【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 測(cè)與顯示爐內(nèi)溫度； 2． 具有自診斷實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，檢測(cè)各通道是否正常，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行聲音和視覺(jué)報(bào)警并顯示故障點(diǎn)。 5 第 3 章 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 1．充分發(fā)揮 PLC 功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求。 2．在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。 3．保證控制系統(tǒng)安全可靠。 4．應(yīng)考慮生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)， 在選擇 PLC的型號(hào)、 I／ O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量等內(nèi)容時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔浚岳谙到y(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 設(shè)計(jì) PLC 應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，首先是進(jìn)行 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，即根據(jù)被控對(duì)象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進(jìn)行 PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能分析，即通過(guò)分析系統(tǒng)功能，提出 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號(hào)的種類(lèi)、數(shù)量、 系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，具體的確定 PLC的機(jī)型和系統(tǒng)的具體配置 [5]。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟可參考圖 。 6 圖 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 PLC 的選型與硬件配置 PLC 型號(hào)的選擇 本項(xiàng)目的溫度控制系統(tǒng)選擇德國(guó)西門(mén)子公司的 S7200 型的 PLC。 它的硬件配置靈活，既可用一個(gè)獨(dú)立的 S7200 CPU 構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過(guò)擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)字量 I/O模塊 ， 模擬量模塊或智能接口模塊的擴(kuò)展 ，組成中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng) [6]。 如圖 所示 PLC 實(shí)物。 評(píng)估控制任務(wù) PLC機(jī)型的選擇 控制柜設(shè)計(jì)及布線 程序設(shè)計(jì) 聯(lián)機(jī)調(diào)試 PLC安裝 程序檢查、調(diào)試 控制流程的設(shè)計(jì) 程序備份 修改軟、硬件 模擬運(yùn)行 投入使用 是否滿足要求 7 圖 S7200 系列 PLC 實(shí)物圖 S7200 CPU 的選擇 S7200 系列的 PLC 有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU226 、 CPU224XP 等類(lèi)型。為了能調(diào)用編程軟件 STEP 7 里的 PID 模塊，本項(xiàng)目選用 S7200 CPU226， CPU226集成了 24 點(diǎn)輸入 /16 點(diǎn)輸出，共有 40個(gè)數(shù)字量輸入輸出端口?？膳c 7個(gè)擴(kuò)展模塊相連，最大連接 248點(diǎn)數(shù)字量或 35點(diǎn)模擬量 I/O。還有 13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6 個(gè)獨(dú)立的 30KHz 高速計(jì)數(shù)器， 2路獨(dú)立的 20KHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。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， 適用于較高要求的中小型控制系統(tǒng) [7]。 EM231 模擬量輸入模塊 本項(xiàng)目傳感器將檢測(cè)到的溫度轉(zhuǎn)換成 0～ 41mv 的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量，輸入模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)送至 PLC 中進(jìn)行運(yùn)算。經(jīng)考慮，最終選用了西門(mén)子 EM231 4TC 模擬量輸入模塊。 EM231 熱電偶模塊有一個(gè)方便的，隔離的接口，可適用七種熱電偶類(lèi)型：它也允許連接微小的模擬量信號(hào)，相同類(lèi)型模塊上的熱電偶才 能連到一起，且最好使用含有屏蔽的熱電偶傳感器 [8]。 DIP 開(kāi)關(guān)將EM231 模塊進(jìn)行組 態(tài)：熱電偶類(lèi)型選擇 SW1～ SW3， SW4 不使用，斷線檢測(cè)方向使用SW5，是否進(jìn)行斷線檢測(cè)選擇了 SW6， 測(cè)量單位選擇了 SW7，是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償選擇了 SW8。本系統(tǒng)選用 K 型熱電偶為溫度檢測(cè)元件，最終 DIP 開(kāi)關(guān) SW1～ SW8 組態(tài)為00100000； EM231 具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 。 8 表 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： 80mm 62mm 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。 5V,177。 ,0~20mA 分辨率： 12 Bit 轉(zhuǎn)換速度： 250μ S 隔離：有 耗電 從 CPU的 DC 5V （ I/O 總線）耗電 10mA DIP 開(kāi)關(guān) SW1 0, SW2 0, SW3 1（以 K 型熱電偶為例） 表 所示為使用 DIP 開(kāi)關(guān)設(shè)置 EM231 模塊使用方法，開(kāi)關(guān) 2 和 3 可選擇模擬量輸入范圍。模擬量輸入范圍設(shè)置成相同的。表中 ON為導(dǎo)通， OFF 為截止。 表 EM231 選擇模擬量輸入范圍的開(kāi)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 20mv 5uA 雙極性 滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 OFF OFF ON 177。5V ON OFF 177。 9 EM231 校準(zhǔn)和配置位置圖如圖 圖 DIP 配置 EM231 熱電式傳感器 熱電式傳感器是一種將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的裝置。其中熱電偶和熱電阻是最常用于測(cè)量溫度的裝置，熱電偶是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào) ， 熱電阻是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換 為電阻信號(hào)。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛使用。 本項(xiàng)目中應(yīng)該用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，且爐子的溫度不能超過(guò) 1000 度 ，所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有七種類(lèi)型分別是 S、 B、 E、 K、R、 J、 T，在本系統(tǒng)中，我們選擇 K型熱電偶，其測(cè)溫范圍大約是 0～ 1000℃。 爐 內(nèi)最高溫度也到不到 1000℃，其成本也比較合理 [9]。 I/O 點(diǎn)分配及電氣連接圖 （ 1）該溫度控制系統(tǒng)中輸入輸出點(diǎn)分配表如表 所示。 表 輸入輸出點(diǎn)分配表 （ 2）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)選用 PLC CPU226 為控制器， K 型熱電偶將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電勢(shì)變化，經(jīng)過(guò) EM231 模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)， PID 控制器輸輸入觸點(diǎn) 功能說(shuō)明 輸出觸點(diǎn) 功能說(shuō)明 啟動(dòng)按鈕 運(yùn)行指示燈（綠） 停止按鈕 停止指示燈（紅） 固態(tài)繼電器 10 出控制信號(hào)，控制固態(tài)繼電器輸出端 的導(dǎo)通與截止，從而控制爐體 加熱的通斷。 PLC和組態(tài)王連接，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。整個(gè)硬件連接圖如圖 。 圖 系統(tǒng)框架圖 圖 系統(tǒng)硬件連接圖 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(guò)程中至關(guān)重要。首先要以受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對(duì)象的連接方案。接下來(lái)依據(jù)所要求的性能指標(biāo)選擇控制器的參數(shù)值 [10]。 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 本溫度控制控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，方框圖如圖 所示。 計(jì)算機(jī) P L C EM231 模塊 固態(tài)繼電器 熱電偶 試驗(yàn)機(jī) 11 圖 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 控制系統(tǒng)方框圖 PID 控制及參數(shù)整定 控制器的組成 PID 控制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （ ） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (1) 比例系數(shù) KC對(duì)系統(tǒng)性能的影響： 比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。Ｋ c偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。Ｋ c 太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。Ｋ c太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。Ｋ c 可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。如果Ｋ c 的符號(hào)選擇不當(dāng)對(duì)象狀態(tài) (pv 值 )就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài) (sv 值 )越來(lái)越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況Ｋ c 的符號(hào)就一定要取反。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (2) 積分控制 Ｔ i 對(duì)系統(tǒng)性能的影響： 積 分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ｔ i 小（積分作用強(qiáng)）會(huì)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。 PLC 控制器 固態(tài)繼電器 電爐 溫度模塊 熱電偶 ?????? ??? ? dta e ( t)Tde ( t ) d tTie ( t )KcU ( t) t01 12 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (3) 微分控制Ｔ d 對(duì)系統(tǒng)性能的影響： 微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，Ｔ d 偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。Ｔ d偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。只有Ｔ d 合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。 至此溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)完成。在系統(tǒng)運(yùn)行之前，還需