【正文】 充分發(fā)揮作用[3]。CPU 負(fù)責(zé)執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào),輸出部分則輸出控制信號(hào), CPU 模塊的功能來(lái)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(jì) 10 ,程序和數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)容量較小,有一定的高速計(jì)數(shù)處理能力,非常適合于少點(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。它可用于點(diǎn)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(lái)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(hào)的數(shù)值范圍是0~32000，雙極性模擬信號(hào)的數(shù)值范圍是32000~+32000[4]。從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計(jì)開始，人們開始利用溫度進(jìn)行測(cè)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(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室等短距離的應(yīng)用場(chǎng)合，可以直接把熱電偶信號(hào)引入PLC進(jìn)行測(cè)量。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量元件。它的主要特點(diǎn)是測(cè)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(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀，它的阻值會(huì)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(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測(cè)溫電路，一為恒流源式測(cè)溫電路。如圖22所示：圖22 PT100標(biāo)準(zhǔn)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(duì)單極性格式，最高位為符號(hào)位，最低3位是測(cè)量精度，即A/D轉(zhuǎn)換是以8為單位進(jìn)行的；對(duì)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(jìn)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(jiǎn)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(qiáng)。（2）采用新穎的小型晶閘管強(qiáng)觸發(fā)電路，觸發(fā)電路與電網(wǎng)實(shí)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(jiǎn)單，使用方便，接線容易，無(wú)需調(diào)試（6）可用于各種單相電路以及三相負(fù)載星型接法及三角形接法。在0～α?xí)r間內(nèi)，SCR1因控制極Ｇ無(wú)正脈沖信號(hào)而正向阻斷，而SCR2則反向不導(dǎo)通。當(dāng)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(dāng)ａ增大時(shí)，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?yàn)閆K1可控硅電壓調(diào)整器的工作電壓為交流220V，電路系統(tǒng)當(dāng)中，其工作電壓和反饋電壓都是以220V為標(biāo)準(zhǔn)，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(hào)為0~10V的電壓信號(hào)，與ZK1可控硅電壓調(diào)整器的輸入信號(hào)（要求0~10mA電流信號(hào)）不匹配，解決方法如下：（1）使用變流器，將0~10V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~10mA電流信號(hào)。PID控制器問(wèn)世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)算出控制量進(jìn)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(hào)的積分成正比關(guān)系。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)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(jì)算機(jī)處理這個(gè)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(lái)計(jì)算輸出值，數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下：Mn =Kc*en +Ki*∑ex+Mintial+Kd*(enen1) （） 輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中：Mn 在采樣時(shí)刻n，PID回路輸出的計(jì)算值 Kc PID回路增益 en 采樣時(shí)刻n回路的偏差值 en1 回路的偏差值的前一個(gè)值 ex 采樣時(shí)刻x的回路偏差值 Ki 積分項(xiàng)的比例常數(shù) Mintial 回路輸出的初始值 Kd 微分項(xiàng)的比例常數(shù)從這個(gè)公式可以看出，積分項(xiàng)是從第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差項(xiàng)的函數(shù)，微分項(xiàng)是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項(xiàng)是當(dāng)前采樣的函數(shù)，在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，不保存所有的誤差項(xiàng)，實(shí)際上也不必要。其中Kc決定輸出對(duì)偏差的靈敏度，偏差（e）是給定值（SP）與過(guò)程變量值（PV）之差，S7200解決的求比例項(xiàng)的算式是：MPn=Kc*（SPnPVn） ()其中：MPn 第n采樣時(shí)刻比例項(xiàng)的值 Kc 增益 SPn 第n采樣時(shí)刻的給定值 PVn 第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量的值積分項(xiàng)值MI與偏差和成正比。其中采樣時(shí)間是重新計(jì)算輸出的時(shí)間間隔，而積分時(shí)間控制積分項(xiàng)在整個(gè)輸出結(jié)果中影響的大小。如果不想要積分動(dòng)作（PID計(jì)算中沒(méi)有“I”），可以吧積分時(shí)間（復(fù)位）置為無(wú)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(gè)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?yàn)橐粋€(gè)PID回路占用了32個(gè)字節(jié)，所以VD200到VD232都被占用了。但它不完全是過(guò)程變量PV，過(guò)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(shí)數(shù)格式的工程實(shí)際值轉(zhuǎn)換為[~]間的無(wú)量綱相對(duì)值，用到下面的公式: ?。ǎ┦街? Rnoum——標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值； Rraw ——未標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值。這一過(guò)程是實(shí)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化的逆過(guò)程。為了消除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)干擾對(duì)模擬量信號(hào)的影響，提高模/數(shù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確 ，就必須在硬件和軟件上采取相應(yīng)的抗干擾措施。基本的求平均值算法分為三種，分別為：算術(shù)平均值法，滑動(dòng)平均值法，去極值平均值法。算術(shù)平均值算法可以通過(guò)圖32所示的程序流程圖來(lái)實(shí)現(xiàn) 。圖33 去極值平均值濾波法滑動(dòng)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(duì)列作為數(shù)據(jù)計(jì)算平均值的原始數(shù)據(jù)?；瑒?dòng)平均值算法可以通過(guò)圖34所示的程序流程圖實(shí)現(xiàn)。離散控制系統(tǒng)都采用周期性測(cè)量方式，采樣間隔之間的變量值是不測(cè)量的。采樣周期Ts是設(shè)計(jì)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(dòng)的要求來(lái)說(shuō)，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(yàn)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(lái)的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)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(shí),其性能的優(yōu)劣取決于開發(fā)者對(duì)控制回路參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)反饋控制理論的理解程度。在測(cè)試模態(tài)下,由一個(gè)繼電非線性環(huán)節(jié)來(lái)測(cè)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(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。在PID調(diào)節(jié)面板的當(dāng)前PID區(qū)選擇要調(diào)節(jié)的PID回路號(hào)，在調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)選擇手動(dòng)，調(diào)節(jié)PID參數(shù)并點(diǎn)擊更新，使新參數(shù)值起作用，監(jiān)視其趨勢(shì)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(shí)可點(diǎn)擊調(diào)整參數(shù)區(qū)內(nèi)的開始自動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕啟動(dòng)PID自整定功能，這時(shí)按鈕變?yōu)橥Ｖ棺詣?dòng)調(diào)節(jié)。圖36 高級(jí)PID自動(dòng)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(dāng)前PLC中，則只需點(diǎn)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(yùn)行監(jiān)控等。聯(lián)機(jī)方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與PLC 連接，此時(shí)允許兩者之間做直接通信。 　方案設(shè)計(jì)思路PLC采用的是的S7200，CPU是224系列，采用了4個(gè)燈來(lái)顯示過(guò)程的狀態(tài)，分別是運(yùn)行燈，停止燈，溫度正常燈，溫度過(guò)高（警示燈），可以通過(guò)4個(gè)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(diǎn)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(dòng)按扭按下開關(guān)，設(shè)備開始運(yùn)行停止按鈕按下開關(guān)，設(shè)備停止運(yùn)行保護(hù)按鈕按下開關(guān)，終止加熱運(yùn)行燈燈亮表示設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)停止燈燈亮表示設(shè)備處于停止?fàn)顟B(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(xiǎn)）燈亮表示爐溫過(guò)高，處于危險(xiǎn)狀態(tài)3. 程序地址分配如表42所示。當(dāng)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(shí)施監(jiān)控和調(diào)試，單擊工具欄的監(jiān)控，此時(shí)計(jì)算機(jī)中顯示PLC的運(yùn)行狀態(tài)，顯示屏幕上被點(diǎn)亮的原件表示接通狀態(tài)。第5章 　組態(tài)畫面設(shè)計(jì) 組態(tài)王簡(jiǎn)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(gè)具有豐富功能的HMI/SCADA軟件。該系統(tǒng)是中文界面,具有人機(jī)界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入組態(tài)畫面的設(shè)計(jì),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(shí)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(diǎn)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(xiàng)，并可在“報(bào)警定義”中設(shè)定報(bào)警，如圖54所示。爐子的溫度可以在畫面中顯示出來(lái)。Y軸上不能直接出現(xiàn)實(shí)際的過(guò)程值，但可以通過(guò)工具箱的文本進(jìn)行對(duì)應(yīng)的標(biāo)記，本文中設(shè)置了量程是100℃。如圖57所示。\\本站點(diǎn)\$新報(bào)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(dāng)前程序的參數(shù)，分別有設(shè)定的溫度、當(dāng)前實(shí)際溫度、運(yùn)行時(shí)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(dòng)畫，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線，歷史趨勢(shì)曲線，實(shí)時(shí)報(bào)警窗口，歷史報(bào)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(gè)通信協(xié)議，為主從協(xié)議，PC機(jī)為主站，S7200為從站。下圖61為配置向?qū)М嬅妫凑找陨系牟襟E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(huì)顯示開始記錄數(shù)據(jù)，那就表示可以開始系統(tǒng)的運(yùn)行了。如果點(diǎn)擊關(guān)閉按扭，系統(tǒng)進(jìn)入停止階段。下半部分設(shè)置改變系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。圖 63 運(yùn)行時(shí)參數(shù)監(jiān)控設(shè)置 報(bào)警信息提示報(bào)警窗口實(shí)時(shí)報(bào)警窗口和歷史報(bào)警窗口，實(shí)時(shí)報(bào)警窗口是無(wú)論用戶處于哪個(gè)界面，一旦滿足報(bào)警條件，實(shí)時(shí)報(bào)警窗口就會(huì)彈出來(lái)，提示用戶，本論文中在報(bào)警窗口中設(shè)置了兩個(gè)按扭，一個(gè)是停止按扭，按下就會(huì)使程序進(jìn)行停止模式，用于應(yīng)急，如果用戶覺(jué)得引起報(bào)警的事件還不足于停止設(shè)備的運(yùn)行，那就可以點(diǎn)退出按扭，退出實(shí)時(shí)報(bào)警窗口。圖64 實(shí)時(shí)報(bào)警 趨勢(shì)曲線監(jiān)控進(jìn)入此畫面，可以看到當(dāng)前實(shí)際溫度和設(shè)定目標(biāo)溫度兩條曲線的實(shí)時(shí)走勢(shì)。該系統(tǒng)采用S7200PLC對(duì)電爐溫度進(jìn)行控制，雖說(shuō)之前沒(méi)有學(xué)過(guò)該類PLC，但S7200PLC的軟硬件學(xué)習(xí)還是很方便的，通過(guò)實(shí)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(jì)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(duì)自己四年來(lái)所學(xué)的理論知識(shí)的一次綜合性檢驗(yàn)。 最后，再一次感謝在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給予我?guī)椭娜?。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(xué)模型。溫控系統(tǒng)控制方法的優(yōu)劣、運(yùn)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(duì)這些問(wèn)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(lái)調(diào)節(jié)P ID 參數(shù)。 微分增益使驅(qū)動(dòng)依賴于實(shí)測(cè)溫度的變化率。每個(gè)模塊可以組態(tài)最多16 路單端輸入或8 路差動(dòng)輸入。 圖1 溫度控制系統(tǒng)框圖通過(guò)調(diào)節(jié)雙向可控硅的通斷來(lái)調(diào)節(jié)電爐絲的輸出功率, 由溫度檢測(cè)元件熱電偶將采集到的爐膛溫度信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換, 變成數(shù)字量傳給PLC