【正文】 品主要以“點(diǎn)位 ”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主 ， 它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制 ， 難于控制滯后、復(fù)雜、 時變溫度系統(tǒng)控制。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。 3)能適應(yīng) 于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)的控制。 比方說溫度過度或壓力超過臨界值，在這樣的條件下系統(tǒng)會產(chǎn)生警報，通知 作業(yè)員處理 [1]。 歷史資料趨勢顯示 ——把數(shù)據(jù)庫中的資料作可視化的呈現(xiàn)。 HMI 其實廣義的解釋就是 “使用者與機(jī)器間溝通、傳達(dá)及接收信息的一個接口 ”。 此外 ， 隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高 ， 用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，人機(jī)界面（ HMI）的 出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。在這種方式的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套溫度控制系統(tǒng)。 近年來，國內(nèi)外對溫度控制器的研究進(jìn)行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，溫度控制器的研究取得了巨大的發(fā)展，形成了 一批商品化的溫度調(diào)節(jié)器 ，如 :職能化 PID、模糊控制、自適應(yīng)控制等，其性能、控制效果好 ,可廣泛應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關(guān)設(shè)備的技術(shù)改造服務(wù)。 實驗證明，此系統(tǒng)具有 快、準(zhǔn) 、穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)溫度控制領(lǐng)域 能夠廣泛應(yīng)用。 人機(jī)界面 可以 對 控制系統(tǒng)進(jìn)行 全面監(jiān)控 ，包括 過程 監(jiān)測、報警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得 操作 人性化 、過程可視化 ， 在 自動控制領(lǐng)域的作用日益顯著 。 在 工業(yè) 領(lǐng)域，隨著 自動化 程度 的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高， 人機(jī)界面的 出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。 利用組態(tài)軟件 組態(tài)王 設(shè)計人機(jī)界面， 實現(xiàn) 控制系統(tǒng) 的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù) 的 實時 采 樣 與處理。目前 ,仍有相當(dāng)部分工業(yè)企業(yè)在用窯、爐等 烘干生產(chǎn)線 ，存在著控制精度不高、 爐內(nèi)溫度均勻性差等問題 ,達(dá)不到工藝要求，造成裝備運(yùn)行成本費(fèi)用高，產(chǎn)出品品質(zhì)低下，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，急需技術(shù)改造。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了 PLC 和計算 機(jī)各自的特點(diǎn) ， 得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代 PLC 以集成度高、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定受到普遍歡迎，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用 ， 尤其適合溫度控制的要求。 HMI正在成為引導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)制造走向成功的重要因素，因為這些系統(tǒng)越來越多的用于監(jiān)控生產(chǎn)過程，讓過程變得更加準(zhǔn)確、簡潔和快速。 自動記錄資料 ——自動將資料儲存至數(shù)據(jù)庫中，以便日后查看。 警報的產(chǎn)生與記錄 ——使用者可以定義一些警報產(chǎn)生的條件。 2)能適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。借助計算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動整定的功能。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 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 ， 同日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比仍然有著較大的差距。控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗及我國現(xiàn)場調(diào)試來確定。 項目研究內(nèi)容 可編程控制器 (PLC)是集計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動控制裝置。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設(shè)計、程序設(shè)計，控制對象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定，人機(jī)界面的設(shè)計等。 全論文分 六 章 ， 各章的主要內(nèi)容說明如下。 第 四 章， 在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了本項目軟件設(shè)計，主要包括軟件設(shè)計的基本步驟、方法，編程軟件 STEP7Micro/WIN 的介紹以及本項目程序設(shè)計。 可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用 20 世紀(jì) 60 年代 ，計算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得推廣。 隨著 PLC 功能的不斷完善，性價比的不斷提高， PLC 的應(yīng)用面也越來越廣。 無論是整體式還是模塊式，從硬件結(jié)構(gòu)看， PLC 都是由 CPU、存儲器、 I/O 接口單元及擴(kuò)展接口和擴(kuò)展部件、外設(shè)接口及外設(shè)和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。 （ 1）接收從編程器或者計算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲器 存 儲。 （ 5）采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。 I/O 接口 PLC 是通過各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量， I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置 能力 的限制 ，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 I/O 模塊分為開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。用戶程序存儲器用于存儲用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設(shè)計的控制程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲器（ RAM），需 要后備電池在掉電后保存程序。 智能模塊 除了上述通用的 I/O 模塊外， PLC 還提供了各種各樣的特殊 I/O 模塊，如 熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、 位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程 I/O 控制、打印機(jī)等專用型或智能型的 I/O 模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。編程設(shè)備在 PLC 的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場的控制。工作時逐條順序掃描用 戶程序，如果一個線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)不會立即動作，需 等掃描到該觸點(diǎn)時才會動作 [6]。 人機(jī)界面基礎(chǔ) 隨著社會的進(jìn)步，工業(yè)自動化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，控制過程也變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。根據(jù) HMI 的產(chǎn)品等級不同，處理器可分別選用 8 位、 16 位、 32 位的處理器。例如：爐子加 熱通斷可以通過指示燈亮滅來顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來指示等等，使整個控制系統(tǒng)變得形象易懂 ，也更加清晰。 (4) 數(shù)據(jù)歸檔 HMI 系統(tǒng)可以記錄過程變量值和報警信息并歸檔。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象 (生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程 )的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 (2)可靠性原則。 (4)發(fā)展性原則。當(dāng)控制規(guī)模較大時 ,特別是開關(guān)量控制的 I/O 設(shè)備較多時，最適合采用 PLC 控制。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 圖 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的 一般步驟 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計包 括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。設(shè)計人員必須深入現(xiàn)場，認(rèn)真調(diào)查研究，收集資料，并于相關(guān)技術(shù)人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設(shè)計中出現(xiàn)的問題。系統(tǒng) 的工作方式及人機(jī)界面，需要顯示的物理量及顯示方式等。輸出設(shè)備包括繼電器、 接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等 。在進(jìn)行 I/O 通道分配時應(yīng)給出 I/O 通道分配表，表中應(yīng)包含 I/O 編號、設(shè)備代號、名稱及功能等。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)容： (1)初始化程序。這些程序相對獨(dú)立，一般在程序設(shè)計基本完成時再添加。 程序調(diào)試 程序調(diào)試分為 2 個階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場調(diào)試。 (2)軟件模擬法是在 PLC 中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場信號，其簡單易行，但時效性不易保證。 編寫技術(shù)文件 技術(shù)文件包括設(shè)計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、 PLC 程序以及使用說明書等 [10]。 完整的 S7200 系列 PLC 實物 如 圖 所示 。 20K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間 ， 6個獨(dú)立的高速計數(shù)器（ 最高 100KHz） ， 2個 100KHz的高速脈沖輸出 ， 2個 RS485通訊 /編程口 ， 具有 PPI通訊協(xié)議、 MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 熱電式傳感器 熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置。 系統(tǒng)中 需要用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，且 烤箱 的溫度最高達(dá)幾百度 ,所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。 表 31 K 型熱電偶分度表 T/℃ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 200 300 400 500 600 700 800 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 TAC16P 系列單相調(diào)功 /調(diào)壓電力調(diào)整器 TAC16P是大功率固態(tài)電力模塊應(yīng)用技術(shù)的新產(chǎn)品。 圖 TAC16P 接線圖 （自動控制） 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 I/O 點(diǎn)分配 及電氣接線圖 1) 溫度控制系統(tǒng)中 I/O 點(diǎn)分配表如表 所示。 電氣接線圖沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 如圖 所示 ， 系統(tǒng)框架 圖如圖 所示。 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 本溫度控制系統(tǒng)中， 熱電偶 將檢測到的溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號經(jīng)過溫度模塊后，與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，得到偏差，此偏差送入 PLC 控制器按 PID 算法進(jìn)行修正，返回對應(yīng)工況下的 調(diào)壓模塊直接調(diào)節(jié) 加熱功率，從而實現(xiàn)對爐子的溫度控制。比例控制是一種最基本的控制規(guī)律，具有反應(yīng)速度快，控制及時，但控制結(jié)果有余差等特點(diǎn)。將三種方式加以組合在一起，就是比例積分微分（ PID）控制 ,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 ])()(1)([u(t )0 dttdeTdtteTteKp t DI ? ??? （ 32） 式 33 中： pK 為比例系數(shù)， IT 為積分時間常數(shù)， DT 為微分時間常數(shù)?？刂破鲄?shù)整定方法很多，歸納起來可分為兩大類， 即理論計算整定法和工程整定法。這些方法通過并不復(fù)雜的實驗，便能迅速獲得調(diào)節(jié)器的近似最佳整定參數(shù)，因而在工程中得到廣泛應(yīng)用。 在這里， 采用 了 階躍曲線法來征訂控制器的參數(shù)值 ??20 。 （ 1）梯形圖法 梯形圖法是用梯形圖語言去編制 PLC 程序。 （ 2）邏輯流程圖法 邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示 PLC 程序的執(zhí)行過程，反映輸入與輸出的關(guān)系。 （ 4）步進(jìn)順控法 步進(jìn)順控法是在順控指令的配合下設(shè)計復(fù)雜的控制程序。 結(jié)合自己工程的情況，對這 些“ 試驗程序 ” 逐一修改，使之適合自己的工程要求。它是西門子 S7200 用戶不可缺少的開發(fā)工具。如圖 41所示， STEP 7Micro/WIN項目窗口將提供用于創(chuàng)建控制程序的便利工作空間。 可將單個的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個指令，以便將其插入到程序編輯器中光標(biāo)的當(dāng)前位置。 STEP 7Micro/WIN提供了用于創(chuàng)建程序的三個編輯器：梯形圖（ LAD）、語句表（ STL）和功能塊圖（ FBD）。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 編程軟件 STEP7Micro/WIN 主界面 梯形圖語言特點(diǎn) 梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為 PLC 的第一編程語言。采用梯形圖程序設(shè)計語言，程序采用梯形圖的形式描述。梯形圖程序設(shè)計語言是最常用的一種程序設(shè)計語言。 STEP7Micro/WIN 參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置） 本項目中 PLC 要與電腦正確通信，安裝完 STEP7Micro/WIN 編程軟件且設(shè)置好硬件后，可以按下列步驟進(jìn)行通訊設(shè)置。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 PG/PC 接口對話框 （ 3）單擊 Properties 按鈕，將出現(xiàn)接口屬性對話框，檢查各參數(shù)的屬性是否正確，其中通信波特率默認(rèn)值為 （如圖 所示）。 每個 PID 回路都有兩個輸入變量，給定值 SP 和過程變量 PV。 PID 指令向?qū)У倪\(yùn)用 STEP7Micro/WIN 提供了 PID Wizard（ PID 指令向?qū)В?，可以幫助用戶方便地生成一個閉環(huán)控制過程的 PID 算法。從而使得程序簡單易懂，同時也達(dá)到了控制要求。還有， PID 環(huán)路的設(shè)定點(diǎn)設(shè)置為 ，便于歸一化處理。人機(jī)界面（ HMI Human Machine Interface）以其過程可視化、操作員對操作過程可方便的控制等顯著特點(diǎn)，很好的滿足了這種需求而得到廣泛的應(yīng)用。此外，新一代工業(yè)人機(jī)界面還具有簡單的編程、對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、數(shù)據(jù)登 錄及配方等智能化控制功能 [19]。組態(tài)王和其他組態(tài)軟件相比最大的優(yōu)勢是它操作方便， 提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語言支持，對于新手來說很容易上手。 雙擊工程管理器中的工程名，出現(xiàn)工程瀏覽器。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 37 圖 新建工程 圖 新建畫面 主界面 打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點(diǎn)擊 “圖庫 ”，打開圖庫管理器，把開關(guān)、溫度儀表、鬧鐘直接拖進(jìn)開發(fā)頁面，再利用工具箱做好 “開始 ”和 “停止 ”按鈕以及溫度顯示、設(shè)定畫面、報沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 38 警窗口等按鈕。點(diǎn)擊 “停止 ”按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束，同時開關(guān)變紅色。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 39 圖 實時 趨勢 曲線 報警