【導(dǎo)讀】溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)。食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等。工藝過(guò)程復(fù)雜多變，具有不確定性，因此對(duì)系統(tǒng)要求更為先進(jìn)的控制技術(shù)和控制理論。信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)裝置。它具有抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜，可靠性強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，易學(xué)易用

　　

【正文】 令回路表 偏移地址 名稱 數(shù)據(jù)類型 說(shuō)明 0 過(guò)程變量（ PVn） 實(shí)數(shù) 必須在 ~ 之間 4 給定值（ SPn） 實(shí)數(shù) 必須在 ~ 之間 8 輸出值（ Mn） 實(shí)數(shù) 必須在 ~ 之間 12 增益（ Kc 實(shí)數(shù) 比例常數(shù)，可正可負(fù) 16 采樣時(shí)間 （ Ts） 實(shí)數(shù) 單位為 s，必須是正數(shù) 20 采樣時(shí)間（ Ti） 實(shí)數(shù) 單位為 min，必須是正數(shù) 24 微分時(shí)間（ Td） 實(shí)數(shù) 單位為 min，必須是正數(shù) 28 積分項(xiàng)前值（ MX） 實(shí)數(shù) 必須在 ~ 之間 32 過(guò)程變量前值（ PVn1） 實(shí)數(shù) 必須在 ~ 之間 本文中，設(shè)定的溫度是給定值 SP，需要控制的變量是爐子的溫度。但它不完全是過(guò)程變量 PV，過(guò)程變量 PV和 PID回路輸出有關(guān)。在本文中，經(jīng)過(guò)測(cè)量的溫度信號(hào)被轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)溫度值才是過(guò)程變量，所 以，這兩個(gè)數(shù)不在同一個(gè)數(shù)量值，需要他們作比較，那就必須先作一下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。傳感器輸入的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) EM235 轉(zhuǎn)換后，是一個(gè)整數(shù)值，但 PID指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)必須是實(shí)數(shù)型，所以需要把整數(shù)轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)。使用指令 DTR就可以了。如本設(shè)計(jì)中，是從 AIW0讀入溫度被傳感器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。其轉(zhuǎn)換程序如下 : MOVW AIW0 AC0 DTR AC0 AC0 MOVR AC0 VD100 實(shí)數(shù)歸一化處理 因?yàn)?PID 中除了采樣時(shí)間和 PID 的三個(gè)參數(shù)外，其他幾個(gè)參數(shù)都要求輸入或輸出值 ~ 之間，所以，在執(zhí)行 PID指令之前，必須把 PV和 SP 的值作歸一化處理。使它們的值都在 ~ 之間。 單極性的 歸一化的公式 ： )32020/( rawnoum RR ? （ ） PID參數(shù)整定 PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) P、積分時(shí)間 Ti和和微分時(shí)間 Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整 定法：如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。 經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法，它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，利用一組經(jīng)驗(yàn)基于 PLC 的溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn)，其規(guī)律如表 表 溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 被控變量 規(guī)律的選擇 比例度 積分時(shí)間（分鐘） 微分時(shí)間（分鐘） 溫度 滯后較大 20～ 60 3～ 10 ～ 3 根據(jù)反復(fù)的試湊，調(diào)處比較好的結(jié)果是 P=15， I=， D=基于 PLC 的溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 第五章 組態(tài)編程 PLC 通信配置與 通信方式 串行數(shù)據(jù)傳送和并行數(shù)據(jù)傳送 1)并行數(shù)據(jù)傳送：并行數(shù)據(jù)傳送時(shí)所有數(shù)據(jù)位是同時(shí)進(jìn)行的，以字或字節(jié)為單位傳送。并行傳輸速度快，但通信線路多、成本高，適合近距離數(shù)據(jù)高速傳送。 2)串行數(shù)據(jù)傳送：串行數(shù)據(jù)傳送時(shí)所有數(shù)據(jù)是按位 (bit)進(jìn)行的。串行通信僅需要一對(duì)數(shù)據(jù)線就可以。在長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳送中較為合適。 PLC 網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的方式絕大多數(shù)為串行方式，而計(jì)算機(jī)或 PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)都是并行的。若要串行發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，則要進(jìn)行相應(yīng)的串行、并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即在數(shù)據(jù)發(fā)送前，要把并行數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù) ；而在數(shù)據(jù)接收后，要把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)后再處理。 異步方式與同步方式 根據(jù)串行通信數(shù)據(jù)傳輸方式的不同可以分為異步方式和同步方式。 1)異步方式：又稱起止方式。它在發(fā)送字符時(shí)，要先發(fā)送起始位，然后才是字符本身，最后是停止位。字符之后還可以加入奇偶校驗(yàn)位。異步傳送較為簡(jiǎn)單，但要增加傳送位，將影響傳輸速率。異步傳送是靠起始位和波特率來(lái)保持同步的。 2)同步方式：同步方式要在傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)，也傳遞時(shí)鐘同步信號(hào)，并始終按照給定的時(shí)刻采集數(shù)據(jù)。同步方式傳遞數(shù)據(jù)雖提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，但對(duì)通信系統(tǒng)要求 較高。 PLC網(wǎng)絡(luò)多采用異步方式傳送數(shù)據(jù)。 網(wǎng)絡(luò)的通訊 PPI 協(xié)議 PPI 是一種主從設(shè)備協(xié)議：主設(shè)備給從屬裝置發(fā)送請(qǐng)求，從屬裝置進(jìn)行響應(yīng)。從屬裝置不發(fā)出訊息，而是一直等到主設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求或輪詢時(shí)才作出響應(yīng)。 主設(shè)備與從屬裝置的通訊將通過(guò)按 PPI 協(xié)議進(jìn)行管理的共享連接來(lái)進(jìn)行。 PPI 不限制與任何一個(gè)從屬裝置進(jìn)行通訊的主設(shè)備的數(shù)目，網(wǎng)絡(luò)上最多可安裝 32 個(gè)主設(shè)備。 如果在用戶程序中激活 PPI 主設(shè)備模式，則 S7200 CPU 在處于 RUN（運(yùn)行）模式時(shí)可用作主設(shè)備。激活 PPI 主設(shè)備模式之后，可使用“網(wǎng)絡(luò)讀取” 或“網(wǎng)絡(luò)寫入”指令從其它 S7200 讀取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入其它 S7200。當(dāng) S7200 用作 PPI 主設(shè)備時(shí)，它將仍然作為從屬裝置對(duì)來(lái)自其他主設(shè)備的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。 對(duì)于簡(jiǎn)單的單臺(tái)主設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，編程站和 S7200 CPU 既可以通過(guò) PPI 多臺(tái)主設(shè)備電纜連接，也可以通過(guò)安裝在編程站中的通訊處理器（ CP）卡連接。 在圖上部的范例網(wǎng)絡(luò)中，編程站（ STEP7Micro/WIN）是網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備。在圖下部的范例網(wǎng)絡(luò)中，人機(jī)界面（ HMI）設(shè)備（例如 TD 200、 TP或 OP）是網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備。 在兩個(gè)范例網(wǎng)絡(luò)中， S7200 CPU是對(duì)主設(shè)備的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)的從屬裝置。基于 PLC 的溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 組態(tài)軟件 一種組態(tài)軟件只能適合某種領(lǐng)域的應(yīng)用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計(jì)算機(jī)控制中。如 DCS(集散控制系統(tǒng) )組態(tài)， PLC（可編程控制器）梯形圖組態(tài)。人機(jī)界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。 SIMATIC Wincc是第一個(gè)使用最新的 32位技術(shù)的過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開(kāi)放性和靈活性。 當(dāng)創(chuàng)建變量時(shí)，將變量分配某種數(shù)據(jù)類型取決于我們自己將怎么樣用該變量。 Wincc中通過(guò) PC Access使變量與通訊驅(qū)動(dòng)程序連接起來(lái)，雙擊點(diǎn)開(kāi) PC Access軟件，右擊 Microwin（ OPC/PPI cable/(PPI)），創(chuàng)建 NewPLC，繼續(xù)右擊創(chuàng)建所需的變量如下圖所示。完成后保存并編譯，通過(guò)即可。 畫面組態(tài) 繪制畫面 ， 測(cè)量值、設(shè)定值以及輸出值均由棒圖顯示，比例 Kc，積分 Ti，微分 Td,均采用輸入輸出域來(lái)顯示。在右邊窗口中選取趨勢(shì)曲線設(shè)定兩條曲線：設(shè)定值 SP 與測(cè)量值 PV。設(shè)置完成后，在 Wincc 資源管理器的左邊單擊“計(jì)算機(jī)”，在右邊的子窗口中，右擊所使用的計(jì)算機(jī)名稱，彈出的菜單中，單擊屬性選項(xiàng)，單擊“圖形運(yùn)行系統(tǒng)”，可以確定運(yùn)行畫面的外觀 以及設(shè)置起始畫面，單擊“瀏覽”按鈕，選擇剛才建立的圖形文件，在“窗口屬性”下，激活所需的選項(xiàng)即可。 首先設(shè)置好電腦與 PLC的正確通信，單擊通訊圖標(biāo)則出現(xiàn)一個(gè)通訊窗口，如圖所示 。 接著點(diǎn)擊左下角的按鍵，選擇 PC/PPI 電纜圖標(biāo)。 設(shè)置完成后雙擊刷新，等待完成后即完成了PLC與電腦的正確通信。 然后通過(guò) PC Access 建立 NewPLC創(chuàng)建所需變量，保存編譯即可通信。 最后打開(kāi) Wincc，由 Wincc 與 PLC 之間建立的專門的通訊驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò) PC Access 將變量進(jìn)行傳遞，完成了變量在三者之 間的傳輸 。 基于 PLC 的溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 第六章 程序調(diào)試 第一步：讓 PLC處于 RUN狀態(tài)； 第二步：在 Wincc上按運(yùn)行按鈕，讓系統(tǒng)運(yùn)行； 第三步：在 Wincc上按運(yùn)行按鈕，此時(shí) Wincc 上顯示當(dāng)前的溫度值即測(cè)量值； 第四步：通過(guò)手動(dòng)輸入改變?cè)O(shè)定值，輸入想要讓電爐內(nèi)溫度達(dá)到的值； 第五步：在計(jì)算機(jī)上的 STEP7Micro/WIN32 軟件上監(jiān)控，調(diào)節(jié) PID，到調(diào)節(jié)完成后，加熱器將根據(jù)輸出的電壓加熱到設(shè)定溫度。 PLC 程序調(diào)試方法與結(jié)果 程序編寫完成后，按下程序監(jiān)控按鈕顯示程序已運(yùn)行并對(duì) PLC程序的監(jiān)控，以及在線的修改 PID各項(xiàng)參數(shù)值，如下圖 。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)湊試法調(diào)節(jié)出比較理想的 PID 調(diào)節(jié)值。最后經(jīng)過(guò)多次調(diào)節(jié)在設(shè)定值 SP（地址為 VD154）為 ，測(cè)量值（地址為 VD150）在 。各項(xiàng)參數(shù)比例 Kc（地址為 VD332）為 ，積分時(shí)間 Ti（地址為 VD332）為 ，微分時(shí)間 Td（地址為 VD340）為 . 根據(jù)趨勢(shì)曲線和棒圖顯示，再次改變?cè)O(shè)定值 SP，進(jìn)行調(diào)節(jié)整定 PID，調(diào)節(jié)結(jié)果如下圖所示，設(shè)定值 SP 設(shè)定在 ，比例 Kc設(shè)定在 ，積分時(shí)間 Ti 設(shè)定在 ，微 分時(shí)間設(shè)定在 ，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的整定，測(cè)量值 PV在 60左右浮動(dòng)，幅度在 。由圖上顯示看， 結(jié)果基本符合預(yù)期 。 結(jié)束語(yǔ) 31 結(jié)束語(yǔ) 本畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是基于 PLC的溫度測(cè)控系統(tǒng) 。 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、性價(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。 PID 閉環(huán)控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛的一種控制算法，對(duì)大部分控制對(duì)象都有良好的控制效果。組態(tài)軟件因其簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，在 HMI設(shè)計(jì)中深受用戶的喜歡而得到廣泛的使用。 在西門子 S7200系列 PLC和組態(tài)軟件基礎(chǔ)上，我們成功設(shè)計(jì)出了溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)達(dá)到了快、準(zhǔn)、穩(wěn)的效果，也達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。再加上由組態(tài) 軟件 的人機(jī)界面，整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。 日后，隨著對(duì) PLC 硬件系統(tǒng)和通信方式的深入了解，還可以豐富遠(yuǎn)程控制指令，以應(yīng)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的各種突發(fā)事件，增加其他 PLC，通過(guò)構(gòu)建復(fù)雜的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)大型的工業(yè)控制，使該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定可靠，性能更加完善。 參考資料 32 參考資料 [1] 楊后川等 .西門子 S7200 PLC 編程速學(xué)與快速應(yīng)用 [M].北京 :電子工業(yè)出版社 ,2020. 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