【正文】 ro/WIN32編程軟件是由西門子公司專為S7200系列PLC設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用[8]，例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡(jiǎn)單語法檢查功能。當(dāng)按鈕再次變?yōu)殚_始自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，表示系統(tǒng)已經(jīng)完成了PID自整定（要使用自整定功能，必須保證PID回路處于自動(dòng)模式。如果不是很特殊的系統(tǒng)，也可以不加理會(huì)。要確定系統(tǒng)的振蕩頻率ωc與Kc增益,比較常用的是描述函數(shù)方法,根據(jù)非線性環(huán)節(jié)輸入與輸出信號(hào)之間的基波分量關(guān)系來進(jìn)行近似分析。基于繼電反饋的自動(dòng)整定法避免了ZN法整定時(shí)間長(zhǎng)、臨界穩(wěn)定等問題,且保留其簡(jiǎn)單性,目前已成為PID自動(dòng)整定方法中應(yīng)用最多的一種。自整定能提供一組近似最優(yōu)的整定參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。表 34 溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時(shí)間（分鐘）微分時(shí)間（分鐘）溫度滯后較大20~603~10~3實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為先比例，再積分，最后微分。表33 常見被調(diào)量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期被控量采樣周期Ts/s流量1壓力5液位10溫度20 　PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時(shí)間Ti和和微分時(shí)間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。（5） 從計(jì)算機(jī)精度考慮，采樣周期不宜過短。如果Fs≥2Fm，則Xs（t）保留了X（t）的全部信息（從Xs（t）可以不失真地恢復(fù)出X（t））。反之，如采樣周期過短，則，兩次實(shí)測(cè)值的變化量太小，亦不相宜。本設(shè)計(jì)采用的就是滑動(dòng)平均值法進(jìn)行數(shù)字濾波。計(jì)算平均值時(shí)，只要將隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均計(jì)算，就可以得到最新的算術(shù)平均值。 32 算術(shù)平均值法濾波去極值平均濾波：可有效地消除明顯的干擾信號(hào)，消除的方法是對(duì)多次采樣值進(jìn)行累加后，找出最大值和最小值，然后從累加和中減去最大值和最小值，再對(duì)N2個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算。但這種濾波方法對(duì)于強(qiáng)干擾的抑制作用不大。而在軟件中采取的抗干擾措施一般是數(shù)字濾波算法，即將模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行過濾處理，力爭(zhēng)將干擾信號(hào)產(chǎn)生的影響降低最低。程序如下： MOVR VD 208, AC0 R , AC0 *R , AC0 TRUNC AC0 , AC0 MOVW AC0, AQW0 　模擬量采集的數(shù)字濾波算法PLC除了可以對(duì)開關(guān)量控制外，還可以進(jìn)行模擬量的處理。 Offest ——補(bǔ)償值或偏置。從EM231模擬量輸入模塊采集到的過程量都是實(shí)際的工程量，其幅度、范圍和測(cè)量單位都會(huì)不同。PID回路在PLC中的地址分配情況如表32所示。見表31。如果不想要微分回路，可以把微分時(shí)間置為零。在許多控制系統(tǒng)中，只需要一兩種回路控制類型。其中MIn可以被調(diào)整或限制，MX的處置通常在第一次計(jì)算輸出以前被設(shè)為Minitial（初值）。作為數(shù)字計(jì)算機(jī)解決的重復(fù)性的結(jié)果，可以得到在任何采樣時(shí)刻必須計(jì)算的方程的一個(gè)簡(jiǎn)化算式。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。 　本章小結(jié)本章主要介紹了本系統(tǒng)的主要硬件的設(shè)計(jì)，包括S7200的選型、溫度傳感器的選擇、還有可控硅電壓調(diào)整器的選型，詳細(xì)介紹了各個(gè)器件的硬件特性以及在整個(gè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。所以，我們?cè)谳敵龆酥练答佪斎攵酥g加一個(gè)控制變壓器（380V/220V），這樣輸出電壓就可以達(dá)到0~380V。使用時(shí)，需在可控硅的輸出端加上反饋，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。例如在30度加一脈沖，可控硅只能通過余下的150度的電壓。如圖28所示：圖28 雙向可控硅導(dǎo)通原理圖將可控硅在正向陽極電壓作用下不導(dǎo)通的范圍稱為控制角，用字母ａ表示，而導(dǎo)通范圍稱為導(dǎo)通角，用字母θ表示。15%,50Hz約3VA；（6）重量：； 雙向可控硅交流調(diào)壓原理雙向可控硅交流調(diào)壓原理：一只雙向可控硅的工作原理，可等效兩只同型號(hào)的單向可控硅互相反向并聯(lián)，然后串聯(lián)在調(diào)壓電路中實(shí)現(xiàn)其可控硅交流調(diào)壓的。有0~10mA , 4~20m A,0~5V,1~5V等多種控制觸發(fā)信號(hào)輸入方式供選擇。其中移相觸發(fā)方式是通過改變可控硅導(dǎo)通角大小，調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓，從而調(diào)節(jié)負(fù)載加熱功率，而過零觸發(fā)方式則是通過改變可控硅在一定周期內(nèi)的通斷時(shí)間，調(diào)節(jié)負(fù)載電源通斷的占空比，從而調(diào)節(jié)負(fù)載加熱功率，通過與相應(yīng)的控制儀表配合使用實(shí)現(xiàn)負(fù)載對(duì)象輸入功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到精確控制溫度的目的[9]。在16位的模擬量輸出寄存器AQW0中的數(shù)字量其有效位為12位，格式如圖27所示。使用模擬量輸入模塊時(shí)，首先需要根據(jù)模擬量信號(hào)的類型及范圍通過模擬量模塊有右下側(cè)的DIP設(shè)定開關(guān)進(jìn)行輸入信號(hào)的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設(shè)計(jì)選用的電壓信號(hào)為0~10V作為模擬量模塊的輸入信號(hào)，則DIP選擇開關(guān)應(yīng)選為SW1開、SW2關(guān)、SW3開。在這里，我們選用了西門子EM231模擬量輸入模。如圖21所示： 圖21 熱電阻三線制電橋接法由于鉑熱電阻測(cè)出的是溫度變化，需要在將信號(hào)輸入PLC前加一個(gè)溫度變送器，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。工業(yè)上將鉑電阻R0分別在50Ω和100Ω（稱Pt100）的條件下，制成相應(yīng)Rtt關(guān)系制成分度表，供查用。作為測(cè)溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們提供精確的輸入值。當(dāng)電阻值變化時(shí)，二次儀表便顯示出電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)合的測(cè)量。熱電動(dòng)勢(shì)的大小只和熱電偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關(guān)，而和熱電偶的長(zhǎng)短粗細(xì)無關(guān)。 熱電偶 工業(yè)熱電偶作為測(cè)量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)過程中不同范圍的溫度。50年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。 由于本系統(tǒng)是單回路的反饋系統(tǒng)，CPU224XP相比與其他型號(hào)具有更好的硬件指標(biāo)，其上自帶有模擬量的輸入和輸出通道，因此節(jié)省了元器件的成本，CPU224XP自帶的模擬量I/O規(guī)格如表21所示： 表21 模擬量I/O配置表I/O信號(hào) 信號(hào)類型電壓信號(hào)電流信號(hào)模擬量輸入*2177。由于 PLC 要控制的對(duì)象有多種,因此輸出模塊也應(yīng)根據(jù)負(fù)載進(jìn)行選擇,有直流輸出模塊, 交流輸出模塊和交直流輸出模塊。 開關(guān)量I/O模塊介紹當(dāng) CPU 的 I/0 點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時(shí),就要進(jìn)行 I/O 擴(kuò) 展,I/O 擴(kuò)展包括 I/O 點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。③CPU224 它有 14 輸入/10 輸出，I/0 共計(jì) 24 點(diǎn)，和前兩者相比,存儲(chǔ)容量 擴(kuò)大了一倍,它可以有 7個(gè)擴(kuò)展模塊,有內(nèi)置時(shí)鐘,它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力,是使用得最多 S7200 產(chǎn)品。并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上。本章主要介紹西門子S7200系列PLC以及其它硬件的組成與選型。第2章 　硬件設(shè)計(jì)隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域。溫度控制系統(tǒng)大致可分別用3種方式實(shí)現(xiàn)，一種是用儀器儀表來控制溫度，這種方法控制的精度不高。 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，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有著較大的差距。用編制好的程序?qū)ζ溥M(jìn)行計(jì)算，得到實(shí)際溫度值，在與給定的溫度值比較，得到的偏差經(jīng)過PID運(yùn)算后，輸出的數(shù)字量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，在由模擬量輸出模塊送給可控硅電壓調(diào)整器，產(chǎn)生可控硅脈沖觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)觸發(fā)可控硅電路，最終由該電路驅(qū)動(dòng)電爐的加熱絲，通過調(diào)整可控硅觸發(fā)信號(hào)（即調(diào)節(jié)供電電壓每個(gè)周期的導(dǎo)通角），即可控制電爐電壓的通斷及大小，進(jìn)而達(dá)到控制爐溫的目的。 　研究的主要內(nèi)容本課題的研究?jī)?nèi)容主要有：1) 溫度的檢測(cè)；2) 采用PLC進(jìn)行恒溫控制；3) PID算法在PLC中如何實(shí)現(xiàn)；4) PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響；5) 溫控系統(tǒng)人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)； 　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)要求本PLC溫度控制系統(tǒng)的具體指標(biāo)要求是：對(duì)加熱器加熱溫度調(diào)整范圍為800℃—1000℃，溫度控制精度小于3℃，系統(tǒng)的超調(diào)量須小于15%，并具有溫度上下限報(bào)警功能和故障報(bào)警功能。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行PID控制,然而單片機(jī)控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長(zhǎng)處,然而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。首先介紹了溫度控制系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)的組成，然后介紹了西門子S7200PLC和系統(tǒng)硬件及軟件的具體設(shè)計(jì)過程。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行PID 控制, 然而單片機(jī)控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長(zhǎng)處, 然而PLC 在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。加熱爐溫度控制在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)是利用西門子S7200PLC控制加熱爐溫度的控制系統(tǒng)。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制[1]。這也正是本設(shè)計(jì)所重點(diǎn)研究的內(nèi)容。 圖11 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖通過調(diào)節(jié)雙向可控硅的通斷來調(diào)節(jié)電阻絲的輸出功率，由溫度檢測(cè)元件熱電阻將采集到的爐膛溫度信號(hào)，經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進(jìn)來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為西門子S7200PLC可識(shí)別的數(shù)字量。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展?，F(xiàn)在，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外還有著一定的差距。因此本設(shè)計(jì)選用西門子S7200PLC來控制加熱爐的溫度。可編程序控制器（Programmable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。S7200系列可以根據(jù)對(duì)象的不同, 可以選用不同的型號(hào)和不同數(shù)量的模塊。②CPU222 它有8 輸入/6 輸出，I/0 共計(jì) 14 點(diǎn)，和 CPU 221 相比,它可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個(gè)模塊的擴(kuò)展,因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。⑤CPU226它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計(jì) 40 點(diǎn),它在用戶程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量上進(jìn)行了擴(kuò)展,其他指標(biāo)和 CPU224XP相同。如光電隔離,輸入保護(hù)(浪 涌吸收器,旁路二極管,限流電阻),高頻濾波,輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。在實(shí)際使用時(shí)，亦應(yīng)仔細(xì)查看開關(guān)量 I/O 模塊的技術(shù)特性，按照實(shí)際情況進(jìn)行選擇。 　溫度傳感器溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。熱電偶的工作原理是,兩種不同成份的導(dǎo)體,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測(cè)量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當(dāng)熱端和冷端存在溫差時(shí)，就會(huì)在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)；接上顯示儀表，儀表上就會(huì)指示所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)隨動(dòng)勢(shì)的對(duì)應(yīng)溫度值，電溫度升高而增長(zhǎng)。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。鉑熱電阻根據(jù)使用場(chǎng)合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的AD值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值[5]。本設(shè)計(jì)采用的就是三線制電橋接線。 EM231模擬量輸入模塊 傳感器檢測(cè)到溫度轉(zhuǎn)換成0～10V的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入PLC內(nèi)部的模擬量輸入寄存器AIW中。圖23 模擬量輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字量格式使用模擬量輸入模塊時(shí)，首先需要根據(jù)模擬量信號(hào)的類型及范圍通過模擬量模塊有右下側(cè)的DIP設(shè)定開關(guān)進(jìn)行輸入信號(hào)的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設(shè)計(jì)選用的電壓信號(hào)為0~10V作為模擬量模塊的輸入信號(hào)，則DIP選擇開關(guān)應(yīng)選為SW1開、SW2關(guān)、SW3開。如圖25所示：圖25 EM231模擬量輸入模塊端子及DIP開關(guān)示意圖經(jīng)上述調(diào)整后，若輸入電壓范圍為0~10V的模擬量信號(hào)，則對(duì)應(yīng)的數(shù)字量結(jié)果應(yīng)為0~32000或所需要數(shù)字 EM232模擬量輸出模塊 EM232模擬量輸出的過程是將PLC模擬量輸出寄存器AQW中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為可用于驅(qū)動(dòng)元件的模擬量，其外部接線端子及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖26所示：圖26 EM232模擬量輸出模塊外部接線圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖可知，存儲(chǔ)于AQW中的數(shù)字量經(jīng)E