【正文】 輸出模塊 輸入模塊和輸出模塊通常稱為I/O模塊或I/O單元。PLC提供了各種工作電平、連接形式和驅(qū)動能力的I/O模塊，有各種功能的I/O模塊供擁護(hù)選用。按 I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊的規(guī)格和數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受PLC所能管理的配置能力，即底版的限制。PLC還提供了各種各樣的特殊的I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、高速計(jì)算器、位置控制、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、溫度控制、中斷控制、聲音輸出、打印機(jī)等專用 型或智能型模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。智能接口模塊是一獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它有自己的CPU、系統(tǒng)程序、存儲器及與PLC系統(tǒng)總線相連接的接 口。4)編程裝置編程器作用是將用戶編寫的程序下載至PLC的用戶程序存儲器，并利用編程器檢查、修改和調(diào)試用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過程，顯示PLC狀態(tài)、內(nèi)部器件 及系統(tǒng)的參數(shù)等。常見的編程器有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。目前PLC制造廠家大都開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助PLC編程支持軟件， 當(dāng)個人計(jì)算機(jī)安裝了PLC編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進(jìn)行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計(jì)算機(jī)和PLC之間的通信接口實(shí)現(xiàn)用戶程序的雙向傳 送、監(jiān)控PLC運(yùn)行狀態(tài)等。5）電源 PLC的電源將外部供給的交流電轉(zhuǎn)換成供CPU、存儲器等所需的直流電，是整個PLC的能源供給中心。PLC大都采用高質(zhì)量的工作穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng) 的開關(guān)穩(wěn)壓電源，許多PLC電源還可向外部提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于向輸入接口上的接入電氣元件供電，從而簡化外圍配置。第三章 硬件配置和軟件環(huán)境 西門子S7200S7200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴(kuò)展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。本論文采用的是CUP224。它具有24個輸入點(diǎn)和16個輸出點(diǎn)。S7200系列的基本單元如表31所示[13]。 傳感器熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo) 準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)， 并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。本論文才用的是K型熱電阻[14]。 EM 231模擬量輸入模塊傳感器檢測到溫度轉(zhuǎn)換成0～41mv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EM231 4TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊提供一個方便的，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(177。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)行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷端補(bǔ)償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組 態(tài)DIP開關(guān)進(jìn)行以上選擇，如圖32所示。本設(shè)計(jì)采用的是K型熱電偶，結(jié)合其他的需要，我們設(shè)置DIP開關(guān)為00100000。對于EM231 4TC模塊，SW1～SW3用于選擇熱電偶類型，見表33 。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，見表34[15]。為了使DIP開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給PLC的電源斷電再通電。 STEP 7 Micro/WIN32軟件介紹 STEP 7MWIN32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，是西門子公司專門為SIMTIC S7200系列PLC設(shè)計(jì)開發(fā)的。該軟件功能強(qiáng)大，界面友好，并有方便的聯(lián)機(jī)功能。用戶可以利用該軟件開發(fā)程序，也可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該 軟件是SIMATIC S7200擁護(hù)不可缺少的開發(fā)工具 7MWIN32 在開始安裝的時候是選擇語言界面，這時候沒有選擇中文的，但可以先選擇其他語言，見圖35。等軟件安裝好之后再進(jìn)行語言的切換。 在安裝的最后，會出現(xiàn)一個界面，按照硬件的配置，我們需要用232通信電纜，采用PPI的通信方式，所以要選擇PPI/PC Cable(PPI)，這個時候在彈出來的窗口中選擇端口地址，通信模式，一般選擇默認(rèn)就可以了，見圖36。如果想改變編程界面的語言，可在軟件的主界面的工具欄中選擇tools目錄下選擇option選項(xiàng)，在出現(xiàn)的界面中選擇general,然后在右下角就可以選擇中文了。見圖37所示。 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)塊用來設(shè)置S7200 CPU的系統(tǒng)選項(xiàng)和參數(shù)等。系統(tǒng)塊更改后需要下載到CPU中，新的設(shè)置才能生效。系統(tǒng)塊的設(shè)置如下，需要注意的是，PLC的地址默認(rèn)是2，但本設(shè)計(jì)中需要 用到的地址是1，如圖38。通信端口的設(shè)置，同樣的，我們用到的地址是1，如圖39所示。圖 39 通信端口設(shè)置 第四章 控制算法描述 PWM技術(shù)脈寬調(diào)制（PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測量、通信、功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF) [16]。本論文中采樣周期和加熱周期都是10秒。采樣后，根據(jù)溫差的大小進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)化得到一個加熱時間（010秒）作為下一個加熱周期的加熱時間。例如 溫差大，加熱時間就大，溫差小，那么加熱時間就小。程序采用的是粗調(diào)和微控兩段式控制方式。在粗控調(diào)階段，占空比恒為一。在微控制階段，占空比就根據(jù)溫差 不停地變化。 PID控制程序設(shè)計(jì)模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是PID控制，PID在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有60多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。人們在應(yīng)用的過程中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)，PID的研究已經(jīng)到達(dá)一個比較高的程度。比例控制(P)是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。其特點(diǎn)是具有快速反應(yīng)，控制及時，但不能消除余差。在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點(diǎn)，不能快速對誤差進(jìn)行有效的控制。在微分控制(D)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。微分控制具有超前作用，它能預(yù)測誤差變化的趨勢。避免較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，它們一起使用的時候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量[17]。 PID控制算法如圖41所示，PID控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系: ()控制器的輸出為: ()上式中, ——PID回路的輸出。 ——比例系數(shù)P。 ——積分系數(shù)I。 ——微分系數(shù)D。PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為： ()數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)輸出值。其離散化的規(guī)律如表45所示：表 45 模擬與離散形式模擬形式 離散化形式所以PID輸出經(jīng)過離散化后，它的輸出方程為:， 稱為比例項(xiàng)； 稱為積分項(xiàng)； 稱為微分項(xiàng)；上式中，積分項(xiàng) 是包括第一個采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值[17]。計(jì)算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的PID指令實(shí)現(xiàn)位置式PID控制算法量[18]。 PID在PLC中的回路指令現(xiàn)在很多PLC已經(jīng)具備了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是專用模塊，有些是指令形式。西門子S7200系列PLC中使用的是PID回路指令。見表47。表47 PID回路指令名稱 PID運(yùn)算指令格式 PID指令表格式 PID TBL，LOOP梯形圖使用方法：當(dāng)EN端口執(zhí)行條件存在時候，就可進(jìn)行PID運(yùn)算。指令的兩個操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因 為一個PID回路占用了32個字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號，可以是0~7，不可以重復(fù)使用。PID回路在PLC中的地 址分配情況如表48所示。表48 PID指令回路表偏移地址 名稱 數(shù)據(jù)類型 說明0 過程變量（PVn） 實(shí)數(shù) ~4 給定值（SPn） 實(shí)數(shù) ~8 輸出值（Mn） 實(shí)數(shù) ~12 增益（Kc） 實(shí)數(shù) 比例常數(shù)，可正可負(fù)16 采樣時間（Ts） 實(shí)數(shù) 單位為s，必須是正數(shù)20 采樣時間（Ti） 實(shí)數(shù) 單位為min，必須是正數(shù)24 微分時間（Td） 實(shí)數(shù) 單位為min，必須是正數(shù)28 積分項(xiàng)前值（MX） 實(shí)數(shù) ~32 過程變量前值（PVn1）16