【正文】 組態(tài)王操作方便，有利于我們直觀地觀看溫度變化曲線和控制溫度。 第三節(jié) 本章小結(jié) 觀察實(shí)驗(yàn)使用 的組態(tài)王軟件，得到的結(jié)果說明組態(tài)王能與 PLC 通信，并且能夠?qū)?PLC 進(jìn)行控制。圖 是夾套當(dāng)前溫度為 57 度時(shí)的主界面，其中設(shè)定溫度為 60 度。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 第六章 系統(tǒng)運(yùn)行及結(jié)果分析 第一節(jié) 系統(tǒng)運(yùn)行 完成了 PLC 程序設(shè)計(jì)和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)之后，進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行測試階段。完成后的畫面如圖 ： 圖 組態(tài)王中的顯示控制畫面 定義數(shù)據(jù)變量 在組態(tài)王運(yùn)行時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，同時(shí)工程人員在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場，所有這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)詞典（數(shù)據(jù)庫）是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。選擇本設(shè)計(jì)中使用的串口 COM4，點(diǎn)擊下一步。分別對各個(gè)程序段做了詳述并指導(dǎo)如何設(shè)計(jì)。副控制器 PID0的參數(shù)如下：給定值 SP 范圍為 24－ 100；比例增益為 ；積分時(shí)間為 分鐘（意味著不需要積分環(huán)節(jié)作用）；采樣時(shí)間為 秒；微分時(shí)間為 0 分鐘；輸入過程變量 PV 選擇單極性，輸入范圍為 3840－ 29568；輸出選擇模擬量，輸出范圍勾選使用 20%偏移量（即 6400－ 32020），以此對應(yīng)調(diào)壓裝置控制信號的4－ 20mA。 Output 位是回路輸出值地址。 生成 PID 子程序、中斷程序及符號表等 一旦點(diǎn)擊完成按鈕，將在你的項(xiàng)目中生成上述 PID 子程序、中斷程序及符號表等。 B、指定 PID 中斷子程序的名字 C、此處可以選擇添 加 PID 手動控制模式。向?qū)⒆詣訛樵搮?shù)表分配符號名，用戶不要再自己為這些參數(shù)分配符號名，否則將導(dǎo)致 PID 控制不執(zhí)行。 指定 PID 運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲區(qū) 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 分配運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲區(qū) PID 指令（功能塊）使用了一個(gè) 120 個(gè)字節(jié)的 V區(qū)參數(shù)表來進(jìn)行控制回路的運(yùn)算工作；除此之外， PID 向?qū)傻妮斎?/輸出量的標(biāo)準(zhǔn)化程序也需要運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲區(qū)。如果使用偏移量，那么輸出變量的范圍將會是 6400－ 32020，且不能做修改。模 擬量輸出用來控制一些需要模擬量給定的設(shè)備，如比例閥、變頻器等；數(shù)字量輸出實(shí)際上是控制輸出點(diǎn)的通、斷狀態(tài)按照一定的占空比變化，可以控制固態(tài)繼電器（加熱棒等）。 設(shè)定回路輸入輸出值 圖 設(shè)定 PID 輸入輸出參數(shù) 上圖 中字母圈的 說明： A、指定輸入類型：由于本設(shè)計(jì)的輸入是從模擬量擴(kuò)展模塊傳送過來的，而模塊的輸入是 1－ 5V 電壓信號，不存在負(fù)極性，所以不用選擇雙極性，只需選擇單極性就可以，并且不需要使用 20%偏移量。如果不想要微分作用，可以把微分時(shí)間設(shè)為 0。 B、比例增益：即比例系數(shù)，本設(shè)計(jì)中設(shè)為 4。 以主控制器 PID1 為例說明 PID 向?qū)Ь幊滩襟E： 定義需要配置的 PID 回路號 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 選擇 PID 回路號 S7－ 200 CPU最多可以支持 8 個(gè) PID 控制回路，且不能將兩個(gè)不同 PID 指令設(shè)定為同一回路號。 在 Micro/WIN 中的命令菜單中選擇工具 → 指令向 導(dǎo)，然后在指令向?qū)Т翱谥羞x擇 PID 指令。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 溫度與數(shù)字量關(guān)系 用公式表示，可以表示為 (N24)/(P3840)=(10024)/(295683840) ，即N=(76P+325632)/25728，得知這個(gè)公式則可進(jìn)行程序編輯。 第三節(jié) 標(biāo)度變換子程序 由于溫度變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為 1－ 5V 的電壓信號，并傳送給模擬量擴(kuò)展模塊輸入口，模擬量擴(kuò)展模塊將模擬量 1－ 5V的電壓信號轉(zhuǎn)換 為 6400－ 32020的數(shù)字量信號傳送給 CPU。 第二節(jié) 主程序 主程序主要任務(wù)：完成系統(tǒng)的啟動與停止的手動控制和系統(tǒng)運(yùn)行的指示，并實(shí)現(xiàn)對其他子程序的有效調(diào)用的任務(wù)。溫度變送器負(fù)責(zé)檢測加熱爐中夾套和內(nèi)膽的溫度，把溫度信號轉(zhuǎn)化成 1－ 5V的電壓信號，經(jīng)過 PLC 模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行標(biāo)度變換，變成實(shí)際的溫度值，然后進(jìn)行 PID 雙閉環(huán)串級控制運(yùn)算，根據(jù) PID 輸出值來控制 三相晶閘管移相調(diào)壓裝置 的輸出電壓來控制爐內(nèi)加熱器，實(shí)現(xiàn)對爐溫控制調(diào)節(jié)的目的。 輸出設(shè)置：本設(shè)計(jì)中輸出為 4－ 20mA 的電流信號，而 EM235 可以輸出 10V － +10V的電壓信號和 0－ 20mA 的電流信號，所以我們選擇電流信號的輸出接線方法。 EM235 配置：表 所示為如何用 DIP 開關(guān)設(shè)置 EM 235 模塊。對雙極性格式，4 個(gè)連續(xù)的 0 使得 ADC 計(jì)數(shù)數(shù)值每變化 1 個(gè)單位，則數(shù)據(jù)字的變化是以 16 為單位變化的。 表 EM235 輸入 /輸出特性 模擬量輸入特性 模擬量輸入點(diǎn)數(shù) 4 輸入范圍 電壓 （ 單極 性 ） 電壓 （ 雙極性 ） 電流 0－ 10V， 0－ 5V等 ? 10V， ? 5V， ? 0－ 20mA 數(shù)據(jù)字格式 雙 極性，全量程范圍 單 極性，全量程范圍 32020－ +320200 0－ 32020 模擬量輸出特性 模擬量輸出點(diǎn)數(shù) 1 信號范圍 電 壓輸出 電注輸出 ? 10V 0－ 20mA 數(shù)據(jù)字格式 電壓 電流 32020－ +32020 0－ 32020 EM235 輸入數(shù)據(jù)字格式如表 所示。 EM231 有 4 路模擬量輸入， EM232 有 2 路模擬量輸出， EM235有 4 路模擬量輸入和 2 路模擬量輸出。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 在本設(shè)計(jì)中有數(shù)字量 2 輸入 /1 輸出，并需要一個(gè)模擬量擴(kuò)展，而 CUP224 本機(jī)數(shù)字 量 14 輸入 /10 輸出，可完成設(shè)計(jì)所需的技術(shù)要求，并且學(xué)校提供一個(gè)CPU224 模塊，所以本設(shè)計(jì)選用 CUP224 AC/DC/RLY。 ○ 3 CUP224 它有 14 輸入 /10 輸出， I/O 共計(jì) 24 點(diǎn)，和前兩者相比，存儲容量擴(kuò)大了一倍，它可以有 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高 速計(jì)數(shù)的處理能力，是使用得最多 S7200 產(chǎn)品。 CPU 負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，驅(qū)動外部負(fù)載。 可編程邏輯控制器選型 S7－ 200 系列 PLC[13]是由德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程邏輯控制器，它能滿足多種自動化控制的需求，其設(shè)計(jì)緊湊，價(jià)格低廉，并且具有良好的可擴(kuò)展性以及強(qiáng)大的指令功能，可代替繼電器在簡單的控 制場合，也可以用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。更重要的是使同一設(shè)備 經(jīng)過改變程序從而改變生產(chǎn)過程成為可能。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍。而晶閘管的導(dǎo)通條件是承受正向電壓，且僅在門極有觸發(fā)電流時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，主回路就會導(dǎo)通，在主回路中的負(fù)載就會工作 [12]。常用的 PT 電阻接法有三線制和兩線制 [11]，由于將 PT100 的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，所以三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是使得導(dǎo)線電阻值的變化而產(chǎn)生的測量誤差得以 消除。夾套有另一套進(jìn)水口和出水口，可以將冷水從進(jìn)水口注入，在夾套內(nèi)循環(huán)流動，吸收熱傳遞的熱量，以此提升水溫，最終由出水口流出，獲得期望溫度的熱水。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第二節(jié) AE2020 型過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 一、電加熱鍋爐 由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼鍋爐冷卻夾套組成，內(nèi)膽與夾套沒有水的交換 ，可以利用它進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。 調(diào)壓裝置和電加熱鍋爐 電加熱鍋爐是 PLC 控制對象的容器。 二、各組成部分的任務(wù) 按鈕和指示燈 運(yùn)行指示燈顯示運(yùn)行狀態(tài)。 所以在 PLC 中，上面三個(gè)式子可以近似 [9]為： )()( nnpp PVSPKnu ?? —— 比例項(xiàng) )1()()( ???? nuPVSPTtKnu innipi—— 積分項(xiàng) )]()[()(11 ?? ???? nnnndpd PVSPPVSPtTKnu—— 微分項(xiàng) 式中， nSP —— 采樣時(shí)間 n 的輸入量（回路設(shè)定值） ， nPV —— 采樣時(shí)間 n 的反饋量（回路過程值） 第三節(jié) 本章小結(jié) 經(jīng)過研究控制對象及要求，決定從硬件、軟件和上位機(jī)三個(gè)方面來研究。 圖 帶 PID 控制器的閉控制系統(tǒng) 如圖 所示， PID 控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ Delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 積分（ I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入 誤差信號的積分成正比關(guān)系。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 PID 控制器問世至今已有近 80 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 三、軟件設(shè)計(jì)方案 軟件基本結(jié)構(gòu)由主 /副 PID 控制器控制對象溫度。 二、硬件設(shè)計(jì)方案 硬件基本構(gòu)成有 PLC 部分、模擬量 擴(kuò)展模塊、調(diào)壓裝置、溫度變送器、電加熱鍋爐（內(nèi)含加熱電阻絲）、啟動 /停止按鈕與指示燈七個(gè)部分組成 [7]。 通過運(yùn)用串級系統(tǒng)的思想與 PLC 技術(shù)，以及對系統(tǒng)硬件、軟件和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，使得加熱爐溫度控制系統(tǒng)達(dá)成預(yù)定目標(biāo)，即主、副控制器采用 PID控制算法，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，手動整定 PID 參數(shù)，控制調(diào)壓裝置及加熱電阻絲兩端電壓，使夾套溫度能夠穩(wěn)定在設(shè)定溫度值的附近，并能實(shí)現(xiàn)手動啟動和停止，運(yùn)行指示燈實(shí)時(shí)監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前內(nèi)膽溫度值與夾套溫度值。尤其以日本，美國，德國，瑞典為代表，它們的技術(shù)遙遙領(lǐng)先，并且已經(jīng)生產(chǎn)出商品化，性能高的溫度控制器及儀器儀表。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。 串級系統(tǒng) [2]是由調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，即主回路和副回路，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。于是，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)加熱電阻絲兩端的電壓，加熱控制內(nèi)膽水溫，進(jìn)而控制夾套水溫。當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)用中，為了達(dá)到更好的控制效果，可以采取多個(gè)系統(tǒng)的集成，做到互補(bǔ)長短。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟。自 70 年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展下，還有在自動控制理論與設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動下，國內(nèi)外的溫度控制系統(tǒng)迅猛發(fā)展，并且在職能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得了不錯(cuò)成果。對于工業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)，從分析對象要求，形成設(shè)計(jì)思想，選用設(shè)備，編寫并優(yōu)化程序，在本論文中都會得到詳細(xì)和完整地論述。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中，溫度控制占有著極為重要的地位。利用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)上位機(jī)界面， 實(shí)現(xiàn) 控制系統(tǒng) 的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù) 的實(shí)時(shí) 采 樣 與處理 ，并 可以實(shí)現(xiàn)友好的用戶界面 ， 是一種具有 一定 應(yīng)用價(jià)值的實(shí)時(shí)溫度控制系統(tǒng) 。 論文作者 簽名： 年 月 日 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 ， 傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的可編程 邏輯 控制器 （ PLC） 控制技術(shù)所取代 ， 而 PLC 本身優(yōu)異的性能使基于 PLC 控制的溫度控制系統(tǒng)變 得 經(jīng)濟(jì) 、 高效 、 穩(wěn)定且維護(hù)方便。 本文介紹了基于 西門子公司 S7－ 200 系列 PLC 的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 ， 詳細(xì)分析了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì) 。 設(shè)計(jì)之后系統(tǒng)穩(wěn)定性好、精度高、魯棒性強(qiáng) 。由于 PLC 對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控具有很高的可靠性，且編程簡單、靈活，因此越來越受到人們重視， PLC 也被廣泛地應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第一章 工業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)概述 第一節(jié) 溫度控制系統(tǒng)背景及發(fā)展趨勢 一、溫度控制系統(tǒng)背景 溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)活動中被廣泛地使用，同時(shí)又是人們供熱取暖設(shè)備的主要驅(qū)動來源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年。在這一方面，日本、美國、德國、瑞典等國的技術(shù)領(lǐng)先，已經(jīng)產(chǎn)生了一批商品化的、性能高的溫度控制器及儀器儀表，并且被各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。形成商品化并在儀表控制系統(tǒng)參數(shù)的自整定方面，由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件，控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)