【正文】 ro/WIN32編程軟件是由西門子公司專為S7200系列PLC設計開發(fā)，它功能強大，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單語法檢查功能。當按鈕再次變?yōu)殚_始自動調節(jié)時，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回路處于自動模式。如果不是很特殊的系統(tǒng)，也可以不加理會。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)輸入與輸出信號之間的基波分量關系來進行近似分析?；诶^電反饋的自動整定法避免了ZN法整定時間長、臨界穩(wěn)定等問題,且保留其簡單性,目前已成為PID自動整定方法中應用最多的一種。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)先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，反復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)驗數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時間（分鐘）微分時間（分鐘）溫度滯后較大20~603~10~3實驗湊試法的整定步驟為先比例，再積分，最后微分。表33 常見被調量的經(jīng)驗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節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時間Ti和和微分時間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質量指標要求。（5） 從計算機精度考慮，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）可以不失真地恢復出X（t））。反之，如采樣周期過短，則，兩次實測值的變化量太小，亦不相宜。本設計采用的就是滑動平均值法進行數(shù)字濾波。計算平均值時，只要將隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術平均計算，就可以得到最新的算術平均值。 32 算術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，消除的方法是對多次采樣值進行累加后，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N2個數(shù)據(jù)進行平均計算。但這種濾波方法對于強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)字量轉換結果進行過濾處理，力爭將干擾信號產(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除了可以對開關量控制外，還可以進行模擬量的處理。 Offest ——補償值或偏置。從EM231模擬量輸入模塊采集到的過程量都是實際的工程量，其幅度、范圍和測量單位都會不同。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可以被調整或限制，MX的處置通常在第一次計算輸出以前被設為Minitial（初值）。作為數(shù)字計算機解決的重復性的結果，可以得到在任何采樣時刻必須計算的方程的一個簡化算式。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。 　本章小結本章主要介紹了本系統(tǒng)的主要硬件的設計，包括S7200的選型、溫度傳感器的選擇、還有可控硅電壓調整器的選型，詳細介紹了各個器件的硬件特性以及在整個控制系統(tǒng)中的應用。所以，我們在輸出端至反饋輸入端之間加一個控制變壓器（380V/220V），這樣輸出電壓就可以達到0~380V。使用時，需在可控硅的輸出端加上反饋，以達到穩(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 雙向可控硅導通原理圖將可控硅在正向陽極電壓作用下不導通的范圍稱為控制角，用字母ａ表示，而導通范圍稱為導通角，用字母θ表示。15%,50Hz約3VA；（6）重量：； 雙向可控硅交流調壓原理雙向可控硅交流調壓原理：一只雙向可控硅的工作原理，可等效兩只同型號的單向可控硅互相反向并聯(lián)，然后串聯(lián)在調壓電路中實現(xiàn)其可控硅交流調壓的。有0~10mA , 4~20m A,0~5V,1~5V等多種控制觸發(fā)信號輸入方式供選擇。其中移相觸發(fā)方式是通過改變可控硅導通角大小，調節(jié)負載兩端的電壓，從而調節(jié)負載加熱功率，而過零觸發(fā)方式則是通過改變可控硅在一定周期內的通斷時間，調節(jié)負載電源通斷的占空比，從而調節(jié)負載加熱功率，通過與相應的控制儀表配合使用實現(xiàn)負載對象輸入功率的自動調節(jié)，達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，首先需要根據(jù)模擬量信號的類型及范圍通過模擬量模塊有右下側的DIP設定開關進行輸入信號的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設計選用的電壓信號為0~10V作為模擬量模塊的輸入信號，則DIP選擇開關應選為SW1開、SW2關、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出的是溫度變化，需要在將信號輸入PLC前加一個溫度變送器，將溫度信號轉換成電壓信號。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Rtt關系制成分度表，供查用。作為測溫元件，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。當電阻值變化時，二次儀表便顯示出電阻值所對應的溫度值。非標準化熱電偶在使用范圍或數(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。熱電動勢的大小只和熱電偶的材質以及兩端的溫度有關，而和熱電偶的長短粗細無關。 熱電偶 工業(yè)熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調節(jié)器配套使用，它可以直接測量各種生產(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。溫度傳感器是最早開發(fā)，應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相比與其他型號具有更好的硬件指標，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 信號類型電壓信號電流信號模擬量輸入*2177。由于 PLC 要控制的對象有多種,因此輸出模塊也應根據(jù)負載進行選擇,有直流輸出模塊, 交流輸出模塊和交直流輸出模塊。 開關量I/O模塊介紹當 CPU 的 I/0 點數(shù)不夠用或需要進行特殊功能的控制時,就要進行 I/O 擴 展,I/O 擴展包括 I/O 點數(shù)的擴展和功能模塊的擴展。③CPU224 它有 14 輸入/10 輸出，I/0 共計 24 點，和前兩者相比,存儲容量 擴大了一倍,它可以有 7個擴展模塊,有內置時鐘,它有更強的模擬量和高速計數(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 　硬件設計隨著微處理器、計算機和數(shù)字通信技術的飛速發(fā)展，計算機控制已經(jīng)廣泛地應用在所有的工業(yè)領域。溫度控制系統(tǒng)大致可分別用3種方式實現(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)在國內各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內生產(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、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。用編制好的程序對其進行計算，得到實際溫度值，在與給定的溫度值比較，得到的偏差經(jīng)過PID運算后，輸出的數(shù)字量經(jīng)過D/A轉換，在由模擬量輸出模塊送給可控硅電壓調整器，產(chǎn)生可控硅脈沖觸發(fā)信號，該信號觸發(fā)可控硅電路，最終由該電路驅動電爐的加熱絲，通過調整可控硅觸發(fā)信號（即調節(jié)供電電壓每個周期的導通角），即可控制電爐電壓的通斷及大小，進而達到控制爐溫的目的。 　研究的主要內容本課題的研究內容主要有：1) 溫度的檢測；2) 采用PLC進行恒溫控制；3) PID算法在PLC中如何實現(xiàn)；4) PID參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響；5) 溫控系統(tǒng)人機界面的實現(xiàn)； 　系統(tǒng)的設計目標及技術要求本PLC溫度控制系統(tǒng)的具體指標要求是：對加熱器加熱溫度調整范圍為800℃—1000℃，溫度控制精度小于3℃，系統(tǒng)的超調量須小于15%，并具有溫度上下限報警功能和故障報警功能。這方面的應用大多是基于單片機進行PID控制,然而單片機控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設計較為復雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處,然而PLC在這方面卻是公認的最佳選擇。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計過程。這方面的應用大多是基于單片機進行PID 控制, 然而單片機控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設計較為復雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處, 然而PLC 在這方面卻是公認的最佳選擇。加熱爐溫度控制在許多領域中得到廣泛的應用。本設計是利用西門子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)、機械加工和食品加工等許多領域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐的溫度進行控制[1]。這也正是本設計所重點研究的內容。 圖11 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構成框圖通過調節(jié)雙向可控硅的通斷來調節(jié)電阻絲的輸出功率，由溫度檢測元件熱電阻將采集到的爐膛溫度信號，經(jīng)過溫度變送器轉換為電壓信號，PLC主控系統(tǒng)內部的A/D將送進來的電壓信號轉化為西門子S7200PLC可識別的數(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。因此本設計選用西門子S7200PLC來控制加熱爐的溫度?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammable Logic Controller）正是順應這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎的通用控制裝置。S7200系列可以根據(jù)對象的不同, 可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊。②CPU222 它有8 輸入/6 輸出，I/0 共計 14 點，和 CPU 221 相比,它可以進行一定的模擬量控制和2個模塊的擴展,因此是應用更廣泛的全功能控制器。⑤CPU226它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計 40 點,它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進行了擴展,其他指標和 CPU224XP相同。如光電隔離,輸入保護(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。在實際使用時，亦應仔細查看開關量 I/O 模塊的技術特性，按照實際情況進行選擇。 　溫度傳感器溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學家賽貝發(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,兩種不同成份的導體,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當熱端和冷端存在溫差時，就會在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應；接上顯示儀表，儀表上就會指示所產(chǎn)生的熱電動勢隨動勢的對應溫度值，電溫度升高而增長。所調用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。熱電阻是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。鉑熱電阻根據(jù)使用場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應起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實測的AD值以查表方式計算相應溫度值[5]。本設計采用的就是三線制電橋接線。 EM231模擬量輸入模塊 傳感器檢測到溫度轉換成0～10V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換成數(shù)字信號再送入PLC內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，首先需要根據(jù)模擬量信號的類型及范圍通過模擬量模塊有右下側的DIP設定開關進行輸入信號的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設計選用的電壓信號為0~10V作為模擬量模塊的輸入信號，則DIP選擇開關應選為SW1開、SW2關、SW3開。如圖25所示：圖25 EM231模擬量輸入模塊端子及DIP開關示意圖經(jīng)上述調整后，若輸入電壓范圍為0~10V的模擬量信號，則對應的數(shù)字量結果應為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)字量轉換為可用于驅動元件的模擬量，其外部接線端子及內部結構如下圖26所示：圖26 EM232模擬量輸出模塊外部接線圖及內部結構圖由圖可知，存儲于AQW中的數(shù)字量經(jīng)E