【導(dǎo)讀】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。求越來越高，人機(jī)界面的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。變得操作人性化、過程可視化，在自動(dòng)控制領(lǐng)域的作用日益顯著。的組態(tài)軟件組態(tài)王的爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。編程時(shí)調(diào)用了編程軟件STEP7. -MicroWIN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡(jiǎn)潔，運(yùn)行速度更為理想。實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)具有快、準(zhǔn)、穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)溫度控制領(lǐng)域能夠廣泛

　　

【正文】 LC 程序。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法，其圖形甚至元件名稱都有繼電器電路十分相似。這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成 PLC 的梯形圖語言。這對(duì)于熟悉繼電器控制的人來說，是最方便的一種編程方法。 （ 2）邏輯流程圖法 邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示 PLC 程序的執(zhí)行過程，反映輸入與輸出的關(guān)系。邏輯流程圖會(huì)使整個(gè)程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點(diǎn)及調(diào)試和維修程序。 （ 3）時(shí)序流程圖法 時(shí)序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時(shí)序圖（即到某一個(gè)時(shí)間應(yīng)該進(jìn)行哪項(xiàng)控制的控制時(shí)序圖），再根據(jù)時(shí)序關(guān)系畫出對(duì)應(yīng)的控制任務(wù)的程序框圖，最后把框圖寫成 PLC程序。這種方法很適合以時(shí)間為基準(zhǔn)的控制系統(tǒng)的編程方法。 （ 4）步進(jìn)順控法 步進(jìn)順控法是在順控指令的配合下設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制程序。一般比較復(fù)雜的程序都可以分成若干個(gè)功能 比較簡(jiǎn)單的程序段，一個(gè)程序可以看成整個(gè)控制過程的一步。 經(jīng)驗(yàn)法編程 經(jīng)驗(yàn)法是運(yùn)用自己的或者別人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。多數(shù)是設(shè)計(jì)前先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己 的 “ 試驗(yàn)程序 ” 。 結(jié)合自己工程的情況，對(duì)這 些“ 試驗(yàn)程序 ” 逐一修改，使之適合自己的工程要求。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是通過 PLC 編程軟件（比如 STEP7Micro/WIN） 在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。使用編程軟件可以很方便的在計(jì)沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 算機(jī)上離線或在線編程、在線調(diào)試，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序的存取 、加密以及形成 EXE文件 [14]。 編程軟件 STEP7Micro/WIN 概述 STEP7Micro/WIN 編程軟件是基于 Windows 的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為S7200 系列可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。它是西門子 S7200 用戶不可缺少的開發(fā)工具?，F(xiàn)在加上中文程序后，可在全中文的界面下進(jìn)行操作，用戶使用起來更加方便。 操作主界面如圖 所示。 STEP7Micro/WIN 簡(jiǎn)單介紹 以 STEP7Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通 STEP 7Micro/WIN，可雙擊 STEP 7Micro/WIN圖標(biāo)，或選擇開始（ Start） SIMATIC STEP 7 Micro/WIN 。如圖 41所示， STEP 7Micro/WIN項(xiàng)目窗口將提供用于創(chuàng)建控制程序的便利工作空間。工具欄將提供快捷鍵按鈕，用于經(jīng)常使用的菜單命令，可顯示或隱藏工具欄的任何按鈕。瀏覽條給出了多組圖標(biāo)，用于訪問 STEP 7Micro/WIN的不同編程特性。指令樹將顯示用于創(chuàng)建控制程序的所有項(xiàng)目對(duì)象和指令。 可將單個(gè)的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個(gè)指令，以便將其插入到程序編輯器中光標(biāo)的當(dāng)前位置。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時(shí)局部變量的符號(hào)名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部均按標(biāo)簽顯示。單擊標(biāo)簽可在子程序、中斷程序和主程序之間來回變換 [15]。 STEP 7Micro/WIN提供了用于創(chuàng)建程序的三個(gè)編輯器：梯形圖（ LAD）、語句表（ STL）和功能塊圖（ FBD）。盡管有某些限制，在這些程序編輯器的任何一個(gè)中編寫的程序均可用其它程序編輯器進(jìn)行瀏覽和編輯。用的比較多的是梯形圖（ LAD）編程語言。下面詳細(xì)介紹梯形圖的特點(diǎn)。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 編程軟件 STEP7Micro/WIN 主界面 梯形圖語言特點(diǎn) 梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為 PLC 的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計(jì)稱為編程。 梯形圖程序設(shè)計(jì)語言是用梯形圖的圖形符號(hào)來描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語言。采用梯形圖程序設(shè)計(jì)語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設(shè)計(jì)語言采用因果關(guān)系 來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。每個(gè)梯級(jí)是一個(gè)因果關(guān)系。在梯級(jí)中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在后面。梯形圖程序設(shè)計(jì)語言是最常用的一種程序設(shè)計(jì)語言。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。 在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對(duì)繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā)展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應(yīng)用。梯形圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)是： （ 1）與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，具有直觀性和對(duì)應(yīng)性； 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 （ 2）與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對(duì)電氣技術(shù)人員來說，易于撐握和學(xué)習(xí)； （ 3）與原有的繼 電器邏輯控制技術(shù)的不同點(diǎn)是，梯形圖中的能流（ Power FLow）不是實(shí)際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實(shí)際存在的繼電器，因此，應(yīng)用時(shí)，需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對(duì)待； （ 4）與布爾助記符程序設(shè)計(jì)語言有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，便于相互的轉(zhuǎn)換和程序的檢查 [16]。 STEP7Micro/WIN 參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置） 本項(xiàng)目中 PLC 要與電腦正確通信，安裝完 STEP7Micro/WIN 編程軟件且設(shè)置好硬件后，可以按下列步驟進(jìn)行通訊設(shè)置。 （ 1）在 STEP7Micro/WIN 運(yùn)行 時(shí)單擊通訊圖標(biāo)，或從 “視圖 ”菜單中選擇選項(xiàng) “通信 ”，則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)通信對(duì)話框（如圖 所示）。 圖 通信參數(shù)設(shè)置 （ 2）在對(duì)話框中雙擊 PC/PPI 電纜的圖標(biāo)，將出現(xiàn) PG/PC 接口對(duì)話框或者直接單擊 “檢視 ”欄中單擊 “設(shè)置 PG/PC 接口 ”也行。如圖 所示。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 PG/PC 接口對(duì)話框 （ 3）單擊 Properties 按鈕，將出現(xiàn)接口屬性對(duì)話框，檢查各參數(shù)的屬性是否正確，其中通信波特率默認(rèn)值為 （如圖 所示）。 圖 通信參數(shù)設(shè)置 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 程序設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路 PLC 運(yùn)行時(shí)，通過特殊繼電器 產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行初始化，將溫度設(shè)定值 ，PID 參數(shù)值 等，存入有關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器，使定時(shí)器復(fù)位 ； 按啟動(dòng)按鈕 ， 系統(tǒng) 開始溫度采樣，采樣周期為 1 秒； K 型熱電偶 傳感器把所測(cè)量的溫度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)換（ 041 毫伏 ） ；通過溫度變送器轉(zhuǎn)化為模擬量 0 到 10V 的電壓信號(hào) ； 進(jìn)入 PLC 的 AIW0 第一路模擬量輸入通道 。 下面是 控制程序流程圖 圖 程序流程圖 啟動(dòng) 綠燈亮，系統(tǒng)運(yùn)行 調(diào)用 PID 模塊 調(diào)壓模塊改變電壓 溫度當(dāng)前值和 設(shè)定值等顯示 開始 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 梯形圖程序 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 這里用 直接調(diào)用了編程軟件自帶的 PID 子程序，即就是用 PID 指令向?qū)Ь幊?。上面的指令中?PV_I 為反饋值，也就是 熱電偶將檢測(cè)到的當(dāng)前 溫度值 送入溫度模塊后輸出的模擬電壓值 AIW0； Setpoint_R 為設(shè)定值。 每個(gè) PID 回路都有兩個(gè)輸入變量，給定值 SP 和過程變量 PV。執(zhí)行 PID 指令前必須把它們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)型實(shí) 數(shù) 。即先把整數(shù)值轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)值，再把實(shí)數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，使其為 之間的實(shí)數(shù)。歸一化的公式為 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 )/(1 MSRR ?? （ 41） 式中， R1 為標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值； R 為未標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值； M 為偏置，單極性為 ，雙極性為 ； S 為值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為 32020，雙極性為64000[17]。 PID 指令向?qū)У倪\(yùn)用 STEP7Micro/WIN 提供了 PID Wizard（ PID 指令向?qū)В梢詭椭脩舴奖愕厣梢粋€(gè)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(yùn)算的自動(dòng)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)。 PID 向?qū)Ъ瓤梢陨赡M量輸出 PID 控制算法，也支持開關(guān)量輸出；既支持連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，也支持手動(dòng)參與控制 [18]。本項(xiàng)目程序中就正好運(yùn) STEP7Micro/WIN 軟件自帶的 PID 指令向?qū)?。從而使得程序?jiǎn)單易懂，同時(shí)也達(dá)到了控制要求。 首先打開 “ 指令向?qū)?” ，選擇 “ PID” ，如圖 所示。 圖 配置 PID 指令 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 圖 編輯 0 的 PID 配置 圖 是配置 PID 環(huán)路參數(shù)的。其中，增益 Kc=1， 積分時(shí)間為 1 分鐘，微分時(shí)間為0 分鐘， 采 樣時(shí)間為 10 秒。還有， PID 環(huán)路的設(shè)定點(diǎn)設(shè)置為 ，便于歸一化處理。 圖 PID 參數(shù)設(shè)置 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 圖 環(huán)路輸入、輸出設(shè)置 圖 設(shè)置報(bào)警功能 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 設(shè)置好以上所有步驟后，接下來需要 根據(jù)回路表為 PID 參 數(shù)分配存儲(chǔ)地址， 圖 、圖 和 圖 就是此作用。 圖 為 PID 配置分配內(nèi)存 圖 創(chuàng)建初始化子例行程序 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 34 圖 為配置生成項(xiàng)目元件 語句表（ STL） 程序 下面是 STL 程序，它可以和梯形圖程序相互轉(zhuǎn)換。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 35 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 36 5 基于組態(tài)王的 HMI 設(shè)計(jì) 人機(jī)界面（ HMI） 設(shè)計(jì) 隨著自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，控制過程也變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。人機(jī)界面（ HMI Human Machine Interface）以其過程可視化、操作員對(duì)操作過程可方便的控制等顯著特點(diǎn)，很好的滿足了這種需求而得到廣泛的應(yīng)用。工業(yè) HMI又稱觸摸屏監(jiān)控器，是一種智能化操作控制顯示裝置。 它一般與 PLC等工業(yè)控制設(shè)備， 利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互。 HMI的主要功能有：數(shù)據(jù)的輸入與顯示；系統(tǒng)或設(shè)備的操作狀態(tài)方面的實(shí)時(shí)信息顯示；報(bào)警處理及打??；數(shù)據(jù)歸檔和報(bào)表系統(tǒng)。此外，新一代工業(yè)人機(jī)界面還具有簡(jiǎn)單的編程、對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、數(shù)據(jù)登 錄及配方等智能化控制功能 [19]。 HMI 監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應(yīng)的功能子畫面組成， HMI 畫面設(shè)計(jì)對(duì)于 HMI來說是非常關(guān)鍵的。 HMI 畫面是用組態(tài)軟件來做的，常見的組態(tài)軟件有西門子公司的Wincc、羅克韋爾公司的 RsView 及國產(chǎn)的組態(tài)王、力控等。在本溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。組態(tài)王和其他組態(tài)軟件相比最大的優(yōu)勢(shì)是它操作方便， 提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語言支持，對(duì)于新手來說很容易上手。 從 北京 亞控公司的主頁上下載了組態(tài)王 演示版，安裝好 以后。雙擊桌面圖標(biāo)，打開工程管理器，建立工程。如圖 所示 ，最下面的一行是我們新建的工程，工程名稱為 “ PID 溫控” 。 雙擊工程管理器中的工程名，出現(xiàn)工程瀏覽器。在工程瀏覽器中，雙擊新建圖標(biāo)，新建畫面（如圖 所示）。在這里我們制作了監(jiān)控主界面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線、報(bào)警窗口等畫面。 下面介紹每個(gè)畫面的設(shè)計(jì)方法。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 37 圖 新建工程 圖 新建畫面 主界面 打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點(diǎn)擊 “圖庫 ”，打開圖庫管理器，把開關(guān)、溫度儀表、鬧鐘直接拖進(jìn)開發(fā)頁面，再利用工具箱做好 “開始 ”和 “停止 ”按鈕以及溫度顯示、設(shè)定畫面、報(bào)沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 38 警窗口等按鈕。完整的主界面如圖 所示。運(yùn)行組態(tài)王后，點(diǎn)擊 “開始 ”按鈕，開關(guān)變綠 色，系統(tǒng)開始運(yùn)行，目前溫度值下面的方框和儀表上都顯示當(dāng)前溫度值 。點(diǎn)擊 “設(shè)定畫面 ”會(huì)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定畫面，點(diǎn)擊 “報(bào)警窗口 ”會(huì)進(jìn)入報(bào)警畫面，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線也是一樣。點(diǎn)擊 “停止 ”按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束，同時(shí)開關(guān)變紅色。 圖 主界面 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線 打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點(diǎn)擊工具箱中的 “實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線 ”把實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線放進(jìn)開發(fā)頁面，然后雙擊曲線畫面，對(duì)曲線進(jìn)行設(shè)置，如 X 軸和 Y 軸的設(shè)置 及標(biāo)示定義等，最后利用工具箱做好 “F1”按鈕，即可形成如圖 所示的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線畫面。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線會(huì)顯示當(dāng)前溫度值的變化趨勢(shì)和設(shè)定溫度值。點(diǎn)擊 “F1”按鈕，就會(huì)回到主界面。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 39 圖 實(shí)時(shí) 趨勢(shì) 曲線