基于PLC與組態(tài)王的溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)論文.doc

精品文檔安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書基于PLC與組態(tài)王的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系 （部） 電 氣 工 程 系 專 業(yè) 機(jī) 電 一 體 化 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 白金老師 2010 2011 學(xué)年第 一 學(xué)期摘 要可編程控制器是一種應(yīng)用很廣泛的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合溫度控制的要求。 在工業(yè)領(lǐng)域，隨著自動(dòng)化程度的迅速提高，用戶對(duì)控制系統(tǒng)的過(guò)程監(jiān)控要求越來(lái)越高，人機(jī)界面的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機(jī)界面可以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，包括過(guò)程監(jiān)測(cè)、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得操作人性化、過(guò)程可視化，在自動(dòng)控制領(lǐng)域的作用日益顯著。本文主要介紹了基于西門子公司S7-200系列的可編程控制器和亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王的爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。編程時(shí)調(diào)用了編程軟件STEP 7 -Micro WIN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡(jiǎn)潔，運(yùn)行速度更為理想。利用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采樣與處理。實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)具有快、準(zhǔn)、穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)溫度控制領(lǐng)域能夠廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞溫度控制；可編程控制器；人機(jī)界面；組態(tài)王目 錄摘要2引言5第一章溫度控制系統(tǒng)的介紹 61.1項(xiàng)目的背景和意義61.2溫度控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 61.3溫度控制系統(tǒng)的內(nèi)容7第二章 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 82.1硬件系統(tǒng)組成及工作原理82.1.1硬件系統(tǒng)組成82.1.2硬件系統(tǒng)工作原理82.2 S7-200 CPU的選擇82.3 EM231模擬量輸入模塊82.4 熱電式傳感器102.5 I/O點(diǎn)分配及電氣連接圖102.6 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立11第三章 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 133.1 PID控制及參數(shù)整定133.2 程序的設(shè)計(jì)143.2.1 設(shè)計(jì)思路143.2.2 控制程序流程圖153.2.3 梯形圖程序163.2.4 PID指令向?qū)У倪\(yùn)用193.3 人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì)20第四章 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及分析 214.1 系統(tǒng)運(yùn)行214.2 運(yùn)行結(jié)果分析214.2.1 溫度趨勢(shì)曲線分析214.2.2 報(bào)警信息分析24結(jié)束語(yǔ)25謝辭26參考文獻(xiàn)27引 言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民對(duì)溫度的控制系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到溫度控制領(lǐng)域，成為對(duì)溫度系統(tǒng)的新要求。溫度控制系統(tǒng)集自控技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制可以提高供溫度系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)溫度系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。第一章溫度控制系統(tǒng)的介紹1.1項(xiàng)目的背景和意義溫度控制在電子、冶金、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求極高。目前,仍有相當(dāng)部分工業(yè)企業(yè)在用窯、爐等烘干生產(chǎn)線，存在著控制精度不高、爐內(nèi)溫度均勻性差等問(wèn)題,達(dá)不到工藝要求，造成裝備運(yùn)行成本費(fèi)用高，產(chǎn)出品品質(zhì)低下，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，急需技術(shù)改造。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)溫度控制器的研究進(jìn)行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，溫度控制器的研究取得了巨大的發(fā)展，形成了一批商品化的溫度調(diào)節(jié)器，如:職能化PID、模糊控制、自適應(yīng)控制等，其性能、控制效果好,可廣泛應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關(guān)設(shè)備的技術(shù)改造服務(wù)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是最常見的過(guò)程參數(shù)之一。在冶金、化工、電力、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求極高。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PID控制?？删幊炭刂破?PLC)是一種應(yīng)用非常廣泛的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合溫度控制的要求?；赑LC 的溫度控制系統(tǒng)以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、能耗低等優(yōu)點(diǎn)深受許多用戶的青睞，在工業(yè)溫度控制場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，人機(jī)界面的出現(xiàn)可以使用戶對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，包括參數(shù)監(jiān)測(cè)、信息處理、在線優(yōu)化、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單易懂、操作人性化。1.2 溫度控系統(tǒng)的現(xiàn)狀溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛,但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講,總體發(fā)展水平仍然不高,同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比仍然有著較大的差距。目前,我國(guó)在這方面總體水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平,成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主,它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制,難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟。形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開發(fā)工作的滯后，還沒開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定。這些差距，是我們必須努力克服的。隨著我國(guó)加入WTO，我國(guó)政府及企業(yè)對(duì)此非常重視，對(duì)相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相繼建立了一些國(guó)家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過(guò)合資、技術(shù)合作等方式，組建了一批合資、合作及獨(dú)資企業(yè)，使我國(guó)溫度儀表等工業(yè)得到迅速的發(fā)展1。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求愈來(lái)愈高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外必然發(fā)展趨勢(shì)。1.3溫度控系統(tǒng)的內(nèi)容 可編程控制器(PLC)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱(PLC、工業(yè)機(jī)器人、CAD/CAM)之一。PLC的應(yīng)用已成為一個(gè)世界潮流，在不久的將來(lái)PLC技術(shù)在我國(guó)將得到更全面的推廣和應(yīng)用。本論文研究的是PLC技術(shù)在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)，控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。本論文通過(guò)德國(guó)西門子公司的S7-200系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過(guò)固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子溫度的控制。同時(shí)利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設(shè)計(jì)一個(gè)人機(jī)界面（HMI），通過(guò)串行口與可編程控制器通信，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便?？傮w上包括的技術(shù)路線：硬件設(shè)計(jì)，軟件編程，參數(shù)整定等。第二章 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1硬件系統(tǒng)組成及工作原理2.1.1硬件系統(tǒng)組成系統(tǒng)采用S7-200CPU226型PLC、EM231模擬量擴(kuò)展模塊、熱電式傳感器、固態(tài)繼電器、烤爐及其他控制設(shè)備組成。系統(tǒng)的框架圖如圖1所示。計(jì)算機(jī)PLCEM231模塊固態(tài)繼電器熱電偶烤爐 圖1 系統(tǒng)框架圖2.1.2 工作原理系統(tǒng)選用PLC CPU226為控制器， K型熱電偶將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)EM231模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過(guò)固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子溫度的控制。PLC和HMI相連接，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。2.2 S7-200 CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型。此系統(tǒng)選用S7-200 CPU226，CPU226集成了24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，共有40個(gè)數(shù)字量I/O?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248點(diǎn)數(shù)字量或35點(diǎn)模擬量I/O。還有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間空間，6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。配有2個(gè)RS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為38.4 kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)11。本溫度控制系統(tǒng)由于輸入/輸出點(diǎn)數(shù)不多，本可以使用CPU224以下的類型，不過(guò)為了能調(diào)用編程軟件STEP 7 里的PID模塊，只能采用CPU226及以上機(jī)種。2.3 EM231模擬量輸入模塊本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測(cè)到的溫度轉(zhuǎn)換成041mv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中進(jìn)行處理。在這里，我們選用了西門子EM231 4TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊提供一個(gè)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(hào)(80mV范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。EM231模塊需要用戶通過(guò)DIP開關(guān)進(jìn)行組態(tài)： SW1SW3用于選擇熱電偶類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測(cè)方向，SW6用于選擇是否進(jìn)行斷線檢測(cè)，SW7用于選擇測(cè)量單位，SW8用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償。本系統(tǒng)用的是K型熱電偶，所以DIP開關(guān)SW1SW8組態(tài)為00100000；EM231具體技術(shù)指標(biāo)見表1。表1 EM231技術(shù)指標(biāo)型號(hào)EM231模擬量輸入模塊總體特性 外形尺寸：71.2mm80mm62mm 功耗：3W輸入特性本機(jī)輸入：4路模擬量輸入電源電壓：標(biāo)準(zhǔn)DC 24V/4mA輸入類型：010V，05V，5V,2.5V,020mA分辨率：12 Bit轉(zhuǎn)換速度：250S隔離：有耗電從CPU的DC 5V （I/O總線）耗電10mADIP開關(guān)SW1 0, SW2 0, SW3 1（以K型熱電偶為例）表2所示為如何使用DIP開關(guān)設(shè)置EM231模塊，開關(guān)1、2和3可選擇模擬量輸入范圍。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍。表中，ON為接通，OFF為斷開。表2 EM231選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2.5mVONOFF0到5V1.25mV0到20mA5uA雙極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON5V2.5mVONOFF2.5V1.25mVEM231校準(zhǔn)和配置位置圖如圖2所示。圖2 DIP配置EM2312.4 熱電式傳感器 熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)和電阻的方法最為普遍。其中最常用于測(cè)量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化,而熱電阻是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)中需要用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，且爐子的溫度最高達(dá)幾百度,所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有S、B、E、K、R、J、T七種類型，在本系統(tǒng)中，我們選用了K型熱電偶（分度表如表3所示），其測(cè)溫范圍大約是01000。系統(tǒng)里的烤爐最高溫度不過(guò)幾百度，加上一定的裕度就足夠了，另外其成本也不算高2。表3 K型熱電偶分度表2.5 I/O點(diǎn)分配及電氣連接圖（）該溫度控制系統(tǒng)中I/O點(diǎn)分配表和整個(gè)硬件連接圖如表4和圖4所示。 表4 I/O點(diǎn)分配表輸入觸點(diǎn)功能說(shuō)明輸出觸點(diǎn)功能說(shuō)明IO.1啟動(dòng)按鈕Q0.0運(yùn)行指示燈（綠）I0.2停止按鈕Q0.1停止指示燈（紅）Q0.3固態(tài)繼電器2.6 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器（電熱偶）將檢測(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度模塊后，與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法進(jìn)行修正，返回對(duì)應(yīng)工況下的固態(tài)繼電器導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子的溫度控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，方框圖如圖5所示。 PLC控制器固態(tài)繼電器烤爐溫度模塊熱電偶圖3圖4Gc(s)Go(s) R(s) + E(s) U(s) Y(s) 圖5 控制系統(tǒng)方框圖圖5中，R(s)為設(shè)定溫度的拉氏變換式；E(s)為偏差的拉氏變換式； Gc(s)為控制器的傳遞函數(shù)；Go(s)為廣義對(duì)象，即控制閥、對(duì)象控制通道、測(cè)量變送裝置三個(gè)環(huán)節(jié)的合并；該溫度控制系統(tǒng)是具有時(shí)滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為 Gs=K0T0s+1e-s （1-1）式1-1中，為對(duì)象放大系數(shù)；為對(duì)象時(shí)間常數(shù)；為對(duì)象時(shí)滯。 K0=yu （1-2） 由階躍響應(yīng)法求得， =0.5；=2.5分鐘；=1.2分鐘。第三章 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 PID控制及參數(shù)整定比例、積分、微分三種控制方式各有獨(dú)特的作用。比例控制是一種最基本的控制規(guī)律，具有反應(yīng)速度快，控制及時(shí)，但控制結(jié)果有余差等特點(diǎn)。積分控制可以消除余差，但是工業(yè)上很少單獨(dú)使用積分控制的，因?yàn)榕c比例控制相比，除非積分速度無(wú)窮大，否則積分控制就不可能想比例控制那樣及時(shí)的對(duì)偏差加以響應(yīng)，所以控制器的輸出變化總是滯后與偏差的變化，從而難以對(duì)干擾進(jìn)行及時(shí)且有效的控制。微分作用是對(duì)偏差的變化速度加以響應(yīng)的，因此，只要偏差一有變化，控制器就能根據(jù)變化速度的大小，適當(dāng)改變其輸出信號(hào)，從而可以及時(shí)克服干擾的影響，抑制偏差的增長(zhǎng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是理想微分控制器的控制結(jié)果也不能消除余差，而且控制效果要比純比例控制器更差。將三種方式加以組合在一起，就是比例積分微分（PID）控制,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 ut=Kpet+1TI0tetdt+TDdetdt （1-3）式1-3中：為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。根據(jù)以上的分析，本溫度控制系統(tǒng)適于采用PID控制。完成了上述內(nèi)容后，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)確定了。在系統(tǒng)投運(yùn)之前，還需要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。控制器參數(shù)整定方法很多。歸納起來(lái)可分為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法。理論計(jì)算整定法是在已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，通過(guò)理論計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來(lái)求得最佳的整定參數(shù)。這類方法計(jì)算繁雜，工作量又大，而且由于用解析法或?qū)嶒?yàn)測(cè)定法求得的對(duì)象數(shù)學(xué)模型都只能近似的反映過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，整定結(jié)果的精度是不高的，因而未在工程上受到廣泛推廣。對(duì)于工程整定法，工程技術(shù)人員無(wú)需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無(wú)需具備理論計(jì)算所需的理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛使用。常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應(yīng)曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法來(lái)整定控制器的參數(shù)值。下面介紹下方法步驟。經(jīng)驗(yàn)整定法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)湊試法，是工程技術(shù)人員在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的。它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行，通過(guò)觀察人為加入干擾（改變?cè)O(shè)定值）后的過(guò)渡過(guò)程曲線，根據(jù)各種控制作用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的不同影響來(lái)改變相應(yīng)的控制參數(shù)值，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗(yàn)整定法主要通過(guò)調(diào)整比例度的大小來(lái)滿足質(zhì)量指標(biāo)。整定途徑有以下兩條： 1）先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的比例度，將人為加入干擾后的過(guò)渡過(guò)程調(diào)整為4：1的衰減振蕩過(guò)程。然后再加入積分( I )作用，一般先取積分時(shí)間T1為衰減振蕩周期的一半左右。由于積分作用將使振蕩加劇，在加入的積分作用之前，要先衰減比例作用，通常把比例度增大10%-20%。調(diào)整積分時(shí)間的大小，直到出現(xiàn)4：1的衰減振蕩。需要時(shí)，最后加入微分（D）作用，即從零開始，逐漸加大微分時(shí)間Td，由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可以把積分時(shí)間也縮短一些。通過(guò)微分時(shí)間的湊試，使過(guò)渡時(shí)間最短，超調(diào)量最小。2）先根據(jù)表選取積分時(shí)間Ti和Td，通常取Td=(1/3-1/4)Ti，然后對(duì)比例度進(jìn)行反復(fù)湊試，直至得到滿意的結(jié)果。如果開始時(shí)Ti和Td設(shè)置的不合適，則有可能得不到要求的理想曲線。這時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整Ti和Td，再重復(fù)湊試，使曲線最終符合控制要求3。 表5 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)控制變量規(guī)律的選擇比例度（%）積分時(shí)間Ti（分鐘）微分時(shí)間Td（分鐘）溫度對(duì)象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩，應(yīng)小，Ti要長(zhǎng)，一般需要微分20-603-100.5-3通過(guò)經(jīng)驗(yàn)整定法的整定，PID控制器整定參數(shù)值為： 比例系數(shù)=120，積分時(shí)間=3分鐘，微分時(shí)間=1分鐘。3.2 程序的設(shè)計(jì)3.2.1 設(shè)計(jì)思路PLC運(yùn)行時(shí)，通過(guò)特殊繼電器SM0.0產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行初始化，將溫度設(shè)定值，PID參數(shù)值等，存入有關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器，使定時(shí)器復(fù)位；按啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始溫度采樣，采樣周期為10秒；K型熱電偶傳感器把所測(cè)量的溫度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)換（0-41毫伏）；模擬量輸入通道AIW0通過(guò)讀入0-41毫伏的模擬電壓量送入PLC；經(jīng)過(guò)程序計(jì)算后得出實(shí)際測(cè)量的溫度T,將T和溫度設(shè)定值比較，根據(jù)偏差計(jì)算調(diào)整量，發(fā)出調(diào)節(jié)命令。3.2.2 控制程序流程圖啟動(dòng)綠燈亮，系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)用PID模塊PID輸出轉(zhuǎn)換成占空比定時(shí)器控制加熱時(shí)間溫度當(dāng)前值和設(shè)定值等顯示開始圖 6 程序流程 3.2.3梯形圖程序 啟動(dòng)，綠燈亮停止，紅燈亮 上述程序中，I0.1和I0.2分別是啟動(dòng)和停止按鈕，Q0.0和Q0.1分別是系統(tǒng)運(yùn)行指示燈（綠燈）和系統(tǒng)停止指示燈（紅燈），M0.0和M0.1是中間繼電器。 調(diào)用PID模塊這里用SM0.0直接調(diào)用了編程軟件自帶的PID子程序，即就是用PID指令向?qū)Ь幊獭Ｉ厦娴闹噶钪?，PV_I為反饋值，也就是熱電偶將檢測(cè)到的當(dāng)前溫度值送入溫度模塊后輸出的模擬電壓值A(chǔ)IW0；Setpoint_R為設(shè)定值。每個(gè)PID回路都有兩個(gè)輸入變量，給定值SP和過(guò)程變量PV。執(zhí)行PID指令前必須把它們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)。即先把整數(shù)值轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)值，再把實(shí)數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，使其為0.0-1.0之間的實(shí)數(shù)。歸一化的公式為R1=(R/S+ M) （1-4）式中，R1為標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值；R為未標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值；M為偏置，單極性為0.0，雙極性為0.5；S為值域大小，為最大允許值減去最小允許值，單極性為32000，雙極性為64000。 在本項(xiàng)目中，R=100,即就是設(shè)定溫度100度；S=32000,M=0.0,所以按照歸一化公式R1=100/32000+0.0=0.03125，即Setpoint_R為0.03125.該網(wǎng)絡(luò)的程序功能是把PID回路輸出轉(zhuǎn)換成占空比。因PID回路的輸出PID0_Output為0.0-1.0之間的實(shí)數(shù)值，又因我們?cè)O(shè)置了采樣時(shí)間為10秒，所以第一個(gè)指令MUL_R中INT2為100.0。ROUND是將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)，DI_I是將雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)。VW2和VW4分別是采樣周期內(nèi)的加熱時(shí)間和非加熱時(shí)間。 上述程序用了兩個(gè)100ms的定時(shí)器T241和T242來(lái)控制加熱時(shí)間，其中Q0.3為連接固態(tài)繼電器的輸出端子。3.2.4 PID指令向?qū)У倪\(yùn)用該網(wǎng)絡(luò)的程序是為了在電腦上通過(guò)STEP7-Micro/WIN編程軟件顯示當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度值而寫的，其實(shí)也就是歸一化的逆過(guò)程。若無(wú)該網(wǎng)絡(luò)，則顯示的溫度值都是歸一化的實(shí)數(shù)值，不便于記錄和觀察。STEP7-Micro/WIN提供了PID Wizard（PID指令向?qū)В?，可以幫助用戶方便地生成一個(gè)閉環(huán)控制過(guò)程的PID算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù)PID運(yùn)算的自動(dòng)編程，用戶只需在主程序中調(diào)用PID向?qū)傻淖映绦颍涂梢酝瓿蒔ID控制任務(wù)。PID向?qū)Ъ瓤梢陨赡M量輸出PID控制算法，也支持開關(guān)量輸出；既支持連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，也支持手動(dòng)參與控制4。本項(xiàng)目程序中就正好運(yùn)STEP7-Micro/WIN軟件自帶的PID指令向?qū)?。從而使得程序?jiǎn)單易懂，同時(shí)也達(dá)到了控制要求。3.3 人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì) HMI監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應(yīng)的功能子畫面組成，HMI畫面設(shè)計(jì)對(duì)于HMI來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的。HMI畫面是用組態(tài)軟件來(lái)做的，常見的組態(tài)軟件有西門子公司的Wincc、羅克韋爾公司的RsView及國(guó)產(chǎn)的組態(tài)王、力控等。在本溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選擇了組態(tài)王來(lái)完成監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。組態(tài)王和其他組態(tài)軟件相比最大的優(yōu)勢(shì)是它操作方便，提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語(yǔ)言支持，對(duì)于新手來(lái)說(shuō)很容易上手。 在這里我們制作了監(jiān)控主界面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線、報(bào)警窗口等畫面。第四章 系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果及分析完成了PLC程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)之后，進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試階段。首先在STEP7-Micro/Win編程軟件中將設(shè)計(jì)好的程序下載到PLC中，然后打開組態(tài)王，切換到運(yùn)行模式。4.1系統(tǒng)運(yùn)行打開主界面，點(diǎn)擊“開始”按鈕，則開關(guān)變綠色，系統(tǒng)開始運(yùn)行，目前溫度值開始有數(shù)據(jù)顯示，溫度儀表上也顯示了當(dāng)前溫度值。圖6-1是當(dāng)前溫度為100.1度時(shí)的主界面。其中設(shè)定溫度為100度。圖6-1 系統(tǒng)運(yùn)行主界面打開主界面，點(diǎn)擊“設(shè)定畫面”按鈕，則切換到設(shè)定畫面。增益Kc、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td、采樣時(shí)間、設(shè)定溫度這幾個(gè)變量的值也顯示在畫面上。本項(xiàng)目編寫程序時(shí)用了PID指令向?qū)В琄c設(shè)置了120，Ti設(shè)置了3分鐘，Td設(shè)置了1分鐘，則設(shè)定畫面上也是現(xiàn)實(shí)同樣的數(shù)據(jù)。如圖6-2所示。4.2運(yùn)行結(jié)果分析4.2.1溫度趨勢(shì)曲線分析1）打開主界面，點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線”按鈕，則切換到實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線畫面。畫面中紅色曲線表示設(shè)定溫度，藍(lán)色曲線表示當(dāng)前溫度。由實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線圖可知，系統(tǒng)運(yùn)行后當(dāng)前溫度快速上升到95度，然后稍微緩慢上升到105度左右，最后下降到100度左右穩(wěn)定下來(lái)。其中，當(dāng)前溫度值最大為105.5度，穩(wěn)定后在98度到100.3度之間，與設(shè)定溫度極為接近。可見，該溫控系統(tǒng)超調(diào)量很小。圖6-3是當(dāng)前溫度在95度到100度之間緩慢上升的階段。圖6-2 系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)定畫面2) 打開主界面，點(diǎn)擊“歷史趨勢(shì)曲線”按鈕，則切換到歷史趨勢(shì)曲線畫面。如圖6-4所示，畫面中紅色曲線表示設(shè)定溫度，藍(lán)色曲線表示當(dāng)前溫度。其中Y軸不是實(shí)際的溫度值而是百分比。從曲線可以看出，開始時(shí)藍(lán)色曲線快速上升，最后超出紅色曲線一點(diǎn)，和它平行，最后差不多重合。由圖6-4可知，該溫度控制系統(tǒng)從開始運(yùn)行到趨于穩(wěn)定需要14分鐘 20秒，系統(tǒng)反應(yīng)快速，控制精確度高，抗干擾能力強(qiáng)。圖6-3 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線 圖6-4 系統(tǒng)運(yùn)行歷史趨勢(shì)曲線4.2.2報(bào)警信息分析打開主界面，點(diǎn)擊“報(bào)警窗口”按鈕，則切換到報(bào)警窗口。如圖6-5所示，當(dāng)溫度低于60度時(shí)，報(bào)警類型顯示當(dāng)前溫度太低。當(dāng)溫度低于90時(shí)，顯示當(dāng)前溫度偏低，當(dāng)溫度超過(guò)105時(shí)，顯示當(dāng)前溫度偏高。經(jīng)過(guò)測(cè)試，當(dāng)設(shè)定溫度為100度時(shí)，當(dāng)前溫度值最大為105.5度。由圖6-5可知，當(dāng)前溫度為105.1度時(shí)，報(bào)警類型顯示當(dāng)前溫度偏高；當(dāng)前溫度為60度時(shí)，報(bào)警類型顯示當(dāng)前溫度偏低；當(dāng)前溫度為30.1度時(shí)，報(bào)警類型顯示當(dāng)前溫度太低?？梢姡瑘?bào)警信息顯示正確，從而為操作人員及時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行情況提供了很大的幫助。圖6-5 系統(tǒng)運(yùn)行報(bào)警窗口五結(jié)束語(yǔ)PLC（可編程控制器）以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)