【正文】 點擊 “停止 ”按鈕，系統(tǒng)運行結(jié)束，同時開關(guān)變紅色。 雙擊工程管理器中的工程名，出現(xiàn)工程瀏覽器。此外，新一代工業(yè)人機界面還具有簡單的編程、對輸入的數(shù)據(jù)進行處理、數(shù)據(jù)登 錄及配方等智能化控制功能 [19]。還有， PID 環(huán)路的設(shè)定點設(shè)置為 ，便于歸一化處理。 PID 指令向?qū)У倪\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。 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值為 （如圖 所示）。梯形圖程序設(shè)計語言是最常用的一種程序設(shè)計語言。 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 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。 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的當前位置。它是西門子 S7200 用戶不可缺少的開發(fā)工具。 （ 4）步進順控法 步進順控法是在順控指令的配合下設(shè)計復(fù)雜的控制程序。 （ 1）梯形圖法 梯形圖法是用梯形圖語言去編制 PLC 程序。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。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)。 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)定溫度值進行比較，得到偏差，此偏差送入 PLC 控制器按 PID 算法進行修正，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。 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 點分配 及電氣接線圖 1) 溫度控制系統(tǒng)中 I/O 點分配表如表 所示。 系統(tǒng)中 需要用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，且 烤箱 的溫度最高達幾百度 ,所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。 20K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間 ， 6個獨立的高速計數(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。 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、電氣元件明細表、 PLC 程序以及使用說明書等 [10]。 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。程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)容： (1)初始化程序。在進行 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。系統(tǒng) 的工作方式及人機界面，需要顯示的物理量及顯示方式等。 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。 (4)發(fā)展性原則。 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。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。 人機界面基礎(chǔ) 隨著社會的進步，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。編程設(shè)備在 PLC 的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試、監(jiān)控運行和檢查維護中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場的控制。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，早期一般采用隨機讀寫存儲器（ RAM），需 要后備電池在掉電后保存程序。 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架槽數(shù)限制。 （ 1）接收從編程器或者計算機輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲器 存 儲。 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。 第 四 章， 在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，詳細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。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，人機界面的設(shè)計等。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。借助計算機軟件技術(shù)，溫控器具有對控制參數(shù)及特性進行自動整定的功能。 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。 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，讓過程變得更加準確、簡潔和快速。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了 PLC 和計算 機各自的特點 ， 得到了廣泛的應(yīng)用。 利用組態(tài)軟件 組態(tài)王 設(shè)計人機界面， 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。 人機界面 可以 對 控制系統(tǒng)進行 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 。 近年來，國內(nèi)外對溫度控制器的研究進行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計算機技術(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)。 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，人機界面（ HMI）的 出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。 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)。 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。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)品主要以“點位 ”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。其性能優(yōu)越，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)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。 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)展狀況 進行了闡述，指出了本文沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 的研究意義所在。 1968 年，美國通用汽車公司（ GM）為了適應(yīng)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(yīng)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(yīng)具備的十大條件，立即引發(fā)了開發(fā)熱潮。PLC 的基本結(jié)構(gòu)如圖 21 所示： 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 圖 21 PLC 基本結(jié)構(gòu)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(guān)電路構(gòu)成。 （ 6）按程序進行處理，根據(jù)運算結(jié)果，更新有關(guān)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。 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(yīng)性就越強。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 可編程控制器的分類及特點 根據(jù) PLC 的結(jié)構(gòu)形式，可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類。 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）。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。確保計算機控制系統(tǒng)的可靠性。 (2) 工藝復(fù)雜程度 當工藝要求較復(fù)雜時 ,采用 PLC 控制具有更大的優(yōu)越性 。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(wù) PLC機型的選擇 硬件連線 程序設(shè)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(shè)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 序、動作條件、必要的互鎖與保護 。 (2) 選擇 PLC。 (5)計數(shù)器、定時器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。 (3)保護和連鎖程序。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。 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。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢和電阻的方法最為普遍。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(guān)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。 圖 電氣接線圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 圖 系統(tǒng)框架圖 PLC 控制器的設(shè)計 控制器的設(shè)計是基于模型控制設(shè)計過程中最重要的一步。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(xué)學(xué)士學(xué)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(yīng)，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。 理論計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，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)。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 表 33 階躍曲線法確定 PID 參數(shù) 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 4 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 PLC 程序 設(shè)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。邏輯流程圖會使整個程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點及調(diào)試和維修程序。 計算機輔助設(shè)計編程 計算機輔助設(shè)計是通過 PLC 編程軟件（比如 STEP7Micro/WIN） 在計算機上進行程序設(shè)計、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。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。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。這種程序設(shè)計語言采用因果關(guān)系 來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。 （ 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）。執(zhí)行 PID 指令前必須把它們轉(zhuǎn)換成標準的浮點型實 數(shù) 。 首先打開 “ 指令向?qū)?” ，選擇 “ PID” ，如圖 所示。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。 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。完整的主界面如圖 所示。點擊 “F1”按鈕，就會回到主界面。 下面介紹每個畫面的設(shè)計方法。在本溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中，選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設(shè)計。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 35 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文