【正文】 充分發(fā)揮作用[3]。CPU 負責執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號,輸出部分則輸出控制信號, CPU 模塊的功能來看, CPU 模塊為CPU22*,它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置CPU 單元：①CPU221 它有 6 輸入/4 輸出,I/0 共計 10 ,程序和數(shù)據(jù)存 儲容量較小,有一定的高速計數(shù)處理能力,非常適合于少點數(shù)的控制系統(tǒng)。它可用于點數(shù)較多,要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。為了保證 PLC 的工作可 靠性,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術(shù)措施。這三種輸出方式中,從輸出響應(yīng)速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中；若從 與外部電路安全隔離角度看,繼電器輸出型最好。在S7200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號的數(shù)值范圍是0~32000，雙極性模擬信號的數(shù)值范圍是32000~+32000[4]。從17世紀初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進行測量。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。對于實驗室等短距離的應(yīng)用場合，可以直接把熱電偶信號引入PLC進行測量。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。 熱電阻 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度測量元件。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定，典型的有銅熱電阻、鉑熱電阻等,其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀，它的阻值會隨著溫度的變化而改變，在200～+850℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進行非線性校正。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。如圖22所示：圖22 PT100標準一體化溫度變送器接線圖 模擬量輸入模塊S7200系列PLC模擬量I/O模塊主要由EM231模擬量4路輸入、EM232模擬量2路輸出和EM235模擬量4輸入/1輸出混合模塊3種，另外還有EM231模擬量輸入熱電偶模塊和EM231模擬量輸入熱電阻模塊[7]。對單極性格式，最高位為符號位，最低3位是測量精度，即A/D轉(zhuǎn)換是以8為單位進行的；對于雙極性格式，最低4位為轉(zhuǎn)換精度，A/D轉(zhuǎn)換是以16為單位進行的。為了使DIP開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給PLC的電源斷電再通電。圖27 模擬量輸出數(shù)據(jù)之間的數(shù)字量格式 　可控硅電壓調(diào)整器 可控硅電壓調(diào)整器簡介 ZK系列可控硅電壓調(diào)整器與可控硅配合使用，能作為單相或三相的電壓功率調(diào)整，其調(diào)節(jié)精度較高，抗干擾能力強。（2）采用新穎的小型晶閘管強觸發(fā)電路，觸發(fā)電路與電網(wǎng)實行光電隔離，從而保證各種可控硅快速可靠開通，安全可靠。（5）體積小，重量輕，操作簡單，使用方便，接線容易，無需調(diào)試（6）可用于各種單相電路以及三相負載星型接法及三角形接法。在0～α時間內(nèi)，SCR1因控制極Ｇ無正脈沖信號而正向阻斷，而SCR2則反向不導通。當ａ越小被切割的波形面積越小，輸出交流電壓的平均值越大。當ａ增大時，電阻絲兩端電壓U降低，加熱器功率下降，溫度降低，反之，則溫度升高。因為ZK1可控硅電壓調(diào)整器的工作電壓為交流220V，電路系統(tǒng)當中，其工作電壓和反饋電壓都是以220V為標準，輸出電壓比例為0~100%。圖210 反饋回路加變壓器控制原理圖3. ZK1可控硅電壓調(diào)整器接口匹配情況在電加熱爐系統(tǒng)中，本系統(tǒng)選用的模擬量輸出信號為0~10V的電壓信號，與ZK1可控硅電壓調(diào)整器的輸入信號（要求0~10mA電流信號）不匹配，解決方法如下：（1）使用變流器，將0~10V的電壓信號轉(zhuǎn)換為0~10mA電流信號。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的[11]。 積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖31所示： 圖31 PID模擬控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器的微分方程和傳遞函數(shù)形式為: Error! No bookmark name given. ( ) （） 　PID控制算法數(shù)字化處理為了能讓數(shù)字計算機處理這個控制式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值，數(shù)字計算機處理的算式如下：Mn =Kc*en +Ki*∑ex+Mintial+Kd*(enen1) （） 輸出=比例項+積分項+微分項其中：Mn 在采樣時刻n，PID回路輸出的計算值 Kc PID回路增益 en 采樣時刻n回路的偏差值 en1 回路的偏差值的前一個值 ex 采樣時刻x的回路偏差值 Ki 積分項的比例常數(shù) Mintial 回路輸出的初始值 Kd 微分項的比例常數(shù)從這個公式可以看出，積分項是從第一個采樣周期到當前采樣周期所有誤差項的函數(shù)，微分項是當前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項是當前采樣的函數(shù)，在數(shù)字計算機中，不保存所有的誤差項，實際上也不必要。其中Kc決定輸出對偏差的靈敏度，偏差（e）是給定值（SP）與過程變量值（PV）之差，S7200解決的求比例項的算式是：MPn=Kc*（SPnPVn） ()其中：MPn 第n采樣時刻比例項的值 Kc 增益 SPn 第n采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值積分項值MI與偏差和成正比。其中采樣時間是重新計算輸出的時間間隔，而積分時間控制積分項在整個輸出結(jié)果中影響的大小。如果不想要積分動作（PID計算中沒有“I”），可以吧積分時間（復(fù)位）置為無窮大“INF”。 　PID在PLC中的回路指令現(xiàn)在很多PLC已經(jīng)具備了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是專用模塊，有些是指令形式。指令的兩個操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB200，因為一個PID回路占用了32個字節(jié)，所以VD200到VD232都被占用了。但它不完全是過程變量PV，過程變量PV和PID回路輸出有關(guān)。其轉(zhuǎn)換程序如下:XORD AC0, AC0 MOVW AIW0, AC0DTR AC0, AC0/R , AC0+R , AC0MOVR AC0, VD200在這段程序中，將實數(shù)格式的工程實際值轉(zhuǎn)換為[~]間的無量綱相對值，用到下面的公式: ?。ǎ┦街? Rnoum——標準化的實數(shù)值； Rraw ——未標準化的實數(shù)值。這一過程是實數(shù)值標準化的逆過程。為了消除工業(yè)現(xiàn)場瞬時干擾對模擬量信號的影響，提高模/數(shù)轉(zhuǎn)換的準確 ，就必須在硬件和軟件上采取相應(yīng)的抗干擾措施?；镜那笃骄邓惴ǚ譃槿N，分別為：算術(shù)平均值法，滑動平均值法，去極值平均值法。算術(shù)平均值算法可以通過圖32所示的程序流程圖來實現(xiàn) 。圖33 去極值平均值濾波法滑動平均值濾波能夠克服算術(shù)平均值法的低速率，它采用數(shù)據(jù)隊列作為數(shù)據(jù)計算平均值的原始數(shù)據(jù)。滑動平均值算法可以通過圖34所示的程序流程圖實現(xiàn)。離散控制系統(tǒng)都采用周期性測量方式，采樣間隔之間的變量值是不測量的。采樣周期Ts是設(shè)計者要精心選擇的重要參數(shù)，系統(tǒng)的性能與采樣周期的選擇有密切關(guān)系。（3） 從抑制擾動的要求來說，采樣周期應(yīng)該選擇得小些。 綜合以上各種因素，選擇采樣周期，應(yīng)在滿足系統(tǒng)控制的性能要求條件下，盡可能地選擇低的采樣速率。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法等。（2）整定積分環(huán)節(jié)先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。但這類方法的理論基礎(chǔ)較弱,需要豐富的控制知識,其性能的優(yōu)劣取決于開發(fā)者對控制回路參數(shù)整定的經(jīng)驗以及對反饋控制理論的理解程度。在測試模態(tài)下,由一個繼電非線性環(huán)節(jié)來測試系統(tǒng)的振蕩頻率和增益,而在調(diào)節(jié)模態(tài)下,由系統(tǒng)的特征參數(shù)首先得到PID控制器,然后由此控制器對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行調(diào)節(jié)。在PID調(diào)節(jié)面板的當前PID區(qū)選擇要調(diào)節(jié)的PID回路號，在調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)選擇手動，調(diào)節(jié)PID參數(shù)并點擊更新，使新參數(shù)值起作用，監(jiān)視其趨勢圖，根據(jù)調(diào)節(jié)狀況改變PID參數(shù)直至調(diào)節(jié)穩(wěn)定。此時可點擊調(diào)整參數(shù)區(qū)內(nèi)的開始自動調(diào)節(jié)按鈕啟動PID自整定功能，這時按鈕變?yōu)橥Ｖ棺詣诱{(diào)節(jié)。圖36 高級PID自動調(diào)節(jié)參數(shù)界面第五步：如果用戶想將PID自整定的參數(shù)應(yīng)用到當前PLC中，則只需點擊更新PLC。此外，還可直接用軟件設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控等。聯(lián)機方式：有編程軟件的計算機與PLC 連接，此時允許兩者之間做直接通信。 　方案設(shè)計思路PLC采用的是的S7200，CPU是224系列，采用了4個燈來顯示過程的狀態(tài)，分別是運行燈，停止燈，溫度正常燈，溫度過高（警示燈），可以通過4個燈的開關(guān)狀況判斷加熱爐內(nèi)的大概情況。圖41 溫度控制系統(tǒng)接線圖2. I/O點地址分配如表41所示表41 I/O地址分配表地址名稱功能啟動按扭按下開關(guān)，設(shè)備開始運行停止按鈕按下開關(guān)，設(shè)備停止運行保護按鈕按下開關(guān)，終止加熱運行燈燈亮表示設(shè)備處于運行狀態(tài)停止燈燈亮表示設(shè)備處于停止狀態(tài)溫度狀態(tài)指示燈（正常）燈亮表示爐溫在正常范圍內(nèi)溫度狀態(tài)指示燈（危險）燈亮表示爐溫過高，處于危險狀態(tài)3. 程序地址分配如表42所示。當硬件連接完畢后在軟件上設(shè)置通信，單擊通信，設(shè)置PG/PC接口，然后雙擊刷新，完成后確定即可；第二步：下載程序，單擊工具欄中的下載按鈕即可；第三步：實施監(jiān)控和調(diào)試，單擊工具欄的監(jiān)控，此時計算機中顯示PLC的運行狀態(tài)，顯示屏幕上被點亮的原件表示接通狀態(tài)。第5章 　組態(tài)畫面設(shè)計 組態(tài)王簡介組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是眾多組態(tài)軟件里面的一種，組態(tài)王是一個具有豐富功能的HMI/SCADA軟件。該系統(tǒng)是中文界面,具有人機界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點。進入組態(tài)畫面的設(shè)計,如圖51所示。畫面的工具欄里面，可以選擇工具箱，調(diào)色板，線形等在畫面中顯示，這些在畫圖的時候經(jīng)常需要用上。而I/O變量是兩者之間互相交換數(shù)據(jù)的橋梁，S7200和組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換是雙向的，一者的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，另外一者的數(shù)據(jù)也跟著變化。點擊工程管理器中的“數(shù)據(jù)詞典”再雙擊右邊窗口的新建，在出現(xiàn)的定義變量口中填寫相應(yīng)的要求項，并可在“報警定義”中設(shè)定報警，如圖54所示。爐子的溫度可以在畫面中顯示出來。Y軸上不能直接出現(xiàn)實際的過程值，但可以通過工具箱的文本進行對應(yīng)的標記，本文中設(shè)置了量程是100℃。如圖57所示。\\本站點\$新報警=0。59 系統(tǒng)原理畫面 建立參數(shù)監(jiān)控畫面此畫面可在線查看當前程序的參數(shù)，分別有設(shè)定的溫度、當前實際溫度、運行時間，比例系數(shù)P，積分系數(shù)I，微分系數(shù)D。組態(tài)軟件提供了可視化監(jiān)控畫面，包括動畫，實時趨勢曲線，歷史趨勢曲線，實時報警窗口，歷史報警窗口等等的功能。 　組態(tài)王與S7200的通信PPI（PointtoPoint）是西門子專為S7200系列開發(fā)的一個通信協(xié)議，為主從協(xié)議，PC機為主站，S7200為從站。下圖61為配置向?qū)М嬅?，按照以上的步驟即可成功的完成組態(tài)王與PLC的通信。如果提示連接設(shè)備成功，窗口會顯示開始記錄數(shù)據(jù)，那就表示可以開始系統(tǒng)的運行了。如果點擊關(guān)閉按扭，系統(tǒng)進入停止階段。下半部分設(shè)置改變系統(tǒng)的運行參數(shù)。圖 63 運行時參數(shù)監(jiān)控設(shè)置 報警信息提示報警窗口實時報警窗口和歷史報警窗口，實時報警窗口是無論用戶處于哪個界面，一旦滿足報警條件，實時報警窗口就會彈出來，提示用戶，本論文中在報警窗口中設(shè)置了兩個按扭，一個是停止按扭，按下就會使程序進行停止模式，用于應(yīng)急，如果用戶覺得引起報警的事件還不足于停止設(shè)備的運行，那就可以點退出按扭，退出實時報警窗口。圖64 實時報警 趨勢曲線監(jiān)控進入此畫面，可以看到當前實際溫度和設(shè)定目標溫度兩條曲線的實時走勢。該系統(tǒng)采用S7200PLC對電爐溫度進行控制，雖說之前沒有學過該類PLC，但S7200PLC的軟硬件學習還是很方便的，通過實際操作很容易掌握。致 謝論文從選題開始到脫稿完成，其間經(jīng)歷了諸多的困惑和迷茫，收集資料的辛苦和設(shè)計與寫作中的煎熬，使我深感這不僅僅是一篇本科論文的如期完成，更是對自己四年來所學的理論知識的一次綜合性檢驗。 最后，再一次感謝在此次畢業(yè)設(shè)計中給予我?guī)椭娜恕Ｔ诠I(yè)生產(chǎn)過程控制中, 模擬量的P ID (比例、積分、微分) 調(diào)節(jié)是常見的一種控制方式, 這是由于P ID調(diào)節(jié)不需要求出控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。溫控系統(tǒng)控制方法的優(yōu)劣、運行效果的好壞, 直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、能源的消耗以及設(shè)備的生產(chǎn)效率。針對這些問題, 我們采用了羅克韋爾RSTuneP ID 參數(shù)協(xié)調(diào)軟件, 并應(yīng)用到本系統(tǒng)來調(diào)節(jié)P ID 參數(shù)。 微分增益使驅(qū)動依賴于實測溫度的變化率。每個模塊可以組態(tài)最多16 路單端輸入或8 路差動輸入。 圖1 溫度控制系統(tǒng)框圖通過調(diào)節(jié)雙向可控硅的通斷來調(diào)節(jié)電爐絲的輸出功率, 由溫度檢測元件熱電偶將采集到的爐膛溫度信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換, 變成數(shù)字量傳給PLC