【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)能適應于受控系統(tǒng)數(shù)學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，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、自動控制技術和通信技術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、電路圖的設計、程序設計，控制對象數(shù)學模型的建立、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， 在硬件設計的基礎上，詳細介紹了本項目軟件設計，主要包括軟件設計的基本步驟、方法，編程軟件 STEP7Micro/WIN 的介紹以及本項目程序設計。 第二章 PLC 和 HMI 基礎 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，但在邏輯結構上基本相同。 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）響應中斷和各種外圍設備（如編程器、打印機等）的任務處理請求。輸入模塊和輸出模塊是 PLC 與現(xiàn)場 I/O 裝置或設備之間的連接部件，起著 PLC 與外部設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。編程設備用于輸入和編輯用戶程序，對系統(tǒng)作些設定，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、功能強、安裝簡單、維修方便、采用模塊化結構、接口模塊豐富、系統(tǒng)設計與調(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 設備總數(shù)來衡量。 圖 31 PLC 控制系統(tǒng)設計步驟 PLC 控制系統(tǒng)設計的一般步驟 PLC 控制系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計。設計人員必須深入現(xiàn)場，認真調(diào)查研究，收集資料，并于相關技術人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設計中出現(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 通道分配時應給出 I/O 通道分配表，表中應包含 I/O 編號、設備代號、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. 編寫技術文件 技 術文件包括設計說明書、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 SW1～ SW8 組態(tài)為 00100000； EM231 具體技術指標見表 31。所有的輸入設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，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的控制參數(shù)值，進行反復湊試，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 ? 進行反復湊試，直至得到滿意的結果。 第四章 PLC 控制系統(tǒng)軟件設計 PLC 控制系統(tǒng)的設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分，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 的應用軟件，由西門子公司專為 s7200 系列可編程控制器設計開發(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。 梯形圖程序設計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設計語言。在梯級中，描述事件發(fā)生的條 件表示在左面，事件發(fā)生的結果表示在后面。梯形圖程序設計語言的特點是： （ 1）與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性； （ 2）與原有繼電器邏輯控制技術相一致，對電氣技術人員來說，易于撐握和學習； （ 3）與原有的繼電器邏輯控制技術的不同點是，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，應用時，需與原有繼電器邏輯控制技術的有關概念區(qū)別對待； （ 4）與布爾助記符程序設計語言有一一對應關系，便于相互的轉換和程序的檢查 [16]。如圖 43所示。 。 圖 44 通信參數(shù)設置 程序設計 設計思路 PLC 運行時，通過特殊繼電器 產(chǎn)生初始化脈沖進行初始化 ，將溫度設定值 ， PID 參數(shù)值 等，存入有關的數(shù)據(jù)寄存器，使定時器復位 ； 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。這種程序設計語言采用因果關系來描述事件發(fā)生的條件和結果。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。現(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。 計算機輔助設計是通過 PLC 編程軟件（比如 STEP7Micro/WIN） 在計算機上進行程序設計、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。一般比較復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。這時應適當調(diào)整 Ti 和 Td，再重復湊試，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)學模型都只能近似的反映過程的動態(tài)特性，整定結果的精度是不高的，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)結構圖如 圖 36 所示，方框圖如圖 37 所示。 圖 34 系統(tǒng)框架圖 PLC 控制器的設計 控制器的設計是基于模型控制設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