【正文】 ....46 運(yùn)行結(jié)果分析 .........................................................................................................................47 溫度趨勢曲線分析 ........................................................................................................47 報(bào)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(xiàng)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。本文主要介紹了基于西門子公司S7200系列的可編程控制器和亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王的爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。I摘 要可編程控制器是一種應(yīng)用很廣泛的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合溫度控制的要求。編程時(shí)調(diào)用了編程軟件STEP 7 Micro WIN中自帶的 PID控制模塊，使得程序更為簡潔，運(yùn)行速度更為理想。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 。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。人機(jī)界面（HMI）在自動(dòng)控制領(lǐng)域的作用日益顯著。這便是一個(gè)很典型的 SCADA/HMI 的運(yùn)用，一般而言，HMI 系統(tǒng)必須有幾項(xiàng)基本的能力：　　實(shí)時(shí)的資料趨勢顯示——把擷取的資料立即顯示在屏幕上?！　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。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。5)溫度控制器普遍具有參數(shù)自整定功能。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]。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。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。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。總體上包括的技術(shù)路線：硬件設(shè)計(jì)，軟件編程，參數(shù)整定等。第三章，主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度,介紹該項(xiàng)目的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、PLC 的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及 PLC 控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的整定。第七章，總結(jié)全文。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(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。PLC 的應(yīng)用范圍通?？煞譃殚_關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)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]。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(shí)，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(cuò)誤等，是 PLC 不可缺少的組成單元。（3）診斷編程過程中的語法錯(cuò)誤，對用戶程序進(jìn)行編譯。（7）根據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，將結(jié)果送到輸出接口。PLC 的對外功能主要是通過各種 I/O 接口模塊于外界聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)的。一般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。4）電源模塊 PLC 中的電源，是為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。6）編程設(shè)備常見的編程設(shè)備有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于 PC 的專用編程軟件。但其工作方式卻與計(jì)算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。還有一些 PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。 人機(jī)界面的定義 人機(jī)界面是指連接可編程控制器（PLC） 、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互的數(shù)字設(shè)備,由硬件和軟件兩部分組成。用戶必須先使用組態(tài)軟件制作“工程文件” ，再通過 PC 機(jī)和 HMI 產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“ 工程文件 ”下載到 HMI 的處理器中運(yùn)行?？蓮谋O(jiān)控界面上啟動(dòng)和停止系統(tǒng)、設(shè)定溫度上下限、設(shè)置 PID 參數(shù)等。(5) 報(bào)表系統(tǒng)HMI 系統(tǒng)可以輸出報(bào)警和過程值報(bào)表。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟弄懂 PLC 的基本工作原理和指令系統(tǒng)后,就可以把 PLC 應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中。1. 設(shè)計(jì)原則 (1)完整性原則。 (3)經(jīng)濟(jì)型原則。 2. 評估控制任務(wù) 根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務(wù)，對被控對象的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，特別是從以下幾個(gè)方面給以考慮。 (4) 數(shù)據(jù)處理速度 若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時(shí)，采用 PLC 控制將非常適宜 [9]。 1. 熟悉被控對象 深入了解被控系統(tǒng)是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。PLC 與其他設(shè)備的關(guān)系， PLC 之間是否通信聯(lián)網(wǎng)。輸入設(shè)備包括按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等。 (3) PLC 的 I/O 端口分配。由 PLC 的 I/O 連接圖和 PLC 外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實(shí)現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。 (2)檢測、故障診斷和顯示等程序。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。 (1)硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺 PLC 或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到 PLC 系統(tǒng)的輸入端，其時(shí)效性較強(qiáng)。當(dāng)控制臺及現(xiàn)場施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時(shí)更正軟硬件方面的問題。它的硬件配置靈活，既可用一個(gè)單獨(dú)的 S7200 CPU 構(gòu)成一個(gè)簡單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)字量 I/O 模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴(kuò)展，構(gòu)成較復(fù)雜的中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng) [10]?？蛇B接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 點(diǎn)數(shù)字量或 35 點(diǎn)模擬量 I/O。 EM231 模擬量輸入模塊本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉(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。EM231 模塊需要用戶通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行組態(tài)： SW1～SW3 用于選擇熱電偶類型，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。,0~20mA分辨率：12 Bit轉(zhuǎn)換速度：250μS隔離：有耗電 從 CPU 的 DC 5V （I/O 總線）耗電 10mADIP 開關(guān) SW1 0, SW2 0, SW3 1（以 K 型熱電偶為例）表 32 所示為如何使用 DIP 開關(guān)設(shè)置 EM231 模塊，開關(guān) 2 和 3 可選擇模擬量輸入范圍。5V ON OFF 177。其中最常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化,而熱電阻是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。國際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有 S、B、 E、K、R、J 、T 七種類型，在本系統(tǒng)中，我們選用了 K 型熱電偶（分度表如表 33 所示） ，其測溫范圍大約是 0～1000℃。系統(tǒng)選用 PLC CPU226 為控制器， K型熱電偶將檢測到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過 EM231 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。首先要根據(jù)受控對象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對象的連接方式。 圖 35 系統(tǒng)硬件連接圖PLC 控制器 固態(tài)繼電器 烤爐溫度模塊 熱電偶 圖 36 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 R(s) + E(s) U(s) Y(s) _ 圖 37 控制系統(tǒng)方框圖圖 37 中，R(s)為設(shè)定溫度的拉氏變換式；E(s)為偏差的拉氏變換式； Gc(s)為控制器的傳遞函數(shù)；Go(s)為廣義對象，即控制閥、對象控制通道、測量變送裝置三個(gè)環(huán)節(jié)的合并；該溫度控制系統(tǒng)是具有時(shí)滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為Gc(s) Go(s) （31）式 31 中， 為對象放大系數(shù)； 為對象時(shí)間常數(shù)； 為對象時(shí)滯。積分控制可以消除余差，但是工業(yè)上很少單獨(dú)使用積分控制的，因?yàn)榕c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(shí)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(jìn)行及時(shí)且有效的控制。pKITDT根據(jù)以上的分析，本溫度控制系統(tǒng)適于采用 PID 控制。理論計(jì)算整定法是在已知被控對象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，通過理論計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等） ，來求得最佳的整定參數(shù)。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法來整定控制器的參數(shù)值。由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗(yàn)整定法主要通過調(diào)整比例度 的?大小來滿足質(zhì)量指標(biāo)。調(diào)整積分時(shí)間的大小，直到出現(xiàn) 4：1 的衰減振蕩。如果開始時(shí) Ti 和 Td 設(shè)置的不合適，?則有可能得不到要求的理想曲線。本章在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將詳細(xì)介紹本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法，編程軟件 STEP7Micro/WIN 的介紹以及本項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)。（1）梯形圖法梯形圖法是用梯形圖語言去編制 PLC 程序。（2）邏輯流程圖法邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示 PLC 程序的執(zhí)行過程，反映輸入與輸出的關(guān)系。（4）步進(jìn)順控法步進(jìn)順控法是在順控指令的配合下設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制程序。結(jié)合自己工程的情況，對這些“試驗(yàn)程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。它是西門子 s7200 用戶不可缺少的開發(fā)工具。如圖41所示，STEP 7Micro/WIN項(xiàng)目窗口將提供用于創(chuàng)建控制程序的便利工作空間?？蓪蝹€(gè)的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個(gè)指令，以便將其插入到程序編輯器中光標(biāo)的當(dāng)前位置。STEP 7Micro/WIN提供了用于創(chuàng)建程序的三個(gè)編輯器：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。圖 41 編程軟件 STEP7Micro/WIN 主界面 梯形圖語言特點(diǎn) 梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為 PLC 的第一編程語言。采用梯形圖程序設(shè)計(jì)語言，程序采用梯形圖的形式描述。梯形圖程序設(shè)計(jì)語言是最常用的一種程序設(shè)計(jì)語言。 STEP7Micro/WIN 參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置） 本項(xiàng)目中 PLC 要與電腦正確通信，安裝完 STEP7Micro/WIN 編程軟件且設(shè)置好硬件后，可以按下列步驟進(jìn)行通訊設(shè)置。圖 43 PG/PC 接口對話框（3）單擊 Properties 按鈕，將出現(xiàn)接口屬性對話框，檢查各參數(shù)的屬性是否正確，其中通信波特率默認(rèn)值為 （如圖 44 所示） 。上面的指令中，PV_I 為反饋值，也就是熱電偶將檢測到的當(dāng)前溫度值送入溫度模塊后輸出的模擬電壓值 AIW0；Setpoint_R 為設(shè)定值。歸一化的公式為R1=(R/S+ M)