【正文】 輸入端由 1M、 ～ 為第 1 組， 2M、 ～ 為第 2 組， 1M、 2M 分別為各組的公共端。 CPU224有 13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存貯空間， 6個(gè)獨(dú)立的 30KHｚ高速計(jì)數(shù)器， 2路獨(dú)立的 20KHｚ高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 CPU224 的技術(shù)指標(biāo) CPU224 本機(jī)集成了 14 點(diǎn)輸入／ 10 點(diǎn)輸出，共有 24 個(gè)數(shù)字量 I/O。將開關(guān)撥向監(jiān)控狀 態(tài)，可以運(yùn)行程序，同時(shí)還可以監(jiān)視程序運(yùn)行的狀態(tài)。將開關(guān)撥向停止位置時(shí)，可編程序控制器處于停止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)可以對(duì)其編寫程序。 輸入端子的運(yùn)行狀態(tài)可以由底部端子蓋上方一排指示燈顯示， ON 狀態(tài)對(duì)應(yīng)的指示燈亮。輸出端子的運(yùn)行狀態(tài)可以由頂部端子蓋下方一排指示燈顯示， ON 狀態(tài)對(duì)應(yīng)的指示燈亮。通訊接口可以連接 RS485 總線的通訊電纜。狀態(tài)指示燈 LED 顯示 CPU 所處的工作狀態(tài)指示?？蛇B接７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?？梢哉f， S7200 可以完美地滿足各種小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。 S7200 PLC 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。 S7200 PLC 包含了一個(gè)單獨(dú)的 S7200 CPU 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。 西門子 S7200PLC 功能介紹 S7200 系列 PLC 是 SIEMENS 公司新推出的一種小型 PLC。 （ 8）可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求或運(yùn)行情況，隨時(shí)對(duì)程序進(jìn)行在線修改，不用更改硬接線，靈 活性大，適應(yīng)性強(qiáng)。 （ 7）維修方便。 （ 5）具有各種接口，與外部設(shè)備連接非常方便。 PLC 可取代原繼電器控制系統(tǒng)，有利于對(duì)老設(shè)備的技術(shù)改造。 （ 3） 編程 方便，易于使用。 （ 2） 控制功能強(qiáng)。 可編程控制器的特點(diǎn) （ 1） 可靠性高。目前，可編程序控制器既保留了原來可編程序邏輯控制器的所有優(yōu)點(diǎn)，又吸收和發(fā)展了其他控制裝置的優(yōu)點(diǎn)，包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、過程儀表控制系統(tǒng)、集散系統(tǒng)、分散系統(tǒng)等。 初期的 PLC 只是用于邏輯控制場(chǎng)合，代替繼電器控制系統(tǒng)。它應(yīng)用大規(guī)模集成電路、微型機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展成果，逐步形成具有多種優(yōu)點(diǎn)和微型、小型、中型、大型、超大 型等各種規(guī)格的 PLC 系列產(chǎn)品，應(yīng)用于從繼電器控制系統(tǒng)到監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的許多過程控制領(lǐng)域。所謂輸入輸出定義是指整體輸入輸出點(diǎn)的分布和每個(gè)輸入輸出點(diǎn)的名稱定義，它們會(huì)給程序編制、系統(tǒng)調(diào)試和文本打印等帶來很多方便。為了能夠便于程序設(shè)計(jì)，便于日常維護(hù)，合理地分配輸入 /輸出點(diǎn)、恰當(dāng)?shù)貙?duì)輸入 /輸出點(diǎn)進(jìn)行命名、完整地編制輸入輸出變量表是必要的。不僅要注意它們穩(wěn)態(tài)特性，也要注意它們的動(dòng)態(tài)特性。 二是這些模塊能和外部設(shè)備對(duì)接。最好類型、型號(hào)一致。 一是和 PLC 能否很好塊對(duì)接。一類是 PLC 自身的 I/O 模塊、功能模塊，一類是和接口模塊相連的外部設(shè)備。 (2) 選擇接口設(shè)備 目前 PLC 的產(chǎn)品很多，在選擇機(jī)型和接口設(shè)備時(shí)要注意選擇質(zhì)量好，控制可靠的產(chǎn)品。 15 在機(jī)型選定之后就要確定接口設(shè)備。其二是調(diào)整 I/0 模塊。如果滿足不了這個(gè)條件，解 決的辦法只能有三個(gè)。 當(dāng)然，最后還要校驗(yàn)一下所用電源的容量。內(nèi)存利用率的提高會(huì)使同樣程序減少內(nèi)存容量，從而降低內(nèi)存投資、縮短周期時(shí)間、從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間?？刂葡到y(tǒng)中輸入輸出點(diǎn)數(shù)和存放該系統(tǒng)用戶機(jī)器語言與所占用的內(nèi)存數(shù)字之比稱為內(nèi)存利用率 。 。 入輸出點(diǎn)數(shù)的估計(jì)。 對(duì)所需內(nèi)存容量的估計(jì)：用戶程序所需內(nèi)存與下列因素有關(guān)。手冊(cè)上給出的覆蓋距離，有時(shí)叫最大距離，包括遠(yuǎn)程 I/O 板在內(nèi)達(dá)到的距離。有的手冊(cè)或產(chǎn)品目錄單上給出的最大輸入點(diǎn)數(shù)或最大輸出點(diǎn)數(shù)，常意味著只插輸入模塊或只插輸出模塊的容量，即實(shí)際給出的是輸入輸出容量之和，有時(shí)也稱為掃描容量，需格外注意。 在此基礎(chǔ)上選擇控制器時(shí)尚需注意兩個(gè)問題。 對(duì) PLC 性能要求的估計(jì)：為了正確地估計(jì) PLC 性能要求，需要了解下面問題 : ，如高速計(jì)數(shù)器等。 ，按輸出功率要求及其它參數(shù)分類統(tǒng)計(jì)。為了對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行粗估，首先要了解下列問題。根據(jù)控制對(duì)象的操作規(guī) 則可以估計(jì)出控制程序所占內(nèi)存的容 14 量。根據(jù)控制對(duì)象要求的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的多少，可以估計(jì)出 PLC 的規(guī)模。當(dāng)然傳送的信息不能太多，否則輸入輸出點(diǎn)占用太多。高速網(wǎng)一般價(jià)格都很貴，適用于有大量信息交換的系統(tǒng)。如用多臺(tái)可編程序控制器，則有互相間信息交換與系統(tǒng)響應(yīng)要求快的矛盾。 快速控制大系統(tǒng)：隨著可編程序控制器在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，在中小型的快速系統(tǒng)中，可編程序控制器不僅僅完成邏輯控制和主令控制，它已逐步進(jìn)入了設(shè)備控制級(jí)，如高速線材，中低速熱連軋等速度控制系統(tǒng)。這 種結(jié)構(gòu)，所用控制器的臺(tái)數(shù)雖然多些，但程序編寫省時(shí)，調(diào)試方便，故障影響面小。其中成型機(jī)、升板機(jī)、降板機(jī)、排塊機(jī)、碼垛機(jī)、大車、小車每個(gè)部分都是采用了一臺(tái)小型 PLC 控制。這樣選用每一臺(tái)中小型可編程序控制器控制一臺(tái)單體設(shè)備，功能簡(jiǎn)化，程序好編，調(diào)試容易，運(yùn)行中一旦發(fā)生故障影響面小，且容易查找。同一種機(jī)型輸入輸出點(diǎn)數(shù)少，則價(jià)格便宜，反之則貴。一般都采用多臺(tái)中小機(jī)型和低速網(wǎng)相連接。 慢過程大系統(tǒng)：對(duì)運(yùn)行速度要求不高但設(shè)備間有連鎖關(guān)系，設(shè)備距離遠(yuǎn)，控制動(dòng)作多，如大型料場(chǎng)、高爐、碼頭、大型車站信號(hào)控制；也有的設(shè)備本身對(duì)運(yùn) 13 行速度要求高，但是部分子系統(tǒng)要求并不高，如大型熱連續(xù)軋鋼廠、冷連續(xù)軋鋼廠中的輔助生產(chǎn)機(jī)組和供油系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)等。 三是有專門要求的設(shè)備，如飛剪。 二是設(shè)備分散，設(shè)備的功率較大，如料場(chǎng)設(shè)備。 一是設(shè)備集中，設(shè)備的功率較小，如機(jī)床。但有時(shí)功能要求全面，容量要求變化大，有些還要與原設(shè)備系統(tǒng)的其它機(jī)器連接。如對(duì)原有系統(tǒng)的改造、完善或改進(jìn)原有設(shè)備的某方面功能等等。這些系統(tǒng)在 PLC 的選型上是有區(qū)別的。正確選擇產(chǎn)品中，首要的是選定機(jī)型。這就要求在選擇 PLC 機(jī)型和輸入 /輸出模塊要能適應(yīng)發(fā)展的需要，要適當(dāng)留有余量 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 (1)選擇機(jī)型 目前，可編程序控制器產(chǎn)品種類繁多，同一個(gè)公司生產(chǎn)出的 PLC 也常常推出系列產(chǎn)品。 （ 4）適應(yīng)發(fā)展 社會(huì)在不斷地前進(jìn)，科學(xué)在不斷地發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也一定會(huì)不斷地在提高、不斷地在完善。 12 在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。一個(gè)新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高產(chǎn)品的數(shù)量，從而為工程帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。程序能接受并且只能接受合法操作，對(duì)非法操作程序能予以拒絕等等。為了能達(dá)到這一點(diǎn)，要求在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，器件選擇上，軟件編程上要全面考慮。 （ 2）安全可靠 控制系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行中能否達(dá)到安全、可靠、穩(wěn)定，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。 收集控制現(xiàn)場(chǎng)的資料， 收集控制過程中有效的控制經(jīng)驗(yàn)，收集與本控制系統(tǒng)有關(guān)的先進(jìn)的國(guó)內(nèi)、國(guó)外資料，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循以下原則。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。10% 10 +24VDC 16 20mA 20~80℃ 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和 PID 參數(shù)的整定以及對(duì)其模擬仿真和比較。 主要特性 （ 1）輸入 ： Pt100(20~+400℃ ) (范圍可選擇 ) （ 2） 輸出信號(hào)： 4~20mA/0~5V （ 3） 精度等級(jí)： 級(jí) (FSR%) （ 4） 內(nèi)含線性化和長(zhǎng)線補(bǔ)償功能 （ 5） 隔離耐壓： 2500VDC(,60S) （ 6） DIN35 導(dǎo)軌安裝 (7) 精度高、性能穩(wěn)定可靠。輸入、輸出 和輔助電源之間是完全隔離（三隔離） ， 可以承受 2500VDC 的隔離耐壓。 溫度變送器的選擇 Pt100 傳感器測(cè)量溫度的隔離變送器 ， 型號(hào)為 RS3100， 在工業(yè)上主要用于測(cè)量 200~+500℃ 的溫度。 9 測(cè)溫元件及溫度檢測(cè)技術(shù) 目前， 常用的溫度傳感器種類很多：熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器、熱電阻傳感器和半導(dǎo)集成溫度傳感器，但是在微機(jī)溫度控制系統(tǒng)中使用的傳感器必須是能將非電量轉(zhuǎn) 變成電量的傳感器 ,因此使用的就是熱電阻傳感器。 圖 3 PID控制方框圖 圖 4 仿真波形圖 （ 2）當(dāng) Td=2， KP =3， Ti=5， Td=1。 在這次仿真中我們主要用到 MATLAB軟件中的 SIMULINK交互式仿真集成環(huán)境對(duì)傳遞函數(shù)和整定后的 PID 參數(shù)進(jìn)行仿真。 MATLAB 語法規(guī)則簡(jiǎn)單、容易掌握、調(diào)試方便 ， 具有高效、簡(jiǎn)單和直觀的特性。 PID 參數(shù)仿真 MATLAB 軟件簡(jiǎn)介 MATLAB 自 1984 年推向市場(chǎng)以來 ,歷經(jīng)十多年的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)已成為國(guó)際認(rèn)可的最優(yōu)化的科技應(yīng)用軟件 。 圖 1 并分別用反應(yīng)曲線法求出對(duì)象在各溫區(qū)的近似數(shù)學(xué)模型為 1??TSKGi 反應(yīng)曲線如圖 2 所示 ,Ki ,Ti ,A 可按表 1 經(jīng)驗(yàn)公式求得各溫區(qū)的調(diào)節(jié)器最佳 PI D參數(shù)值 表 1 PID參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式 表 控制方式 比例度 ℅ 積分時(shí)間 STI/ 微分時(shí)間 STD/ P ( TAKiI / )ⅹ 100 PI ( TAKiI / )ⅹ 100 iA PID ( TAKiI / )ⅹ 100 2 iA iA 6 圖 2反應(yīng)曲線 圖 求的加熱系統(tǒng)的特征參數(shù)為： K=1 T=5。 △ e(n) — 第 n 次采樣時(shí)刻輸入的偏差與第 n1次采樣時(shí)刻輸入的偏差之差； KP — 比例增益； KI— 積分系數(shù)（ 11 TTKK P? ） KD — 微分系數(shù)（ TTKK PD ? ） T — 采樣周期， TI 、 TD分 別為積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。 PID 參數(shù)的整定 在常規(guī)控制系統(tǒng)中， PID 控制是迄今為止算法比較簡(jiǎn)單、功能比較完善、效果比較好的一種控制算法，其一般形式為 )()()()( neKneKneKnU DIp ????? 式中 n — 采樣序號(hào)； 5 u(n) — 第 n次采樣時(shí)刻的控制器輸出 。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例 ” 項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項(xiàng) ” ，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差 的作用，其變化總是落后于誤差的變化。 (3)微分（ D）控制 在微分控制中，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。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大 ，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。為了消 除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項(xiàng) ” 。 (2)積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。本課題研究有利于稱補(bǔ)老舊硫化溫度控制精度不高的缺點(diǎn)，推動(dòng) PLC 控制系統(tǒng)在硫化機(jī)上的廣泛應(yīng)用具有一定意義。本系統(tǒng)是以西門子 S7200PLC 為主要控制原件，利用其內(nèi)部的 PID 指令進(jìn)行模擬量溫度控制，此控制思路不盡設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)易，而且還省去了買 PID 模塊的成本。 3 第二章 硫化機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)思想 PID 控制是自動(dòng)控制中產(chǎn)生最早的一種控制方法，在實(shí)際控制工程中的應(yīng)用最廣。 采用基于 PLC 的 PID 控制，使加熱平 板的溫度達(dá)到升溫 —— 保溫的要求。硫化機(jī)的工藝流程是：硫化 硫化機(jī)升溫到設(shè)定溫度—— 橡膠磨具放入硫化機(jī) —— 橡膠磨具加熱 —— 硫化時(shí)間到汽缸運(yùn)動(dòng)時(shí)出加熱區(qū)。因此實(shí)現(xiàn)高精度的平板硫化機(jī)溫度 控制 ,以提高橡膠制品質(zhì)量對(duì)橡膠工業(yè)生產(chǎn)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義 硫化的相關(guān)要求主要有硫化機(jī)的工藝流程和橡膠硫化的工藝要求。硫化溫度控制精度越高，則越容易得 到質(zhì)量更好、性能更加穩(wěn)定的產(chǎn)品。 硫化 的相關(guān)要求 在橡膠工業(yè)中，硫化工藝是最后一個(gè)工藝過程，也是最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，作為橡膠硫化主要設(shè)備的平板硫化機(jī)必須具備控制硫化條件（硫化溫度、硫化時(shí)間）大額能力，其控制的精度直接影響橡膠硫化制品質(zhì)量的好壞。由于這三個(gè)條件對(duì)橡膠制品的硫化質(zhì)量起著決定性的作用，因此通常又稱之為“硫化三要素 ” 。硫化過程是橡膠大分子鏈發(fā)生反