【導(dǎo)讀】在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是最常見(jiàn)的過(guò)程參數(shù)之一。在冶金、化工、電力、應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。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。為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為PID控制。方便、可靠性高、適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合溫度控制的要求。得簡(jiǎn)單易懂、操作人性化。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?？刂扑惴ǖ倪x擇和參數(shù)的整定，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。通過(guò)西門(mén)子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)，同時(shí)利用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)一個(gè)人機(jī)界面，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，從而使用戶操作更方便。結(jié)合人機(jī)界面，系統(tǒng)美觀易。第1個(gè)月：重點(diǎn)學(xué)習(xí)西門(mén)子PLC和組態(tài)軟件的使用方法。第2個(gè)月：PLC控制系統(tǒng)和控制器的設(shè)計(jì)。第4個(gè)月：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全方位的調(diào)試及完善。全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。

　　

【正文】 場(chǎng)信號(hào)，其簡(jiǎn)單易行，但時(shí)效性不易保證。模擬調(diào)試過(guò)程中，可 采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 。當(dāng)控制臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時(shí)更正軟硬件方面的問(wèn)題。 5. 編寫(xiě)技術(shù)文件 技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、 PLC程序以及使用說(shuō)明書(shū)等 [10]。 PLC 的選型與硬件配置 PLC 型號(hào)的選擇 本 溫度控制 系統(tǒng)選擇 德國(guó)西門(mén)子公司的 S7200 系列的 PLC。 S7200 PLC 屬于小型整體式的 PLC, 本機(jī)自帶 RS485 通信接口、內(nèi)置電源和 I/O 接口。它的硬件配置靈活，既可用一個(gè)單獨(dú)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(guò)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，構(gòu)成較復(fù)雜的中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng) [10]。 完整的 S7200 系列 PLC 實(shí)物 如 圖 32 所示 。 14 圖 32 S7200 系列 PLC 實(shí)物圖 S7200 CPU 的選擇 S7200 系列的 PLC 有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU224XP、 CPU226等類型。此系統(tǒng) 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 I/O?？蛇B接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 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，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng) [11]。 本溫度控制系統(tǒng)由于輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)不多，本可以使用 CPU224 以下的類型，不過(guò)為了能調(diào)用編程軟件 STEP 7 里的 PID模塊，只能采用 CPU226 及 以上機(jī)種。 EM231 模擬量輸入 模塊 本溫度控制系統(tǒng)中， 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 把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入 PLC 中進(jìn)行處理。在這里，我們選用了西門(mén)子 EM231 4TC 模擬量輸入模塊。 EM231 熱電偶模塊提供一個(gè)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(hào) (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15 過(guò) DIP 開(kāi)關(guān)進(jìn)行 組態(tài) ： SW1～ SW3 用于選擇熱電偶類型， SW4 沒(méi)有使用， SW5用于選擇斷線檢測(cè)方向， SW6 用于選擇是否進(jìn)行斷線檢測(cè)， SW7 用于選擇測(cè)量單位， SW8 用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償。 本系統(tǒng)用的是 K 型熱電偶， 所以 DIP開(kāi)關(guān) SW1～ SW8 組態(tài)為 00100000； EM231 具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 31。 表 31 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(kāi)關(guān) SW1 0, SW2 0, SW3 1（以 K 型熱電偶為例） 表 32 所示為如何使用 DIP 開(kāi)關(guān)設(shè)置 EM231 模塊， 開(kāi)關(guān) 2和 3可選擇模擬量輸入范圍。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸 入范圍。 表 中， ON 為接通，OFF 為斷開(kāi)。 表 32 EM231選擇模擬量輸入范圍的開(kāi)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 20mA 5uA 雙極性 滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 OFF OFF ON 177。5V ON OFF 177。 16 EM231 校準(zhǔn)和配置位置圖 如圖 33所示 。 圖 33 DIP配置 EM231 熱電式 傳感器 熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)和電阻的方法最為普遍。其中最 常用于測(cè)量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化 ,而熱電阻是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用。 該 系統(tǒng)中 需要用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，且爐子的溫度最高達(dá)幾百度 ,所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。 熱電偶 是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 有 S、 B、 E、 K、 R、 J、 T 七種 類型，在本系統(tǒng)中，我們選用了K 型熱電偶（分度表如表 33 所示），其測(cè)溫范圍大約是 0～ 1000℃。 系統(tǒng)里的烤爐最高溫度不過(guò)幾百度，加上一定的裕度就足夠了，另外其成本也不算高 [12]。 表 33 K 型熱電偶分度表 17 I/O 點(diǎn)分配及電氣連接圖 1) 該溫度控制系統(tǒng)中 I/O點(diǎn)分配表如表 34所示。 表 34 I/O點(diǎn)分配 表 2)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及硬件連接圖。 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)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò) EM231 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的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子溫度的控制。 PLC 和 HMI 相連接，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 34 和 35 所示。 圖 34 系統(tǒng)框架圖 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(guò)程中最重要的一步。首先要根據(jù)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)象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能 指標(biāo)確定控制器的參數(shù)值。 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 本溫度控制系統(tǒng) 中， 傳感器 （電熱偶） 將檢測(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換 成電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度模塊后， 與設(shè)定 溫度 值進(jìn)行比較 ， 得到偏差 ， 此偏差 送入 PLC 控制器輸入觸點(diǎn) 功能說(shuō)明 輸出觸點(diǎn) 功能說(shuō)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 計(jì)算機(jī) P L C EM231 模塊 固態(tài)繼電器 熱電偶 烤爐 18 按 PID 算法進(jìn)行修正 ， 返回對(duì)應(yīng)工況下的 固態(tài)繼電器 導(dǎo)通時(shí)間 ， 調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率 ， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì) 爐子 的溫度控制。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如 圖 36 所示 ，方框圖如圖 37 所示。 圖 35 系統(tǒng)硬件連接圖 圖 36 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 R(s) + E(s) U(s) Y(s) _ 圖 37 控制系統(tǒng)方框圖 PLC 控制器 固態(tài)繼電器 烤爐 溫 度模塊 熱 電 偶 Gc(s) Go(s) 19 圖 37中， R(s)為設(shè)定溫度的拉氏變換式； E(s)為偏差的拉氏變換式； Gc(s)為控制器的傳遞函數(shù)； Go(s)為廣義對(duì)象，即控制閥、對(duì)象控制通道、測(cè)量變送裝置三個(gè)環(huán)節(jié)的合并； 該 溫 度 控制系統(tǒng)是 具有時(shí)滯的一階閉環(huán) 系統(tǒng)， 傳遞函數(shù)為 （ 31） 式 31中， 0K 為對(duì)象放大系數(shù)； 0T 為對(duì)象時(shí)間常數(shù)； ? 為對(duì)象時(shí)滯。 （ 32） 由階躍響應(yīng)法求得， 0K =； 0T = 分鐘； ? = 分鐘。 PID 控制及參數(shù)整定 比例、積分、微分三種控制方式各有獨(dú)特的作用。比例控制是一種最基本的控制規(guī)律，具有反應(yīng)速度快，控制及時(shí)，但控制結(jié)果有余差等特點(diǎn)。積分控制可以消除余差，但是工業(yè)上很少單獨(dú)使用積分控制的，因?yàn)榕c比例控制相比 ，除非積分速度無(wú)窮大，否則積分控制就不可能想比例控制那樣及時(shí)的對(duì)偏差加以響應(yīng)，所以控制器的輸出變化總是滯后與偏差的變化，從而難以對(duì)干擾進(jìn)行及時(shí)且有效的控制。微分作用是對(duì)偏差的變化速度加以響應(yīng)的，因此，只要偏差一有變化，控制器就能根據(jù)變化速度的大小，適當(dāng)改變其輸出信號(hào)，從而可以及時(shí)克服干擾的影響，抑制偏差的增長(zhǎng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是理想微分控制器的控制結(jié)果也不能消除余差，而且控制效果要比純比例控制器更差。將三種方式加以組合在一起，就是比例積分微分（ PID） 控制 ,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （ 33） 式 33 中： pK 為比例系數(shù)， IT 為積分時(shí)間常數(shù)， DT 為微分時(shí)間常數(shù)。 根據(jù)以上的分析，本溫度控制系統(tǒng)適于采用 PID 控制。 完成了上述內(nèi)容后，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)確定了。在系統(tǒng)投運(yùn)之前，還需要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定?？刂破鲄?shù)整定方法很多，歸納起來(lái)可分為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法。 20 理論計(jì)算整定法是在已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取 的質(zhì)量指標(biāo)，通過(guò)理論計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來(lái)求得最佳的整定參數(shù)。這類方法計(jì)算繁雜，工作量又大，而且由于用解析法或?qū)嶒?yàn)測(cè)定法求得的對(duì)象數(shù)學(xué)模型都只能近似的反映過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，整定結(jié)果的精度是不高的，因而未在工程上受到廣泛推廣。 對(duì)于工程整定法，工程技術(shù)人員無(wú)需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無(wú)需具備理論計(jì)算所需的理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛使用。常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應(yīng)曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法來(lái)整定控制 器的參數(shù)值。下面介紹下方法步驟。 經(jīng)驗(yàn)整定法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)湊試法，是工程技術(shù)人員在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的。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)，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行，通過(guò)觀察人為加入干擾（改變?cè)O(shè)定值）后的過(guò)渡過(guò)程曲線，根據(jù)各種控制作用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的不同影響來(lái)改變相應(yīng)的控制參數(shù)值，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。 由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗(yàn)整定法主要通過(guò)調(diào)整比例度 ? 的大小來(lái)滿足質(zhì)量指標(biāo)。整定途徑有以下兩條： 1）先用單純的比例（ P）作用，即尋找合適的比例度 ? ，將人為加入干擾后的過(guò)渡過(guò)程調(diào)整為 4： 1的衰減振蕩過(guò)程。然后再加入積分 ( I )作用，一般先取積分時(shí)間 T1 為衰減振蕩周期的一半左右。由于積分作用將使振蕩加劇，在加入的積分作用之前，要先衰減比例作用，通常把比例度增大 10%20%。調(diào)整積分時(shí)間的大小，直到出現(xiàn) 4： 1 的衰減振蕩。需要時(shí)，最后加入微分（ D）作用，即從零開(kāi)始，逐漸加大微分時(shí)間 Td，由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可以把積分時(shí)間也縮短一些。通過(guò)微 分時(shí)間的湊試，使過(guò)渡時(shí)間最短，超調(diào)量最小。 2） 先根據(jù)表選取積分時(shí)間 Ti 和 Td，通常取 Td=(1/31/4)Ti，然后對(duì)比例度 ? 進(jìn)行反復(fù)湊試，直至得到滿意的結(jié)果。如果開(kāi)始時(shí) Ti和 Td 設(shè)置 的不 合適，則有可能得不到要求的理想曲線。這時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整 Ti和 Td，再重復(fù)湊試，使曲線最終符合控制要求 [13]。 21 表 35 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 控制 變量 規(guī)律的選擇 比例度 ? （ %） 積分時(shí)間 Ti（分鐘） 微分時(shí)間 Td（分鐘） 溫度 對(duì)象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩， ? 應(yīng)小， Ti要長(zhǎng)，一般需要微分 2060 310 通過(guò)經(jīng)驗(yàn)整定法的整定， PID 控制器 整定參數(shù)值為： 比例系數(shù) cK =120， 積分時(shí)間 iT =3分鐘， 微分時(shí)間 dT =1分鐘 。 22 第四章 PLC 控制 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì) 兩部分 ，上一章已經(jīng)詳細(xì)介紹了本項(xiàng)目硬件 連接 。本章在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上， 將