【正文】 （31）式中，R1 為標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值；R 為未標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值；M 為偏置，單極性為，雙極性為 ；S 為值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32022，雙極性為 64000[17]。VW2 和 VW4 分別是采樣周期內(nèi)的加熱時間和非加熱時間。 PID 指令向?qū)У倪\(yùn)用STEP7Micro/WIN 提供了 PID Wizard（PID 指令向?qū)В?，可以幫助用戶方便地生成一個閉環(huán)控制過程的 PID 算法。從而使得程序簡單易懂，同時也達(dá)到了控制要求。其中，增益 Kc=120,積分時間為 3 分鐘，微分時間為 1 分鐘，抽樣時間為 10 秒。圖 410 為 PID 配置分配內(nèi)存 圖 411 創(chuàng)建初始化子例行程序圖 412 為配置生成項(xiàng)目元件 到此為止，PID 配置結(jié)束。工業(yè)HMI又稱觸摸屏監(jiān)控器，是一種智能化操作控制顯示裝置。 人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì)HMI 監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應(yīng)的功能子畫面組成，HMI 畫面設(shè)計(jì)對于HMI 來說是非常關(guān)鍵的。我們從北京亞控公司的主頁上下載了組態(tài)王 演示版，安裝好以后。在工程瀏覽器中，雙擊新建圖標(biāo)，新建畫面（如圖 52 所示） 。完整的主界面如圖 53 所示。圖 53 主界面 實(shí)時趨勢曲線打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點(diǎn)擊工具箱中的“實(shí)時趨勢曲線”把實(shí)時趨勢曲線放進(jìn)開發(fā)頁面，然后雙擊曲線畫面，對曲線進(jìn)行設(shè)置，如 X 軸和 Y 軸的設(shè)置及標(biāo)示定義等，最后利用工具箱做好“返回主界面”按鈕，即可形成如圖 54 所示的實(shí)時趨勢曲線畫面。系統(tǒng)運(yùn)行時，畫面上會記錄某段時間內(nèi)設(shè)定溫度值和當(dāng)前溫度值的變化曲線。系統(tǒng)運(yùn)行時，報警窗口會根據(jù)當(dāng)前溫度值做出適當(dāng)?shù)膱缶?變量設(shè)置 打開工程瀏覽器，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)詞典” ，再點(diǎn)擊“新建”建立“設(shè)定溫度” 、“當(dāng)前溫度” 、 “啟動” 、 “停止” 、 “Kc”、 “Ti”、 “Td”、 “采樣時間”等變量。 “當(dāng)前穩(wěn)定”的寄存器為 v60,數(shù)據(jù)類型為 float。當(dāng)前溫度在 60 度到 90 之間時，報警當(dāng)前溫度偏低。在按下時左邊打溝，點(diǎn)擊“確定” ，出現(xiàn)命令語言輸入窗口，在該窗口中輸入圖 511所示的命令，再點(diǎn)擊“確定” ，就完成了“開始”按鈕的動畫連接設(shè)置。圖 58 當(dāng)前溫度報警定義設(shè)置圖 59 為變量“當(dāng)前溫度”記錄和安全區(qū)設(shè)置圖，我們設(shè)置“記錄”為數(shù)據(jù)變化記錄，變化靈敏度設(shè)為 ，若不設(shè)置這個，往往歷史趨勢曲線就出不來或者效果很差。圖 57 為變量“當(dāng)前溫度”基本屬性設(shè)置圖，變量類型設(shè)置為 I/O 實(shí)數(shù)，連接設(shè)備為PLC，寄存器為 v60，數(shù)據(jù)類型是 float。寄存器和數(shù)據(jù)類型要與程序中一致，否則組態(tài)王就不能起到監(jiān)控作用了。當(dāng)前溫度超過 105 度時， “報警類型”欄顯示當(dāng)前溫度偏高。 報警窗口打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點(diǎn)擊工具箱中的“報警窗口”把報警窗口放進(jìn)開發(fā)頁面，然后雙擊畫面，對報警窗口進(jìn)行設(shè)置，包括通用屬性、列屬性、操作屬性、條件屬性、顏色和字體屬性的設(shè)置。點(diǎn)擊“返回主界面”按鈕，就會回到主界面。點(diǎn)擊“設(shè)定畫面”會進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定畫面，點(diǎn)擊“報警窗口”會進(jìn)入報警畫面，實(shí)時趨勢曲線和歷史趨勢曲線也是一樣。下面詳細(xì)介紹每個畫面的設(shè)計(jì)方法。如圖 51 所示，最下面的一行是我們新建的工程，工程名稱為“組態(tài)王” 。在本溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。HMI的主要功能有：數(shù)據(jù)的輸入與顯示；系統(tǒng)或設(shè)備的操作狀態(tài)方面的實(shí)時信息顯示；報警處理及打?。粩?shù)據(jù)歸檔和報表系統(tǒng)。第五章 基于組態(tài)王的 HMI 設(shè)計(jì)隨著自動化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，控制過程也變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。 圖 48 PID 參數(shù)設(shè)置 一般單極性的值域都是 032022，如圖 49 所示。 圖 46 配置 PID 指令 點(diǎn)擊“下一步”后出現(xiàn)如圖 47 所示畫面。PID 向?qū)Ъ瓤梢陨赡M量輸出 PID 控制算法，也支持開關(guān)量輸出；既支持連續(xù)自動調(diào)節(jié)，也支持手動參與控制 [18]。該網(wǎng)絡(luò)的程序是為了在電腦上通過 STEP7Micro/WIN 編程軟件顯示當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度值而寫的，其實(shí)也就是歸一化的逆過程。因 PID 回路的輸出PID0_Output 為 之間的實(shí)數(shù)值，又因我們設(shè)置了采樣時間為 10 秒，所以第一個指令 MUL_R 中 INT2 為 。執(zhí)行 PID 指令前必須把它們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)。 控制程序流程圖圖 45 程序流程圖啟動綠燈亮，系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)用 PID 模塊PID 輸出轉(zhuǎn)換成占空比定時器控制加熱時間溫度當(dāng)前值和設(shè)定值等顯示開始 梯形圖程序 啟動，綠燈亮停止，紅燈亮上述程序中， 和 分別是啟動和停止按鈕， 和 分別是系統(tǒng)運(yùn)行指示燈（綠燈）和系統(tǒng)停止指示燈（紅燈） ， 和 是中間繼電器。 圖 42 通信參數(shù)設(shè)置（2）在對話框中雙擊 PC/PPI 電纜的圖標(biāo)，將出現(xiàn) PG/PC 接口對話框或者直接單擊“檢視”欄中單擊“設(shè)置 PG/PC 接口”也行。　　在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā)展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應(yīng)用。每個梯級是一個因果關(guān)系。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計(jì)稱為編程。用的比較多的是梯形圖（LAD）編程語言。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部均按標(biāo)簽顯示。瀏覽條給出了多組圖標(biāo)，用于訪問STEP 7Micro/WIN的不同編程特性。操作主界面如圖 41 所示。使用編程軟件可以很方便的在計(jì)算機(jī)上離線或在線編程、在線調(diào)試，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序的存取、加密以及形成 EXE 文件 [14]。2. 經(jīng)驗(yàn)法編程經(jīng)驗(yàn)法是運(yùn)用自己的或者別人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。（3）時序流程圖法時序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時序圖（即到某一個時間應(yīng)該進(jìn)行哪項(xiàng)控制的控制時序圖） ，再根據(jù)時序關(guān)系畫出對應(yīng)的控制任務(wù)的程序框圖，最后把框圖寫成 PLC 程序。這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成 PLC 的梯形圖語言。1. 圖解法編程圖解法是靠畫圖進(jìn)行 PLC 程序設(shè)計(jì)。 表 35 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)控制變量規(guī)律的選擇 比例度（%）?積分時間Ti（分鐘）微分時間Td（分鐘）溫度對象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩，應(yīng)小，Ti 要長，一?般需要微分2060 310 通過經(jīng)驗(yàn)整定法的整定，PID 控制器整定參數(shù)值為： 比例系數(shù) =120，cK積分時間 =3 分鐘，微分時間 =1 分鐘。通過微分時間的湊試，使過渡時間最短，超調(diào)量最小。然后再加入積分( I )作用，一般先取積分時間 T1 為衰減振蕩周期的一半左右。經(jīng)驗(yàn)整定法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)湊試法，是工程技術(shù)人員在長期生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的。對于工程整定法，工程技術(shù)人員無需知道對象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計(jì)算所需的理論知識，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛使用。在系統(tǒng)投運(yùn)之前，還需要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。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。00T? PID 控制及參數(shù)整定比例、積分、微分三種控制方式各有獨(dú)特的作用。 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器（電熱偶）將檢測到的溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號經(jīng)過溫度模塊后，與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，得到偏差，此偏差送入 PLC 控制器按 PID 算法進(jìn)行修正，返回對應(yīng)工況下的固態(tài)繼電器導(dǎo)通時間，調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對爐子的溫度控制。整個硬件連接圖如圖 34 和 35 所示。 表 33 K 型熱電偶分度表 I/O 點(diǎn)分配及電氣連接圖1) 該溫度控制系統(tǒng)中 I/O 點(diǎn)分配表如表 34 所示。該系統(tǒng)中需要用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，且爐子的溫度最高達(dá)幾百度,所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。圖 33 DIP 配置 EM231 熱電式傳感器 熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置。表中，ON 為接通，OFF 為斷開。表 31 EM231 技術(shù)指標(biāo)型號 EM231 模擬量輸入模塊總體特性 外形尺寸：80mm62mm 功耗：3W輸入特性 本機(jī)輸入：4 路模擬量輸入電源電壓：標(biāo)準(zhǔn) DC 24V/4mA輸入類型：0~10V，0~5V，177。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。配有 2 個 RS485 通訊口，具有 PPI，MPI 和自由方式通訊能力，波特率最高為 kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng) [11]。圖 32 S7200 系列 PLC 實(shí)物圖 S7200 CPU 的選擇S7200 系列的 PLC 有 CPU22CPU22CPU22CPU224XP 、CPU226等類型。 PLC 的選型與硬件配置 PLC 型號的選擇本溫度控制系統(tǒng)選擇德國西門子公司的 S7200 系列的 PLC。模擬調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。程序模擬調(diào)試是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場實(shí)際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。 (3)保護(hù)和連鎖程序。在 PLC 上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動作必要的準(zhǔn)備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。 (5)計(jì)數(shù)器、定時器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。(4) 繪制 PLC 外圍硬件線路圖。(2) 選擇 PLC。 2. 硬件選擇 具體包括如下。這一階段必須對被控對象所有功能全面的了解，對對象的各種動作及動作時序、動作條件、必要的互鎖與保護(hù)。所謂硬件設(shè)計(jì)，是指 PLC 外部設(shè)備的設(shè)計(jì)，而軟件設(shè)計(jì)即 PLC 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。當(dāng)控制規(guī)模較大時,特別是開關(guān)量控制的 I/O 設(shè)備較多時，最適合采用 PLC 控制。(4)發(fā)展性原則。 (2)可靠性原則。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程)的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。第三章 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在掌握了 PLC 的硬件構(gòu)成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可以PLC 作為主要控制器來構(gòu)造 PLC 控制系統(tǒng)。(4) 數(shù)據(jù)歸檔HMI 系統(tǒng)可以記錄過程變量值和報警信息并歸檔。例如：爐子加熱通斷可以通過指示燈亮滅來顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來指示等等，使整個控制系統(tǒng)變得形象易懂，也更加清晰。根據(jù) HMI 的產(chǎn)品等級不同，處理器可分別選用 8 位、16 位、32 位的處理器。 人機(jī)界面基礎(chǔ)隨著社會的進(jìn)步，工業(yè)自動化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，控制過程也變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。工作時逐條順序掃描用戶程序，如果一個線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)不會立即動作，需等掃描到該觸點(diǎn)時才會動作 [6]。編程設(shè)備在 PLC 的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場的控制。5）智能模塊 除了上述通用的 I/O 模塊外，PLC 還提供了各種各樣的特殊 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程 I/O 控制、打印機(jī)等專用型或智能型的 I/O 模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。用戶程序存儲器用于存儲用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設(shè)計(jì)的控制程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲器（RAM） ，需要后備電池在掉電后保存程序。I/O 模塊分為開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。2） I/O 接口 PLC 是通過各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。（5）采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。（1）接收從編程器或者計(jì)算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲器存儲。無論是整體式還是模塊式，從硬件結(jié)構(gòu)看，PLC 都是由 CPU、存儲器、I/O接口單元及擴(kuò)展接口和擴(kuò)展部件、外設(shè)接口及外設(shè)和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。隨著 PLC 功能的不斷完善，性價比的不斷提高，PLC 的應(yīng)用面也越來越廣。 可編程控制器基礎(chǔ) 可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用20 世紀(jì) 60 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得推廣。第五章，詳細(xì)介紹了如何在亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”的基礎(chǔ)上進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。第一章，對溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用的背景及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了闡述，指出了本文的研究意義所在。本論文通過德國西門子公司的S7200系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(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