【正文】 的實數(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 32020，雙極性為64000[17]。本項目程序中就正好運 STEP7Micro/WIN 軟件自帶的 PID 指令向導。其中，增益 Kc=1， 積分時間為 1 分鐘，微分時間為0 分鐘， 采 樣時間為 10 秒。 沈陽理工大學學士學位論文 35 沈陽理工大學學士學位論文 36 5 基于組態(tài)王的 HMI 設計 人機界面（ HMI） 設計 隨著自動化技術迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強大，控制過程也變得越來越復雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。 HMI的主要功能有：數(shù)據(jù)的輸入與顯示；系統(tǒng)或設備的操作狀態(tài)方面的實時信息顯示；報警處理及打印；數(shù)據(jù)歸檔和報表系統(tǒng)。在本溫度控制系統(tǒng)設計中，選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設計。如圖 所示 ，最下面的一行是我們新建的工程，工程名稱為 “ PID 溫控” 。 下面介紹每個畫面的設計方法。點擊 “設定畫面 ”會進入?yún)?shù)設定畫面，點擊 “報警窗口 ”會進入報警畫面，實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線也是一樣。點擊 “F1”按鈕，就會回到主界面。 圖 主界面 實時趨勢曲線 打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點擊工具箱中的 “實時趨勢曲線 ”把實時趨勢曲線放進開發(fā)頁面，然后雙擊曲線畫面，對曲線進行設置，如 X 軸和 Y 軸的設置 及標示定義等，最后利用工具箱做好 “F1”按鈕，即可形成如圖 所示的實時趨勢曲線畫面。完整的主界面如圖 所示。在工程瀏覽器中，雙擊新建圖標，新建畫面（如圖 所示）。 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。 HMI 監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應的功能子畫面組成， HMI 畫面設計對于 HMI來說是非常關鍵的。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。 圖 PID 參數(shù)設置 沈陽理工大學學士學位論文 32 圖 環(huán)路輸入、輸出設置 圖 設置報警功能 沈陽理工大學學士學位論文 33 設置好以上所有步驟后，接下來需要 根據(jù)回路表為 PID 參 數(shù)分配存儲地址， 圖 、圖 和 圖 就是此作用。 首先打開 “ 指令向導 ” ，選擇 “ PID” ，如圖 所示。此向導可以完成絕大多數(shù) PID 運算的自動編程，用戶只需在主程序中調(diào)用 PID 向導生成的子程序，就可以完成 PID 控制任務。執(zhí)行 PID 指令前必須把它們轉換成標準的浮點型實 數(shù) 。 圖 通信參數(shù)設置 沈陽理工大學學士學位論文 27 程序設計 設計思路 PLC 運行時，通過特殊繼電器 產(chǎn)生初始化脈沖進行初始化，將溫度設定值 ，PID 參數(shù)值 等，存入有關的數(shù)據(jù)寄存器，使定時器復位 ； 按啟動按鈕 ， 系統(tǒng) 開始溫度采樣，采樣周期為 1 秒； K 型熱電偶 傳感器把所測量的溫度進行標準量轉換（ 041 毫伏 ） ；通過溫度變送器轉化為模擬量 0 到 10V 的電壓信號 ； 進入 PLC 的 AIW0 第一路模擬量輸入通道 。 （ 1）在 STEP7Micro/WIN 運行 時單擊通訊圖標，或從 “視圖 ”菜單中選擇選項 “通信 ”，則會出現(xiàn)一個通信對話框（如圖 所示）。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。這種程序設計語言采用因果關系 來描述事件發(fā)生的條件和結果。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關量邏輯控制。盡管有某些限制，在這些程序編輯器的任何一個中編寫的程序均可用其它程序編輯器進行瀏覽和編輯。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時局部變量的符號名。工具欄將提供快捷鍵按鈕，用于經(jīng)常使用的菜單命令，可顯示或隱藏工具欄的任何按鈕?，F(xiàn)在加上中文程序后，可在全中文的界面下進行操作，用戶使用起來更加方便。 計算機輔助設計編程 計算機輔助設計是通過 PLC 編程軟件（比如 STEP7Micro/WIN） 在計算機上進行程序設計、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。一般比較復雜的程序都可以分成若干個功能 比較簡單的程序段，一個程序可以看成整個控制過程的一步。邏輯流程圖會使整個程序脈絡清晰，便于分析控制程序、查找故障點及調(diào)試和維修程序。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法，其圖形甚至元件名稱都有繼電器電路十分相似。 沈陽理工大學學士學位論文 21 表 33 階躍曲線法確定 PID 參數(shù) 調(diào)節(jié)器結構 pK iT dT P 1/ rK PI PID 圖 烤箱的溫度曲線 () 由表 33 得： rP KK ? ?2// TKTTKK PIPI ?? () TKTTKK PDPD /???? 通過階躍曲線數(shù)法整定， PID 控制器整定參數(shù)值為： PK = IK = DK = TuyKr 0????沈陽理工大學學士學位論文 22 4 PLC 控制系統(tǒng)軟件設計 PLC 程序 設計 方法 編寫 PLC 程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。常用的工程整定法有經(jīng)驗 法、臨界比例度法、衰減曲線法、階躍曲線法、自整定法等。 理論計算整定法是在已知被控對象的數(shù)學模型的基礎上，根據(jù)選取的質量指標，通過理論計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來求得最佳的 整定參數(shù)。 根據(jù)以上的分析，本溫度控制系統(tǒng)適于采用 PID 控制。積分控制可以消除余差，但是工業(yè)上很少單獨使用積分控制的，因為與比例控制相比，除非積分速度無窮大，否Gc(s) Go(s) R(s) E(s) T T U(s) Y(s) + 數(shù)字控制器 )(sGh )(sG PLC W + T)(sGh T y 沈陽理工大學學士學位論文 20 則積分控制就不可能想比例控制那樣及時的對偏差加以響應，所以控制器的輸出變化總是滯后與偏差的變化，從而難 以對干擾進行及時且有效的控制。 結構 圖如圖、 所示。 圖 電氣接線圖 沈陽理工大學學士學位論文 18 圖 系統(tǒng)框架圖 PLC 控制器的設計 控制器的設計是基于模型控制設計過程中最重要的一步。 表 32 I/O 點分配表 符號 地址 注釋 符號 地址 注釋 外部啟動按鈕 外部按鈕操作 內(nèi)部啟動按鈕 上位機操作 外部停止按鈕 外部按鈕操作 內(nèi)部停止按鈕 上位機操作 res res Res1 Res1 Res2 Res2 Res3 Res3 Res4 Res4 Res5 Res5 系統(tǒng)狀態(tài)指示 加熱功率上限報警 系統(tǒng)報警指示 加熱功率下限報警 聲光報警輸出 SV VD0 設定值 res PV VD4 反饋值 res1 AIW0 熱電偶通道 res2 AQW0 PID 調(diào)節(jié)輸出 Plc 指示燈 res4 2) 系統(tǒng)整體設計方案及硬件連接圖。它集單相調(diào)壓 /調(diào)功方式為一體，采 用鎖相環(huán)同步電路、帶上電緩啟動、緩關斷、散熱器超溫、電流限制、過流保護，適用于電阻性負載和感性負載。 熱電偶 是工業(yè)上最常用 的溫度檢測元件之一。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉換為電勢和電阻的方法最為普遍。本機還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量 I/O， 位控特性，自整定 PID功能，線性斜坡脈沖指令，診斷 LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等。 圖 S7200 系列 PLC 實物圖 S7200 CPU的選擇 S7200系列的 PLC有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU224XP、 CPU226等類型。 PLC 的選型與硬件配置 PLC 型號的選擇 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)場實際狀態(tài)，為程序的運行創(chuàng) 造必要的環(huán)境條件。 (3)保護和連鎖程序。在 PLC 上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動作必要的準備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動 作。 (5)計數(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。 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評估 控制任務 PLC機型的選擇 硬件連線 程序設計 聯(lián)機調(diào)試 PLC安裝 連接 程序檢查、調(diào)試 控制流程的設計 程序備份 修改軟、硬件 投入使用 是否滿足要求 沈陽理工大學學士學位論文 12 序、動作條件、必要的互鎖與保護 。所謂硬件設計，是指 PLC 外部設備的設計，而軟件設計即 PLC 應用程序的設計。 (2) 工藝復雜程度 當工藝要求較復雜時 ,采用 PLC 控制具有更大的優(yōu)越性 。適當考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進的需要，在 I/O 接口、通信能力等方面留有余地。確保計算機控制系統(tǒng)的可靠性。而在實際設計過程中，設計原則往往會涉及很多方面，其中最基本的設計原則可以歸納為 4 點。例如：通過歸檔數(shù)據(jù)，您可以查看過去一段時間的系統(tǒng)運行情況，過程變量等。 (2) 系統(tǒng)操作簡單化 操作員可以通過 監(jiān)控界面 來控制過程。 HMI 軟件分為兩部分 ， 即運行于 HMI 硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于 PC 機Windows 操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如組態(tài)王等）。人機界面（ HMI Human Machine Interface）以其美觀易懂、操作人性化等顯著特點，正好滿足這種需求而得到廣泛的應用。 沈陽理工大學學士學位論文 8 可編程控制器的分類及特點 根據(jù) PLC 的結構形式，可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類。 PLC 本質上就是一臺微型計算機，其工作原理與普通計算機類似，具有計算機的許多特點。 I/O 模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好， 模塊的 I/O 容量越大，系統(tǒng)的適應性就越強。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲器（ EEPROM）或閃存 (Flash Memory)，免去了后備電池的麻煩。 存儲器 存儲器（內(nèi)存）主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是 PLC 不可缺少的組成單元。 I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)， 輸 入 接 口 中 央 處 理 單 元CPU 輸 出 接 口 電源 存儲單元 沈陽理工大學學士學位論文 7 輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。 （ 6）按程序進行處理，根據(jù)運算結果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。 （ 2）監(jiān)視電源、 PLC 內(nèi)部各個單元電路的工作狀態(tài)。PLC 的基本結構如圖 21 所示： 沈陽理工大學學士學位論文 6 圖 21 PLC 基本結構圖 CPU（中央處理器） CPU 是 PLC 的核心，由運算器、控制器、寄存器、系統(tǒng) 總線， 外圍芯片、總線接口及有關電路構成。目前，PLC 在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應用于 鋼鐵、石油、化工、電 力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè) 。 1968 年，美國通用汽車公司（ GM）為了適應生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應具備的十大條件，立即引發(fā)了開發(fā)熱潮。 第 五 章， 詳細 介紹了如何在 亞 控公司的 組態(tài)軟件 “組態(tài)王 ”的基礎上進行人機界面的設計 。 第 一 章，對 溫度控制 系統(tǒng)應用的背景 及國內(nèi)外的發(fā)展狀況 進行了闡述，指出了本文沈陽理工大學學士學位論文 4 的研究意義所在。 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 的實際爐溫轉化為電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉換成數(shù)字量信號并送到 PLC中進行 PID調(diào)節(jié)， PID控制器輸出量轉化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實現(xiàn)對爐子溫度的控制。其性能優(yōu)越，已被廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域，并已成為工業(yè)自動化的三大支柱 (PLC、工業(yè)機器人、 CAD/CAM)之一。 這些差距，是我們必須努力克 服的。目前 ， 我國在這方面總體水平處于 20 世紀 80 年代中后期水平 ， 成熟產(chǎn)