【導(dǎo)讀】高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合溫度控制的要求。求越來越高，人機界面的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。變得操作人性化、過程可視化，在自動控制領(lǐng)域的作用日益顯著。組態(tài)軟件組態(tài)王的爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。編程時調(diào)用了編程軟件STEP7. -MicroWIN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡潔，運行速度更為理想。實驗證明，此系統(tǒng)具有快、準、穩(wěn)等優(yōu)點，在工業(yè)溫度控制領(lǐng)域能夠廣泛

　　

【正文】 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) 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)為廣義對象，即控制閥、對象控制通道、測量變送裝置三個環(huán)節(jié)的合并； 該溫度控制系統(tǒng)是具有時滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為 錯誤 !未找到引用源。 （ 31） 式 31 中， 錯誤 !未找到引用源。 為對象放大系數(shù)； 0T 為對象時間常數(shù)； ? 為對象時滯。 錯誤 !未找到引用源。 （ 32） 由階躍響應(yīng)法求得， 0K =； 0T =錯誤 !未找到引用源。 分鐘； ? =錯誤 !未找到引用源。 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，但控制結(jié)果有余差等特點。積分控制可以消除余差，但是工業(yè)上很少單獨使用積分控制的，因為與比例控制相比，除非積分速度無窮大，否則積分控制就不可能想比例控制那樣及時的對偏差加以響應(yīng)，所以控制器的輸出變化總是滯后與偏差的變化，從而難以對干擾進行及時且有效的控制。微分作用是對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，適當改變其輸出信號，從而可以及時克服干擾的影響，抑制偏差的增長，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)表達式為 錯誤 !未找到引用源。 （ 33） 式 33 中： pK 為比例系數(shù)， IT 為積分時間常數(shù)， DT 為微分時間常 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)投運之前，還需要進行控制器的參數(shù)整定?？刂破鲄?shù)整定方法很多，歸納起來可分為兩大類， 即理論計算整定法和工程整定法。 理論計算整定法是在已知被控對象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標，通過理論計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來求得最佳的整定參數(shù)。這類方法計算繁雜，工作量又大，而且由于用解析法或?qū)嶒灉y定法求得的對象數(shù)學(xué)模型都只能近似的反映過程的動態(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。 對于工程整定法，工程技術(shù)人員無需知道對象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計算所需的理論知識，就可以在控制系統(tǒng)中直接進行整定，因而簡單、實用，在實際工程中被廣泛使用。常用的工程整定法有經(jīng)驗整定法、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)驗整定法來整定控制器的參數(shù)值。下面介紹下方法步驟。 經(jīng)驗整定法實質(zhì)上是一種經(jīng)驗湊試法，是工程技術(shù)人員在長期生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的。它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運行，通過觀察人為加入干擾（改變設(shè)定 值）后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應(yīng)的控制參數(shù)值，進行反復(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)驗整定法主要通過調(diào)整比例度 ? 的大小來滿足質(zhì)量指標。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渡過程調(diào)整為 4： 1 的衰減振蕩過程。然后再加入積分 ( I )作用，一般先取積分時間 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)整積分時間的大小，直到出現(xiàn) 4： 1的衰減振蕩。需要時，最后加入微分（ D）作用，即從零開始，逐漸加大微分時間 Td，由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可以把積分時間也縮短一些。通過微分時間的湊試，使過渡時間最短，超調(diào)量最小。 2） 先根據(jù)表選取積分時間 Ti 和 Td，通常取 Td=(1/31/4)Ti，然后對比例度 ? 進行反復(fù)湊試，直至得到滿意的結(jié)果。如果開始時 Ti 和 Td設(shè)置 的不 合適，則有可能得不到要求的理想曲線。這時應(yīng)適當調(diào)整 Ti 和 Td，再重復(fù)湊試，使曲 線最終符合控制要求 [13]。 表 35 控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù) 控制 變量 規(guī)律的選擇 比例度 ? （ %） 積分時間 Ti（分鐘） 微分時間 Td（分鐘） 溫度 對象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩， ? 應(yīng)小， Ti要長，一般需要微分 2060 310 通過經(jīng)驗整 定法的整定， PID 控制器 整定參數(shù)值為： 比例系數(shù) cK =120，積分時間 iT =3 分鐘，微分時間 dT =1 分鐘。 第四章 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，上一章已經(jīng)詳細介紹了本項目硬件連接。本章在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，將詳細介紹本項目軟件設(shè)計，主要包括軟件設(shè)計的基本步驟、方法，編程軟件 STEP7Micro/WIN 的介紹以及本項目程序設(shè)計。 PLC 程序設(shè)計方法 編寫 PLC 程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。 1. 圖解法編程 圖解法是靠畫圖進行 PLC 程序設(shè)計。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時序流程圖法和步進順控法。 （ 1）梯形圖法 梯形圖法是用梯形圖語言去編制 PLC 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。邏輯流程圖會使整個程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點及調(diào)試和維修程序。 （ 3）時序流程圖法 時序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時序圖（即到某一個時間應(yīng)該進行哪項控制的控制時序圖），再根據(jù)時序關(guān)系畫出對應(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間為基準的控制系統(tǒng)的編程方法。 （ 4）步進順控法 步進順控法是在順控指令的配合下設(shè)計復(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功能比較簡單的程序段，一個程序可以看成整個控制過 程的一步。 2. 經(jīng)驗法編程 經(jīng)驗法是運用自己的或者別人的經(jīng)驗進行設(shè)計。多數(shù)是設(shè)計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“試驗程序”。結(jié)合自己工程的情況，對這些“試驗程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。 計算機輔助設(shè)計是通過 PLC 編程軟件（比如 STEP7Micro/WIN） 在計算機上進行程序設(shè)計、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算機上離線或在線編程、在線調(diào)試，在計算機上進行程序的存取、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)計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可以實時監(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行操作，用戶使用起來更加方便。操作主界面如圖 41 所示。 STEP7Micro/WIN 簡單介紹 以 STEP7Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通 STEP 7Micro/WIN， 可雙擊 STEP 7Micro/WIN圖標，或選擇開始（ Start） SIMATIC STEP 7 Micro/WIN 菜單命令。如圖 41所示， STEP 7Micro/WIN項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，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目對象和指令?？蓪蝹€的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個指令，以便將其插入到 程序編輯器中光標的當前位置。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時局部變量的符號名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部均按標簽顯示。單擊標簽可在子程序、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 個中編寫的程序均可用其它程序編輯器進行瀏覽和編輯。用的比較多的是梯形圖（ LAD）編程語言。下面詳細介紹梯形圖的特點。 圖 41 編程軟 件 STEP7Micro/WIN主界面 梯形圖語言特點 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，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)計稱為編程。 梯形圖程序設(shè)計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設(shè)計語言。采用梯形圖程序設(shè)計語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設(shè)計語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。每個梯級是一個因果關(guān)系。在梯級中，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)計語言是最常用的一種程序設(shè)計語言。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)計語言的特點是： （ 1）與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性； （ 2）與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對電氣技術(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)的不同點是，梯形圖中的能流（ Power FLow）不是實際意義 的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此，應(yīng)用時，需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對待； （ 4）與布爾助記符程序設(shè)計語言有一一對應(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，可以按下列步驟進行通訊設(shè)置。 （ 1）在 STEP7Micro/WIN 運行時單擊通訊圖標，或從“視圖”菜單中選擇選項“通信”，則會出現(xiàn)一個通信對話框（如圖 42所示） 。 圖 42 通信參數(shù)設(shè)置 （ 2）在對話框中雙擊 PC/PPI 電纜的圖標，將出現(xiàn) PG/PC 接口對話框或者直接單擊“檢視”欄中單擊“設(shè)置 PG/PC 接口”也行。如圖 43所示。 圖 43 PG/PC接口對話框 （ 3）單擊 Properties 按鈕，將出現(xiàn)接口屬性對話框，檢查各參數(shù)的屬性是否正確，其中通信波特率默認值為 （如圖 44 所示）。 圖 44 通信參數(shù)設(shè)置 程序設(shè)計 設(shè)計思路 PLC 運行時，通過特殊繼電器 產(chǎn)生初始化脈沖進行初始化 ，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，使定時器復(fù)位 ； 按啟動按鈕 ，系統(tǒng) 開始溫度采樣，采樣周期為 10 秒； K 型熱電偶 傳感器把所測量的溫度進行標準量轉(zhuǎn)換（ 041 毫伏 ） ； 模擬量輸入通道 AIW0 通過讀入 041 毫伏 的模擬電 壓量送入 PLC； 經(jīng)過程序計算后得出實際測量的溫度 T,將 T 和溫度設(shè)定值比較，根據(jù)偏差計算調(diào)整量，發(fā)出調(diào)節(jié)命令。 控制程序流程圖 圖 45 程序流程圖 啟動 綠燈亮，系統(tǒng)運行 調(diào)用 PID模塊 PID輸出轉(zhuǎn) 換成占空比 定時器控制 加熱時間 溫度當前值和 設(shè)定值等顯示 開始 梯形圖程序 啟動，綠燈亮 停止，紅燈亮 上述程序中 ， 和 分別是啟動和停止按鈕， 和 分別是系統(tǒng)運行指示燈（綠燈）和系統(tǒng)停止指示燈（紅燈）， 和 是中間繼電器。