鍋爐供熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 39 頁(yè) 共 39 頁(yè)1 引言11 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景近年來(lái)，加熱爐溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過(guò)程控制系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的被控參數(shù)之一，冶金機(jī)械食品化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛使用的各種加熱爐熱處理爐反應(yīng)爐，對(duì)工件的處理均需要對(duì)溫度進(jìn)行控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和家居生活過(guò)程中常需對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控。由于許多實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù)，由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳

2、統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生PLC控制技術(shù)所取代。而PLC本身優(yōu)異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)方便。這種溫度控制系統(tǒng)對(duì)改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。通過(guò)本設(shè)計(jì)可以熟悉并掌握西門子S7-300PLC的原理與功能以及它的編程語(yǔ)言，以自動(dòng)控制理論為指導(dǎo)思想，解決工業(yè)生產(chǎn)及生活中溫度控制的問(wèn)題。12 系統(tǒng)工作原理加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1-1所示，它由PLC主控系統(tǒng)、固態(tài)繼電器、加熱爐、溫度傳感器等4個(gè)部分組成。PID控制器D/A固態(tài)繼電器加熱爐A/D溫度傳感器PLC主控系統(tǒng)SV PV圖1-1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本組成加熱爐溫度控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程是

3、:首先溫度傳感器將加熱爐的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為西門子S7-300PLC可識(shí)別的數(shù)字量，然后 PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來(lái)的溫度值進(jìn)行比較并經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算處理后，給固態(tài)繼電器輸入端一個(gè)控制信號(hào)控制固態(tài)繼電器的輸出端導(dǎo)通與否從而使加熱爐開始加熱或停止加熱。既加熱爐溫度控制得到實(shí)現(xiàn)。其中PLC主控系統(tǒng)為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分起著重要作用。13 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示。上位機(jī)S7-300PLC控制器固態(tài)繼電器電阻爐溫度傳感器圖1-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由圖1-2可知，溫度傳感器采集到數(shù)據(jù)后送給S7-300PLC，S7-300PLC通

4、過(guò)運(yùn)算后給固態(tài)繼電器一個(gè)控制信號(hào)從而控制加熱爐的導(dǎo)通與否。上位機(jī)是編寫PLC程序以及監(jiān)控溫度的變化。14 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)要求本系統(tǒng)應(yīng)能夠控制在設(shè)定值的±5的誤差范圍內(nèi)并且具有溫度上下限報(bào)警功能和故障報(bào)警功能。由學(xué)校提供，模擬真實(shí)鍋爐的溫度檢測(cè)和控制模塊，可自行將010V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為占空比對(duì)鍋爐進(jìn)行加熱。輸出的模擬信號(hào)也是010V，鍋爐外接24V直流電源。15 技術(shù)綜述自70年代以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是在電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應(yīng)參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技

5、術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 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，同國(guó)外的日本、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)在這方面總體技術(shù)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，而且適應(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，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。

6、現(xiàn)在，我國(guó)在溫度等控制儀表業(yè)與國(guó)外還有著一定的差距。 溫度控制系統(tǒng)大致可分別用3種方式實(shí)現(xiàn)，一種是用儀器儀表來(lái)控制溫度，這種方法控制的精度不高。另一種是基于單片機(jī)進(jìn)行PID控制，然而單片機(jī)控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長(zhǎng)處, 而PLC 在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。隨著PLC功能的擴(kuò)充在許多PLC控制器中都擴(kuò)充了PID控制功能。因此本設(shè)計(jì)選用西門子S7-300PLC來(lái)控制加熱爐的溫度。2 下位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求作出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種

7、、多規(guī)格、高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性。可編程序控制器（Programmable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。本系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)分為PLC的軟件和工控機(jī)的軟件設(shè)計(jì)兩部分，其中下位機(jī)使用的軟件為siemens公司的step7。本章主要介紹西門子S7-300系列PLC以及其它硬件的組成與選型。21 硬件系統(tǒng)框圖22 傳感器溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過(guò)程無(wú)不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國(guó)儀器學(xué)會(huì)的調(diào)查，1990年，溫度傳感

8、器的市場(chǎng)份額大大超過(guò)了其他的傳感器。從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計(jì)開始，人們開始利用溫度進(jìn)行測(cè)量。真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是1821年由德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來(lái)的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國(guó)人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。2.2.1 熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度測(cè)量元件。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。當(dāng)電阻值變化時(shí)，二

9、次儀表便顯示出電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精度是最高的。鉑熱電阻根據(jù)使用場(chǎng)合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測(cè)溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們提供精確的輸入值。若做成一體化溫度變送器，可輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或0-10V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，使用起來(lái)更為方便。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅。此外，現(xiàn)在已開始采用鉻、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，熱電阻也有鎧裝式熱電阻、裝配式熱電阻、隔爆式熱電阻等種類，與熱電偶類似。鉑電阻的

10、工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關(guān)系即分度特性符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。分度號(hào)Pt100的含義為在0時(shí)的名義電阻值為100，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。此外還有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等鉑熱電阻，Cu50、Cu100的銅熱電阻等。2.2.2 熱電偶工業(yè)熱電偶作為測(cè)量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)過(guò)程中不同范圍的溫度。若配接輸出4-20mA、0-10V等標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓信號(hào)的溫度變送器，使用更加方便、可靠。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室等短距離的應(yīng)用場(chǎng)合，可以直接把熱電偶信號(hào)引入PLC進(jìn)行測(cè)量。熱電偶的工作

11、原理是,兩種不同成份的導(dǎo)體,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測(cè)量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當(dāng)熱端和冷端存在溫差時(shí)，就會(huì)在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)；接上顯示儀表，儀表上就會(huì)指示所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)的對(duì)應(yīng)溫度值，電動(dòng)勢(shì)隨溫度升高而增長(zhǎng)。熱電動(dòng)勢(shì)的大小只和熱電偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關(guān)，而和熱電偶的長(zhǎng)短粗細(xì)無(wú)關(guān)。根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。裝配式熱電偶由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護(hù)管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強(qiáng)等特點(diǎn)，適宜安裝在裝配式熱電偶無(wú)法安裝的場(chǎng)合，它的外保護(hù)管

12、采用不同材料的不銹鋼管，可適合不同使用溫度的需要，內(nèi)部充滿高密度氧化絕緣體物質(zhì)，非常適合于環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。隔爆式熱電偶通常應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體的場(chǎng)合，如果使用普通熱電偶極易引起氣體爆炸，則在這種場(chǎng)合必須使用隔爆熱電偶。熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號(hào)的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測(cè)量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無(wú)關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測(cè)溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測(cè)量快速變化的過(guò)程，如燃燒和爆炸過(guò)程等。對(duì)一般的工業(yè)

13、應(yīng)用來(lái)說(shuō)，為了保護(hù)感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護(hù)套里面，外觀就顯得笨大，對(duì)于溫度場(chǎng)的反應(yīng)也就遲緩得多。使用熱電偶的時(shí)候，必須消除環(huán)境溫度的波動(dòng)對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響。有的把它的自由端放在不變的溫度場(chǎng)中，有的使用冷端補(bǔ)償器抵消這種影響。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)遠(yuǎn)離儀表時(shí)，還需要使用熱電勢(shì)率和熱電偶相近的導(dǎo)線來(lái)傳輸信號(hào)，這種導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。 本設(shè)計(jì)選用鎳鉻-鎳硅N型熱電偶。 23 PLC的基本概念可編程序控制器簡(jiǎn)稱為PLC，它的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，PLC在其它領(lǐng)域，例如在民用和家庭自動(dòng)化設(shè)備中的

14、應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。2.3.1 S7-300簡(jiǎn)介 S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。品種繁多的CPU模塊、信號(hào)模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時(shí)更換模塊也很方便。S7-300有很高的電磁兼容性和抗振動(dòng)抗沖擊能力，有350多條指令，其編程軟件STEP7功能強(qiáng)大，可以使用多種編程語(yǔ)言。S7-300采用緊湊的、無(wú)槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，各個(gè)模塊都安裝在導(dǎo)軌上，用螺栓鎖緊即可。模塊如下： (1) 數(shù)字量輸入模塊數(shù)字量輸入模塊用于連接外部的機(jī)械觸點(diǎn)和電子數(shù)字式傳感器，例如二線式光電開關(guān)和接近開關(guān)等。數(shù)字量輸入模塊將從現(xiàn)

15、場(chǎng)傳來(lái)的外部數(shù)字信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部的信號(hào)電平。輸入電路中一般設(shè)有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點(diǎn)抖動(dòng)或外部干擾脈沖引起的錯(cuò)誤輸入信號(hào)，輸入電流一般為數(shù)毫安。 （2） 數(shù)字量輸出模塊SM 322數(shù)字量輸出模塊將S7-300的內(nèi)部電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制過(guò)程所需的外部信號(hào)電平，同時(shí)具有隔離和功率放大的作用。輸出模塊的功率放大元件有驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的大功率晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管、驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的雙向晶閘管或固態(tài)繼電器，以及既可以驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載又可以驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的小型繼電器。輸出電流典型值為0.52A，負(fù)載電源由外部現(xiàn)場(chǎng)提供。 （3） 數(shù)字量輸入/輸出模塊SM323是S7-300的數(shù)字量輸入/輸出模塊，它由兩

16、種型號(hào)可供選擇。一種是8點(diǎn)的輸入和8點(diǎn)輸出的模塊，輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)均只有一個(gè)公共端。另外一種有16點(diǎn)輸入（8點(diǎn)一組）和16點(diǎn)輸出（8點(diǎn)一組）。輸入、輸出的額定電壓均為DC24V，輸入電流為7mA,最大輸出電流為0.5A，每組總輸出電流為4A。輸入電路和輸出電路通過(guò)光耦合器與背板總線相連，輸出電路為晶體管型，有電子保護(hù)功能。 （4） 模擬量輸入模塊模擬量變送器：生產(chǎn)過(guò)程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用PLC來(lái)測(cè)量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量、液位、物體的成分（例如氣體中的含氧量）和頻率等。有的是強(qiáng)電電量，例如發(fā)電機(jī)組的電流、電壓、有功功率和無(wú)功功率、功率因素等。變送器用于將傳感器提供

17、的電量或非電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流或直流電壓信號(hào)，例如DC010V和420mA。SM331模擬量輸入模塊的基本結(jié)構(gòu)：模擬量輸入模塊用于將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)，其主要組成部分是A/D（Analog/Digit）轉(zhuǎn)換器。SM331也可以直接連接不帶附加放大器的溫度傳感器（熱電偶或熱電阻），這樣可以省去溫度變送器，不但節(jié)約了硬件成本，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也更加緊湊。 （5） 模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊的基本結(jié)構(gòu)：S7-300的模擬量輸出模塊SM332用于將CPU送給的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為成比例的電流信號(hào)或電壓信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)或控制，其主要組成部分是D/A轉(zhuǎn)換器。模擬量輸出模塊的技

18、術(shù)參數(shù)：SM332的4種模擬量輸出參數(shù)均有診斷功能，用紅色LED指示故障，可以讀取診斷信息。額定負(fù)載電壓均為DC24V。模塊與背板總線有光隔離，使用屏蔽電纜時(shí)最大距離為200m。都有短路保護(hù)，短路電流最大25mA,最大開路電壓18V。2.3.2 模塊式PLC的基本結(jié)構(gòu)這里我們主要介紹的是西門子S7-300，S7-300屬于模塊式PLC。西門子的PLC以其極高的性價(jià)比，在國(guó)內(nèi)占有很大的市場(chǎng)份額，在我國(guó)的各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。S7-300模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成，各種模塊安裝的機(jī)架上。通過(guò)CPU模塊或通信模塊上的通信

19、接口，PLC被連接到通信網(wǎng)絡(luò)上，可以與計(jì)算機(jī)、其它PLC或其它設(shè)備通信。圖2-1是PLC控制系統(tǒng)的示意圖。接觸器電磁閥指示燈電源接口模塊其他設(shè)備其他PLC計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展機(jī)架CPU模塊通信模塊輸出模塊電源模塊輸入模塊圖2-1 PLC控制系統(tǒng)示意圖CPU模塊：CPU模塊主要由微處理器和存儲(chǔ)器組成，S7-300將CPU模塊簡(jiǎn)稱為CPU。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷的采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出，模塊中的存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。信號(hào)模塊：輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊一般簡(jiǎn)稱為I/O模塊，開關(guān)量輸入/輸出模塊簡(jiǎn)稱為DI模塊和DO模塊，

20、模擬量輸入/輸出模塊簡(jiǎn)稱為AI模塊和AO模塊，在S7-300中統(tǒng)稱為信號(hào)模塊。信號(hào)模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)，開關(guān)量輸入模塊用來(lái)接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)等來(lái)的開關(guān)量輸入信號(hào)；模擬量輸入模塊用來(lái)接收電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。開關(guān)量輸出模塊用來(lái)控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來(lái)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。在信號(hào)模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來(lái)隔離PLC的內(nèi)部電路和外部的輸入、輸出電路。

21、功能模塊：為了增強(qiáng)PLC的功能，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，PLC廠家開發(fā)了各種各樣的功能模塊。主要用于完成某些對(duì)實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)容量要求很高的控制任務(wù)。接口模塊：CPU模塊所在的機(jī)架稱為中央機(jī)架，如果一個(gè)機(jī)架不能容納全部模塊，可以增設(shè)一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。接口模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴(kuò)展機(jī)架供電。通信處理器：通信處理器用于PLC之間、PLC與遠(yuǎn)程I/O之間、PLC與計(jì)算機(jī)和其他智能設(shè)備之間的通信，可以將PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工業(yè)以太網(wǎng)，或者用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。電源模塊：PLC一般使用AC 220V電源或DC 24V電源，電源模塊用

22、于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC 24V和背板總線上的DC 5V電壓，供其他模塊使用。編程設(shè)備：S7-300使用安裝了編程軟件STEP7的個(gè)人計(jì)算機(jī)作為編程設(shè)備，在計(jì)算機(jī)屏幕上直接生成和編輯各種文本程序或圖形程序，可以實(shí)現(xiàn)不同編程語(yǔ)言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程。編程軟件還具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)和硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控和故障診斷等功能。24 PLC的工作原理CPU中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序。操作系統(tǒng)用來(lái)處理PLC的起動(dòng)、刷新輸入/輸出過(guò)程映像區(qū)、調(diào)用用戶程序、處理中斷和錯(cuò)誤、管理存儲(chǔ)區(qū)和通信等任務(wù)。用戶程序由用戶生

23、成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶要求的自動(dòng)化任務(wù)。STEP7將用戶程序和程序所需的數(shù)據(jù)放置在塊中，功能塊FB和功能FC相當(dāng)于用戶編寫的子程序，系統(tǒng)功能SFC和系統(tǒng)功能塊SFB是操作系統(tǒng)提供給用戶使用的標(biāo)準(zhǔn)子程序，這些塊統(tǒng)稱為邏輯塊。PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，這種運(yùn)行方式也稱為掃描工作方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊，相當(dāng)于用戶程序中的主程序，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。PLC得電或由STOP模式切換到RUN模式時(shí)，CPU執(zhí)行啟動(dòng)操作，清除沒(méi)有保持功能的位存儲(chǔ)器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，清除中斷堆棧和塊堆棧的內(nèi)容，復(fù)位保存的硬件中斷等。此外還要執(zhí)行一次用戶編寫的“系統(tǒng)啟動(dòng)組織塊”O(jiān)B10

24、0，完成用戶指定的初始化操作。以后進(jìn)入周期性的循環(huán)運(yùn)行。圖2-2是掃描過(guò)程。結(jié)合圖簡(jiǎn)要介紹下掃描過(guò)程：（1）操作系統(tǒng)啟動(dòng)循環(huán)時(shí)間監(jiān)控；（2）CPU將輸出過(guò)程映像區(qū)的數(shù)據(jù)寫到輸出模塊；（3）CPU讀輸入模塊的輸入狀態(tài)，并存入輸入過(guò)程映像區(qū)；（4）CPU處理用戶程序，執(zhí)行用戶程序中的指令；（5）在循環(huán)結(jié)束時(shí)，操作系統(tǒng)執(zhí)行所有掛起的任務(wù)；（6）CPU返回第一階段，重新啟動(dòng)循環(huán)時(shí)間監(jiān)控。 啟動(dòng)循環(huán)時(shí)間監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)寫入輸出模塊讀取輸入模塊執(zhí)行用戶程序執(zhí)行其他任務(wù)執(zhí)行OB100 圖2-2掃描過(guò)程在啟動(dòng)完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1中可以調(diào)用其他邏輯塊（FB、SFB、FC、SFC）。循環(huán)程序處理過(guò)程可以

25、被某些事件中斷。如果有中斷事件出現(xiàn)，當(dāng)前正在執(zhí)行的塊被暫停執(zhí)行，并調(diào)用分配給該事件的組織塊。該組織塊被執(zhí)行完后，被暫停執(zhí)行的塊將從被中斷的地方開始繼續(xù)執(zhí)行。在PLC的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來(lái)存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱為輸入過(guò)程映像區(qū)和輸出過(guò)程映像區(qū)。PLC梯形圖中的其他編程元件也有對(duì)應(yīng)的映像存儲(chǔ)區(qū)。在循環(huán)程序處理過(guò)程中，CPU并不直接訪問(wèn)I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問(wèn)CPU內(nèi)部的過(guò)程映像區(qū)。在寫輸出模塊階段，CPU將輸出過(guò)程映像區(qū)的狀態(tài)傳送到輸出模塊。梯形圖中某一輸出位的線圈“通電”時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出過(guò)程映像位為1狀態(tài)。信號(hào)經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出

26、模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中的線圈“斷電”，對(duì)應(yīng)的輸出過(guò)程映像位為0狀態(tài)，在寫輸出模塊階段之后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點(diǎn)斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。在讀輸入模塊階段，PLC把所有外部輸入電路的接通/斷開狀態(tài)讀入輸入過(guò)程映像區(qū)。外部輸入電路接通時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入過(guò)程映像位為1狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入位的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外部輸入觸點(diǎn)電路斷開時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入過(guò)程映像位為0狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入位的常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了改變，輸入過(guò)程映像位的狀態(tài)也不會(huì)隨之而變，

27、輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)循環(huán)掃描周期的讀輸入模塊階段被讀入。PLC的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中順序排列。在沒(méi)有跳轉(zhuǎn)指令和塊調(diào)用指令時(shí)，CPU從第一條指令開始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時(shí)，從輸入過(guò)程映像區(qū)或別的存儲(chǔ)區(qū)中將有關(guān)編程元件的0、1狀態(tài)讀出來(lái)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果寫入到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)中，因此，各編程元件的存儲(chǔ)區(qū)（輸入過(guò)程映像區(qū)除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。循環(huán)時(shí)間是指操作系統(tǒng)執(zhí)行一次如圖2-2所示的循環(huán)操作所需的時(shí)間，包括執(zhí)行OB1中的程序段和中斷該循環(huán)的系統(tǒng)操作的時(shí)間，也稱掃描循環(huán)時(shí)間或掃描周期。循環(huán)時(shí)間

28、與用戶程序的長(zhǎng)短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。25 硬件配置2.5.1 s7-300硬件配置圖2-3 S7-300硬件配置2.5.2 模擬量輸出屬性框圖2-4模擬量輸出屬性框硬件配置中選擇模擬量輸出輸出屬性中的信號(hào)類型范圍與傳感器、驅(qū)動(dòng)器匹配。都選擇0-10V。26 I/O分配表表2-1 I/O分配表輸入I0.0啟動(dòng)按鈕I0.1停止按鈕I0.2進(jìn)水閥開關(guān)AI0.3出水閥開關(guān)AI0.4進(jìn)水閥開關(guān)BI0.5出水閥開關(guān)B輸出Q4.0鍋爐加熱指示燈Q4.1溫度越上限報(bào)警指示燈Q4.2超溫報(bào)警指示燈Q4.3低溫警指示燈Q4.4調(diào)節(jié)器AQ4.5進(jìn)水閥AQ4.6出水閥Q4.7液位溢出指示燈

29、Q5.0正常運(yùn)行指示燈Q5.1停止運(yùn)行指示燈Q5.2高水位報(bào)警指示Q5.3低水位報(bào)警指示Q5.4調(diào)節(jié)器BQ5.5進(jìn)水閥BPIW752檢測(cè)溫度PQW752加熱器驅(qū)動(dòng)PIW754液位檢測(cè)PQW754液位計(jì)驅(qū)動(dòng)3 PID控制器3.1 PID控制器基本概念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)算出控制量來(lái)進(jìn)行控制。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。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí),最適合采用PID控制

30、技術(shù)。（1）比例（P）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。（2）積分（I）控制在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。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,則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的運(yùn)算取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增

31、大，使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，采用比例+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。（3）微分（D）控制在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 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)。其原因是由于存在有較大的慣性組件（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。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。這就是說(shuō)，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(cè)誤差變化的趨

32、勢(shì)，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，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。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。3.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn) 控制系統(tǒng)一般包括開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)(Open-loop Control System)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響，在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控制量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)(Closed-loop Control System)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器

33、的輸出,形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋,若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)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)?？梢?，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于開環(huán)控制系統(tǒng)。PID就是應(yīng)用最廣泛的閉環(huán)控制器。如圖3-1所示系統(tǒng)是用于電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定值為期望的加熱爐溫度，閉環(huán)控制器的反饋值通過(guò)溫度傳感器測(cè)得，并經(jīng)A/D變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；目標(biāo)設(shè)定值與溫度傳感器的反饋信號(hào)相減，其差送入PID控制器，經(jīng)比例、積分、微分運(yùn)算，得到疊加的一個(gè)數(shù)字量；該數(shù)字量經(jīng)過(guò)上限、

34、下限限位處理后進(jìn)行D/A變換，輸出一個(gè)電壓信號(hào)去控制固態(tài)繼電器，以控制加熱爐的溫度。該系統(tǒng)的PID控制器一般采用PLC提供的專用模塊（本系統(tǒng)采用FB58模塊），也可以采用編程的方法（如PLC編程、高級(jí)語(yǔ)言編程或組態(tài)軟件編程等）生成一個(gè)數(shù)字PID控制器。同時(shí)，其它功能如A/D、D/A都由PLC實(shí)現(xiàn)，加熱爐的反饋信號(hào)直接送PLC采集，控制固態(tài)繼電器的電壓信號(hào)也由PLC送出，從而控制加熱爐的溫度。 控制下限D(zhuǎn)/A固態(tài)繼電器加熱爐溫度傳感器控制上限比例積分微分目標(biāo)設(shè)定值A(chǔ)/Derror圖3-1電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例3.3 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

35、核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性，確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來(lái)有如下兩大類：（1）理論計(jì)算整定法。它主要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接使用,還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。（2）工程整定法。它主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。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。這三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參

36、數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后的調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。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(duì)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(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。3.4 PID控制器的主要優(yōu)點(diǎn) PID控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）PID算法蘊(yùn)涵了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中過(guò)去、現(xiàn)在、將來(lái)的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。其中，比例（P）代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使過(guò)程反應(yīng)迅速。微分（D）在信號(hào)變化時(shí)有超前控制作用，

37、代表將來(lái)的信息。在過(guò)程開始時(shí)強(qiáng)迫過(guò)程進(jìn)行，過(guò)程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。積分（I）代表了過(guò)去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。此三種作用配合得當(dāng)，可使動(dòng)態(tài)過(guò)程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，收到良好的效果。（2）PID控制適應(yīng)性好，有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)各種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，都可在不同的程度上應(yīng)用。特別適于“一階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”和“二階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”的過(guò)程控制對(duì)象。（3）PID算法簡(jiǎn)單明了，各個(gè)控制參數(shù)相對(duì)較為獨(dú)立，參數(shù)的選定較為簡(jiǎn)單，形成了完整的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。 （4）PID控制根據(jù)不同的要求，針對(duì)自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn)，形

38、成了一系列改進(jìn)的PID算法。例如，為了克服微分帶來(lái)的高頻干擾的濾波PID控制，為克服大偏差時(shí)出現(xiàn)飽和超調(diào)的PID積分分離控制，為補(bǔ)償控制對(duì)象非線性因素的可變?cè)鲆鍼ID控制，等。這些改進(jìn)算法在一些應(yīng)用場(chǎng)合取得了很好的效果。同時(shí)當(dāng)今智能控制理論的發(fā)展，又形成了許多智能PID控制方法。3.5 PID指令的使用注意事項(xiàng) 3.5.1 PID控制器的選取PID控制器的性能和處理速度只與所采用的CPU的性能有關(guān)。對(duì)于任意給定的CPU，控制器的數(shù)量和每個(gè)控制器被調(diào)用的頻率是相互矛盾的。控制環(huán)執(zhí)行的速度，也即在每個(gè)時(shí)間單元內(nèi)操作值必須被更新的頻率決定了可以安裝的控制器的數(shù)量。對(duì)要控制的過(guò)程類型沒(méi)有限制，遲延系統(tǒng)

39、（溫度、液位等）和快速系統(tǒng)（流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等）都可以作為被控對(duì)象。過(guò)程分析時(shí)應(yīng)注意：控制過(guò)程的靜態(tài)性能（比例）和動(dòng)態(tài)性能（時(shí)間延遲、死區(qū)和重設(shè)時(shí)間等）對(duì)被控過(guò)程控制器的構(gòu)造和設(shè)計(jì)以及靜態(tài)（比例）和動(dòng)態(tài)參量（積分和微分）的維數(shù)選取有著很大的影響。準(zhǔn)確地了解控制過(guò)程的類型和特性數(shù)據(jù)是非常必要的?？刂破鬟x取時(shí)應(yīng)注意：控制環(huán)的特性由被控過(guò)程或被控機(jī)械的物理特性決定，并且設(shè)計(jì)中可以改變的程度不是很大。只有選用了最適合被控對(duì)象的控制器并使其適應(yīng)過(guò)程的響應(yīng)時(shí)間，才能得到較高的控制質(zhì)量。不用通過(guò)編程就可以生成控制器的大部分功能（構(gòu)造、參數(shù)設(shè)置和在程序中的調(diào)用等），前提是必須已經(jīng)掌握STEP 7的編程基礎(chǔ)知識(shí)。

40、 3.5.2 PID參數(shù)的設(shè)定 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來(lái)確定的。大慣量如大烘房的溫度控制，一般P可在10以上，I=3-10，D=1左右。小慣量如一個(gè)小電機(jī)帶一個(gè)水泵進(jìn)行壓力閉環(huán)控制，一般只用PI控制，P=1-10，I=0.1-1，D=0，這些要在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正，主要是靠經(jīng)驗(yàn)及對(duì)生產(chǎn)工藝的熟悉，參考對(duì)測(cè)量值的跟蹤與設(shè)定值的曲線，從而調(diào)整P、I、D的大小。下面具體說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟：（1）讓調(diào)節(jié)器參數(shù)的積分系數(shù)I=0，微分系數(shù)D=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，由小到大改變比例系數(shù)P，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，觀察控制過(guò)程，直到獲得滿意的控制過(guò)程為止。（2）取比例系數(shù)P為當(dāng)前的值乘以0.

41、83，由小到大增加積分系數(shù)I，同樣讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，直至得到滿意的控制過(guò)程。（3）積分系數(shù)I保持不變，改變比例系數(shù)P，觀察控制過(guò)程有無(wú)改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)P增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)I，力求改善控制過(guò)程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)P和積分系數(shù)I為止。（4）引入適當(dāng)?shù)奈⒎窒禂?shù)D，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù)P和積分系數(shù)I。和前述步驟相同，微分系數(shù)的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過(guò)程滿意為止。需要注意的是：仿真系統(tǒng)所采用的PID調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的工業(yè)PID調(diào)節(jié)器有所不同，其各個(gè)參數(shù)之間是相互隔離的，因而互不影響，用其觀察調(diào)節(jié)規(guī)律十分方便。經(jīng)驗(yàn)法實(shí)質(zhì)上是一種試湊法

42、，它是在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的行之有效的方法，并在現(xiàn)場(chǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)驗(yàn)法簡(jiǎn)單可靠，但需要有一定的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，整定時(shí)易帶有主觀片面性。當(dāng)采用PID調(diào)節(jié)器時(shí)，由于有多個(gè)整定參數(shù)，反復(fù)試湊的次數(shù)增多，因此增加了得到最佳整定參數(shù)的難度。3.6 FB41簡(jiǎn)介FB41是S7-300系統(tǒng)自帶的PID運(yùn)算控制模塊。在P,I,D這三種控制作用中，比例部分與誤差部分信號(hào)在時(shí)間上時(shí)一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時(shí)地產(chǎn)生與誤差成正比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。比例系數(shù)越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高；但是對(duì)于大多數(shù)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，比例系數(shù)過(guò)大，會(huì)使系統(tǒng)的輸出振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。調(diào)節(jié)器中的

43、積分作用與當(dāng)前誤差的大小和誤差的歷史情況都有關(guān)系，只要誤差不為零，控制器的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，一直要到誤差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，積分部分才不再變化，因此，積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是積分作用的動(dòng)作緩慢，可能給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性代來(lái)不良影響，因此很少單獨(dú)使用。積分時(shí)間常數(shù)增大時(shí)，積分作用減弱，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（穩(wěn)定性）可能有所改善，但是，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分），微分部分提前給出較大的調(diào)節(jié)作用，微分部分反映了系統(tǒng)變化的趨勢(shì)，它較比例調(diào)節(jié)更為及時(shí)，所以微分部分具有預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。微分時(shí)間常數(shù)增大時(shí)，超調(diào)量減小，動(dòng)態(tài)性能得到改善，但抑制高頻干擾

44、的能力下降。如果微分時(shí)間常數(shù)過(guò)大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)值時(shí)上升緩慢。采樣時(shí)間按常規(guī)來(lái)說(shuō)應(yīng)越小越好，但是時(shí)間間隔過(guò)小時(shí)，會(huì)增加CPU的工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒(méi)有什么變化，所以也不易將此時(shí)間取的過(guò)小，另外，假如此項(xiàng)取比運(yùn)算時(shí)間短的時(shí)間數(shù)值，則系統(tǒng)無(wú)法執(zhí)行。S7-300PLC自帶的FB41默認(rèn)的采樣時(shí)間是0.1秒，而OB1的循環(huán)掃描時(shí)間一般遠(yuǎn)低于0.1秒，而且不固定，故一般在OB35（默認(rèn)0.1秒周期執(zhí)行）中調(diào)用。3.6.1 FB41部分端口定義EN：使能，高電平有效COM_RST：初始化，高電平清除所用中間值與輸出值MAN_ON：高電平手動(dòng)工作，低電平閉環(huán)工作P_SEL、I_SEL、D_S

45、EL：PID三種運(yùn)算使能，高電平采用該運(yùn)算CYCLE：采樣時(shí)間，一般取100MSGAIN：比例參數(shù),實(shí)數(shù)TI、TD：積分、微分參數(shù)，時(shí)基為1MS的32位整數(shù)SP_INT：給定值，實(shí)數(shù)PV_IN：反饋值，實(shí)數(shù)DEADB：死區(qū)，差值的百分?jǐn)?shù)LMN_PER：PID運(yùn)算輸出，0-6C003.6.2 PID控制算法PID控制環(huán)節(jié)被控對(duì)象反饋環(huán)節(jié)r（t）e(t)u(t)c(t)+圖3-2閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3-2所示，PID控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系: （3-1）控制器的輸出為： （3-2）-PID回路輸出-比例系數(shù)P-積分系數(shù)I-微分系數(shù)DPID調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)

46、為 （3-3）數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對(duì)偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)輸出值。其離散化的規(guī)律如表3-1所示：表3-1 模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以PID輸出經(jīng)過(guò)離散化后，它的輸出方程為: （3-4）式中， 稱為比例項(xiàng) 稱為積分項(xiàng) 稱為微分項(xiàng)上式中，積分項(xiàng)是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值。計(jì)算中，沒(méi)有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的PID指令實(shí)現(xiàn)位置式PID控制算法量。表3-2 PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據(jù)類型說(shuō)明0過(guò)程變量（PVN）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間4給定值（SPN

47、）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間8輸出值（Mn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間12增益（Kc實(shí)數(shù)比例常數(shù)，可正可負(fù)16采樣時(shí)間（Ts）實(shí)數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20采樣時(shí)間（Ti）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時(shí)間（TD）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項(xiàng)前值（MX）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間32過(guò)程變量前值（PVN-1）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間3.6.3 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(shí)間Ti和和微分時(shí)間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗(yàn)

48、法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法，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)，利用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn)，其規(guī)律如表3-3所示表3-3 溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時(shí)間（分鐘）微分時(shí)間（分鐘）溫度滯后較大20603100.53根據(jù)反復(fù)的試湊，調(diào)處比較好的結(jié)果是P=15，I=2.0，D=0.55 控制系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)某高校鍋爐控制系統(tǒng)上位機(jī)使用SIEMENS公司丌發(fā)的與STEP7-300配套的上位機(jī)開發(fā)軟件，并使用MPI卡與下位機(jī)STEP7之間的通信，同時(shí)為了適應(yīng)現(xiàn)在集約型自動(dòng)

49、化控制的需要，采用與WINCC配套的WEB NAVIGATOR軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程WEB瀏覽功能，從而可以進(jìn)行遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制。5.1 WINCC軟件介紹WINCC(Windows Control Center)是SIEMENS公司的一種功能強(qiáng)大的工業(yè)控制軟件，是“真正開放的”人機(jī)界面SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))軟件。它是第一個(gè)使用最新的32位技術(shù)的過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性、分布式多任務(wù)的特點(diǎn)，適合于對(duì)過(guò)程事件的快速反應(yīng)。無(wú)論是單用戶系統(tǒng)還是冗余多服務(wù)器/多用戶系統(tǒng)、還是針對(duì)復(fù)雜的或特定的任務(wù)，WINCC均能夠很好的處理；WINCC集成ODBC/SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，具有OLE，Ac

50、tiveX，OPC等標(biāo)淮接口、開放的API程序接口以及針對(duì)所有主要PLC廠商的通訊接口程序。WINCC編程語(yǔ)言為ANSI C語(yǔ)言，易于組態(tài)，能夠在組態(tài)和在線運(yùn)行環(huán)境中切換語(yǔ)言；WINCC支持分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有廣泛的應(yīng)用，可以連接到已存在的自動(dòng)化環(huán)境中；WINCC是模塊化結(jié)構(gòu)，可運(yùn)行于Windows98/2000或NT，用戶只需要選擇購(gòu)買應(yīng)用所需要的部分。WINCC具有控制自動(dòng)化過(guò)程的強(qiáng)大功能，是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)、同時(shí)具有極高性價(jià)比的SCADA級(jí)的操作監(jiān)控系統(tǒng)。WINCC容易結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的和用戶的程序建立人機(jī)界面，精確的滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。系統(tǒng)集成商可應(yīng)用WINCC作為其系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過(guò)開放接口開發(fā)

51、自己的應(yīng)用軟件。5.1.2 WINCC的特點(diǎn)1強(qiáng)大的圖形組態(tài)功能：WINCC組態(tài)軟件以Microsoft Windows平臺(tái)作為操作平臺(tái)，充分利用了Windows圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點(diǎn)。WINCC的圖形編輯器提供了強(qiáng)大的圖形庫(kù)，設(shè)計(jì)人員可高效快捷地繪制出各種工藝畫面，并可方便進(jìn)行編輯，使采用PC機(jī)比以往使用專用機(jī)開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更有通用性，減少了工控軟件開發(fā)者的重復(fù)工作。另外WINCC支持豐富的動(dòng)畫連接如“閃爍”、“旋轉(zhuǎn)”、“填充”、“移動(dòng)”等，使畫面生動(dòng)直觀。2支持腳本語(yǔ)言：從使用腳本語(yǔ)方面，組態(tài)軟件均使用腳本語(yǔ)言提供二次開發(fā)。腳本語(yǔ)言也稱命令語(yǔ)言、控制語(yǔ)言。用戶可根據(jù)

52、自己需要編寫程序。組態(tài)軟件在腳本語(yǔ)言功能及提供的腳本函數(shù)數(shù)量上不斷提高。WINCC內(nèi)部提供了很多標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)和內(nèi)部函數(shù)，編程人員可直接調(diào)用這些函數(shù)，另外WINCC提供C腳本編輯器，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)任務(wù)自行設(shè)計(jì)項(xiàng)目函數(shù)，或修改標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)和內(nèi)部函數(shù)。3全集成自動(dòng)化：WINCC與SIMATIC產(chǎn)品家族中的組件一起使用時(shí)可能進(jìn)行廣泛的集成。這種集成有利于：全局組態(tài)和編程；全局?jǐn)?shù)據(jù)維護(hù)；全局通訊。因此，在使用WINCC進(jìn)行工作時(shí)，可對(duì)STEP7中所定義的符號(hào)表直接進(jìn)行訪問(wèn)。在用戶S7自動(dòng)化系統(tǒng)中可用的所有變量的列表將顯示在WINCC變量選擇對(duì)話框中。用戶既可從該列表選擇所需的變量，也可在WINCC中重新創(chuàng)建變量

53、。4開放性：WINCC提供了開放的界面用于用戶解決方案，這使得將WINCC集成入復(fù)雜、廣泛的自動(dòng)控制解決方案成為可能?？梢约赏ㄟ^(guò)ODBC和SOL方式的歸檔數(shù)據(jù)訪問(wèn)，以及通過(guò)OLE2。和ActiveX控件的對(duì)象和文檔的鏈接。5強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)：組態(tài)軟件均有一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)作為整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)組織和管理的核心。負(fù)責(zé)整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警處理，完成與過(guò)程的雙向數(shù)據(jù)通訊。WINCC通過(guò)變量記錄和報(bào)警記錄等編輯器對(duì)過(guò)程值進(jìn)行歸檔，自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。6豐富的功能模塊：組態(tài)軟件以模塊形式掛接在基本模塊上，互相獨(dú)立提高了系統(tǒng)可靠性和可擴(kuò)展性。WINCC利用圖形編輯器、變量記錄編輯器、報(bào)

54、警記錄編輯器、報(bào)表編輯器和腳本編輯器等功能模塊，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)表生成、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、提供報(bào)警等功能。5.1.3 WINCC主要控制模塊1計(jì)算機(jī)：在該處用戶可組態(tài)該WINCC項(xiàng)目的開始畫面，設(shè)置運(yùn)行環(huán)境、光標(biāo)和安全特性等。2變量管理器：該管理器用于建立過(guò)程變量標(biāo)簽(又叫外部變量標(biāo)簽)和部變量標(biāo)簽。其中，過(guò)程變量標(biāo)簽用于與PLC通訊，它對(duì)應(yīng)PLC內(nèi)部的內(nèi)存位置，是監(jiān)視自動(dòng)化過(guò)程的數(shù)據(jù)標(biāo)簽。通過(guò)它，WINCC可以將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)讀入上位機(jī)以圖形方式顯示出來(lái)，也可以將上位機(jī)的命令傳送到PLC中；內(nèi)部變量標(biāo)簽是WINCC內(nèi)的內(nèi)存位置，與PLC無(wú)關(guān)，可以存放計(jì)算過(guò)程中的中間結(jié)果，也可以在軟件調(diào)試階段暫時(shí)

55、代替過(guò)程標(biāo)簽。3結(jié)構(gòu)變量：結(jié)構(gòu)變量是特殊的變量，它含有不同數(shù)據(jù)類型的元素。它們與ANSIC結(jié)構(gòu)相似，并可用于生成普通設(shè)備的樣板，這些設(shè)備通常有許多I0點(diǎn)與之相連。在生成某一結(jié)構(gòu)變量后，即可簡(jiǎn)單地按照通常的方式，在數(shù)據(jù)類型的下拉式菜單中選擇該變量作為新的數(shù)據(jù)類型。在編輯圖形對(duì)象或組態(tài)曲線、報(bào)警功能時(shí)，可將該結(jié)構(gòu)變量?jī)?nèi)的變量標(biāo)簽元素與其它任何“正常”的變量標(biāo)簽一樣對(duì)待。4圖形編輯器：所有的WINCC運(yùn)行應(yīng)用都集中在該編輯器生成的可視界面中。它允許用戶開發(fā)所需的圖形用戶界面(GUI)、監(jiān)視過(guò)程數(shù)據(jù)、瀏覽其它WINCC編輯器中的應(yīng)用以及綜合安全性。根據(jù)對(duì)象相關(guān)設(shè)計(jì)原則，圖形編輯器中的對(duì)象使用屬性和事件

56、作為用戶和過(guò)程數(shù)據(jù)的接口。圖形編輯器與其它編輯器一樣都有兩種操作模式：組態(tài)模式(CS)和運(yùn)行模式(RT)。用戶在組態(tài)模式中用各種工具和對(duì)象生成圖形畫面，用變量標(biāo)簽、C腳本以及其它方法對(duì)應(yīng)于過(guò)程數(shù)據(jù)變化定義圖形的行為。在運(yùn)行模式，WINCC將過(guò)程數(shù)據(jù)和靜態(tài)圖形對(duì)應(yīng)起來(lái)，并根據(jù)各編輯器中進(jìn)行的組態(tài)設(shè)置，實(shí)際地生成運(yùn)行應(yīng)用以監(jiān)視用戶的過(guò)程。5報(bào)警記錄：報(bào)警記錄編輯器用于歸檔和獲取消息，具有從過(guò)程接收消息并準(zhǔn)備、顯示、確認(rèn)和歸檔等功能。報(bào)警記錄組態(tài)系統(tǒng)(報(bào)警記錄CS)用來(lái)組態(tài)消息，以便按要求顯示。報(bào)警記錄運(yùn)行(報(bào)警記錄RT)用于獲取消息和接收確認(rèn)。報(bào)警記錄編輯器可以表示位報(bào)警和模擬量報(bào)警。位報(bào)警根據(jù)標(biāo)簽指定位的狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信息，可用于對(duì)開關(guān)量的判斷。模擬量報(bào)警對(duì)標(biāo)簽的極限值進(jìn)行監(jiān)測(cè)；如果標(biāo)簽值高于指定的上限值或指定的另一標(biāo)簽的當(dāng)前值，則產(chǎn)生上限報(bào)警；如果標(biāo)簽值低于指定的下限值或指定的另一標(biāo)簽的當(dāng)前值，則產(chǎn)生下限報(bào)警。報(bào)警信息可存于硬盤的報(bào)警檔案中，