【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 新的革命 ， 各種新型控制設(shè)備不斷出現(xiàn) ， 產(chǎn)品的性能和可靠性不斷提高 ， 價(jià)格進(jìn)一步下降。作為該領(lǐng)域的另一個(gè)重要組成部分工控軟件 ， 也受到越來(lái)越多的工 程技術(shù)人員的重視 ， 正在向著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。 工控軟件的特點(diǎn)是開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng) ， 被控對(duì)象復(fù)雜多樣 ， 且軟件與具體工程和設(shè)備交織在一起。長(zhǎng)期以來(lái) ， 軟件的通用性和可維護(hù)性一直困擾著工程技術(shù)人員。設(shè)備管理人員 或主要編程人員的變動(dòng)將給控制系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)極大的不便 ， 甚至影響其正常工作 ， 許多企業(yè)決策者也對(duì)此表現(xiàn)出極大的關(guān)注。為改變這一狀況 ， 國(guó)內(nèi)外許多專家、學(xué)者、工程技術(shù)人員對(duì)工控軟件進(jìn)行了積極的探索 ， 然而目前的工控軟件仍存在兩方面的主要問(wèn)題 :一是工控軟件缺乏通用性，工控公司只提供特定 設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序 ， 一旦設(shè)備更新或變動(dòng) ， 系統(tǒng)就必須重新設(shè)計(jì)；二是國(guó)外工控軟件價(jià)格昂貴 ， 使許多國(guó)內(nèi)用戶特別是高校及中小型企業(yè)難以接受 ， 以至于不得不花費(fèi)許多精力去開(kāi)發(fā)各自專用的測(cè)控軟件 ]2[ 。 組態(tài)軟件是近幾年來(lái)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開(kāi)發(fā)工具 ， 組態(tài)軟件和其他工業(yè)控制軟件一樣向大型化和小型化發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，其功能越來(lái)越強(qiáng)，迫使工業(yè)組態(tài)軟件隨之發(fā)展。成熟的商用軟件技術(shù)如高級(jí)動(dòng)畫(huà)技術(shù)、分布式運(yùn)算、大型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等逐漸在組態(tài)軟件上得到應(yīng)用。開(kāi)發(fā)人員通常不需要 編制具體的指令和代碼 ， 只要利用組態(tài)軟件包中的工具 ， 通過(guò)硬件組態(tài) (硬件配置 )、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖像組態(tài)等工作 4 即可完成所需應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)工作，利用組態(tài)軟件 MCGS(Monitor and Control Generated System 通用監(jiān)控系統(tǒng) )開(kāi)發(fā)了液位監(jiān)控系統(tǒng) ， 采用計(jì)算機(jī)采集、處理數(shù)據(jù)、根據(jù) MCGS 的液位實(shí)時(shí)曲線輸出來(lái)改變參數(shù)的值 ， 使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定到設(shè)定值 ， 從而提高了工作效率。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、界面友好、擴(kuò)充性強(qiáng)。用戶在組態(tài)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)配置 ， 可創(chuàng)建或定義多個(gè)用戶策略 ， 并生成數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。實(shí)踐 證明該系統(tǒng)可省去用戶開(kāi)發(fā)軟件的費(fèi)用和周期 ， 只需極少的投入即可得到方便、美觀、實(shí)用的組態(tài)軟件。 目前 ， MCGS 組態(tài)軟件已經(jīng)在石油、化工、電力等多種工程領(lǐng)域獲得成功的應(yīng)用。基于 MCGS 開(kāi)發(fā)的液位監(jiān)控系統(tǒng)。 MCGS 為用戶提供了廣泛的可選性，用雙水箱系統(tǒng)組成液位比值前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng) ， 用 MCGS 可進(jìn)行各種系統(tǒng)的組態(tài)調(diào)試及各種系統(tǒng)參數(shù)的整定 ， 極大地提高了參數(shù)整定過(guò)程的工作效率，大大減少了生產(chǎn)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 MCGS 為用戶提供了廣泛的可選性：用雙水槽系統(tǒng)可組合成單回路控制、串級(jí)控制、比值控制及前饋控制等多種控制 系統(tǒng) ， 用 MCGS 可進(jìn)行各種系統(tǒng)的組態(tài)的調(diào)試及各種系統(tǒng)參數(shù)的整定 ， 極大地提高了參數(shù)整定過(guò)程的工作效率。 本文研究的主要內(nèi)容 可編程程序控制器（ Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱 PLC）具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能豐富等強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，目前，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等的發(fā)展， PLC 在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍。 PLC 的應(yīng)用十分廣泛，涉及到過(guò)程控制的方方面面，已經(jīng)成為目前自動(dòng)化領(lǐng)域的主流控制系統(tǒng) 。然而在控制策略上，它依然沿用傳統(tǒng)的 PID 控制，許多開(kāi)發(fā)商把 PID 算法做成模塊，固化在 PLC 中。從目前的應(yīng)用情況來(lái)看， PLC 還大都只是承擔(dān)最基本的控制功能，如順序控制、數(shù)據(jù)采集和 PID 反饋控制。 工業(yè)過(guò)程的復(fù)雜性以及對(duì)于控制日益提高的要求，各種先進(jìn)控制算法越來(lái)越多的深入到控制領(lǐng)域，隨著越來(lái)越多的 PLC 產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)， PLC 控制系統(tǒng)越來(lái)越開(kāi)放。但由于 PLC的編程目前還限于低級(jí)語(yǔ)言（如梯形圖），所以，給在 PLC 上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法帶來(lái)了困難。 SIEMENS（西門子）在 PLC 的編程系統(tǒng) STEP7 中提供了比較豐富的功能模塊，使先進(jìn)控制策略在 S7200 的 PLC 上得到較好的實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)是從工業(yè)控制的實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，是通過(guò)一些 PLC 程序在 PLC 以及 MCGS組態(tài)軟件上得以實(shí)現(xiàn)，提高和擴(kuò)展了組態(tài)軟件和 PLC 的應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍，大大提高了系統(tǒng)的控制水平。 本課題的設(shè)計(jì)是先通過(guò)工控組態(tài)軟件 MCGS 在組態(tài)環(huán)境下做出一個(gè)關(guān)于上下水箱液 5 位控制的動(dòng)態(tài)連接界面，接著應(yīng)用 SIEMENS（西門子）公司的 S7200 系列進(jìn)行程序的編寫，在 MCGS 組態(tài)環(huán)境中設(shè)置完全正確的情況下將組態(tài)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)界面和編寫的 PLC程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接。在通訊接口設(shè)備通訊狀況良好的條件下，操作人員只需要在電腦上進(jìn)行一些參數(shù)數(shù)據(jù) 的操作和改動(dòng)就可以達(dá)到對(duì)上下水箱液位控制的目的。操作人員可隨時(shí)通過(guò)動(dòng)畫(huà)界監(jiān)測(cè)到上下水箱的液位變化情況，提高了安全性的同時(shí)也減少了生產(chǎn)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。這對(duì)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制的工程化、實(shí)用化、轉(zhuǎn)化社會(huì)生產(chǎn)力，對(duì)縮短控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，加快先進(jìn)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，提高我國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化水平有著重大意義 ]2[ 。 6 2 西門子 S7200PLC 介紹 SIMATIC S7200 系列是西門子公司 20 世紀(jì) 90 年代投入市場(chǎng)的小型可編程序控制器，適用于 各行各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。 S7200 系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。 S7200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1）極高的可靠性； （ 2）極豐富的指令集； （ 3） 易于掌握； （ 4） 便捷的操作； （ 5）豐富的內(nèi)置集成功能； （ 6） 實(shí)時(shí)特性； （ 7）強(qiáng)勁的通訊能力； （ 8）豐富的擴(kuò)展模塊。 S7200PLC 的結(jié)構(gòu) S7200 PLC 硬件系統(tǒng)的配置方式：主機(jī)中包含一定量 的輸入 /輸出點(diǎn) ， 同時(shí)還可以擴(kuò)展 I/O 模塊和各種功能模塊。 一個(gè)完整的系統(tǒng)組成： （ 1） 基本單元包括 CPU、存儲(chǔ)器、基本輸入 /輸出點(diǎn)和電源等，是 PLC 的主要部分。 （ 2） 擴(kuò)展單元是主機(jī) I/O 點(diǎn)數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時(shí)，用戶可根據(jù)需要擴(kuò)展各種 I/O 模塊。 （ 3） 特殊功能模塊是當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時(shí) ， 需要擴(kuò)展功能模塊 ，它們是完成某種特殊任務(wù)的一些裝置。 （ 4） 相關(guān)設(shè)備是為充分和方便的利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開(kāi)發(fā)和使用的一些設(shè)備。 （ 5） 工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設(shè)備而開(kāi)發(fā)的與之配 套的程序。 S7200 系列是專為工業(yè)場(chǎng)合設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由 CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。 CPU 一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成， 7 這些電路都集成在一個(gè)芯片上。 CPU 通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出接口電路相連接。 存儲(chǔ)器有兩種類型：只讀類型的存儲(chǔ)器 EEPROM 和讀寫隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM，它們集成在 CPU 模塊內(nèi)部。輸入輸出單元包含兩部分：一是與被控設(shè)備相連的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。輸入輸出接口電路都采用了電氣隔離技術(shù)，具有很高的 可靠性和極強(qiáng)的抗干擾能力。 S7200PLC 的工作原理 S7200 采用循環(huán)掃描方式，一個(gè)掃描周期一般包括五個(gè)階段 :輸入處理、執(zhí)行程序、處理通訊請(qǐng)求、執(zhí)行 CPU 自診斷測(cè)試和寫輸出。 輸入處理階段對(duì)個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行輸入掃描，并將各掃描結(jié)果分別寫入對(duì)應(yīng)的映像寄存器中。 在執(zhí)行程序階段， CPU 從第一條指令開(kāi)始順序取指令并執(zhí)行，直到最后一條指令結(jié)束。執(zhí)行指令時(shí)從映像寄存器中讀取各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，每條指令的執(zhí)行是對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果送到輸出映像寄存器中。 在掃描周期的信息處 理階段， CPU 自動(dòng)檢測(cè)并處理各通訊端口接收到的任何信息。即檢查是否有編程器、計(jì)算機(jī)等的通信請(qǐng)求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，在這一階段完成數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。 CPU 自診斷階段， CPU 檢測(cè)主機(jī)硬件，同時(shí)也檢查所有的輸入輸出模塊的狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)異常，則停機(jī)并顯示出錯(cuò)。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。 寫輸出階段， CPU 用輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)幾乎同時(shí)集中對(duì)輸出點(diǎn)進(jìn)行刷新，通過(guò)輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備所能接受的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備。掃描周期執(zhí)行的任務(wù)依賴于 CPU 的工作模式， S7200 CPU 有兩種操作模式： STOP 模式 和 RUN 模式。對(duì)于掃描周期， STOP模式和 RUN模式的主要差別是在 RUN模式下運(yùn)行用戶程序，而在 STOP模式下不運(yùn)行用戶程序。 S7200PLC 上控制算法的介紹 隨著 PLC 技術(shù)不斷增強(qiáng)，運(yùn)行速度不斷提高，不斷可以完成順序控制的功能，還可以通過(guò) PID 指令完成復(fù)雜的閉環(huán)控制功能。 PID 指令的功能是進(jìn)行 PID 計(jì)算，其指令格式如下： PID 指令梯形圖 8 圖 21 PID 梯形圖 當(dāng) EN 有效時(shí)，根據(jù) PID 參數(shù)表中的輸入信息和組態(tài)信息，進(jìn)行 PID 運(yùn)算。 PID 指令的功能說(shuō)明如下： （ 1） TBL 是參數(shù)表的首地址，是由變 量寄存器 VB 指定的字節(jié)型數(shù)據(jù)； LOOP 是回路號(hào)，是 0～ 7 的常數(shù)。 （ 2） 在一個(gè)應(yīng)用程序中，最多可用 8 個(gè) PID 控制回路，一個(gè) PID 控制回路只能使用 1 條PID 指令，每個(gè) PID 控制回路必須使用不同的回路號(hào)。 （ 3） 影響允許輸出 ENO 正常工作出錯(cuò)條件為： (溢出 )， (運(yùn)行時(shí)間 )， 0006（間接尋址） PID 指令的參數(shù)表及初始化： 為執(zhí)行 PID 指令，要對(duì) PID 參數(shù)表進(jìn)行初始化處理，即將 PID 參數(shù)表中的有關(guān)參數(shù)，按照地址偏移量寫入到寄存器 V 中。一般是調(diào)用一個(gè)子程序，在子程序中對(duì) PID 參數(shù)表進(jìn)行初始化處理。以 TBL 為首地址的參數(shù)表中共包含 9 個(gè)參數(shù)，用于進(jìn)行 PID 運(yùn)行的監(jiān)視和