【正文】 圖 控制系統(tǒng)流程圖 23 硬件組態(tài)及測試 組態(tài)的任務(wù)就 是在 STEP 7 種生成一個與實際的硬件系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng)，例如要生成網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)中各個站的導(dǎo)軌和模塊，以及設(shè)置各硬件組成部分的參數(shù)，即給參數(shù)賦值。 圖 STEP 7 新項目創(chuàng)建向?qū)? 按照向?qū)Ы缑嫣崾?，點擊“下一個”，選擇好 CUP 型號，本次設(shè)計選擇的 CPU 型號為 CPU4123H，設(shè)置 CPU 的 MPI 地址為 2，點擊“下一個”，在出現(xiàn)的界面中選 STL 指令作為編程語言，點擊“下一步”，在“項目名稱”項輸入工程名，然后點擊“完成（ I）”，項目生成完畢，啟動后 STEP 7 管理器界面如圖 所示。我選擇第一種方案，從生成項目開始，逐步完成一個自動化控制項目的下位機程序設(shè)計。 STEP 7 項目的創(chuàng)建 在 STEP 7 中完成一個完整自動控制項目的下位機程序設(shè)計，要經(jīng)過設(shè)計自動化任務(wù)解決方案、生成項目、組態(tài)硬件，生成程序、傳送程序到 CPU 并調(diào)試等步驟，其結(jié)構(gòu)流程圖如圖 所示。 STEP 7 系統(tǒng)診斷：系統(tǒng)診斷為用戶提供自動化系統(tǒng)的狀態(tài)，可以通過 2 種方式顯示； （ 1）快速瀏覽 CPU 的數(shù)據(jù)和用戶編寫的程序在運行中的故障原因。 （ 3）設(shè)置用 MPI、 PROFIBUS 或工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的事件驅(qū)動的數(shù)據(jù)傳輸， 包括定義通信鏈路。 通信的組態(tài)包括： （ 1）連接的組態(tài)和顯示。 （ 3）模塊的參數(shù)設(shè)置：用戶可以在屏幕上定義所有硬件模塊的的可調(diào)整參數(shù)，包括功能模塊與通信處理器，不必通過 DIP 開關(guān)來設(shè)置。主要包括： （ 1）系統(tǒng)組態(tài)：從目錄中選擇硬件機架，并將所選模塊分配給機架中希望的插槽。執(zhí)行菜單命令“ Help”→“ Contents”進入幫助窗口，借助目錄瀏覽器尋找需要的幫助主題，窗口中的檢索部分提供了按字母順序排列的主題關(guān)鍵詞，可以查找與某一關(guān)鍵詞有關(guān)的幫助。 測試功能和服務(wù)功能包括設(shè)置斷點、強制輸入和輸 出、重新布線、顯示交叉參考表、狀態(tài)功能、直接下載和調(diào)試塊、同時監(jiān)測幾個塊的狀態(tài)等。 STEP 7 用符號表編輯器工具管理所有的全局變量，用于定義符號名稱、數(shù)據(jù)類型和全局變量的注釋。語句表是一種文本編程語言，使用戶能節(jié)省輸入時間和存儲區(qū)域，并且“更接近硬件”。點擊“屬性”按鈕，可以設(shè)置計算機與 PLC 通信的參數(shù)。在計算機上安裝好 STEP7 后， 在管理器中執(zhí)行菜單命令“ Option”→“ Setting the PG/PC Interface”，打開如圖 所示對話框，在中間的選擇框中，選擇實際使用的硬件接口。使用計算機的通信卡 CP 561 CP 5511 或 CP 5512，可以將計算機連接到 MPI 或 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)計算機與 PLC 的通信。計算機一側(cè)的通信速率為 kbit/s 或 kbit/s， PLC 一側(cè)的通信速率為 kbit/s~。實現(xiàn) STEP 7 各種功能所需的 SIMATIC 軟件工具都集成在 STEP 7 中。在STEP 7 中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。 18 4 STEP 7 簡介及組態(tài)硬件、程序編寫 STEP 7 簡介 STEP 7 編程軟件用于 SIMATIC S M C7 和基于 PC 的 WinAC，是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。 靜音式空氣壓縮機：用于給氣動調(diào)節(jié)閥提供氣源，電動機的動力通過三角膠帶傳帶動空壓機曲軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)連桿帶動活塞做往復(fù)運動，使汽缸、活塞、閥組所組成的密閉空間容積產(chǎn)生周期變化，完成吸氣、壓縮 、排氣的空氣壓縮過程，壓縮空氣經(jīng)繞有冷卻翅片的排氣銅管、單向閥進入儲氣罐。有效提高了實驗裝置的使用年限。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度。 模擬鍋爐： 此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套 ）組成。 2 個 Pt100 傳感器 的檢測信號中檢測鍋爐內(nèi)膽溫度的到 SIEMENS 帶PROFIBUSPA 通訊協(xié)議的 溫度變送器 ，直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測采用 SIEMENS 帶 PROFIBUSPA 通訊接口的檢測和變送一體的電磁式流量計。 控制器：采用 SIEMENS 公司的 S7400 CPU，型號為 4123H，本 CPU 既具有能進行多點通訊功能的 MPI 接口，又具有 PROFIBUSDP 通訊功能的 DP 通訊接口。 三相移相 調(diào)壓裝置： 采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為 4～ 20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。 水泵： 本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為 16CQ8P，流量為 32 升 /分，揚程為8 米，功率為 180W。 電磁閥： 在本裝置中作為氣動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。它具有精度高、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點。都有短路保護，短路電流最大 25mA,最大開路電壓 18V。額定負(fù)載電壓均為 DC24V。 （ 4）模擬量輸出模塊 模擬量輸出模塊的基本結(jié)構(gòu)： S7400 的模擬量輸出模塊 SM 432 用于將 CPU送給的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為成比例的電流信號或電壓信號，對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)或控制，其主要組成部分是 D/A 轉(zhuǎn)換器。 16 SM 431 模擬量輸入模塊的基本結(jié)構(gòu)：模擬量輸入模塊用于將模擬量信號轉(zhuǎn)換為 CPU 內(nèi)部處理用的數(shù)字信號，其主要組成部分是 A/D（ Analog/Digit）轉(zhuǎn)換器。有的是強電電量，例如發(fā)電機組的電流、電壓、有功功率和無功功率、功率因素等。 （ 3）模擬量輸入模塊 模擬量變送器：生產(chǎn)過程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用 PLC 來測量或控制。 輸出模塊的功率放大元件有驅(qū)動直流負(fù)載的大功率晶體管和場效應(yīng)晶體管、驅(qū)動交流負(fù)載的雙向晶閘管或固態(tài)繼電器，以及既可以驅(qū)動交流負(fù)載又可以驅(qū)動直流負(fù)載的小型繼電器。輸入電路中一般設(shè)有 RC 濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起的錯誤輸入信號，輸入電流一般為數(shù)毫安。 S7400 的輸入輸出模塊 （ 1）數(shù)字量輸入模塊 SM 421 數(shù)字量輸入模塊用于連接外部的機械觸點和電子數(shù)字式傳感器，例如二線式光電開關(guān)和接近開關(guān)等。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)遠程編程。 編程設(shè)備： S7400 使用安裝了編程軟件 STEP7 的個人計算機作為編程設(shè)備，在計算機屏幕上直接生成和編輯各種文本程序或圖形程序，可以實現(xiàn)不同編程語言之間的相互轉(zhuǎn)換。 通信處理器：通信處理器用于 PLC 之間、 PLC 與遠程 I/O 之間、 PLC 與計算機和其他智能設(shè)備之間的通信，可以將 PLC 接入 MPI、 PROFIBUSDP、 ASi和工業(yè)以太網(wǎng)，或者用于點對點通信。 接口模塊： CPU 模塊所在的機 架稱為中央機架，如果一個機架不能容納全部模塊，可以增設(shè)一個或多個擴展機架。 功能模塊：為了增強 PLC 的功能，擴大應(yīng)用領(lǐng)域，減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)， PLC 15 廠家開發(fā)了各種各樣的功能模塊。輸入模塊用來接收和采集輸入 信號，開關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)等來的開關(guān)量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。在 PLC 控制系統(tǒng)中， CPU 模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷的采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出，模塊中的存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)。通過CPU 模塊或通信模塊上的通信接口， PLC 被連接到 通信網(wǎng)絡(luò)上，可以與計算機、其它 PLC 或其它設(shè)備通信。 S7400 采用緊湊的、無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，各個模塊都安裝在導(dǎo)軌上，用螺栓鎖緊即可。品種繁多的CPU 模塊、信號模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動控 制任務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時更換模塊也很方便。該組織塊被執(zhí)行完后，被暫停執(zhí)行的塊將從被中斷的地方開始繼續(xù)執(zhí)行。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。以后進入周期性的循環(huán)運行。 PLC 得電或由 STOP 模式切換到 RUN 模式時， CPU執(zhí)行啟動操作，清除沒有保持功能的位存儲器、定時器和計數(shù)器，清除中斷堆棧和塊堆棧的內(nèi)容，復(fù)位保存的硬件中斷等。 PLC 采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，這種運行方式也稱為掃描工作方式。用戶程序由用戶生成，用來實現(xiàn)用戶要求的自動化任務(wù)。 歸納如下 :(1)可靠性高，抗干擾能力強 (2)配套齊全，功能完善，適用性強 (3)易學(xué)易用，伸手工程技術(shù)人員歡迎 (4)系統(tǒng)設(shè)計周期短，維護方便，改造容易 (5)體積小，重量輕，能耗低 PLC 的基本工作原理 CPU 中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序。 PLC 的基本介紹 PLC 的定義 PLC(Programmable Logic Controller)是可編程控制器的簡稱，是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，采用可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)、和算術(shù)運算等操作命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破髡琼槕?yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、高質(zhì)量的產(chǎn)品。如果被控對象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（ 4:1 衰減）就有難度，此時應(yīng)采用動態(tài)特性參數(shù)法進行整定。根據(jù)δ S和 TS，運用表 所示的經(jīng)驗公式，就可計算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。這時的比例度稱為 4:1 衰減比例度，用δ S表示之。在求取等幅振蕩曲線時，應(yīng)特別注意控制閥出現(xiàn)開、關(guān)的極端狀態(tài)。 圖 具有周期 TS的等幅振蕩 表 臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器名稱 δ TI(S) TD(S) P 2δ k PI k TS/ PID k 臨界比例度法的優(yōu)點是應(yīng)用簡單方便，但此法有一定限制。設(shè) TI=∞， TD=0，使調(diào)節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖 所示。若需加微分作用，微分時間常數(shù)按 TD=( ～ )TI計算。工程實驗整定法有以下四種： （ 1）經(jīng)驗法 若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓 力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象往往比較接近，所以無論是控制器的形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。它是根據(jù)被控過程的特性，確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。同時當(dāng)今智能控制理論 的發(fā)展，又形成了許多智能 PID 控制方法。例如，為了克服微分帶來的高頻干擾的濾波 PID 控制，為克服大偏差時出現(xiàn)飽和超調(diào)的 PID 積分分離控制，為補償控制對象非線性因素的可變增益 PID 控制，等。 （ 3） PID 算法簡單明了，各個控制參數(shù)相對較為獨立，參數(shù)的選定較為簡單，形成了完整的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。 （ 2） PID 控制適應(yīng)性好，有較強的魯棒性，對各種工業(yè)應(yīng)用場合，都可在不同的程度上應(yīng)用。積分（ I）代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。微分（ D）在信號變化時有超前控制作用，代表將來的信息。 PID 控制器的主要優(yōu)點 PID 控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器，它具有以下優(yōu)點： （ 1） PID 算法蘊涵了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在、將來的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。該系統(tǒng)的 PID 控制器一般采用 PLC 提供的專用模塊（本系統(tǒng)采用 FB58 模塊），也可以采用編程的方法（如 PLC 編程、高級語言編程或組態(tài)軟件編程等）生成一個數(shù)字 PID 控制器。 PID 就是應(yīng)用最廣泛的閉環(huán)控制器。一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng) (Closedloop Control System)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出 (被控制量 )會反送回來影響控制器的輸出 ,形成一個或多個閉環(huán)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點 控制系統(tǒng)一般包括開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。這就是說，在控制器中僅引入 “比例 ”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “微分項 ”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，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，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。其原因是由于存在有較大的慣性組件（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，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，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 ”。 （ 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的積分成正比關(guān)系。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時 ,最適合采用 PID 控 9 制技術(shù)。