【正文】 本章在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上， 將 詳細(xì)介。 21 表 35 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 控制 變量 規(guī)律的選擇 比例度 ? （ %） 積分時(shí)間 Ti（分鐘） 微分時(shí)間 Td（分鐘） 溫度 對(duì)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(zhǎng)，一般需要微分 2060 310 通過(guò)經(jīng)驗(yàn)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(shí)間 iT =3分鐘， 微分時(shí)間 dT =1分鐘 。如果開(kāi)始時(shí) Ti和 Td 設(shè)置 的不 合適，則有可能得不到要求的理想曲線(xiàn)。通過(guò)微 分時(shí)間的湊試，使過(guò)渡時(shí)間最短，超調(diào)量最小。調(diào)整積分時(shí)間的大小，直到出現(xiàn) 4： 1 的衰減振蕩。然后再加入積分 ( I )作用，一般先取積分時(shí)間 T1 為衰減振蕩周期的一半左右。 由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗(yàn)整定法主要通過(guò)調(diào)整比例度 ? 的大小來(lái)滿(mǎn)足質(zhì)量指標(biāo)。 經(jīng)驗(yàn)整定法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)湊試法，是工程技術(shù)人員在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法來(lái)整定控制 器的參數(shù)值。 對(duì)于工程整定法，工程技術(shù)人員無(wú)需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無(wú)需具備理論計(jì)算所需的理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛使用。 20 理論計(jì)算整定法是在已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取 的質(zhì)量指標(biāo)，通過(guò)理論計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來(lái)求得最佳的整定參數(shù)。在系統(tǒng)投運(yùn)之前，還需要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。 根據(jù)以上的分析，本溫度控制系統(tǒng)適于采用 PID 控制。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。積分控制可以消除余差，但是工業(yè)上很少單獨(dú)使用積分控制的，因?yàn)榕c比例控制相比 ，除非積分速度無(wú)窮大，否則積分控制就不可能想比例控制那樣及時(shí)的對(duì)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(duì)干擾進(jìn)行及時(shí)且有效的控制。 PID 控制及參數(shù)整定 比例、積分、微分三種控制方式各有獨(dú)特的作用。 圖 35 系統(tǒng)硬件連接圖 圖 36 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 R(s) + E(s) U(s) Y(s) _ 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) 19 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(duì)象，即控制閥、對(duì)象控制通道、測(cè)量變送裝置三個(gè)環(huán)節(jié)的合并； 該 溫 度 控制系統(tǒng)是 具有時(shí)滯的一階閉環(huán) 系統(tǒng)， 傳遞函數(shù)為 （ 31） 式 31中， 0K 為對(duì)象放大系數(shù)； 0T 為對(duì)象時(shí)間常數(shù)； ? 為對(duì)象時(shí)滯。 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 本溫度控制系統(tǒng) 中， 傳感器 （電熱偶） 將檢測(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換 成電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度模塊后， 與設(shè)定 溫度 值進(jìn)行比較 ， 得到偏差 ， 此偏差 送入 PLC 控制器輸入觸點(diǎn) 功能說(shuō)明 輸出觸點(diǎn) 功能說(shuō)明 啟動(dòng)按鈕 運(yùn)行指示燈（綠） 停止按鈕 停 止 指示燈（紅） 固態(tài)繼電器 計(jì)算機(jī) P L C EM231 模塊 固態(tài)繼電器 熱電偶 烤爐 18 按 PID 算法進(jìn)行修正 ， 返回對(duì)應(yīng)工況下的 固態(tài)繼電器 導(dǎo)通時(shí)間 ， 調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率 ， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì) 爐子 的溫度控制。首先要根據(jù)受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和它的 各 特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對(duì)象的連接方式。 整個(gè)硬件連接圖如圖 34 和 35 所示。 系統(tǒng)選用 PLC CPU226 為控制器， K型熱電偶將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò) EM231 模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到 PLC 中進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)， PID 控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過(guò)固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子溫度的控制。 表 33 K 型熱電偶分度表 17 I/O 點(diǎn)分配及電氣連接圖 1) 該溫度控制系統(tǒng)中 I/O點(diǎn)分配表如表 34所示。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 有 S、 B、 E、 K、 R、 J、 T 七種 類(lèi)型，在本系統(tǒng)中，我們選用了K 型熱電偶（分度表如表 33 所示），其測(cè)溫范圍大約是 0～ 1000℃。 該 系統(tǒng)中 需要用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，且爐子的溫度最高達(dá)幾百度 ,所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。其中最 常用于測(cè)量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化 ,而熱電阻是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。 圖 33 DIP配置 EM231 熱電式 傳感器 熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置。5V ON OFF 177。 表 中， ON 為接通，OFF 為斷開(kāi)。 ,0~20mA 分辨率： 12 Bit 轉(zhuǎn)換速度： 250μ S 隔離：有 耗電 從 CPU 的 DC 5V （ I/O 總線(xiàn)）耗電 10mA DIP 開(kāi)關(guān) SW1 0, SW2 0, SW3 1（以 K 型熱電偶為例） 表 32 所示為如何使用 DIP 開(kāi)關(guān)設(shè)置 EM231 模塊， 開(kāi)關(guān) 2和 3可選擇模擬量輸入范圍。 表 31 EM231 技術(shù)指標(biāo) 型號(hào) EM231 模擬量輸入模塊 總體特性 外形尺寸： 80mm 62mm 功耗： 3W 輸入特性 本機(jī)輸入： 4 路模擬量輸入 電源電壓：標(biāo)準(zhǔn) DC 24V/4mA 輸入 類(lèi)型： 0~10V， 0~5V，177。 EM231 模塊 需要用戶(hù)通15 過(guò) DIP 開(kāi)關(guān)進(jìn)行 組態(tài) ： SW1～ SW3 用于選擇熱電偶類(lèi)型， SW4 沒(méi)有使用， SW5用于選擇斷線(xiàn)檢測(cè)方向， SW6 用于選擇是否進(jìn)行斷線(xiàn)檢測(cè)， SW7 用于選擇測(cè)量單位， SW8 用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償。 EM231 熱電偶模塊提供一個(gè)方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類(lèi)型： J、 K、 E、 N、 S、 T 和R 型，它也允許連接微小的模擬量信號(hào) (177。 EM231 模擬量輸入 模塊 本溫度控制系統(tǒng)中， 傳感器 將 檢測(cè)到 的 溫度轉(zhuǎn)換成 0～ 41mv 的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置 模擬量輸入模塊 把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入 PLC 中進(jìn)行處理。配有 2 個(gè) RS485 通訊口，具有 PPI， MPI 和自由方式通訊能力， 波特率最高為 kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng) [11]?？蛇B接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 點(diǎn)數(shù)字量或 35 點(diǎn)模擬量 I/O。 14 圖 32 S7200 系列 PLC 實(shí)物圖 S7200 CPU 的選擇 S7200 系列的 PLC 有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU224XP、 CPU226等類(lèi)型。它的硬件配置靈活，既可用一個(gè)單獨(dú)的 S7200 CPU構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過(guò)擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)字量 I/O 模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴(kuò)展，構(gòu)成較復(fù)雜的中等規(guī)模控制系統(tǒng) [10]。 PLC 的選型與硬件配置 PLC 型號(hào)的選擇 本 溫度控制 系統(tǒng)選擇 德國(guó)西門(mén)子公司的 S7200 系列的 PLC。當(dāng)控制臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，如不能滿(mǎn)足要求，須重新檢查程序和接線(xiàn)，及時(shí)更正軟硬件方面的問(wèn)題。模擬調(diào)試過(guò)程中，可 采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。 (1)硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺(tái) PLC 或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，并將這些信號(hào)以硬接線(xiàn)的方式連到 PLC 系統(tǒng)的輸入端，其時(shí)效性較強(qiáng)。 程序模擬調(diào)試是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂 。 (3)保護(hù)和連鎖程序。 13 (2)檢測(cè)、故障診斷和顯示等程序。在 PLC 上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動(dòng)作必要的準(zhǔn)備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作。程序要以滿(mǎn)足系統(tǒng)控制要求為主線(xiàn)，逐一編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的 功能。 (5)計(jì)數(shù)器、定時(shí)器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。由 PLC 的 I/O 連接圖和 PLC 外圍電氣線(xiàn)路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。 (4) 繪制 PLC 外圍硬件線(xiàn)路 圖。 (3) PLC 的 I/O 端口分配。 (2) 選擇 PLC。輸入設(shè)備包括 按紐、位置開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及各種傳感器等 。 2. 硬件選擇 具體包括如下。PLC 與其他設(shè)備的關(guān)系， PLC 之間是否通信聯(lián)網(wǎng) 。這一階段必須對(duì)被控對(duì)象所有功能全面的了解，對(duì)對(duì)象的各種動(dòng)作及動(dòng)作時(shí)序、動(dòng)作條件、 必要的互鎖與保護(hù) 。 1. 熟悉被控對(duì)象 深入了解被控系統(tǒng)是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所謂硬件設(shè)計(jì)，是指 PLC 外部評(píng)估控制任務(wù) PLC機(jī)型的選擇 控制柜設(shè)計(jì)及布線(xiàn) 程序設(shè)計(jì) 聯(lián)機(jī)調(diào)試 PLC安裝 程序檢查、調(diào)試 控制流程的設(shè)計(jì) 程序備份 修改軟、硬件 模擬運(yùn)行 投入使用 是否滿(mǎn)足要求 12 設(shè)備的設(shè)計(jì)，而軟件設(shè)計(jì)即 PLC 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。 (4) 數(shù)據(jù)處理速度 若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過(guò)程控制為主時(shí)，采用 PLC 控制將非常適宜 [9]。當(dāng)控制規(guī)模較大時(shí) ,特別是開(kāi)關(guān)量控制的 I/O 設(shè)備較多時(shí)，最適合采用 PLC 控制。 2. 評(píng)估控制任務(wù) 根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務(wù)，對(duì)被控對(duì)象的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，特別是從以下幾個(gè)方面給以考慮。 (4)發(fā)展性原則。 (3)經(jīng)濟(jì)型原則。 (2)可靠性原則。 1. 設(shè)計(jì)原則 (1)完整性原則。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象 (生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程 )的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 弄懂 PLC的基本工作原理和指令系統(tǒng)后 ,就可以把 PLC應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中。 10 第三章 PLC 控制系統(tǒng) 硬件 設(shè)計(jì) 在掌握了 PLC 的硬件構(gòu)成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后 ，就可以PLC 作為主要控制器來(lái)構(gòu)造 PLC 控制系統(tǒng)。 (5) 報(bào)表系統(tǒng) HMI 系統(tǒng)可以輸出報(bào)警 和過(guò)程值報(bào)表。 (4) 數(shù)據(jù)歸檔 HMI 系統(tǒng)可以記錄過(guò)程變量值和報(bào)警信息并歸檔。 可 從 監(jiān)控界面上啟動(dòng)和停止系統(tǒng)、設(shè)定溫度上下限、設(shè)置 PID 參數(shù)等。例如：爐子加熱通斷可以通過(guò)指示燈亮滅來(lái)顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來(lái)指示等等，使整個(gè)控制系統(tǒng)變得形象易懂 ，也更加清晰。 用戶(hù) 必須先使用組態(tài)軟件制作 “工程文件 ”，再通過(guò) PC 機(jī)和 HMI 產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的 “工程文件 ”下載到 HMI 的處理器中運(yùn)行 。根據(jù) HMI 的產(chǎn)品等級(jí)不同，處理器可分別選用8 位、 16 位、 32 位的處理器。 人機(jī) 界面的定義 人機(jī)界面是指 連接可編程 控制器（ PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過(guò)輸入單元（如觸摸屏、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等）寫(xiě)入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互的數(shù)字設(shè)備 ,由硬件和軟件兩部分組成 。 人機(jī)界面 基礎(chǔ) 隨著社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來(lái)越強(qiáng)大，控制過(guò)程也變得越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大 透明 化已經(jīng)成為一種需要 。還有一些 PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。工作時(shí)逐條順序掃描用 戶(hù)程序，如果一個(gè)線(xiàn)圈接通或斷開(kāi)，該線(xiàn)圈的所有觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作，需 等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作 [6]。但其工作方式卻與計(jì)算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。編程設(shè)備在 PLC 的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場(chǎng)的控制。 6）編程設(shè)備 常見(jiàn)的編程設(shè)備有簡(jiǎn)易手持編程器、智能圖形編程器和基于 PC 的專(zhuān)用編程軟件。 5）智能模塊 除了上述通用的 I/O 模塊外， PLC 還提供了各種各樣的特殊 I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、 位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程 I/O控制、打印機(jī)等專(zhuān)用型或智能型的 I/O 模塊，用以滿(mǎn)足各種特殊功能的控制要求。 4） 電源模塊 PLC 中的電源，是為 PLC