【正文】 主要控制特性 控制信號(hào) 模擬給定、內(nèi)部數(shù)字給定、通訊給定任意選擇 輸入輸出 5 路模擬量輸入（可編程）， 4 路開關(guān)量輸入（可編程） 4 路模擬量輸出（可編程）， 3 路開關(guān)量輸出（可編程） 保護(hù) 過流保護(hù) 輸出電流≥ 2 倍額定值時(shí)保護(hù)時(shí)保護(hù) 頻率故障 電源頻率超出范圍時(shí)保護(hù)（ 45～ 65Hz） SCR 過熱保護(hù) SCR 溫度＞ 75℃時(shí)保護(hù) 缺相保護(hù) 主回路輸入電源缺相時(shí)保護(hù) 負(fù)載斷線 負(fù)載斷線或部分?jǐn)嗑€時(shí)保護(hù) 調(diào)節(jié)精度 電流、電壓、功率控制優(yōu)于 1% 12 硬件連接 正常停止24V CD1M 0 . 0 1L 0 . 0 0 . 1CPU 224XPS1S2EM 235變送器傳感器加熱管調(diào)整器220V 圖 硬件連接圖 電 流 變 送 器電 壓 變 送 器未 使 用 輸 入 端電壓負(fù)載電流負(fù)載 圖 EM235 模擬量輸出模塊的端子接線圖 13 地址分配表 表 I/O 地址分配如表 啟動(dòng)按鈕 停止按鈕 啟動(dòng)指示燈 停止指示燈 14 第三章 軟件設(shè)計(jì) PID 控制程序設(shè)計(jì) PID 控制內(nèi)容 PID 控制是比例積分微分控制的簡(jiǎn)稱。調(diào)功器主要利用 了晶閘管的無觸點(diǎn)開關(guān)特性，能夠迅速的將器件從關(guān)閉或阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟或?qū)顟B(tài)，通過開端狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)間的改變來調(diào)節(jié)負(fù)載上的電壓波形；同時(shí)由于晶閘管具有較寬的電流電壓控制能力，晶閘管的應(yīng)用也逐漸普及起來，常用于高電壓和大電流的控制，通常情況下以封裝好的整體單元來進(jìn)行使用 。為防止熱電偶測(cè)量中由于電偶斷絲而 使控溫失效造成事故，變送器中還設(shè)有斷電保護(hù)電路。在接觸式測(cè)溫方式中，熱電偶溫度計(jì)應(yīng)用最為普遍。適用于西門子 S7— 200 系列 PLC，支持 PPI協(xié)議和自由口通信協(xié)議，并可使用 MODEM（調(diào)制解調(diào)器）通過電話線遠(yuǎn)程通信。 7 （ 2） 擴(kuò)展模塊 EM235 為滿足工業(yè)控制要求， S7— 200PLC 配有模擬量輸入輸 出模塊 EM235，它具有4 個(gè)模塊量輸入通道， 1 個(gè)模擬量輸出通道。其中， 組態(tài)王軟件是國(guó)內(nèi)開發(fā)較早的軟件，界面操作靈活方便，有較強(qiáng)的通信功能，對(duì)比使用便捷性和功能性，本設(shè)計(jì)采用組態(tài)王軟件。 上位機(jī) 上位機(jī)是可以直接發(fā)出操控指令的計(jì)算機(jī)，一般為 PC機(jī)；與上位機(jī)對(duì)應(yīng)的下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)，一般為 PLC/單片機(jī)等。它采用可編程的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、 定式、技術(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械動(dòng)作過程。對(duì)此，本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作： （ 1） 較為簡(jiǎn)單明了的闡明了鍋爐控制的主要機(jī)理，并就整個(gè)溫度控制過程給出了較為清晰明了的說明； （ 2） 介紹了西門子 S7— 200 系列 PLC 的主要內(nèi)容，并根據(jù)實(shí)際需要對(duì)型號(hào)和使用器件進(jìn)行了對(duì)比選擇； （ 3） 介紹了 PID 控制算法的相關(guān)內(nèi)容以及 PLC 自帶 PID 模塊的使用，并就系統(tǒng)自調(diào)整的步驟給出了相關(guān)介紹； （ 4） 根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行 PLC 控制程序的編制； （ 5） 上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)，采用應(yīng)用范圍較大的組態(tài)王軟件對(duì)整個(gè)溫度控制過程進(jìn)行監(jiān)控。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)與控制方法的不斷革新和發(fā)展，對(duì)實(shí)時(shí)溫度控制的精度以及 反應(yīng)快速性的要求越來越高。隨著現(xiàn)代 傳感技術(shù)與控制方法的不斷革新和發(fā)展，對(duì)實(shí)時(shí)溫度控制的精度以及反應(yīng)快速性的要求越來越高。在硬件上主要采用西門子 S7200系列CPU224XP， K型熱電偶傳感器及 K型熱電偶變送器、柱式電壓調(diào)壓器以及 EM235模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊。就發(fā)展情況和使用現(xiàn)狀而言， PLC 與集散控制系統(tǒng)的發(fā)展越來越接近，多數(shù)情況下已經(jīng) 可以實(shí)現(xiàn)功能的互相替代；而工業(yè)微機(jī)在要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)中占有優(yōu)勢(shì)，但是最致命的弱點(diǎn)是尚不能適應(yīng)復(fù)雜多變的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境且對(duì)操作人員要求比較高。 傳感檢測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它與信息系統(tǒng)的輸入端相連接，并將檢測(cè)到的信號(hào)輸送到信息處理部分，是機(jī)電一體化系統(tǒng)的感受器官。 PLC 在運(yùn)行狀態(tài)執(zhí)行用戶指令分為 3 個(gè)時(shí)間段，第一段是輸入信號(hào)采集階段，以掃描方式順序讀入外面信號(hào)的輸入狀態(tài)并將該狀態(tài)輸入到輸入映像存儲(chǔ)器中；第二階段是用戶指令執(zhí)行階段，按照梯形圖的順序先左后右、從上 到下的對(duì)指令進(jìn)行讀取和解釋，并從輸入映像存儲(chǔ)器和輸出映像存儲(chǔ)器中讀取輸入和輸出的狀態(tài)，結(jié)合原來的各軟元件的數(shù)據(jù)及狀態(tài)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果存入響應(yīng)的寄存器，然后執(zhí)行下一條指令直至END；第三階段是結(jié)果輸出階段，輸出映像存儲(chǔ)器的狀態(tài)將成批輸出到輸出鎖存寄存器中，輸出鎖存寄存器一一對(duì)應(yīng)著物理點(diǎn)輸出口，這才是 PLC 的實(shí)際輸出。組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述問題提供了一個(gè)嶄新的方法，因?yàn)樗軌蚝芎玫慕鉀Q傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程。 SIMATIC S7— 200PLC 系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元（ CPU 模塊）、擴(kuò)展單元（接口模塊）、編程器、通信電纜、存儲(chǔ)卡、寫 入器、文本顯示器等。 下表描述了如何用設(shè)定開關(guān) DIP 設(shè)置 EM235 模塊，開關(guān) 1 到開關(guān) 6 可選擇模擬量輸入范圍和分辨率，所有輸入設(shè)置成相同的模 擬量輸入范圍和格式。 PC/PPI 電纜的波特率為 0— 。本設(shè)計(jì)選擇 K 型熱電偶（ 鎳鉻－鎳硅 ），其長(zhǎng)期使用溫度為 270— 1000℃，短期使用溫度可達(dá)到 1300℃，在工業(yè)中應(yīng)用最多，適應(yīng)氧化性環(huán)境、線性度好。 電力調(diào)整器 本設(shè)計(jì)采用的鍋爐為電阻爐，電阻爐是基于電阻發(fā)熱原理的加熱設(shè)備。目前主流電力調(diào)整器都是調(diào)壓與調(diào)功一體化的，調(diào)壓采用移相控制方式，有定周期調(diào)功和變周期調(diào)功兩種方式。 ?魯棒性強(qiáng)：控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特征的變化不太敏感。假設(shè)采樣周期是 T，初始時(shí)間為零，利用矩形積分代替精度連續(xù)積分，利用差分代替精度連續(xù)微分，可以把 上式簡(jiǎn)化成： ? ?0dipn0iipunununu }1neneTTdien{enu??????? ??）（）（）（）（）（）（）（）（ TTK式（ ） 式中， )()( neKnu pp ? 稱為比例項(xiàng) ???niipi ieTTKnu0 )()( 稱為積分項(xiàng) )]1()([)( ??? neneTTKnu dpd 稱為微分項(xiàng) PID 輸入輸出值轉(zhuǎn)換 （ 1）在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)定值和檢測(cè)值均為實(shí)際數(shù)值，其大小、范圍和工程單位可能不同。 表 基本 PID環(huán)路表 字節(jié)偏移量 代表意義 數(shù)據(jù)類型 IN/OUT 說明 0 檢測(cè)值 小數(shù) IN 范圍： 4 設(shè)定值 小數(shù) IN 范圍： 8 輸出值 小數(shù) IN/OUT 范圍： 12 增益 小數(shù) IN 比例常數(shù)，可正可負(fù) 16 采樣時(shí)間 小數(shù) IN 單位為“秒”，正數(shù) 20 積分時(shí)間 小數(shù) IN 單位為“分鐘”，正數(shù) 24 微分時(shí)間 小數(shù) IN 單位為“分鐘”，正數(shù) 28 積分前項(xiàng) 小數(shù) IN/OUT 范圍： 32 檢測(cè)前項(xiàng) 小數(shù) IN/OUT 最近一次 PID運(yùn)算的檢測(cè)值 18 PID 參數(shù)調(diào)整的一般步驟 目前應(yīng)用最多的整定方法主要是工程整定法，包括經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反映曲線法。若要設(shè)定，與確定 P 和 Ti 的方法相同，取不振蕩時(shí)的 30%。需要注意的是，以上 6個(gè)步驟并不是完全獨(dú)立，甚至大部分是交錯(cuò)進(jìn)行的，在用組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)編制工程時(shí)，要依照以上步驟考慮三個(gè)方面的問題：圖形、數(shù)據(jù)和連接。 定義數(shù)據(jù)變量可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始之前進(jìn)行設(shè)計(jì) ，即通過“數(shù)據(jù)庫(kù) — 數(shù)據(jù)詞典— 新建”來定義變量，也可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行定義，為了更好的展現(xiàn)變量應(yīng)用的場(chǎng)合，本文采用的后一種設(shè)計(jì)方式，將在下文各步驟設(shè)計(jì)中體現(xiàn)。 本文選擇“實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線”：在制作畫面中，選擇菜單“工具 — 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線”后鼠標(biāo)變?yōu)椤?+”，隨后在畫面中拖動(dòng)畫出大小合適的曲線圖標(biāo)，并雙擊該圖形進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和坐標(biāo)軸設(shè)置，將組態(tài)變量與 PLC 設(shè)備進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)和進(jìn)行報(bào)警上限設(shè)定，同時(shí)對(duì)坐標(biāo)軸網(wǎng)格狀態(tài)和顯示進(jìn)行設(shè)定，如下圖： 31 圖 定義基本屬性 圖 定義報(bào)警 32 圖 定義坐標(biāo)軸屬性 報(bào)警窗口制作 報(bào)警窗口是用來顯示組態(tài)王系統(tǒng)中發(fā)生的報(bào)警和事件信息，報(bào)警窗口分為實(shí)時(shí)報(bào)警窗口和歷史報(bào)警窗口。 圖 選擇指示燈類型 （ 2） 定義運(yùn)行指示燈：按照慣例將運(yùn)行指示燈正常運(yùn)行顏色定義為綠色 圖 定義運(yùn)行指示燈顏色 35 （ 3） 定義停止指示燈：按照慣例將停止指示燈正常運(yùn)行顏色定義為紅色 圖 定義停止指示燈顏色 溫度數(shù)值顯示 盡管從實(shí)時(shí)曲線趨勢(shì)圖上能夠讀出實(shí)時(shí)溫度值，但是考慮到用戶使用方便，在設(shè)計(jì)中加入了實(shí)時(shí)溫度數(shù)字顯示部分。綜合對(duì)比之后，本課題選擇了德國(guó)西門子 S7200系列的 PLC，其自帶的 PID 運(yùn)算可以滿足大部分小型控制運(yùn)算需求。 38 致謝 39 參考文獻(xiàn) 西門子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán) 深入淺出西門子 S7— 200PLC（第 3版） [M] 北京航空航天大學(xué)出版社； 廣東省職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心 華南理工大學(xué)工業(yè)培 訓(xùn)中心 PLC 培訓(xùn)部 組編 從入門到精通 ——— 西門子 S7— 200PLC 技術(shù)與應(yīng)用 [M] 人民郵電出版社； 西門子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)（標(biāo)準(zhǔn)模板） 西門子 S7— 200PLC編程軟件 STEP7— Micro/WIN 編程幫助手冊(cè) [M]； 方康玲主編 過程控制系統(tǒng) [M] 武漢理工大學(xué)出版社 ； 李方同 主編 西門子 S7— 200PLC 從入門到實(shí)踐 [M] 電子工業(yè)出版社 趙景波 ,阿倫 ,李杰臣 主編 西門子 S7— 200PLC 實(shí)踐與應(yīng)用 [M] 機(jī)械工業(yè)出版社 ； 朱文杰 主編 S7— 200PLC 編程設(shè)計(jì)與案例分析 [M] 機(jī)械工業(yè)出版社 ； 盧艷軍 主編 傳感與測(cè)試技術(shù) [M] 清華大學(xué)出版社 ； 韓曉新 主編 從基礎(chǔ)到實(shí)踐 —— PLC 與組態(tài)王 [M] 機(jī)械工業(yè)出版社 ； 張侖 .可編程序控制器中 PID 控制的研究 [J].電子電氣教學(xué)學(xué)報(bào) ,2020（ 3）； 1 姚振群，楊東方 PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)中 PID 控制器的實(shí)現(xiàn) [J]. 現(xiàn)代機(jī)械 .2020（ 04）； 1 蔡軍，曹慧英 基于 PLC 的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 [J]. 微計(jì)算機(jī)信息 . 2020(04)； 1 吳震 基于 S7— 200PLC 的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J]. 電腦知識(shí)與技術(shù) . 2020(20)； 1 張敬 ， 李徽 ， 賀助理 基于 PLC 的智能溫度控制器的研究 [J]. 湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 ). 2020(02)； 1 孫靜 基于西門子 S7— 200PLC 的溫度控制 [J]. 通化師范學(xué)院學(xué)報(bào) . 2020(12)； 1 李建海，張 樹團(tuán)，劉陵順 基于 PLC 和組態(tài)軟件的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J]. 機(jī)電一體化 . 2020(11)； 1 張建華、徐小犬、郝佳 電阻爐加熱電源不同調(diào)功方式分析與應(yīng)用 [J]. 工業(yè)加熱 .2020（ 05） 1 Weijiang,xuchun jiang Design of an Intelligent Temperature Control System Based on the Fuzzy SelfTuning PID[J] Engineering 2020（ 5）； 1 Kumar ， MULTIOBJECTIVE PID CONTROLLER BASED ON ADAPTIVE WEIGHTED PSO WITH APPLICATION TO STEAM TEMPERATURE CONTROL IN BOILERS[J] Journal of Engineering Science and Technology 2020（ 7） ；