【正文】 通過定時(shí)（按照采樣時(shí)間）執(zhí)行 PID 功能塊，按照 PID 運(yùn)算規(guī)律，根據(jù)當(dāng)時(shí)的給定、反饋、比例－積分－微分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算出控制量。 計(jì)算機(jī)化的 PID 控制算法有幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù) Kc（ Gain，增益）， Ti（積分時(shí)間常數(shù)）， Td（微分時(shí)間常數(shù)）， Ts（采樣時(shí)間）。 根據(jù)具體項(xiàng)目的控制要求，在實(shí)際應(yīng)用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是PI（比例－積分）控制，這時(shí)沒有微分控制部分。 PID 控制器根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對象的實(shí)際值（反饋）的差值，按照 PID 算法計(jì)算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)去影響被控對象的變化。 S7200 CPU 最多可以支持 8 個(gè) PID 控制回路（ 8 個(gè)PID 指令功能塊）。 本章小結(jié)：本章主要介紹了西門子 S7200 PLC 以及系統(tǒng)其它硬件的工作原理與選型。此外還有 Pt Pt200、 Pt500 和Pt1000 等鉑熱電阻， Cu50、 Cu100 的銅熱電阻等。 鉑電阻的工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關(guān)系即分度特性符合 IEC 標(biāo)準(zhǔn)。此外，現(xiàn)在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。若做成一體化溫度變送器，可輸出420mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號或 010V 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，使用起來更為方便。 鉑熱電阻根據(jù)使用場合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。當(dāng)測量點(diǎn)遠(yuǎn)離儀表時(shí)，還需要使用熱點(diǎn)勢率和熱電偶相近的導(dǎo)線來傳輸信號，這種導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。使用熱電偶的時(shí)候，必須消除環(huán)境溫度的波動對測量帶來的影響。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 28 也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程，如燃燒和爆炸過程等。 熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán) 境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強(qiáng)等特點(diǎn)，適宜安裝在裝配式熱電偶無法安裝的場合，它的外保護(hù)管采用不同材料的不銹鋼管，可適合不同使用溫度的需要，內(nèi)部充滿高密度氧化絕緣體物質(zhì)，非常適合于環(huán)境惡劣的場合。 根據(jù)使用場合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱 電偶等種類。 熱電偶的工作原理是 ,兩種不同成份的導(dǎo)體 ,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當(dāng)熱端和冷端存在溫差時(shí)，就會在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)；接上顯示儀表，儀表上就會指示所產(chǎn)生的熱電動勢的對應(yīng)溫度值，電動勢隨溫度升高而增長。若配接輸出 420mA、 010V 等標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓 信號的溫度變送器，使用更加方便、可靠。 這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、 PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。真正把溫度變成電信號的傳感器是 1821 年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。根據(jù)美國儀器學(xué)會的調(diào)查， 1990 年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 27 溫度傳感器 溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。固 態(tài)繼電器的負(fù)載與環(huán)境溫度明顯有關(guān)，溫度升高，負(fù)載能力將迅速下降。 的溫度特性和電子線路的抗干擾能力較差，耐輻射能力也較差，如不采取有效措施，則工作可靠性低。 ，因此不能實(shí)現(xiàn)理想的電隔離。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個(gè)零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。 :固態(tài)繼電器因?yàn)椴捎霉腆w器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。 (4)固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點(diǎn) ，高可靠 :SSR 沒有機(jī)械零部件，有固體器件完成觸點(diǎn)功能，由于沒有運(yùn)動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高。如圖 所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 25 圖 過零型、隨機(jī)型 SSR的負(fù)載電壓波形圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 26 雖然過零型 SSR 有可能造成最大半個(gè)周期的延時(shí)，但不論外加控制信號的相位如何 ,總是在交流電源 為零電壓附近時(shí)導(dǎo)通 ,導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的干擾很小 ,僅在控制信號的第 1 個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生很小的干擾。 過零型（ Z 型）和隨機(jī)型（ P 型）交流固態(tài)繼電器的區(qū)別 當(dāng)輸入端施加有效的控制信號時(shí)，隨機(jī)型 SSR 輸出端立即導(dǎo)通，而過零型 SSR 則要等到負(fù)載電壓過零區(qū)域 (約177。 Z型 SSR 內(nèi)部包括過零檢測電路 ,在施加輸入信號 IN時(shí) ,只有當(dāng)負(fù)載電源電壓達(dá)到過零區(qū)時(shí) ,SSR才能導(dǎo) 通 ,并有可能造成電源半個(gè)周期的最大延時(shí)。 在輸入端施加合適的控制信號 IN 時(shí) ,P 型 SSR 立即導(dǎo)通。 交流固態(tài)繼電器按開關(guān)方式分有電壓過零導(dǎo)通型（簡稱過零型）和隨機(jī)導(dǎo)通型（簡稱隨機(jī)型）； 按輸出開關(guān)元件分有雙向可控硅輸出型（普通 型）和單向可控硅反并聯(lián)型（增強(qiáng)型）； 按安裝方式分有印刷線路板上用的針插式（自然冷卻，不必帶散熱器）和固定在金屬底板上的裝置式（靠散熱器冷卻）； 另外輸入端又有寬范圍輸入（ DC3－ 32V）的恒流源型和串電阻限流型等。 SSR的輸入端和輸出端之間是相互絕緣的 ,內(nèi)部有吸收電路可防止過壓 ,輸入與輸出之間的干擾和絕緣問題均在器件內(nèi)部處理?；窘M成可分為 3部分 : PC、觸發(fā)電路和輸出開關(guān) (BCR) 。 (2)固態(tài)繼電器的工作 固態(tài)繼電器 是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點(diǎn)開關(guān)器件，單相 SSR 為四端有源器件，其中兩個(gè)輸入控制端，兩個(gè)輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。有些輸入控制電路還具有與 TTL/CMOS 兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能。 (1)固態(tài)繼電器的組成 固態(tài)繼電器有三部分組成 :輸入電路，隔離 (耦合 )和輸出電路。 固態(tài)繼電器是具有隔離功能的無觸點(diǎn)電子開關(guān)，在開關(guān)過程中無機(jī)械接觸部件，因此固態(tài)繼電器除具有與 電磁繼電器 一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機(jī)械沖擊，安裝位置無限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好，噪聲低和工作頻率高等特點(diǎn)。主要使用有大功率晶體三極管（開關(guān)管 Transistor） ,單向可控硅（ Thyristor 或 SCR）， 雙向可控硅 （ Triac） ,功率場效應(yīng)管（ MOSFET） ,絕緣柵型雙極晶體管（ IGBT） .固態(tài)繼電器可以方便的與 TTL,MOS 邏輯電路連接。高頻變壓器耦合是利用輸入的控制信號產(chǎn)生的自激高頻信號經(jīng)耦合到次級，經(jīng)檢波整流，邏輯電路處理形成驅(qū)動信號。對于大的變化范圍的控制信號（如 332V）則采用恒流電路，保證在整個(gè)電壓變化范圍內(nèi)電流在大于 5mA 可靠工作。對于控制電壓固定的控制信號，采用阻性輸入電路。用隔離器件實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。第 四種是用戶自定義協(xié)議即自由口方式。第二種是多點(diǎn) (MultiPoint)接口即 MPI 方式。 (2)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 S7200 CPU 支持多種通訊協(xié)議。單主站就是－個(gè)主站連到多個(gè)從站構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。－般情況總是把 PC 機(jī)和編程器作為主站。而不能讀取其它設(shè)備的數(shù)據(jù)，也無權(quán)向其它設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，這類設(shè)備在這種通訊網(wǎng)絡(luò)中是被動的，把這類設(shè)備叫從站。還有些設(shè)備比如 S7200 系列 PLC，在有些通訊中它可以做主站使用。有的設(shè)備如上位 PC 機(jī)、 PG編程器等設(shè)備可以讀取其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，也可以向其它節(jié)點(diǎn)寫入數(shù)據(jù)，還可以對其它節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行初始化。在網(wǎng)絡(luò)通訊中，可以用節(jié)點(diǎn)地址去區(qū)分各個(gè)設(shè)備。 (1)網(wǎng)絡(luò)主站與從站 在通訊網(wǎng)絡(luò)中，上位機(jī)、編程器和各個(gè)可編程序控制器都是整個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的一個(gè)成員，或者說它們在網(wǎng)絡(luò)中都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。S7200 PLC 也可以插入 EM227 模塊構(gòu)成 MPI 的 從站，成為 MPI 網(wǎng)絡(luò)的一員，或者構(gòu)成內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 22 PROFIBUSDP從站成為 DP 網(wǎng)絡(luò)的－員。 EM235 有 1 路模擬量輸出，其輸出可以是電壓也可以是電流。它的輸入信號可以是不同量程的電壓或電流。第 2組 、第 3組的接線與第 1組相似。 第 1 組負(fù)載電源的一端 N接負(fù)載的 N()端，電源的另外一端 L(+)接繼電器輸出端的 1L 端。 繼電器輸出端由 3組構(gòu)成，其中 N()、 1L、 ? 1 組， N()、 2L、 ? 2組， N()、 3L、 ? 3組。第 2 組的接線與第 1組相似 。 第 1 組 24V DC 的負(fù)極接 1M 端，正極 接 1L+端。 DC輸出端由 1M、 1Ｌ +、 ? 為第 1組， 2M、 2Ｌ +、 ? 2組組成。 24V DC 的負(fù)極接公共端 1M 或 2M。 CPU224 配有 1 個(gè) RS485 通訊／編程口 ，具有 PPI 通訊、 MPI 通訊和自由方式通訊能力，是具有較強(qiáng)控制能力的小型控制器。它可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 168點(diǎn)數(shù)字量 I/O點(diǎn)或 35路模擬量 I/O 點(diǎn)。接口插座用于連接擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn) I/O擴(kuò)展。將開關(guān)撥向運(yùn)行位置時(shí)，可編程序控制器處于運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)不能 對其編寫程序。 前蓋下面有運(yùn)行、停止開關(guān)和接口模塊插座。底部端子蓋下邊為輸入端子和傳感器電源端子。 頂部端子蓋下邊為輸出端子和 PLC 供電電源端子。 存儲卡接口可以扦入存儲卡。 S7200 系列 PLC 四種 CPU 的 外部結(jié)構(gòu)大體相同 。檔次最高的應(yīng)屬 CPU226， CPU226 集成了 24 點(diǎn)輸入／ 16 點(diǎn)輸出，共有 40 個(gè)數(shù)字量 I/O。 目前 S7200 系列 PLC 主要有 CPU22 CPU22 CPU224 和 CPU226 四種。 S7200 有四種 CPU，其性能差異很大。 S7200 的編程軟件 STEP7Micro/WIN32 可以方便地在 Windows 環(huán)境下對 PLC 編程、調(diào)試、監(jiān)控，使得 PLC 的編程更加方便、快捷。其控制規(guī)?？梢詮膸c(diǎn)上到幾百點(diǎn)。它以緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的擴(kuò)展性、強(qiáng)大的指令功能、低廉的價(jià)格，已經(jīng)成為當(dāng) 代各種小型控制工程的理想控制器。在所有指令執(zhí)行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 19 （接通 /斷開）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。對元件映像寄存器來說，每一個(gè)元件的狀態(tài)會隨著程序執(zhí)行過程而變化。但指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時(shí)， PLC 就從輸入映像寄存器中“讀入”上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器“讀入”對 應(yīng)元件的當(dāng)前狀態(tài)。根據(jù) PLC 梯形圖程序掃描規(guī)則， PLC 按先左后右、先上后下的步序語句逐句掃描。接著，進(jìn)入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內(nèi)容保持不變，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的新內(nèi)容。 PLC 在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態(tài)存入內(nèi)存 中各對應(yīng)的輸入映像寄存器中。下面就對這三階段進(jìn)行詳細(xì)的分析，并用圖 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 17 電 源 O N內(nèi) 部 處 理輸 入 處 理 ( 輸 入 傳 送 、 遠(yuǎn) 程 I / O )通 信 服 務(wù) （ 外 設(shè) 、 C P U 、 總 線 服 務(wù) ）更 新 時(shí) 鐘 、 特 殊 寄 存 器C P U 運(yùn) 行 方 式執(zhí) 行 程 序輸 出 處 理執(zhí) 行 自 診 斷P L C 正 常存 放 自 診 斷 錯(cuò) 誤 結(jié) 果致 命 錯(cuò) 誤C P U 強(qiáng) 制 S T O PS T O PYNNYR U N上電處理掃描過程出錯(cuò)處理 圖 PLC 運(yùn)行框圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (畢業(yè)論文 ) 18 PLC 的工作過程 當(dāng) PLC 處于正常工作時(shí)，它將不斷重復(fù)圖中的掃描過程，不斷循環(huán)掃描的工作下去。 PLC 每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定 PLC 自身的動作是否正常，如 CPU、電池電壓、程序存儲器、 I/O、通信等是否異?；虺鲥e(cuò)，如檢查出異常時(shí)， CPU 面板上的 LED 及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中回存入出錯(cuò)代碼。當(dāng) CPU 處于 RUN 方式時(shí)，還要完成用戶程序的執(zhí)行和輸出處理，在轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。先完成輸入處理，其次完成與其它外設(shè)的 通信處理，再次進(jìn)行時(shí)鐘、特殊寄存器更新。 第二部分是掃描過程。整個(gè)運(yùn)行可分為三部分： 第一部分是上電處理。 同樣， PLC 對外部的輸出控制也有集中輸出和立即輸出兩種方式。 立即輸入方式。一般在掃描周期的開始或結(jié)束將所有輸入信號采集并存放到輸入映像寄存器中。 執(zhí)行用戶程序時(shí)，需要各種現(xiàn)場信息，這些現(xiàn)場信息已接到 PLC 的輸入端。 CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)