【正文】 點擊 “F1”按鈕，就會回到主界面。 圖 主界面 實時趨勢曲線 打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點擊工具箱中的 “實時趨勢曲線 ”把實時趨勢曲線放進(jìn)開發(fā)頁面，然后雙擊曲線畫面，對曲線進(jìn)行設(shè)置，如 X 軸和 Y 軸的設(shè)置 及標(biāo)示定義等，最后利用工具箱做好 “F1”按鈕，即可形成如圖 所示的實時趨勢曲線畫面。點擊 “設(shè)定畫面 ”會進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定畫面，點擊 “報警窗口 ”會進(jìn)入報警畫面，實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線也是一樣。完整的主界面如圖 所示。 下面介紹每個畫面的設(shè)計方法。在工程瀏覽器中，雙擊新建圖標(biāo)，新建畫面（如圖 所示）。如圖 所示 ，最下面的一行是我們新建的工程，工程名稱為 “ PID 溫控” 。 從 北京 亞控公司的主頁上下載了組態(tài)王 演示版，安裝好 以后。在本溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中，選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設(shè)計。 HMI 監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應(yīng)的功能子畫面組成， HMI 畫面設(shè)計對于 HMI來說是非常關(guān)鍵的。 HMI的主要功能有：數(shù)據(jù)的輸入與顯示；系統(tǒng)或設(shè)備的操作狀態(tài)方面的實時信息顯示；報警處理及打印；數(shù)據(jù)歸檔和報表系統(tǒng)。工業(yè) HMI又稱觸摸屏監(jiān)控器，是一種智能化操作控制顯示裝置。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 35 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 36 5 基于組態(tài)王的 HMI 設(shè)計 人機界面（ HMI） 設(shè)計 隨著自動化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強大，控制過程也變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。 圖 PID 參數(shù)設(shè)置 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 圖 環(huán)路輸入、輸出設(shè)置 圖 設(shè)置報警功能 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 設(shè)置好以上所有步驟后，接下來需要 根據(jù)回路表為 PID 參 數(shù)分配存儲地址， 圖 、圖 和 圖 就是此作用。其中，增益 Kc=1， 積分時間為 1 分鐘，微分時間為0 分鐘， 采 樣時間為 10 秒。 首先打開 “ 指令向?qū)?” ，選擇 “ PID” ，如圖 所示。本項目程序中就正好運 STEP7Micro/WIN 軟件自帶的 PID 指令向?qū)?。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù) PID 運算的自動編程，用戶只需在主程序中調(diào)用 PID 向?qū)傻淖映绦?，就可以完?PID 控制任務(wù)。歸一化的公式為 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 )/(1 MSRR ?? （ 41） 式中， R1 為標(biāo)準(zhǔn)化的實數(shù)值； R 為未標(biāo)準(zhǔn)化的實數(shù)值； M 為偏置，單極性為 ，雙極性為 ； S 為值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為 32020，雙極性為64000[17]。執(zhí)行 PID 指令前必須把它們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點型實 數(shù) 。上面的指令中， PV_I 為反饋值，也就是 熱電偶將檢測到的當(dāng)前 溫度值 送入溫度模塊后輸出的模擬電壓值 AIW0； Setpoint_R 為設(shè)定值。 圖 通信參數(shù)設(shè)置 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 程序設(shè)計 設(shè)計思路 PLC 運行時，通過特殊繼電器 產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行初始化，將溫度設(shè)定值 ，PID 參數(shù)值 等，存入有關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器，使定時器復(fù)位 ； 按啟動按鈕 ， 系統(tǒng) 開始溫度采樣，采樣周期為 1 秒； K 型熱電偶 傳感器把所測量的溫度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)換（ 041 毫伏 ） ；通過溫度變送器轉(zhuǎn)化為模擬量 0 到 10V 的電壓信號 ； 進(jìn)入 PLC 的 AIW0 第一路模擬量輸入通道 。如圖 所示。 （ 1）在 STEP7Micro/WIN 運行 時單擊通訊圖標(biāo)，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 所示）。梯形圖程序設(shè)計語言的特點是： （ 1）與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性； 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 （ 2）與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對電氣技術(shù)人員來說，易于撐握和學(xué)習(xí)； （ 3）與原有的繼 電器邏輯控制技術(shù)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(yīng)用時，需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對待； （ 4）與布爾助記符程序設(shè)計語言有一一對應(yīng)關(guān)系，便于相互的轉(zhuǎn)換和程序的檢查 [16]。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。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(jié)果表示在后面。這種程序設(shè)計語言采用因果關(guān)系 來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。 梯形圖程序設(shè)計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設(shè)計語言。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(guān)量邏輯控制。下面詳細(xì)介紹梯形圖的特點。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(jìn)行瀏覽和編輯。單擊標(biāo)簽可在子程序、中斷程序和主程序之間來回變換 [15]。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。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。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。 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(biāo)，或選擇開始（ Start） SIMATIC STEP 7 Micro/WIN 。現(xiàn)在加上中文程序后，可在全中文的界面下進(jìn)行操作，用戶使用起來更加方便。 編程軟件 STEP7Micro/WIN 概述 STEP7Micro/WIN 編程軟件是基于 Windows 的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為S7200 系列可編程控制器設(shè)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)。 計算機輔助設(shè)計編程 計算機輔助設(shè)計是通過 PLC 編程軟件（比如 STEP7Micro/WIN） 在計算機上進(jìn)行程序設(shè)計、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。多數(shù)是設(shè)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 ” 。一般比較復(fù)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。這種方法很適合以時間為基準(zhǔn)的控制系統(tǒng)的編程方法。邏輯流程圖會使整個程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點及調(diào)試和維修程序。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。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。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(jìn)順控法。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 表 33 階躍曲線法確定 PID 參數(shù) 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) pK iT dT P 1/ rK PI PID 圖 烤箱的溫度曲線 () 由表 33 得： rP KK ? ?2// TKTTKK PIPI ?? () TKTTKK PDPD /???? 通過階躍曲線數(shù)法整定， PID 控制器整定參數(shù)值為： PK = IK = DK = TuyKr 0????沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 4 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 PLC 程序 設(shè)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。基于此，在選擇算法參數(shù)時，既必須根據(jù)具體的控制要求以滿足主要方面并兼顧其他，又必須根據(jù) P、 I和 D 參數(shù)對系統(tǒng)性能的控制作用為指導(dǎo)合理地現(xiàn)場調(diào)解 PID 參數(shù)。常用的工程整定法有經(jīng)驗 法、臨界比例度法、衰減曲線法、階躍曲線法、自整定法等。 工程整定法是在理論的基礎(chǔ)上通過實踐總結(jié)出來的。 理論計算整定法是在已知被控對象的數(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)。在系統(tǒng)投運之前，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Gc(s) Go(s) R(s) E(s) T T U(s) Y(s) + 數(shù)字控制器 )(sGh )(sG PLC W + T)(sGh T y 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 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(yīng)，所以控制器的輸出變化總是滯后與偏差的變化，從而難 以對干擾進(jìn)行及時且有效的控制。 PID 控制及參數(shù)整定 比例、積分、微分三種控制方式各有獨特的作用。 結(jié)構(gòu) 圖如圖、 所示。然后根據(jù)所要求的性能指標(biāo)確定控制器的參數(shù)值。 圖 電氣接線圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 圖 系統(tǒng)框架圖 PLC 控制器的設(shè)計 控制器的設(shè)計是基于模型控制設(shè)計過程中最重要的一步。 PLC 和 HMI 相連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控。 表 32 I/O 點分配表 符號 地址 注釋 符號 地址 注釋 外部啟動按鈕 外部按鈕操作 內(nèi)部啟動按鈕 上位機操作 外部停止按鈕 外部按鈕操作 內(nèi)部停止按鈕 上位機操作 res res Res1 Res1 Res2 Res2 Res3 Res3 Res4 Res4 Res5 Res5 系統(tǒng)狀態(tài)指示 加熱功率上限報警 系統(tǒng)報警指示 加熱功率下限報警 聲光報警輸出 SV VD0 設(shè)定值 res PV VD4 反饋值 res1 AIW0 熱電偶通道 res2 AQW0 PID 調(diào)節(jié)輸出 Plc 指示燈 res4 2) 系統(tǒng)整體設(shè)計方案及硬件連接圖。圖 TAC16P系列單相調(diào)功 /調(diào)壓電力調(diào)整器 的接線圖。它集單相調(diào)壓 /調(diào)功方式為一體，采 用鎖相環(huán)同步電路、帶上電緩啟動、緩關(guān)斷、散熱器超溫、電流限制、過流保護(hù)，適用于電阻性負(fù)載和感性負(fù)載。 系統(tǒng)里的烤爐最高溫度不過幾百度，加上一定的裕度就足夠了，另外其成本也不算高 [12]。 熱電偶 是工業(yè)上最常用 的溫度檢測元件之一。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢和電阻的方法最為普遍。 溫度控制系統(tǒng)由于輸入 /輸出點數(shù)不多，本可以使用 CPU224 以下的 類型，是因為CPU224XP 集成模擬量輸入與輸出，所以選擇 CPU224XP CN。本機還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量 I/O， 位控特性，自整定 PID功能，線性斜坡脈沖指令，診斷 LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等。 2輸入 /1輸出共 3個模擬量 I/O點，可連接 7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展值至 256路數(shù)沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 字量 I/O點 (128輸入 /128輸出 )或 64路模擬量 I/O點 (32輸入 /32輸出 )。 圖 S7200 系列 PLC 實物圖 S7200 CPU的選擇 S7200系列的 PLC有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU224XP、 CPU226等類型。它的硬件配置靈活，既可用一個單獨的 S7200 CPU 構(gòu)成一個簡單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴(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)?？刂葡到y(tǒng)[10]。 PLC 的選型與硬件配置 PLC 型號的選擇 溫度控制 系統(tǒng)選擇 德國西門子公司的 S7200 系列的 PLC。當(dāng)控制臺及現(xiàn)場施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，如不能滿足要 求，須重新檢查程序和接線，及時更正軟硬件方面的問題。模擬調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 (1)硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺 PLC 或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到 PLC 系統(tǒng)的輸入端，其時效性較強。 程序模擬調(diào)試是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場實際狀態(tài)，為程序的運行創(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。 (2)檢測、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，為啟動作必要的準(zhǔn)備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動 作。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實現(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。