【正文】 1．溫度控制模塊程序 溫 度 設(shè) 計(jì) 模 塊V D 3 0 4 設(shè) 定 值 ， V D 3 0 8 回 差 ， V D 3 0 0 測(cè) 量 值 ， V D 3 1 2 顯 示 輸 出 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 = = BV B 0E NA L W 03 2 0 06 4 0 01 0 0 . 00 . 0o u t p u tI n p u tI s hI s lO s hO s lV D 3 0 0E NI N 1I N 2V N 3 0 4V D 3 0 8E N OO u tV D 3 2 0A D D _ RS U B _ RE N E N OI N 1I N 2O u tV D 3 0 4V D 3 0 0V D 3 2 4 DV D 3 0 0( S )M 0 . 0V D 3 2 4 DV D 3 0 0M 0 . 1V D 3 2 0( S )M 0 . 1M 0 . 0M O V _ RE NI NE N OO U T0 . 0 V D 3 1 2M 0 . 0M 0 . 1M。 （ 4） 梯形圖中的繼電 器線圈，其邏輯動(dòng)作只有線圈接通后才能對(duì)其常開或者常閉觸點(diǎn)動(dòng)作。 （ 2） 梯形圖的繼電器有常開和常閉觸點(diǎn)，它可以是 PLC 輸入點(diǎn)連接外部的開關(guān)觸點(diǎn)，也可以是 PLC 內(nèi)部繼電器的觸點(diǎn)。 梯形圖沿用了傳統(tǒng)電器制系統(tǒng)控制圖中繼電器的觸點(diǎn) 、 線圈 、 串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號(hào)，并增加了繼電器系統(tǒng)中沒有的指令符號(hào)。 開 始初 始 化 安 全 燈I 0 . 1 = ？初 始 化 指 示 燈初 始 化 溫 度溫 度 是 否 符 合 設(shè) 定值設(shè) 定 P I D 值每 1 0 s 讀 一 下 子 程 序加 熱返 回調(diào) 節(jié)I 0 . 1 = 1I 0 . 1 = 0NY 圖 44 系統(tǒng)程序流程圖 如下為程序的子程序，有 PID 模塊設(shè)定每 10S 讀取一次精餾塔內(nèi)的溫度，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞到 PLC 中。 程序流程圖及程序 程序流程圖 根據(jù)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求， PLC 的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)模塊：洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 開始 、 初始化設(shè)定值 、 監(jiān)測(cè)精餾塔內(nèi)溫度 、 判定是否符合設(shè)定值 、 溫度恢復(fù)設(shè)定值模塊 、 加熱 、 返回。 （ 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 驗(yàn) 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 42 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 20~60 3~10 ~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 。 2． PID 參數(shù)設(shè)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洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 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)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求 。計(jì)算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種思想。 PID 調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為： 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 ?????? ???? STSTKSE SUSD diP11)( )()( （式 43） 數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對(duì)偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)輸出值。 iT —— 積分系數(shù) I。 1． PID 控制算法 R ( t ) E ( t )U ( t ) C ( t )P I D 控 制 環(huán) 節(jié) 被 控 對(duì) 象反 饋 環(huán) 節(jié)+ 圖 43 閉環(huán)控制系統(tǒng) 如圖 41 所示， PID 控制 器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定態(tài)偏差 e 和輸入量 r、輸出量 c 的關(guān)系 : c(t)r(t)=e(t) （式 41） 控制器的輸出為 : ?????? ??? ? t diP dt tdeTdtteTteKtu 0 )()(1)()( （式 42） 上式中 , )(tu —— PID 回路的輸出 。避免較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。 在微分控制 (D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 在積分控制 (I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 系。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。人們?cè)趹?yīng)用的過程中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)， PID 的研究已經(jīng)到達(dá)一個(gè)比較高的程度。 SFB 作為操作系統(tǒng)的一部分并不占用程序空間，是具有存儲(chǔ)能力的塊，它需要一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊，并須將此塊作為程序的一部分安裝到 CPU 中 [12]。背景數(shù)據(jù)塊 (背景 DB)在每次功能塊調(diào)用時(shí)都要分配一塊給這次調(diào)用，用于傳遞參數(shù)。用數(shù)據(jù)塊 作為功能塊的存儲(chǔ)器 (背景數(shù)據(jù)塊 )。功能塊 (FB)屬于用戶自己編程的塊。功能是 “ 無存儲(chǔ)區(qū) ” 的邏輯塊。操作系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用 OB1 并用這個(gè)調(diào)用啟動(dòng)用戶程序的循環(huán)執(zhí)行。組織塊決定各個(gè)程序部分執(zhí)行的順序。它們由操作系統(tǒng)調(diào)用，并控制循環(huán)和中斷驅(qū)動(dòng)程序的執(zhí)行，以及可編程控制器如何啟動(dòng)。系統(tǒng)的調(diào)試也容易了許多。從而使大規(guī)模的程序更容易理解，可以對(duì)單個(gè)的程序部分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。 FBD 是 STEP7 編程語言的圖形表達(dá)方式，使用與布爾代數(shù)相類似的邏輯框來表達(dá)邏輯。它的指令語法與一個(gè)繼 電器梯形邏輯圖相似：當(dāng)電信號(hào)通過各個(gè)觸點(diǎn)復(fù)合元件以及輸出線圈時(shí)，梯形圖可以讓你追蹤電信號(hào)在電源示意線之間的流動(dòng)。用于 S7200的編程語言有：梯形圖 (LAD)，語句表 (STL)和功能塊圖 (FBD)。另外，可以從可編程控制器中上載一個(gè)工作站，或從一個(gè) S7 CPU 中上載塊到 PG/PC?？梢酝ㄟ^在線連接下載各個(gè)塊或整個(gè)用戶程序到 RAM。 在完成組態(tài)，參數(shù)賦值，程序創(chuàng)建和建立在線連接后，可以下載整個(gè)用戶程序或個(gè)別塊到一個(gè)可編程 序控制器。對(duì)該對(duì)象文件夾稱 “ S7Program”在子菜單中，可以選擇想要生成的塊的類型 (如：數(shù)據(jù)塊，用戶定義的數(shù)據(jù)類型，功能，功能塊，組織塊或變量表 )。硬件組態(tài)完成后就可為編程模板生成軟件。一旦存儲(chǔ)并退 出硬件組態(tài)，對(duì)于在組態(tài)中生成的每一個(gè)可編程模板，都會(huì)自動(dòng)生成 S7/M7 程序及空的連接表。在生成一個(gè)項(xiàng)目后，先插入站，然后可以組態(tài)硬件。這些數(shù)據(jù)包括： 硬件結(jié)構(gòu)的組態(tài)數(shù)據(jù)及模板參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)通訊的組態(tài)數(shù)據(jù)以及為可編程模板編制的程序。圖 41 為創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)化項(xiàng)目的基本步驟。該軟件提供了在線和離線編程的功能 ， 可以對(duì) PLC 在線上載或下載。 STEP7 標(biāo)準(zhǔn)軟件包中提供一系列的應(yīng)用工具，如： SIMATIC 管理器、符號(hào)編輯器、硬件診斷、編程語言、硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)等。 本設(shè)計(jì)的 PLC 軟件編程設(shè)計(jì)采用西門子 STEP7 軟件編輯系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的控制器是由西門子 公司的 S7200 系列的 PLC。 表 33 I/O 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 開關(guān)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)） 燈兩表示爐溫過高，處于危險(xiǎn)狀態(tài) 固態(tài)繼電器 燈亮表示加熱爐正處于加熱階段 計(jì)算機(jī)2 4D V2 4D V2 4D V溫 度 模 塊E M 2 3 1繼 電 器塔 內(nèi) 加 熱 部 分S S R啟動(dòng)停止急停輸 入 I輸 出 QP L C C P U 2 2 61 M1 M0 1 20 1 2L 1 L 2 L 3 L 4 L 5精 餾 塔M L +A + A 圖 34 硬件連接圖 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 第 4 章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè) 計(jì) 編程軟件的功能及選用 硬件為溫控系統(tǒng)的實(shí)體，為系統(tǒng)的正常工作提供了條件和基礎(chǔ)，但要使系統(tǒng)能夠有效的自動(dòng)工作，還必須要有軟件的配合。在加熱時(shí)間內(nèi)使得繼電器接通，那精餾塔就可處于加熱狀態(tài)，反之則停止加熱。 K 型傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)塔內(nèi)的溫度，把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過 PLC 模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)。 為了使 DIP 開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給 PLC 的電源斷電再通電。 對(duì)于 EM231 4TC 模塊， SW1～ SW3 用于選擇熱電偶類型，見表 31 。 EM231 模塊需要用戶通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測(cè)量單位、冷端補(bǔ)償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組態(tài) DIP 開關(guān)進(jìn)行以上選擇，如圖 32 所示。 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。 EM 231 模擬量輸入模塊 傳感器檢測(cè)到溫度轉(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。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從 1988 年 1 月 1日起，熱電偶和熱電阻全部按 IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定 S、 B、 E、 K、R、 J、 T 七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。 熱電偶 熱電偶是一種感溫元件，直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱 動(dòng)勢(shì)信號(hào)?？蛇B接七個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 點(diǎn)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O。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。這些性能直接影響到 PLC 的控制規(guī)模和 PLC 系統(tǒng)的配置 [9]?？梢哉f， S7200 可以完美地滿足各種小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。 S7200PLC 可以方便地組成 PLCPLC 網(wǎng)絡(luò)和微機(jī) PLC 網(wǎng)絡(luò)， 從而完成規(guī)模更 大的工程。 S7200PLC 包含了一個(gè)單獨(dú)的 S7200CPU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。 PLC的工作模式包括 :（ 1） RUN（運(yùn)行）模式，（ 2） STOP（停止）模式 （ 1） PLC的 RUN工作模式： 讀 取 輸 入處 理 通 信 請(qǐng) 求CPU自 診 斷改 寫 輸 出 圖 32 PLC 的 RUN 工作模式 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 （ 2） PLC的 STOP工作模式： 讀 取 輸 入處 理 通 信 請(qǐng) 求CPU自 診 斷改 寫 輸 出執(zhí) 行 用 戶 程 序 圖 33 PLC 的 STOP 工作模式 S7200 系列 PLC 是 SIEMENS 公司新推出的一種小型 PLC。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以亦將這兩個(gè)階段統(tǒng)稱為 I/O刷新階段。 3．輸出刷新階段 當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成 PLC的實(shí)際輸出。 2．程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。一個(gè)掃描周期主要可分為 3個(gè)階段 [7]。對(duì)每個(gè)程序， CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描， 如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或 I/O掃描方，若有鍵按下或有 I/O變化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無則繼續(xù)掃描等待。 2． 輸入模塊 I 包括直流輸入型和交流輸入型 3． 輸出模塊 O包括繼電器輸出型模塊、雙向晶閘管輸出型模塊、晶體管輸出型模塊 4． 編程器指電 腦 CPU的軟件結(jié)構(gòu)是指 PLC的編程語言 其編程語言包括梯形圖、指令表（ S7200中的編程語言）、順序功能圖（ S7200和 S7300中的編程語言）等 [6]。 （ 3）可以電擦出可編