PLC加熱爐溫度控制系統(tǒng)

摘要

傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制通常采用繼電器控制技術(shù)，通過使用固定布線的硬件

實(shí)現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)體積增大，功耗大，效率低，容易發(fā)生故障，無法保

證工業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)不

可避免地被基于計(jì)算機(jī)的PLC控制技術(shù)所取代。PLC本身的優(yōu)異性能使得基于PLC

的溫度控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定且易于維護(hù)。這種溫度控制系統(tǒng)對(duì)改造傳統(tǒng)的

繼電器控制系統(tǒng)有相當(dāng)大的意義。

在以PLC為核心的控制系統(tǒng)中，加熱爐作為自動(dòng)溫度控制的基礎(chǔ)，PLC將爐

溫設(shè)定點(diǎn)與溫度傳感器測(cè)量值之間的偏差根據(jù)PID的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，以調(diào)整輸出

電壓的大小，從而對(duì)加熱爐達(dá)到自動(dòng)溫度控制的目的。文章介紹了一個(gè)基于

S7-200溫度控制系統(tǒng)的PID控制器的實(shí)施情況。

關(guān)鍵詞：PLC,溫度控制，PTD控制器,S7-200,溫度傳感器

1溫度控制對(duì)象

溫度控制是工業(yè)控制過程中一個(gè)非常重要的預(yù)目，因?yàn)樗苯佑绊懳锢砗突?/p>

學(xué)過程，如燃燒、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、蒸儲(chǔ)、濃縮、結(jié)晶和空氣流動(dòng)。不適

當(dāng)?shù)臏囟瓤刂茣?huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量問題。溫度控制是許多機(jī)

器的重要組成部分，其目的是在所需范圍內(nèi)調(diào)節(jié)溫度，以促進(jìn)工件的加工和史理。

溫度波動(dòng)，無論是在生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)中，都會(huì)對(duì)生活和生產(chǎn)的某些領(lǐng)域產(chǎn)

生不同的影響，因此在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候控制溫度是很重要的。

1.1功能特點(diǎn)與技術(shù)參數(shù)

實(shí)踐證明，溫度對(duì)象的特點(diǎn)是時(shí)間常數(shù)大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重；在響應(yīng)控制時(shí),

受控溫度的變化滯后于控制器的輸出。我們知道，熱傳遞需要一定的時(shí)間，溫度

迅速上升與熱容量的大小成正比，通常情況下，溫度的升降與時(shí)間的關(guān)系是一種

指數(shù)曲線關(guān)系。滯后現(xiàn)象與熱傳導(dǎo)有關(guān)，另外測(cè)溫元件也有一定慣性，這些都會(huì)

產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，使用了TKPLC-2型溫度控制器，它的特點(diǎn)也是大滯后和慣性。

加熱器被加熱的電壓為0V至5Vo

1.2控制手段

從上述分析來看，系統(tǒng)的總延遲時(shí)間相對(duì)較大，與溫度下降相比，溫度上升

的延遲時(shí)間相對(duì)較小。因此，在PID控制中，為了提高系統(tǒng)的質(zhì)量，除了增加適

當(dāng)?shù)姆e分來消除靜態(tài)誤差外，還應(yīng)加強(qiáng)比例作用，使控制更加靈敏，縮短調(diào)整時(shí)

間，同時(shí)還應(yīng)增加相應(yīng)的微分作用，以減少系統(tǒng)的過沖量。

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2方案設(shè)計(jì)

硬件的選擇主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要。然后將選定的硬件組成控制系統(tǒng)，根據(jù)

任務(wù)要求選擇西門子S7-200PLC、TKPLC-2加熱爐等硬件，硬件選擇完成后，根

據(jù)選定的硬件提供相應(yīng)的軟件進(jìn)行編程，只有使用完整的軟硬件系統(tǒng)才能提供所

需的功能。以下是對(duì)用于設(shè)計(jì)的硬件和軟件的全面介紹。

2.1現(xiàn)場(chǎng)總線概述

全世界大約有40種現(xiàn)場(chǎng)總線，如法國(guó)的FIF、英國(guó)的ERA、西門子的ProfiBus、

挪威的FINT>Echelon的LONWorks>PhcnixContact的InterBus>RoberBosch的

CAN>Rosemounr的HART^CarloGarazzi的Dupline>丹麥ProcessData的P-net>

PeterHans的F-Mux以及ASI(ActraturSux)oCarloGarazzi的Dupline,丹麥

ProcessData的P-net,PeterHans的F-Mux和ASI(ActraturSux)orosemounr的

HART,CarloGarazzi的Dupline,丹麥ProcessData的P-net,PeterHans的F-Mux

和ASI(ActraturScnsorInterface)?MODBus,SDS,Arcncto國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織一

現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)FF：美國(guó)的FieldBusFounda國(guó)on,WorldFTP,BitBus,DeviceNet

和ControlNet,等等。這些現(xiàn)場(chǎng)總線大多用于過程自動(dòng)化、醫(yī)療、制造、運(yùn)輸、

國(guó)防、航空航天、農(nóng)業(yè)和建筑?？赡懿坏绞N公交車類型占了大約80%的市場(chǎng)。以

下是對(duì)九種最常用的現(xiàn)場(chǎng)總線的詳細(xì)介紹。

2.1.1基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線

這些協(xié)議是ISP協(xié)議，由80家公司開發(fā)，包括橫河、ABB、西門子和Invis,

由美國(guó)的Fisher-Rousemount領(lǐng)導(dǎo)，以及WorldFlP協(xié)議，由歐洲和其他地方的150

多家公司開發(fā)，由Honeywell領(lǐng)導(dǎo)，于1994年9月合并而成。該總線在過程自動(dòng)

化中被廣泛使用，具有良好的發(fā)展前景。

基本的現(xiàn)場(chǎng)總線使用簡(jiǎn)化的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織開放系統(tǒng)互連0SI模型(1、2、7

層)，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，此外還有用戶層。FF分為兩個(gè)通信速率。

低速H1和高速H2。前者的傳輸速率為31.25Kbit/s,通信距離可達(dá)1900米,并

可支持總線供電和本質(zhì)安全環(huán)境。后者的傳輸速率為IMbit/s和2.5Mbit/s,通信

距離為750米和500米，支持雙絞線、光纜和無線傳輸，協(xié)議符號(hào)為IEC1158-2。。

2.1.2LonWorks急線

它由美國(guó)的埃施朗公司推出，并由摩托羅拉和東芝進(jìn)一步開發(fā)。它使用

ISO/OSI通信協(xié)議的所有七層，并遵循面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，將網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)減

少到通過網(wǎng)絡(luò)變量的參數(shù)化。Lonworks技術(shù)使用封裝在Neuron芯片中的LonTalk

協(xié)議，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。使用Lonworks技術(shù)和Neuron芯片的產(chǎn)品被廣泛用于各種

行業(yè)，如建筑和家庭自動(dòng)化、安全系統(tǒng)、辦公設(shè)備、運(yùn)輸和工業(yè)過程控制。。

2.1.3Profibus總線

Profibus是現(xiàn)場(chǎng)總線的德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(DIN19245)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN50170)。它

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.9DeviceNet總線

DeviceNet是一種低成本的通信鏈路，是一種具有開放網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)解

決方案。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為64,通信模式為：生產(chǎn)者/消費(fèi)者，發(fā)送多通道

廣播信息。DeviceNel網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以自由連接或斷開，而不影響網(wǎng)絡(luò)中的其他

設(shè)備，而且設(shè)備的安裝和布線成本很低。oD￥A〃）。

2.1.10PPI總線

該設(shè)計(jì)使用西門子PPI總線，這是一個(gè)專門為SIMATICS7-200開發(fā)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)

接口（PPI）o然而,其他SIMATICS7控制器（如S7-300和S7-400）或HMI可以

在PPI網(wǎng)絡(luò)上與S7-200通信。

PPI是一個(gè)主從辦議，允許一個(gè)主設(shè)備向一個(gè)從設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求。從屬設(shè)備不發(fā)

起消息，而是等待，直到主設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求或查詢響應(yīng)。通信是通過通常的PPI連

接。主設(shè)備包括。編程設(shè)備帶有STEP7Micro/WIN的IWI設(shè)備（觸摸面板、文本

顯示器或操作面板），也是從屬設(shè)備。S7-200CPU擴(kuò)展框架（例如EM277）也可以

通過編程來激活S7-200CPU作為PPT主站。

PPI基于PR0F1BUS標(biāo)準(zhǔn)（1EC61158和EN50170）,支持以下總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

總線類型星形類型通過PPI,可以建立一個(gè)最多有32個(gè)主站的多主站網(wǎng)絡(luò)?？?/p>

以與從屬機(jī)構(gòu)通信的主站數(shù)量不受限制。從機(jī)可以分配給主機(jī)。PPI網(wǎng)絡(luò)可以用

RS-485中繼器進(jìn)行擴(kuò)展。也可以將一個(gè)調(diào)制解調(diào)器連接到PPI網(wǎng)絡(luò)。可以為PPI

創(chuàng)建各種配置。單主PPT網(wǎng)絡(luò)、多主PPT網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜PPI網(wǎng)絡(luò)、帶S7-300或S7-400

的PPI網(wǎng)絡(luò)。

2.2WinCC+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和帶有STEP7Micro/WIN軟件的計(jì)

算機(jī)，PLC,PPT數(shù)據(jù)線，TKPLC-2型加熱爐。以下是該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖

2.2.1所示。

圖2.2.1系統(tǒng)硬件圖

TKPLC-2加熱器帶有集成的加熱器驅(qū)動(dòng)模塊和加熱器傳感器。這使得硬件系統(tǒng)

的組裝變得更加簡(jiǎn)單和容易。該系統(tǒng)是通過一個(gè)簡(jiǎn)單的控制回路實(shí)現(xiàn)的?？刂萍?/p>

熱爐溫度的系統(tǒng)是由PLC控制的，其設(shè)置如圖2.2.2所示。該系統(tǒng)的工作情況如

下。首先，給定值（0^100℃）通過鍵盤輸入到PLC主機(jī)，再由PLC主機(jī)傳遞給數(shù)

3

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

字輸出模塊，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；其次，熱電

偶的溫度通過模擬輸入模塊轉(zhuǎn)換為爐溫值的電流信號(hào)進(jìn)入PLC主機(jī)，由PLC主機(jī)

內(nèi)部的PID程序和溫度給定值，由數(shù)字輸出模塊進(jìn)行下一度的控制。PLC是整個(gè)系

統(tǒng)的主要控制核心。

圖222電阻爐溫度控制系統(tǒng)圖

2.2.1S7-200PLC的選型

S7-200系列PLC是SIEMENS公司新推出的一款緊湊型PLCo其結(jié)構(gòu)緊湊，擴(kuò)

展性好，指令功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉，是各種現(xiàn)代小型控制項(xiàng)目的理想控制器。

S7-200PLC包含一個(gè)S7-200CPU和各種可選的擴(kuò)展模塊，可以非常容易地組裝起

來，以創(chuàng)建不同規(guī)模的控制器。S7-200PLC可以很容易地集成到PLC-PLC網(wǎng)絡(luò)和微

機(jī)PLC網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)更大的項(xiàng)目，方便快捷?？梢哉f，S7-200完全可以滿足各種

小型控制系統(tǒng)的要求。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系列的PLC主要有四種類型:CPU221、CPU222、CPU224和CPU226。

最低等級(jí)是CPU221,數(shù)字輸入點(diǎn)有6個(gè)，數(shù)字輸出點(diǎn)有4個(gè)，是控制規(guī)模最小的

PLCo最高等級(jí)應(yīng)該是CPU226,CPU226集成了24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，共有40個(gè)數(shù)

字I/0o可以連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展到248個(gè)數(shù)字I/O點(diǎn)或35個(gè)模擬I/O。

這個(gè)設(shè)計(jì)是CPU226。本設(shè)計(jì)選擇了CPU226。

切換式I/O擴(kuò)展模塊當(dāng)CPU的I/O點(diǎn)不足或需要特殊功能時(shí)，應(yīng)進(jìn)行I/O擴(kuò)

展，包括I/O點(diǎn)擴(kuò)展和功能模塊擴(kuò)展?？汕袚Q的I/O模塊通常分為三種類型。輸

入模塊、輸出模塊和輸入/輸出模塊。為了確保PLC工作的可靠性，在輸入模塊中

提高了技術(shù)措施的可靠性。這包括光隔離、輸入保護(hù)（過壓保護(hù)、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是用來控制各種對(duì)象的，所

以輸出模塊也要根據(jù)負(fù)載情況來選擇，7T直流輸出塊、交流輸出模塊和交直流輸

出模塊。根據(jù)輸出開關(guān)裝置的不同類型，分為三種類型。繼電器輸出型、晶體管

輸出型和雙向晶閘管輸出型。在這三種輸出類型中，晶體管輸出類型最快，繼電

器輸出類型最差，而晶閘管輸出類型在輸出響應(yīng)速度方面處于中間。在實(shí)踐中，

應(yīng)仔細(xì)檢查開關(guān)量I/O模塊的技術(shù)特性，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。在S7-200中，

單極模擬輸入/輸出信號(hào)的數(shù)值范圍是0-32000,雙極模擬信號(hào)的數(shù)值范圍是

4

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

-32000-+32000o

2.2.2加熱爐的選型

本實(shí)驗(yàn)選擇的加熱爐是TKPLC-2型，該加熱爐集成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊和一個(gè)溫

度變送器。它很容易操作，只需要將輸入和輸出連接到PLC的輸出或輸入模塊。

這消除了對(duì)硬件開發(fā)的需求。

TKPLC-2型加熱爐，還具有慣性大、滯后的特點(diǎn)，在實(shí)際控制中會(huì)比較麻煩,

而且加熱爐要靠環(huán)境自然冷卻，所以冷卻時(shí)間較長(zhǎng)。然而，通過改進(jìn)PID控制的

參數(shù)，可以勉強(qiáng)控制加熱爐的溫度，使穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差滿足任務(wù)的要求。。

3WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的軟件配置

本設(shè)計(jì)使用的軟件是STEP7-Micro/WIN32>WinCC和PC訪問，PLC由

STEP7-Micro/WIN32編程，控制過程通過配置Wince進(jìn)行控制和監(jiān)控，PLC和WinCC

之間的通信由PPI總線實(shí)現(xiàn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控加熱爐的運(yùn)行狀況。

3.1STEP7-Micro/WIN32的介紹

STEP7-Micro/WTN32是西門子為SIMATICS7-200系列可編程控制器開發(fā)的編

程軟件，它是一個(gè)功能強(qiáng)大的基于Windows的應(yīng)用軟件，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支持用戶開發(fā)應(yīng)用軟件，基本上可

以實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）創(chuàng)建用戶程序，在離線模式下改變和編輯現(xiàn)有的用戶程序（脫機(jī)）。

在離線模式下，計(jì)算機(jī)沒有連接到PLCo此時(shí)，可以進(jìn)行大部分基本功能，如編程、

編譯、調(diào)試和系統(tǒng)配置，但所有的程序和參數(shù)只能存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的硬盤上。

（2）在在線（online）模式下，可通過設(shè)置與計(jì)算機(jī)直接通信，對(duì)PLC進(jìn)行各種

操作，如上傳、下載用戶程序和配置數(shù)據(jù)。

3）編輯程序時(shí)的語法檢查可以避免一些語法錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)類型錯(cuò)誤。語法檢查

后，在梯形圖中的錯(cuò)誤下面會(huì)自動(dòng)插入一條紅色的波浪線，在指令表中的錯(cuò)誤線

前面會(huì)自動(dòng)畫一個(gè)紅叉，并在錯(cuò)誤處加上一條紅色波浪線。

4）用戶方案的文件管理，加密處理等。

5）設(shè)置PLC的運(yùn)行模式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。。

5

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2WinCC的介紹

西門子的WinCC是WlndowsControIConter（Windows控制中心）的縮寫。它

集成了先進(jìn)的技術(shù)，如SCADA、組態(tài)、腳本語言（scripting）和0PC,并為用戶

提供了在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下（Wlndows2000或XP）使用各種通用軟件的能

力。WinCC處理技術(shù)上先進(jìn)的西門子全集成自動(dòng)化產(chǎn)品（TIA）的無縫集成。WinCC

WinCC在PC環(huán)境下運(yùn)行，可與各種自動(dòng)化設(shè)備和控制軟件集成。它有各種設(shè)置元

素、視覺窗口和菜單選項(xiàng)，靈活多變°憑借其用戶友好的配置、編程和數(shù)據(jù)管理

界面，用戶可以創(chuàng)建他們想要的操作屏幕、監(jiān)測(cè)屏幕、控制屏幕、報(bào)警屏幕、實(shí)

時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線和打印報(bào)告。WinCC的另一個(gè)特點(diǎn)是它的開放性，允許

它與各種軟件和用戶程序相結(jié)合，創(chuàng)造一個(gè)友好的人機(jī)界面，滿足實(shí)際需要。用

戶也可以將WinCC作為系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過開放的接口，根據(jù)需要開發(fā)自己的

應(yīng)用程序。

3.3PCACCESS的介紹

西門子最新的PCAccess軟件是用于S7-200PLC的OPC服務(wù)器軟件，為OPC

客戶端提供數(shù)據(jù)信息，并能與任何標(biāo)準(zhǔn)的0PC客戶端進(jìn)行通信。正確性。

作為一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，OPC為工業(yè)環(huán)境中的信息交換提供了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)軟件

接口，使數(shù)據(jù)用戶不必為不同制造商的數(shù)據(jù)源開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序或服務(wù)程序。0PC以標(biāo)

準(zhǔn)化的方式將數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)傳輸給任何客戶端應(yīng)用程序。OPC（OLEfor

ProcessControl）是一個(gè)開放的系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，使OPC可以用于自動(dòng)化/PLC應(yīng)用、

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和基于PC的應(yīng)用。終端應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和基于PC的應(yīng)用（如I1MI或辦

公應(yīng)用），以簡(jiǎn)單和標(biāo)準(zhǔn)化的方式交換數(shù)據(jù)。它定義了工.業(yè)環(huán)境中不同應(yīng)用之間的

信息交換，并在應(yīng)用下面工作。你可以在PC上監(jiān)控、檢索和處理來自可編程邏輯

控制器的數(shù)據(jù)和事件。PCAccess可用于連接西門子或支持OPC技術(shù)的第三方上層

軟件。

PCAccess可以通過以下硬件連接與S7-200通信。通過PC/PPI電纜（USB/PP1

電纜）將PC的USB端口連接到S7-200,通過PC/PPI電纜（RS-232/PPI電纜）將

PC的串行COM端口連接到S7-200,通過西門子通訊處理器卡（CP）和MPI電纜連

接到S7-200。通過安裝在PC上的調(diào)制解調(diào)器（modem）到S7-200上的EM241模塊，

通過以太網(wǎng)到S7-200上的CP243-1或CP243-1IT模塊，上述S7-200的通信端口

可以是CPU通信端口或EM277通信端口。

PCAccess支持的協(xié)議:PPI（通過RS-232Ppi和USB/PPI電纜），MPI（通過

相關(guān)CP卡），Profibus-DP（通過CP卡），$7協(xié)議（以太網(wǎng)），調(diào)制解調(diào)器（內(nèi)部

或外部，通過TAPI驅(qū)動(dòng)）。所有協(xié)議允許8個(gè)PLC同時(shí)連接，一個(gè)PLC通信端口

允許4個(gè)PC連接，其中一個(gè)保留給Micro/WIN,PC訪問和Micro/WIN可以同時(shí)訪

問CPU,支持S7-200的所有內(nèi)存數(shù)據(jù)類型。

6

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.4WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

WinCC和S7-200之間的網(wǎng)絡(luò)連接只是通過RS232或USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸

率在1.2kbps和115.2kbps之間。WinCC和S7-200之間的網(wǎng)絡(luò)連接是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，并

遵循PPI通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有三種類型：有一個(gè)主站的PPI網(wǎng)絡(luò)、有幾個(gè)主站的PPI

網(wǎng)絡(luò)和復(fù):雜的PPI網(wǎng)絡(luò),卜.面詳細(xì)介紹不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.4.1單主站PPI網(wǎng)絡(luò)

通常，一個(gè)單主PP1網(wǎng)絡(luò)由以下部分組成：一個(gè)帶有STEP7-Micro/WIN的編程

設(shè)備/PC或一個(gè)HMI設(shè)備（面板）作為主設(shè)備，一個(gè)或多個(gè)S7-200作為從設(shè)備。

單主站PPI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3.4.1所示。

PG.PC

PanelS7-200

圖3.4.1單主站PPI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

342多主站PPI網(wǎng)絡(luò)

PPI網(wǎng)絡(luò)還形成了一個(gè)多主站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即由幾個(gè)主站計(jì)算機(jī)或HMI設(shè)備組成

的網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)。通過這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，我們可以配置一個(gè)具有多個(gè)主設(shè)備的PPI

網(wǎng)絡(luò)，這些主設(shè)備可以與一個(gè)或多個(gè)S7-200作為從設(shè)備進(jìn)行通信。每個(gè)主站（編

程設(shè)備/PC或面板）可以與網(wǎng)絡(luò)中的任何從站交換數(shù)據(jù)。多主站網(wǎng)絡(luò)的原理如圖

3.4.2所示。

S7-200

HMI

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)

PPT網(wǎng)絡(luò)還形成了一個(gè)多主站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即由幾個(gè)主站計(jì)算機(jī)或HMI設(shè)備組成

7

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

的網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)。通過這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，我們可以配置一個(gè)具有多個(gè)主設(shè)備的PPI

網(wǎng)絡(luò)，這些主設(shè)備可以與一個(gè)或多個(gè)S7-200作為從設(shè)備進(jìn)行通信。每個(gè)主站(編

程設(shè)備/PC或面板)可以與網(wǎng)絡(luò)中的任何從站交換數(shù)據(jù)。多主站網(wǎng)絡(luò)的原理如圖

3.4.2所示。

HMI

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)踐中，最廣泛使用的控制器控制法為比例、積分、微分控制，即所

謂的PID控制，又稱PID控制。PID控制器已有近80年的歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)節(jié)方便而成為工業(yè)控制的重要技術(shù)之一。如果對(duì)被控對(duì)

象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或者沒有獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，控制理論中的其

他技術(shù)難以使用，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)試來確定，此

時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便［5］.也就是說，如果我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被

控對(duì)象，或者不能通過有效的測(cè)量手段獲得系統(tǒng)參數(shù)，最適合采用PID控制技術(shù)。

比例控制(P)：比例控制是最簡(jiǎn)單和最常用的控制方法之一［4］?？刂破鞯妮?/p>

出與輸入誤差信號(hào)成正比。如果只有比例控制，系統(tǒng)輸出將有一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。

積分控制(I)：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。

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，如果在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差，則被稱為穩(wěn)態(tài)誤差，

或者簡(jiǎn)單地稱為差動(dòng)系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，必須在控制器中引入一個(gè)〃積分

頂〃。積分項(xiàng)取決于誤差對(duì)時(shí)間的積分，并隨著時(shí)間的推移而增加。即使誤差很小，

積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加，導(dǎo)致控制器的輸出增加，穩(wěn)態(tài)誤差也會(huì)進(jìn)一

步減少，直至為零。因此，比例積分(PI)控制器允許系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，沒有

穩(wěn)態(tài)誤差。

差動(dòng)控制(D-control)：在差動(dòng)控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的差

值成正比(即誤差的變化率)。在控制過程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，甚

至變得不穩(wěn)定，以克服誤差。這是因?yàn)榇嬖诖蟮膽T性分量(鏈接)或滯后分量(延

遲)，造成對(duì)誤差的抑制，其變化總是滯后了誤差的變化。解決辦法是〃提前〃進(jìn)

8

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

行誤差抑制的改變，即當(dāng)誤差接近于零時(shí)，誤差抑制的效果應(yīng)該為零。這說明在

控制器中引入〃比例〃項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)只是放大了誤差的大小，而目前

需要增加〃微分項(xiàng)〃，它可以預(yù)測(cè)誤差的變化趨勢(shì)，所以采用比例+微分的控制器

這樣，采用比例和微分的控制器可以使誤差抑制的控制效果從一開始就等于零甚

至是負(fù)數(shù)，避免了被控變量的強(qiáng)烈過沖。在被控系統(tǒng)有較大慣性或滯后的情況下，

比例和微分(PD)控制器可以改善控制過程中系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。。

3.5.1PID算法的種類

基本的PID方程是。位置方程、增量方程和速度方程，其中增量方程是最常

用的。如果u(n)是本周期的PID控制器輸出(控制量)，e(n)是本周期的PID

輸入偏差信號(hào)，e(n-1)是上一周期的偏差信號(hào)，e(n-2)是上一周期的偏差信號(hào)，

kp是比例增益，Ti是積分時(shí)間，Td是微分時(shí)間，那么PID基本方程的公式如下.：

1)位置型PID算式

〃(〃)=Kp{e(ti)+—^(0+—[e(/?)--1)]}(3.1)

萬MT

如果微分方程中的積分運(yùn)算對(duì)應(yīng)于微分方程的累積運(yùn)算，微分方程對(duì)應(yīng)于一個(gè)時(shí)期的增

量變化，那么很容易得出表達(dá)式3.1。

2)增量型PID算式

nprp1

△〃(〃)=Kp{Ae(n)+—e(n)H---[A^(w)--1)]}

TiT(3.2)

由增量型PID算式也可以得到PTD控制器的位置輸出：

〃(〃)=+△〃(〃)/qOX

3)速度型P1D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(duì)應(yīng)，它是由增量型PID算式除以T得到：

△〃(〃)KpTFd

——=笠｛Ae(〃)+—e(〃)+—-Ae(7?-l)](

TTTiT(3.4)⑶

3.5.2回路定義表

從PID指令字段中輸入的表的起始地址(TBL)開始，給循環(huán)表分配八十(80)

個(gè)字節(jié)。S7-200的PID指令指的是一個(gè)包含循環(huán)參數(shù)的循環(huán)表。該表最初的長(zhǎng)度

為36字節(jié)。隨著PID自動(dòng)調(diào)整功能的增加，循環(huán)表已經(jīng)擴(kuò)展到80字節(jié)。當(dāng)使用

PID調(diào)諧控制面板時(shí)，所有與PID回路表的互動(dòng)都由該控制面板代表您進(jìn)行。如果

操作面板要提供自動(dòng)調(diào)諧功能，你的程序必須允許操作者和PID環(huán)路表之間的互

動(dòng)，以啟動(dòng)和監(jiān)測(cè)這個(gè)自動(dòng)調(diào)諧過程，然后應(yīng)用推薦的調(diào)諧值。

表3.1回路定義表

偏移量類型

9

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0PVn雙字■實(shí)數(shù)入包含進(jìn)程變量，必須在0.0

進(jìn)程變量至1.0范圍內(nèi)。

4SPn雙字-實(shí)數(shù)入包含設(shè)定值，必須在0.0至

設(shè)定值1.0范圍內(nèi)。

8Mn雙字-實(shí)數(shù)入/出包含計(jì)算輸出，在00至1.0

輸出范圍內(nèi)。

12Kc雙字-實(shí)數(shù)入包含增益，此為比例常數(shù)，

增益可為正數(shù)或負(fù)數(shù)。

16Ts雙字-實(shí)數(shù)入包含采樣時(shí)間，以秒為單

采樣時(shí)間位，必須為正數(shù)。

20TI雙字-實(shí)數(shù)入包含積分時(shí)間或復(fù)原，以分

積分時(shí)間或復(fù)原鐘為單位，必須為:E數(shù)。

24TD雙字■實(shí)數(shù)入包含微分時(shí)間或速率，以分

微分時(shí)間或速率鐘為單位，必須為衛(wèi)數(shù)。

28MX雙字-實(shí)數(shù)入/出包含0.0和1.0之間的偏差

偏差或積分和數(shù)值。

32PVn-1雙字-實(shí)數(shù)入/出包含最后一次執(zhí)行PID指

以前的進(jìn)程變量令存儲(chǔ)的進(jìn)程變量以前的

數(shù)值。

3.5.3PID回路計(jì)算方法

S7-200CPU提供PTD回路指令(比例、積分和微分回路)來進(jìn)行PID計(jì)算。

PID環(huán)路操作取決于存儲(chǔ)在36字節(jié)環(huán)路表中的9個(gè)參數(shù)。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，PID控

制器管理輸出值，使控制偏差(e)為零。誤差測(cè)量由設(shè)定點(diǎn)(期望的操作點(diǎn))和

過程變量(實(shí)際操作點(diǎn))之間的差異決定。PID控制原理基于以下公式，其中輸出

信號(hào)M(t)被表示為比例、積分和微分項(xiàng)的函數(shù)：

；de

M(i)=KC*e+KC\edt+Minitial+KC*一

。dt(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?！皵?shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算以下列相應(yīng)的公式為基礎(chǔ)：

M〃=Kc*〃+K,*￡+Ma+KD*)(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

10

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)

在這個(gè)公式中，積分項(xiàng)被表示為從第一個(gè)樣本到當(dāng)前樣本總誤差項(xiàng)的函數(shù)。

差分項(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)所有誤差灰的樣本。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)必須在

每次對(duì)故障進(jìn)行采樣時(shí)計(jì)算輸出值，因此只需要從第一個(gè)采樣開始，存儲(chǔ)上一個(gè)

故障值和上一個(gè)積分項(xiàng)值。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)計(jì)算的可重復(fù)性，該公式可以在采樣

期間的任何時(shí)候進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的方程式為：

=+)(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n-1)

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n-l)

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(duì)上述簡(jiǎn)化公式的修改格式。修改后的公式為；

Mn=MPn+Mhi+MDn(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

Mln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(duì)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：

MPn=Kc*(SP『PVm(39)

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

BVn第n采樣時(shí)刻的過程變量的值

11

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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：

MIn=Kc^Ts/Ti（SPn-PVn）+MX（310）

其中：Mln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）

積分總和（MX）是所有積分項(xiàng)以前的值的總和，在每次計(jì)算完Mln后用于更

新MX,其中Mln可以調(diào)整或限制，在第一次計(jì)算輸出之前，MX的處置通常被設(shè)置

為minitial。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）。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)對(duì)整個(gè)輸

出結(jié)果的影響程度。

微分項(xiàng)Md的值與偏差的變化成正比，S7-200使用以下公式計(jì)算微分項(xiàng)：

Mdn=Kc*Td/Ts*（（SPlt-PV'TSyPV.^））（3」1）

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-l,

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：

Mdn=Kc^Td!Ts^（PVn_}+PVtl）（3%）

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

對(duì)于下一次差分項(xiàng)數(shù)值的計(jì)算，過程變量，而不是偏差，必須在笫一次采樣

時(shí)被存儲(chǔ)并初始化為PVn-1二PVn。

在許多控制系統(tǒng)中，只需要一個(gè)或兩個(gè)控制環(huán)類型。例如，只需要比例或比

例-積分控制回路，通過設(shè)置常數(shù)參數(shù)，可以選擇所需的控制回路類型。

如果不需要積分動(dòng)作（PTD計(jì)算中沒有〃1〃），積分時(shí)間（復(fù)位）可以設(shè)置為

無限〃INFJ即使沒有積分作用，積分項(xiàng)也不是零，因?yàn)橛幸粋€(gè)MX的初始值。

如果你不想要差分回路，你可以把差分時(shí)間設(shè)置為零。

如果你不需要比例環(huán)路，而是需要積分或積分-微分環(huán)路，你可以將增益設(shè)置

12

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為0.0,在計(jì)算積分和微分項(xiàng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將增益視為1.0。。[5]

13

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4S7-200PLC控制程序的設(shè)計(jì)

一旦硬件設(shè)計(jì)完成，軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求的必要條件，所以軟件設(shè)

計(jì)在設(shè)計(jì)過程中也非常重要。有了一個(gè)好的和合適的程序，該系統(tǒng)可以被最佳地

用來控制加熱爐的溫度。。

4.1控制程序的組成

控制程序主要包括一個(gè)溫度采集程序、一個(gè)數(shù)據(jù)過濾程序和一個(gè)PID控制程

序。溫度采集程序的功能是將溫度值轉(zhuǎn)換成PLC可以識(shí)別的數(shù)值。數(shù)據(jù)過濾程存

是為了消除干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在PID控制之前，必須對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行

處理，以避免由于外部干擾造成的PID操作錯(cuò)誤。因此，過濾程序是非常重要的。

4.2溫度采集程序設(shè)計(jì)

圖4.2.1溫度采集程序

由于溫度變送器發(fā)送的是標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流信號(hào)，信號(hào)采集模塊將采集的

電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)

準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)，便于識(shí)別。同時(shí)，收集的數(shù)值也必須轉(zhuǎn)換為PLC的PID操作

所需的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型。識(shí)別烤箱的實(shí)際溫度包括將溫度量轉(zhuǎn)換為PLC可識(shí)別的量,

因此溫度變送器輸出的值首先從16位整數(shù)轉(zhuǎn)換為32位雙整數(shù)，然后再從雙整數(shù)

轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)類型，其中實(shí)數(shù)類型在小數(shù)點(diǎn)后可以有6位，這樣就比較準(zhǔn)確。此時(shí)，

14

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為得到測(cè)量的溫度值，在PLC中計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)字，該數(shù)字將被送到變量寄存器

VD296中。

4.3數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)

SM0.0ADD.R

7

E、EXOA

T:\D2961X10L7?\D300

VD3001\2

圖4.3.1網(wǎng)絡(luò)一

網(wǎng)絡(luò)1被編程為對(duì)每次收集的數(shù)值進(jìn)行求和，將求和的數(shù)值存儲(chǔ)在VD300中，并進(jìn)行求

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VBO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。

15

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

第六個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功能是初始化所有使用的寄存錯(cuò)。

數(shù)據(jù)過濾的方法有很多，其中軟件過濾的方法包括以下幾種。極限濾波、中

值濾波、算術(shù)平均濾波、遞歸平均源波（又稱移動(dòng)平均濾波）、中值平均濾波（又

稱抗脈沖干擾平均濾波）、極限平均濾波、一階延遲濾波、加權(quán)遞歸平均濾波、

抖動(dòng)流波和極限抖動(dòng)濾波。圖4.3.1至4.3.6中的方案圖使用了極限過濾。基本

的想法是將收集到的10個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值，再去掉一個(gè)最小值，然后將

剩下的8個(gè)數(shù)字相加，找到平均數(shù)。。

16

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.4PID控制程序設(shè)計(jì)

圖4.4.1PID控制程序

PID控制方案是整個(gè)方案的重要組成部分，通過PID控制方案，可以很

好地控制加熱爐的工作狀態(tài)。PID控制方案是整個(gè)方案的重要組成部分,通過PID

控制方案，可以很好地控制加熱爐的工作狀態(tài)。如果對(duì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不

能完全掌握，或無法獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，其他控制理論技術(shù)就難以使用，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)試來確定何時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最

為方便。

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，使用了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)回路定義表的要求，比例增

益、積分時(shí)間和比例時(shí)間分別存儲(chǔ)在VD332、VD340和VD344中…

17

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5WinCC組態(tài)

WinCC的配置是創(chuàng)建HMI的一個(gè)重要過程。只有在WinCC中正確的變量組

合，我們才能監(jiān)測(cè)烤箱的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)控制它。。

5.1變量組態(tài)

變量配置是通過S7-200PLC的OPC服務(wù)器軟件PCACCESS完成的，它為OPC

客戶端提供數(shù)據(jù)信息，并能與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC客戶端通信。配置好變量后，可以

使用提供的OPC客戶端測(cè)試終端來檢查項(xiàng)目的變量是否被正確地通信和配置。

在屏幕配置之前，變量配置是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。只有在OPC客戶端測(cè)試

終端檢查了通信是否正確后，WinCC配置后的變量才能與PLC正常通信。

使用OPC的步驟：設(shè)置通信訪問通道，創(chuàng)建一個(gè)PLC,創(chuàng)建一個(gè)文件夾，創(chuàng)

建一個(gè)項(xiàng)目，測(cè)試通信質(zhì)量。如果測(cè)試通信的質(zhì)量很好，變量的配置就完成了。

變量的配置見表5.1oo

表5.1變量組態(tài)表

名稱地址數(shù)據(jù)類型存取

TVD296REALRW

INPUTVD200REALRW

KcVD332REALRW

TiVD340REALRW

TdVD344REALRW

PVD204REALRW

5.2畫面組態(tài)

打開WinCC資源管理器窗口創(chuàng)建一個(gè)WinCC單用戶項(xiàng)目，在變量管理器中

插入新的0PC驅(qū)動(dòng)程序在0PC項(xiàng)目管理器中插入S7-200的系統(tǒng)參數(shù)。在變量管

理器中插入所有需要的變量。然后右擊WinCC資源管理器中的〃圖形編輯器〃，

在彈出的菜單中選擇"新屏幕〃并選擇新屏幕。"（pdl為屏幕描述文件），雙擊

〃NewPdl.pdl〃打開圖形編輯器。

進(jìn)入圖形編輯界面后，我們需要對(duì)圖形進(jìn)行編輯，第一個(gè)靜態(tài)文本是用來顯

示輸出值的，這個(gè)窗口中的數(shù)據(jù)只能看到，不能更改，所以它只用于我的溫度輸

出值顯示。如果你需要輸入數(shù)據(jù)，請(qǐng)使用輸入和輸出文本。該文本中的數(shù)據(jù)可以

實(shí)時(shí)改變，改變后的變量值可以傳輸給PLC,例如，溫度設(shè)定值、P1D算法的增

益、積分時(shí)間、微分時(shí)間一所有這些都必須以這種方式使用。然后創(chuàng)建圖表，主

要用于比較設(shè)定值和顯示值。配置后的整個(gè)屏幕示意圖如圖5.2.1所示。。

18

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

HGraphicsDesigner-[ouhong.PDLJ口倒區(qū)

力文悻9?招⑴優(yōu)困?孫入⑴搭列?工具9?□?）婚助QP

口信。>「&，|二?>@@?〃/'、一田法"便”。加衛(wèi)P~3TJH4bS

■a對(duì)余選項(xiàng)楨町）

口

布?

■溫度控制系統(tǒng)/

A再

口oL

口

?B

■?

4m?

口1

?E

M

■、r

ik

西?2000：D000做分時(shí)間0000

?

澎

?8302金

由

?eoos里

忸

?,000：

-s”

r標(biāo)準(zhǔn)圖控件

-W8?C。:

?2000作式地審徽《5）

-陋燼

?38?38士自晚

測(cè)量值出百分比T點(diǎn)線

—點(diǎn)去城

T雙制微

0.000000.0畿負(fù)

B然￡8座才

10/12/0391716OCO上午918161X0上午動(dòng)2；問導(dǎo)

012345618910111213\415?|0-?O▼

需要?恭勒.，謂技”?中文（中團(tuán)）

圖5.2.1畫面組態(tài)

5.3變量連接

S7-200與WinCC的通信是PPI協(xié)議，PPI協(xié)議是西門子S7-200系列PLC通

用的通信協(xié)議，但WinCC沒有集成到該協(xié)議中，也就是說，府nCC不能直接監(jiān)控

S7-200系列PLC的控制。S7-2000PC服務(wù)器是西門子專門為解決上位機(jī)監(jiān)控

S7-200系列PLC控制器而推出的。S7-2000PC服務(wù)器是西門子的接口軟件，用

于監(jiān)控S7-200系列PLC的控制系統(tǒng)。因此，WinCC可以通過該軟件輕松地與

S7-200系列PLC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，新驅(qū)動(dòng)程序選擇OPC.CHN,

在OPCGROUP中創(chuàng)建一個(gè)新的連接，打開屬性，選擇OPCGroupSetting,OPC

ServerName為OPCServer.MicroComputing,在新添加的連接中創(chuàng)建一個(gè)新的變

量，該變量的項(xiàng)目名稱與S7-200系列PLC中用于監(jiān)控的變量名稱相同。變量連

接的基本步驟如下。

1）使用STEP7MleR0WIN完成S7完成的項(xiàng)目創(chuàng)建和編程,準(zhǔn)備OPC的符號(hào)

表。請(qǐng)注意，表中的符號(hào)表名和變量名是禁用中文的，這是OPC的一個(gè)要求。

2）安裝PCACCESS,導(dǎo)入先前創(chuàng)建的S7-200符號(hào)表，并定義從PCAccess

到S7-200的通信。這在PG/PCINTERFACE中完成。根據(jù)所使用的硬件，這可以

通過PPI、MPI、PROFIBUS,以太網(wǎng)或MODEM來完成。

3）進(jìn)入WinCC,添加OPC驅(qū)動(dòng)，在定義OPC屬性時(shí)點(diǎn)擊瀏覽。搜索路徑為

19

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LOCAL/STMATICS7-200OPCSERVER0按照說明，將PCACCESS中導(dǎo)入的變量添

加到WinCC中。

4）進(jìn)入WinCC,完成其余的配置，你可以參考S7-200中的變量。

變量連接好后，運(yùn)行WinCC,相應(yīng)的變量值就會(huì)顯示在WinCC中。結(jié)果顯示

在圖5.3.1中.

圖531變最顯示圖

20

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6程序調(diào)試

程序調(diào)試是一個(gè)非常重要的階段，我們不可能第一次就把程序?qū)憣?duì)，在寫的

過程中會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的問題，當(dāng)然需要對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，使程序正確運(yùn)行，達(dá)

到預(yù)期的功能，通過走程序的修改和調(diào)試，質(zhì)量也能得到更高的控制。

6.1PLC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(chǎng)調(diào)試兩和，調(diào)試前先對(duì)PLC的外部接線

進(jìn)行仔細(xì)測(cè)試，外部接線必須準(zhǔn)確。你也可以使用事先準(zhǔn)備好的測(cè)試程序來檢查

外部接線，發(fā)現(xiàn)接線中的錯(cuò)誤。為了安全起見，最好是斷開主電路。

仔細(xì)地逐行檢查完成的方案，并糾正寫作過程中出現(xiàn)的任何錯(cuò)誤。當(dāng)我寫完

程序后，我首先編譯并檢查了它的錯(cuò)誤，看看所使用的指令是否違反了PLC的使

用規(guī)則，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后立即更改了指令。在第一次運(yùn)行時(shí)，有一條指令顯示為紅色，

當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，有亂碼，后來經(jīng)過計(jì)算和分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)用數(shù)據(jù)設(shè)置錯(cuò)誤，那里的

數(shù)據(jù)只能是0到1之間的數(shù)字。

我把程序分塊編寫，首先是數(shù)據(jù)采集塊，數(shù)據(jù)采集主要是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行

處理，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到最終的顯示值和測(cè)量的溫度值一致。在編寫

數(shù)據(jù)采集程序時(shí)遇到了一些問題，但在同學(xué)們的幫助下，這些問題都得到了解決,

數(shù)據(jù)采集得以正常實(shí)施。數(shù)據(jù)輸出程序還包括一個(gè)P1D算法，但在編寫程序后,

出現(xiàn)了數(shù)據(jù)溢出，后來經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)是PID算法內(nèi)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了錯(cuò)誤。最后,

在一位同學(xué)的幫助下，編寫了數(shù)據(jù)過濾程序。經(jīng)過多日的調(diào)試和修改，整個(gè)程序

通過狀態(tài)表進(jìn)行了監(jiān)控，基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該方案是為編寫人機(jī)界面而準(zhǔn)

備的。

6.2WinCC調(diào)試方法與結(jié)果

WinCC調(diào)試最重要的也是檢查每個(gè)變量是否連接準(zhǔn)確，是否能正常通訊，

WinCC人機(jī)界面生產(chǎn)相當(dāng)順利，除了曲線設(shè)置的問題外，其他都能正常通訊，通

過連接變量，可以通過眄nCC實(shí)時(shí)改變PID參數(shù)。得到了控制曲線，通過一系列

的調(diào)整WinCC終于我在保存時(shí)遇到了一些問題，WinCC關(guān)閉后就打不開了，后來

老師給我們指導(dǎo)了方法，按照老師的方法，終于正常了。。

21

現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7PID參數(shù)的整定

精確選擇PID控制潛的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)，可以在發(fā)生故障后保持系統(tǒng)穩(wěn)定，并

將靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差降至最低。在設(shè)置控制器的參數(shù)之前，應(yīng)該確定控制器的結(jié)構(gòu)。

對(duì)于具有平衡特性的控制對(duì)象或生產(chǎn)過程，應(yīng)選擇具有整體鏈接的控制器；對(duì)于

具有純滯后特性的控制對(duì)象，通常應(yīng)在控制器中加入微分鏈接。在選擇控制器參

數(shù)時(shí)，必須考慮到過程控制的具體技術(shù)要求，必須結(jié)合實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試方法來

確定。

7.1整定方法

該控制器參數(shù)的整定，是按照已確定的控制器參數(shù)值來獲得最佳控制質(zhì)量的。

特別是要確定最合適的控制器比例度P、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD?？刂破鞯?/p>

參數(shù)調(diào)整方法主要有兩大類，一類是理論計(jì)算方法，另一類是工程調(diào)整方法。

工程校準(zhǔn)方法主要包括。

1）穩(wěn)定極限法（臨界比例法）。

穩(wěn)定極限法屬于閉環(huán)整定法，根據(jù)純比例控制系統(tǒng)的臨界振蕩試驗(yàn)得到的數(shù)

據(jù)（臨界比例度Pni和振蕩周期Tm）,按經(jīng)驗(yàn)公式確定控制潛的整定參數(shù)。

2）衰減曲線法

衰減曲線法也屬于控制回路匹配法，但不需要找到振幅相同的振蕩狀態(tài)，只

需要找到最佳衰減振蕩狀態(tài)即可。

3）響應(yīng)曲線法

響應(yīng)曲線法是一種開放的調(diào)整方法。根據(jù)被控對(duì)象的控制通道的階躍響應(yīng)，

通過經(jīng)驗(yàn)公式找到控制器的最住參數(shù)設(shè)置值。

4）經(jīng)驗(yàn)法

經(jīng)驗(yàn)法依靠的是做研究的經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵是要〃看到曲線并調(diào)整參數(shù)〃。在控制

過程中，首先將控制器參數(shù)設(shè)定為經(jīng)驗(yàn)值，通過改變給定值施加擾動(dòng)，在記錄儀

上觀察過渡過程的曲線，根據(jù)P、