【正文】 ；M 為偏置，單極性為，雙極性為 ；S 為值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32022，雙極性為 64000[17]。 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(hù)方便地生成一個(gè)閉環(huán)控制過(guò)程的 PID 算法。其中，增益 Kc=120,積分時(shí)間為 3 分鐘，微分時(shí)間為 1 分鐘，抽樣時(shí)間為 10 秒。工業(yè)HMI又稱(chēng)觸摸屏監(jiān)控器，是一種智能化操作控制顯示裝置。我們從北京亞控公司的主頁(yè)上下載了組態(tài)王 演示版，安裝好以后。完整的主界面如圖 53 所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，畫(huà)面上會(huì)記錄某段時(shí)間內(nèi)設(shè)定溫度值和當(dāng)前溫度值的變化曲線。 變量設(shè)置 打開(kāi)工程瀏覽器，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)詞典” ，再點(diǎn)擊“新建”建立“設(shè)定溫度” 、“當(dāng)前溫度” 、 “啟動(dòng)” 、 “停止” 、 “Kc”、 “Ti”、 “Td”、 “采樣時(shí)間”等變量。當(dāng)前溫度在 60 度到 90 之間時(shí)，報(bào)警當(dāng)前溫度偏低。圖 58 當(dāng)前溫度報(bào)警定義設(shè)置圖 59 為變量“當(dāng)前溫度”記錄和安全區(qū)設(shè)置圖，我們?cè)O(shè)置“記錄”為數(shù)據(jù)變化記錄，變化靈敏度設(shè)為 ，若不設(shè)置這個(gè)，往往歷史趨勢(shì)曲線就出不來(lái)或者效果很差。寄存器和數(shù)據(jù)類(lèi)型要與程序中一致，否則組態(tài)王就不能起到監(jiān)控作用了。 報(bào)警窗口打開(kāi)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)頁(yè)面后，點(diǎn)擊工具箱中的“報(bào)警窗口”把報(bào)警窗口放進(jìn)開(kāi)發(fā)頁(yè)面，然后雙擊畫(huà)面，對(duì)報(bào)警窗口進(jìn)行設(shè)置，包括通用屬性、列屬性、操作屬性、條件屬性、顏色和字體屬性的設(shè)置。點(diǎn)擊“設(shè)定畫(huà)面”會(huì)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定畫(huà)面，點(diǎn)擊“報(bào)警窗口”會(huì)進(jìn)入報(bào)警畫(huà)面，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線也是一樣。如圖 51 所示，最下面的一行是我們新建的工程，工程名稱(chēng)為“組態(tài)王” 。HMI的主要功能有：數(shù)據(jù)的輸入與顯示；系統(tǒng)或設(shè)備的操作狀態(tài)方面的實(shí)時(shí)信息顯示；報(bào)警處理及打??；數(shù)據(jù)歸檔和報(bào)表系統(tǒng)。 圖 48 PID 參數(shù)設(shè)置 一般單極性的值域都是 032022，如圖 49 所示。PID 向?qū)Ъ瓤梢陨赡M量輸出 PID 控制算法，也支持開(kāi)關(guān)量輸出；既支持連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，也支持手動(dòng)參與控制 [18]。因 PID 回路的輸出PID0_Output 為 之間的實(shí)數(shù)值，又因我們?cè)O(shè)置了采樣時(shí)間為 10 秒，所以第一個(gè)指令 MUL_R 中 INT2 為 。 控制程序流程圖圖 45 程序流程圖啟動(dòng)綠燈亮，系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)用 PID 模塊PID 輸出轉(zhuǎn)換成占空比定時(shí)器控制加熱時(shí)間溫度當(dāng)前值和設(shè)定值等顯示開(kāi)始 梯形圖程序 啟動(dòng)，綠燈亮停止，紅燈亮上述程序中， 和 分別是啟動(dòng)和停止按鈕， 和 分別是系統(tǒng)運(yùn)行指示燈（綠燈）和系統(tǒng)停止指示燈（紅燈） ， 和 是中間繼電器。　　在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對(duì)繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā)展而來(lái)的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應(yīng)用。梯形圖常被稱(chēng)為電路或程序，梯形圖的設(shè)計(jì)稱(chēng)為編程。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部均按標(biāo)簽顯示。操作主界面如圖 41 所示。2. 經(jīng)驗(yàn)法編程經(jīng)驗(yàn)法是運(yùn)用自己的或者別人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成 PLC 的梯形圖語(yǔ)言。 表 35 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)控制變量規(guī)律的選擇 比例度（%）?積分時(shí)間Ti（分鐘）微分時(shí)間Td（分鐘）溫度對(duì)象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩，應(yīng)小，Ti 要長(zhǎng)，一?般需要微分2060 310 通過(guò)經(jīng)驗(yàn)整定法的整定，PID 控制器整定參數(shù)值為： 比例系數(shù) =120，cK積分時(shí)間 =3 分鐘，微分時(shí)間 =1 分鐘。然后再加入積分( I )作用，一般先取積分時(shí)間 T1 為衰減振蕩周期的一半左右。對(duì)于工程整定法，工程技術(shù)人員無(wú)需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無(wú)需具備理論計(jì)算所需的理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛使用。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。 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(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)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(duì)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(duì)爐子的溫度控制。 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。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。表 31 EM231 技術(shù)指標(biāo)型號(hào) EM231 模擬量輸入模塊總體特性 外形尺寸：80mm62mm 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(lèi)型：0~10V，0~5V，177。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]。 PLC 的選型與硬件配置 PLC 型號(hào)的選擇本溫度控制系統(tǒng)選擇德國(guó)西門(mén)子公司的 S7200 系列的 PLC。程序模擬調(diào)試是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。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。(4) 繪制 PLC 外圍硬件線路圖。 2. 硬件選擇 具體包括如下。所謂硬件設(shè)計(jì)，是指 PLC 外部設(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)。(4)發(fā)展性原則。 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(duì)象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程)的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。(4) 數(shù)據(jù)歸檔HMI 系統(tǒng)可以記錄過(guò)程變量值和報(bào)警信息并歸檔。根據(jù) HMI 的產(chǎn)品等級(jí)不同，處理器可分別選用 8 位、16 位、32 位的處理器。工作時(shí)逐條順序掃描用戶(hù)程序，如果一個(gè)線圈接通或斷開(kāi)，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]。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(zhuān)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。I/O 模塊分為開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。（5）采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。無(wú)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(guò)系統(tǒng)總線連接。 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(kāi)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。第一章，對(duì)溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用的背景及國(guó)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。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。目前,我國(guó)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。3)能適應(yīng)于受控系統(tǒng)過(guò)程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。　　歷史資料趨勢(shì)顯示——把數(shù)據(jù)庫(kù)中的資料作可視化的呈現(xiàn)。此外，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，用戶(hù)對(duì)控制系統(tǒng)的過(guò)程監(jiān)控要求越來(lái)越高，人機(jī)界面（HMI）的出現(xiàn)正好滿足了用戶(hù)這一需求。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)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)。人機(jī)界面可以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，包括過(guò)程監(jiān)測(cè)、報(bào)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(guò)程可視化，在自動(dòng)控制領(lǐng)域的作用日益顯著。利用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)人機(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。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。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(lái)越多的用于監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，讓過(guò)程變得更加準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔和快速。 　 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。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定。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(duì)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。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)。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)。主要功能包括以下幾個(gè)方面。（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(qǐng)求。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。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶(hù)程序，對(duì)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。 還可以按 I/O 點(diǎn)數(shù)分類(lèi)，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(lèi):? 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(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)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]。 人機(jī)界面產(chǎn)品的特點(diǎn)(1) 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程清晰化控制過(guò)程可以動(dòng)態(tài)地顯示在 HMI 設(shè)備上。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]。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程或機(jī)械設(shè)備的控制要求。 (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(lái)衡量。設(shè)計(jì)人員必須深入現(xiàn)場(chǎng)，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(wèn)題。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。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。這些程序相對(duì)獨(dú)立，一般在程序設(shè)計(jì)基本完成時(shí)再添加。 (2)軟件模擬法是在 PLC 中另外編寫(xiě)一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，其簡(jiǎn)單易行，但時(shí)效性不易保證。完整的 S7200 系列 PLC 實(shí)物如圖 32所示。在這里，我們選用了西門(mén)子 EM231 4TC 模擬量輸入模塊。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍。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。PLC 和 HMI 相連接，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。0K0T? （32） 由階躍響應(yīng)法求得， =； = 分鐘； = 分鐘。完成了上述內(nèi)容后，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)確定了。下面介紹下方法步驟。需要時(shí)，最后加入微分（D）作用，即從零開(kāi)始，逐漸加大微分時(shí)間 Td，由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可以把積分時(shí)間也縮短一些。 PLC 程序設(shè)計(jì)方法編寫(xiě) 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(huì)使整個(gè)程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點(diǎn)及調(diào)試和維修程序。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是通過(guò) PLC 編程軟件（比如 STEP7Micro/WIN）在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、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(gè)中編寫(xiě)的程序均可用其它程序編輯器進(jìn)行瀏覽和編輯。這種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用因果關(guān)系來(lái)描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。 （1）在 STEP7Micro/WIN 運(yùn)行時(shí)單擊通訊圖標(biāo)，或從“視圖”菜單中選擇選項(xiàng)“通信”，則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)通信對(duì)話框（如圖 42 所示）。每個(gè) PID 回路都有兩個(gè)輸入變量，給定值 SP 和過(guò)程變量 PV。 上述程序用了兩個(gè) 100ms 的定時(shí)器 T241 和 T242 來(lái)控制加熱時(shí)間，其中 為連接固態(tài)繼電器的輸出端子。首先打開(kāi)“指令向?qū)А?，選擇“PID” ，如圖 46 所示。 語(yǔ)句表（STL）程序 下面是 STL 程序，它可以和梯形圖程序相互轉(zhuǎn)換。HMI 畫(huà)面是用組態(tài)軟件來(lái)做的，常見(jiàn)的組態(tài)軟件有西門(mén)子公司的 Wincc、羅克韋爾公司的 RsView 及國(guó)產(chǎn)的組態(tài)王、力控等。在這里我們制作了監(jiān)控主界面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線、報(bào)警窗口等畫(huà)面。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線會(huì)顯示當(dāng)前溫度值的變化趨勢(shì)和設(shè)定溫度值。此項(xiàng)目中我們?cè)O(shè)置當(dāng)前溫度低于 90 度時(shí)， “報(bào)警類(lèi)型”欄顯示當(dāng)前溫度偏低。下面我們以當(dāng)前溫度設(shè)置為例來(lái)說(shuō)明變量設(shè)置的步驟和方法。這樣，點(diǎn)擊“開(kāi)始”后