【正文】 在 S7200 中 PID 功能是通過 PID 指令功能塊實(shí)現(xiàn)。 PID 控制是負(fù)反饋閉環(huán)控制，能夠抑制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的各種因素所引起的擾動(dòng)，使反饋跟隨給定變化。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 29 第四章 軟件設(shè)計(jì) S7200 CPU 的 PID 控制 S7200 能夠進(jìn)行 PID 控制。分度號 Pt100 的含義為在 0℃時(shí)的 名義電阻值為 100Ω，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。 熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的。 熱電阻 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度測量元件。對一般的工業(yè)應(yīng)用來說，為了保護(hù)感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護(hù)套里面，外觀就顯得笨大，對于溫度場的反應(yīng)也就遲緩得多。隔爆式熱電偶通常應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體的場合，如果使用普通熱電偶極易引起氣體爆炸，則在這種場合必須使用隔爆熱電偶。熱電動(dòng)勢的大小只和熱電偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關(guān)，而和熱電偶的長短粗細(xì)無關(guān)。 熱電偶 工業(yè)熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中不同范圍的溫度。 50 年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。 ，必須用快速熔斷器或 RC 阻尼電路對其進(jìn)行過載保護(hù)。 ，可控硅或雙相控硅的正向降壓可達(dá) 1~2V，大功率晶體管的飽和壓降也在 1~2V 之間，一般功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻也較機(jī)械觸點(diǎn)的接觸電阻大。 ，控制功率小，電磁兼容性好 :固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動(dòng)功率低，可 與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。 15V)時(shí)才開啟導(dǎo)通；關(guān)斷的時(shí)間是一樣的，都是在小于維持電流時(shí)關(guān)斷。當(dāng) IN 撤銷后 ,負(fù)載電流低于雙向可控硅維持電流時(shí) (交流換向 ),SSR 關(guān)斷。 (3)固態(tài)繼電器分類 固態(tài)繼電器從受控負(fù)載不同分為交流固態(tài)繼電器和直流固態(tài)繼電器兩大類，其中交流固態(tài)繼電器應(yīng)用比較普遍。 SSR 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示 ,通常為四端組件 : 2 個(gè)輸入端和 2個(gè)輸出端 。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算 機(jī)外圍接口設(shè)備，調(diào)溫、調(diào)速、調(diào)光、電機(jī)控制、電爐加溫控制、電力石化、醫(yī)療器械、金融設(shè)備、煤碳、儀器儀表、交通信號等領(lǐng)域。 SSR 的 功率開關(guān)直接接入電源與負(fù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 23 載端，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電源的通斷切換?？刂齐娏鞅ＷC再大于 5mA。 固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器（ Solid State Relay,縮寫 SSR） ,是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)。使用 S7200 CPU，可以支持一個(gè)或多個(gè)以下協(xié)議： 第一種是點(diǎn)到點(diǎn) (Pointtopoint)接口即 PPI 方式。網(wǎng)絡(luò)也有單主站和多主站之分。但是，有另一些通訊網(wǎng)絡(luò)中，它只能讓主站讀取數(shù)據(jù)，讓主站寫入數(shù)據(jù)。但是，這些設(shè)備在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所起的作用并不完全相同。還可以利用內(nèi)部集成的 PPI 接口進(jìn)行 PPI 方式、自由口方式組成通訊網(wǎng)絡(luò)。其電壓、電流的量程是由開關(guān) SW SW2 到 SW6 設(shè)定。負(fù)載的另一端分別接到 CPU224 各個(gè)繼電器輸出端子。 輸入繼電器輸出： DC輸入端與 CPU224 的 DC 輸入 DC 輸出相同。1L+、 2L+分別為公共端。 CPU224 的接線 輸入 DC輸出： DC 輸入端由 1M、 ? 為第 1 組， 2M、 ? 為第 2 組， 1M、 2M 分別為各組的公共端。 CPU224 及 EM235 (1)CPU224 的技術(shù)指標(biāo) CPU224 本機(jī)集成了 14 點(diǎn)輸入／ 10 點(diǎn)輸出，共有 24 個(gè)數(shù)字量 I/O。將開關(guān)撥 向停止位置時(shí)，可編程序控制器處于停止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)可以對其編寫程序。輸出端子的運(yùn)行狀態(tài)可以由頂部端子蓋下方一排指示燈顯示， ON 狀態(tài)對應(yīng)的指示燈亮。 狀態(tài)指示燈 LED 顯示 CPU 所處的工作狀態(tài)指示。檔次最低的是 CPU221，其數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)有 6 點(diǎn)，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)有 4 點(diǎn)，是控制規(guī)模最小的PLC?？梢哉f， S7200 可以完美地滿足各種小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。 S7200 PLC 包含了一個(gè)單獨(dú)的 S7200 CPU 和各種可選擇的擴(kuò)展模塊，可以十分方便地組成不同規(guī)模的控制器。 輸出刷新階段。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。分析上述掃描過程，如果我們對遠(yuǎn)程 I/O 特殊模塊和其它通信服務(wù)暫不考慮，這樣掃描過程就只剩下“輸入采樣”、“程序執(zhí)行”、“輸出刷新”三階段了。 第三部分是出錯(cuò)處理。 PLC 上電處理完成以后進(jìn)入掃描工作過程。 PLC 工作的全過程可用如圖 運(yùn)行框圖來表示。執(zhí)行用戶程序所需輸入狀態(tài)均在輸入映像寄存器中取用，而不直接到輸入端或輸入模塊去取用。 PLC 就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。 PLC 還可配有盒式磁帶機(jī)、 EPROM 寫入器、存儲器卡等其它外部設(shè)備。 為了實(shí)現(xiàn)“人 機(jī)”或“機(jī) 機(jī)”之間的對話， PLC 配置多種通信接口。輸出接口用來連接被控對象中各種執(zhí)行元件，如接觸器、電磁閥、指示燈、調(diào)節(jié)閥（模擬量）、調(diào)速裝置（模擬量）等。用戶存儲器容量的大小，關(guān)系到用戶程序容量的大小和內(nèi)部器件的多少，是反映 PLC 性能的重要指標(biāo)之一。 用戶存儲器包括用戶程序存儲器（程序區(qū)）和功能存儲器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分 。通過用戶指令解釋程序，將 PLC 的編程語言變?yōu)闄C(jī)器語言指令，再由 CPU 執(zhí)輸入接口 輸出接口 電源 中央處理器 存儲器 編程器 外圍接口 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 15 行這些指令。它使 PLC 具有基本的智能，能夠完成 PLC 設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)工作。從硬件結(jié)構(gòu)看，它也有中央處理器（ CPU）、存儲器、輸入 /輸出（ I/O）接口、電源等，如圖 。 PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù) PLC 上的發(fā)光二極管或編程軟件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。 ，性能價(jià)格比高：一臺小型的 PLC 內(nèi)有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程元件，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 13 、安裝、調(diào)試工作量少： PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。 ，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)： PLC 產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。可編程控制器由于具有以下的特點(diǎn)而深受工廠工程技術(shù)人員和工人歡迎。本章主要介紹西門子 S7200 系列 PLC 以及其它硬件的選型。 上位機(jī) S7200 PLC 控制器 溫度傳感器 固態(tài)繼電器 電烤箱 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 12 第三章 硬件設(shè)計(jì) 隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控 制已經(jīng)廣泛地 應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 11 系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 由圖 可知，溫度傳感器采集到數(shù)據(jù)后送給 S7200 PLC， S7200 PLC 通過運(yùn) 算后給固態(tài)繼電器一個(gè)控制信號從而控制 電烤箱 的導(dǎo)通與否。 PID 指令對回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查 ,應(yīng)保證過程變量、給定值等不超限。Mn 是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值。Span為取值范圍 ,等于變量的最大值減去最小值 ,單極性變量的典型值為 32 000,雙極性變量的典型值為 64 000。同樣 ,對于 PID指令的輸出 ,在將其送給 D/A 轉(zhuǎn)換器之前 ,也需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 P I D 控 制 器 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 被 控 對 象檢 測 元 件c ( t )M ( t )e nS P nP V nD / AA / DM np v ( t ) 圖 PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 (2)輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換 PID 控制有輸入量 2 個(gè) ： 給 定值 sp 和過程變量 pv。 P I D 控 制 器 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 被 控 對 象檢 測 元 件c ( t )M ( t )e ( t )s p ( t )p v ( t ) 圖 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 8 假設(shè)采樣周期為 TS , 系統(tǒng)開始運(yùn)行的時(shí)刻為 t =0 ,用矩形積分來近似精確積分 , 用差分近似精確微分 ,將式 1 離散化 , 第 n 次采樣時(shí)控制器的輸出如式 (23)所示 : MonnKjKnKcMn eeee DI nj?????? ??)( 11 (23) 式中 : en 1 為第 n 1 次采樣時(shí)的誤差值 ； KI 為積分系數(shù) ； KD 為微分系數(shù)。 KC為比例系數(shù) 。 pv(t)為反饋量 。 下面 以西門子 S7200 PLC 為例 ,說明 PID 控制的原理及 PLC 的 PID 功能指令的使用及控制功能的實(shí)現(xiàn)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 7 PLC 實(shí)現(xiàn) PID 控制的方式 用 PLC 對模擬量進(jìn)行 PID 控制大致有如下幾種方法 ： (1)使用 PID 過程控制模塊 :這種模塊的 PID 控制程序是 PLC 廠家設(shè)計(jì)的 ,并放在模塊中 ,用戶使用時(shí)只需要設(shè)置一些參數(shù) ,使用起來非常方便。同時(shí)當(dāng)今智能控制理論的發(fā)展，又形成了許多智能 PID控制方法。 （ 3） PID 算法簡單明了，各個(gè)控制參數(shù)相對較為獨(dú)立，參數(shù)的選定較為簡單，形成了完整的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。在過程開始時(shí)強(qiáng)迫過程進(jìn)行，過程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡過程。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 6 PID 控制器的主要優(yōu)點(diǎn) PID 控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器，它具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） PID 算法蘊(yùn)涵了動(dòng)態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在、將來的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。但是， PID本質(zhì)上是一種線性控制器，并且上面討論時(shí)是忽略了純滯后時(shí)間的，實(shí)際系統(tǒng)中，如果（是純滯后時(shí)間，是系統(tǒng)總 的慣性時(shí)間常數(shù)），用 PID 控制器的效果就不理想了。加入微分環(huán)節(jié)，能敏感出誤差的變化趨勢，將有助于減小超調(diào)，克服系統(tǒng)震蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。積分時(shí)間大，則積分作用弱，反之積分作用強(qiáng)。 比例調(diào)節(jié)器對于偏 差是及時(shí)反應(yīng)的，一旦偏差產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后的調(diào)整與完善。 二是工程整定法。它是根據(jù)被控過程的特性，確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。因此，采用比例 +積分 (PI)控制器 ,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng) ,如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差 ,則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng) 。 （ 1）比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。長期以來， PID 控制器被廣大科技人員及現(xiàn)場操作人員所采用，并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)?？梢?，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng) (Openloop Control System)是指被控對象的輸出 (被控制量 )對控制器 (controller)的輸出沒有影響，在這種控制系統(tǒng)中 ,不依賴將被控制量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。隨著 PLC功能的擴(kuò)充在許多 PLC控制器中都擴(kuò)充了 PID 控制功能。成熟產(chǎn)品主要以 “ 點(diǎn)位 ” 控制及常規(guī)的 PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復(fù)雜時(shí)變溫度系統(tǒng)控制，而且適應(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，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國 的 技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 系統(tǒng)工作原理 電烤箱 溫度 控制 系統(tǒng) 基本構(gòu)成 如 圖 所示，它由 PLC主控 系統(tǒng) 、 固態(tài)繼電器、溫度 傳感器 、電烤箱 等 4個(gè)部分組成。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 PLC 控制 技術(shù)所取代。首先介紹了溫度控制系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)的組成，然后介紹了西門子 S7200 PLC 和系統(tǒng)硬件及軟件的具體設(shè)計(jì)過程。 然而單片機(jī)控制的 DDC系統(tǒng)軟硬件 設(shè)計(jì)較為復(fù)雜 , 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處 , 而 PLC 在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)