【正文】 10V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，使用起來(lái)更為方便。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來(lái)后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的AD值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值[5]。如表22所示：表22 鉑熱電阻分度表工作端溫度/℃Pt100工作端溫度/℃Pt100工作端溫度/℃Pt10050100250401102603012027020130280101402900150300101603102017032030180330401903405020035060210360702203708023038090240390常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。本設(shè)計(jì)采用的就是三線制電橋接線。本系統(tǒng)采用的是010V標(biāo)準(zhǔn)溫度變送器，使用過(guò)程中要加一個(gè)24V的電源，該電源可以從PLC上直接獲得。 EM231模擬量輸入模塊 傳感器檢測(cè)到溫度轉(zhuǎn)換成0～10V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內(nèi)部的模擬量輸入寄存器AIW中。存儲(chǔ)在16位模擬量寄存器AIW中的數(shù)據(jù)有效位為12位，其格式如圖23所示。圖23 模擬量輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字量格式使用模擬量輸入模塊時(shí)，首先需要根據(jù)模擬量信號(hào)的類(lèi)型及范圍通過(guò)模擬量模塊有右下側(cè)的DIP設(shè)定開(kāi)關(guān)進(jìn)行輸入信號(hào)的選擇，其選擇的具體操作如下表所示，本設(shè)計(jì)選用的電壓信號(hào)為0~10V作為模擬量模塊的輸入信號(hào)，則DIP選擇開(kāi)關(guān)應(yīng)選為SW1開(kāi)、SW2關(guān)、SW3開(kāi)。如圖24所示： 圖24 EM231選擇模擬量輸入范圍的開(kāi)關(guān)表選好DIP開(kāi)關(guān)的設(shè)置后，還需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整定，輸入信號(hào)的整定就是要確定模擬量輸入信號(hào)與數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)設(shè)定DIP設(shè)定開(kāi)關(guān)左側(cè)的增益旋鈕可調(diào)整該模塊的輸入輸出關(guān)系。如圖25所示：圖25 EM231模擬量輸入模塊端子及DIP開(kāi)關(guān)示意圖經(jīng)上述調(diào)整后，若輸入電壓范圍為0~10V的模擬量信號(hào)，則對(duì)應(yīng)的數(shù)字量結(jié)果應(yīng)為0~32000或所需要數(shù)字 EM232模擬量輸出模塊 EM232模擬量輸出的過(guò)程是將PLC模擬量輸出寄存器AQW中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為可用于驅(qū)動(dòng)元件的模擬量，其外部接線端子及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖26所示：圖26 EM232模擬量輸出模塊外部接線圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖可知，存儲(chǔ)于AQW中的數(shù)字量經(jīng)EM232模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器分為兩路信號(hào)輸出，一路經(jīng)電壓輸出緩沖器輸出標(biāo)準(zhǔn)的10~+10V 電壓信號(hào)，令一路經(jīng)電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出標(biāo)準(zhǔn)的0～20mA的電流信號(hào)。數(shù)據(jù)的最高有效位是符號(hào)位，最低4位在轉(zhuǎn)換為模擬量輸出值時(shí)，將自動(dòng)屏蔽。能以自動(dòng)方式（外給定信號(hào)）或手動(dòng)發(fā)式（內(nèi)給定）對(duì)單向或雙向可控硅進(jìn)行移相或過(guò)零觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)可控硅調(diào)功或調(diào)壓控制。本系列儀表采用了先進(jìn)的脈沖信號(hào)處理技術(shù)及抗干擾處理，控制輸出采用小型晶閘管強(qiáng)觸發(fā)方式，并引進(jìn)先進(jìn)的光點(diǎn)耦合技術(shù)進(jìn)行光電隔離，相位采集和脈沖信號(hào)傳輸，并采用光條代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動(dòng)圈表頭指示輸出功率，從而使本系列控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）優(yōu)異的抗干擾性能。（3）手動(dòng)、自動(dòng)控制可任意按鍵切換，操作直觀方便，功率指示燈為光條指示百分比，清晰直觀無(wú)視差。（4）晶閘管運(yùn)行時(shí)無(wú)噪音，壽命長(zhǎng)，功率因數(shù)高。 可控硅電壓調(diào)整器的主要性能指標(biāo)本設(shè)計(jì)采用ZK1可控硅電壓調(diào)整器，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）輸入信號(hào)：0~10mA（輸入阻抗800Ω）或4～20mA（輸入阻抗250Ω）；（2）輸入脈沖：幅值不小于3V、寬度不小于50 us(20Ω負(fù)載時(shí))；（3）移相觸發(fā)型最大導(dǎo)通角，不小于150度；（4）工作環(huán)境：溫度050℃相對(duì)濕度不超過(guò)85%的無(wú)腐蝕性氣體場(chǎng)合；（5）電源：交流220V177。為50Hz交流電的電壓波形。在α～π時(shí)間內(nèi),SCR1控制極Ｇ受觸發(fā)脈沖觸發(fā)而導(dǎo)通.。顯然控制角ａ的大小，可改變正負(fù)半周波形切割面積的大小。相反，當(dāng)ａ角越大，被切割的波形面積越大，輸出交流電壓的平均值越小。加熱器倆端的電壓受可控硅觸發(fā)角ａ的控制，通過(guò)控制加在可控硅控制極觸發(fā)脈沖的時(shí)刻（ａ的大小）即可實(shí)現(xiàn)加熱器的功率或溫度的調(diào)節(jié)。 可控硅電壓調(diào)整器在加熱爐中的應(yīng)用1. ZK1可控硅電壓調(diào)整器在220V加熱爐中的應(yīng)用ZK1可控硅電壓調(diào)整器作為單相電壓調(diào)整器，其工作電壓為220V,當(dāng)工作處于手動(dòng)或自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，隨著輸入信號(hào)的變化，輸出的門(mén)控信號(hào)的移相范圍也跟著變化，從而改變可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到不同的輸出電壓比例，導(dǎo)通角的范圍是0~100%,調(diào)整電壓范圍是0~220V這樣可以通過(guò)控制加熱元件的發(fā)熱功率來(lái)控制溫度。ZK1可控硅電壓調(diào)整器在電加熱爐系統(tǒng)中的硬件框圖如下圖29所示：圖29 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件框圖2. ZK1可控硅電壓調(diào)整器在380V加熱爐中的應(yīng)用在交流380V電加熱爐設(shè)備中，電源電壓為380V，在設(shè)備的調(diào)試和使用中發(fā)現(xiàn)，即使ZK1可控硅電壓調(diào)整器的導(dǎo)通角達(dá)到100%，輸出電壓始終上不去，限制在220V左右，這與要求輸出的380V電壓相差甚遠(yuǎn)。這樣，在主回路為交流380V電路系統(tǒng)中，要想達(dá)到220V的輸出，通過(guò)從輸出端直接加反饋至ZK1可控硅電壓調(diào)整器的反饋輸入端，顯然達(dá)不到目的。反饋回路加變壓器控制原理圖如下圖210所示。（2）對(duì)ZK1可控硅電壓調(diào)整器的信號(hào)輸入電路作部分改動(dòng)，即增大輸入電阻值。第3章 爐溫PID控制算法在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。 　PID控制器基本概念比例（P）控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單,最常用的控制方式。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error）。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error）。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。由于計(jì)算機(jī)從第一次采樣開(kāi)始，每有一個(gè)偏差采樣值必須計(jì)算一次輸出值，只要保存偏差前值和積分項(xiàng)前值。簡(jiǎn)化算式是：Mn =Kc*en +Ki*en +MX+Kd*(enen1) （）輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中：Mn 在第n采樣時(shí)刻，PID回路輸出的計(jì)算值 Kc PID回路增益 en 采樣時(shí)刻n回路的偏差值 en1 回路的偏差值的前一個(gè)值 Ki 積分項(xiàng)的比例常數(shù) MX 積分項(xiàng)前值 Kd 微分項(xiàng)的比例常數(shù)CPU實(shí)際上使用以上簡(jiǎn)化算式的改進(jìn)形式計(jì)算PID輸出，這個(gè)改進(jìn)型算式是：Mn =MPn +MIn +MDn ()輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)其中：Mn 第n采樣時(shí)刻的計(jì)算值 MPn 第n采樣時(shí)刻的比例項(xiàng)值 Min 第n采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)值 MDn 第n采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值比例項(xiàng)MP是增益（Kc）和偏差（e）的乘積。S7200解決的求積分的算式是：MIn=Kc*Ts/Ti*(SPnPVn)+MX ()其中：MIn 第n采樣時(shí)刻積分項(xiàng)的值 Kc 增益 Ts 采樣時(shí)間間隔 Ti 積分時(shí)間 SPn 第n采樣時(shí)刻的給定值 PVn 第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量的值 MX 第n1采樣時(shí)刻積分項(xiàng)（積分項(xiàng)前值） 積分和（MX）是所有積分項(xiàng)前值之和，在每次計(jì)算出MIn后，都要用MIn去更新MX。積分項(xiàng)還包括其他幾個(gè)常數(shù)：增益（Kc），采樣時(shí)間（Ts）和積分時(shí)間（Ti）。微分項(xiàng)值Md與偏差的變化成正比，S7200使用下列算式來(lái)求解微分項(xiàng)：Mdn=Kc*Td/Ts*((SPnPVn)(SPn1PVn1)) ()為了避免給定值變化的微分作用而引起的跳變，假定給定值不變SPn=SPn1，這樣可以用過(guò)程變量的變化替代偏差的變化，計(jì)算算式可改進(jìn)為：Mdn=Kc*Td/Ts*(SPnPVnSPn+PVn1) ()或Mdn=Kc*Td/Ts*(PVn1+PVn) ()其中：Mdn 第n采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值 Kc 回路增益 Ts 回路采樣時(shí)間 Td 微分時(shí)間 SPn 第n采樣時(shí)刻的給定值 SPn1 第n1采樣時(shí)刻的給定值 PVn 第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量的值 PVn1 第n1采樣時(shí)刻的過(guò)程變量的值為了下一次計(jì)算微分項(xiàng)值，必須保存過(guò)程變量，而不是偏差，在第一采樣時(shí)刻，初始化為PVn1=PVn。例如只需要比例回路或者比例積分回路，通過(guò)設(shè)置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類(lèi)型。即使沒(méi)有積分作用，積分項(xiàng)還是不為零，因?yàn)橛谐踔礛X。如果不想要比例回路，但需要積分或積分微分回路，系統(tǒng)會(huì)在計(jì)算積分項(xiàng)和微分項(xiàng)時(shí)。西門(mén)子S7200系列PLC中使用的是PID回路指令。表31 PID回路指令名稱(chēng)PID運(yùn)算指令格式PID指令表格式PID TBL，LOOP梯形圖使用方法：當(dāng)EN端口執(zhí)行條件存在時(shí)候，就可進(jìn)行PID運(yùn)算。LOOP是回路號(hào)，可以是0~7，不可以重復(fù)使用。 表32 PID指令回路表偏移地址名稱(chēng)數(shù)據(jù)類(lèi)型說(shuō)明0過(guò)程變量（PVn）雙字實(shí)數(shù)~4給定值（SPn）雙字實(shí)數(shù)~8輸出值（Yn）雙字實(shí)數(shù)~12增益（Kc）雙字實(shí)數(shù)比例常數(shù)，可正可負(fù)16采樣時(shí)間（Ts）雙字實(shí)數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20積分時(shí)間（Ti）雙字實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時(shí)間（Td）雙字實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項(xiàng)前值（YX）雙字實(shí)數(shù)~32過(guò)程變量前值（PVn1）雙字實(shí)數(shù)最后一次執(zhí)行PID指令的過(guò)程變量值1. 回路輸出數(shù)值轉(zhuǎn)換方法本文中，設(shè)定的溫度是給定值SP，需要控制的變量是爐子的溫度。在本文中，經(jīng)過(guò)測(cè)量的溫度信號(hào)被轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)溫度值才是過(guò)程變量，所以，這兩個(gè)數(shù)不在同一個(gè)數(shù)量值，需要他們作比較，那就必須先作一下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在PLC內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算之前，必須將這些值轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱的標(biāo)準(zhǔn)化格式[~]。 Span——值域大小，為最大允許值減去最小允許值。本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為: （）2. 回路輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法本設(shè)計(jì)中，~，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)格式的數(shù)據(jù)，在輸出變量傳送給D/A模擬量單元之前，必須把回路輸出變量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù)。 （）假定PID運(yùn)算的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)格式結(jié)果存儲(chǔ)在AC0中，則經(jīng)過(guò)下面程序段的轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)在模擬量寄存器AQW0中的數(shù)據(jù)為一個(gè)按工程量標(biāo)定后的16為數(shù)字值。典型的PLC模擬量處理是將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種被控對(duì)象（如溫度、壓力、流量、液位等）通過(guò)相應(yīng)的傳感器將其變換為一標(biāo)準(zhǔn)的模擬電量（常見(jiàn)的是電壓、電流），電壓電流等模擬量常常會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的瞬時(shí)干擾而產(chǎn)生較大的波動(dòng)，這種波動(dòng)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后亦反映在PLC的數(shù)字量輸入端。在硬件上，抗干擾措施一般是在布線時(shí)將信號(hào)傳輸線和動(dòng)力線分開(kāi)布線，信號(hào)傳輸線采取屏蔽處理。PLC常用的數(shù)字濾波方法是平均值濾，即對(duì)采樣和模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換得到的幾個(gè)數(shù)據(jù)求平均值，以此平均值最為模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果進(jìn)行處理。算術(shù)平均值濾波的效果與采樣次數(shù)有關(guān)，采樣次數(shù)越多效果越好。算術(shù)平均值法的算法公式為 （）其中：N—采樣次數(shù)；Xi—第i次采樣值；X為平均值。算術(shù)平均值法適合對(duì)一般的具有隨機(jī)干擾信號(hào)的濾波，特別適用于信號(hào)本身的某一數(shù)字范圍附近作上下波動(dòng)的情況，如流量液位等信號(hào)的測(cè)量。去極值平均濾波算法可以通過(guò)圖33所示的程序流程圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每進(jìn)行一次新的采樣，就把最新采樣結(jié)果放在隊(duì)列的尾部，將原來(lái)隊(duì)列首位的采樣結(jié)果扔掉，這樣在數(shù)據(jù)隊(duì)列中始終保留著最新采樣結(jié)果。這樣每進(jìn)行一次采樣，就可以經(jīng)過(guò)計(jì)算得到一個(gè)新的算術(shù)平均值。圖34 滑動(dòng)平均值法濾波需要注意的是，在初始化數(shù)據(jù)塊時(shí)一定要將第一次的采樣數(shù)據(jù)填充進(jìn)所有的采樣數(shù)據(jù)寄存器中，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)塊移位，將最早的