【正文】 指示，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其他子程序的有效調(diào)用。開關(guān) 1 到 6可選擇模擬量輸入范圍和分辨率。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 表 CPU 中模擬量輸入字中 12 位數(shù)據(jù)值的存放位置 MSB LSB 15 14 3 2 1 0 0 數(shù)據(jù)值 12 位 0 0 0 單極數(shù)據(jù) MSB LSB 15 4 3 2 1 0 數(shù)據(jù)值 12 位 0 0 0 0 雙極數(shù)據(jù) 模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器（ ADC）的 12 位讀數(shù)，其數(shù)據(jù)格式是左端對(duì)齊的。 CUP 用 220V AC 電源，24V DC 輸入，繼電器輸出，其功率為 9W，訂貨號(hào)為 6ES7 2141BD210XB0。從 CPU 模塊功能來(lái)看，CUP 模塊為 CUP22X，它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置 CPU單元： ○ 1 CPU221 它有 6 輸入 /4 輸出， I/O 共計(jì) 10 點(diǎn)。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。 PLC通過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊 EM235輸出 4－ 20mA的電流信號(hào)作為晶閘管的控制信號(hào)。由于內(nèi)膽與夾套的進(jìn)水口、出水口相互獨(dú)立，所以進(jìn)入鍋爐的水流大小由不同的水閥控制。 調(diào)壓裝置受到 PLC 模擬量擴(kuò)展模塊輸出的 4－ 20mA 電流信號(hào)控制，來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)壓裝置的輸出電壓，對(duì)電阻絲進(jìn)行控制，來(lái)升高或者維持內(nèi)膽溫度。本章概略地描述了硬件 、軟件和上位機(jī)如何設(shè)計(jì)；針對(duì)不確定系統(tǒng)參數(shù)或模型時(shí)，使用 PID 控制算法最簡(jiǎn)單有效，并說(shuō)明了在 PLC 中 PID 計(jì)算的思想。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控 制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 其硬件部分組成及其關(guān)系如圖 所示： 圖 硬件連接圖 基本工作原理：加熱爐是控制對(duì)象（本設(shè)計(jì)采用自來(lái)水作為控制對(duì)象）的容器，通過(guò)溫度變送器檢測(cè)內(nèi)膽水溫和夾套溫度，各自產(chǎn)生 1－ 5V 電壓信號(hào)，傳送給 S7－ 200 PLC 的模擬量擴(kuò)展模塊 EM235，由 PLC 主控系統(tǒng)部分進(jìn)行運(yùn)算和處理，之后再將由模擬量擴(kuò)展模塊 EM235 產(chǎn)生 4－ 20mA 的控制信號(hào)傳送給調(diào)壓啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 裝置，調(diào)壓裝置根據(jù)不同的控制信號(hào)輸出不同的電壓 來(lái)控制加熱爐內(nèi)的電阻絲來(lái)對(duì)水進(jìn)行加熱，由此水溫升高或降低會(huì)影響溫度變送器，從而產(chǎn)生了一個(gè)閉環(huán)回路控制，因此達(dá)到平衡控制水溫的目的。我國(guó)與他們相比，雖然在各行各業(yè)都有廣泛使用溫度控制系統(tǒng)，但是在生產(chǎn)制造、科學(xué)研究等方面，我國(guó)與日本，美國(guó)等國(guó)有很大差距。一次擾動(dòng)作用在主被控過(guò)程上，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外必然的發(fā)展趨勢(shì)。在這一方面，日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)的技術(shù)領(lǐng)先，已經(jīng)產(chǎn)生了一批商品化的、性能高的溫度控制器及儀器儀表，并且被各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。由于 PLC 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控具有很高的可靠性，且編程簡(jiǎn)單、靈活，因此越來(lái)越受到人們重視， PLC 也被廣泛地應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)。 本文介紹了基于 西門子公司 S7－ 200 系列 PLC 的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 ， 詳細(xì)分析了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì) 。利用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)上位機(jī)界面， 實(shí)現(xiàn) 控制系統(tǒng) 的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù) 的實(shí)時(shí) 采 樣 與處理 ，并 可以實(shí)現(xiàn)友好的用戶界面 ， 是一種具有 一定 應(yīng)用價(jià)值的實(shí)時(shí)溫度控制系統(tǒng) 。對(duì)于工業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)，從分析對(duì)象要求，形成設(shè)計(jì)思想，選用設(shè)備，編寫并優(yōu)化程序，在本論文中都會(huì)得到詳細(xì)和完整地論述。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟。于是，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)加熱電阻絲兩端的電壓，加熱控制內(nèi)膽水溫，進(jìn)而控制夾套水溫。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。 通過(guò)運(yùn)用串級(jí)系統(tǒng)的思想與 PLC 技術(shù)，以及對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，使得加熱爐溫度控制系統(tǒng)達(dá)成預(yù)定目標(biāo)，即主、副控制器采用 PID控制算法，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，手動(dòng)整定 PID 參數(shù)，控制調(diào)壓裝置及加熱電阻絲兩端電壓，使夾套溫度能夠穩(wěn)定在設(shè)定溫度值的附近，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和停止，運(yùn)行指示燈實(shí)時(shí)監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前內(nèi)膽溫度值與夾套溫度值。 三、軟件設(shè)計(jì)方案 軟件基本結(jié)構(gòu)由主 /副 PID 控制器控制對(duì)象溫度。 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。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。 圖 帶 PID 控制器的閉控制系統(tǒng) 如圖 所示， PID 控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 二、各組成部分的任務(wù) 按鈕和指示燈 運(yùn)行指示燈顯示運(yùn)行狀態(tài)。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第二節(jié) AE2020 型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 一、電加熱鍋爐 由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼鍋爐冷卻夾套組成，內(nèi)膽與夾套沒有水的交換 ，可以利用它進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。常用的 PT 電阻接法有三線制和兩線制 [11]，由于將 PT100 的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，所以三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是使得導(dǎo)線電阻值的變化而產(chǎn)生的測(cè)量誤差得以 消除。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。 可編程邏輯控制器選型 S7－ 200 系列 PLC[13]是由德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程邏輯控制器，它能滿足多種自動(dòng)化控制的需求，其設(shè)計(jì)緊湊，價(jià)格低廉，并且具有良好的可擴(kuò)展性以及強(qiáng)大的指令功能，可代替繼電器在簡(jiǎn)單的控 制場(chǎng)合，也可以用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 ○ 3 CUP224 它有 14 輸入 /10 輸出， I/O 共計(jì) 24 點(diǎn)，和前兩者相比，存儲(chǔ)容量擴(kuò)大了一倍，它可以有 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高 速計(jì)數(shù)的處理能力，是使用得最多 S7200 產(chǎn)品。 EM231 有 4 路模擬量輸入， EM232 有 2 路模擬量輸出， EM235有 4 路模擬量輸入和 2 路模擬量輸出。對(duì)雙極性格式，4 個(gè)連續(xù)的 0 使得 ADC 計(jì)數(shù)數(shù)值每變化 1 個(gè)單位，則數(shù)據(jù)字的變化是以 16 為單位變化的。 輸出設(shè)置：本設(shè)計(jì)中輸出為 4－ 20mA 的電流信號(hào)，而 EM235 可以輸出 10V － +10V的電壓信號(hào)和 0－ 20mA 的電流信號(hào)，所以我們選擇電流信號(hào)的輸出接線方法。 第二節(jié) 主程序 主程序主要任務(wù)：完成系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止的手動(dòng)控制和系統(tǒng)運(yùn)行的指示，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其他子程序的有效調(diào)用的任務(wù)。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 溫度與數(shù)字量關(guān)系 用公式表示，可以表示為 (N24)/(P3840)=(10024)/(295683840) ，即N=(76P+325632)/25728，得知這個(gè)公式則可進(jìn)行程序編輯。 以主控制器 PID1 為例說(shuō)明 PID 向?qū)Ь幊滩襟E： 定義需要配置的 PID 回路號(hào) 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 選擇 PID 回路號(hào) S7－ 200 CPU最多可以支持 8 個(gè) PID 控制回路，且不能將兩個(gè)不同 PID 指令設(shè)定為同一回路號(hào)。如果不想要微分作用，可以把微分時(shí)間設(shè)為 0。模 擬量輸出用來(lái)控制一些需要模擬量給定的設(shè)備，如比例閥、變頻器等；數(shù)字量輸出實(shí)際上是控制輸出點(diǎn)的通、斷狀態(tài)按照一定的占空比變化，可以控制固態(tài)繼電器（加熱棒等）。 指定 PID 運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 分配運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) PID 指令（功能塊）使用了一個(gè) 120 個(gè)字節(jié)的 V區(qū)參數(shù)表來(lái)進(jìn)行控制回路的運(yùn)算工作；除此之外， PID 向?qū)傻妮斎?/輸出量的標(biāo)準(zhǔn)化程序也需要運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。 B、指定 PID 中斷子程序的名字 C、此處可以選擇添 加 PID 手動(dòng)控制模式。 Output 位是回路輸出值地址。分別對(duì)各個(gè)程序段做了詳述并指導(dǎo)如何設(shè)計(jì)。完成后的畫面如圖 ： 圖 組態(tài)王中的顯示控制畫面 定義數(shù)據(jù)變量 在組態(tài)王運(yùn)行時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫的形式反映在屏幕上，同時(shí)工程人員在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，所有這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)詞典（數(shù)據(jù)庫(kù)）是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。圖 是夾套當(dāng)前溫度為 57 度時(shí)的主界面，其中設(shè)定溫度為 60 度。組態(tài)王操作方便，有利于我們直觀地觀看溫度變化曲線和控制溫度。 第三節(jié) 本章小結(jié) 觀察實(shí)驗(yàn)使用 的組態(tài)王軟件，得到的結(jié)果說(shuō)明組態(tài)王能與 PLC 通信，并且能夠?qū)?PLC 進(jìn)行控制。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 第六章 系統(tǒng)運(yùn)行及結(jié)果分析 第一節(jié) 系統(tǒng)運(yùn)行 完成了 PLC 程序設(shè)計(jì)和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)之后，進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試階段。選擇本設(shè)計(jì)中使用的串口 COM4，點(diǎn)擊下一步。副控制器 PID0的參數(shù)如下：給定值 SP 范圍為 24－ 100；比例增益為 ；積分時(shí)間為 分鐘（意味著不需要積分環(huán)節(jié)作用）；采樣時(shí)間為 秒；微分時(shí)間為 0 分鐘；輸入過(guò)程變量 PV 選擇單極性，輸入范圍為 3840－ 29568；輸出選擇模擬量，輸出范圍勾選使用 20%偏移量（即 6400－ 32020），以此對(duì)應(yīng)調(diào)壓裝置控制信號(hào)的4－ 20mA。 生成 PID 子程序、中斷程序及符號(hào)表等 一旦點(diǎn)擊完成按鈕，將在你的項(xiàng)目中生成上述 PID 子程序、中斷程序及符號(hào)表等。向?qū)⒆詣?dòng)為該參數(shù)表分配符號(hào)名，用戶不要再自己為這些參數(shù)分配符號(hào)名，否則將導(dǎo)致 PID 控制不執(zhí)行。如果使用偏移量，那么輸出變量的范圍將會(huì)是 6400－ 32020，且不能做修改。 設(shè)定回路輸入輸出值 圖 設(shè)定 PID 輸入輸出參數(shù) 上圖 中字母圈的 說(shuō)明： A、指定輸入類型：由于本設(shè)計(jì)的輸入是從模擬量擴(kuò)展模塊傳送過(guò)來(lái)的，而模塊的輸入是 1－ 5V 電壓信號(hào)，不存在負(fù)極性，所以不用選擇雙極性，只需選擇單極性就可以，并且不需要使用 20%偏移量。 B、比例增益：即比例系數(shù)，本設(shè)計(jì)中設(shè)為 4。 在 Micro/WIN 中的命令菜單中選擇工具 → 指令向 導(dǎo)，然后在指令向?qū)Т翱谥羞x擇 PID 指令。 第三節(jié) 標(biāo)度變換子程序 由于溫度變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為 1－ 5V 的電壓信號(hào)，并傳送給模擬量擴(kuò)展模塊輸入口，模擬量擴(kuò)展模塊將模擬量 1－ 5V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換 為 6400－ 32020的數(shù)字量信號(hào)傳送給 CPU。溫度變送器負(fù)責(zé)檢測(cè)加熱爐中夾套和內(nèi)膽的溫度，把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成 1－ 5V的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò) PLC 模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行標(biāo)度變換，變成實(shí)際的溫度值，然后進(jìn)行 PID 雙閉環(huán)串級(jí)控制運(yùn)算，根據(jù) PID 輸出值來(lái)控制 三相晶閘管移相調(diào)壓裝置 的輸出電壓來(lái)控制爐內(nèi)加熱器，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫控制調(diào)節(jié)的目的。 EM235 配置：表 所示為如何用 DIP 開關(guān)設(shè)置 EM 235 模塊。 表 EM235 輸入 /輸出特性 模擬量輸入特性 模擬量輸入點(diǎn)數(shù) 4 輸入范圍 電壓 （ 單極 性 ） 電壓 （ 雙極性 ） 電流 0－ 10V， 0－ 5V等 ? 10V， ? 5V， ? 0－ 20mA 數(shù)據(jù)字格式 雙 極性，全量程范圍 單 極性，全量程范圍 32020－ +320200 0－ 32020 模擬量輸出特性 模擬量輸出點(diǎn)數(shù) 1 信號(hào)范圍 電 壓輸出 電注輸出 ? 10V 0－ 20mA 數(shù)據(jù)字格式 電壓 電流 32020－ +32020 0－ 32020 EM235 輸入數(shù)據(jù)字格式如表 所示。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 在本設(shè)計(jì)中有數(shù)字量 2 輸入 /1 輸出，并需要一個(gè)模擬量擴(kuò)展，而 CUP224 本機(jī)數(shù)字 量 14 輸入 /10 輸出，可完成設(shè)計(jì)所需的技術(shù)要求，并且學(xué)校提供一個(gè)CPU224 模塊，所以本設(shè)計(jì)選用 CUP224 AC/DC/RLY。 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)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。更重要的是使同一設(shè)備 經(jīng)過(guò)改變程序從而改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。而晶閘管的導(dǎo)通條件是承受正向電壓，且僅在門極有觸發(fā)電流時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，主回路就會(huì)導(dǎo)通，在主回路中的負(fù)載就會(huì)工作 [12]。夾套有另一套進(jìn)水口和出水口，可以將冷水從進(jìn)水口注入，在夾套內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，吸收熱傳遞的熱量，以此提升水溫，最終由出水口流出，獲得期望溫度的熱水。 調(diào)壓裝置和