【文章內(nèi)容簡介】 測與顯示爐內(nèi)溫度； 2． 具有自診斷實時檢測功能，檢測各通道是否正常，當(dāng)發(fā)生故障時進行聲音和視覺報警并顯示故障點。 5 第 3 章 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 1．充分發(fā)揮 PLC 功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求。 2．在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、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， 在選擇 PLC的型號、 I／ O點數(shù)和存儲器容量等內(nèi)容時，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以利于系統(tǒng)的調(diào)整和擴充。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟 設(shè)計 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)時，首先是進行 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計，即根據(jù)被控對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。然后是進行 PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號的種類、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的機型和系統(tǒng)的具體配置 [5]。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟可參考圖 。 6 圖 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 PLC 的選型與硬件配置 PLC 型號的選擇 本項目的溫度控制系統(tǒng)選擇德國西門子公司的 S7200 型的 PLC。 它的硬件配置靈活，既可用一個獨立的 S7200 CPU 構(gòu)成一個簡單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴展電纜進行數(shù)字量 I/O模塊 ， 模擬量模塊或智能接口模塊的擴展 ，組成中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng) [6]。 如圖 所示 PLC 實物。 評估控制任務(wù) PLC機型的選擇 控制柜設(shè)計及布線 程序設(shè)計 聯(lián)機調(diào)試 PLC安裝 程序檢查、調(diào)試 控制流程的設(shè)計 程序備份 修改軟、硬件 模擬運行 投入使用 是否滿足要求 7 圖 S7200 系列 PLC 實物圖 S7200 CPU 的選擇 S7200 系列的 PLC 有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU226 、 CPU224XP 等類型。為了能調(diào)用編程軟件 STEP 7 里的 PID 模塊，本項目選用 S7200 CPU226， CPU226集成了 24 點輸入 /16 點輸出，共有 40個數(shù)字量輸入輸出端口?？膳c 7個擴展模塊相連，最大連接 248點數(shù)字量或 35點模擬量 I/O。還有 13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6 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。配有 2 個 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 本項目傳感器將檢測到的溫度轉(zhuǎn)換成 0～ 41mv 的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量，輸入模塊將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再轉(zhuǎn)送至 PLC 中進行運算。經(jīng)考慮，最終選用了西門子 EM231 4TC 模擬量輸入模塊。 EM231 熱電偶模塊有一個方便的，隔離的接口，可適用七種熱電偶類型：它也允許連接微小的模擬量信號，相同類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 開關(guān)將EM231 模塊進行組 態(tài)：熱電偶類型選擇 SW1～ SW3， SW4 不使用，斷線檢測方向使用SW5，是否進行斷線檢測選擇了 SW6， 測量單位選擇了 SW7，是否進行冷端補償選擇了 SW8。本系統(tǒng)選用 K 型熱電偶為溫度檢測元件，最終 DIP 開關(guān) SW1～ SW8 組態(tài)為00100000； EM231 具體技術(shù)指標(biāo)見表 。 8 表 EM231 技術(shù)指標(biāo) 型號 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 本機輸入： 4 路模擬量輸入 電源電壓：標(biāo)準(zhǔn) DC 24V/4mA 輸入類型： 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 開關(guān) SW1 0, SW2 0, SW3 1（以 K 型熱電偶為例） 表 所示為使用 DIP 開關(guān)設(shè)置 EM231 模塊使用方法，開關(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轉(zhuǎn)化為電壓信號的裝置。其中熱電偶和熱電阻是最常用于測量溫度的裝置，熱電偶是將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號 ， 熱電阻是將溫度信號轉(zhuǎn)換 為電阻信號。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 1000 度 ，所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。 國際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有七種類型分別是 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 點分配及電氣連接圖 （ 1）該溫度控制系統(tǒng)中輸入輸出點分配表如表 所示。 表 輸入輸出點分配表 （ 2）系統(tǒng)整體設(shè)計方案 系統(tǒng)選用 PLC CPU226 為控制器， K 型熱電偶將檢測到的實際爐溫轉(zhuǎn)化為電勢變化，經(jīng)過 EM231 模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并進行 PID 調(diào)節(jié)， PID 控制器輸輸入觸點 功能說明 輸出觸點 功能說明 啟動按鈕 運行指示燈（綠） 停止按鈕 停止指示燈（紅） 固態(tài)繼電器 10 出控制信號，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，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控。整個硬件連接圖如圖 。 圖 系統(tǒng)框架圖 圖 系統(tǒng)硬件連接圖 PLC 控制器的設(shè)計 控制器的設(shè)計是基于模型控制設(shè)計過程中至關(guān)重要。首先要以受控對象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對象的連接方案。接下來依據(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。 計算機 P L C EM231 模塊 固態(tài)繼電器 熱電偶 試驗機 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)表達式為： （ ） 錯誤 !未找到引用源。 (1) 比例系數(shù) KC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。Ｋ c偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。Ｋ c 太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。Ｋ c太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。Ｋ c 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Ｋ c 的符號選擇不當(dāng)對象狀態(tài) (pv 值 )就會離控制目標(biāo)的狀態(tài) (sv 值 )越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況Ｋ c 的符號就一定要取反。 錯誤 !未找到引用源。 (2) 積分控制 Ｔ i 對系統(tǒng)性能的影響： 積 分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ｔ i ?。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。 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 錯誤 !未找到引用源。 (3) 微分控制Ｔ d 對系統(tǒng)性能的影響： 微分作用可以改善動態(tài)特性，Ｔ d 偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。Ｔ d偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有Ｔ d 合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。 至此溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)完成。在系統(tǒng)運行之前，還需