【導(dǎo)讀】本人在畢業(yè)設(shè)計（論文）過程中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，恪守學(xué)術(shù)規(guī)范，擔(dān)一切法律責(zé)任。系統(tǒng)變得經(jīng)濟、高效、穩(wěn)定且維護方便?？刂葡到y(tǒng)采用PC+PLC的主從控制結(jié)構(gòu)，組成一種經(jīng)濟可靠。加熱爐溫度控制系統(tǒng)是一個大慣性系統(tǒng)，一般采用PID算法進。行控制，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，對鍋爐工作過程進行自動控制。好的用戶界面，是一種具有一定應(yīng)用價值的實時溫度控制系統(tǒng)。設(shè)計之后系統(tǒng)穩(wěn)定性好、精度高、魯棒性強。

　　

【正文】 標度變換子程序的主要任務(wù)是將3840－ 29568 間的數(shù)字量參數(shù)轉(zhuǎn)換為 24－ 100 度間的實際溫度參數(shù)，以便于后面的顯示。 如果用 P 表示傳送的數(shù)字量信號， N 表示實際的溫度值。那么其關(guān)系如圖 所示。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 圖 溫度與數(shù)字量關(guān)系 用公式表示，可以表示為 (N24)/(P3840)=(10024)/(295683840) ，即N=(76P+325632)/25728，得知這個公式則可進行程序編輯。 標度變換子程序梯形圖附在附錄里。 第四節(jié) PID 初始化子程序及中斷程序 S7－ 200 的編程軟件 STEP 7－ Micro/WIN 提供 PID Wizard（ PID 指令向?qū)В梢詭椭脩舴奖愕厣梢粋€閉環(huán)控制過程的 PID 算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù) PID 運算的自動編程，用戶只需在主程序中調(diào)用 PID 向?qū)傻淖映绦?，就可以完?PID 控制任務(wù)。 在 Micro/WIN 中的命令菜單中選擇工具 → 指令向 導(dǎo)，然后在指令向?qū)Т翱谥羞x擇 PID 指令。在使用向?qū)r必須先對項目進行編譯，如果已有的程序中存在錯誤，或者有沒有編完的指令，編譯不能通過。如果你的項目中已經(jīng)配置了一個 PID 回路則向?qū)赋鲆呀?jīng)存在的 PID 回路，并讓你選擇是配置修改已有的回路，還是配置一個新的回路。在此我選擇配置一個新的回路。 以主控制器 PID1 為例說明 PID 向?qū)Ь幊滩襟E： 定義需要配置的 PID 回路號 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 圖 選擇 PID 回路號 S7－ 200 CPU最多可以支持 8 個 PID 控制回路，且不能將兩個不同 PID 指令設(shè)定為同一回路號。如果兩條或多 條 PID 指令使用相同的回路號碼（即使它們的表格地址不同）， PID 計算會互相干擾，結(jié)果難以預(yù)料。圖 顯示配置 PID回路 設(shè)定 PID 回路參數(shù) 圖 設(shè)置 PID 參數(shù) 上圖 中字母圈的說明： A、定義回路設(shè)定值（ SP，即給定）的范圍：在低限和高限輸入域中輸入實啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 數(shù)，缺省值為 和 ，表示給定值的取值范圍占過程反饋量程的百分比，這個范圍是給定值的取值范圍。它也可以用實際的工程單位數(shù)值表示，如上圖所示 － 代表的是實際的 24－ 100 度。 B、比例增益：即比例系數(shù)，本設(shè)計中設(shè)為 4。 C、積分時間：即積分系數(shù)，本設(shè)計中設(shè)為 10 分鐘。如果不想要積分作用，可以把積分時間設(shè)為無窮大 。 D、微分時間：即微分系數(shù)，本設(shè)計中設(shè)為 0 分鐘。如果不想要微分作用，可以把微分時間設(shè)為 0。 E、采樣時間：是 PID 控制回路對反饋采樣和重新計算輸出值的時間間隔。在向?qū)瓿珊?，若想要修改此?shù)，則必須返回向?qū)е行薷?，不可在程序中或狀態(tài)表中修改，本設(shè)計中設(shè)為 秒。 以上定義 PID 回路的參數(shù)，這些參數(shù)都應(yīng)當(dāng)是實數(shù)。 設(shè)定回路輸入輸出值 圖 設(shè)定 PID 輸入輸出參數(shù) 上圖 中字母圈的 說明： A、指定輸入類型：由于本設(shè)計的輸入是從模擬量擴展模塊傳送過來的，而模塊的輸入是 1－ 5V 電壓信號，不存在負極性，所以不用選擇雙極性，只需選擇單極性就可以，并且不需要使用 20%偏移量。如果使用偏移量，那么過程變量的范圍將會是 6400－ 32020，并不對應(yīng)本設(shè)計中的 24－ 100 度相應(yīng)的數(shù)字量，且不能修改范圍，所以不能勾選。 B、反饋輸入取值范圍：本設(shè)計中 24－ 100度對應(yīng)數(shù)字量范圍是 3840－ 29568，所以此處過程變量范圍就應(yīng)該是 3840－ 29568。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 C、輸出類型：可以選擇模擬量輸出或數(shù)字量輸出。模 擬量輸出用來控制一些需要模擬量給定的設(shè)備，如比例閥、變頻器等；數(shù)字量輸出實際上是控制輸出點的通、斷狀態(tài)按照一定的占空比變化，可以控制固態(tài)繼電器（加熱棒等）。本設(shè)計需要的是輸出一個溫度范圍，以此范圍內(nèi)一個值充當(dāng)副控制器的設(shè)定值。所以選擇模擬量。 D、選擇模擬量則需設(shè)定回路輸出變量值的范圍，并且不需要使用 20%偏移量。如果使用偏移量，那么輸出變量的范圍將會是 6400－ 32020，且不能做修改。 E、取值范圍：主控制器 PID1 的輸出應(yīng)該是一個溫度范圍，應(yīng)和副控制器PID0 的設(shè)定值對應(yīng)，所以應(yīng)該填寫 24－ 100。 設(shè)定回路報警選項 圖 設(shè)定回路報警限幅值 圖 顯示如何設(shè)定回路報警。本設(shè)計暫時沒有設(shè)計報警功能，所以此步驟不需要勾選任何選項。 指定 PID 運算數(shù)據(jù)存儲區(qū) 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 圖 分配運算數(shù)據(jù)存儲區(qū) PID 指令（功能塊）使用了一個 120 個字節(jié)的 V區(qū)參數(shù)表來進行控制回路的運算工作；除此之外， PID 向?qū)傻妮斎?/輸出量的標準化程序也需要運算數(shù)據(jù)存儲區(qū)。需要為它們定義一個起始地址，要保證該地址起始的若干字節(jié)在程序的其它地方?jīng)]有被重復(fù)使用。如果點擊“建議地址”，則向?qū)⒆詣訛槟阍O(shè)定當(dāng)前程序中沒有用過的 V 區(qū)地址。自動分配的地址只是在執(zhí)行 PID 向?qū)r編譯檢測到空閑地址。向?qū)⒆詣訛樵搮?shù)表分配符號名，用戶不要再自己為這些參數(shù)分配符號名，否則將導(dǎo)致 PID 控制不執(zhí)行。上圖 顯示分配 PID 回路地址。 定義向?qū)傻?PID 初使化子程序和中斷程序名及手 /自動模式 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 圖 指定子程序、中斷服務(wù)程序名和選擇手動控制 向?qū)б呀?jīng)為初使化子程序和中斷子程序定義了缺省名，你也可以修改成自己起的名字。上圖 中字母圈的說明： A、指定 PID 初使化子程序的名字。 B、指定 PID 中斷子程序的名字 C、此處可以選擇添 加 PID 手動控制模式。在 PID 手動控制模式下，回路輸出由手動輸出設(shè)定控制，此時需要寫入手動控制輸出參數(shù)一個 － 的實數(shù)，代表輸出的 0％ － 100％而不是直接去改變輸出值。此功能提供了 PID 控制的手動和自動之間的無擾切換能力。本設(shè)計因為是自動控制，所以并不需要手動控制，不勾選此選項。 生成 PID 子程序、中斷程序及符號表等 一旦點擊完成按鈕，將在你的項目中生成上述 PID 子程序、中斷程序及符號表等。如下圖 所示： 圖 生成 PID 子程序、中斷程序和符號表等 調(diào)用向?qū)傻?PID 子程序 圖 PID 子程序在指令樹中的位置 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 圖 調(diào)用 PID 子程序 圖 顯示 PID 子程序在指令數(shù)中的位置，將 PID 子程序從指令樹中直接拖放到主程序中相應(yīng)梯級中去，并且應(yīng)使子程序 EN 位由 無條件使能，否則不能調(diào)用 PID 子程序，如圖 所示。 PV位是回路過程變量值地址，就是采集系統(tǒng)內(nèi)膽與夾套溫度值的數(shù)字量地址。 SP 位是回路給定值地址，就是期望系統(tǒng)達到溫度值的地址。 Output 位是回路輸出值地址。 實際運行并調(diào)試 PID 參數(shù) 沒有一個 PID 項目的參數(shù)不需要修改而能直接運行，因此需要 在實際運行時調(diào)試 PID 參數(shù)。在 STEP 7－ Micro/WIN 中提供了一個 PID 調(diào)節(jié)控制面板，可以用圖形方式監(jiān)視 PID 回路的運行，另外從面板中還可以設(shè)定比例增益、積分時間、微分時間，啟動與停止自整定功能。 以上的 PID 向?qū)Ь幊滩襟E是以主控制器 PID1 為例，副控制器 PID0 的向?qū)Ь幊滩襟E和主控制器 PID0 完全一樣，僅僅是使用了另一套參數(shù)。副控制器 PID0的參數(shù)如下：給定值 SP 范圍為 24－ 100；比例增益為 ；積分時間為 分鐘（意味著不需要積分環(huán)節(jié)作用）；采樣時間為 秒；微分時間為 0 分鐘；輸入過程變量 PV 選擇單極性，輸入范圍為 3840－ 29568；輸出選擇模擬量，輸出范圍勾選使用 20%偏移量（即 6400－ 32020），以此對應(yīng)調(diào)壓裝置控制信號的4－ 20mA。 由于使用 PID 向?qū)?，?PID 向?qū)傻淖映绦颉⒅袛喑绦蛴脩羰菬o法看到的，也不能對其進行修改，所以附錄中無法展示 PID 子程序和中斷程序的梯形圖。但可以在符號表 中查看 PID 向?qū)傻姆柋恚辉跀?shù)據(jù)塊 中查看 PID 指令回路表的相關(guān)參數(shù)。 第五節(jié) 本章小結(jié) 本章詳細地說明了軟件部分的設(shè)計。分別對各個程序段做了詳述并指導(dǎo)如何設(shè)計。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 第五章 上位機的設(shè)計與調(diào)試 第一節(jié) 上位機與下位機的通信連接 在設(shè)備中雙擊新建，出現(xiàn)設(shè)備配置向?qū)АＪ紫赛c擊 PLC，選擇西門子 S7－200 系列，通信協(xié)議選擇 PPI，點擊下一步。創(chuàng)建邏輯名稱為 PLC224，點擊下一步。選擇本設(shè)計中使用的串口 COM4，點擊下一步。配置地址為 2： 0， 2 代表PLC 地址； 0 代表通信波特率為 ，具體項目可以在 STEP 7－ Micro/WIN的 系統(tǒng)塊里通信端口中找到當(dāng)前的 PLC 地址和波特率。點擊下一步一直到向?qū)瓿?，那么通信連接就成功設(shè)置了。配置向?qū)н^程如圖 所示： 圖 設(shè)備配置向?qū)н^程 第二節(jié) 組態(tài)王工程的建立和調(diào)試 這部分的設(shè)計主要是在計算機的組態(tài)王 [15]軟件上設(shè)計人機交互界面，需要啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 學(xué)會運用組態(tài)王軟件，主要設(shè)計過程如下： 創(chuàng)建項目 在組態(tài)王軟件中新建一個工程項目，命名為“ PIDXiangDao” 建立新畫面 打開新建的項目，在“畫面”中新建一個畫面“ JianKong”，將各個需要的組件添加到畫面中，如加熱爐、管道 、水泵、水池、啟停開關(guān)、指示燈、實時曲線、溫度值等。完成后的畫面如圖 ： 圖 組態(tài)王中的顯示控制畫面 定義數(shù)據(jù)變量 在組態(tài)王運行時，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，同時工程人員在計算機前發(fā)布的指令也要迅速送達生產(chǎn)現(xiàn)場，所有這一切都是以實時數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)詞典（數(shù)據(jù)庫）是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁。組態(tài)王中變量主要分為基本類型變量與特殊類型變量兩大類。 必需注意的是，在對 I/O變量進行定義的時候必須指定所連接的 I/O 設(shè)備，以及數(shù)據(jù)放的寄存器 [16]，否則就會出現(xiàn)通信錯誤。表 為本設(shè)計的數(shù)據(jù)變量定義窗口： 表 組態(tài)王數(shù)據(jù)變量定義窗口 變量名 變量類型 ID 連接設(shè)備 寄存器 啟動 I/O 離散 21 PLC224 停止 I/O 離散 22 PLC224 設(shè)定溫度 I/O 整數(shù) 23 PLC224 V600 內(nèi)膽溫度 I/O 整數(shù) 24 PLC224 V412 夾套溫度 I/O 整數(shù) 25 PLC224 V512 指示燈 I/O 離散 26 PLC224 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 第三節(jié) 本章小結(jié) 本章說明了使用組態(tài)王軟件設(shè)計上位機的方法，給出了如何建立通信，如何設(shè)計畫面，還有需要注意的地方。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 第六章 系統(tǒng)運行及結(jié)果分析 第一節(jié) 系統(tǒng)運行 完成了 PLC 程序設(shè)計和人機交互界面設(shè)計之后，進入系統(tǒng)運行測試階段。首先在 STEP 7－ Micro/Win編程軟件中將設(shè)計好的程序下載到 PLC中，并將 PLC切換到運行模式，退出 STEP 7－ Micro/Win 編程軟件，然后打開組態(tài)王。如果不退出 STEP 7－ Micro/Win 編程軟件，那么組態(tài)王與 PLC 將不能通信，因為通信接口被占用。 打開組態(tài)王運行系統(tǒng)，點擊“開始”按鈕，運行指示燈變?yōu)榫G色，系統(tǒng)開始運行，內(nèi)膽溫度、夾套溫度 開始有數(shù)據(jù)顯示，實時溫度曲線上也顯示了當(dāng)前內(nèi)膽溫度值（紅色）與夾套溫度值（藍色），設(shè)定溫度值（綠色）暫時沒有，需要手動設(shè)定后才有顯示。圖 是夾套當(dāng)前溫度為 57 度時的主界面，其中設(shè)定溫度為 60 度。 圖 系統(tǒng)運行界面 第二節(jié) 結(jié)果分析 系統(tǒng)運行后，設(shè)定溫度值為 65 度，夾套溫度快速上升到 64 度，然后稍微緩慢上升到 68 度左右，最后下降到 65 度左右穩(wěn)定下來。其中，當(dāng)前溫度值最大為啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 68 度，穩(wěn)定后在 66 度到 64 度之間，與設(shè)定溫度極為接近?？梢?，該溫控系統(tǒng)超調(diào)量很小。 第三節(jié) 本章小結(jié) 觀察實驗使用 的組態(tài)王軟件，得到的結(jié)果說明組態(tài)王能與 PLC 通信，并且能夠?qū)?PLC 進行控制。本設(shè)計的控制結(jié)果是比較理想的，能夠達到設(shè)計目的。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 結(jié) 論 本設(shè)計成功地運用了西門子 S7－ 200 系列 PLC 和組態(tài)王設(shè)計了一個人機監(jiān)控的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用串級 PID 控制，利用粗調(diào)和細調(diào)，得到了一個反應(yīng)比較迅速，控制精度比較高的溫度控制系統(tǒng)。組態(tài)王操作方便，有利于我們直觀地觀看溫度變化曲線和控制溫度。 當(dāng)然，本控制系統(tǒng)還有不足的地方：人機界面內(nèi)容不夠豐富，例如不能在人機界面中設(shè)定 PID 參數(shù)；沒有報警與報表界面等。未來還可