【正文】 ，溫度控制的精度對實驗結果或工業(yè)生產(chǎn)都會產(chǎn)生重要的影響。 本文主要介紹了 PLC相關知識、溫度控制系統(tǒng)的硬件設計、軟件設計，同時對傳感技術、 PID算法以及調壓技術進行了涉及。在科學研究和生產(chǎn)實踐當中—— 特別是在冶金、化工、建材、視頻、機械、石油等工業(yè)當中，溫度控制更是具有舉足輕重的作用，而不同的工業(yè)生產(chǎn) 和工業(yè)要求下的溫度控制系統(tǒng)所采用的加熱方式也各不相同，考慮到電阻爐能夠實現(xiàn)較快的控制變化以適應復雜多變的工業(yè)生產(chǎn)過程，電阻爐溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)劣更是衡量質量的重要屬性，故而本課題主要以電阻爐為對象設計根據(jù)生產(chǎn)要求及實時狀態(tài)不同的情況下均具有較好溫度控制效果的溫度控制系統(tǒng)。 當前比較流行的溫度控制系統(tǒng)有基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，基于 PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機（ IPC）的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（ DCS），現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（ FCS）等。故而，本課題選取的西門子 S7— 200PLC 作為控制元件。隨著科學技術和生產(chǎn)發(fā)展的需要，傳感檢測 技術已經(jīng)發(fā)展成為一門完整的交叉性技術學科，綜合應用了現(xiàn)代電子技術、微電子技術、生物技術、材料科學、化學科學、光電技術、精密機械技術、微細加工技術等。其中熱電勢傳感器時利用轉換元件電磁參量歲溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關參量進行檢測的裝置，常用于溫度監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集。 PLC 型號品種繁多，但實質都是一種工業(yè)控制計算機， PLC 內部組成分為中央處理器（ CPU）、存儲器、電源、輸入輸出單元和通信街頭。 PLC 編程語言常用的有梯形圖、指令圖和 SFC 圖，由于梯形圖比較直觀容易掌握，因此受到普通技術人員歡迎。 4 組態(tài)軟件 在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時， 當工業(yè)被控對象一旦變化就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導致其開發(fā)周期長；已開發(fā)成功的工控軟件業(yè)由于每個控制項目的不同而使其重復使用率很低，導致價格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時，倘若原來的編程人員因工作變動離去時，則必須同其他人員或新手進行源程序的修改，因而更是相當困難。組態(tài)軟件提供了豐富的用于工業(yè)自動化監(jiān)控的功能，用戶根據(jù)自 己工程的需要進行選擇，配置等較為簡單的工作來建立自己所需要的監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)。 S7— 200 系列 PLC 在集散自動化系統(tǒng)中發(fā)揮其強大功能，使用范圍從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制，應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括水電、核電、火電、各種輸電、用電設施，各種機床、機械，環(huán)境保護設備及運動系統(tǒng)等。 西門子提供多種型號的 CPU以適應不同的應用要求，每種型號都具有不同的數(shù)字量 I/O 點數(shù)、內存容量等規(guī)格參數(shù)。 該模塊需要 DC24V 供電，可由 CPU 模塊的傳感器電源 DC24V/400mA 供電，也可由用戶設置外部電源，本設計采用模塊數(shù)量較少，從經(jīng)濟角度和工業(yè)結構穩(wěn)定角度考慮內部供電。 （ 3） 編程 /通信電纜 編程 /通信電纜是 PLC 用來實現(xiàn)與個人計算機 PC 通信的，連接 PLC 的 RS485口和計算機的 RS232 可以用 PC/PPI 電纜。 表 PC— RS232 插頭和 PPI— RS485 插頭的信號定義 PC— RS232 插頭 PPI— RS485 插頭 針號 信號說明 針號 信號說明 2 接受數(shù)據(jù) RD（從 PC/PPI 輸出） 2 24V電源負極（ RS485 邏輯地） 3 發(fā)送數(shù)據(jù) SD（輸入到 PC/PPI） 3 RS485 信號 B（ RxD/TxD+） 4 數(shù)據(jù)終端就緒 DTR 7 24 電源正極 5 地（ RS232 邏輯地） 8 RS485 信號 A（ RxD/TxD） 7 請求發(fā)送 RTS 9 協(xié)議選擇 將 PC/PPI 電纜的 RS485 插頭插入 S7— 200PLC 的編程口， RS232 插頭插入 PC的 RS232 口，并在編程軟件上選擇對應的 COM 口號，將 10bit、 11bit 選擇開關撥到 11bit 位置即可。熱電偶溫度計具有結構簡單，價格便宜，準確度高，測溫范圍廣、熱慣性小、準確度高、輸出信號便于遠傳等優(yōu)點。標準熱電偶已列入工業(yè)化標準文件中，文件規(guī)定了其熱電勢與溫度之間的關系、答應誤差、并具有統(tǒng)一的分度表，標準熱電偶具有與其配套的顯示儀表可供選用；與此對應，非標準化熱電 9 偶在適用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，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。 溫度變送器由基準源、冷端補償、放大單元、線性化處理、 V/I 轉換、斷偶處理、反接保護、限流保護等電路單元組成。 由于本設計采取了 K 型熱電偶傳感器，故而熱電偶溫度變送器采用 K 型熱電偶溫度變送器?！熬чl管”又稱“可控硅”（ SCR），是一種四層三端半導體器件，具有體積小、結構簡單、功能強大等有點。晶閘管調功器一般與帶有 05V， 420mA 的智能 PID 調節(jié)器或 PLC 配套使用，負載類型可以是三相阻性 負載、三相感性負載及三相變壓器負載。 JK3S 型三相數(shù)字可控硅調壓器與 05V、 420ma 的智能 PID調節(jié)器或 PLC 配套使用，能夠實現(xiàn)精確的溫度控制。 PID 控制具有以下優(yōu)點： ?原理簡單，使用方便： PID 控制是由 P、 I、 D 三個環(huán)節(jié)的不同組合而成，其基本組成原理比較簡單，很容易理解，參數(shù)的物理意義也比較明確； ?適應強：可以廣泛應用于化工、熱工、冶金、煉油等生產(chǎn)部門，按 PID 控制進行工作的自動化調節(jié)器已經(jīng)商品化。 在積分控制 (I)： 控制器的輸出 信號的變化速度 與 偏差 信號成正比關系 ，最主要的特點是無差調節(jié)，即調節(jié)閥開度與當時被調量的數(shù)值本身沒有直接關系，故而被稱為浮動調節(jié)。 PID 控制原理（ PID 算法） 圖 PIF閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 15 連續(xù) PID算法方程用數(shù)學公式表達如下： ])()(1)([)( 10 dttdeTdtteTteKtu dip ??? ? 式（ ） 其中： )(tu 為 PID 回路輸出 ； pK 為 比例系數(shù) P； iT 為 積分系數(shù) I； dT 為 微分系數(shù) D 由于 PLC運算不可能做到連續(xù)，而是按照掃描周期進行，所以 PLC 中檢測值是按照設定的時間周期進行采樣，然后把采樣值放到公式里進行運算。 轉化公式： PID 標準值 =原值 ? 值域 +偏置 式中：偏置是單極性數(shù)值取 ，是雙極性數(shù)值取 ；值域是可能的最大值減去可能的最小 值的差值。 圖 單極性數(shù)值例子程序 圖 雙極性數(shù)值例子程序 17 PID 在 PLC 中的回路指令 PID 運算指令是根據(jù)表格（ TBL）中的輸入和設置信息對 LOOP 指定的回路執(zhí)行PID環(huán)路計算的指令，其指令樣式如下： 表 PID計算指令樣式 輸入 /輸出 操作數(shù) 數(shù)據(jù)類型 TBL VB 字節(jié) LOOP 常量（ 07） 字節(jié) 由于需要進行 PID 閉環(huán)控制的場合很多，一般的 PLC都具有 PID 運算指令，用戶只需要按照向導要求一步一步輸入和配置回路參數(shù)信息，即可立即達到 PID 運算的任務。比例增益 P 調試完成。 （ 3）確定積分時間常數(shù) Td 積分時間常數(shù) Td 一般不用設定，為 0 即可。本系統(tǒng)根據(jù) SP 與 PV的差值來進行判斷，當 (1)SPPV5 時，輸出值為最大值 32767，使電壓調節(jié)器開度最大，即給加熱器最大電壓供電，使被測對象快速升溫；（ 2） SPPV5 或者 SPPV5 時，進行 PID控制，輸出值為 PID 的值；（ 3） SPPV5 時，輸出值為最小值 0，電壓調節(jié)器開度為零，即停止加熱。 通常情況下，建立一個組態(tài)王應用工程大致可以分為以下幾個步驟： 創(chuàng)建新工程； 定義硬 件設備并添加工程變量； 制作圖形畫面并定義動畫連接； 編寫命令語言； 進行運行系統(tǒng)配置； 保存工程并運行。 本設計主要的控制功能由 PLC 實現(xiàn)，并在前文對 PLC的控制進行了相應設計，組態(tài)王主要實現(xiàn)監(jiān)測功能，不與 Windows 程序或其他計算機實現(xiàn)交互，故而本設計的外部設備為“西門子 S7200PLC”，并使用“設置配置向導”按照步驟完成設備的連接（如下圖）。這種數(shù)據(jù)交換是雙向的、動態(tài)的，即組態(tài)王系統(tǒng)運行過程中，每當“ I/O 變量”的值變化時，該值就會自動寫入外部設備或遠程應用程序；每當外部設備或遠程應用程序的值變化時，組態(tài)王系統(tǒng)的變量值也會自動改變。組態(tài)王采用面向對象的編程技術，使用戶可以方便的監(jiān)理畫面的圖形界面，用戶構圖時，可以像搭積木那樣利用系統(tǒng)提供的圖形對象完 30 成畫面的生成，同時支持畫面之間的圖形對象復制，可重復使用以前的開發(fā)結果。畫面程序運行時，實時曲線可以自動卷動，以快速反應變量隨時間的變化；歷史趨勢曲線不能自動卷動，它一般與功能按鈕一起工作以共同完成歷史數(shù)據(jù)的查看工作。 33 （ 1） 通用屬性設置：設置窗口名稱、 窗口類型（實時報警窗口、歷史報警窗口）、窗口顯示屬性以及日期和時間顯示格式等 圖 通用屬性設置 （ 2） 列屬性設置：設置報警窗口中顯示的內容，包括報警日期時間顯示與否、報警變量名稱顯示與否、報警限值顯示與否、報警類型顯示與否。 （ 1） 選擇指示燈類型：選擇菜單欄“圖庫 — 打開圖庫”，即出現(xiàn)圖庫管理器，選擇指示燈選項并選擇合適的圖形后雙擊，界面自動消失返回至設計圖形，在合適位置單擊鼠標即可出現(xiàn)選中圖形。組態(tài)王對應驅動為“ PPI西門子 S7200 系列 PPI”，需要注意的是，因為 PPI協(xié)議的特殊性，讀取一個數(shù)據(jù)包一般需要 400ms 的時間，當用戶反饋PPI通信速度慢時，可以以此標準分析用戶 工程通信速度慢是否是在合理的范圍。 PLC（可編程控制器）以其可靠性高、抗干擾能力強，編程簡單、功能強大、性價比高、能耗小等眾多顯著特點廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)控制當中，并具有較為成型的應用積累；而在在系統(tǒng)控制中， PID 算法是具有良好效果的控制算法，其算法簡單、適應 性強、并具有良好的魯棒性。該系統(tǒng)綜合考慮了溫度的采集和放大變送、 PLC運算、調壓器調節(jié)加熱以及組態(tài)軟件監(jiān)控等過程，全程性展示 了溫度控制系統(tǒng)應涉及的各個方面，并對其中的關鍵問題進行了說明和定義，對于構建溫度控制系統(tǒng)具有較大的參考意義。 隨著控制技術的逐步完善，我們有理由相信， PLC 依然具有進一步的發(fā)展空間，特別是對于支持網(wǎng)絡交換的特點來講更是具有蓬勃生命力。另外對于 PID 參數(shù)的調整環(huán)節(jié)也未能進行更深一步的調節(jié)，事實上，現(xiàn)場試驗的方法雖然非常常用，但是對于更進一步的控制精度要求和更加迅速的變化環(huán)境就有些力所不能及，這也是目前模糊控制發(fā)展迅猛的重要原因。 出于對現(xiàn)代遠程控制需要的考慮，組態(tài)軟件越來越廣泛的應用在控制系統(tǒng)當中，由亞控科技開發(fā)的組態(tài)王軟件功能強大且更加符合中國用戶操作習慣，深受用戶喜歡而得到廣泛應用。若想在線利用組態(tài)王監(jiān)控程序，就必須關閉組態(tài)王，將 PLC 程序下載到 PLC中并運行，然后關閉編程軟件，再啟動組態(tài)王。通過工具庫進行圖形設計之后，需要進行相關變量的設置以滿足實時數(shù)據(jù)的及時反饋和顯示，組態(tài)王使用說明書上有以下定義“ 模擬值輸出連接是使文本對象的內容在程序運行時被連接表達式的值所取代 ”，故而在定義變量時選擇“模擬量輸出”選項。 34 指示燈 為了方便用戶的使用，組態(tài)王軟件專門設計了圖庫管理器，在圖庫管理器中有一些已制作成形的圖素結合。實時報警窗口主要顯示當前系統(tǒng)中發(fā)生的實時報警信息和報警確認信息，一旦報警回復后將從窗口中小時；歷史報警窗口中顯示系統(tǒng)發(fā)生的所有報警和事件信息，主要用于對報警和事件信息進行查詢。趨勢曲線有實時曲線和歷史趨勢曲線兩種，對于實時趨勢曲線最多可以顯示 4 條曲線，而歷史趨勢曲線最多可顯示 16 條曲線，而一個畫面中可以定義數(shù)量不限的趨勢趨勢。 29 組態(tài)王畫面設計 本設計為“基于西門子 S7200PLC 的溫度控制系統(tǒng)設計”，主要控制由 PLC 進行實現(xiàn)，故而擬通過組態(tài)王實現(xiàn)簡單的遠程監(jiān)測作用。 在組態(tài)王中，變量的集合形象的稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典位于 工程瀏覽器中的“數(shù)據(jù)庫”項的下拉列表中，記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細信息。 外部設備定義 組態(tài)王把那些需要與之交換數(shù)據(jù)的硬件設備或軟件程序都做為外部設備使用。 組態(tài)王軟件結構是 由工程管理器、工程瀏覽器以及運行系統(tǒng)三個部分構成。 （ 4）系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調，再對 PID 參數(shù)進行微調，直至滿足要求 程序設計流程圖 由于電熱爐具有較大的延時性，因此一般采用分段式進行控制。記錄此時的 Ti，設定 PID 的積分時間常數(shù) Ti 為當前值的 150%~180%。這里介紹一般步驟： （ 1）確定比例增益 P 確定比例增益 P 時，首先去掉 PID 的積分項