【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 測(cè)與顯示爐內(nèi)溫度； 2． 具有自診斷實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，檢測(cè)各通道是否正常，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行聲音和視覺報(bào)警并顯示故障點(diǎn)。 5 第 3 章 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 1．充分發(fā)揮 PLC 功能，最大限度地滿足被控對(duì)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(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、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(jìn)，在選擇 PLC 的型號(hào)、 I／ O 點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量等 內(nèi)容時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以利于系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 設(shè)計(jì) PLC 應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，首先是進(jìn)行 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，即根據(jù)被控對(duì)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(jìn)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(hào)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(jī)型和系統(tǒng)的具體配置 [5]。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟可參考圖 。 6 圖 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 PLC 的選型與硬件配置 PLC 型號(hào)的選擇 本項(xiàng)目的溫度控制系統(tǒng)選擇德國(guó)西門子公司的 S7200 型的 PLC。 它的硬件配置靈活，既可用一個(gè)獨(dú)立的 S7200 CPU 構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)字量 I/O 模塊 ， 模擬量模塊或智能接口模塊的擴(kuò)展 ，組成中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng) [6]。 如圖 所示 PLC 實(shí)物。 評(píng)估控制任務(wù) PLC 機(jī)型的選擇 控制柜設(shè)計(jì)及布線 程序設(shè)計(jì) 聯(lián)機(jī)調(diào)試 PLC 安裝 程序檢查、調(diào)試 控制流程的設(shè)計(jì) 程序備 份 修改軟、硬件 模擬運(yùn)行 投入使用 是否滿足要求 7 圖 S7200 系列 PLC 實(shí)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(xiàng)目選用 S7200 CPU226， CPU226集成了 24 點(diǎn)輸入 /16 點(diǎn)輸出，共有 40 個(gè)數(shù)字量輸入輸出端口?？膳c 7個(gè)擴(kuò)展模塊相連，最大連接 248 點(diǎn)數(shù)字量或 35 點(diǎn)模擬量 I/O。還有 13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的 30KHz 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20KHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。配有 2 個(gè) 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(xiàng)目傳感器將檢測(cè)到的溫度轉(zhuǎn)換成 0～ 41mv 的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量，輸入模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)送至 PLC 中進(jìn)行運(yùn)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(gè)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(hào)，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(jìn)行組態(tài)：熱電偶類型選擇 SW1～ SW3， SW4 不使 用，斷線檢測(cè)方向使用SW5，是否進(jìn)行斷線檢測(cè)選擇了 SW6， 測(cè)量單位選擇了 SW7，是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償選擇了 SW8。本系統(tǒng)選用 K 型熱電偶為溫度檢測(cè)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(hào) 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(jī)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 所示 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(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的裝置。其中熱電偶和熱電阻是最常用于測(cè)量溫度的裝置，熱電偶是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào) ， 熱電阻是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)。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(xiàng)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(guó)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(cè)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(diǎn)分配及電氣連接圖 （ 1）該溫度控制系統(tǒng)中輸入輸出點(diǎn)分配表如表 所示。 表 （ 2）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)選用 PLC CPU226 為控制器， K 型熱電偶將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電勢(shì)變化，經(jīng)過 EM231 模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)， PID 控制器輸輸入觸點(diǎn) 功能說明 輸出觸點(diǎn) 功能說明 啟動(dòng)按鈕 運(yùn)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(hào)，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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。整個(gè)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(jì) 控制器的設(shè)計(jì)是基于模型控制設(shè)計(jì)過程中至關(guān)重要。首先要以受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對(duì)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(jì)算機(jī) P L C EM231 模塊 固態(tài)繼電器 熱電偶 試驗(yàn)機(jī) 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(dá)式為： （ ） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (1) 比例系數(shù) KC對(duì)系統(tǒng)性能的影 響： 比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)間加長(zhǎng)。Ｋ c太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。Ｋ c太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。Ｋ c 可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。如果Ｋ c的符號(hào)選擇不當(dāng)對(duì)象狀態(tài) (pv 值 )就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài) (sv 值 )越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況Ｋ c的符號(hào)就一定要取反。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (2) 積分控制 Ｔ i對(duì)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(qiáng) ）會(huì)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(cuò)誤 !未找到引用源。 (3) 微分控制Ｔ d對(duì)系統(tǒng)性能的影響： 微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，Ｔ d 偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。Ｔ d偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。只有Ｔ d合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。 至此溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)完成。在系統(tǒng)運(yùn)行之前，還需要進(jìn)行控制器