冷卻夾套組成，內(nèi)膽與夾套沒(méi)有水的交換，可以利用它進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。其中加熱電阻絲在鍋爐內(nèi)膽中，

39、兩端電壓由調(diào)壓裝置控制，進(jìn)而控制內(nèi)膽中水的溫度。通過(guò)熱傳遞的方式，將熱量由溫度高的內(nèi)膽水傳到溫度低的夾套水中去。鍋爐內(nèi)膽有進(jìn)水口、出水口和溢水口，可以將冷水從進(jìn)水口注入，加熱冷水以提升水溫。夾套有另一套進(jìn)水口和出水口，可以將冷水從進(jìn)水口注入，在夾套內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，吸收熱傳遞的熱量，以此提升水溫，最終由出水口流出，獲得期望溫度的熱水。由于內(nèi)膽與夾套的進(jìn)水口、出水口相互獨(dú)立，所以進(jìn)入鍋爐的水流大小由不同的水閥控制。二、溫度變送器溫度變送器采用熱電偶、熱電阻作為測(cè)溫元件，從測(cè)溫元件輸出信號(hào)送到變送器模塊，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性校正、V/I轉(zhuǎn)換、恒流及反向保護(hù)等電路處理后，轉(zhuǎn)換成與溫度成線性關(guān)系的

40、標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。溫度傳感器是一種能將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的元件，本系統(tǒng)采用了鉑熱電阻PT100，PT100是一種廣泛應(yīng)用的熱電阻式溫度傳感器，是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻值變化的一種測(cè)溫元件10。常用的PT電阻接法有三線制和兩線制11，由于將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，所以三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是使得導(dǎo)線電阻值的變化而產(chǎn)生的測(cè)量誤差得以消除。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用橋式測(cè)溫電路，測(cè)溫原理是：電路采用一個(gè)恒定的參考電源；使用R1、R2、VR、PT100構(gòu)成測(cè)量電橋（其中R1R2，VR為100精密電阻），當(dāng)PT100的電阻值和VR的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè)毫伏級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)壓差信號(hào)經(jīng)

41、過(guò)運(yùn)放電路放大后輸出一個(gè)期望范圍內(nèi)大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接送入模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。三、三相晶閘管移相調(diào)壓裝置本系統(tǒng)使用的是三相晶閘管移相調(diào)壓裝置，是一種以晶閘管為基礎(chǔ)，以智能數(shù)字控制電路為核心的電源控制裝置。裝置的基本原理是控制晶閘管的觸發(fā)角或?qū)ń?，施加在電阻絲兩端上的電壓平均值由此受到控制，達(dá)到調(diào)節(jié)電壓或功率的目的。而晶閘管的導(dǎo)通條件是承受正向電壓，且僅在門極有觸發(fā)電流時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，主回路就會(huì)導(dǎo)通，在主回路中的負(fù)載就會(huì)工作12。PLC通過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊EM235輸出420mA的電流信號(hào)作為晶閘管的控制信號(hào)。當(dāng)控制信號(hào)輸入后，三相晶閘管移相調(diào)壓裝置就根據(jù)此信號(hào)改變內(nèi)膽

42、中電阻絲兩端的電壓，從而改變電阻絲的輸出功率，升高或維持內(nèi)膽溫度。第三節(jié) 可編程邏輯控制器及模擬量擴(kuò)展模塊一、可編程邏輯控制器1、介紹可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍。PLC的特點(diǎn)： EQ oac(,1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。 EQ oac(,2)配套齊全，功能完

43、善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中，加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 EQ oac(,3)易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為一種通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工控企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏

44、輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。 EQ oac(,4)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序從而改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。 EQ oac(,5)體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。

45、2、可編程邏輯控制器選型S7200系列PLC13是由德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程邏輯控制器，它能滿足多種自動(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)展性以及強(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。S7200系列可以根據(jù)對(duì)象不同，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。S7200的CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元，電源及數(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)場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào)，輸出部分則輸出控制信號(hào)，

46、驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。從CPU模塊功能來(lái)看，CUP模塊為CUP22X，它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置CPU單元： EQ oac(,1)CPU221它有6輸入/4輸出，I/O共計(jì)10點(diǎn)。無(wú)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)。 EQ oac(,2)CUP222它有8輸入/6輸出，I/O共計(jì)14點(diǎn)，和221相比，它可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個(gè)模擬量擴(kuò)展，因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。 EQ oac(,3)CUP224它有14輸入/10輸出，I/O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)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處

47、理能力，是使用得最多S7-200產(chǎn)品。 EQ oac(,4)CUP224XP它在用戶程序存儲(chǔ)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量上進(jìn)行了擴(kuò)展，同時(shí)高速計(jì)數(shù)器比224好很多，本身具有模擬量2輸入/1輸出端口，其余的和224無(wú)太大差別。 EQ oac(,5)CUP226它有24輸入/16輸出，I/O共計(jì)40點(diǎn)，和CUP224相比，增加了通信口數(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)。在本設(shè)計(jì)中有數(shù)字量2輸入/1輸出，并需要一個(gè)模擬量擴(kuò)展，而CUP224本機(jī)數(shù)字量14輸入/10輸出，可完成設(shè)計(jì)所需的技術(shù)要求，并且學(xué)校提供一個(gè)CPU224模塊，所以本設(shè)計(jì)選用CUP224 AC/DC/RLY。C

48、UP用220V AC電源，24V DC輸入，繼電器輸出，其功率為9W，訂貨號(hào)為6ES7 214-1BD21-0XB0。二、模擬量擴(kuò)展模塊溫度變送器將檢測(cè)到的溫度轉(zhuǎn)換成15V的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入PLC中進(jìn)行處理，得到的控制信號(hào)也要通過(guò)模擬量輸出模塊把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)成420mA的電流信號(hào)對(duì)調(diào)壓裝置進(jìn)行控制14。S7200PLC的模擬量模塊有EM231，EM232和EM235三種類型的模擬量擴(kuò)展模塊。EM231有4路模擬量輸入，EM232有2路模擬量輸出，EM235有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出。本設(shè)計(jì)中需要檢測(cè)兩個(gè)溫度信號(hào)，和輸出一個(gè)電流控制信號(hào)，所以

49、需要2路模擬量輸入/1路模擬量輸出，所以我們選擇EM235模擬量輸入/輸出模塊，其功耗為2W。訂貨號(hào)為6ES7 235-0KD22-0XA0。其輸入/輸出特性如表3.1所示。表3.1 EM235輸入/輸出特性模擬量輸入特性模擬量輸入點(diǎn)數(shù)4輸入范圍 電壓（單極性）電壓（雙極性）電流010V，05V等 10V，5V，等 020mA數(shù)據(jù)字格式 雙極性，全量程范圍單極性，全量程范圍-32000+320000 032000模擬量輸出特性模擬量輸出點(diǎn)數(shù)1信號(hào)范圍 電壓輸出 電注輸出10V 020mA數(shù)據(jù)字格式 電壓 電流-32000+32000 032000EM235輸入數(shù)據(jù)字格式如表3.2所示。表3.2

50、 CPU中模擬量輸入字中12位數(shù)據(jù)值的存放位置MSBLSB151432100數(shù)據(jù)值12位000 單極數(shù)據(jù)MSBLSB1543210數(shù)據(jù)值12位0000 雙極數(shù)據(jù)模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器（ADC）的12位讀數(shù)，其數(shù)據(jù)格式是左端對(duì)齊的。最高有效位是符號(hào)位，0表示是正值。對(duì)單極性格式，3個(gè)連續(xù)的0使得ADC計(jì)數(shù)數(shù)值每變化1個(gè)單位則數(shù)據(jù)字的變化是以8為單位變化的。對(duì)雙極性格式，4個(gè)連續(xù)的0使得ADC計(jì)數(shù)數(shù)值每變化1個(gè)單位，則數(shù)據(jù)字的變化是以16為單位變化的。EM235輸出數(shù)據(jù)字格式如下表3.3所示。表3.3 CPU中模擬量輸出字中12位數(shù)據(jù)值的存放位置MSBLSB1514432100數(shù)據(jù)值11位0000

51、電流輸出數(shù)據(jù)格式MSBLSB1543210數(shù)據(jù)值12位0000 電壓輸出數(shù)據(jù)格式數(shù)字量到模擬量轉(zhuǎn)換器（DAC）的12位讀數(shù)，其數(shù)據(jù)格式是左端對(duì)齊的，最高有效位是符號(hào)位，0表示是正值。數(shù)據(jù)在裝載到DAC寄存器之前，4個(gè)連續(xù)的0是被裁斷的，這些位不影響輸出信號(hào)值。EM235配置：表3.4所示為如何用DIP開關(guān)設(shè)置EM 235模塊。開關(guān)1到6可選擇模擬量輸入范圍和分辨率。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍和格式。表3.4 DIP開關(guān)設(shè)置單極性滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF ON 0到50mV 12.5V OFF ON OFF

52、ON OFF ON 0到100mV 25V ON OFF OFF OFF ON ON 0到500mV 125uA SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 滿量程輸入 分辨率 OFF ON OFF OFF ON ON 0到1V 250V ON OFF OFF OFF OFF ON 0到5V 1.25mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0到20mA 5A OFFONOFFOFFOFFON0到10V本設(shè)計(jì)中溫度檢測(cè)模塊輸入信號(hào)范圍為05V的電壓信號(hào)，為單極性，所以DIP開關(guān)設(shè)置為：SW1，ON；SW2，OFF；SW3，OFF；SW4，OFF；SW5，OFF；SW6，ON。輸出設(shè)

53、置：本設(shè)計(jì)中輸出為420mA的電流信號(hào)，而EM235可以輸出-10V +10V的電壓信號(hào)和020mA的電流信號(hào)，所以我們選擇電流信號(hào)的輸出接線方法。其電流滿量程輸出數(shù)據(jù)為032000，所以我將其數(shù)據(jù)輸出范圍定在640032000。第四節(jié) 本章小結(jié)本章對(duì)將要使用的裝置和部件等硬件方面做了描述，以便實(shí)際使用中，能方便準(zhǔn)確地組合在一起，以構(gòu)成本系統(tǒng)。第四章 加熱爐控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第一節(jié) 設(shè)計(jì)思路PLC采用的是的S7200系列CPU224，采用了2個(gè)按鈕和1個(gè)系統(tǒng)指示燈來(lái)控制和顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。溫度變送器負(fù)責(zé)檢測(cè)加熱爐中夾套和內(nèi)膽的溫度，把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成15V的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行標(biāo)度

54、變換，變成實(shí)際的溫度值，然后進(jìn)行PID雙閉環(huán)串級(jí)控制運(yùn)算，根據(jù)PID輸出值來(lái)控制三相晶閘管移相調(diào)壓裝置的輸出電壓來(lái)控制爐內(nèi)加熱器，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫控制調(diào)節(jié)的目的。所以軟件設(shè)計(jì)大致分為三個(gè)部分：一、主程序部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止的手動(dòng)控制和系統(tǒng)運(yùn)行的指示，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其他子程序的有效調(diào)用。二、溫度標(biāo)度變換部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成實(shí)際的溫度值。三、PID運(yùn)算調(diào)節(jié)部分這一部分為系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)部分，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制溫度的目的。第二節(jié) 主程序主程序主要任務(wù)：完成系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止的手動(dòng)控制和系統(tǒng)運(yùn)行的指示，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其他子程序的有效調(diào)用的任務(wù)。在主程序中沒(méi)有用到局部變量。主程序流程圖如圖4.1所示。圖4

55、.1 主程序流程主程序梯形圖附在附錄里。第三節(jié) 標(biāo)度變換子程序由于溫度變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為15V的電壓信號(hào)，并傳送給模擬量擴(kuò)展模塊輸入口，模擬量擴(kuò)展模塊將模擬量15V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為640032000的數(shù)字量信號(hào)傳送給CPU。由于實(shí)際物體使用時(shí)間較長(zhǎng)，可能存在一些線路、元件問(wèn)題以致出現(xiàn)誤差，經(jīng)過(guò)實(shí)際檢測(cè)，水溫24度對(duì)應(yīng)0.6V（數(shù)字量3840），沸騰時(shí)100度對(duì)應(yīng)4.6V（數(shù)字量29568），所以標(biāo)度變換子程序的主要任務(wù)是將384029568間的數(shù)字量參數(shù)轉(zhuǎn)換為24100度間的實(shí)際溫度參數(shù)，以便于后面的顯示。如果用P表示傳送的數(shù)字量信號(hào)，N表示實(shí)際的溫度值。那么其關(guān)系如圖4.2所示。圖4.2

56、 溫度與數(shù)字量關(guān)系用公式表示，可以表示為(N-24)/(P-3840)=(100-24)/(29568-3840)，即N=(76P+325632)/25728，得知這個(gè)公式則可進(jìn)行程序編輯。標(biāo)度變換子程序梯形圖附在附錄里。第四節(jié) PID初始化子程序及中斷程序S7200的編程軟件STEP 7Micro/WIN提供PID Wizard（PID指令向?qū)В?，可以幫助用戶方便地生成一個(gè)閉環(huán)控制過(guò)程的PID 算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù)PID運(yùn)算的自動(dòng)編程，用戶只需在主程序中調(diào)用PID向?qū)傻淖映绦颍涂梢酝瓿蒔ID控制任務(wù)。在Micro/WIN中的命令菜單中選擇工具指令向?qū)В缓笤谥噶钕驅(qū)Т翱谥羞x擇P

57、ID指令。在使用向?qū)r(shí)必須先對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行編譯，如果已有的程序中存在錯(cuò)誤，或者有沒(méi)有編完的指令，編譯不能通過(guò)。如果你的項(xiàng)目中已經(jīng)配置了一個(gè)PID回路則向?qū)?huì)指出已經(jīng)存在的PID回路，并讓你選擇是配置修改已有的回路，還是配置一個(gè)新的回路。在此我選擇配置一個(gè)新的回路。以主控制器PID1為例說(shuō)明PID向?qū)Ь幊滩襟E：1、定義需要配置的PID回路號(hào)圖4.3 選擇PID回路號(hào)2、設(shè)定PID回路參數(shù)圖4.4 設(shè)置PID參數(shù)上圖4.4中字母圈的說(shuō)明：100度。B、比例增益：即比例系數(shù)，本設(shè)計(jì)中設(shè)為4。 C、積分時(shí)間：即積分系數(shù)，本設(shè)計(jì)中設(shè)為10分鐘。如果不想要積分作用，可以把積分時(shí)間設(shè)為無(wú)窮大9999.99。D、

58、微分時(shí)間：即微分系數(shù)，本設(shè)計(jì)中設(shè)為0分鐘。如果不想要微分作用，可以把微分時(shí)間設(shè)為0。 E、采樣時(shí)間：是PID控制回路對(duì)反饋采樣和重新計(jì)算輸出值的時(shí)間間隔。在向?qū)瓿珊?，若想要修改此?shù)，則必須返回向?qū)е行薷?，不可在程序中或狀態(tài)表中修改，本設(shè)計(jì)中設(shè)為0.1秒。以上定義PID回路的參數(shù)，這些參數(shù)都應(yīng)當(dāng)是實(shí)數(shù)。3、設(shè)定回路輸入輸出值圖4.5 設(shè)定PID輸入輸出參數(shù)上圖4.5中字母圈的說(shuō)明：A、指定輸入類型：由于本設(shè)計(jì)的輸入是從模擬量擴(kuò)展模塊傳送過(guò)來(lái)的，而模塊的輸入是15V電壓信號(hào)，不存在負(fù)極性，所以不用選擇雙極性，只需選擇單極性就可以，并且不需要使用20%偏移量。如果使用偏移量，那么過(guò)程變量的范圍將會(huì)

59、是640032000，并不對(duì)應(yīng)本設(shè)計(jì)中的24100度相應(yīng)的數(shù)字量，且不能修改范圍，所以不能勾選。 B、反饋輸入取值范圍：本設(shè)計(jì)中24100度對(duì)應(yīng)數(shù)字量范圍是384029568，所以此處過(guò)程變量范圍就應(yīng)該是384029568。C、輸出類型：可以選擇模擬量輸出或數(shù)字量輸出。模擬量輸出用來(lái)控制一些需要模擬量給定的設(shè)備，如比例閥、變頻器等；數(shù)字量輸出實(shí)際上是控制輸出點(diǎn)的通、斷狀態(tài)按照一定的占空比變化，可以控制固態(tài)繼電器（加熱棒等）。本設(shè)計(jì)需要的是輸出一個(gè)溫度范圍，以此范圍內(nèi)一個(gè)值充當(dāng)副控制器的設(shè)定值。所以選擇模擬量。D、選擇模擬量則需設(shè)定回路輸出變量值的范圍，并且不需要使用20%偏移量。如果使用偏移量

60、，那么輸出變量的范圍將會(huì)是640032000，且不能做修改。E、取值范圍：主控制器PID1的輸出應(yīng)該是一個(gè)溫度范圍，應(yīng)和副控制器PID0的設(shè)定值對(duì)應(yīng)，所以應(yīng)該填寫24100。4、設(shè)定回路報(bào)警選項(xiàng)圖4.6 設(shè)定回路報(bào)警限幅值圖4.6顯示如何設(shè)定回路報(bào)警。本設(shè)計(jì)暫時(shí)沒(méi)有設(shè)計(jì)報(bào)警功能，所以此步驟不需要勾選任何選項(xiàng)。5、指定PID運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)圖4.7 分配運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)PID指令（功能塊）使用了一個(gè)120個(gè)字節(jié)的V區(qū)參數(shù)表來(lái)進(jìn)行控制回路的運(yùn)算工作；除此之外，PID向?qū)傻妮斎?輸出量的標(biāo)準(zhǔn)化程序也需要運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。需要為它們定義一個(gè)起始地址，要保證該地址起始的若干字節(jié)在程序的其它地方?jīng)]有被重復(fù)使