【正文】 常的水量，因此斷開上水電磁閥； 當(dāng)水位到達(dá)探測點(diǎn) 4 時(shí)，表 示水量過高，超過 正常值，因此發(fā)出圣光報(bào)警，并且聲音報(bào)警只能手動(dòng)關(guān)閉。設(shè)計(jì)的目的是在設(shè)計(jì)過程中能夠了解 S7200PLC 是如何被運(yùn)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的。 本設(shè)計(jì)中使用的主要硬件如圖 2 所示。 因此我把 水箱 溫度控制系統(tǒng)分成兩大部分來分別設(shè)計(jì)軟硬件。然后把比較測量值和設(shè)定值所得到的差值經(jīng)過 PID 運(yùn) 算后就可以得到的控制信號(hào)來控制加熱器的電壓，這樣就能控制水箱內(nèi) 的溫度了。 圖 4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖 5 系統(tǒng)程序框圖 四、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 、 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 、 S7200PLC 選型 可編程控制器 (Programmable logic Controller)， 簡稱 PLC 或 PC，是指可以通過編程或 軟件配置 改變控制對(duì)策的控制器，它是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。 但是如果在生產(chǎn)過程中工藝要求出現(xiàn)了改變，那么身為佼佼者的繼電器控制系統(tǒng)會(huì)因?yàn)轶w積大、耗電多、壽命短等缺點(diǎn)導(dǎo)致其適應(yīng)性、可靠性都不高，因此當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就必須重新設(shè)計(jì)。這種系統(tǒng)是以繼電氣控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，具有很高的可靠性，它隨著當(dāng)代生產(chǎn)自動(dòng)化要求的提高和電子技術(shù)的發(fā)展融合了微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)并且能夠很好的應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。為了降低成本、增加使用壽命，通用汽車公司 (GM 公司 )便打算在新設(shè)計(jì)的控制裝置時(shí)去掉舊的繼電氣裝置在使用時(shí)需要重新設(shè)計(jì)和接線的缺點(diǎn)，因此他們用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程，同時(shí)簡化了計(jì)算機(jī)的編程方法和程序的輸入方法，這樣一來也使得不熟悉計(jì)算機(jī)的人可以看懂程序。 PLC 除了能夠進(jìn)行邏輯、順序控制，還能對(duì) 計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)進(jìn)行控制。 目前，全世界的 PLC 生產(chǎn)廠家約有 200多家，生產(chǎn) 300多個(gè)品種，主要集中在美國、德國、日本的多家公司。美國的 PLC 廠家很多，其中以 AB(ALLENBRADLEY)公司、美國通用（ GE）公司生產(chǎn)的 PLC 最具代表性。 由于 PLC 具有輸入輸出光電隔離、停電保護(hù)、自診斷等功能，所以抗干擾能力強(qiáng)，能置于環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中，故障率低。 本設(shè)計(jì)中要求以德國生產(chǎn)的西門子 S7PLC200 為主控制器，因此在此只粗略介紹西門子S7200PLC。由于它具有極強(qiáng)的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用 i。 PLC 控制系統(tǒng)中， PLC 程序的輸入和執(zhí)行、 PLC 之間或者 PLC 與上位機(jī)之間的通信、接受現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)都離不開 CPU模塊。圖 6 是西門子 S7200PLC的模塊面板示意圖。 表 1 西門子 S7200CPU 主要性能指標(biāo) 根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，為以后新設(shè)備的介入或設(shè)備調(diào)整留有余地， CPU224 有 14 路 輸入 /10 路 輸出 ，一共有 24 個(gè) I/O 點(diǎn)， 存儲(chǔ)容量比起 CPU221 和 CPU222 擴(kuò)大了一倍 ,它可以有 7 個(gè)擴(kuò)展模塊 ,有內(nèi)置時(shí)鐘 ，并且 CPU224 高速計(jì)數(shù)處理能力 也很強(qiáng)， 是 S7200 產(chǎn)品 中 使用得最多 的一個(gè)。 、 EM 235 模擬量輸入 /輸出模塊 在溫度控制系統(tǒng)中，溫度傳感器把檢測到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成 420mA 的電流信號(hào)，系統(tǒng)需 性能指標(biāo) CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 外形尺寸 90 80 62 90 80 62 80 62 190 80 62 本機(jī)數(shù)字量 I/O 6 個(gè)輸入 /4 個(gè)輸出 8 個(gè)輸入 /6 個(gè)輸出 14 個(gè)輸入 /10 個(gè)輸出 6 個(gè)輸入 /4 個(gè)輸出 程序空間 2048 字 2048 字 4096 字 4096 字 數(shù)據(jù)空間 1024 字 1024 字 2560 字 2560 字 用戶存儲(chǔ)器類型 E2 PROM E2 PROM E2 PROM E2 PROM 擴(kuò)展模塊數(shù)量 不能擴(kuò)展 2 個(gè)模塊 7 個(gè)模塊 7 個(gè)模塊 數(shù)字量 I/O 128 輸入 /128 輸出 128 輸入 /128 輸出 128 輸入 /128 輸出 128 輸入 /128 輸出 模擬量 I/O 無 16 輸入 /16 輸出 32 輸入 /32 輸出 32 輸入 /32 輸出 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 256/256 256/256 256/256 256/256 內(nèi)部繼電器 256 256 256 256 布爾指令執(zhí)行速度 s/指令 s/指令 s/指令 s/指令 通信口數(shù)量 1（ RS485） 1(RS485) 1(RS485) 2(RS485) 9 要配置模擬量的輸入模塊把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入 PLC 中進(jìn)行處理。 EM235 模塊有 12 位模擬量，輸入速度迅速，價(jià)錢低廉，應(yīng)用廣泛。由于 EM235 都是在程序訪問模擬點(diǎn)的 時(shí)候把輸入的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成阿拉伯?dāng)?shù)字。圖 7 就是 EM235 模擬量擴(kuò)展模塊的接線方法。 通過表 2，我們可以了解怎樣通過 DIP 開關(guān)來影響并選擇 EM235 模 塊輸入模擬信號(hào)的單 /雙極性、增益和衰減。它允許 S7200PLC連接微小的模擬量信號(hào)，電壓信號(hào)控制在在177。我們可以通過選擇 DIP 開關(guān)去決定所需要的熱電偶的型號(hào)。 （ 2）在不影響控制系統(tǒng)精度的 前提下，盡量減少 PLC 系統(tǒng)硬件費(fèi)用。 （ 4）考慮到以后控制任務(wù)的變化，所以當(dāng)我們?cè)谔暨x合適的 PLC 型號(hào)、 PLC 的輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)和需要的存 儲(chǔ)器種類以及容量的時(shí)候，都要考慮到控制系統(tǒng)的多變性，多留出一點(diǎn)輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量。 （ 2）確定輸入輸出設(shè)備。 （ 4） I/O 點(diǎn)數(shù)分配。 （ 6）模擬調(diào)試。 （ 8）整理技術(shù)文件。目前有很多種熱電式傳感器，最常見就是把溫度的變化量相對(duì)的轉(zhuǎn)變成電勢(shì)和電阻。它們的傳感原EM235 開關(guān) 單 /雙極性選擇 增益選擇 衰減選擇 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON 單極性 OFF 雙極性 OFF OFF X1 OFF ON X10 ON OFF X100 ON ON 無效 ON OFF OFF OFF ON OFF OFF OFF ON 11 理都是相似的，熱電偶可以把變化的溫度變換成電勢(shì)，而熱電阻則是把變化的溫度相應(yīng)的轉(zhuǎn)換成電阻。 Pt100 鉑熱電阻簡稱為： Pt100 鉑電阻。其阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。 Pt100 的測溫范圍是 200℃～ +420℃，經(jīng)過調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成 4～20mA 直流信號(hào)。輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電壓，從而實(shí)現(xiàn) 水箱 溫度的連續(xù)控制 。 PID 控制在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有很多年了，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。人們?cè)趹?yīng)用的過程中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)，對(duì) PID 的研究現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)比較 高的程度。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。偏差減小的速度由比例系數(shù) Kp 來決定， Kp 越大偏差減小的越快。比例控制的缺點(diǎn)是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，必須要有積分控制來輔助。為了消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。因此，就算誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)慢慢變大，由它推動(dòng)控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差慢慢減小至零。但具有滯后特點(diǎn)，不能快速對(duì)誤差進(jìn)行有效的控制。而自動(dòng)控制系統(tǒng)在對(duì)于誤差的控制來說，會(huì)出現(xiàn)別的不必要的問題，比如波動(dòng)，更嚴(yán)重的會(huì)失穩(wěn)。但是微分控制會(huì)放大高頻噪聲 , 降低系統(tǒng)的信噪比 ,導(dǎo)致系統(tǒng)抑制干擾的能力下降，也就是說微分控制不能消除余差。 PID 控制器的理想計(jì)算公式為 : ()： dt tdeTdtteTteKtu dip )()(1)()( 0? ??? () 公式 ()中 : u(t)為控制器的輸出 。Kp、 Ti、 Td 分別為控制器的比例放大系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)。 由式 ()可得 : )2()1()()]1()([)()()1()()(?????????????????kCekBekAekekeKkeKkeKkukukudip () )()1()( kukuku ???? () 其中 TTKCTTKBTTTTKA dpdpdip ?????? )。1( 式 ()、 ()是增量 PID 算法的計(jì)算公式 , 系統(tǒng)的采樣周期 T 選定后 , 一旦確定了 Kp、 Ti、Td, 只要使用前后 3 次測量的溫 度偏差值即可由式 ()、 ()求出控制量。通過定時(shí) (按照采樣時(shí)間 T)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、比例 積分 微分?jǐn)?shù)據(jù) , 計(jì)算出控制量。 表 3 PID 回路指令 名稱 PID 運(yùn)算 指令格式 PID 指令表格式 PID TBL,LOOP 梯形圖 PID 回路在 PLC 中的地址分配情況如表 4 所示。 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 和和微分時(shí)間 Td，一般可以通過理論計(jì)算來確定，但誤差太大。 、 PID 算法的數(shù)字化處理 如果我們想要計(jì)算出輸出值，就必須把連續(xù)算式轉(zhuǎn)化成周期采樣的偏差算式。數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如 ()所示 ： Mn = Kc*en +Ki*∑ex+ MX + Kd