plc的加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)設計

plc的加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)設計plc的加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)設計39/40plc的加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)設計目錄TOC\o"1-3"\h\u1 緒論 11.1 加熱爐溫度控制的背景與研究狀況 11.2 本課題主要研究內容 22 控制系統(tǒng)的總方案設計 22.1 概述 22.2 控制方式確定 32.3 檢測元件和執(zhí)行機構的選擇 32.4 控制算法的選擇和計算 42.4.1 控制算法的選擇 42.4.2 參數(shù)的計算 63 系統(tǒng)硬件設計 73.1 溫度串級控制系統(tǒng)主、副回路的設計 73.2 基于下位機PLC的控制設計 83.2.1 可編程控制器的概述 83.2.2 可編程控制器的系統(tǒng)結構 93.2.3 PLC的硬件與軟件 123.2.4 下位機PLC的設計過程 123.2.5 PLC與上位機(MCGS組態(tài)軟件)、執(zhí)行機構之間的通信接線 154 系統(tǒng)軟件設計 154.1 概述 154.2 組態(tài)軟件設計 164.2.1 MCGS組態(tài)軟件的概述 164.2.2 MCGS組態(tài)軟件的系統(tǒng)構成 164.2.3 組態(tài)軟件MCGS5.5通用版的介紹 184.2.4 系統(tǒng)主控畫面的設計 194.3 PLC軟件的程序設計 215 結論 25參考文獻 27致謝 28緒論加熱爐溫度控制的背景與研究狀況隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，加熱爐的應用越來越廣泛。加熱爐是工業(yè)企業(yè)重要的動力設備，其任務是供給合格穩(wěn)定的蒸汽或熱水，以滿足負荷的需要。它也是一個復雜的控制對象，影響加熱爐溫度恒定的因素很多，因此對加熱爐進行控制是工業(yè)過程的一個重要而且困難的問題。在傳統(tǒng)控制方式中，加熱爐的電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術，由于采用固定接線的硬件實現(xiàn)邏輯控制，致使控制系統(tǒng)存在許多缺點，如控制系統(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)等。近年來隨著計算機控制技術的發(fā)展，并且各企業(yè)重視節(jié)源效益，對加熱爐生產(chǎn)工藝的不斷完善和優(yōu)化，加熱爐生產(chǎn)自動化控制水平也相應提高和不斷深入。傳統(tǒng)繼電器控制技術逐漸被基于計算機技術而產(chǎn)生的PLC控制技術所取代。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、高效、穩(wěn)定且維護方便。這種溫度控制系統(tǒng)對改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。國際上對加熱爐的優(yōu)化控制開始于70年代，我國從80年代才開始對這方面進行研究。在鋼鐵領域，以前人們對加熱爐優(yōu)化控制研究主要集中在鋼坯的升溫過程的數(shù)學模型，爐溫優(yōu)化設定與燃燒控制。近年來智能控制技術正逐步被應用到加熱爐溫度控制中。目前面向節(jié)能降耗，提高軋制產(chǎn)品質量和產(chǎn)量設計的加熱爐工程控制計算機系統(tǒng)已廣泛應用于現(xiàn)代冶金企業(yè)的加熱爐生產(chǎn)控制中。實現(xiàn)加熱爐的自動化能夠提高加熱爐運行的安全性、經(jīng)濟性和勞動生產(chǎn)率、改善勞動條件、減少運行人員。設計一套完善可行的加熱爐溫度控制系統(tǒng)有其巨大的經(jīng)濟價值、環(huán)保意義。本課題通過對加熱爐進行模型辨識，建立典型加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)的數(shù)學模型；使用PLC實現(xiàn)控制系統(tǒng)的設計；應用MCGS組態(tài)軟件，完成上位機的監(jiān)控界面的設計[1]。本課題主要研究內容本設計從工業(yè)生產(chǎn)的實際需求出發(fā)，給出加熱爐溫度控制的整體方案，該設計的重點放在PLC控制的加熱爐溫度串級控制的方案設計上。溫度控制是加熱爐控制的關鍵，本設計用文獻法、歸納分析法、總結法等，對PLC控制的加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)各模組的指標進行初步分析，編寫并優(yōu)化控制(PLC)程序，建立串級控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，設計出控制系統(tǒng)，并根據(jù)過程控制基本內容與其控制策略，對加熱爐進行模型辨識，建立典型加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)的數(shù)學模型；使用PLC實現(xiàn)控制系統(tǒng)的設計；應用MCGS組態(tài)軟件完成PLC控制的加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)設計?？刂葡到y(tǒng)的總方案設計概述在生產(chǎn)過程中，一些復雜的環(huán)節(jié)往往需要進行串級控制，串級控制就是具有雙回路的控制。串級控制系統(tǒng)就其主回路來看是一個定值控制系統(tǒng)，而副回路則為一個隨動系統(tǒng)。以加熱爐串級控制系統(tǒng)為例，在控制過程中，副回路起著對爐出口溫度的“粗調”作用，而主回路則完成對爐出口溫度的“細調”任務。與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多用了一個測量變送器與一個控制器，增加的投資并不多，但控制效果卻有顯著提高。其原因是在串級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對二次干擾有很強的克服能力；提高了對一次擾動的克服能力和對回路參數(shù)變化的自適應能力[2]。在加熱爐自動控制系統(tǒng)中，除了應用基于反饋控制原理而設計的各種調節(jié)器系統(tǒng)外，計算機技術的應用也越來越普與。由于PLC具有高可靠性、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，而在工業(yè)領域得到廣泛應用。系統(tǒng)的工作與構建原理圖如圖2-1所示：f3f3f2f1y1物料調節(jié)閥主調節(jié)器+-X2+-y2管壁爐膛X1副調節(jié)器副測量變送器主測量變送器圖2-1加熱爐串級系統(tǒng)框圖控制方式確定自動控制方式一般有兩種：即開環(huán)控制方式和閉環(huán)控制方式。開環(huán)控制是指控制裝置與被控對象之間只有按順序工作，沒有反向聯(lián)系的控制過程，按照這種方式組成的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，其特點是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響、沒有自動修正或補償?shù)哪芰Αｉ]環(huán)控制系統(tǒng)剛好相反，就是被控對象與控制裝置之間是有反饋的。這種控制方式能夠檢測輸出、計算誤差并用以糾正誤差，其輸出會通過某種途徑變換后反饋給輸入端以備對下一次輸出結果的調整。因此，閉環(huán)控制方式的輸出誤差較小。綜上所述，本設計定采用閉環(huán)控制方式。檢測元件和執(zhí)行機構的選擇(1)檢測元件的選擇被控參數(shù)以與其他一些參數(shù)、變量的檢測和將測量信號傳送至控制器是控制系統(tǒng)設計中重要的一個環(huán)。對被控參數(shù)迅速、準確的測量是實現(xiàn)高性能控制的重要前提。檢測設備主要是根據(jù)被檢測參數(shù)的性質與系統(tǒng)設計的總體考慮來決定。被檢測參數(shù)性質的不同、準確度要求、響應速度要求的不同以與對控制性能的要求的不同都影響檢測元件的選擇，要從工藝的合理性、經(jīng)濟性加以考慮。其選擇一般具有以下原則：①盡可能的選擇測量誤差小的測量元件；②盡可能的選擇快速響應的測量元件；③選擇翻遍安裝的測量元件；④考慮經(jīng)濟以與檢測元件的精確度等。本系統(tǒng)需要兩個溫度傳感器：一個安裝在爐膛內，另一個安裝在出口處。根據(jù)檢測精度和測量范圍以與以上原則等，選用鉑熱電阻Pt100為溫度傳感器，選擇JC100G為溫度變送器[3]。(2)執(zhí)行機構的選擇由于本設計應用的是電阻絲加熱爐，采用的是220V交流電源作為電阻絲的供應電源，而執(zhí)行機構主要是用來根據(jù)需要來調節(jié)電阻絲上的電壓從而達到控制加熱爐溫度的目的。因此對于執(zhí)行機構的選擇選用相對應的MJYD—JL—20型單相交流模塊。控制算法的選擇和計算控制算法的選擇控制算法即所謂的計算機控制，就是按照規(guī)定的算法進行控制，因此，控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質，甚至決定整個系統(tǒng)的成敗。在工業(yè)控制中，許多控制過程機理復雜、滯后控制對象具有變結構、時變等特點。相應的，每個控制系統(tǒng)都有一個特定的控制規(guī)律。因此每一個控制系統(tǒng)都有一套與此控制規(guī)律相對應的控制算法。所謂調節(jié)器參數(shù)的整定，就是選擇合適的比例帶積分時間和微分時間，使自動調節(jié)系統(tǒng)工作在最佳的狀態(tài)。調節(jié)器PID參數(shù)的整定方法主要有：理論建模法、工程整定法；理論建模法主要根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，用控制論的穩(wěn)定判據(jù)，求得滿足工藝運行的調節(jié)器參數(shù)，這種方法的缺點是需要知道或能夠求出控制對象的數(shù)學模型，它要用到控制理論和數(shù)學方面的有關知識，比較復雜，不易為人們所掌握，而且理論方法求得的數(shù)學模型與被控對象的真實模型還有一定差距；工程整定法有經(jīng)驗試湊法、衰減曲線法、臨界比例度法等。經(jīng)過大量整定實踐證明，工程整定法行之有效，故得到了廣泛應用。衡量控制系統(tǒng)工作優(yōu)劣的依據(jù)是控制系統(tǒng)的性能指標，這里我們給出一個指標：1/4衰減曲線或3/4衰減率，如圖2-2所示：a為第一個波峰的高度，b為第二個波峰的高度：1/4衰減曲線為：第二個波峰的高度/第一個波峰的高度為b/a=l/4；衰減率為(a－b)/a=3/4[4]。bba圖2-21/4衰減曲線示意圖對于反應較快的對象，例如：加熱爐給水流量、管道壓力、爐膛負壓等，要嚴格看出l/4衰減曲線或s=3/4衰減率是困難的，這時，往往只能定性的識別，以波動次數(shù)為準，對于要求衰減率為3/4的系統(tǒng)，一般以向上波動二次，向下波動一到二次為宜。若過程的數(shù)學模型比較復雜或無法準確建模時，可根據(jù)何種控制規(guī)律適用于何種過程特性與工藝要求來選擇，各種控制算法的控制特點介紹如下：(1)比例控制規(guī)律(P)：采用P控制規(guī)律能較快的克服擾動的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，但有余差。它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定的范圍內有余差的場合。(2)比例積分控制規(guī)律(PI)：在工程上比例積分控制規(guī)律是應用最為廣泛的一種控制規(guī)律。積分能消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合。(3)比例微分控制規(guī)律(PD)：微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分控制規(guī)律對于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，有顯著的效果。因此，對于控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大的場合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。(4)比例積分微分控制規(guī)律(PID)：PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，他在比例的基礎上引入積分可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合。應該強調，控制規(guī)律要根據(jù)過程特性和工藝要求來選取，決不能說PID控制規(guī)律具有較好的控制性能，不分場合均可選用，如果這樣，則會給其它工作增加復雜性，并帶來參數(shù)整定的困難。當采用PID控制器還達不到工藝要求的控制品質時，則需要考慮其它的控制方案。綜上所述，本設計中副回路的控制不要求特別精確應采用P算法，主回路的負荷不大但要求相對較精確，又考慮到復雜程度、簡便易于操作等方面所以應采用PI算法。參數(shù)的計算在本設計的系統(tǒng)中，主要是控制加熱爐出口處水的溫度，使其始終維持在某一恒定的值。綜合考慮則本設計以加熱爐為例為被控對象，以加熱爐出口水溫為被控參數(shù)，以爐膛內水溫為副被控參數(shù)，以加熱電壓為控制參數(shù)，以PLC為控制器構成爐溫度串級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)加熱爐水溫的定值控制。(1)閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖如2-3所示，設定好PI(P)參數(shù)，運行PI(P)控制程序，就能求出輸出的控制值，實現(xiàn)過程的串級控制。(2)PID算法在過程控制系統(tǒng)中，PID調節(jié)器的輸入輸出關系為：=[+1/n∫+/]+Mmv(t)=Kp[ev(t)+1/n∫ev(t)dt+TDdev(t)/dt]+Mmv(t)=Kp[ev(t)+1/n∫ev(t)dt+TDdev(t)/dt]+M(2-1)式(2-1)中：誤差信號，是調節(jié)器的輸出信號，是調節(jié)器的比例系數(shù)，Ti和TD分別是積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)，M是偏移量，式中等號右邊的前三項分別為比例、積分、微分部分。它們分別與誤差、誤差的積分和微分成正比，如果取其中的一項或兩項就可以組成P、PI或PD調節(jié)器?；赑LC的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2-3所示，虛線部分在PLC內，圖中的、、、均為第n次采樣時的數(shù)字量，、、為模擬量，假設采樣周期為TS系統(tǒng)開始運行的時刻t=0，用矩形積分近似積分，用差分近似微分，將式(2-1)離散化，第n次采樣時控制器的輸出為：=+KI+KD[—（n—1）]+M(2-2)式(2-2)中的KI=，KD=分別是積分系數(shù)和微分系數(shù)[5]。SV(n)PI(P)調節(jié)器D/ASV(n)PI(P)調節(jié)器D/A執(zhí)行機構被控對象測量元件A/DCV(n)MV(n)PV(n)MV(t)PV(t)圖2-3PLC閉環(huán)系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)硬件設計溫度串級控制系統(tǒng)主、副回路的設計系統(tǒng)具有2個調節(jié)器和2個閉合回路，2個調節(jié)器分別設置在主、副回路中，設在主回路的調節(jié)器稱主調節(jié)器，設在副回路的調節(jié)器稱為副調節(jié)器。兩個調節(jié)器串聯(lián)連接，主調節(jié)器的輸出作為副回路的給定量，副調節(jié)器的輸出去控制執(zhí)行元件。主調節(jié)器按主參數(shù)的測量值與給定值的偏差進行工作的調節(jié)器，其輸出作為副調節(jié)器的給定值。選用PID或PI控制規(guī)律，由PLC可編程控制器實現(xiàn)。副調節(jié)器按副參數(shù)的測量值與主調節(jié)器輸出的偏差進行工作的調節(jié)器，其輸出直接控制執(zhí)行機構。副調節(jié)器選P控制規(guī)律，也由PLC可編程控制器實現(xiàn)。加熱爐的串級控制系統(tǒng)示意圖，如圖3-1所示：TT2TT1TT2CT1C燃料熱物料加熱爐冷物料當進口波動溫度大，可設為副回路圖3-1加熱爐串級控制系統(tǒng)示意圖串級控制系統(tǒng)的主回路是一個定值控制系統(tǒng)。對于主參數(shù)的選擇和主回路的設計，基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設計原則進行。該系統(tǒng)中選擇加熱爐夾套溫度為主參數(shù)。副參數(shù)的選擇應使副回路的時間常數(shù)小，這樣可使等效過程的時間常數(shù)大大減小，提高響應速度，改善系統(tǒng)的控制品質。該串級控制系統(tǒng)用來控制加熱爐夾套的溫度，以加熱爐內膽溫度為副對象，時間常數(shù)小，符合副回路選擇的超前、快速、反應靈敏等要求[6]。基于下位機PLC的控制設計可編程控制器的概述可編程控制器是以微處理器為基礎，綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術而發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。它具有體積小、功能強、程序設計簡單、靈活通用、維護方便等優(yōu)點，特別是它的高可靠性和較強的惡劣工業(yè)環(huán)境適應能力更得到用戶的好評。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術和現(xiàn)代計算機信息處理技術的優(yōu)點結合起來，成為工業(yè)自動化領域中最重要、應用最多的控制設備。隨著電子技術的高速發(fā)展，它將傳統(tǒng)的“硬”接線程序控制方式改換為存儲程序控制方式，即通過事先編制好并存于程序存儲器中的用戶程序來完成控制功能，而控制要求改變時，只需要修改存儲器中的用戶程序的部分語句即可。如圖3-2可編程控制器控制系統(tǒng)框圖?？删幊炭刂破饕云淇煽啃愿摺⒖垢蓴_能力強、組合靈活、編程簡單、維護方便等獨特優(yōu)勢被日趨廣泛地應用于國民經(jīng)濟的各個控制領域。圖3-2可編程控制器控制系統(tǒng)框圖可編程控制器的系統(tǒng)結構PLC的實質就是工業(yè)控制計算機，屬于過程控制計算機的一個分支?？删幊炭刂破鞯闹鳈C由中央微處理器(CPU)、存儲器(RAM、EPROM、E2ROM)、輸入/輸出(INPUT/OUTPUT)模塊、外設I/O接口、I/O通道接口、編程器與電源部分等組成[7]。PLC硬件組成與PLC系統(tǒng)結構分別如圖3-1和圖3-2所示。對于整體式PLC主要部件都在同一機殼內，對于PLC為模塊式的機型，各功能單元可獨立封裝，構成模塊，各模塊通過框架或連接電纜組合在一起。編程器是可編程控制器的外圍設備。PLC內的各部分或模塊間均通過總線進行信息交換?？偩€根據(jù)其功能可分為電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線。根據(jù)實際應用中的工藝要求，配備不同的外部設備，可構成不同的控制功能的PLC控制系統(tǒng)。常用的外圍設備通常有編程器、盒式磁帶機、打印機、EPROM寫入器等。PLC也可以通過通信接口或通信模塊實現(xiàn)PLC與PLC之間、PLC與上位機之間的數(shù)據(jù)通信，構成PLC工業(yè)控制局域網(wǎng)或集散控制系統(tǒng)[2]。 CPUCPUEPROMRAM擴展存儲器輸入模塊輸出模塊I/O接口通信接口總線用戶輸入設備用戶輸出設備外部設備計算機或其它PLC圖3-3PLC硬件構成從結構上分，PLC分為固定式和組合式(模塊式)兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置[8]。CPU的構成：CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令與執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。圖3-4PLC系統(tǒng)構成CPU速度和內存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，I/O數(shù)量與軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。I/O模塊：PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分(I/O)完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入(DI)，開關量輸出(DO)，模擬量輸入(AI)，模擬量輸出(AO)等模塊。常用的I/O分類：開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型(4-20mA,0-20mA)、電壓型(0-10V,0-5V,-10-10V)等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。電源模塊：PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源(220VAC或110VAC)，直流電源(常用的為24VDC)。PLC的硬件與軟件(1)PLC的硬件PLC控制器本身的硬件采用積木式結構。PLC的模塊組為總線模板框式結構，基本框架(CPU母板)上裝有CPU模板，其它槽位裝有I/O模板；如果I/O模板多時，可由CPU母板經(jīng)I/O擴展電纜連接I/O擴展母板，在其上裝I/O模板；另一種方法是配備遠程I/O從站等。這些都說明了PLC廠家將硬件各部件均向用戶開發(fā)，便于用戶選用，配置成規(guī)模不等的PLC，而且這種硬件配置的開放性為制造商、分銷商(代理商)、系統(tǒng)集成商、最終用戶帶來很多方便。PLC內的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，還發(fā)展了一系列特殊功能的I/O模板，這為PLC用于各行各業(yè)打開了出路，如用于條形碼識別的ASCII/BASIC模板，用于反饋控制的PID模板，用于運行控制、機械加工的高速計數(shù)模板、單軸位置控制模板、雙軸位置控制模板、凸輪定位器模板、射頻識別接口模板等，這在以后還會有很大發(fā)展。另外在輸入、輸出的相關元件、強干擾場合的輸入、輸出電隔離、地隔離等方面也會更加完善。PLC中的CPU與存儲器配合，完成控制功能。它與DCS系統(tǒng)處理溫度、壓力、流量等參數(shù)的系統(tǒng)不同，采用快速的巡回掃描周期，一般為0.1~0.2s，更快的則選用50ms或更小的掃描周期。(2)PLC的軟件為了替代繼電器完成控制策略，使用戶等完成類似繼電器線路的控制系統(tǒng)梯形圖，而編制了一套控制算法功能塊(或子程序)，稱為指令系統(tǒng)，固化在存貯器ROM中，用戶在編制應用程序時可以調用。指令系統(tǒng)大致可以分為兩類，即基本指令和擴展指令。細分一般PLC的指令系統(tǒng)有:基本指令、定時器/計數(shù)器指令、移位指令、傳送指令、比較指令、轉換指令、BCD運算指令、二進制運算指令、增量/減量指令等，這些指令多是類似匯編語言。另外PLC還提高了充足的計時器、計數(shù)器、內部繼電器、寄存器與存貯區(qū)等內部資源，為編程帶來極大方便。下位機PLC的設計過程隨著電氣技術的發(fā)展，PLC技術成為了從事電氣技術人員的必不可少的技能之一。日本三菱公司是生產(chǎn)高低壓電器的國際知名企業(yè)，可編程序控制器也是該公司的主導產(chǎn)品。其中FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2N系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以與滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要模擬I/O，高速計數(shù)器。在本設計中，我們就選用FX2N來實現(xiàn)控制，主要完成對爐溫的采樣工作。FX2N系列PLC適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測與控制的自動化。FX2N系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此FX2N系列具有極高的性能/價格比。(1)系統(tǒng)控制主電路與I/O點數(shù)分析：由控制要求得到其主電路如圖3-5所示：圖3-5系統(tǒng)控制主電路本系統(tǒng)需要用到的輸入點有現(xiàn)場啟動按鈕、停止按鈕、緊急退出按鈕、全開行程開關、近爐體行程開關和遠爐體行程開關5個；輸出點有電磁閥F1-F8、電機正轉和電機反轉10個。在此本系統(tǒng)中我們選用CPU：A1SHCPC這種型號作為載體來實現(xiàn)對加熱爐取樣的控制。表3-1I/O端子分配表輸入輸出現(xiàn)場啟動按鈕X0電磁閥F1Y1全開行程開關X5X2電磁閥F2Y2近爐體行程開關X1X3電磁閥F3Y3遠爐體行程開關X3X4電磁閥F4Y4緊急退出按鈕X5電磁閥F5Y5停止按鈕X6電磁閥F6Y6電磁閥F7Y7電磁閥F8Y10電機正轉Y11電機反轉Y12圖3-6I/O端子接線圖(2)系統(tǒng)I/O端子分配與I/O接線圖：系統(tǒng)I/O端子分配：在熟悉系統(tǒng)工藝和控制要求后，首先要分配好輸入/輸出信號與PLCI/O端子的對應關系，即I/O端子分配表，本設計中I/O端子分配如上表3-1。PLC的I/O接線圖：根據(jù)I/O端子分配清單(或I/O分配表)，畫出PLC的I/O端子接線圖，如上圖3-6所示。PLC與上位機(MCGS組態(tài)軟件)、執(zhí)行機構之間的通信接線PLC與上位機、執(zhí)行機構之間的通信接線，如圖3-7所示。在單絞線連接時即半雙工傳送方式，RS485/422UN1T中SDA與RDA短接，SDB與RDB短接，RDA與RDB之間要接100歐左右的電阻。FX系列PLC支持無協(xié)議的RS232和RS485通信協(xié)議兩種通信方式，PLC的默認設置是只支持RS232通信，所以要使用RS485通信協(xié)議，必須事先用RS232(即PLC的編程口)通信，設置寄存器PLCD8120寄存器，所以必須具有編程電纜1條。圖3-7通信接線系統(tǒng)軟件設計概述溫度串級控制系統(tǒng)軟件設計分為兩個部分，組態(tài)軟件設計和PLC軟件設計。目前中國市場上的組態(tài)軟件產(chǎn)品按廠商劃分大致可以分為三類，即國外專業(yè)軟件廠商提供的產(chǎn)品，國內外硬件或系統(tǒng)廠商提供的產(chǎn)品，以與國內自行開發(fā)的國產(chǎn)化產(chǎn)品。從近幾年的調查結果來看，國內組態(tài)軟件市場大部分份額仍被國外幾家組態(tài)軟件占據(jù)，如：FIX、inTouch等。而這些“洋軟件”除了在功能完備性、產(chǎn)品包裝、市場推廣等方面具有一定優(yōu)勢外，并非所有方面盡善盡美。國產(chǎn)化的組態(tài)軟件產(chǎn)品也正在成為市場上的一支生力軍，近年來已有一定影響力的產(chǎn)品有組態(tài)王、Synall、MCGS、人工、ControlX、虎翼、力控等。國內有不少單位，如一些高校、研究所、公司，甚至一些個人正在積極地搞組態(tài)軟件產(chǎn)品的開發(fā)。國產(chǎn)化的組態(tài)軟件具有較強的價格競爭優(yōu)勢，但總的來講，由于資金來源缺乏，軟件工程的組織薄弱，因此軟件商品化的程度還比較差。目前國產(chǎn)化組態(tài)軟件主要使用于一些小型的非重要性的項目應用中[4]。組態(tài)軟件設計在開始組態(tài)工程之前，先對該工程進行剖析，以便從整體上把握工程的結構、流程、需實現(xiàn)的功能與如何實現(xiàn)這些功能。MCGS組態(tài)軟件的概述MCGS組態(tài)軟件是一套用于快速構造和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于Microsoft(各種32位Windows平臺上)運行，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，它充分利用了Windows圖形功能完備、界面一致性好、易學易用的特點，比以往使用專用機開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更具有通用性，在自動化領域有著更廣泛的應用[9]。MCGS即“監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)”，為工業(yè)過程控制和實時監(jiān)測領域服務的通用計算機系統(tǒng)軟件，具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點[6]。

MCGS組態(tài)軟件的系統(tǒng)構成(1)MCGS組態(tài)軟件的整體結構MCGS組態(tài)軟件(以下簡稱MCGS)由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運行環(huán)境”兩個系統(tǒng)組成，兩部分互相獨立，又緊密相關。如圖4-1所示：運行環(huán)境運行環(huán)境動態(tài)環(huán)境構建動畫流程控制報警組態(tài)設計報表設備連接動畫顯示現(xiàn)場控制報警輸出報表打印設備輸出實時數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)軟件核心多線程圖4-1MCGS的整體結構MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶應用系統(tǒng)的工作環(huán)境，MCGS運行環(huán)境是用戶應用系統(tǒng)的運行環(huán)境，都可執(zhí)行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目錄的Program子目錄中，運行環(huán)境中完成對工程的控制工作。(2)MCGS工程的五大部分MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構成，每一部分分別進行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性。主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一個設備窗口和多個用戶窗口，負責調度和管理這些窗口的打開或關閉。主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設計封面圖形，確定自動啟動的窗口，設定動畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱與存盤時間等。設備窗口：是連接和驅動外部設備的工作環(huán)境。在本窗口內配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設備，注冊設備驅動程序，定義連接與驅動設備用的數(shù)據(jù)變量。用戶窗口：本窗口主要用于設置工程中人機交互的界面，諸如：生成各種動畫顯示畫面、報警輸出、數(shù)據(jù)與曲線圖表等。實時數(shù)據(jù)庫：是工程各個部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將MCGS工程的各個部分連接成有機的整體。在本窗口內定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動畫連接與設備驅動的對象。運行策略：本窗口主要完成工程運行流程的控制。包括編寫控制程序(if…then腳本程序)，選用各種功能構件，如：數(shù)據(jù)提取、歷史曲線、定時器、配方操作、多媒體輸出等。

MGGS工控組態(tài)軟件MGGS工控組態(tài)軟件主控窗口設備窗口用戶窗口實時數(shù)據(jù)庫運行策略菜單設計設置工程屬性設定存盤結構添加工程設備連接設備變量注冊設備驅動創(chuàng)建動畫顯示設置報警窗口人機交互畫面定義數(shù)據(jù)變量編寫控制流程使用功能結構件圖4-2MCGS工程的五大部分組態(tài)軟件MCGS5.5通用版的介紹本設計中選用MCGS5.5通用版作為上位機的遠程控制設計。MCGS5.5通用版無論在界面的友好性、內部功能的強大性、系統(tǒng)的可擴充性、用戶的使用性以與設計理念上都有一個質的飛躍，是國內組態(tài)軟件行業(yè)劃時代的產(chǎn)品，必將帶領國內的組態(tài)軟件上一個新的臺階。MCGS5.5通用版組態(tài)軟件是一套基于Windows95和WindowsNT平臺(或更高版本)、用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，它提供了從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等解決實際工程問題的完整方案。系統(tǒng)主控畫面的設計在MCGS中，所建立的每一個應用稱為一個工程。每個工程必須在一個獨立的目錄下，不同的工程不能共用一個目錄。在每一個工程的路徑下，生成了一些重要的數(shù)據(jù)文件，這些數(shù)據(jù)文件不允許直接修改的工程建立。(1)鼠標單擊文件菜單中“新建工程”選項，如果MCGS安裝在D：盤根目錄下，則會在D：\MCGS\WORK\下自動生成新建工程，默認的工程名為：“新建工程X.MCG”(X表示新建工程的順序號，如：0、1、2等)；(2)選擇文件菜單中的“工程另存為”菜單項，彈出文件保存窗口；(3)在文件名一欄內輸入“加熱爐溫度取樣分析監(jiān)控系統(tǒng)”，點擊“保存”按鈕，工程創(chuàng)建完畢。畫面的建立：(1)在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0”；(2)選中“窗口0”，單擊“窗口屬性”，進入“用戶窗口屬性設置”；(3)將窗口名稱改為：加熱爐溫度取樣分析監(jiān)控系統(tǒng)；窗口標題改為加熱爐溫度取樣分析監(jiān)控系統(tǒng)；窗口位置選中“最大化顯示”，其它不變，單擊“確認”[10]；(4)在“用戶窗口”中，選中“加熱爐溫度取樣分析監(jiān)控系統(tǒng)”，點擊右鍵，選擇下拉菜單中的“設置為啟動窗口”選項，將該窗口設置為運行時自動加載的窗口。使用工具箱和對象元件庫：選中“加熱爐溫度取樣分析監(jiān)控系統(tǒng)”窗口圖標，單擊“動畫組態(tài)”，進入動畫組態(tài)窗口，開始編輯畫面。接下來在此畫面中繪制各種圖素。繪制圖素的主要工具放置在工具箱內。當畫面打開時，工具箱自動顯示。若工具箱沒有出現(xiàn)，擊工具條中的“工具箱”按鈕，即可打開繪圖工具箱。選擇“工具箱”內的“標簽”按鈕，鼠標的光標呈“十字”形，在窗口頂端中心位置拖拽鼠標，根據(jù)需要拉出一個一定大小的矩形。

在光標閃爍位置輸入文字“加熱爐溫度取樣分析監(jiān)控系統(tǒng)”，按回車鍵或在窗口任意位置用鼠標點擊一下，文字輸入完畢。如果要改變文字框的背景顏色、邊線顏色、字體和文字顏色，先選中文字框，然后在工具欄內分別點擊(填充色)按鈕、(線色)按鈕、(字符字體)按鈕、(字符顏色)按鈕，對文字框進行必要的修改。選擇工具箱“插入元件”，打開“對象元件庫”使用對象元件庫降低了工程人員設計界面的難度，用戶更加集中精力于維護數(shù)據(jù)庫和增強軟件內部的邏輯控制，縮短開發(fā)周期；同時用對象元件庫開發(fā)的軟件將具有統(tǒng)一的外觀。在對象元件庫中選擇不同的圖素，在畫面上分別做出閥門、管道、壓力表、取樣桿、分析儀、按鈕和指示燈等。定義數(shù)據(jù)對象：實時數(shù)據(jù)庫是MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)對象是構成實時數(shù)據(jù)庫的基本單元，建立實時數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)對象的過程。定義數(shù)據(jù)對象的內容包括：指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關的參數(shù)，如存盤的周期、存盤的時間范圍和保存期限等。動畫的連接：由圖形對象搭制而成的圖形畫面是靜止不動的，需要對這些圖形對象進行動畫設計，真實地描述外界對象的狀態(tài)變化，達到過程實時監(jiān)控的目的。MCGS實現(xiàn)圖形動畫設計的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關性連接，并設置相應的動畫屬性。在系統(tǒng)運行過程中，圖形對象的外觀和狀態(tài)特征，由數(shù)據(jù)對象的實時采集值驅動，從而實現(xiàn)了圖形的動畫效果。設備的連接：MCGS組態(tài)軟件提供了大量的工控領域常用的設備驅動程序。本系統(tǒng)的設備連接過程如下：(1)在工作臺“設備窗口”中雙擊“設備窗口”圖標進入；(2)點擊工具條中的“工具箱”圖標，打開“設備工具箱”；(3)單擊“設備工具箱”中的“設備管理”按鈕，

在可選設備列表中，雙擊“PLC設備”，在下方出現(xiàn)PLC設備圖標；(4)在出現(xiàn)的PLC設備圖標中，雙擊“三菱FX－232AW”，即可將“三菱FX－232AW”添加到右測選定設備列表中；(5)將設備管理中的“通用串口父設備”和“三菱FX－232AW”拖曳到設備窗口中即可如圖4-3所示：圖4-3設備連接窗口(6)雙擊“設備0—三菱FX－232AW”，彈出設備屬性設置對話框，在此進行設備通道的連接。編寫控制流程：用戶腳本程序是由用戶編制的、用來完成特定操作和處理的程序，腳本程序的編程語法非常類似于普通的Basic語言，但在概念和使用上更簡單直觀，力求做到使大多數(shù)普通用戶都能正確、快速地掌握和使用。本系統(tǒng)中對取樣桿的動作我們選用腳本程序來控制，通過電機的正反轉來控制取樣機的前進與后退。腳本程序如下所示：IF電機1=1THENIFgan<=120THENgan=gan+1.5ENDIFENDIFIF電機2=1THENIFgan>=5THENgan=gan-1.5ENDIFENDIFPLC軟件的程序設計(1)A/D模塊。完成對溫度的A/D轉換與數(shù)字濾波。由FX2N-4AD-Pt特殊模塊實現(xiàn)。FX2N-4AD-Pt模擬特殊模塊有4個輸入通道。輸入通道接收模擬信號并將其轉換成數(shù)字量。FX2N-4AD-Pt最大分辨率是12位。緩沖存儲器(BFM)的分配。如表4-1所示。部分A/D轉換程序，如圖4-4所示。表4-1緩沖存儲器的分配BFM內容*#0通道初始化，缺省值=H0000*#1通道1包含采樣數(shù)（1-4096），*#2通道2用于得到平均結果。*#3通道3缺省值設為8時，正常*#4通道4速度，高速操作可選擇1圖4-4A/D轉換程序(2)D/A模塊。完成對溫度的D/A轉換，由FX2N-4DA特殊模塊實現(xiàn)。FX2N-4DA特殊模塊有四個輸出通道。輸出通道接收數(shù)字信號并轉換成等價的模塊信號，稱為D/A轉換。FX2N-4DA最大分辨率是12倍。緩沖存儲器(BFM)的分配，如表4-2所示：表4-2緩沖存儲器分配表BFM內容W#0輸出模式選擇，出廠設置H0000#1#2#3#4#5數(shù)據(jù)保持模式，出廠設置H0000#6，#7保留[BFM#0]輸出模式選擇。BFM#0的值使每個通道的模擬輸出在電壓輸出和電流輸出之間切換。采用4位十六進制數(shù)的形式。第一位數(shù)字是通道1(CH1)的命令，而第二位數(shù)字則是通道2的(CH2)命令，依此類推。這4個數(shù)字的數(shù)字值分別代表：H0000=0：設置電壓輸出模式(-10V到+10V)H0000=1：設置電流輸出模式(+4A到20A)H0000=2：設置電流輸出模式(0A到20A)[BFM#1，#2，#3和#4]：輸出數(shù)據(jù)通道CH1，CH2，CH3，CH4。部分D/A轉換程序，如圖4-5所示。(3)溫度控制模塊程序設計溫度控制模塊主要是PID運算程序的設計其指令格式如下：s1s2s3D目標值(SV)測定值(PV)參數(shù)輸出值(MV)主控溫度設定值主控溫度測定值參數(shù)副控參數(shù)設定值副控參數(shù)設定值副控溫度測定值參數(shù)加熱器控制信號達到采樣時間的PID指令在其后掃描時進行PID運算。S1設定目標值(SV)；S2設定測定現(xiàn)在值(PV)；S3—S3+6設定控制參數(shù)。PID運算程序片段，如圖4-6所示。圖4-5D/A轉換程序圖4-6PID運算程序結論該系統(tǒng)具有良好的人機界面，能方便地在線修改參數(shù)，可以實現(xiàn)對整個加熱爐系統(tǒng)工藝流程的控制。能夠自動控制加熱爐溫度，并達到所需精度。(1)系統(tǒng)具備的主要功能本系統(tǒng)利用溫度傳感器、變送器、PLC與其配套的A/D轉換器件、上位計算機等，完成了電阻爐溫度可編程控制器串級控制系統(tǒng)的設計，以CX-programmerwindows為平臺，通過上位機和下位機的軟件設計，實現(xiàn)了電阻爐溫度的實時串級控制。(2)結論通過對PLC控制的加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)的設計，使我進一步對該系統(tǒng)有一個深刻的認識。本設計以PLC與MCGS組態(tài)軟件為依托，來實現(xiàn)該系統(tǒng)的取樣與分析。不僅克服了以前加熱爐溫度控制系統(tǒng)復雜、控制不連續(xù)的問題，而且實現(xiàn)了以計算機為輔助工具，對該系統(tǒng)進行精確的定量分析，并可通過遠程監(jiān)控來實現(xiàn)原系統(tǒng)不好操作的弱點。通過本次設計，使我對西門子系列PLC的特點有了更深的理解。掌握了PLC梯形圖、指令表、外部接線圖等基本知識以與PLC設計原理。