【正文】 ...........................................................................................42 動畫連接 .................................................................................................................................44第六章 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及分析 .............................................................................................................46 系統(tǒng)運(yùn)行 .................................................................................................................................46 運(yùn)行結(jié)果分析 .........................................................................................................................47 溫度趨勢曲線分析 ........................................................................................................47 報警信息分析 ................................................................................................................49第七章 總結(jié) .........................................................................................................................................50參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................................51致 謝 .......................................................................................................................................................52 第一章 前言 項目背景、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，因為這些系統(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)及接收信息的一個接口” 。舉個例子來說，在一座工廠里頭，我們要搜集工廠各個區(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)生的時候能夠加以處理。這便是一個很典型的 SCADA/HMI 的運(yùn)用，一般而言，HMI 系統(tǒng)必須有幾項基本的能力：　　實(shí)時的資料趨勢顯示——把擷取的資料立即顯示在屏幕上?！　∽詣佑涗涃Y料——自動將資料儲存至數(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)。　　報表的產(chǎn)生與打印——能把資料轉(zhuǎn)換成報表的格式，并能夠打印出來?！　D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。 　 警報的產(chǎn)生與記錄——使用者可以定義一些警報產(chǎn)生的條件?！　”确秸f溫度過度或壓力超過臨界值，在這樣的條件下系統(tǒng)會產(chǎn)生警報，通知作業(yè)員處理 [1]。 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)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，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)驗及控制對象的變化情況，自動調(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?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及我國現(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。 項目研究內(nèi)容 可編程控制器(PLC)是集計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，并已成為工業(yè)自動化的三大支柱(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、程序設(shè)計，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。同時利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設(shè)計一個人機(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，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)計結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計角度,介紹該項目的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計步驟、PLC 的硬件配置、外部電路設(shè)計以及 PLC 控制器的設(shè)計和參數(shù)的整定。第四章，在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了本項目軟件設(shè)計，主要包括軟件設(shè)計的基本步驟、方法，編程軟件 STEP7Micro/WIN 的介紹以及本項目程序設(shè)計。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。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)控制計算機(jī)，簡稱 PLC（Programmable Logic Controller） ，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、計時、計數(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。 可編程控制器基礎(chǔ) 可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用20 世紀(jì) 60 年代，計算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價格高、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裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項技術(shù)迅速發(fā)展起來。隨著 PLC 功能的不斷完善，性價比的不斷提高，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行業(yè)。PLC 的應(yīng)用范圍通?？煞譃殚_關(guān)邏輯控制、運(yùn)動控制、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]。 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 21 PLC 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，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等，是 PLC 不可缺少的組成單元。主要功能包括以下幾個方面。（1）接收從編程器或者計算機(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)部各個單元電路的工作狀態(tài)。（3）診斷編程過程中的語法錯誤，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