基于組態(tài)的試驗機溫度監(jiān)控系統(tǒng)方案

1、 PAGE33 / NUMPAGES39基于組態(tài)的試驗機溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計摘 要試驗機是工業(yè)裝置，工業(yè)爐是依靠其它能源對工件進行加熱，以達到對工件進行處理的標準。與其他相比，其溫度方便控制，爐情況易掌握，熱效率高，實現(xiàn)生產過程的機械化和自動化。隨著自動化程度的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，人機界面的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機界面可以對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，包括過程監(jiān)測、報警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得操作人性化、過程可視化，在自動控制領域的作用日益顯著。顯然，系統(tǒng)正常運行還需要可編程控制器進行控制，可編程控制器是一種應用很廣泛的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控

2、制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合溫度控制的要求1。 本文完成了基于亞控公司的組態(tài)王和西門子公司S7-200系列的可編程控制器的爐溫控制系統(tǒng)的設計方案。利用組態(tài)軟件組態(tài)王設計人機界面，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實時采樣與處理。編程時調用了編程軟件STEP 7 -Micro WIN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡潔，運行速度更為理想。實驗證明，此系統(tǒng)具有快、準、穩(wěn)等優(yōu)點，在工業(yè)溫度控制領域能夠廣泛應用。關鍵詞：溫度控制，可編程控制器，人機界面，組態(tài)王Based on the Configuration of t

3、he Tester Temperature Monitoring SystemAbstractThe Testing machine is an industrial equipment, industrial furnaces is to rely on other energy heating the workpiece, the workpiece processing standards. Compared with other stoves, convenient to control the temperature, the furnace is easy to master, h

4、igh thermal efficiency, realize the production process of mechanization and automation.In the industrial field, with the rapid increase in the degree of automation, it is more and more important to monitor the process of control system for the users. The emergence of human-machine interface meets th

5、e needs of users. Man-machine interface can comprehensively monitor the control system, including process monitoring, alarm, data logging and other functions, so that the control systems have become user-friendly operation, the process of visualization and it will play more and more important part i

6、n the field of automatic control.Programmable Logic Controller (PLC) is a kind of automatic control equipment which is widely used in the industrial manufacture. It merges the traditional control technology, computer and communication technologies with a strong ability to control, flexible operation

7、, high reliability and suitable for long-term characteristics of continuous work. It is very suitable for temperature control requirements.This essay mainly introduces configuration software Kingview which is developed by Beijing Yakong Company and a design of temperature control system with SIMATIC

8、 programmable logic controller (PLC) .When programming, we use the PID control arithmetic software module which is contained in the program software STEP 7 -Micro WIN so that the program looks easier and operates more quickly. In order to monitor the control system and process data in actual time, w

9、e designed Human Machine Interface（HMI）with the configuration software Kingview. The result of experiment proves that this temperature control system could run quickly, accurately and have good stability, which is the advantage of the control system. This control system has been widely used in the i

10、ndustrial temperature control field.Keywords: Temperature Control;PLC;HMI;Kingview目錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc359784265摘要 PAGEREF _Toc359784265 h IHYPERLINK l _Toc359784266Abstract PAGEREF _Toc359784266 h IIHYPERLINK l _Toc359784267第1章緒論 PAGEREF _Toc359784267 h 1HYPERLINK l _Toc3597842681.1 項目背

11、景、意義 PAGEREF _Toc359784268 h 1HYPERLINK l _Toc3597842691.2 溫控系統(tǒng)的現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc359784269 h 1HYPERLINK l _Toc359784270第2章試驗機的概述 PAGEREF _Toc359784270 h 錯誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc3597842712.1試驗機類型 PAGEREF _Toc359784271 h 錯誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc3597842722.2試驗機工作原理 PAGEREF _Toc359784272 h 錯誤！未定義書簽。HYPE

12、RLINK l _Toc3597842732.3試驗機特點與控制要求 PAGEREF _Toc359784273 h 4HYPERLINK l _Toc359784274第3章 PLC控制系統(tǒng)硬件設計 PAGEREF _Toc359784274 h 5HYPERLINK l _Toc3597842753.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則 PAGEREF _Toc359784275 h 5HYPERLINK l _Toc3597842763.2 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟 PAGEREF _Toc359784276 h 5HYPERLINK l _Toc3597842773.3 PLC的選型與

13、硬件配置 PAGEREF _Toc359784277 h 6HYPERLINK l _Toc3597842783.3.1 PLC型號的選擇 PAGEREF _Toc359784278 h 6HYPERLINK l _Toc3597842793.3.2 S7-200 CPU的選擇 PAGEREF _Toc359784279 h 7HYPERLINK l _Toc3597842803.3.3 EM231模擬量輸入模塊 PAGEREF _Toc359784280 h 7HYPERLINK l _Toc3597842813.3.4熱電式傳感器 PAGEREF _Toc359784281 h 9HYPE

14、RLINK l _Toc3597842823.4 I/O點分配與電氣連接圖 PAGEREF _Toc359784282 h 9HYPERLINK l _Toc3597842833.5 PLC控制器的設計 PAGEREF _Toc359784283 h 10HYPERLINK l _Toc3597842843.5.1控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立 PAGEREF _Toc359784284 h 10HYPERLINK l _Toc3597842853.5.2 PID控制與參數(shù)整定 PAGEREF _Toc359784285 h 11HYPERLINK l _Toc359784286第4章基于組態(tài)王的監(jiān)控

15、界面設計 PAGEREF _Toc359784286 h 14HYPERLINK l _Toc3597842874.1組態(tài)設備連接與變量的建立 PAGEREF _Toc359784287 h 14HYPERLINK l _Toc3597842884.1.1組態(tài)設備連接 PAGEREF _Toc359784288 h 14HYPERLINK l _Toc3597842894.1.2組態(tài)變量的建立 PAGEREF _Toc359784289 h 17HYPERLINK l _Toc3597842904.2創(chuàng)建組態(tài)畫面 PAGEREF _Toc359784290 h 18HYPERLINK l _T

16、oc3597842914.2.1主畫面 PAGEREF _Toc359784291 h 18HYPERLINK l _Toc3597842924.2.2實時趨勢曲線 PAGEREF _Toc359784292 h 19HYPERLINK l _Toc3597842934.2.3報警窗口 PAGEREF _Toc359784293 h 19HYPERLINK l _Toc3597842944.2.4報表窗口 PAGEREF _Toc359784294 h 20HYPERLINK l _Toc3597842954.3 PLC程序設計 PAGEREF _Toc359784295 h 20HYPERL

17、INK l _Toc3597842964.3.1設計思路 PAGEREF _Toc359784296 h 20HYPERLINK l _Toc3597842974.3.2 PID指令向導的運用 PAGEREF _Toc359784297 h 21HYPERLINK l _Toc3597842984.3.3梯形圖程序 PAGEREF _Toc359784298 h 23HYPERLINK l _Toc3597842994.4系統(tǒng)測試 PAGEREF _Toc359784299 h 26HYPERLINK l _Toc3597843004.4.1啟動組態(tài)王 PAGEREF _Toc35978430

18、0 h 26HYPERLINK l _Toc3597843014.4.2實時曲線觀察 PAGEREF _Toc359784301 h 27HYPERLINK l _Toc3597843024.4.3歷史數(shù)據(jù)報表觀察 PAGEREF _Toc359784302 h 28HYPERLINK l _Toc359784303第5章總結 PAGEREF _Toc359784303 h 30HYPERLINK l _Toc359784304辭 PAGEREF _Toc359784304 h 31HYPERLINK l _Toc359784305參考文獻 PAGEREF _Toc359784305 h 32

19、第1章 緒論1.1 項目背景、意義近年來，國外對溫度控制器的研究進行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計算機技術的發(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節(jié)器，可廣泛應用于溫度控制系統(tǒng)與企業(yè)相關設備的技術改造服務。隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，人機界面的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機界面可以對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，包括參數(shù)監(jiān)測、信息處理、在線優(yōu)化、報警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得簡單易懂、操作人性化，深受廣大用戶的喜歡。人機界面在自動控制領域的作用日益顯著。HMI正在成為引導工業(yè)生產制造走向成功的重要因素，因為這些系統(tǒng)越來

20、越多的用于監(jiān)控生產過程，讓過程變得更加準確、簡潔和快速。HMI系統(tǒng)必須有幾項基本的能力：實時的資料趨勢顯示，自動記錄資料，歷史資料趨勢顯示，報表的產生與打印，圖形接口控制，警報的產生與記錄2。此外，在工業(yè)自動化領域，PLC以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應用于工業(yè)自動化之中。目前的工業(yè)控制中，常常選用PLC作為現(xiàn)場的控制設備，用于數(shù)據(jù)采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機則是利用HMI軟件來完成工業(yè)控制狀態(tài)、流程和參數(shù)的顯示，實現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和存儲等功能。在這種方式的基礎上設計了一套溫度控制系統(tǒng)。以基于PLC 的下位機和完成HMI功能

21、的上位機相結合，構建成分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫度自動控制。1.2 溫控系統(tǒng)的現(xiàn)狀 自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展以與自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在職能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果3。目前，國外溫度控制系統(tǒng)與儀表正朝著高精度、智能話、小型化等方面快速發(fā)展。溫度控制系統(tǒng)在國各行各業(yè)的應用雖然已經十分廣泛，但從國生產的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比仍然有著較大的差距。隨著我國加入WTO，我國政府與企業(yè)對此非常重視，對相關企業(yè)資源進行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研

22、發(fā)中心，并通過合資、技術合作等方式，組建了一批合資、合作與獨資企業(yè)，使我國溫度儀表等工業(yè)得到迅速的發(fā)展。第2章 試驗機的概述2.1試驗機類型試驗機的類型，有多種不同的分類方法，下面簡單列舉幾個常見的分類：1按照傳統(tǒng)分類方法可以分為：金屬材料試驗機、非金屬材料試驗機、動平衡試驗機、振動臺和無損探傷機等五大類。2按加荷方法分類：靜負荷試驗機(靜態(tài))和動負荷試驗機(動態(tài))。3按用途分類： 測定機械性能用試驗機和工藝試驗用試驗機，包裝物試驗機，汽車檢測儀器，力和重量、長度基準測量儀器，各種試驗機附件（夾具、環(huán)境箱）。4按傳動方式分類：機械傳動，電氣傳動，氣壓傳動和液壓傳動等。2.2試驗機工作原理試驗機

23、是利用電流使其電熱元件或加熱介質發(fā)熱，從而對工件加熱。試驗機以電為熱源，通過電熱元件將電能轉化為熱能，對金屬進行加熱。試驗機熱源和火焰比，熱效率高，可達50，熱工制度容易控制，勞動條件好，爐體壽命長，適用于要求較嚴的工件的加熱，但耗電費用高。本論文是試驗機的溫度控制系統(tǒng)為研究對象，其中一部分為硬件設計，主要PLC硬件，溫度傳感器和EM231模擬量輸入模塊選型等。從硬件上保證了測溫精度，為提高控制精度打下了基礎?？刂撇捎帽容^成熟的PID 算法，并且通過PLC進行參數(shù)控制，通過組態(tài)進行實時監(jiān)控。試驗機溫主控系統(tǒng)基本構成如圖 2.1 所示，它由監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)王、PLC主控系統(tǒng)、固態(tài)繼電器、試驗機、溫度

24、傳感器（熱電偶）等 5 個部分組成。圖2.1 試驗機溫控系統(tǒng)制基本組成試驗機溫度控制實現(xiàn)過程是：首先溫度傳感器將試驗機的溫度化為電壓信號，EM231模塊將傳送進來的電壓信號轉化為PLC可識別的數(shù)字量，然后將系統(tǒng)給定溫度值與反饋回來的溫度值進行比較并經過 PID 運算處理后，給固態(tài)繼電器輸入一個控制信號，控制固態(tài)繼電器的輸出端導通與否，從而使試驗機開始加熱或停止加熱。即試驗機溫度控制得到實現(xiàn)4。2.3試驗機特點與控制要求試驗機特點：1品種多，量小，計量儀，高科技產品（隨工業(yè)發(fā)展質量要求高，圍廣）。2除縱向外，兩維、三維測試。3溫度環(huán)境模擬，（模擬化向真實真實微度發(fā)展）。4系列化，動功能化，組合化

25、系統(tǒng)的主要功能要求：試驗機采用380V三相交流電供電，用熱電偶作溫度傳感器，每個爐中共設多個檢測點,以計算爐的平均溫度。配置的溫度傳感器越多，平均溫度的精度越好，溫度圍在01000控制。1實時控制、檢測與顯示爐溫度；2具有自診斷實時檢測功能，檢測各通道是否正常，當發(fā)生故障時進行聲音和視覺報警并顯示故障點。第3章 PLC控制系統(tǒng)硬件設計3.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則1充分發(fā)揮PLC功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求。2在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經濟、使用與維修方便。3保證控制系統(tǒng)安全可靠。4應考慮生產的發(fā)展和工藝的改進，在選擇PLC的型號、IO點數(shù)和存儲器容量等容時，

26、應留有適當?shù)挠嗔?，以利于系統(tǒng)的調整和擴充。3.2 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟設計PLC應用系統(tǒng)時，首先是進行PLC應用系統(tǒng)的功能設計，即根據(jù)被控對象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行PLC應用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出PLC控制系統(tǒng)的結構形式，控制信號的種類、數(shù)量、系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結果，具體的確定PLC的機型和系統(tǒng)的具體配置5。PLC控制系統(tǒng)的設計步驟可參考圖 3.1 。評估控制任務PLC機型的選擇控制柜設計與布線程序設計聯(lián)機調試PLC安裝程序檢查、調試控制流程的設計程序備份修改軟、硬件模擬運行投入使用是否滿足要求圖3.1

27、PLC控制系統(tǒng)設計步驟3.3 PLC的選型與硬件配置3.3.1 PLC型號的選擇本項目的溫度控制系統(tǒng)選擇德國西門子公司的S7-200型的PLC。它的硬件配置靈活，既可用一個獨立的S7-200 CPU構成一個簡單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴展電纜進行數(shù)字量I/O模塊，模擬量模塊或智能接口模塊的擴展，組成中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)6。如圖3.2所示PLC實物。圖3.2 S7-200系列PLC實物圖3.3.2 S7-200 CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226 、CPU224XP等類型。為了能調用編程軟件STEP 7 里的PID模塊，本項目選用S7-20

28、0 CPU226，CPU226集成了24點輸入/16點輸出，共有40個數(shù)字量輸入輸出端口?？膳c7個擴展模塊相連，最接248點數(shù)字量或35點模擬量I/O。還有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的30KHz高速計數(shù)器，2路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。配有2個RS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為39.4 kbit/s，適用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)7。3.3.3 EM231模擬量輸入模塊本項目傳感器將檢測到的溫度轉換成041mv的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量，輸入模塊將電壓信號轉換成數(shù)字信號再轉送至PLC中進行運算。經考慮，最終選用了西門子EM2

29、31 4TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊有一個方便的，隔離的接口，可適用七種熱電偶類型：它也允許連接微小的模擬量信號，一樣類型模塊上的熱電偶才能連到一起，且最好使用含有屏蔽的熱電偶傳感器8。DIP開關將EM231模塊進行組態(tài)：熱電偶類型選擇SW1SW3，SW4不使用，斷線檢測方向使用SW5，是否進行斷線檢測選擇了SW6，測量單位選擇了SW7，是否進行冷端補償選擇了SW8。本系統(tǒng)選用K型熱電偶為溫度檢測元件，最終DIP開關SW1SW8組態(tài)為00100000；EM231具體技術指標見表3.1。表3.1 EM231技術指標型號EM231模擬量輸入模塊總體特性外形尺寸：71.2mm80mm62

30、mm功耗：3W輸入特性本機輸入：4路模擬量輸入電源電壓：標準DC 24V/4mA輸入類型：010V，05V，5V,2.5V,020mA分辨率：12 Bit轉換速度：250S隔離：有耗電從CPU的DC 5V （I/O總線）耗電10mADIP開關SW1 0, SW2 0, SW3 1（以K型熱電偶為例）表3.2所示為使用DIP開關設置EM231模塊使用方法，開關1、2和3可選擇模擬量輸入圍。模擬量輸入圍設置成一樣的。表中ON為導通，OFF為截止。表3.2 EM231選擇模擬量輸入圍的開關表單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2.5mvONOFF0到5V1.25mv0到2

31、0mv5uA雙極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON5V2.5mvONOFF2.5V1.25mvEM231校準和配置位置圖如圖3.3所示圖3.3 DIP配置EM2313.3.4熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度信號轉化為電壓信號的裝置。其中熱電偶和熱電阻是最常用于測量溫度的裝置，熱電偶是將溫度信號轉換為電壓信號，熱電阻是將溫度信號轉換為電阻信號。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產中已得到廣泛使用。本項目中應該用傳感器將溫度轉換成電壓，且爐子的溫度不能超過1000度，所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。國際標準熱電偶有七種類型分別是S、B、E、K、R、J、T，在本系統(tǒng)中，我們選擇K型

32、熱電偶，其測溫圍大約是01000。爐最高溫度也到不到1000，其成本也比較合理9。3.4 I/O點分配與電氣連接圖（1）該溫度控制系統(tǒng)中輸入輸出點分配表如表3.3所示。表3.3輸入輸出點分配表輸入觸點功能說明輸出觸點功能說明IO.1啟動按鈕Q0.0運行指示燈（綠）I0.2停止按鈕Q0.1停止指示燈（紅）Q0.3固態(tài)繼電器（2）系統(tǒng)整體設計方案系統(tǒng)選用PLC CPU226為控制器， K型熱電偶將檢測到的實際爐溫轉化為電勢變化，經過EM231模擬量輸入模塊轉換成數(shù)字信號并進行PID調節(jié)，PID控制器輸出控制信號，控制固態(tài)繼電器輸出端的導通與截止，從而控制爐體加熱的通斷。PLC和組態(tài)王連接，實現(xiàn)了系

33、統(tǒng)的實時監(jiān)控。整個硬件連接圖如圖3.4和3.5所示。計算機PLCEM231模塊固態(tài)繼電器熱電偶試驗機圖3.4 系統(tǒng)框架圖圖3.5 系統(tǒng)硬件連接圖3.5 PLC控制器的設計控制器的設計是基于模型控制設計過程中至關重要。首先要以受控對象的數(shù)學模型和它的各特性以與設計要求，確定控制器的結構以與和受控對象的連接方案。接下來依據(jù)所要求的性能指標選擇控制器的參數(shù)值10。3.5.1控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立本溫度控制控制系統(tǒng)結構圖如圖3.6所示，方框圖如圖3.7所示。PLC控制器固態(tài)繼電器電爐溫度模塊熱電偶圖3.6 控制系統(tǒng)結構圖圖3.7 控制系統(tǒng)方框圖3.5.2 PID控制與參數(shù)整定 1.PID控制器的組成P

34、ID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其數(shù)學表達式為：（3.1） * MERGEFORMAT 錯誤！未找到引用源。(1) 比例系數(shù)KC對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。c偏大，振蕩次數(shù)加多，調節(jié)時間加長。c太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。c太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。c可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。如果c的符號選擇不當對象狀態(tài)(pv值)就會離控制目標的狀態(tài)(sv值)越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況c的符號就一定要取反。 * MERGEFORMAT 錯誤！未找到引用源。(2) 積分控制i對系統(tǒng)性能的影響：積分

35、作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，i?。ǚe分作用強）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 * MERGEFORMAT 錯誤！未找到引用源。(3) 微分控制d對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，d偏大時，超調量較大，調節(jié)時間較短。d偏小時，超調量也較大，調節(jié)時間也較長。只有d合適，才能使超調量較小，減短調節(jié)時間。至此溫度控制系統(tǒng)就已經完成。在系統(tǒng)運行之前，還需要進行控制器的參數(shù)整定。我們將運用經驗整定法來整定PID的參數(shù)值，下面簡單說明其步驟。經驗整定法又稱經驗湊試法，是技術人員生產實踐中在長期工作經驗的顯現(xiàn)。事先的計算和實驗都可以省略，而是依靠以往經驗，先保證一組控制器參數(shù)，使

36、系統(tǒng)投入運行，通過觀察人為加入的干擾過渡過程曲線，根據(jù)不同的控制作用對過渡過程的各種影響來改變相應的控制參數(shù)值，進行重復試驗，最終得到滿意的控制質量11。由于比例作用是最普遍的控制，經驗整定法主要通過調整比例度的大小來完成質量指標的預定。整定途徑要遵循兩條： （1）單獨運用P作用，加入人為干擾后，將過渡過程調整為4：1的衰減振蕩過程。然后再加入I 作用，先將積分時間T1選取為衰減振蕩周期的一半。同時在加入的積分作用之前，應先減少比例作用，通常把比例度增大9%-25%。然后調整積分時間，最終到 4：1的衰減振蕩程度為止。最后加入D作用，以零為開端，逐漸增大微分時間Td，由于微分作用能強制降低振蕩

37、，在加入微分作用之前，可以把積分時間減小。將過渡時間最短，超調量最小。必須要通過微分時間的不斷試用，（2）通常取Td=(1/3-1/4)Ti，所以要注意積分時間Ti和Td的選取，然后反復湊試比例度，直至結果滿意為止。如果得不到要求的理想曲線，很有可能是開始時Ti和Td設置的不合適。這時Ti和Td應重復湊試，使曲線最終達到控制目標。表3.4 控制器參數(shù)經驗數(shù)據(jù)控制變量規(guī)律的選擇比例度（%）積分時間Ti（分鐘）微分時間Td（分鐘）溫度對象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩，應小，Ti要長，一般需要微分20-603-100.5-3經過經驗整定法的整定，PID控制器整定參數(shù)值設為：比例系數(shù)=120，

38、積分時間=3分鐘，微分時間=1分鐘。第4章基于組態(tài)王的監(jiān)控界面設計隨著我國工業(yè)化和信息化進程的加快，工控組態(tài)軟件扮演者越來越重要的角色，為自動化控制系統(tǒng)監(jiān)控層提供了良好的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件。工業(yè)HMI也可以稱作觸摸屏監(jiān)控器，是一種智能化操作控制顯示裝置。HMI的主要功能有：數(shù)據(jù)的輸入與顯示；系統(tǒng)或設備的操作狀態(tài)方面的實時信息顯示；報警處理與打??；數(shù)據(jù)歸檔和報表系統(tǒng)12。此外，新一代工業(yè)人機界面還具有簡單的編程、對輸入的數(shù)據(jù)進行處理、數(shù)據(jù)登錄與配方等智能化控制功能。在本項目中，我們選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面和西門子

39、S7-200 PLC的設計組態(tài)王和其他組態(tài)軟件相比最大的優(yōu)勢是它操作方便靈活，有較強的通信功能，支持的硬件非常豐富。PLC可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)的自動控制之中。4.1組態(tài)設備連接與變量的建立4.1.1組態(tài)設備連接雙擊組態(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，按照彈出的建立向導，填寫工程名稱。然后打開剛建立的工程。進入組態(tài)畫面的設計，如圖4.1所示。圖4.1 新建工程進入工程管理器后，在畫面右方雙擊“新建”，新建畫面，并設置畫面屬性，如圖4.2所示。圖4.2 新建畫面 由于組態(tài)畫面要與西門子S7-200

40、PLC連接之后才能使用，所以要新建S7-200的連接13，具體步驟如圖4.3、4.4、4.5和4.6所示。圖4.3 步驟1圖4.4 步驟2圖4.5步驟3圖4.6 步驟44.1.2組態(tài)變量的建立要實現(xiàn)組態(tài)王對S7-200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。基本類型的變量可以分為“存變量”和I/O變量兩類。存變量是組態(tài)王部的變量，不跟被監(jiān)控的設備進行交換。而I/O變量是兩者之間互相交換數(shù)據(jù)的橋梁，S7-200和組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換是雙向的14。具體操作如下，打開工程瀏覽器，點擊“數(shù)據(jù)詞典”，再點擊“新建”建立“設定溫度”、“當前溫度”、“啟動”、“停止”、“Kc”、“

41、Ti”、 “Td”、“采樣時間”等變量。寄存器和數(shù)據(jù)類型要與程序中一致，否則組態(tài)王就不能起到監(jiān)控作用了。如圖4.7 所示。圖4.7 新建變量圖4.8為變量“當前溫度”報警定義設置圖，我們設置了當前溫度低于100度時，報警當前溫度太低。當前溫度大于700時，報警當前溫度偏高。圖4.8當前溫度報警定義設置圖4.9為變量“試驗機爐溫控制”記錄和安全區(qū)設置圖，我們設置“記錄”為數(shù)據(jù)變化記錄，變化靈敏度設為1。這個主要是為歷史趨勢曲線服務的，若不設置這個，往往歷史趨勢曲線就出不來或者效果很差。圖4.9 當前溫度記錄和安全區(qū)設置4.2創(chuàng)建組態(tài)畫面4.2.1主畫面根據(jù)系統(tǒng)的特點，設計了實時控制主畫面，主要包

42、括了系統(tǒng)結構原理畫面，實時曲線畫面，預定溫度的設定，爐溫實時溫度的顯示，PID控制器參數(shù)的設定。系統(tǒng)結構原理畫面說明了系統(tǒng)的控制原理以與數(shù)據(jù)的傳輸方向，以便于更好的了解試驗機監(jiān)控系統(tǒng)的控制流程。實時曲線畫面用于顯示被測量，被控量以與設定值的實時變化趨勢。以便于操作人員了解被測量，被控量等的變化，從而更好的對監(jiān)控過程進行分析，研究等，歷史報表畫面提供瀏覽和打印歷史數(shù)據(jù)的功能。如圖4.10所示。圖4.10主界面4.2.2實時趨勢曲線打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點擊工具箱中的“實時趨勢曲線”按鈕，把實時趨勢曲線放進開發(fā)頁面，然后雙擊曲線畫面，對曲線進行設置，實時趨勢曲線隨時間變化自動卷動，可快速反應變量的新

43、變化。如圖4.11所示。圖4.11實時趨勢曲線4.2.3報警窗口打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點擊工具箱中的“報警窗口”把報警窗口放進開發(fā)頁面，然后雙擊畫面，對報警窗口進行設置，包括通用屬性、列屬性、操作屬性、條件屬性、顏色和字體屬性的設置。即可形成如圖4.12所示的報警窗口畫面。系統(tǒng)運行時，報警窗口會根據(jù)當前溫度值做出適當?shù)膱缶?。圖4.12報警窗口4.2.4報表窗口打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點擊工具箱中的“報表窗口”，把報表窗口放進開發(fā)頁面。然后添加報表設置，打印預覽，報表打印，關閉畫面等按鈕并對其進行設置。如圖4.13所示，報表是反應生產過程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，并對數(shù)據(jù)進行記錄的一種重要形式。圖4.13歷史

44、數(shù)據(jù)報表窗口4.3 PLC程序設計4.3.1設計思路PLC運行時，利用特殊繼電器SM0.0的初始化脈沖進行初始化，將溫度設定值，PID參數(shù)值等，存入有關的數(shù)據(jù)寄存器，使定時器復位；按啟動按鈕，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量的溫度進行標準量轉換（0-41毫伏）；模擬量輸入通道AIW0通過讀入0-41毫伏的模擬電壓量送入PLC；經過程序計算后得出實際測量的溫度T，將T和溫度設定值比較，根據(jù)偏差計算調整量，發(fā)出調節(jié)命令15。圖4.14即是控制程序流程圖。圖 4.14程序流程圖4.3.2 PID指令向導的運用STEP7-Micro/WIN提供了PID Wizard（PID

45、指令向導），可以幫助用戶方便地生成一個閉環(huán)控制過程的PID算法。此向導可以完成絕大多數(shù)PID運算的自動編程，用戶只需在主程序中調用PID向導生成的子程序，就可以完成PID控制任務。PID向導既可以生成模擬量輸出PID控制算法，也支持開關量輸出；既支持連續(xù)自動調節(jié)，也支持手動參與控制16。本項目程序中就正好運STEP7-Micro/WIN軟件自帶的PID指令向導。從而使得程序簡單易懂，同時也達到了控制要求。首先打開“指令向導”，選擇“PID”，如圖4.15所示。圖4.15 配置PID指令圖4.16是配置PID環(huán)路參數(shù)的。其中，增益Kc=120，積分時間為3分鐘，微分時間為1分鐘，抽樣時間為10秒

46、。還有，PID環(huán)路的設定點設置為0.0-1.0，便于歸一化處理。圖4.16 配置PID環(huán)路參數(shù)點擊“下一步”后出現(xiàn)如圖4.17所示畫面。圖4.17回路輸入選項連續(xù)“下一步”就會出現(xiàn)，如圖4.18所示。圖4.18初始化子程序點擊“下一步”，如圖4.19所示，配置成功。圖4.19完成向導配置4.3.3梯形圖程序圖4.20 梯形圖程序網(wǎng)絡1上述程序中，I0.1和I0.2分別是啟動和停止按鈕，Q0.0和Q0.1分別是系統(tǒng)運行指示燈（綠燈）和系統(tǒng)停止指示燈（紅燈），M0.0和M0.1是中間繼電器，如圖4.20所示。圖4.21梯形圖程序網(wǎng)絡2這里用SM0.0直接調用了編程軟件自帶的PID子程序，其實就是利

47、用PID指令向導編程。上面的指令中，PV_I為反饋值，也就是熱電偶將檢測到的當前溫度值送入溫度模塊后輸出的模擬電壓值AIW0；Setpoint_R為設定值17,如圖4.21所示。每個PID回路都有兩個輸入變量，給定值SP和過程變量PV。執(zhí)行PID指令前必須把它們轉換成標準的浮點型實數(shù)。即先把整數(shù)值轉換成浮點型實數(shù)值，再把實數(shù)值進行歸一化處理，使其為0.0-1.0之間的實數(shù)。歸一化的公式為：R1=(R/S+M) （4-1）式中，R1為標準化的實數(shù)值；R為未標準化的實數(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

48、本項目中，R=100，即就是設定溫度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。圖4.22梯形圖程序網(wǎng)絡3該網(wǎng)絡的程序功能是把PID回路輸出轉換成占空比。因PID回路的輸出PID0_Output為0.0-1.0之間的實數(shù)值，又因我們設置了采樣時間為10秒，所以第一個指令MUL_R中INT2為100.0。ROUND是將實數(shù)轉換成雙整數(shù)，DI_I是將雙整數(shù)轉換成整數(shù)。VW2和VW4分別是采樣周期的加熱時間和非加熱時間18，如圖4.22所示。圖4.23 梯形圖程序網(wǎng)絡4上述程序用了兩個100ms的定

49、時器T241和T242來控制加熱時間，其中Q0.3為連接固態(tài)繼電器的輸出端子，如圖4.23所示。圖4.24 梯形圖程序網(wǎng)絡5該網(wǎng)絡的程序是為了在電腦上通過STEP7-Micro/WIN編程軟件顯示當前溫度和設定溫度值而寫的，其實也就是歸一化的逆過程。若無該網(wǎng)絡，則顯示的溫度值都是歸一化的實數(shù)值，不便于記錄和觀察，如圖4.24所示。4.4系統(tǒng)測試組態(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19。4.4.1啟動

50、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)王的運行情況以與和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。組態(tài)監(jiān)控啟動之后，會自動顯示組態(tài)畫面，如圖 4.25 所示。圖4.25系統(tǒng)運行主界面4.4.2實時曲線觀察點擊組態(tài)畫面的實時曲線按鈕，可以觀察，在自PID參數(shù)的作用下，控制效果的情況。如圖4.26所示。圖4.26爐溫實時