【正文】 圖1 溫度控制系統(tǒng)框圖通過(guò)調(diào)節(jié)雙向可控硅的通斷來(lái)調(diào)節(jié)電爐絲的輸出功率, 由溫度檢測(cè)元件熱電偶將采集到的爐膛溫度信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換, 變成數(shù)字量傳給PLC?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)原理電加熱爐的溫控系統(tǒng)主要由加熱元件、加熱設(shè)備、絕緣材料、功率調(diào)節(jié)器和溫度傳感器(熱電偶) 元件等組成。每個(gè)模塊可以組態(tài)最多16 路單端輸入或8 路差動(dòng)輸入。3　溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)A B 系列的PLC 和模擬量輸入/輸出單元Micro logix1500 是A B 公司生產(chǎn)的一種功能強(qiáng)大的微型可編程序控制器, 它采用新穎的兩塊式組合結(jié)構(gòu), 具有可擴(kuò)展Compact I/O 、內(nèi)置P ID、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC 功能和兩路20kHz 高速計(jì)數(shù)器, 它還內(nèi)置2 路模擬量微調(diào)電位器。 微分增益使驅(qū)動(dòng)依賴于實(shí)測(cè)溫度的變化率。比例增益向誤差信號(hào)提供瞬時(shí)響應(yīng)。針對(duì)這些問(wèn)題, 我們采用了羅克韋爾RSTuneP ID 參數(shù)協(xié)調(diào)軟件, 并應(yīng)用到本系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)P ID 參數(shù)。本文以A B 系列PLC M icro logix1500 和模擬量輸入/輸出模塊1771 IFE、1771 O FE 作為溫控系統(tǒng)的主要元件, 驅(qū)動(dòng)加熱元件以達(dá)到我們所需求的控制值。溫控系統(tǒng)控制方法的優(yōu)劣、運(yùn)行效果的好壞, 直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、能源的消耗以及設(shè)備的生產(chǎn)效率。一般中小型PLC 控制系統(tǒng)只對(duì)一路或幾路模擬量進(jìn)行閉環(huán)控制, 硬件上只需配備A /D 及D/A 轉(zhuǎn)換模塊, 軟件可購(gòu)買相應(yīng)廠家提供的P ID 編程功能模塊, 只需設(shè)定好P ID 參數(shù), 運(yùn)行P ID 控制指令, 就能準(zhǔn)確控制回路的輸出值。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中, 模擬量的P ID (比例、積分、微分) 調(diào)節(jié)是常見的一種控制方式, 這是由于P ID調(diào)節(jié)不需要求出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。它具備可塑性、可記憶性、可接受多種方式的輸入/輸出等優(yōu)點(diǎn), 除了單獨(dú)一臺(tái)的控制之外, 更可進(jìn)行多臺(tái)的連接, 控制功能強(qiáng)大易于達(dá)成整體自動(dòng)化的目標(biāo), 尤其是具有可更改性, 可重復(fù)使用,非常值得推廣, 因此已廣受自動(dòng)控制界的歡迎。 最后，再一次感謝在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給予我?guī)椭娜恕Ａ硗膺€要感謝和我一起參加設(shè)計(jì)的同學(xué)們和老師，感謝機(jī)房的管理同學(xué)，每天早起晚歸，負(fù)責(zé)任地為開機(jī)房，管理機(jī)房的衛(wèi)生，為提供了舒適的環(huán)境，謝謝你們一直以來(lái)的關(guān)心和關(guān)懷，特別感謝劉銀同學(xué)，在PLC的運(yùn)用上給予了我很多指導(dǎo)。致 謝論文從選題開始到脫稿完成，其間經(jīng)歷了諸多的困惑和迷茫，收集資料的辛苦和設(shè)計(jì)與寫作中的煎熬，使我深感這不僅僅是一篇本科論文的如期完成，更是對(duì)自己四年來(lái)所學(xué)的理論知識(shí)的一次綜合性檢驗(yàn)。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)雖說(shuō)成功的實(shí)現(xiàn)了電爐內(nèi)部的恒溫控制，但在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也存在一些問(wèn)題，如：PID參數(shù)的整定，利用PLC內(nèi)部功能模塊對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定的時(shí)候，并不是每次都會(huì)得到理想的參數(shù)，并且參數(shù)的自整定需要花很長(zhǎng)的時(shí)間；系統(tǒng)的硬件部分過(guò)于復(fù)雜，該系統(tǒng)在PLC的輸入和輸出端都需要加變送器，使得整個(gè)系統(tǒng)硬件過(guò)于繁雜。該系統(tǒng)采用S7200PLC對(duì)電爐溫度進(jìn)行控制，雖說(shuō)之前沒有學(xué)過(guò)該類PLC，但S7200PLC的軟硬件學(xué)習(xí)還是很方便的，通過(guò)實(shí)際操作很容易掌握。如圖65所示：圖65 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線 本章小結(jié) 本章主要介紹組態(tài)王和PLC進(jìn)行通信的具體方法，在線利用組態(tài)王對(duì)程序監(jiān)控，能夠反應(yīng)出系統(tǒng)的實(shí)時(shí)變化、趨勢(shì)曲線、以及實(shí)時(shí)報(bào)警功能等，實(shí)時(shí)監(jiān)控加熱爐的工作情況，根據(jù)自己的要求，實(shí)時(shí)的對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改。圖64 實(shí)時(shí)報(bào)警 趨勢(shì)曲線監(jiān)控進(jìn)入此畫面，可以看到當(dāng)前實(shí)際溫度和設(shè)定目標(biāo)溫度兩條曲線的實(shí)時(shí)走勢(shì)。只能顯示當(dāng)前的報(bào)警事件歷史報(bào)警窗口是負(fù)責(zé)記錄過(guò)去系統(tǒng)的報(bào)警事件，它不會(huì)自己彈出來(lái)，用戶需要切換到他的畫面進(jìn)行查詢。圖 63 運(yùn)行時(shí)參數(shù)監(jiān)控設(shè)置 報(bào)警信息提示報(bào)警窗口實(shí)時(shí)報(bào)警窗口和歷史報(bào)警窗口，實(shí)時(shí)報(bào)警窗口是無(wú)論用戶處于哪個(gè)界面，一旦滿足報(bào)警條件，實(shí)時(shí)報(bào)警窗口就會(huì)彈出來(lái)，提示用戶，本論文中在報(bào)警窗口中設(shè)置了兩個(gè)按扭，一個(gè)是停止按扭，按下就會(huì)使程序進(jìn)行停止模式，用于應(yīng)急，如果用戶覺得引起報(bào)警的事件還不足于停止設(shè)備的運(yùn)行，那就可以點(diǎn)退出按扭，退出實(shí)時(shí)報(bào)警窗口。如果想恢復(fù)默認(rèn)的參數(shù)值，可以點(diǎn)擊“自動(dòng)”按扭，點(diǎn)擊按扭后，系統(tǒng)又恢復(fù)到原來(lái)的默認(rèn)參數(shù)。下半部分設(shè)置改變系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。如果提示連接設(shè)備成功，窗口會(huì)顯示開始記錄數(shù)據(jù)，那就表示可以開始系統(tǒng)的運(yùn)行了。如果點(diǎn)擊關(guān)閉按扭，系統(tǒng)進(jìn)入停止階段。如果沒有點(diǎn)擊啟動(dòng)按扭，PLC是處于待命停止階段的，指示燈是紅色的。如果提示連接設(shè)備成功，窗口會(huì)顯示開始記錄數(shù)據(jù)，那就表示可以開始系統(tǒng)的運(yùn)行了。這個(gè)時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開一個(gè)信息窗口，可以通過(guò)信息窗口來(lái)知道，組態(tài)王的運(yùn)行情況以及和PLC的連接是否成功。下圖61為配置向?qū)М嬅?，按照以上的步驟即可成功的完成組態(tài)王與PLC的通信。首先使用“設(shè)備配置向?qū)А倍x外部設(shè)備，分別選擇西門子S7200系列PPI通信和西門子S7200系列通信卡通信，并設(shè)定如下通信參數(shù)：波特率96000bps，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，偶校驗(yàn)。 　組態(tài)王與S7200的通信PPI（PointtoPoint）是西門子專為S7200系列開發(fā)的一個(gè)通信協(xié)議，為主從協(xié)議，PC機(jī)為主站，S7200為從站。并可在在線修改程序參數(shù)，有利于系統(tǒng)的性能發(fā)揮。組態(tài)軟件提供了可視化監(jiān)控畫面，包括動(dòng)畫，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線，歷史趨勢(shì)曲線，實(shí)時(shí)報(bào)警窗口，歷史報(bào)警窗口等等的功能。雙擊自動(dòng)按鈕，系統(tǒng)按程序初始的PID參數(shù)進(jìn)行控制，雙擊手動(dòng)按鈕，可在線修改PID參數(shù)，并使得程序在設(shè)定的PID參數(shù)下運(yùn)行。59 系統(tǒng)原理畫面 建立參數(shù)監(jiān)控畫面此畫面可在線查看當(dāng)前程序的參數(shù)，分別有設(shè)定的溫度、當(dāng)前實(shí)際溫度、運(yùn)行時(shí)間，比例系數(shù)P，積分系數(shù)I，微分系數(shù)D。如圖58所示。\\本站點(diǎn)\$新報(bào)警=0。57 歷史報(bào)警設(shè)置2) 實(shí)時(shí)報(bào)警窗口其制作過(guò)程和歷史報(bào)警窗口類似，不同的是，實(shí)時(shí)報(bào)警畫面是要彈出來(lái)的，所以必須在新建畫面的時(shí)候，把大小調(diào)好，并選擇是“覆蓋式”。如圖57所示。如圖56所示。Y軸上不能直接出現(xiàn)實(shí)際的過(guò)程值，但可以通過(guò)工具箱的文本進(jìn)行對(duì)應(yīng)的標(biāo)記，本文中設(shè)置了量程是100℃。實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線隨時(shí)間變化自動(dòng)卷動(dòng)，可快速反應(yīng)變量的新變化，但不能查詢過(guò)去的情況，其畫面時(shí)間跨度可以通過(guò)動(dòng)畫連接中“表示定義設(shè)置”，一個(gè)畫面最多可以設(shè)置四條曲線，本文只需要用到兩條曲線，綠色曲線表示設(shè)定的溫度，紅色曲線表示當(dāng)前實(shí)際溫度。爐子的溫度可以在畫面中顯示出來(lái)。旁邊的指示燈，紅色表示系統(tǒng)停止運(yùn)行。點(diǎn)擊工程管理器中的“數(shù)據(jù)詞典”再雙擊右邊窗口的新建，在出現(xiàn)的定義變量口中填寫相應(yīng)的要求項(xiàng)，并可在“報(bào)警定義”中設(shè)定報(bào)警，如圖54所示。圖53 定義畫面變量設(shè)置 本文中，PLC用內(nèi)存VD400來(lái)存放當(dāng)前的實(shí)際溫度值。而I/O變量是兩者之間互相交換數(shù)據(jù)的橋梁，S7200和組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換是雙向的，一者的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，另外一者的數(shù)據(jù)也跟著變化?；绢愋偷淖兞靠梢苑譃椤皟?nèi)存變量”和I/O變量?jī)深?。畫面的工具欄里面，可以選擇工具箱，調(diào)色板，線形等在畫面中顯示，這些在畫圖的時(shí)候經(jīng)常需要用上。如下圖。進(jìn)入組態(tài)畫面的設(shè)計(jì),如圖51所示。 組態(tài)畫面設(shè)計(jì) 創(chuàng)建項(xiàng)目雙擊組態(tài)王的快捷方式，出現(xiàn)組態(tài)王的工程管理器窗口，雙擊新建按扭，按照彈出的建立向?qū)?，填寫工程名稱。該系統(tǒng)是中文界面,具有人機(jī)界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)。它提供了集成、靈活、易用的開發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，能夠快速建立、測(cè)試和部署自動(dòng)化應(yīng)用，來(lái)連接、傳遞和記錄實(shí)時(shí)信息。第5章 　組態(tài)畫面設(shè)計(jì) 組態(tài)王簡(jiǎn)介組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是眾多組態(tài)軟件里面的一種，組態(tài)王是一個(gè)具有豐富功能的HMI/SCADA軟件。 本章小結(jié)本章主要介紹加熱爐溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的思路、STEP7編程軟件的使用方法作出了具體的介紹。當(dāng)硬件連接完畢后在軟件上設(shè)置通信，單擊通信，設(shè)置PG/PC接口，然后雙擊刷新，完成后確定即可；第二步：下載程序，單擊工具欄中的下載按鈕即可；第三步：實(shí)施監(jiān)控和調(diào)試，單擊工具欄的監(jiān)控，此時(shí)計(jì)算機(jī)中顯示PLC的運(yùn)行狀態(tài)，顯示屏幕上被點(diǎn)亮的原件表示接通狀態(tài)。表43 PID指令回路表地址名稱說(shuō)明VD200過(guò)程變量（P V n）~VD204給定值（S P n）~VD208輸出值（M n）~VD212增益（K c）比例常數(shù)，可正可負(fù)VD220積分時(shí)間（Ti）單位為min，必須是正數(shù)VD224微分時(shí)間（Td）單位為min，必須是正數(shù)VD228積分項(xiàng)前值（MX）~VD232過(guò)程變量前值（PVn1）最后一次執(zhí)行PID指令的過(guò)程變量值 　程序流程圖本設(shè)計(jì)加熱爐溫度控制系統(tǒng)程序流程圖如圖42所示：圖42 溫度控制系統(tǒng)程序流程圖 　系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)程序見附錄3 PLC爐溫控制系統(tǒng)的調(diào)試當(dāng)PID參數(shù)確定后，系統(tǒng)便可以實(shí)現(xiàn)溫度的控制，通過(guò)STEP7Micro/WIN32軟件可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行監(jiān)控。圖41 溫度控制系統(tǒng)接線圖2. I/O點(diǎn)地址分配如表41所示表41 I/O地址分配表地址名稱功能啟動(dòng)按扭按下開關(guān)，設(shè)備開始運(yùn)行停止按鈕按下開關(guān)，設(shè)備停止運(yùn)行保護(hù)按鈕按下開關(guān)，終止加熱運(yùn)行燈燈亮表示設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)停止燈燈亮表示設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài)溫度狀態(tài)指示燈（正常）燈亮表示爐溫在正常范圍內(nèi)溫度狀態(tài)指示燈（危險(xiǎn)）燈亮表示爐溫過(guò)高，處于危險(xiǎn)狀態(tài)3. 程序地址分配如表42所示。根據(jù)模擬量輸出值來(lái)控制可控硅電壓調(diào)整器，產(chǎn)生可控硅脈沖觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)觸發(fā)可控硅電路，最終由該電路驅(qū)動(dòng)電爐的加熱絲從而控制加熱爐處于加熱或非加熱狀態(tài)，達(dá)到恒溫控制的目的。 　方案設(shè)計(jì)思路PLC采用的是的S7200，CPU是224系列，采用了4個(gè)燈來(lái)顯示過(guò)程的狀態(tài)，分別是運(yùn)行燈，停止燈，溫度正常燈，溫度過(guò)高（警示燈），可以通過(guò)4個(gè)燈的開關(guān)狀況判斷加熱爐內(nèi)的大概情況。如編程、編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等，但所有的程序和參數(shù)都只能存放在計(jì)算機(jī)上[9]。聯(lián)機(jī)方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與PLC 連接，此時(shí)允許兩者之間做直接通信。梯形圖中的錯(cuò)誤處的下方自動(dòng)加紅色曲線，語(yǔ)句表中錯(cuò)誤行前有紅色叉，且錯(cuò)誤處的下方加紅色曲線。此外，還可直接用軟件設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。第4章 　軟件設(shè)計(jì) 　STEP7編程軟件簡(jiǎn)介STEP7Micro/WIN32編程軟件是由西門子公司專為S7200系列PLC設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用[8]，例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯原有的用戶程序，編輯過(guò)程中編輯器具有簡(jiǎn)單語(yǔ)法檢查功能。圖36 高級(jí)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)界面第五步：如果用戶想將PID自整定的參數(shù)應(yīng)用到當(dāng)前PLC中，則只需點(diǎn)擊更新PLC。當(dāng)按鈕再次變?yōu)殚_始自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，表示系統(tǒng)已經(jīng)完成了PID自整定（要使用自整定功能，必須保證PID回路處于自動(dòng)模式。此時(shí)可點(diǎn)擊調(diào)整參數(shù)區(qū)內(nèi)的開始自動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕啟動(dòng)PID自整定功能，這時(shí)按鈕變?yōu)橥Ｖ棺詣?dòng)調(diào)節(jié)。如果不是很特殊的系統(tǒng)，也可以不加理會(huì)。在PID調(diào)節(jié)面板的當(dāng)前PID區(qū)選擇要調(diào)節(jié)的PID回路號(hào)，在調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)選擇手動(dòng)，調(diào)節(jié)PID參數(shù)并點(diǎn)擊更新，使新參數(shù)值起作用，監(jiān)視其趨勢(shì)圖，根據(jù)調(diào)節(jié)狀況改變PID參數(shù)直至調(diào)節(jié)穩(wěn)定。要確定系統(tǒng)的振蕩頻率ωc與Kc增益,比較常用的是描述函數(shù)方法,根據(jù)非線性環(huán)節(jié)輸入與輸出信號(hào)之間的基波分量關(guān)系來(lái)進(jìn)行近似分析。在測(cè)試模態(tài)下,由一個(gè)繼電非線性環(huán)節(jié)來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的振蕩頻率和增益,而在調(diào)節(jié)模態(tài)下,由系統(tǒng)的特征參數(shù)首先得到PID控制器,然后由此控制器對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)?；诶^電反饋的自動(dòng)整定法避免了ZN法整定時(shí)間長(zhǎng)、臨界穩(wěn)定等問(wèn)題,且保留其簡(jiǎn)單性,目前已成為PID自動(dòng)整定方法中應(yīng)用最多的一種。但這類方法的理論基礎(chǔ)較弱,需要豐富的控制知識(shí),其性能的優(yōu)劣取決于開發(fā)者對(duì)控制回路參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)反饋控制理論的理解程度。自整定能提供一組近似最優(yōu)的整定參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。（2）整定積分環(huán)節(jié)先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。表 34 溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時(shí)間（分鐘）微分時(shí)間（分鐘）溫度滯后較大20~603~10~3實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為先比例，再積分，最后微分。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法等。表33 常見被調(diào)量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期被控量采樣周期Ts/s流量1壓力5液位10溫度20 　PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時(shí)間Ti和和微分時(shí)間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。 綜合以上各種因素，選擇采樣周期，應(yīng)在滿足系統(tǒng)控制的性能要求條件下，盡可能地選擇低的采樣速率。（5） 從計(jì)算機(jī)精度考慮，采樣周期不宜過(guò)短。（3） 從抑制擾動(dòng)的要求來(lái)說(shuō)，采樣周期應(yīng)該選擇得小些。如果Fs≥2Fm，則Xs（t）保留了X（t）的全部信息（從Xs（t）可以不失真地恢復(fù)出X（t））。采樣周期Ts是設(shè)計(jì)者要精心選擇的重要參數(shù)，系統(tǒng)的性能與采樣周期的選擇有密切關(guān)系。反之，如采樣周期過(guò)短，則，兩次實(shí)測(cè)值的變化量太小，亦不相宜。離散控制系統(tǒng)都采用周期性測(cè)量方式，采樣間隔之間的變量值是不測(cè)量的。本設(shè)計(jì)采用的就是滑動(dòng)平均值法進(jìn)行數(shù)字濾波?；瑒?dòng)平均值算法可以通過(guò)圖34所示的程序流程圖實(shí)現(xiàn)。計(jì)算平均值時(shí)，只要將隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均計(jì)算，就可以得到最新的算術(shù)平均值。圖33 去極值平均值濾波法滑動(dòng)平