【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ........................................ 42 變量設(shè)置 ..................................................................................................................................... 42 動(dòng)畫(huà)連接 ..................................................................................................................................... 44 第六章 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及分析 ................................................................................................................ 46 系統(tǒng)運(yùn)行 ..................................................................................................................................... 46 運(yùn)行結(jié)果分析 ............................................................................................................................. 47 溫度趨勢(shì)曲線(xiàn)分析 ............................................................................................................ 47 報(bào)警信息分析 .................................................................................................................... 49 第七章 總結(jié) .............................................................................................................................................. 50 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................................... 51 致 謝 ............................................................................................................................................................. 52 1 第一章 前言 項(xiàng)目背景、意義 溫度控制在電子、冶金、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求極高。目前 ,仍有相當(dāng)部分工 業(yè)企業(yè)在用窯、爐等 烘干生產(chǎn)線(xiàn) ，存在著控制精度不高、 爐內(nèi)溫度均勻性差等問(wèn)題 ,達(dá)不到工藝要求，造成裝備運(yùn)行成本費(fèi)用高，產(chǎn)出品品質(zhì)低下，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，急需技術(shù)改造。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)溫度控制器的研究進(jìn)行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，溫度控制器的研究取得了巨大的發(fā)展，形成了 一批商品化的溫度調(diào)節(jié)器 ，如 :職能化 PID、模糊控制、自適應(yīng)控制等，其性能、控制效果好 ,可廣泛應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關(guān)設(shè)備的技術(shù)改造服務(wù)。 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi) ,PLC（可編程控制器） 以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程 簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性?xún)r(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。目前的工業(yè)控制中 ,常常選用 PLC 作為現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備 ,用于數(shù)據(jù)采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機(jī)則是利用 HMI 軟件來(lái)完成工業(yè)控制狀態(tài)、流程和參數(shù)的顯示 ,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和存儲(chǔ)等功能 。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了 PLC 和計(jì)算機(jī)各自的特點(diǎn) ,得到了廣泛的應(yīng)用。在這種方式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套溫度控制系統(tǒng)。以基于 PLC 的下位機(jī)和完成 HMI 功能的上位機(jī)相結(jié)合 ,構(gòu)建成分布式控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)了溫度自動(dòng)控制。 PLC 不僅具有傳統(tǒng)繼電 器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴(kuò)展輸入輸出模塊，特別是可以擴(kuò)展一些智能控制模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體，實(shí)現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制?，F(xiàn)代 PLC 以集成度高、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定受到普遍歡迎，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用 ,尤其適合溫度控制的要求。 此外，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，用戶(hù)對(duì)控制系統(tǒng)的過(guò)程監(jiān)控要求越來(lái)越高， 人機(jī)界面 （ HMI） 的 出現(xiàn)正好滿(mǎn)足了用戶(hù)這一需求。 人機(jī)界面 可以 對(duì) 控2 制系統(tǒng)進(jìn)行 全面監(jiān)控 ，包括參數(shù)監(jiān)測(cè) 、信息處理、在線(xiàn)優(yōu)化、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單 易懂、操作 人性化，深受廣大用戶(hù)的喜歡。人機(jī)界面（ HMI）在自動(dòng)控制領(lǐng)域的作用日益顯著。 HMI正在成為引導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)制造走向成功的重要因素，因?yàn)檫@些系統(tǒng)越來(lái)越多的用于監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，讓 過(guò)程變得更加準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔和快速。 HMI 其實(shí)廣義的解釋就是 “ 使用者與機(jī)器間溝通、傳達(dá)及接收信息的一個(gè)接口 ” 。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，在一座工廠(chǎng)里頭，我們要搜集工廠(chǎng)各個(gè)區(qū)域的溫度、濕度以及工廠(chǎng)中機(jī)器的狀態(tài)等等的信息透過(guò)一臺(tái)主控器監(jiān)視并記錄這些參數(shù)，并在一些意外狀況發(fā)生的時(shí)候能夠加以處理。這便是一個(gè)很典型的 SCADA/HMI 的運(yùn)用，一般而言， HMI 系統(tǒng)必須有幾項(xiàng)基本的能力： 實(shí)時(shí)的資料趨勢(shì)顯示 —— 把擷取的資料立即顯示在屏幕上。 自動(dòng)記錄資料 —— 自動(dòng)將資料儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便日后查看。 歷 史資料趨勢(shì)顯示 —— 把數(shù)據(jù)庫(kù)中的資料作可視化的呈現(xiàn)。 報(bào)表的產(chǎn)生與打印 —— 能把資料轉(zhuǎn)換成報(bào)表的格式，并能夠打印出來(lái)。 圖形接口控制 —— 操作者能夠透過(guò)圖形接口直接控制機(jī)臺(tái)等裝置。 警報(bào)的產(chǎn)生與記錄 —— 使用者可以定義一些警報(bào)產(chǎn)生的條件 。 比方說(shuō)溫度過(guò)度或壓力超過(guò)臨界值，在這樣的條件下系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生警報(bào)，通知作業(yè)員處理 [1]。 溫控 系統(tǒng)的 現(xiàn)狀 自 70 年代以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速， 并 在職能化 、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表 ,并在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用 [2]。它們主要具有如下特點(diǎn) :1)適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。 2)能適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。 3)能適應(yīng)于受控系統(tǒng)過(guò)程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。 4)這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工職能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛。 5)溫度控制器普遍具有參 數(shù)自整定功能。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制3 參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。 6)溫度控制系統(tǒng)既有控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。目前 ,國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能話(huà)、小型化等方面快速發(fā)展 [3]。 溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛 ,但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講 ,總體發(fā)展水平仍然不高 ,同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比仍然有著較大的差距。目前 ,我國(guó)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(guó)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(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開(kāi)發(fā)工作的滯后，還沒(méi)開(kāi)發(fā)出性能可靠的自整定軟件。控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定。 這些差距，是我們必須努力克 服的。隨著我國(guó) 加入 WTO，我國(guó)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(guó)家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過(guò)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(guó)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(lái)愈高， 因此， 高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國(guó)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(lái) PLC 技術(shù)在我國(guó)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(guò) 德國(guó) 西門(mén)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(guò)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(guò)固態(tài)繼電器控制爐子加熱4 的通斷來(lái)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(guò)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(hù)操作更方便?？傮w上包括的技術(shù)路線(xiàn)：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(shuō)明如下。 第 一 章，對(duì) 溫度控制 系統(tǒng)應(yīng)用的背景 及國(guó)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。 5 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(chēng) PLC（ Programmable Logic Controller），它使用了可編程序的記憶 以存儲(chǔ)指令，用來(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guó)通用汽車(chē)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(hù)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(kāi)發(fā)熱潮 。 1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）根據(jù)美國(guó)通用汽車(chē)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(chē)公司的自動(dòng)裝配線(xiàn)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(lái) 。 隨著 PLC 功能的不斷完善，性?xún)r(jià)比的不斷提高， PLC 的應(yīng)用面也越來(lái)越廣。目前， PLC 在國(guó)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(chē)、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè) 。 PLC的應(yīng)用范圍通常可分為開(kāi)關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng) 控制、過(guò)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(wú)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