【正文】 潔和快速。 自動記錄資料 —— 自動將資料儲存至數(shù)據(jù)庫中，以便日后查看。 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 。 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。借助計算機軟件技術(shù)，溫控器具有對控制 參數(shù)及特性進行自動整定的功能。 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、德國等先進國家相比仍然有著較大的差距?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及我國現(xiàn)場調(diào)試來確定。 項目研究內(nèi)容 可編程控制器 (PLC)是集計算機技術(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。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，人機界面的設(shè)計等。 全論文分七章 ,各章的主要內(nèi)容說明如下 。 第四章， 在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，詳細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，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，以控制各種機械或生產(chǎn)過程。從此這項技術(shù)迅速發(fā)展起來 。 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。 主要功能包括以下幾個方面。 （ 4）在 PLC 進入運行狀態(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。 （ 8）響應(yīng)中斷和各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機等）的任務(wù)處理請求。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。系統(tǒng)程序存儲器用于存儲整個系統(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。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。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。PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式。 還可以 按 I/O 點數(shù)分類 ， 根據(jù) PLC 的 I/O 點數(shù)的多少，可將 PLC 分為小型、中型、大型和 超大 型 四類 : ? I／ O點數(shù)在 256 以下為小型 PLC； ? I／ O點數(shù)在 256～ 1024 為中型 PLC； ? I／ O點數(shù)大于 1024 為大型 PLC； ? I／ O點數(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、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)計與調(diào)試周期短等特點 [7]。 人機界面產(chǎn)品的組成及工作原理 人機 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。 人機界面產(chǎn)品的 特點 (1) 系統(tǒng)運行過程清晰化 控制過程可以動態(tài)地顯示在 HMI 設(shè)備上。 (3) 顯示報警 控制過程達到臨界狀態(tài)或系統(tǒng)運行錯誤時會自動觸發(fā)報警，例如，當爐子溫度超出溫度上下限時自動觸發(fā)報警。例如，您可以在生產(chǎn)某一輪班結(jié)束時打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù) [8]。無論是用 PLC 組成集散控制系統(tǒng)，還是獨立控制系統(tǒng)， PLC 控制部分的設(shè)計都可以參考圖 31 所示的步驟。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機械設(shè)備的控制要求。力求控制系統(tǒng)簡單、實用、合理。 (1) 控制規(guī)模 一個控制系統(tǒng)的控制規(guī)模可用該系統(tǒng)的 I/O 設(shè)備總數(shù)來衡量。 圖 31 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。設(shè)計人員必須深入現(xiàn)場，認真調(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)計中出現(xiàn)的問題。系統(tǒng)的工作方式及人機界面，需要顯示的物理量及顯示方式等。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。在進行 I/O 通道分配時應(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。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)容： (1)初始化程序。這些程序相對獨立，一般在程序設(shè)計基本完成時再添加。 4. 程序調(diào)試 程序調(diào)試分為 2 個階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場調(diào)試。 (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，但時效性不易保證。 5. 編寫技術(shù)文件 技 術(shù)文件包括設(shè)計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、 PLC程序以及使用說明書等 [10]。完整的 S7200 系 列 PLC 實物如圖 32 所示。還有 13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲空間空間， 6 個獨立的 30KHz 高速計數(shù)器，2 路獨立的 20KHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。在這里，我們選用了西門子 EM231 4TC 模 擬量輸入模塊。 本系統(tǒng)用的是 K 型熱電偶，所以 DIP開關(guān) SW1～ SW8 組態(tài)為 00100000； EM231 具體技術(shù)指標見表 31。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸 入范圍。 EM231 校準和配置位置圖如圖 33所示。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。 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]。 PLC 和 HMI 相連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控。然后根據(jù)所要求的性能指標確定控制器的參數(shù)值。 （ 31） 式 31 中， 錯誤 !未找到引用源。 分鐘； ? =錯誤 !未找到引用源。積分控制可以消除余差，但是工業(yè)上很少單獨使用積分控制的，因為與比例控制相比，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，從而難以對干擾進行及時且有效的控制。 （ 33） 式 33 中： pK 為比例系數(shù)， IT 為積分時間常數(shù)， DT 為微分時間常 數(shù)?？刂破鲄?shù)整定方法很多，歸納起來可分為兩大類， 即理論計算整定法和工程整定法。常用的工程整定法有經(jīng)驗整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應(yīng)曲線法、自整定法等。它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運行，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，進行反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。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 10%20%。 2） 先根據(jù)表選取積分時間 Ti 和 Td，通常取 Td=(1/31/4)Ti，然后對比例度 ? 進行反復(fù)湊試，直至得到滿意的結(jié)果。 第四章 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，上一章已經(jīng)詳細介紹了本項目硬件連接。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時序流程圖法和步進順控法。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。這種方法很適合以時間為基準的控制系統(tǒng)的編程方法。多數(shù)是設(shè)計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“試驗程序”。 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)計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。 STEP7Micro/WIN 簡單介紹 以 STEP7Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通 STEP 7Micro/WIN， 可雙擊 STEP 7Micro/WIN圖標，或選擇開始（ Start） SIMATIC STEP 7 Micro/WIN 菜單命令。指令樹將顯示用于創(chuàng)建控制程序的所有項目對象和指令。單擊標簽可在子程序、中斷程序和主程序之間來回變換 [15]。下面詳細介紹梯形圖的特點。 梯形圖程序設(shè)計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設(shè)計語言。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)計語言的特點是： （ 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)的不同點是，梯形圖中的能流（ Power FLow）不是實際意義 的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此，應(yīng)用時，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]。如圖 43所示。 。 圖 44 通信參數(shù)設(shè)置 程序設(shè)計 設(shè)計思路 PLC 運行時，通過特殊繼電器 產(chǎn)生初始化脈沖進行初始化 ，將溫度設(shè)定值 ， PID 參數(shù)值 等，存入有關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器，使定時器復(fù)位 ； 按啟動按鈕 ，系統(tǒng) 開始溫度采樣，采樣周期為 10 秒； K 型熱電偶 傳感器把所測量的溫度進行標準量轉(zhuǎn)換（ 041 毫伏 ） ； 模擬量輸入通道 AIW0 通過讀入 041 毫伏 的模擬電 壓量送入 PLC； 經(jīng)過程序計算后得出實際測量的溫度 T,將 T 和溫度設(shè)定值比較，根據(jù)偏差計算調(diào)整量，發(fā)出調(diào)節(jié)命令。 （ 1）在 STEP7Micro/WIN 運行時單擊通訊圖標，或從“視圖”菜單中選擇選項“通信”，則會出現(xiàn)一個通信對話框（如圖 42所示） 。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。這種程序設(shè)計語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。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，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。盡管有某些限制，在這些程序編輯器的任何一 個中編寫的程序均可用其它程序編輯器進行瀏覽和編輯。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時局部變量的符號名。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?，F(xiàn)在加上中文程序后，可在全中文的界面下進行操作，用戶使用起來更加方便。 計算機輔助設(shè)計是通過 PLC 編程軟件（比如 STEP7Micro/WIN） 在計算機上進行程序設(shè)計、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。一般比較復(fù)雜的程序都可以分成若干個功能比較簡單的程序段，一個程序可以看成整個控制過 程的一步。邏輯流程圖會使整個程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點及調(diào)試和維修程序。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。 PLC 程序設(shè)計方法 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。這時應(yīng)適當調(diào)整 Ti 和 Td，再重復(fù)湊試，使曲 線最終符合控制要求 [13]。需要時，最后加入微分（ D）作用，即從零開始，逐漸加大微分時間 Td，由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可以把積分時間也縮短一些。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 4： 1 的衰減振蕩過程。下面介紹下方法步驟。這類方法計算繁雜，工作量又大，而且由于用解析法或?qū)嶒灉y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。 完成了上述內(nèi)容后，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)確定了。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。 PID 控制及參數(shù)整定 比例、積分、微分三種控制方式各有獨特的作用。 錯誤 !未找到引用源?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如 圖 36 所示，方框圖如圖 37 所示。 圖 34 系統(tǒng)框架圖 PLC 控制器的設(shè)計 控制器的設(shè)計是基于模型控制設(shè)計過程中最重要的一步。 表 34 I/O點分配表 2)系統(tǒng)整體設(shè)計方案及硬件連接圖。 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。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。 表 32 EM231選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表 單極性 滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 ON OFF ON 0到 10V ON OFF 0到 5V 0到 20mA 5uA 雙極性 滿量程輸入 分辨率 S