【文章內(nèi)容簡介】 [)()({)(ununununeneTTdieTTneKnudipniip????????? ??公式（ 24） 參數(shù)說明同上 對于純滯后對象的補償 控制點采用了 Smith預(yù)測器，使控制對象與補償環(huán)節(jié)一起構(gòu)成一個簡單的慣性環(huán)節(jié)。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 PID 參數(shù)整定 ： (1) 比例系數(shù) Kp 對系統(tǒng)性能的影響： 比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。 Kp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。 Kp 太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。 Kp 太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。 Kp 可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。如果 Kc的符號選擇不當對象狀態(tài) (pv 值 )就會離控制目標的狀態(tài) (sv 值 )越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況 Kp 的符號就一定要取反。 (2) 積分控制 Ti 對系統(tǒng)性能的影響： 積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降， Ti?。ǚe分作用強）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 (3) 微分控制 Td 對系統(tǒng)性能的影響 微分作用可以改善動態(tài)特性， Td 偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。 Td 偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有 Td合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。 第三章 硬件設(shè)計 本控制系統(tǒng)硬件設(shè)計由 PLC 控制系統(tǒng)硬件、監(jiān)視系統(tǒng)硬件以及其他輔助 硬件設(shè)計組成。在設(shè)計中應(yīng)考慮以下原則 : ?？煽啃允强刂葡到y(tǒng)的生命，系統(tǒng)不可靠，即使功能再完善，經(jīng)濟性再好也沒有用，可靠性不好的設(shè)備是沒有市場的。在設(shè)計中，盡可能選擇可靠的元件和產(chǎn)品，雖然初始投資可能多一點但是考慮到因為可靠性不好造成的生產(chǎn)和維修費用，還是值得的。 。在保證控制功能的基礎(chǔ)上，盡可能的將自檢、報警等功能納入設(shè)計方案。 。在保證控制功能和可靠性的基礎(chǔ)上，盡可能降低成本。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 ，考慮系統(tǒng)的先進性和可擴展性 。 西門子 PLC 的特點 可以這樣歸 納一下西門子 PLC 的特點，真是基于下面的這些優(yōu)越性是我們選擇了它的重要原因。 （ 1） SIMATIC CPU 將技術(shù)功能和運動控制集于一身，最大限度的減少成本。 （ 2） 在同一個 S7 應(yīng)用程序中同時完成 PLC 和運動控制的編程組態(tài)。 （ 3） 現(xiàn)有的 S7程序可以再利用，減少編程的工作量。 （ 4）對于各種控制任務(wù)可以提供靈活多樣的高級的運動控制功能。 （ 5）從驅(qū)動到運動控制再到 PLC，一切盡在 STEP 7 中完成。 （ 6）全部的編程使用 SIMATIC 平臺，降低培訓(xùn)費用。 （ 7）運動控制功能符合 PLC open 標準，方便工程實施和服務(wù)。 （ 8）同步的 PRIFIBUS DP(DRIVE)保證在高速處理過程中高質(zhì)量的控制水平。 （ 9）廣泛、全面的 SIMATIC 產(chǎn)品線，包括多種集中式和分布式的模塊化擴展方 PLC 各部分的作用 (CPU) 1） CPU 在 P LC中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，它是 PLC的運算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所斌予的功能，完成以下任務(wù) : (1) 接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)； (2) 診 斷 電源、 PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯 誤； 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 13 (3) 用 掃 描的方式接收輸入信號，送入 PLC的數(shù)據(jù)寄存器保存起來； (4) PLC進入運行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作； (5) 將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。 2）現(xiàn)代 PLC使用的 CPU主要有以下幾種 : (1) 通用微處理器，如 808018 08812等。通用微處理器的價格便宜，通用性強，還可以借用微機成熟的實時操作系統(tǒng)、豐富的軟硬件資源。 (2) 單片機 ，如 8051等。單片機由于集成度高、體積小、價格低和可擴充性好，很適合在小型 PLC上使用，也廣泛地用于 PLC的智能 UO模塊。 (3) 位片式微處理器，如 AMD2900系列等。位片式微處理器是獨立于微型機的另一分支。它主要追求運算速度快，它以 4位為一片。用幾個位片級聯(lián)，可以組成任意字長的微處理器二改變程序存儲器的內(nèi)容，可以改變計算機的指令系統(tǒng)。位片式結(jié)構(gòu)可以使用多個微處理器，將控制任務(wù)劃分為若千個可以并行處理的部分，幾個微處理器同時進行處理。這種高運算速度與可以適應(yīng)用戶需要的指令系統(tǒng)相結(jié)合，很適合于以順序掃描方式工作的 PLC使用。 存儲器 根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把 它們分為以下 3種 : (1) 系統(tǒng)程序存儲器 :和各種計算機一樣， PLC也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了 PLC的功能，稱為系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統(tǒng)程序是不能山用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器 ROM或 EPROM。 (2) 用戶程序存儲器 :用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經(jīng)常改動、調(diào)試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的 RAM。由于 RAM 掉電會丟失數(shù)據(jù)，因此使用 RAM 作用戶程序存儲器的 PLC，都有后備電池 (視電池 )保護 RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當用戶程 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 14 序調(diào)試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序?qū)懭?EPROM。目前較先進的 PLC(如歐姆龍公司的 CPMIA 型 PLC)采用快閃存儲器作用戶程序存儲器，快閃存儲器可隨時讀寫，掉電時數(shù)據(jù)不會丟失，不需用后備電池保護。 (3) 工作數(shù)據(jù)存儲器 :工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分數(shù)據(jù)存儲在 RAM 中，以適應(yīng)隨機存取的要求。在 PLC 的工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)，開辟有元件映像寄存器和數(shù)據(jù)表。 元件映像寄存器用來存儲 PLC 的開關(guān)量輸入 /輸出和定時器、計數(shù)器、輔助 繼電器等內(nèi)部繼電器的 ON/OFF 狀態(tài)。 數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標準格式是每一個數(shù)據(jù)占一個字。它存儲用戶程序執(zhí)行時的某些可變參數(shù)值，如定時器和計數(shù)器的當前值和設(shè)定值。它還用來存放 A/D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運算的結(jié)果等。 根據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在停電時用后備電池維持其當前值，在停電時可以保持數(shù)據(jù)的存儲器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。 I/0 單元 I/0 單元也稱為 I/0 模塊。 PLC 通過 I/0 單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系，輸入單元接收操作指令和現(xiàn)場的狀態(tài)信息，加控制按鈕、操作開關(guān)和限位開關(guān)、光電管、繼電器觸點 、行程開關(guān)、接近開關(guān)等信號，并通過輸入電路的濾波、光電隔離和電平轉(zhuǎn)換等將這些信號轉(zhuǎn)換成 CPU 能夠接收和處理的信號。輸出單元將 CPU 送出的弱電控制信號通過輸出電路的光電隔離和功率放大等轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以馳動接觸器、電磁閥、電磁鐵等執(zhí)行元件。 硬件配置 西門子 S7200 CPU222CN S7200系列 PLC 可提供 4種不同的基本單元和 6種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器等。 S7200系列的基本單元如表 示。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 15 型號 輸入點 輸出點 可帶擴展模塊數(shù) S7200CPU221 6 4 0 S7200CPU222 8 6 2個擴展模塊 S7200CPU224 24 10 7個擴展模 塊 S7200CPU224XP 24 16 7個擴展模塊 S7200CPU226 24 16 7個擴展模塊 表 S7200系列 PLC中 CPU22X的基本單元 本文采用的是 CPU222CN。它具有 8輸入 /6 輸出共 14 個數(shù)字量 I/O 點?？蛇B接 2個擴展模塊，最大擴展至 78 路數(shù)字量 I/O 點或 10 路模擬量 I/O 點。 6K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 4 個獨立的 30kHz 高速計數(shù)器， 2 路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 1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。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入 /輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 傳感器 熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號。常用熱電偶可分為標準熱電 偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、答應(yīng)誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從 1988年 1月 1 日起，熱電偶和熱電阻全部按 IEC國際標準生產(chǎn)，并指定 S、 B、 E、 K、 R、 J、T 七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。本論文采用的是 K型熱電阻。 EM231 模擬量輸入模塊 EM 231 模塊是組合強功率精密線性電流互感器、意法半導(dǎo)體（ ST）單片集成變送器 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 16 ASIC 芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊，它可以直接將被測主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的 DC4～ 20mA（通過 250Ω電阻轉(zhuǎn)換 DC 1～ 5V 或通過 500Ω電阻 轉(zhuǎn)換 DC2～ 10V）恒流環(huán)標準信號，連續(xù)輸送到接收裝置（計算機或顯示儀表）。 EM231CN 端子連接圖： － 圖 EM231CN接線圖 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 OFF OFF ON 177。 5V ON OFF 177。 表 EM 231 CN選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 17 注意： －－ 模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器 (ADC)的 12位讀數(shù)，其數(shù)據(jù)格式是左端對齊的。最高有 效位是符號位： 0 表示是正值數(shù)據(jù)字，對單極性格式， 3 個連續(xù)的 0 使得 ADC 計數(shù)數(shù)值每變化 1個單位則數(shù)據(jù)字的變化是以 8 為單位變化的。對雙極性格式， 4個連續(xù)的 0 使得 ADC計數(shù)數(shù)值每變化 1個單位，則數(shù)據(jù)字的變化是以 16為單位變化的 。 溫度檢測和控制模塊 溫度采集由傳感器來完成，由燈加熱作為加熱器模擬熱源，輸出的模擬信號是 4—20MA。 硬件接線圖 硬件接線圖見附錄 PLC 主機 計算機 PID 調(diào)節(jié) 執(zhí)行機構(gòu) 溫度檢測裝置 圖 溫度控制系統(tǒng)圖 —— 實際溫度 加熱器 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 18 第四章 PLC 控制系統(tǒng)的軟 件設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分本在硬件基礎(chǔ)上，詳細介紹本項目的軟件設(shè)計，主要包括軟件設(shè)計的基本步驟、方法、編程軟件 STEP7Micro/WIN的介紹以及本項目的程序設(shè)計。 PLC 程序設(shè)計的方法 PLC 程序設(shè)計常用的方法：主要有經(jīng)驗設(shè)計法、繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法、順序控制設(shè)計法、邏輯設(shè)計法等。 ：經(jīng)驗設(shè)計法即在一些典型的控制電路程序的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控制對象的