【正文】 器，并應(yīng)用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上。1971 年日本開始生產(chǎn)可編程控制器，而歐洲是 1973 開始的。可編程控制器從誕生到現(xiàn)在經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，見表 11。整體式 PLC 一般由 CPU5板、I/O 板、顯示面板、內(nèi)存和電源組成。本論文實(shí)物采用的是模塊式的PLC，不管哪種 PLC，都是屬于總線式的開發(fā)結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成如圖 21 所示 [12]。CPU 在很大程度上決定了 PLC 的整體性能，如整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量。2) 存儲器 存儲器（內(nèi)存）主要用語存儲程序及數(shù)據(jù)，是 PLC 不可缺少的組成部分。系統(tǒng)程序一般由廠家編寫的，用戶不能修改；而用戶程序是隨 PLC 的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應(yīng)用程序。PLC 提供了各種工作電平、連接形式和驅(qū)動能力的 I/O 模塊，有各種功能的 I/O 模塊供擁護(hù)選用。 PLC 還提供了各種各樣的特殊的 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、高速計算器、位置控制、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、溫度控制、中斷控制、聲音輸出、打印機(jī)等專用型或智能型模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。4)編程裝置編程器作用是將用戶編寫的程序下載至 PLC 的用戶程序存儲器，并利用編程器檢查、修改和調(diào)試用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過程，顯示 PLC 狀態(tài)、內(nèi)部器件及系統(tǒng)的參數(shù)等。目前 PLC 制造廠家大都開發(fā)了計算機(jī)輔助 PLC 編程支持軟件，當(dāng)個人計算機(jī)安裝了 PLC 編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進(jìn)行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計算機(jī)和 PLC 之間的通信接口實(shí)現(xiàn)用戶程序的雙向傳送、監(jiān)控 PLC 運(yùn)行狀態(tài)等。PLC 大都采用高質(zhì)量的工作穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的開關(guān)穩(wěn)壓電源，許多 PLC 電源還可向外部提供直流 24V 穩(wěn)壓電源，用于向輸入接口上的接入電氣元件供電，從而簡化外圍配置。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。它具有 24 個輸入點(diǎn)和 16 個輸出點(diǎn)。表 31 S7200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本單元型 號 輸入點(diǎn) 輸出點(diǎn) 可帶擴(kuò)展模塊數(shù)S7200CPU221 6 4 0S7200CPU222 8 6 2 個擴(kuò)展模塊S7200CPU224 14 10 7 個擴(kuò)展模塊S7200CPU224XP 24 16 7 個擴(kuò)展模塊S7200CPU226 24 16 7 個擴(kuò)展模塊 傳感器熱 電 偶 是 一 種 感 溫 元 件 ， 它 直 接 測 量 溫 度 ， 并 把 溫 度 信 號 轉(zhuǎn) 換 成 熱 電 動 勢信 號 。 所 調(diào) 用 標(biāo) 準(zhǔn) 熱 電偶 是 指 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) 規(guī) 定 了 其 熱 電 勢 與 溫 度 的 關(guān) 系 、 允 許 誤 差 、 并 有 統(tǒng) 一 的 標(biāo) 準(zhǔn) 分度 表 的 熱 電 偶 ， 它 有 與 其 配 套 的 顯 示 儀 表 可 供 選 用 。 標(biāo) 準(zhǔn) 化 熱 電 偶 我 國 從 1988 年 1 月 1 日 起 ， 熱 電 偶 和 熱 電阻 全 部 按 IEC 國 際 標(biāo) 準(zhǔn) 生 產(chǎn) ， 并 指 定 S、 B、 E、 K、 R、 J、 T 七 種 標(biāo) 準(zhǔn) 化 熱電 偶 為 我 國 統(tǒng) 一 設(shè) 計 型 熱 電 偶 。8 EM 231 模擬量輸入模塊傳感器檢測到溫度轉(zhuǎn)換成 0～41mv 的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入 PLC 中進(jìn)行處理。EM231 熱電偶模塊提供一個方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、 E、N、S 、T 和 R 型，它也允許連接微小的模擬量信號(177。EM231 模塊需要用戶通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷端補(bǔ)償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組態(tài) DIP 開關(guān)進(jìn)行以上選擇，如圖 32 所示。對于 EM231 4TC 模塊，SW1～SW3 用于選擇熱電偶類型，見表 33 。為了使 DIP 開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給 PLC 的電源斷電再通電。該軟件功能強(qiáng)大，界面友好，并有方便的聯(lián)機(jī)功能。等軟件安裝好之后再進(jìn)行語言的切換。 圖 36 通信設(shè)置界面 如果想改變編程界面的語言，可在軟件的主界面的工具欄中選擇 tools 目錄下選擇 option 選項，在出現(xiàn)的界面中選擇 general,然后在右下角就可以選擇中文了。11圖 37 語言重設(shè)界面 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)塊用來設(shè)置 S7200 CPU 的系統(tǒng)選項和參數(shù)等。系統(tǒng)塊的設(shè)置如下，需要注意的是，PLC 的地址默認(rèn)是 2，但本設(shè)計中需要用到的地址是 1，如圖 38。12圖 38 “系統(tǒng)塊對話框” 圖 39 通信端口設(shè)置 13 第四章 控制算法描述 PWM 技術(shù)脈 寬 調(diào) 制 （ PWM） 是 利 用 微 處 理 器 的 數(shù) 字 輸 出 來 對 模 擬 電 路 進(jìn) 行 控 制的 一 種 非 常 有 效 的 技 術(shù) ， 廣 泛 應(yīng) 用 在 測 量 、 通 信 、 功 率 控 制 與 變 換 的 許 多 領(lǐng)域 中 。 通 過 高 分 辨 率 計 數(shù)器 的 使 用 ， 方 波 的 占 空 比 被 調(diào) 制 用 來 對 一 個 具 體 模 擬 信 號 的 電 平 進(jìn) 行 編 碼 。本論文中采樣周期和加熱周期都是 10 秒。例如溫差大，加熱時間就大，溫差小，那么加熱時間就小。在粗控調(diào)階段，占空比恒為一。 PID 控制程序設(shè)計模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是 PID 控制，PID 在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有60 多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。比例控制(P)是 一 種 最 簡 單 的 控 制 方 式 。 其 特 點(diǎn) 是 具 有 快 速 反 應(yīng) ， 控 制 及 時 ， 但 不 能 消 除 余 差 。 積分 控 制 可 以 消 除 余 差 ， 但 具 有 滯 后 特 點(diǎn) ， 不 能 快 速 對 誤 差 進(jìn) 行 有 效 的 控 制 。 微 分 控 制 具 有 超 前 作 用 ， 它 能 預(yù) 測 誤 差 變 化 的 趨 勢 。PID 控 制 ， P、 I、 D 各 有 自 己 的 優(yōu) 點(diǎn) 和 缺 點(diǎn) ， 它 們 一 起 使 用 的 時 候 又 和 互14相 制 約 ， 但 只 有 合 理 地 選 取 PID 值 ， 就 可 以 獲 得 較 高 的 控 制 質(zhì) 量 [17]。 偏 差e 和 輸 入 量 r、 輸 出 量 c 的 關(guān) 系 : ()c(t)r=e(t)控 制 器 的 輸 出 為 : ()??????????t diP teTteTtKtu0)()(1)()(上式中, ——PID 回路的輸出。p ——積分系數(shù) I。dPID 調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為： ()????????STKSEUDdiP1)(數(shù)字計算機(jī)處理這個函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對偏差周期采樣后，計算機(jī)輸出值。 計算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項，只需要保留積分項前值，計算機(jī)的處理就是按照這種思想。 PID 在 PLC 中的回路指令現(xiàn)在很多 PLC 已經(jīng)具備了 PID 功能，STEP 7 Micro/WIN 就是其中之一有的16是專用模塊，有些是指令形式。見表 47。指令的兩個操作數(shù) TBL 和 LOOP，TBL 是回路表的起始地址，本文采用的是 VB100，因為一個 PID 回路占用了 32 個字節(jié)，所以 VD100 到 VD132 都被占用了。PID 回路在 PLC 中的地址分配情況如表48 所示。但它不完全是過程變量 PV，過程變量 PV 和 PID 回路輸出有關(guān)。溫度輸入變量的數(shù) 10 倍據(jù)17轉(zhuǎn)化。但 PID 指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)必須是實(shí)數(shù)型，所以需要把整數(shù)轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)。如本設(shè)計中，是從 AIW0 讀入溫度被傳感器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。使它們的值都在 ~ 之間。rawR ——補(bǔ)償值或偏置，單極性為 ，雙極性為 。本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為: )320/(rawnoumR?（）因為溫度經(jīng)過檢測和轉(zhuǎn)換后，得到的值是實(shí)際溫度的 10 倍，所以為了 SP18值和 PV 值在同一個數(shù)量值，我們輸入 SP 值的時候應(yīng)該是填寫一個是實(shí)際溫度10 倍的數(shù)，即想要設(shè)定目標(biāo)控制溫度為 100℃時，需要輸入一個 1000。3) 回路輸出變量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換本設(shè)計中，利用回路的輸出值來設(shè)定下一個周期內(nèi)的加熱時間。這一過程是實(shí)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化過程。程序如下：ROUND AC1, AC1DTI AC1, VW34 PID 參數(shù)整定PID 參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) P、積分時間 Ti 和和微分時間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。 表 412 溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)19被控變量 規(guī)律的選擇 比例度 積分時間（分鐘） 微分時間（分鐘）溫度 滯后較大 20~60 3~10 ~3實(shí)驗湊試法的整定步驟為先比例，再積分，最后微分。 2）整定積分環(huán)節(jié)先將步驟 1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的 50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。 3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時間 TD=0，逐漸加大 TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和 PID 控制參數(shù) [20]。20 第五章 程序設(shè)計PLC 采用的是的 S7200，CPU 是 224 系列，采用了 5 個燈來顯示過程的狀態(tài)，分別是運(yùn)行燈，停止燈，溫度正常燈，溫度過高（警示燈）燈，和加熱燈，可以通過 5 個燈的開關(guān)狀況判斷加熱爐內(nèi)的大概情況。根據(jù) PID 輸出值來控制下一個周期內(nèi)（10s）內(nèi)的加熱時間和非加熱時間。1) 硬件連線如圖 51 所示。21 表 52 I/O 點(diǎn)地址分配地址 名稱 功能 啟動按扭 按下開關(guān)，設(shè)備開始運(yùn)行 開關(guān)按鈕 按下開關(guān)，設(shè)備停止運(yùn)行 保護(hù)按鈕 按下開關(guān)，終止加熱 運(yùn)行燈 燈亮表示設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài) 停止燈 燈亮表示設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài) 溫度狀態(tài)指示燈（正常 燈亮表示爐溫在正常范圍內(nèi) 溫度狀態(tài)指示燈（危險） 燈兩表示爐溫過高，處于危險狀態(tài) 固態(tài)繼電器 燈亮表示加熱爐正處于加熱階段3）程序地址分配如表 53 所示。 表 54 PID 指令回路表地址 名稱 說明VD100 過程變量（PVn） 必須在 ~ 之間VD104 給定值（SPn） 必須在 ~ 之間VD108 輸出值（Mn） 必須在 ~ 之間VD112 增益（Kc） 比例常數(shù)，可正可負(fù)VD116 采樣時間（Ts） 單位為 s，必須是正數(shù)22VD120 采樣時間（Ti） 單位為 min，必須是正數(shù)VD124 微分時間（Td） 單位為 min，必須是正數(shù)VD128 積分項前值（MX） 必須在 ~ 之間VD132 過程變量前值（PVn1） 必須在 ~ 之間 程序流程圖程序流程圖如圖 55 所示，1 個主程序，3 個子程序。組態(tài)軟件一般英文簡稱有三種，分別為 HMI/MMI/SCADA/.HMI/MMI 翻譯為人機(jī)接口軟件， SCADA 翻譯為監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集軟件。組 態(tài) 王 開 發(fā) 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 軟 件 是 眾 多 組 態(tài) 軟 件 里 面 的 一 種 ， 組態(tài)王是一個具有豐富功能的 HMI/SCADA 軟件。它提供了集成、靈活、易用的開發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，能夠快速建立、測試和部署自動化應(yīng)用，來連接、傳遞和記錄實(shí)時信息。 該 系 統(tǒng) 是 中 文 界 面 ,具 有 人 機(jī) 界 面 友 好 、 結(jié) 果 可 視 化 的 優(yōu) 點(diǎn) 。本論文的組態(tài)軟件采用亞控公司的組態(tài)王 版本。 可 方 便36地 監(jiān) 視 系 統(tǒng) 的 運(yùn) 行 。 雙擊組態(tài)王的快捷方式，出現(xiàn)組態(tài)王的工程管理器窗口，雙擊新建按扭，按照彈出的建立向?qū)?，填寫工程名稱。進(jìn)入組態(tài)畫面的設(shè)計,如圖 所示。如下圖。畫面的工具欄里面，可以選擇工具箱，調(diào)色板，線形等在畫面中顯示，這些在畫圖的時候經(jīng)常需要用上?；绢愋偷淖兞靠梢苑譃椤皟?nèi)存變量” 和 I/O 變量兩類。而 I/O 變量是兩者之間互相交換數(shù)據(jù)的橋梁，S7200 和組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換是雙向的，一者的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，另外一者的數(shù)據(jù)也跟著變化。所以需要在創(chuàng)建連接前新建一些變量，如圖 所示。并規(guī)定溫度超過105℃為溫度過高，立刻要作出相應(yīng)警示信號。38圖 定義畫面變量設(shè)置 圖 定義變量報警 如圖 所示，在該畫面中，仿真實(shí)物設(shè)備的連接，通過設(shè)置開關(guān)按扭和關(guān)閉按扭來控制系統(tǒng)的啟動和停止。加熱爐的指示燈是表示加熱爐的加熱狀態(tài)，與 對應(yīng)綠色（亮） ，表示系統(tǒng)處于加熱狀態(tài)，黑色（暗）表示爐正處于加熱狀態(tài)。 圖 主畫面設(shè)置實(shí)時趨勢曲線可在工具箱中雙擊后在畫面直接獲得。X 方向表示時間，Y 方向表示變量的量程百份比。另外，在畫面中設(shè)置了返回按扭，點(diǎn)擊就可以返回到主畫面。40。歷史趨勢曲線可以查詢查詢過去的情