【文章內(nèi)容簡介】 場裝置(含變送器、執(zhí)行器等)進行遠程診斷、維護和組態(tài)，這是其他系統(tǒng)無法達到的 [9]。但是，F(xiàn)CS 還沒有完全成熟，它才剛剛進入實用化的現(xiàn)階段，另一方面，另一方面， 目前現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準共有 12 種之多，這給 FSC 的廣泛應(yīng)用添加了很大的阻力。各種溫度系統(tǒng)都有自己的優(yōu)缺點，用戶需要根據(jù)實際需要選擇系統(tǒng)配置，當(dāng)然，在實際運用中，為了達到更好的控制系統(tǒng)，可以采取多個系統(tǒng)的集成，做到互補長短。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、德國等先進國家相比有著較大差距。成熟產(chǎn)品主要以“點位”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、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、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，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試確定。國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自3整定等方面取得成果。日本、美國、德國、瑞典等技術(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，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展 [10]。本論文主要是利用 PLC S7200 采用 PID 控制技術(shù)做一個溫度控制系統(tǒng)，要求穩(wěn)定誤差不超過正負 1℃，并且用組態(tài)軟件實現(xiàn)在線監(jiān)控。具體有以下幾方面的內(nèi)容：第一章，對 PLC 系統(tǒng)應(yīng)用的背景進行了闡述，并介紹當(dāng)前溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。第二章，簡單概述了 PLC 的基本概念以及組成。第三章，介紹了控制系統(tǒng)設(shè)計所采用的硬件連接、使用方法以及編程軟件的簡單介紹。第四章，介紹了本論文中用到的一些算法技巧和思想，包括 PWM、PID 控制、PID 在 PLC 中的使用方法以及 PID 的參數(shù)整定方法。 第五章，介紹了設(shè)計程序的設(shè)計思想和程序，包括助記符語言表和梯形圖。第六章，介紹了組態(tài)畫面的設(shè)計方法。第七章，進行系統(tǒng)設(shè)計，檢驗控制系統(tǒng)控制質(zhì)量。第八章,對全文進行總結(jié)。4第二章 可編程控制器的概述 可編程控制器的產(chǎn)生可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，英 文 全 稱 ： Programmable Controller， 為 了 和 個 人 計 算 機 (PC)區(qū) 分 ， 一 般 稱 其 為 PLC。 可 編 程 控 制 器(PLC)是 繼 承 計 算 機 、 自 動 控 制 技 術(shù) 和 通 信 技 術(shù) 為 一 體 的 新 型 自 動 裝 置 。 其 性能 優(yōu) 越 ， 已 被 廣 泛 地 應(yīng) 用 于 工 業(yè) 控 制 的 各 個 領(lǐng) 域 。20 世紀 60 年代，計算機技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但由于價格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大，未能在工業(yè)領(lǐng)域中獲得推廣。 1968 年，美國的汽車制造公司通用汽車公司(GM)提出了研制一種新型控制器的要求，并從用戶角度提出新一代控制器應(yīng)具備十大條件，立即引起了開發(fā)熱潮。1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出了世界上第一臺可編程序控制器，并應(yīng)用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上?？删幊炭刂破髯詥柺酪詠恚l(fā)展極為迅速。1971 年日本開始生產(chǎn)可編程控制器，而歐洲是 1973 開始的。如今，世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器 [11]?？删幊炭刂破鲝恼Q生到現(xiàn)在經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，見表 11。 表 11 可編程控制器功能表代次 器件 功能第一代 1 位處理器 邏輯控制功能第二代 8 位處理器及存儲器 產(chǎn)品系列化第三代 高性能 8 位微處理器及位片式微處理器處理速度提高，向多功能及聯(lián)網(wǎng)通信發(fā)展第四代 16 位、32 位微處理器及高性能位片式微處理器邏輯、運動、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)功能的多功能 可編程控制器的基本組成PLC 從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種。整體式 PLC 一般由 CPU5板、I/O 板、顯示面板、內(nèi)存和電源組成。模塊式 PLC 一般由 CPU 模塊、I/O 模塊、內(nèi)存模塊、電源模塊、底版或機架組成。本論文實物采用的是模塊式的PLC，不管哪種 PLC，都是屬于總線式的開發(fā)結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成如圖 21 所示 [12]。圖 21 PLC 的組成 1) CPU（中央處理器）和一般的微機一樣，CPU 是微機 PLC 的核心，主要由運算器、控制器、寄存器以及實現(xiàn)他們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構(gòu)成。CPU 在很大程度上決定了 PLC 的整體性能，如整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量。CPU 控制著 PLC 工作，通過讀取、解釋指令，指導(dǎo) PLC 有條不紊的工作。2) 存儲器 存儲器（內(nèi)存）主要用語存儲程序及數(shù)據(jù)，是 PLC 不可缺少的組成部分。PLC 中的存儲器一般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。系統(tǒng)程序一般由廠家編寫的，用戶不能修改；而用戶程序是隨 PLC 的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應(yīng)用程序。3) 輸入輸出模塊 輸入模塊和輸出模塊通常稱為 I/O 模塊或 I/O 單元。PLC 提供了各種工作電平、連接形式和驅(qū)動能力的 I/O 模塊，有各種功能的 I/O 模塊供擁護選用。按 I/O6點數(shù)確定模塊的規(guī)格和數(shù)量，I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 PLC 所能管理的配置能力，即底版的限制。 PLC 還提供了各種各樣的特殊的 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、高速計算器、位置控制、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、溫度控制、中斷控制、聲音輸出、打印機等專用型或智能型模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的 CPU、系統(tǒng)程序、存儲器及與 PLC 系統(tǒng)總線相連接的接口。4)編程裝置編程器作用是將用戶編寫的程序下載至 PLC 的用戶程序存儲器，并利用編程器檢查、修改和調(diào)試用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過程，顯示 PLC 狀態(tài)、內(nèi)部器件及系統(tǒng)的參數(shù)等。常見的編程器有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于 PC 的專用編程軟件。目前 PLC 制造廠家大都開發(fā)了計算機輔助 PLC 編程支持軟件，當(dāng)個人計算機安裝了 PLC 編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計算機和 PLC 之間的通信接口實現(xiàn)用戶程序的雙向傳送、監(jiān)控 PLC 運行狀態(tài)等。 5）電源 PLC 的電源將外部供給的交流電轉(zhuǎn)換成供 CPU、存儲器等所需的直流電，是整個 PLC 的能源供給中心。PLC 大都采用高質(zhì)量的工作穩(wěn)定性好、抗干擾能力強的開關(guān)穩(wěn)壓電源，許多 PLC 電源還可向外部提供直流 24V 穩(wěn)壓電源，用于向輸入接口上的接入電氣元件供電，從而簡化外圍配置。7第三章 硬件配置和軟件環(huán)境 西門子 S7200S7200 系列 PLC 可提供 4 種不同的基本單元和 6 種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。本論文采用的是 CUP224。它具有 24 個輸入點和 16 個輸出點。S7200 系列的基本單元如表 31 所示 [13]。表 31 S7200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本單元型 號 輸入點 輸出點 可帶擴展模塊數(shù)S7200CPU221 6 4 0S7200CPU222 8 6 2 個擴展模塊S7200CPU224 14 10 7 個擴展模塊S7200CPU224XP 24 16 7 個擴展模塊S7200CPU226 24 16 7 個擴展模塊 傳感器熱 電 偶 是 一 種 感 溫 元 件 ， 它 直 接 測 量 溫 度 ， 并 把 溫 度 信 號 轉(zhuǎn) 換 成 熱 電 動 勢信 號 。 常 用 熱 電 偶 可 分 為 標(biāo) 準 熱 電 偶 和 非 標(biāo) 準 熱 電 偶 兩 大 類 。 所 調(diào) 用 標(biāo) 準 熱 電偶 是 指 國 家 標(biāo) 準 規(guī) 定 了 其 熱 電 勢 與 溫 度 的 關(guān) 系 、 允 許 誤 差 、 并 有 統(tǒng) 一 的 標(biāo) 準 分度 表 的 熱 電 偶 ， 它 有 與 其 配 套 的 顯 示 儀 表 可 供 選 用 。 非 標(biāo) 準 化 熱 電 偶 在 使 用 范圍 或 數(shù) 量 級 上 均 不 及 標(biāo) 準 化 熱 電 偶 ， 一 般 也 沒 有 統(tǒng) 一 的 分 度 表 ， 主 要 用 于 某 些特 殊 場 合 的 測 量 。 標(biāo) 準 化 熱 電 偶 我 國 從 1988 年 1 月 1 日 起 ， 熱 電 偶 和 熱 電阻 全 部 按 IEC 國 際 標(biāo) 準 生 產(chǎn) ， 并 指 定 S、 B、 E、 K、 R、 J、 T 七 種 標(biāo) 準 化 熱電 偶 為 我 國 統(tǒng) 一 設(shè) 計 型 熱 電 偶 。 本 論 文 才 用 的 是 K 型 熱 電 阻 [14]。8 EM 231 模擬量輸入模塊傳感器檢測到溫度轉(zhuǎn)換成 0～41mv 的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入 PLC 中進行處理。在這里，我們選用了西門子 EM231 4TC 模擬量輸入模塊。EM231 熱電偶模塊提供一個方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、 E、N、S 、T 和 R 型，它也允許連接微小的模擬量信號(177。80mV 范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。EM231 模塊需要用戶通過 DIP 開關(guān)進行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷端補償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組態(tài) DIP 開關(guān)進行以上選擇，如圖 32 所示。本設(shè)計采用的是 K 型熱電偶，結(jié)合其他的需要，我們設(shè)置 DIP 開關(guān)為 00100000。對于 EM231 4TC 模塊，SW1～SW3 用于選擇熱電偶類型，見表 33 。SW4 沒有使用，SW5 用于選擇斷線檢測方向，SW6 用于選擇是否進行斷線檢測，SW7 用于選擇測量單位，SW8 用于選擇是否進行冷端補償，見表 34[15]。為了使 DIP 開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給 PLC 的電源斷電再通電。圖 32 EM231 模塊 DIP 開關(guān)9表 33 熱電偶類型選擇熱電偶類型 SWI SW2 SW3J（默認） 0 0 0K 0 0 1T 0 1 0E 0 1 1R 1 0 0S 1 0 1N 1 1 0+/80mv 1 1 1表 34 熱電偶其他設(shè)置DIP 開關(guān) 功能 開/關(guān)狀態(tài)正向標(biāo)定 0SW5 熔斷方向負定方向 1啟動斷線測量電流 0SW6 斷線禁止斷線測量電流 1攝氏 0SW7 測量單位華氏 1冷端補償啟用 0SW8 冷端啟用冷端補償禁止 1 STEP 7 Micro/WIN32 軟件介紹 STEP 7MWIN32 編程軟件是基于 Windows 的應(yīng)用軟件，是西門子公司專門為 SIMTIC S7200 系列 PLC 設(shè)計開發(fā)的。該軟件功能強大，界面友好，并有方便的聯(lián)機功能。用戶可以利用該軟件開發(fā)程序，也可以實現(xiàn)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該軟件是 SIMATIC S7200 擁護不可缺少的開發(fā)工具 STEP 7MWIN32 在開始安裝的時候是選擇語言界面，對于版本 來說，這時候沒有選擇中文的，但可以先選擇其他語言，見圖 35。等軟件安裝好之后再進行語言的切換。10圖 35 語言選擇界面 在安裝的最后，會出現(xiàn)一個界面，按照硬件的配置，我們需要用 232 通信電纜，采用 PPI 的通信方式，所以要選擇 PPI/PC Cable(PPI)，這個時候在彈出來的窗口中選擇端口地址，通信模式，一般選擇默認就可以了，見圖 36。 圖 36 通信設(shè)置界面 如果想改變編程界面的語言，可在軟件的主界面的工具欄中選擇 tools 目錄下選擇 option 選項，在出現(xiàn)的界面中選擇 general,然后在右下角就可以選擇中文了。見圖 37 所示。11圖 37 語言重設(shè)界面 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)塊用來設(shè)置 S7200 CPU 的系統(tǒng)選項和參數(shù)等。系統(tǒng)塊更改后需要下載到 CPU 中，新的設(shè)置才能生效。系統(tǒng)塊的設(shè)置如下，需要注意的是，PLC 的地址默認是 2，但本設(shè)計中需要用到的地址是 1，如圖 38。通信端口的設(shè)置，同樣的，我們用到的地址是 1，如圖 39 所示。12圖 38 “系統(tǒng)塊對話框” 圖 39 通信端口設(shè)置 13 第四章 控制算法描述 PWM 技術(shù)脈 寬 調(diào) 制 （ PWM） 是 利 用 微 處 理 器 的 數(shù) 字 輸 出 來 對 模 擬 電 路 進 行 控 制的 一 種 非 常 有 效 的 技 術(shù) ， 廣 泛 應(yīng) 用 在 測 量 、 通 信 、 功 率 控 制 與 變 換 的 許 多 領(lǐng)域 中 。PWM 是 一 種 對 模 擬 信 號 電 平 進 行 數(shù) 字 編 碼 的 方 法 。 通 過 高 分 辨 率 計 數(shù)器 的 使 用 ， 方 波 的 占 空 比 被 調(diào) 制 用 來 對 一 個 具 體 模 擬 信 號 的 電 平 進 行 編 碼 。PWM 信 號 仍 然 是 數(shù) 字 的 ， 因 為 在 給 定 的 任 何 時 刻 ， 滿 幅 值 的 直 流 供 電 要