【正文】 子、冶金、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。以基于 PLC 的下位機(jī)和完成 HMI 功能的上位機(jī)相結(jié)合 ,構(gòu)建成分布式控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)了溫度自動(dòng)控制。舉個(gè)例子來說，在一座工廠里頭，我們要搜集工廠各個(gè)區(qū)域的溫度、濕度以及工廠中機(jī)器的狀態(tài)等等的 信息透過一臺(tái)主控器監(jiān)視并記錄這些參數(shù)，并在一些意外狀況發(fā)生的時(shí)候能夠加以處理。 溫控系統(tǒng)的現(xiàn)狀 自 70 年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在職能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表 ,并在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用 [2]。 6)溫度控制系統(tǒng)既有控制精度高、 抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。隨著我國加入 WTO，我國政府及企業(yè)對此非常重視，對相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過合資、技術(shù)合作等方式，組建了一批合資、合作及獨(dú)資企業(yè)，使我國溫度儀表等工業(yè)得到迅速的發(fā)展 [4]。 同時(shí)利用亞控公司的 組態(tài)軟件“組態(tài)王”設(shè) 計(jì)一個(gè) 人機(jī)界面 （ HMI） ， 通過串行口與可編程控制器通信， 對 控制系統(tǒng)進(jìn)行 全面監(jiān)控 ，從而使用戶操作更方便。 第六章，展示了系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，然后對其分析得出結(jié)論。目前， PLC 在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè) 。 （ 2）監(jiān)視電源、 PLC 內(nèi)部各個(gè)單元電路的工作狀態(tài)。 I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器 輸 入 接 口 中 央 處 理 單 元CPU 輸 出 接 口 電源 存儲(chǔ)單元 反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲(chǔ)器（ EEPROM） 或閃存 (Flash Memory)，免去了后備電池的麻煩。 PLC 本質(zhì)上就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，其工作原理與普通計(jì)算機(jī)類似，具有計(jì)算 機(jī)的許多特點(diǎn)。 人機(jī)界面（ HMI Human Machine Interface）以其 美觀易懂、操作 人性化等顯著特點(diǎn)，正好滿足這種需求而得到廣泛的應(yīng)用。 (2) 系統(tǒng)操作簡單化 操作員可以通過監(jiān)控界面來控制過程。本章主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度，介紹該項(xiàng)目的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、 PLC 的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及 PLC 控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的整定。確保計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。 (2) 工藝復(fù)雜程度 當(dāng)工藝要求較復(fù)雜時(shí) ,采用 PLC 控制具有更大的優(yōu)越性 . (3) 可靠性要求 目前 ,當(dāng) I/O 點(diǎn)數(shù)在 20 甚至更少時(shí)，就趨向于選擇 PLC 控制了。電氣系統(tǒng)與機(jī)械、液壓、氣動(dòng)及各儀表等系統(tǒng)間的關(guān)系 。 PLC 選擇包括對 PLC 的機(jī)型、容量、 I/O 模塊、電源等的選擇。 3. 編寫應(yīng)用程序 根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì) PLC 程序。保護(hù)和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認(rèn)真加以考慮。 現(xiàn)場調(diào)試。此系統(tǒng) 選用 S7200 CPU226， CPU226 集成了 24 點(diǎn)輸入 /16 點(diǎn)輸出，共有 40 個(gè)數(shù)字量 I/O。80mV范圍 )，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。 表 32 EM231選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表 單極性 滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 ON OFF ON 0到 10V ON OFF 0到 5V 0到 20mA 5uA 雙極性 滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 OFF OFF ON 177。 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。 圖 34 系統(tǒng)框架圖 PLC 控制器的設(shè)計(jì) 控制器的設(shè)計(jì)是基于模型控制設(shè)計(jì)過程中最重要的一步。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。但是理想微分控制器的控制結(jié)果也不能消除余差，而且控制效果要比純比例控制器更差。這類方法計(jì)算繁雜，工作量又大，而且由于用解析法或?qū)嶒?yàn)測定法求得的對象數(shù)學(xué)模型都只能近似的反映過程的動(dòng)態(tài)特性，整定結(jié)果的精度是不高的，因而未在工程上受到 廣泛推廣。整定途徑有以下兩條： 1）先用單純的比例（ P）作用，即尋找合適的比例度 ? ，將人為加入干擾后的過渡過程調(diào)整為 4： 1 的衰減振蕩過程。這時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整 Ti 和 Td，再重復(fù)湊試，使曲 線最終符合控制要求 [13]。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法，其圖形甚至元件名稱都有繼電器電路十分相似。一般比較復(fù)雜的程序都可以分成若干個(gè)功能比較簡單的程序段，一個(gè)程序可以看成整個(gè)控制過 程的一步。現(xiàn)在加上中文程序后，可在全中文的界面下進(jìn)行操作，用戶使用起來更加方便。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時(shí)局部變量的符號(hào)名。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。 圖 44 通信參數(shù)設(shè)置 程序設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路 PLC 運(yùn)行時(shí)，通過特殊繼電器 產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行初始化 ，將溫度設(shè)定值 ， PID 參數(shù)值 等，存入有關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器，使定時(shí)器復(fù)位 ； 按啟動(dòng)按鈕 ，系統(tǒng) 開始溫度采樣，采樣周期為 10 秒； K 型熱電偶 傳感器把所測量的溫度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)換（ 041 毫伏 ） ； 模擬量輸入通道 AIW0 通過讀入 041 毫伏 的模擬電 壓量送入 PLC； 經(jīng)過程序計(jì)算后得出實(shí)際測量的溫度 T,將 T 和溫度設(shè)定值比較，根據(jù)偏差計(jì)算調(diào)整量，發(fā)出調(diào)節(jié)命令。如圖 43所示。在梯級(jí)中，描述事件發(fā)生的條 件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在后面。下面詳細(xì)介紹梯形圖的特點(diǎn)。指令樹將顯示用于創(chuàng)建控制程序的所有項(xiàng)目對象和指令。 編程軟 件 STEP7Micro/WIN 概述 STEP7Micro/WIN 編程軟件是基于 Windows 的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為 s7200 系列可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。這種方法很適合以時(shí)間為基準(zhǔn)的控制系統(tǒng)的編程方法。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時(shí)序流程圖法和步進(jìn)順控法。 2） 先根據(jù)表選取積分時(shí)間 Ti 和 Td，通常取 Td=(1/31/4)Ti，然后對比例度 ? 進(jìn)行反復(fù)湊試，直至得到滿意的結(jié)果。它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行，通過觀察人為加入干擾（改變設(shè)定 值）后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應(yīng)的控制參數(shù)值，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止?？刂破鲄?shù)整定方法很多，歸納起來可分為兩大類， 即理論計(jì)算整定法和工程整定法。積分控制可以消除余差，但是工業(yè)上很少單獨(dú)使用積分控制的，因?yàn)榕c比例控制相比，除非積分速度無窮大，否則積分控制就不可能想比例控制那樣及時(shí)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(jìn)行及時(shí)且有效的控制。 （ 31） 式 31 中， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 PLC 和 HMI 相連接，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸 入范圍。在這里，我們選用了西門子 EM231 4TC 模 擬量輸入模塊。完整的 S7200 系 列 PLC 實(shí)物如圖 32 所示。 (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(hào)，其簡單易行，但時(shí)效性不易保證。這些程序相對獨(dú)立，一般在程序設(shè)計(jì)基本完成時(shí)再添加。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。輸出設(shè)備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈及其它執(zhí)行器等。設(shè)計(jì)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(jì)中出現(xiàn)的問題。 (1) 控制規(guī)模 一個(gè)控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的 I/O 設(shè)備總數(shù)來衡量。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機(jī)械設(shè)備的控制要求。例如，您可以在生產(chǎn)某一輪班結(jié)束時(shí)打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù) [8]。 人機(jī)界面產(chǎn)品的 特點(diǎn) (1) 系統(tǒng)運(yùn)行過程清晰化 控制過程可以動(dòng)態(tài)地顯示在 HMI 設(shè)備上。 還可以 按 I/O 點(diǎn)數(shù)分類 ， 根據(jù) PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)的多少，可將 PLC 分為小型、中型、大型和 超大 型 四類 : ? I／ O點(diǎn)數(shù)在 256 以下為小型 PLC； ? I／ O點(diǎn)數(shù)在 256～ 1024 為中型 PLC； ? I／ O點(diǎn)數(shù)大于 1024 為大型 PLC； ? I／ O點(diǎn)數(shù)在 4000 以上為超大型 PLC 可編程控制器有可靠性高、編程簡單易學(xué)、功能強(qiáng)、安裝簡單、維修方便、采用模塊化結(jié)構(gòu)、接口模塊豐富、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試周期短等特點(diǎn) [7]。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶程序，對系統(tǒng)作些設(shè)定，監(jiān)控 PLC 及 PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲(chǔ)器（ ROM） ，具有掉電不丟失信息的特性。 （ 8）響應(yīng)中斷和各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機(jī)等）的任務(wù)處理請求。 主要功能包括以下幾個(gè)方面。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來 。 第四章， 在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了本項(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)。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(jì)、程序設(shè)計(jì)，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(jì)等?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及我國現(xiàn)場調(diào)試來確定。借助計(jì)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(dòng)整定的功能。 警報(bào)的產(chǎn)生與記錄 —— 使用者可以 定義一些警報(bào)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?yàn)檫@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。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了 PLC 和計(jì)算機(jī)各自的特點(diǎn) ,得到了廣泛的應(yīng)用。 實(shí)驗(yàn)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。 在工業(yè)領(lǐng)域，隨著自動(dòng)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。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對控制調(diào)節(jié)器要求極高。 PLC 不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴(kuò)展輸入輸出模塊，特別是可以擴(kuò)展一些智能控制模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體，實(shí)現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制。這便是一個(gè)很典型的 SCADA/HMI 的運(yùn)用，一般而言， HMI 系統(tǒng)必須有幾項(xiàng)基本的能力： 實(shí)時(shí)的資料趨勢顯示 —— 把擷取的資料立即顯示在屏幕上。它們主要具有如下特點(diǎn) :1)適應(yīng)于大慣性、大滯 后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。目前 ,國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能話、小型化等方面快速發(fā)展 [3]。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對 溫度控制系統(tǒng) 的要求愈來愈高， 因此，高精度、智能化、人 性化的溫度控制系統(tǒng)是國內(nèi)外必然發(fā)展趨勢?？傮w上包括的技術(shù)路線：硬件設(shè)計(jì)，軟件編程，參數(shù)整定等。 第七章，總結(jié)全文。 PLC 的應(yīng)用范圍通?？煞譃殚_關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等 [5]。 （ 3）診斷編程過程中的語法錯(cuò)誤，對用戶程序進(jìn)行編譯。 PLC 的對外功能主要是通過各種 I/O 接口模塊于外界聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)的。 4） 電源模塊 PLC 中的電源，是為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。但其工作方式卻與計(jì)算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。 人機(jī) 界面的定義 人機(jī)界面是指 連接可編程控制器（ PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互的數(shù)字設(shè)備 ,由硬件和軟件兩部分組成 ?？蓮谋O(jiān)控界面上啟動(dòng)和停止系統(tǒng)、設(shè)定溫度上下限、設(shè)置 PID 參數(shù)等。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 弄懂 PLC的基本工作原理和指 令系統(tǒng)后 ,就可以把 PLC應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中。 (3)經(jīng)濟(jì)型原則。 (4) 數(shù)據(jù)處理速度 若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時(shí)，采用 PLC 控制將非常適宜 [9]。PLC 與其他設(shè)備的關(guān)系， PLC 之間是否通信聯(lián)網(wǎng) 。 (3) PLC 的 I/O 端口分配。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實(shí)現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。當(dāng)控制臺(tái)及現(xiàn)場施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線