【導讀】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，具有反應速度快，控制及時，但控制結果有余差等特點。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，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)學模型的基礎上，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實驗測定法求得的對象數(shù)學模型都只能近似的反映過程的動態(tài)特性，整定結果的精度是不高的，因而未在工程上受到 廣泛推廣。 對于工程整定法，工程技術人員無需知道對象的數(shù)學模型，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，是工程技術人員在長期生產(chǎn)實踐中總結出來的。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的控制參數(shù)值，進行反復湊試，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 ? 進行反復湊試，直至得到滿意的結果。如果開始時 Ti 和 Td設置 的不 合適，則有可能得不到要求的理想曲線。這時應適當調(diào)整 Ti 和 Td，再重復湊試，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)軟件設計 PLC 控制系統(tǒng)的設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分，上一章已經(jīng)詳細介紹了本項目硬件連接。本章在硬件設計的基礎上，將詳細介紹本項目軟件設計，主要包括軟件設計的基本步驟、方法，編程軟件 STEP7Micro/WIN 的介紹以及本項目程序設計。 PLC 程序設計方法 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系。邏輯流程圖會使整個程序脈絡清晰，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（即到某一個時間應該進行哪項控制的控制時序圖），再根據(jù)時序關系畫出對應的控制任務的程序框圖，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計復雜的控制程序。一般比較復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)驗進行設計。多數(shù)是設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。 計算機輔助設計是通過 PLC 編程軟件（比如 STEP7Micro/WIN） 在計算機上進行程序設計、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 的應用軟件，由西門子公司專為 s7200 系列可編程控制器設計開發(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，特別適用于開關量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計稱為編程。 梯形圖程序設計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設計語言。采用梯形圖程序設計語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設計語言采用因果關系來描述事件發(fā)生的條件和結果。每個梯級是一個因果關系。在梯級中，描述事件發(fā)生的條 件表示在左面，事件發(fā)生的結果表示在后面。梯形圖程序設計語言是最常用的一種程序設計語言。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。 在工業(yè)過程控制領域，電氣技術人員對繼電器邏輯控制技術較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術發(fā)展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應用。梯形圖程序設計語言的特點是： （ 1）與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性； （ 2）與原有繼電器邏輯控制技術相一致，對電氣技術人員來說，易于撐握和學習； （ 3）與原有的繼電器邏輯控制技術的不同點是，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，應用時，需與原有繼電器邏輯控制技術的有關概念區(qū)別對待； （ 4）與布爾助記符程序設計語言有一一對應關系，便于相互的轉換和程序的檢查 [16]。 STEP7Micro/WIN 參數(shù)設置（通訊設置） 本項目中 PLC 要與電腦正確通信，安裝完 STEP7Micro/WIN 編程軟件且設置好硬件后，可以按下列步驟進行通訊設置。 （ 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)設置 程序設計 設計思路 PLC 運行時，通過特殊繼電器 產(chǎn)生初始化脈沖進行初始化 ，將溫度設定值 ， PID 參數(shù)值 等，存入有關的數(shù)據(jù)寄存器，使定時器復位 ； 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 換成占空比 定時器控制 加熱時間 溫度當前值和 設定值等顯示 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。