【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能話、小型化等方面快速發(fā)展 [3]。 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛 ,但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講 ,總體發(fā)展水平仍然不高 ,同日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比仍然有著較大的差距。目前 ,我國在這方面總 體水平處于 20世紀(jì) 80年代中后期水平 ,成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位 ” 控制及常規(guī)的 PID 控制器為主 ,它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制 ,難于控制滯后、復(fù)雜、 時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟 。 形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及我國現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定。 這些差距，是我們必須努力克 服的。隨著我國 加入 WTO，我國政府及企業(yè)對(duì)此非常重視，對(duì)相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相 繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過合資、技術(shù)合作等方式，組建了一批合資、合作及獨(dú)資企業(yè)，使我國溫度儀表等工業(yè)得到迅速的發(fā)展 [4]。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì) 溫度控制系統(tǒng) 的要求愈來愈高， 因此， 高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國內(nèi)外必然發(fā)展趨勢(shì)。 項(xiàng)目 研究?jī)?nèi)容 可編程控制器 (PLC)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱 (PLC、工業(yè)機(jī)器人、 CAD/CAM)之一。 PLC 的應(yīng)用已成為一個(gè)世 界潮流，在不久的將來 PLC 技術(shù)在我國將得到更全面的推廣 和 應(yīng)用。 本論文研究的是 PLC 技術(shù) 在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用。從整體上分析和研究了控制 系統(tǒng) 的硬件配置、電路圖的設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)，控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。 本論文 通過 德國 西門子 公司的 S7200系列 PLC控制器，溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到 PLC中進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)， PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱 的通斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子溫度的控制。 同時(shí)利用 亞 控 公司的 組態(tài)軟件 “組態(tài)王” 設(shè) 計(jì)一個(gè) 人機(jī)界面 （ HMI） ， 通過串行口與可編程控制器通信， 對(duì) 控制系統(tǒng)進(jìn)行 全面監(jiān)控 ，從而使用戶操作更方便。總體上包括的技術(shù)路線：硬件設(shè)計(jì)，軟件編程，參數(shù)整定等。 全論文分 七 章 ,各章的主要內(nèi)容說明如下。 第 一 章，對(duì) 溫度控制 系統(tǒng)應(yīng)用的背景 及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 進(jìn)行了闡述，指出了本文的研究意義所在。 第 二 章，簡(jiǎn)單概述了 PLC 和人機(jī)界面的基本概念以及結(jié)構(gòu)功能等基礎(chǔ)內(nèi)容。 第 三 章 ， 主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度 ,介紹該項(xiàng)目的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、 PLC 的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及 PLC 控制器的設(shè) 計(jì)和參數(shù)的整定。 第 四 章， 在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法，編程軟件 STEP7Micro/WIN 的介紹以及本項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)。 第 五 章， 詳細(xì) 介紹了如何在 亞 控公司的 組態(tài)軟件 “組態(tài)王 ” 的基礎(chǔ)上進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì) 。 第六章，展示了系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，然后對(duì)其分析得出結(jié)論。 第七章， 總結(jié)全文。 第二章 PLC 和 HMI 基礎(chǔ) 可編程邏輯控制器是一種 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱 PLC（ Programmable Logic Controller），它使用了可編程序的記憶 以存儲(chǔ)指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程。 可編程控制器 基礎(chǔ) 可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用 20 世紀(jì) 60 年代 ，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價(jià)格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得推廣。 1968 年，美國通用汽車公司（ GM）為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，立即引發(fā)了開發(fā)熱潮 。 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來 。 隨著 PLC 功能的不斷完善，性價(jià)比的不斷提高， PLC 的應(yīng)用面也越來越廣。目前， PLC 在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè) 。 PLC的應(yīng)用范圍通常可分為開關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng) 控制、過程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等 [5]。 可編程控制器的 組 成和工作原理 PLC 從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結(jié)構(gòu)上基本相同。 無論是整體式還是模塊式，從硬件結(jié)構(gòu)看， PLC 都是由 CPU、 存儲(chǔ)器 、 I/O接口單元及擴(kuò)展接口和擴(kuò)展部件 、 外設(shè)接口及外設(shè)和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。 PLC 的基本結(jié)構(gòu)如圖 21所示 ： 圖 21 PLC 基本結(jié)構(gòu)圖 1） CPU（中央處理器） CPU 是 PLC 的核心，由運(yùn)算器、控制器、寄存器 、系統(tǒng) 總線 ， 外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路構(gòu)成。 它 的功能 是 接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等 ， 是 PLC 不可缺少的組成單元。 主要功能包括以下幾個(gè)方面。 （ 1）接收從編程器或者計(jì)算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲(chǔ)器 存 儲(chǔ)。 （ 2）監(jiān)視電源、 PLC 內(nèi)部各個(gè)單元電路的工作狀態(tài)。 （ 3）診斷編程過程中的 語法錯(cuò)誤，對(duì)用戶程序進(jìn)行編譯。 （ 4）在 PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。 （ 5）采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。 （ 6）按程序進(jìn)行處理，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。 （ 7）根據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，將結(jié)果送到輸出接口。 （ 8）響應(yīng)中斷和各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機(jī)等）的任務(wù)處理請(qǐng)求。 2） I/O 接口 PLC 是通過各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量， I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置 能力 的限制 ，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 I/O模塊集成了 PLC 的 I/O電路，其輸入暫存器 輸 入 接 口 中 央 處 理 單 元CPU 輸 出 接 口 電源 存儲(chǔ)單元 反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。 PLC 的對(duì)外功能主要是通過各種 I/O 接口模塊于外界聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是 PLC 與現(xiàn)場(chǎng) I/O 裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著 PLC 與外部設(shè)備之間的傳遞信息的作用。 I/O 模塊分為開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入和 模擬量輸出等模塊。 3）存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器（內(nèi)存）主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是 PLC不可缺少的組成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器 用于存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲(chǔ)器（ ROM） ，具有掉 電不丟失信息的特性。用戶程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設(shè)計(jì)的控制程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（ RAM） ，需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲(chǔ)器（ EEPROM） 或閃存 (Flash Memory)，免去了后備電池的麻煩。 4） 電源模塊 PLC 中的電源，是為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。電源 可分直流和交流兩種 類型 ， 交流 輸入 220VAC 或 110VAC， 直流輸入通常是 24V。 5）智能模塊 除了上述通用的 I/O 模塊外， PLC 還提供了各種各樣的特殊 I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、 位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程 I/O控制、打印機(jī)等專用型或智能型的 I/O 模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。 I/O 模塊的類型 、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好， 模塊的 I/O容量越大，系統(tǒng)的適應(yīng)性就越強(qiáng)。 6）編程設(shè)備 常見的編程設(shè)備有簡(jiǎn)易手持編程器、智能圖形編程器和基于 PC 的專用編程軟件。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶程序，對(duì)系統(tǒng)作些設(shè)定，監(jiān)控 PLC 及 PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程設(shè)備在 PLC 的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場(chǎng)的控制。 PLC 本質(zhì)上就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，其工作原理與普通計(jì)算機(jī)類似，具有計(jì)算 機(jī)的許多特點(diǎn)。但其工作方式卻與計(jì)算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式。工作時(shí)逐條順序掃描用 戶程序，如果一個(gè)線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作，需 等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作 [6]。 可編程控制器的分類及特點(diǎn) 根據(jù) PLC 的結(jié)構(gòu)形式，可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類。還有一些 PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。 還可以 按 I/O 點(diǎn)數(shù)分類 ， 根據(jù) PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)的多少，可將 PLC 分為小型、中型、大型和 超大 型 四類 : ? I／ O點(diǎn)數(shù)在 256 以下為小型 PLC； ? I／ O點(diǎn)數(shù)在 256～ 1024 為中型 PLC； ? I／ O點(diǎn)數(shù)大于 1024 為大型 PLC； ? I／ O點(diǎn)數(shù)在 4000 以上為超大型 PLC 可編程控制器有可靠性高、編程簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)單、維修 方便、采用模塊化結(jié)構(gòu)、接口模塊豐富、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試周期短等特點(diǎn) [7]。 人機(jī)界面 基礎(chǔ) 隨著社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，控制過程也變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大 透明 化已經(jīng)成為一種需要 。 人機(jī)界面（ HMI Human Machine Interface） 以其 美觀易懂、操作 人性化等顯著特點(diǎn)，正好滿足這種需求而得到廣泛的應(yīng)用。 人機(jī) 界面的定義 人機(jī)界面是指 連接可編程 控制器（ PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互的數(shù)字設(shè)備 ,由硬件和軟件兩部分組成 。 人機(jī)界面產(chǎn)品的組成及工作原理 人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理器的性能決定了 HMI 產(chǎn)品的性能高低，是 HMI 的核心單元。根據(jù) HMI 的產(chǎn)品等級(jí)不同，處理器可分別選用8 位、 16 位、 32 位的處理器。 HMI 軟件分為兩部分，即運(yùn)行于 HMI 硬件中的系統(tǒng)軟件和運(yùn) 行于 PC 機(jī) Windows 操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如組態(tài) 王等 ）。 用戶 必須先使用組態(tài)軟件制作 “工程文件 ”，再通過 PC 機(jī)和 HMI 產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的 “工程文件 ”下載到 HMI 的處理器中運(yùn)行 。 人機(jī)界面產(chǎn)品的 特點(diǎn) (1) 系統(tǒng)運(yùn)行過程清晰化 控制過程可以動(dòng)態(tài)地顯示在 HMI 設(shè)備上。例如：爐子加熱通斷可以通過指示燈亮滅來顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來指示等等，使整個(gè)控制系統(tǒng)變得形象易懂 ，也更加清晰。 (2) 系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單化 操作員可以通過 監(jiān)控界面 來控制過程。 可 從 監(jiān)控界面上啟動(dòng)和停止系統(tǒng)、設(shè)定溫度上下限、設(shè)置 PID 參數(shù)等。 (3) 顯示報(bào)警 控制過程達(dá)到臨界狀態(tài)或系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，例如，當(dāng)爐子溫度超出溫度上下限時(shí)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。 (4) 數(shù)據(jù)歸檔 HMI 系統(tǒng)可以記錄過程變量值和報(bào)警信息并歸檔。例如：通過歸檔數(shù)據(jù)，您可以查看過去一段時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)行情況，過程變量等。 (5) 報(bào)表系統(tǒng) HMI 系統(tǒng)可以輸出報(bào)警 和過程值報(bào)表。例如，您可以在生產(chǎn)某一輪班結(jié)束時(shí)打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù) [8]。 第三章 PLC 控制系統(tǒng) 硬件 設(shè)計(jì) 在掌握了 PLC 的硬件構(gòu)成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后 ，就可以PLC 作為主要控制器來構(gòu)造 PLC 控制系統(tǒng)。 本章主要 從 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度 ， 介紹 該 項(xiàng)目的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、 PLC 的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及 PLC 控制器的設(shè)