【正文】 系統(tǒng)運(yùn)行 ..................................................................................................................................... 46 運(yùn)行結(jié)果分析 ............................................................................................................................. 47 溫度趨勢曲線分析 ............................................................................................................ 47 報(bào)警信息分析 .................................................................................................................... 49 第七章 總結(jié) .............................................................................................................................................. 50 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................................... 51 致 謝 ...............................................................................................................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 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(jì)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)。在這種方式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套溫度控制系統(tǒng)。 此外，隨著工業(yè)自動(dòng)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。 HMI 其實(shí)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(gè)接口 ” 。 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)。 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(huì)產(chǎn)生警報(bào)，通知作業(yè)員處理 [1]。 3)能適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。目前 ,我國在這方面總體水平處于 20 世紀(jì) 80 年代中后期水平 ,成熟產(chǎn)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(shí)變溫度系統(tǒng)控制。這些差距，是我們必須努力克服的。其性能優(yōu)越，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱 (PLC、工業(yè)機(jī)器人、 CAD/CAM)之一。 本論文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(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號并送到 PLC中進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)， PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱 的通斷來實(shí)現(xiàn)對爐子溫度的控制。 第一章，對溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用的背景及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了闡述，指出了本文的研究意義所在。 第五章，詳細(xì)介紹了如何在亞控公司的組態(tài)軟件“組 態(tài)王 ” 的基礎(chǔ)上進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。 可編程控制器基礎(chǔ) 可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用 20 世紀(jì) 60 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價(jià)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(jià)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(chǔ)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(jì)算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。 （ 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。 2） 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(chǔ)器用于存儲(chǔ)用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設(shè)計(jì)的控制程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（ RAM） ，需要后備電池在掉電后保存程序。 5）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(jì)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(shí)逐條順序掃描用戶程序，如果一個(gè)線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作，需等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作 [6]。 人機(jī)界面基礎(chǔ) 隨著社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)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(gè)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(bào)警信息并歸檔。 第三章 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在掌握了 PLC 的硬件構(gòu)成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可以PLC 作為主要控制器來構(gòu)造 PLC 控制系統(tǒng)。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)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(shí) ,特別是開關(guān)量控制的 I/O 設(shè)備較多時(shí)，最適合采用 PLC 控制。所謂硬件設(shè)計(jì)，是指 PLC 外部評估控制任務(wù) PLC機(jī)型的選擇 控制柜設(shè)計(jì)及布線 程序設(shè)計(jì) 聯(lián)機(jī)調(diào)試 PLC安裝 程序檢查、調(diào)試 控制流程的設(shè)計(jì) 程序備份 修改軟、硬件 模擬運(yùn)行 投入使用 是否滿足要求 設(shè)備的設(shè)計(jì)，而軟件設(shè)計(jì)即 PLC 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。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(dòng)作及動(dòng)作時(shí)序、動(dòng)作條件、必要的互鎖與保護(hù) 。 2. 硬件選擇 具體包括如下。 (2) 選擇 PLC。 (4) 繪制 PLC 外圍硬件線路圖。 (5)計(jì)數(shù)器、定時(shí)器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。在 PLC 上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動(dòng)作必要的準(zhǔn)備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作。 (3)保護(hù)和連鎖程序。程序模擬調(diào)試是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場實(shí)際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。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。 PLC 的選型與硬件配置 PLC 型號的選擇 本溫度控制系統(tǒng)選擇德國西門子公司的 S7200 系列的 PLC。 圖 32 S7200 系列 PLC 實(shí)物圖 S7200 CPU 的選擇 S7200 系列的 PLC 有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU224XP、 CPU226等類型。配有 2 個(gè) RS485 通訊口，具有 PPI， MPI 和自由方式通訊能力， 波特率最高為 kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng) [11]。 EM231 熱電偶模塊提供一個(gè)方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型： J、 K、 E、 N、 S、 T 和R 型，它也允許連接微小的模擬量信號 (177。 表 31 EM231 技術(shù)指標(biāo) 型號 EM231 模擬量輸入模塊 總體特性 外形尺寸： 80mm 62mm 功耗： 3W 輸入特性 本機(jī)輸入： 4 路模擬量輸入 電源電壓：標(biāo)準(zhǔn) DC 24V/4mA 輸入類型： 0~10V， 0~5V，177。表中， ON 為接通，OFF 為斷開。 圖 33 DIP配置 EM231 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。 該系統(tǒng)中需要用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，且爐子的溫度最高達(dá)幾百度 ,所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。 表 33 K 型熱電偶分度表 I/O 點(diǎn)分配及電氣連接圖 1) 該溫度控制系統(tǒng)中 I/O 點(diǎn)分配表如表 34 所示。整個(gè)硬件連接圖如圖 34 和 35 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， 傳感器 （電熱偶） 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 控制器輸入觸點(diǎn) 功能說明 輸出觸點(diǎn) 功能說明 啟動(dòng)按鈕 運(yùn)行指示燈（綠） 停止按鈕 停止指示燈（紅） 固態(tài)繼電器 計(jì)算機(jī) P L C EM231 模塊 固態(tài)繼電器 熱電偶 烤爐 按 PID 算法進(jìn)行修正 ， 返回對應(yīng)工況下的 固 態(tài)繼電器 導(dǎo)通時(shí)間 ， 調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率 ， 從而實(shí)現(xiàn)對 爐子 的溫度控制。 為對象放大系數(shù)； 0T 為對象時(shí)間常數(shù)； ? 為對象時(shí)滯。 分鐘。微分作用是對偏差的變化速度加以響應(yīng)的，因此，只要偏差一有變化，控制器就能 根據(jù)變化速度的大小，適當(dāng)改變其輸出信號，從而可以及時(shí)克服干擾的影響，抑制偏差的增長，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 根據(jù)以上的分析，本溫度控制系統(tǒng)適于采用 PID 控制。 理論計(jì)算整定法是在已知被控對象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，通過理論計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來求得最佳的整定參數(shù)。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法來整定控制器的參數(shù)值。 由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗(yàn)整定法主要通過調(diào)整比例度 ? 的大小來滿足質(zhì)量指標(biāo)。調(diào)整積分時(shí)間的大小，直到出現(xiàn) 4： 1的衰減振蕩。如果開始時(shí) Ti 和 Td設(shè)置 的不 合適，則有可能得不到要求的理想曲線。本章在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將詳細(xì)介紹本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法，編程軟件 STEP7Micro/WIN 的介紹以及本項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)。 （ 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(jì)復(fù)雜的控制程序。結(jié)合自己工程的情況，對這些“試驗(yàn)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(xiàng)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(gè)的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個(gè)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(gè)編輯器：梯形圖（ LAD）、語句表（ STL）和功能塊圖（ FBD）。 圖 41 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(jì)語言，程序采用梯形圖的形式描述。梯形圖程序設(shè)計(jì)語言是最常用的一種程序設(shè)計(jì)語言。 STEP7Micro/WIN 參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置） 本項(xiàng)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。 圖 43 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 44 所