【正文】 態(tài)和調(diào)節(jié)模態(tài)。在測試模態(tài)下,由一個繼電非線性環(huán)節(jié)來測試系統(tǒng)的振蕩頻率和增益,而在調(diào)節(jié)模態(tài)下,由系統(tǒng)的特征參數(shù)首先得到PID控制器,然后由此控制器對系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化,則需要重新進(jìn)入測試模態(tài)進(jìn)行測試,測試完畢之后再回到調(diào)節(jié)模態(tài)進(jìn)行控制。要確定系統(tǒng)的振蕩頻率ωc與Kc增益,比較常用的是描述函數(shù)方法,根據(jù)非線性環(huán)節(jié)輸入與輸出信號之間的基波分量關(guān)系來進(jìn)行近似分析。本設(shè)計中我們采用西門子S7200的PID參數(shù)自整定功能，可由PID整定控制面板來實現(xiàn)，如圖35所示：圖35 PID調(diào)節(jié)面板界面第一步：在PID Wizard (向?qū)В┲型瓿蒔ID功能配置第二步：打開PID調(diào)節(jié)控制面板，設(shè)置PID回路調(diào)節(jié)參數(shù)在Micro/WIN ，進(jìn)入PID調(diào)節(jié)控制面板中，如果面板沒有被激活（所有地方都是灰色），可點擊配置按鈕運行CPU。在PID調(diào)節(jié)面板的當(dāng)前PID區(qū)選擇要調(diào)節(jié)的PID回路號，在調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)選擇手動，調(diào)節(jié)PID參數(shù)并點擊更新，使新參數(shù)值起作用，監(jiān)視其趨勢圖，根據(jù)調(diào)節(jié)狀況改變PID參數(shù)直至調(diào)節(jié)穩(wěn)定。第三步：在調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)點擊高級按鈕，設(shè)定PID自整定選項。如果不是很特殊的系統(tǒng)，也可以不加理會。如圖36所示：第四步：在手動將PID調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)后，即過程值與設(shè)定值接近，且輸出沒有不規(guī)律的變化，并最好處于控制范圍中心附近。此時可點擊調(diào)整參數(shù)區(qū)內(nèi)的開始自動調(diào)節(jié)按鈕啟動PID自整定功能，這時按鈕變?yōu)橥Ｖ棺詣诱{(diào)節(jié)。這時只需耐心等待。當(dāng)按鈕再次變?yōu)殚_始自動調(diào)節(jié)時，表示系統(tǒng)已經(jīng)完成了PID自整定（要使用自整定功能，必須保證PID回路處于自動模式。開始自整定后，給定值不能再改變）。圖36 高級PID自動調(diào)節(jié)參數(shù)界面第五步：如果用戶想將PID自整定的參數(shù)應(yīng)用到當(dāng)前PLC中，則只需點擊更新PLC。 根據(jù)上述操作，參數(shù)調(diào)整結(jié)果如表35所示：表35 PID參數(shù)表參數(shù)結(jié)果KpTiTd 　本章小結(jié)本章主要對爐溫PID算法在電加熱爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做出了具體的介紹，P I D三個參數(shù)在系統(tǒng)中分別起到什么樣的作用以及PID算式的數(shù)字化處理具體是如何實現(xiàn)的，此外，我們還對采樣周期的選擇、PID參數(shù)的整定以及數(shù)字濾波作了具體的分析。第4章 　軟件設(shè)計 　STEP7編程軟件簡介STEP7Micro/WIN32編程軟件是由西門子公司專為S7200系列PLC設(shè)計開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用[8]，例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單語法檢查功能。同時它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控等。程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯誤。梯形圖中的錯誤處的下方自動加紅色曲線，語句表中錯誤行前有紅色叉，且錯誤處的下方加紅色曲線。軟件功能的實現(xiàn)可以在聯(lián)機(jī)工作方式（在線方式）下進(jìn)行，部分功能的實現(xiàn)也可以在離線工作方式下進(jìn)行。聯(lián)機(jī)方式：有編程軟件的計算機(jī)與PLC 連接，此時允許兩者之間做直接通信。離線方式：有編程軟件的計算機(jī)與PLC 斷開連接，此時能完成大部分基本功能。如編程、編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等，但所有的程序和參數(shù)都只能存放在計算機(jī)上[9]。兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機(jī)方式下可直接針對相連的PLC進(jìn)行操作，如上載和下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等；而離線方式下不直接與PLC 聯(lián)系，所有程序和參數(shù)都暫時存放在磁盤上，等聯(lián)機(jī)后在下載到PLC 中。 　方案設(shè)計思路PLC采用的是的S7200，CPU是224系列，采用了4個燈來顯示過程的狀態(tài)，分別是運行燈，停止燈，溫度正常燈，溫度過高（警示燈），可以通過4個燈的開關(guān)狀況判斷加熱爐內(nèi)的大概情況。傳感器負(fù)責(zé)檢測加熱爐中的溫度，把溫度信號轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電壓信號，經(jīng)過PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。根據(jù)模擬量輸出值來控制可控硅電壓調(diào)整器，產(chǎn)生可控硅脈沖觸發(fā)信號，該信號觸發(fā)可控硅電路，最終由該電路驅(qū)動電爐的加熱絲從而控制加熱爐處于加熱或非加熱狀態(tài)，達(dá)到恒溫控制的目的。1. 硬件連線如圖41所示。圖41 溫度控制系統(tǒng)接線圖2. I/O點地址分配如表41所示表41 I/O地址分配表地址名稱功能啟動按扭按下開關(guān)，設(shè)備開始運行停止按鈕按下開關(guān)，設(shè)備停止運行保護(hù)按鈕按下開關(guān)，終止加熱運行燈燈亮表示設(shè)備處于運行狀態(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）燈亮表示爐溫過高，處于危險狀態(tài)3. 程序地址分配如表42所示。表42 程序地址分配表地址說明VD354用戶設(shè)定比例常數(shù)P存放地址VD358用戶設(shè)定積分常數(shù)I存放地址VD366用戶設(shè)定微分常數(shù)D存放地址VD350目標(biāo)設(shè)定溫度存放地址VD362采樣時間存放地址VD400當(dāng)前實際溫度存放地址VD60實際溫度值存放地址4. PID指令回路表如表43所示。表43 PID指令回路表地址名稱說明VD200過程變量（P V n）~VD204給定值（S P n）~VD208輸出值（M n）~VD212增益（K c）比例常數(shù)，可正可負(fù)VD220積分時間（Ti）單位為min，必須是正數(shù)VD224微分時間（Td）單位為min，必須是正數(shù)VD228積分項前值（MX）~VD232過程變量前值（PVn1）最后一次執(zhí)行PID指令的過程變量值 　程序流程圖本設(shè)計加熱爐溫度控制系統(tǒng)程序流程圖如圖42所示：圖42 溫度控制系統(tǒng)程序流程圖 　系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)程序見附錄3 PLC爐溫控制系統(tǒng)的調(diào)試當(dāng)PID參數(shù)確定后，系統(tǒng)便可以實現(xiàn)溫度的控制，通過STEP7Micro/WIN32軟件可以實現(xiàn)運行監(jiān)控。第一步：連接硬件并設(shè)置通信端口，將PLC與計算機(jī)通信口連接，PLC的通信端口是RS485端口，而計算機(jī)的通信端口是RS232端口，所以連接的時候要使用變送電纜。當(dāng)硬件連接完畢后在軟件上設(shè)置通信，單擊通信，設(shè)置PG/PC接口，然后雙擊刷新，完成后確定即可；第二步：下載程序，單擊工具欄中的下載按鈕即可；第三步：實施監(jiān)控和調(diào)試，單擊工具欄的監(jiān)控，此時計算機(jī)中顯示PLC的運行狀態(tài)，顯示屏幕上被點亮的原件表示接通狀態(tài)。程序中設(shè)定值的變量存儲器是VD350，可以對其進(jìn)行狀態(tài)強(qiáng)制更新，此時PID輸出的控制值（VD208）也應(yīng)該改變以減小設(shè)定值和當(dāng)前值的差值，輸出的溫度值（AQW0）也會隨之改變。 本章小結(jié)本章主要介紹加熱爐溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，對整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計的思路、STEP7編程軟件的使用方法作出了具體的介紹。最后，通過實際的編程實現(xiàn)的整個系統(tǒng)的軟件的設(shè)計。第5章 　組態(tài)畫面設(shè)計 組態(tài)王簡介組態(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?？捎糜诠I(yè)自動化的過程控制和管理監(jiān)控。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、傳遞和記錄實時信息。使用戶可以實時查看和控制工業(yè)生產(chǎn)過程。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。對用戶而言,操作簡單易學(xué)且編程簡單,參數(shù)輸入與修改靈活,具有多次或重復(fù)仿真運行的控制能力,可以實時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實時趨勢曲線,這些很強(qiáng)的交互能力使其在自動控制系統(tǒng)的實驗中可以發(fā)揮理想的效果。 組態(tài)畫面設(shè)計 創(chuàng)建項目雙擊組態(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。然后打開剛建立的工程。進(jìn)入組態(tài)畫面的設(shè)計,如圖51所示。圖51 新建工程畫面進(jìn)入工程管理器后，在畫面右方雙擊“先建”，新建畫面，并設(shè)置畫面屬性，如圖52所示，包括畫面名稱，注釋，畫面位置，畫面風(fēng)格，畫面類型和背景顏色等。如下圖。點擊確定，就會出現(xiàn)，畫面就會自動打開。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。圖52 新建畫面要實現(xiàn)組態(tài)王對S7200的在線監(jiān)控，就先必須建立兩者之間的聯(lián)系，那就需要建立兩者間的數(shù)據(jù)變量?；绢愋偷淖兞靠梢苑譃椤皟?nèi)存變量”和I/O變量兩類。內(nèi)存變量是組態(tài)王內(nèi)部的變量，不跟被監(jiān)控的設(shè)備進(jìn)行交換。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53所示。圖53 定義畫面變量設(shè)置 本文中，PLC用內(nèi)存VD400來存放當(dāng)前的實際溫度值。并規(guī)定溫度超過90℃為溫度過高，立刻要作出相應(yīng)警示信號。點擊工程管理器中的“數(shù)據(jù)詞典”再雙擊右邊窗口的新建，在出現(xiàn)的定義變量口中填寫相應(yīng)的要求項，并可在“報警定義”中設(shè)定報警，如圖54所示。圖54 定義變量報警 創(chuàng)建主畫面如圖55所示，在該畫面中，仿真實物設(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。旁邊的指示燈，紅色表示系統(tǒng)停止運行。加熱爐的指示燈是表示加熱爐的加熱狀態(tài)，（亮），表示系統(tǒng)處于加熱狀態(tài)，紅色（暗）表示爐正處于非加熱狀態(tài)。爐子的溫度可以在畫面中顯示出來。 圖55 主畫面設(shè)置 建立實時趨勢曲線實時趨勢曲線可在工具箱中雙擊后在畫面直接獲得。實時趨勢曲線隨時間變化自動卷動，可快速反應(yīng)變量的新變化，但不能查詢過去的情況，其畫面時間跨度可以通過動畫連接中“表示定義設(shè)置”，一個畫面最多可以設(shè)置四條曲線，本文只需要用到兩條曲線，綠色曲線表示設(shè)定的溫度，紅色曲線表示當(dāng)前實際溫度。X方向表示時間，Y方向表示變量的量程百份比。Y軸上不能直接出現(xiàn)實際的過程值，但可以通過工具箱的文本進(jìn)行對應(yīng)的標(biāo)記，本文中設(shè)置了量程是100℃。另外，在畫面中設(shè)置了返回按扭，點擊就可以返回到主畫面。如圖56所示。 圖56 實時趨勢畫面設(shè)置 創(chuàng)建報警窗口1) 歷史報警窗口在工具箱中選用報警窗口工具，在面板中繪制報警窗口，添加文本等就可。如圖57所示。由于前面已經(jīng)設(shè)置了報警變量，所以當(dāng)變量值超過所設(shè)置的溫度時，那就會在報警畫面中被記錄。57 歷史報警設(shè)置2) 實時報警窗口其制作過程和歷史報警窗口類似，不同的是，實時報警畫面是要彈出來的，所以必須在新建畫面的時候，把大小調(diào)好，并選擇是“覆蓋式”。畫面的自動彈出，在事件命令語言中，輸入show picture(實時報警窗口)。\\本站點\$新報警=0。，這樣每次新報警有產(chǎn)生，就會立刻出報警畫面。如圖58所示。58 實時報警設(shè)置 建立系統(tǒng)原理畫面在工程管理器中，選擇新建原理畫面，運用工具箱中的工具以及圖庫中的圖片完成系統(tǒng)原理畫面的設(shè)計，如圖59所示。59 系統(tǒng)原理畫面 建立參數(shù)監(jiān)控畫面此畫面可在線查看當(dāng)前程序的參數(shù)，分別有設(shè)定的溫度、當(dāng)前實際溫度、運行時間，比例系數(shù)P，積分系數(shù)I，微分系數(shù)D?？梢酝ㄟ^手動按扭和自動按扭進(jìn)行PID參數(shù)的選擇。雙擊自動按鈕，系統(tǒng)按程序初始的PID參數(shù)進(jìn)行控制，雙擊手動按鈕，可在線修改PID參數(shù)，并使得程序在設(shè)定的PID參數(shù)下運行。當(dāng)然，也可以修改設(shè)定的目標(biāo)溫度值，如圖510所示圖 510 參數(shù)監(jiān)控與設(shè)置 本章小結(jié)本章主要介紹了加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，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、傳遞和記錄實時信息。組態(tài)軟件提供了可視化監(jiān)控畫面，包括動畫，實時趨勢曲線，歷史趨勢曲線，實時報警窗口，歷史報警窗口等等的功能?？煞奖愕乇O(jiān)視系統(tǒng)的運行。并可在在線修改程序參數(shù)，有利于系統(tǒng)的性能發(fā)揮。第6章 　系統(tǒng)調(diào)試組態(tài)王和PLC編程軟件不能同時啟動，因為他們使用的是同一個端口，要想在線利用組態(tài)王監(jiān)控程序，那就先必須在關(guān)閉組態(tài)王的情況下，先把PLC程序下載到PLC中，并且運行程序，再把編程軟件關(guān)閉，才可以啟動組態(tài)王，這樣就可以利用組態(tài)王在線監(jiān)控了。 　組態(tài)王與S7200的通信PPI（PointtoPoint）是西門子專為S7200系列開發(fā)的一個通信協(xié)議，為主從協(xié)議，PC機(jī)為主站，S7200為從站。使用PPI電纜將PC機(jī)串口和S7200的通訊口連接，采用串口通訊方式。首先使用“設(shè)備配置向?qū)А倍x外部設(shè)備，分別選擇西門子S7200系列PPI通信和西門子S7200系列通信卡通信，并設(shè)定如下通信參數(shù)：波特率96000bps，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，偶校驗。PLC地址設(shè)為默認(rèn)地址:“2”。下圖61為配置向?qū)М嬅妫凑找陨系牟襟E即可成功的完成組態(tài)王與PLC的通信。圖61 組態(tài)王與PLC通信 啟動組態(tài)王打開組態(tài)王的項目工程管理器，點擊窗口欄中“WIEW”或者在畫面中點擊右鍵，選擇“切換到VIEW”，啟動組態(tài)王，進(jìn)入主畫面。這個時候，系統(tǒng)會自動打開一個信息窗口，可以通過信息窗口來知道，組態(tài)王的運行情況以及和PLC的連接是否成功。如果連接不成功，會出現(xiàn)通信失敗的提示語言，那就要查明原因，否則不能監(jiān)控。如果提示連接設(shè)備成功，窗口會顯示開始記錄數(shù)據(jù)，那就表示可以開始系統(tǒng)的運行了。進(jìn)入系統(tǒng)的主畫面后，如圖62所示。如果沒有點擊啟動按扭，PLC是處于待命停止階段的，指示燈是紅色的。當(dāng)確定可以開始系統(tǒng)運行的時候，單擊啟動按扭，程序進(jìn)入加熱模式，指示燈變綠，爐子里的燈相當(dāng)于實物中加熱爐的加熱指示燈，兩者亮暗的步伐是同步的。如果點擊關(guān)閉按扭，系統(tǒng)進(jìn)入停止階段。畫面的下方設(shè)置了5個鏈接，可以點擊進(jìn)入選某種畫面。如果提示連接設(shè)備成功，窗口會顯示開始記錄數(shù)據(jù)，那就表示可以開始系統(tǒng)的運行了。圖 62 啟動主