【文章內(nèi)容簡介】 、HMI、驅(qū)動(dòng)裝置和通信網(wǎng)絡(luò)等）進(jìn)行組態(tài)、編程和監(jiān)控。 在本次設(shè)計(jì)中的參數(shù)設(shè)置： CPU接口類型為 MPI，地址為 2，傳輸率為 ；SM33 模塊測量類型為 4DMU，測量范圍為 420mA；硬件組態(tài)如圖 3 所示。 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 5 圖 3 PLC 硬件組態(tài)畫面 SIMATIC WinCC 在設(shè)計(jì)思想上， SIMATIC WinCC 秉承西門子公司博大精深的企業(yè)文化理念，性能最全面、技術(shù)最先進(jìn)、系統(tǒng)最開放的 HMI/SCADA 軟件是 WinCC 開發(fā)者的追求。 WinCC 是按世界范圍內(nèi)使用的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此從一開始就適合于世界上各主要制造生產(chǎn)商生產(chǎn)的控制系統(tǒng)，如 AB， Modicon， GE 等，并且通訊驅(qū)動(dòng)程序的種類還在不斷地增加。通過 OPC 的方式， WinCC 還可以與更多的第三方控制器進(jìn)行通訊 [5]。 WinCC 的變量系統(tǒng)是變量管理器。 WinCC 使用變量管理器來組態(tài)變量。變量管理器對 項(xiàng)目所使用的變量和通訊驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行管理。 WinCC 與自動(dòng)化控制系統(tǒng)間的通訊依靠通訊驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)所建立的變量組（部分變量截圖）如圖 4 所示。 圖 4 變量管理器建立的變量組圖 變量記錄也稱為變量歸檔或者過程值歸檔，主要是用于獲取，處理和記錄工業(yè)設(shè)備的過程數(shù)據(jù)。變量記錄可以降低危險(xiǎn)，對錯(cuò)誤狀態(tài)進(jìn)行早期檢查，從而提高生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化維護(hù)周期等。組態(tài)的過程值歸檔如圖 5 所示。 圖 5 過程值歸檔組態(tài)圖 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 6 在 WinCC 中，通過構(gòu)建與實(shí)際生產(chǎn)過程相關(guān)聯(lián)的過程畫面，可以實(shí)時(shí)而形象地反映出當(dāng)前的生產(chǎn)狀態(tài) ，從而可以更加直觀地對產(chǎn)品的生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)控和管理，而這一過程中的畫面組態(tài)主要是通過圖形編輯器來實(shí)現(xiàn)的 [6]。圖形編輯器是用于創(chuàng)建過程畫面并使其動(dòng)態(tài)的編輯器，圖 6 為 WinCC 組態(tài)的過程畫面，包括趨勢畫面、過程值歸檔、I/O 域和控制按鈕的組態(tài)。 圖 6 WinCC 過程畫面的組態(tài) 4 控制程序的設(shè)計(jì) 功能塊簡介 FB41“CONT_C”連續(xù)控制器 （ 1） PID 控制器的數(shù)字化 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 s)TsT(KEV (s)MV(s) DIP ??? 11 (3) 模擬量 PID 控制器的輸出表達(dá)式為 Mdtdev(t )Tev(t)dtTev(t)Kmv(t) DIp ??????? ??? ?1 (4) 式 4 中，控制器的輸入量（誤差信號） ev(t)=sp(t)pv(t)； sp(t)為設(shè)定值； pv(t)為過程變量（反饋值）； mv(t)是控制器的輸出信號； PK 為比例系數(shù)； IT 和 DT 分別為積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)； M 是積分部分的初始值。等號右邊的 3 項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分。如果取其中的一項(xiàng)、兩項(xiàng)或三項(xiàng)，可以組成 P、 PI、 PD 或 PID 調(diào)節(jié)器。需要較好的動(dòng)基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 7 態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度時(shí)，可以選用 PI 控制方式；若控制對象的慣性滯后較大時(shí)，應(yīng)選擇 PID 控制方式 [7]。 對積分部分的近似處理，執(zhí)行 PID 控制功能塊的時(shí)間間隔 (PID 控制的采樣周期 )為ST ，第 n 次 PID 運(yùn)算時(shí)的時(shí)間為 nTS ，因?yàn)?PID 程序運(yùn)行時(shí)為 ST 常數(shù)，可以將 nTt S? 時(shí)PID 控制器的輸入量 )( SnTev 簡寫為 ev(n)，輸出量 )( SnTmv 簡寫為 mv(n)。式子 (4)中的積分對應(yīng)與圖 7 中曲線與坐標(biāo)軸包圍的面積，一般用矩形積分來近似精確積分，每塊矩形的面積為 SS )( TnjTev 。為了書寫方便將 SS )( TnjTev 簡寫為 ev(j)，各塊矩形面積為 ??n evT1S )(j j。當(dāng) ST 較小時(shí)，積分的誤差不大。 e v ( t )tOT sn T sE v ( n 1 )E v ( n ) 圖 7 積分的近似運(yùn)算 式（ 4）中的微分用差分方程來近似，即令 sT)e v ( ne v ( n )ΔtΔ e v ( t)dtd e v ( t ) 1???? (5) 式 5 中， ev(n1)是第 n1 次采樣的誤差值，將積分和微分的近似表達(dá)式帶入表達(dá)式中，第 n 次采樣控制器的輸出為 ? ? M)e v ( ne v ( n )TTe v ( j )TTe v ( n )Kmv ( n ) SDnjISp ??????? ????? ?? 11 (6) （ 2） FB41“CONT_C”連續(xù)控制模塊 S7300/400 為用戶提供了功能強(qiáng)大、使用簡單方便的模擬量閉環(huán)控制功能。除了專用的閉環(huán)控制模塊， S7300/400 也可以用 PID 控制功能塊來實(shí)現(xiàn) PID 控制。其中FB41“CONT_C”連續(xù)控制器的輸出為連續(xù)變量?？梢杂闷渥鳛楠?dú)立的 PID 恒值控制器，其功能基于模擬信號采樣控制器的 PID 控制算法，若需要的話，可以用脈沖發(fā)生器進(jìn)行擴(kuò)展，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的輸出信號，來控制比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)的二級或三級控制器。 PID控制的系統(tǒng)功能塊的參數(shù)很多，可以通過功能塊的框圖 (見圖 8)學(xué)習(xí)和理解這些參數(shù)。 FB41“CONT_C”是采用位置式 PID 算法思想設(shè)計(jì)的控制軟件模塊。 FB4 的算法設(shè)計(jì)完善，使用靈活。它的比例運(yùn)算、積分運(yùn)算（ INT）和微商運(yùn)算（ DIF）是并行連接的，基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 8 可以單獨(dú)激活或取消。這就允許組態(tài)成 P、 PI、 PD 和 PID 調(diào)節(jié)器。它的積分分量可以清零、保持，這就方便實(shí)現(xiàn)抗積分飽和或積分分離。微分分量可以直接輸出，也可以延遲衰減輸出 [8]。 圖 8 FB41“CONT_C”方框圖 FB43“PULSEGEN”脈沖發(fā)生器 被 控 對 象A / D 轉(zhuǎn) 換s p ( n )e v ( n )L M Nc ( t )p v ( t )p v ( n )C O N T _ CP I D 控 制 器測 量 元 件P U L S E G E NI N VQ N E G _ PQ P O S _ P執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 圖 9 PLC 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 FB43“PULSEGEN”脈沖發(fā)生器與 PID 調(diào)節(jié)器配合使用 (見圖 9)，用脈沖輸出來控制比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該功能一般與連續(xù)控制器 “CONT_C”一起使用，用 FB43 可以構(gòu)建脈沖寬度調(diào)制的二級 (two step)或三級 (three step)PID 控制器。 PLC 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。 FB 43 通過調(diào)制脈沖寬度，將輸入變量 INV(即 PID 控制器的輸出量 LMN)轉(zhuǎn)換為具基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 9 有恒定周期的脈沖列，該恒定周期用周期時(shí)間 PER_TM 來設(shè)置， PER_TM 應(yīng)與“CONT_C”的采樣周期 CYCLE 相同。每個(gè)周期輸出的 脈沖寬度與輸入變量 INV 成正比，PER_TM 與 FB43 的處理周期是不同的， “PER_TM”是 FB43 處理周期的若干倍 (見圖10)。每個(gè) PER_TM 周期調(diào)用 FB43 的次數(shù)反映了脈沖寬度的精度。 圖 10 脈寬調(diào)制波形圖 脈沖寬度調(diào)制簡稱為脈寬調(diào)制，設(shè)每個(gè) PER_TM 周期調(diào)用 10 次 FB43，如果輸入變量為最大值的 30%，則前 3 次調(diào)用 (10 次調(diào)用的 30%)時(shí)脈沖輸出 QPOS_P 為 1 狀態(tài)。其余 7 次調(diào)用 (10 次調(diào)用的 70%)時(shí)脈沖輸出 QPOS_P 為 0 狀態(tài)。在這個(gè)例子中， “采樣比率 ”(調(diào)用 FB41 與 FB43 次 數(shù)之比 )為 1:10，因此控制值得精度為 10%，即輸入值 INV 只能映射為以 10% 為量化單位的脈沖輸出 QPOS_P 的占空比。在調(diào)用 FB41 的一個(gè)周期內(nèi)增加調(diào)用 FB43 的次數(shù)，可以提高精度。例如調(diào)用 FB43 的次數(shù)增加為 100 次時(shí)，控制值的分辨率將達(dá)到 1%，一般分辨率不大于 5%為佳。本課題控制值的分辨率為 1%。 控溫程序的編寫 主程序 OB1 的編寫 語句表寫的控制程序中，在 OB1 編寫的程序中加入使控制系統(tǒng)既可以進(jìn)行定值控溫又可以進(jìn)行 溫度跟隨曲線動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的恒溫、升溫、恒溫的 程序控溫過程 ，同時(shí)又可以 進(jìn)行定值控溫與程序控溫的自由切換，同時(shí)加入拐點(diǎn)控制作用的觸發(fā)條件 。 對于程序控溫來說， STEP 7 中并無相應(yīng)可用的功能塊，所以 在溫度控制程序中編寫一個(gè)來實(shí)現(xiàn)溫度曲線隨時(shí)間動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的的功能塊。 圖 11 為 溫度 時(shí)間曲線設(shè)置格式， 由圖可以看出， X 軸即時(shí)間軸，根據(jù)設(shè)定曲線的段數(shù)將 X 軸劃分為不同時(shí)間長度的時(shí)間段。系統(tǒng)功能 SFC1(READ_CLK)可以讀出 CPU 的系統(tǒng)時(shí)間，所以在編寫程序時(shí)調(diào)用一次 SFC1(READ_CLK)讀取系統(tǒng)時(shí)間作為程序控溫程序運(yùn)行時(shí)的起始時(shí)刻 (格式 DT)，同時(shí)再調(diào)用一個(gè) SFC1(READ_CLK)讀取系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)刻 (格式 DT)，而功能 FC34 可以將兩個(gè)格式 DT 為時(shí)間值相減得到 TIME 格式的時(shí)基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 10 間，可以把這個(gè)初值為零的連續(xù)的時(shí)間作為 X 軸的時(shí)間 T。這樣則 對于 AB 段 方程的求解，設(shè)定點(diǎn) ),( 00 tcA 和設(shè)定點(diǎn) ),( 11 tcB 的坐標(biāo)便是已知的，根據(jù)方程兩點(diǎn)式求法， 可計(jì)算 AB 段的一線方程為 0001 01 c)t(x)t(t )c(cY AB ?????? (7) 而直線段 BC、 CD 的方程同樣方法得出。 X / TY / C ),(A00 tc ),(B 11 tc),(C 22 tc ),(D 33 tc 圖 11 設(shè)定值曲線示意圖 編寫曲線控溫程序時(shí)，由于功能 FC 沒有一個(gè)永久的數(shù)據(jù)塊來存放數(shù)據(jù)，只在運(yùn)行期間會(huì)被分配一個(gè)臨時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)，又由于 AB、 BC、 CD 段計(jì)算公式相同， 為了簡化設(shè)計(jì)過程、增加程序的可讀性，計(jì)算公式 在功能 FC 中編寫，在 FB 中進(jìn)行多次調(diào)用功能FC1，來實(shí)現(xiàn)對 AB、 BC、 CD 段控溫曲線的計(jì)算。程序控溫算法流程圖如圖 12 所示。 執(zhí) 行 F B 1計(jì) 算 當(dāng) 前時(shí) 間 t m xt m x t m 1 ？是裝 載 系統(tǒng) 時(shí) 鐘調(diào) 用 F C 1 ， 對 A B 段進(jìn) 行 線 性 計(jì) 算否程 序 結(jié) 束t m x t m 2 ？否T m x t m 3 ？否是是調(diào) 用 F C 1 ， 對 B C 段進(jìn) 行 線 性 計(jì) 算調(diào) 用 F C 1 ， 對 C D 段進(jìn) 行 線 性 計(jì) 算 執(zhí)行FC1裝在運(yùn)行時(shí)間程序結(jié)束裝在設(shè)定點(diǎn)坐標(biāo)112112 Ttt)t) ( tT(TTmmmm ???執(zhí)行計(jì)算：結(jié)束時(shí)間觸發(fā)X 圖 12 程序控溫算法流程 圖 如圖 13 所示為語句表下調(diào)用的程序控溫算法功能塊 FB1 和功能 FC1， FB1 輸入?yún)?shù)包括 START、 tm tm tm T T T T4，分別表示啟動(dòng)該塊、各段的運(yùn)行基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 11 時(shí)間（以 ms 為時(shí)間單位）和溫度設(shè)定點(diǎn)（浮點(diǎn)格式）。本算法同樣適用于任何其他相關(guān)控制系統(tǒng)，若如控制要求中有更多段升溫、恒溫或降溫過程，只需要在 FB1 在進(jìn)行多次調(diào)用 FC1 即可。同時(shí)為了增加該塊的可利用性，在該塊的輸出參數(shù)中除了有對各段進(jìn)行線性計(jì)算所的結(jié)果的輸出參數(shù) T_sp 外，還有系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間輸出參數(shù) T_time(分鐘格式 )和各控溫段運(yùn)行 時(shí)間結(jié)束標(biāo)志輸出參數(shù) x x x3，可以分別用來在上位機(jī)上顯示程序控溫運(yùn)行的時(shí)間長度和實(shí)現(xiàn)在任意段運(yùn)行結(jié)束時(shí)溫控程序的結(jié)束。 圖 13 程序控溫功能塊 FB1 和功能 FC1 主程序 OB1的流程圖如圖 14。 程 序控 溫程 序 結(jié) 束開 始執(zhí) 行 主 程 序O B 1T t m 1T t m 2調(diào) 用 F C 1 0 5置 位 拐 點(diǎn)控 制 M 2 . 3調(diào) 用 F B 1溫 變 點(diǎn) 賦時(shí) 刻 值運(yùn) 行 時(shí) 間 轉(zhuǎn) 變?yōu)?m s 單 位 T復(fù) 位 拐 點(diǎn)控 制 M 2 . 3置 位 拐 點(diǎn)控 制 M 2 . 4置 位 拐 點(diǎn)控 制 M 2 . 4是是是是否否否否 圖 14 主程序 OB1 流程圖 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 12 中斷服務(wù)程序 OB35 的編寫 在通過脈寬調(diào)制來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的通斷時(shí)，需要通過 中斷組織塊 OB35 周期性中斷過程來實(shí)現(xiàn) PID 算法模塊和 PWM 算法模塊的時(shí)序配合 [9]。 對于 PID算法和 PWM算法，可以直接調(diào)用 SIEMENS STEP 7 平臺(tái)中有專用 的 PWM算法模塊 FB43“PULSEGEN”脈沖發(fā)生器 和 PID 算法模塊 FB41“CONT_C