【正文】 ...................................................... 29 8 致謝 ....................................................................................................................... 30 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 IV 9 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................... 31 附錄 A 日文原文 ......................................................................................................... 32 附錄 B 中文翻譯 ......................................................................................................... 43 附錄 C 程序源代碼 ..................................................................................................... 50 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 1 緒 論 本課題的研究意義及背景 隨著 IT 產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步及因特網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)控制所使用之 PLC 控制器，具有高度的穩(wěn)定性及抗噪聲的特性且配線容易及價(jià)格便宜，因此被大量應(yīng)用在自動化的場所，已由單機(jī)操作朝向網(wǎng)絡(luò)控制化發(fā)展，本文在探討 PLC 在溫度控制中的應(yīng)用，使 PC 基于 RS232 通訊協(xié)議控制 PLC，并通過 VB 程序語言，達(dá)到遠(yuǎn)程控制及網(wǎng)絡(luò)自動化控制的功能。溫度控制的思想是通過 VB 編程先把當(dāng)前溫度采集回來，采集到的溫度與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，通過 PID 算法來控制輸出。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 2 基于 Prodave 和西門子 PLC 的爐溫控制的設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)方案 概述，本設(shè)計(jì)要由西門子 PLC 和 VB 程序來實(shí)現(xiàn)電熱爐溫度的自動控制，由鉑電阻 Pt100 采 集現(xiàn)場溫度，送給 PLC 模擬量模塊中，再送給 VB 程序，然后實(shí)際溫度和設(shè)定的溫度進(jìn)行對比，根據(jù)表較的結(jié)果來控制輸出，由 PLC來控制電源的通斷。 PLC 安裝 在本設(shè)計(jì)中用到兩個(gè) PLC 模塊， CPU221 模塊、模擬量 EM231 模塊， EM231模塊連接變送器，也就是通過該模塊采集到原始的溫度數(shù)據(jù)， CPU221 模塊連接固態(tài)繼電器，也就是輸出部分，控制輸出的通斷。 程序設(shè)計(jì) 在 VB 程序中要有這些功能，能觀察溫度的實(shí)時(shí)變化，可以設(shè)定溫度值，手動設(shè)定 PID 參數(shù)，控制計(jì)算機(jī)和 PLC 通信的“通”“斷”。在 PLC 中也要有簡單的梯形圖程序。 PID 算法 的描述 目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。智能 控制的典型實(shí)例是模糊全自動洗衣機(jī)等。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接 口。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、 變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。電加熱 控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。有利用 PID 控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制 器，能實(shí)現(xiàn) PID 控制功能的可編程控制器 (PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的 PC系統(tǒng)等等。還有可以實(shí)現(xiàn) PID 控制功能的控制器，如 Rockwell 的 Logix 產(chǎn)品系列，它可以直接與 ControlNet 相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反饋 回來以形成任何閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系 統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，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)。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋 的閉環(huán)控 制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后做 出各種正確的動作。另例，當(dāng)一臺真正的全自動洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控 制精度，通常 用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steadystate error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時(shí)間來定量描述。 PID控制器問世至今已有近 70年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡單、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。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)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(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 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。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。 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。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。這樣，即便誤差很小，積 分項(xiàng)也會隨著時(shí)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(jìn)一步減小，直到等于零。 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。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。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)的作用僅沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 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，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng) 曲線法和衰減法。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需 要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng) 出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。 對于溫度系統(tǒng)： P（ %） 2060， I（分） 310， D（分） 對于流量系統(tǒng)： P（ %） 40100， I（分） 對于壓力系統(tǒng)： P（ %） 3070， I（分） 對于液位系統(tǒng)： P（ %） 2080， I（分） 15 連續(xù)一時(shí)間 PID 控制系統(tǒng)如圖所示。在 PID 控制系統(tǒng)中， D（ s）完成 PID 控制規(guī)律，稱為 PID 控制器。 e(t)=r(t)y(t) 的比例，積分，微分的線性組合，構(gòu)成控制量 u（ t），稱為 比例（ Proportional） 積分（ Integrating） 微分（ Differentiation）控制，簡稱 PID 控制。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 3 西門子 S7200 系列 PLC 及相關(guān)硬件 PLC 的介紹 PLC 的歷史及展望 PLC 發(fā)展的歷史 在制造工業(yè)（以改變幾何形狀和機(jī)械性能為特征）和過程工業(yè)（以物理變化和化學(xué)變化將原料轉(zhuǎn)化 成產(chǎn)品為特征）中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。 1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，使得電氣控制功能實(shí)現(xiàn)的程序化，這就是第一代可編程序控制器，英文名字叫 Programmable Controller（ PC）。 上 世紀(jì) 80 年代，個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來，也簡稱為 PC，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，美國 AB公司將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器 Programmable Logic Controller（ PLC），并將“ PLC”作為其產(chǎn)品的注冊商標(biāo)。 上世紀(jì) 80 年代至 90年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為 30— 40%。 近年，工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)（ IPC）和現(xiàn)場總線技術(shù)（ FCS）發(fā)展迅速，擠占了一部分 PLC 市場， PLC 增長速度出現(xiàn)漸緩的趨勢，但其在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 PLC 發(fā)展的重點(diǎn) （ 1）人機(jī)界面更加友好 PLC 制造商紛紛通過收購或聯(lián)合軟件企業(yè)、或發(fā)展軟 件產(chǎn)業(yè)，大大提高了其軟件水平，多數(shù) PLC 品牌擁有與之相應(yīng)的開發(fā)平臺和組態(tài)軟件，軟件和硬件的結(jié)合，提高了系統(tǒng)的性能，同時(shí)，為用戶的開發(fā)和維護(hù)降低了成本，使更易形成人機(jī)友好的控制系統(tǒng)，目前， PLC＋網(wǎng)絡(luò)＋ IPC＋ CRT的模式被廣泛應(yīng)用。由于近來數(shù)據(jù)通訊技術(shù)發(fā)展很快，用戶對開放性要求很強(qiáng)烈，現(xiàn)場總線技術(shù)及以太網(wǎng)技術(shù)也同步發(fā)展。 （ 3）．開放性和互操作性大大發(fā)展 PLC 在發(fā)展過程中，各 PLC 制造商為了壟斷和擴(kuò)大各自市場，處于群雄割據(jù)的局面，各自發(fā)展自己的標(biāo)準(zhǔn)，兼容性很差，這給用戶使用帶來不便，并增加了維護(hù)成本。開放的進(jìn)程，可以從以下方面反映： IEC 形成了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)包含 8種標(biāo)準(zhǔn)，雖然有人說， 多種標(biāo)準(zhǔn)就是沒有標(biāo)準(zhǔn)，但必竟是一個(gè)經(jīng)過困難的爭論與妥協(xié)的成果。 IEC制訂了基于 Windows的編程語言標(biāo)準(zhǔn) IEC611313，它規(guī)定了指令表（ IL）、梯形圖（ LD）、順序功能圖（ SFC）、功能塊圖（ FBD）、結(jié)構(gòu)化文本（ ST）五種編程語言。雖然 PLC 開發(fā)上各 種 工具仍不兼容，但基于這些標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)系統(tǒng)，使用戶在應(yīng)用過程中，可以較方便地適 應(yīng) 不同品牌的產(chǎn)品。目前，多數(shù) PLC 軟件產(chǎn)品和相當(dāng)一部分儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其它設(shè)備具有了OPC 功能。 （ 4）． PLC 的功能進(jìn)一步增強(qiáng)，應(yīng)用范圍越來越廣泛。 （ 5）．工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展對 PLC 有重要影響。目前的挑戰(zhàn)在于： 1）硬件上如 何 適應(yīng)工業(yè)惡劣環(huán)境； 2）通訊機(jī)制如何提高其可 *。但以太網(wǎng)在工控系統(tǒng)的應(yīng)用卻日益增多，適應(yīng)這一過程，各 PLC 廠商紛紛推出適應(yīng)以太網(wǎng)的產(chǎn)品或中間產(chǎn)品。 國內(nèi)的 PLC 產(chǎn)品 國內(nèi)的 PLC 生產(chǎn)廠約 30 多家，但沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，還有一部分是以仿制、來件組裝或“貼牌”方式生產(chǎn)。 在我國，一般按 I/O 點(diǎn)數(shù)將 PLC 分為以下級別（但不絕對，國外分類有些區(qū)別）： 微型： 32 I/O 小型： 256 I/O 中型： 1024 I/O 大型： 4096 I/O 巨型： 8192 I/O 在我國應(yīng)用的 PLC 系統(tǒng)中， I/O64 點(diǎn)以下 PLC銷售額占整個(gè) PLC 的 47%， 64沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 點(diǎn) — 256 點(diǎn)的占 31%，合計(jì)占整個(gè) PLC 銷售額的 78%。大中型集控系統(tǒng)采用歐美 PLC居多，小型控制系統(tǒng)、機(jī)床、設(shè)備單體自動化及 OEM產(chǎn)品采用日本的 PLC 居多。 我國的 PLC 供應(yīng)渠道，主要有制造商、分銷商（代理商）、系統(tǒng)集成商、 OEM用戶、最終用戶。 西門子 S7200 系列 PLC SIMATIC S7200 系列 PLC 適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。因此 S7200 系列具有極高的性能 /價(jià)格比。S7200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。 S7200 系列 PLC 可提供 4 個(gè)不同的基本型號的 8 種 CPU 供您使用。5V， 177。5V 時(shí) ) (177。開關(guān) 2和 3可選擇模擬量輸入范圍。下表中， ON 為接通，OFF 為斷開。5V ON OFF 177。 將物理測量信號或普通電信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出或能夠以通訊協(xié)議方式輸出的設(shè)備。 變送器 —— 遵循一個(gè)物理定律（或?qū)嶒?yàn)數(shù)學(xué)模型） 將物理量的變化轉(zhuǎn)化成沈陽理工