基于PLC和組態(tài)王的溫度控制系統(tǒng)設計

基于PLC和組態(tài)王的溫度限制系統(tǒng)的設計目錄第一章 系統(tǒng)及工控機的設計與選擇 1.1 系統(tǒng)整體設計方案 1.2 系統(tǒng)硬件各部分選型 1.3 傳感器Pt100的選型設計1.4溫度變送器選型設計其次章 PLC和HMI基礎 2.1 可編程限制器基礎 2.1.1 可編程限制器的產生和應用 2.1.2 可編程限制器的組成和工作原理 2.1.3 可編程限制器的分類及特點 2.2 人機界面基礎 2.2.1 人機界面的定義 2.2.2 人機界面產品的組成及工作原理 2.2.3 人機界面產品的特點 第三章 PLC限制系統(tǒng)硬件設計 3.1 PLC限制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟 3.1.1 PLC限制系統(tǒng)設計的基本原則 3.1.2 PLC限制系統(tǒng)設計的一般步驟 3.2 PLC的選型與硬件配置 3.2.1 PLC型號的選擇 3.2.2 S7-200CPU的選擇 3.2.3 EM231模擬量輸入模塊 3.2.4 熱電式傳感器 3.3 I/O點安排及電氣連接圖 3.4 PLC限制器的設計 3.4.1 限制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立 3.4.2 PID限制及參數(shù)整定 第四章 PLC限制系統(tǒng)軟件設計 4.1 PLC程序設計方法 4.2 編程軟件STEP7--Micro/WIN概述 4.2.1 STEP7-Micro/WIN簡潔介紹 4.2.2 梯形圖語言特點 4.2.3 STEP7-Micro/WIN參數(shù)設置（通訊設置） 4.3 程序設計 4.3.1 設計思路 4.3.2 限制程序流程圖 4.3.3 梯形圖程序 4.3.4 PID指令向導的運用 4.3.5 語句表（STL）程序 第五章 基于組態(tài)王的HMI設計 5.1 人機界面（HMI）設計 5.1.1 監(jiān)控主界面 5.1.2 實時趨勢曲線 5.1.3 歷史趨勢曲線 5.1.4 報警窗口 5.1.5 設定畫面 5.2 變量設置 5.3 動畫連接4第六章 系統(tǒng)運行結果及分析 6.1 系統(tǒng)運行 6.2 運行結果分析 6.2.1 溫度趨勢曲線分析 6.2.2 報警信息分析 第七章總結 參考文獻 摘要可編程限制器是一種應用很廣泛的自動限制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器限制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，具有限制實力強、操作敏捷便利、牢靠性高、相宜長期連續(xù)工作的特點，特別適合溫度限制的要求。在工業(yè)領域，隨著自動化程度的快速提高，用戶對限制系統(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。人機界面可以對限制系統(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，從而使限制系統(tǒng)變得操作人性化、過程可視化，在自動限制領域的作用日益顯著。本文主要介紹了基于西門子公司S7-200系列的可編程限制器和亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王的爐溫限制系統(tǒng)的設計方案。編程時調用了編程軟件STEP7-MicroWIN中自帶的PID限制模塊，使得程序更為簡潔，運行速度更為志向。利用組態(tài)軟件組態(tài)王設計人機界面，實現(xiàn)限制系統(tǒng)的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實時采樣與處理。試驗證明，此系統(tǒng)具有快、準、穩(wěn)等優(yōu)點，在工業(yè)溫度限制領域能夠廣泛應用。關鍵詞：溫度限制可編程限制器人機界面組態(tài)AbstractProgrammableLogicController(PLC)isakindofautomaticcontrolequipmentwhichiswidelyusedintheindustrialmanufacture.Itmergesthetraditionalcontroltechnology,computerandcommunicationtechnologieswithastrongabilitytocontrol,flexibleoperation,highreliabilityandsuitableforlong-termcharacteristicsofcontinuouswork.Itisverysuitablefortemperaturecontrolrequirements.Intheindustrialfield,withtherapidincreaseinthedegreeofautomation,itismoreandmoreimportanttomonitortheprocessofcontrolsystemfortheusers.Theemergenceofhuman-machineinterfacemeetstheneedsofusers.Man-machineinterfacecancomprehensivelymonitorthecontrolsystem,includingprocessmonitoring,alarm,dataloggingandotherfunctions,sothatthecontrolsystemshavebecomeuser-friendlyoperation,theprocessofvisualizationanditwillplaymoreandmoreimportantpartinthefieldofautomaticcontrol.ThisessaymainlyintroducesadesignoftemperaturecontrolsystemwithSIMATICprogrammablelogiccontroller(PLC)andconfigurationsoftwareKingviewwhichisdevelopedbyBeijingYakongCompany.Whenprogramming,weusethePIDcontrolarithmeticsoftwaremodulewhichiscontainedintheprogramsoftwareSTEP7-MicroWINsothattheprogramlookseasierandoperatesmorequickly.Inordertomonitorthecontrolsystemandprocessdatainactualtime,wedesignedHumanMachineInterface（HMI）withtheconfigurationsoftwareKingview.Theresultofexperimentprovesthatthistemperaturecontrolsystemcouldrunquickly,accuratelyandhavegoodstability,whichistheadvantageofthecontrolsystem.Thiscontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrialtemperaturecontrolfield.

Withthecontinuousdevelopmentofautomaticscienceandtechnology,high-precision,intelligent,user-friendlytemperaturecontrolsystemistheinevitabletrendofdevelopmentathomeandabroad.Keywords:TemperatureControlPLCHMIKingview系統(tǒng)及工控機的設計與選擇1.1系統(tǒng)整體設計方案1.1.1系統(tǒng)整體設計原理要實現(xiàn)計算機限制，外部的設備（檢測機構和執(zhí)行機構）都是采納的模擬量信號，但是計算機不能識別模擬量信號，只能識別是數(shù)字量信號，所以要實現(xiàn)計算機限制必需實現(xiàn)模擬量信號到數(shù)字量轉換和數(shù)字信號到模擬量信號的轉換[3]。因此，依據(jù)設計要求，本設計以IPC板卡為核心，外加研華610H工業(yè)限制計算機、Pt100溫度傳感器、SBWZ溫度變送器等其它外圍設備搭建硬件線路構成一個單閉環(huán)溫度限制系統(tǒng)；用工業(yè)限制計算機作限制器，通過IPC板卡的溫度采集、模數(shù)轉換和功放輸出，搭建用數(shù)據(jù)采集板卡進行現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)采集和用功放輸出板卡進行輸出限制的硬件線路，用工控機的組態(tài)軟件編寫板卡溫度量采集與監(jiān)控程序并設計PID限制算法，并用組態(tài)軟件編制組態(tài)界面實現(xiàn)溫度的顯示限制，可以實時監(jiān)測當前溫度，并進行溫度的實時限制，實現(xiàn)在0-100℃溫度范圍內限制精度為±0.5℃的溫度限制。工控機IPC5373低壓繼電器接觸器加熱器鍋爐PT100溫度變送器接線端子A/D轉換PCL818L系統(tǒng)具體組建方案：電加熱鍋爐中水的當前溫度經過Pt100熱電阻測量后得到對應電阻值變更，傳送到SBWZ溫度變送器，得到4-20mA的電流信號，經串聯(lián)一個250Ω的電阻，得到1-5V模擬電壓信號，通過研華的PCL-818L板卡的A/D轉換，將采集外部溫度傳感器和變送裝置測量現(xiàn)場得到的電壓信號轉換為計算機可識別的數(shù)字量信號，送入計算機，本設計用VB來讀取這個數(shù)字量信號。為達到預期目標溫度，選擇限制算法，用組態(tài)軟件自帶的限制模塊編寫一個數(shù)字PID程序，對系統(tǒng)進行PID參數(shù)的調整，找尋最好的適合系統(tǒng)的最佳的PID參數(shù)的值。實現(xiàn)對輸入的信號的分析處理，然后通過組態(tài)王限制算法PID算法程序進行運算調整，得出PID限制器的輸出值，經康拓IPC5373板卡的D/A轉換，將數(shù)字量信號轉換成低壓繼電器可識別的開關量信號，輸出限制中間繼電器。中間繼電器為接觸器給定限制信號，接觸器的通斷則執(zhí)行了對加熱過程的限制，實現(xiàn)限制繼電器的接通與斷開時間，進而限制電加熱鍋爐的接通與斷開來達到限制水溫的目的，從而實現(xiàn)對鍋爐溫度的實時限制。如圖1所示為計算機溫度監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖。工控機IPC5373低壓繼電器接觸器加熱器鍋爐PT100溫度變送器接線端子A/D轉換PCL818L 圖1計算機溫度監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖 依據(jù)限制要求，溫度單回路限制系統(tǒng)的限制參數(shù)是電加熱鍋爐中水的溫度，課題設計要求實現(xiàn)的目標是電加熱鍋爐中水的溫度達到設定值。在這里以研華610H工業(yè)限制計算機作為限制器，Pt100熱電阻作為溫度傳感器，SBWZ溫度變送器，PCL-818L板卡和IPC5373板卡分別作為信號輸入和限制輸出單元，完成系統(tǒng)的A/D和D/A轉換，電磁低壓繼電器、溝通接觸器作為執(zhí)行器，電加熱絲為被控對象[4]。1.1.2系統(tǒng)設計過程流程圖在系統(tǒng)設計過程中，首先應考慮限制任務中須要解決或重點探究的地方，依據(jù)任務需求，選擇系統(tǒng)設計中須要的硬件和軟件。在外圍硬件電路搭建完成之后，依據(jù)硬件編寫合適的限制程序。然后就可以進入到調試環(huán)節(jié)，調試，修改，調試，修改。從而達到所須要的限制效果。在本次系統(tǒng)設計中，評估限制任務的目的是為了考慮現(xiàn)場實際應用和限制要求、任務，從而確定系統(tǒng)設計的最終可行性方案。在方案設計完成以后，就須要選用肯定的硬件和軟件了，硬件是系統(tǒng)的肉體，軟件是系統(tǒng)的靈魂，兩者結合才會是一個完備的系統(tǒng)設計。在硬件中，對各部分的選型，對硬件的學習、了解等都是前期必須要駕馭的內容，駕馭好每個部分，才能夠將部分聯(lián)系成整體。將整體系統(tǒng)連接起來以后，起先聯(lián)機調試，發(fā)覺未處理、未考慮到的問題剛好的處理，那么這套系統(tǒng)就可以完成了。系統(tǒng)設計圖如圖2所示。1.2系統(tǒng)硬件各部分選型1.2.1板卡選型設計板卡在系統(tǒng)設計中的作用就是信號處理，即模擬量到數(shù)字量的轉換，數(shù)字量到模擬量的轉換。為了能夠滿足設計要求，順當?shù)赝瓿杀敬卧O計，查閱了相關的資料，結合對市場上的主流板卡品牌的了解，再綜合考慮到學校試驗室的具體狀況，在此設計中，模擬量到數(shù)字量的轉換即為A/D轉換，本次設計所選用的數(shù)據(jù)采集輸入板卡為研華PCL-818LA/D板卡，數(shù)字量到模擬量的轉換即為D/A轉換，本次設計所選用的數(shù)據(jù)輸出板卡為康拓IPC5373板卡。模擬量輸入通道的板卡設計模擬量輸入通道主要的設備就是數(shù)據(jù)采集輸入板卡為研華PCL-818LA/D板卡，它的主要功能是實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的一個A/D轉換。研華PCL—818LA/D板卡主要技術規(guī)格[5]如下：①12位A/D辨別率。②最高可達100kS/s的采樣率。③16通道單端或8通道差分輸入。④單極性或雙極性模擬量輸入范圍。⑤雙極模擬輸入范圍。⑥可編程的增益設置：×0.5，×1，×2，×4，×8。⑦輸入范圍：±10V、±5V、±2.5V、±1.25V、±0.625V、0-10V、0-5V、0-2.5V。⑧自動模擬輸入掃描；模擬輸入支持DMA傳輸方式。⑨2通道12位多路切換模擬輸出，1通道16位通用定時/計數(shù)器。⑩16通道TTL數(shù)字輸入和16通道TTL數(shù)字輸出。PCL-818L是PCL-818系列中的入門級板卡。該板卡可以供要求低價位的用戶運用。除了采樣速率為40KHz，以及只能接受雙極性輸入外，其他功能和PCL-818HD和PCL-818HG完全相同。這樣無需更改硬件或軟件，就可以將應用升級到高性能的數(shù)據(jù)采集卡。PCL-818L具備全部數(shù)據(jù)采集卡的功能，例如，A/D、D/A轉換、DIO和定時/計數(shù)器，本卡的高規(guī)格使其在須要高速采集的狀況下得到廣泛應用。PCL-818L為低電平輸入(例如，熱耦合信號測量)供應特地的高增益可編程儀表放大器。PCL-818L板卡在全部增益下最高可達到100kS/s高速采樣率。PCL-818L具有16路單端輸入和雙極性輸出，PCL-818L具有2路12位雙緩沖模擬輸出，16路數(shù)字輸入和16路數(shù)字輸出，1個通用定時/計數(shù)器。板卡完整具體原理及規(guī)格請參見《研華PCL-818系列板卡中文手冊》。數(shù)字量輸出通道的板卡設計數(shù)字量輸出通道主要的設備就是康拓IPC537332路光隔開關量功放輸出板卡，它的主要功能是實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的一個D/A轉換。IPC5373板是一種帶光電耦合器件的開關量輸出板，它可以實現(xiàn)PC總線與被測工業(yè)設備或數(shù)字儀器之間完全的電隔離，以消退公共地線和電源的干擾。從而使工業(yè)設備和微機系統(tǒng)牢靠工作。此外，它還具有較強的輸出驅動實力和電平轉換實力?？筛纱囹寗永^電器、電磁閥等。其主要技術規(guī)格[6]如下：①PC總線與用戶接口設備之間實現(xiàn)完全的電隔離，隔離電壓2500Vrms。②32個開關量輸出，占用4個連續(xù)口地址：154H-157H。③各輸出信號具有鎖存功能，上電復位清零。④采納達林頓管功放集電極開路輸出，負載電源5～40V，驅動電流單路最大200mA，每片達林頓管負載電流最大500mA，可干脆驅動繼電器、電磁閥等。⑤用戶接口為40芯扁平電纜插座（IPC5373）或37芯D型連接器（IPC5373D），IPC5373D板上帶DC/DC，不用外接電源。具體功能以及電路原理請參見《IPC5373運用說明書》。1.2.2工控機的選型設計工控機就是工業(yè)限制用電腦，其主要是指用在是專供工業(yè)界運用的個人電腦，可作為工業(yè)限制器運用。工業(yè)電腦基本性能與相容性與同樣規(guī)格的商用個人電腦相差無幾，但是工業(yè)電腦更多的防護措施，留意的部份在不同環(huán)境下的穩(wěn)定，如防塵、防水、防靜電等。工業(yè)用電腦并不要求當前最高效能，只求達到符合系統(tǒng)的要求，需符合工業(yè)環(huán)境中的牢靠性要求與穩(wěn)定，否則用于生產線萬一遇到電腦當機，則可能造成嚴峻損失，因此工業(yè)用電腦所要求的標準值都有要求符合嚴格的規(guī)范與擴充性。結合本次設計和學校試驗室的具體狀況，本次設計所選用的安裝協(xié)作所選用的板卡的計算機為研華610H工控機及其配套設備。其主要技術規(guī)格如下：①4U高度，支持14槽背板。②配置300WATXPFCPS/2電源。③前端可安裝3個半高磁盤驅動器，一個3.5FDD和一個3.5磁盤驅動器。④前置USB/PS2接口。⑤前置系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測模塊。⑥能抗沖擊，振蕩，并且能在高溫下穩(wěn)定工作。⑦支持ATX母板和400WPFC電源。⑧IPC的其他配件基本上都與PC機兼容，主要有CPU、內存、顯卡、硬盤、軟驅、鍵盤、鼠標、光驅、顯示器等。在此設計中，值得留意的是試驗室工控機的開關按鈕或許是組裝過或者修理過，不是只按下?lián)軇娱_關就行了，而是按下“1”之后，還須要撥動它彈起來回到“0”處，才能正常的開機。1.3傳感器Pt100的選型設計傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置設備，它能感受到被測量的信息信號，并能將檢測感受到的信息信號，按肯定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和限制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動限制的首要環(huán)節(jié)。在此次系統(tǒng)設計中，我們的被測量是溫度信號，即鍋爐內的水溫，為此考慮設計條件，我們選擇較為成熟的Pt100。Pt100為鉑熱電阻。它的阻值會隨著溫度變更而變更，且成正比關系。Pt100的阻值與溫度的變更關系為：當Pt100溫度為0度時，它的阻值為100歐姆，在100度時它的阻值為138.5歐姆。它的工作原理是：當Pt100在0度的時候，它的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而勻速增長。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用下面這個近似的關系式來表示：Rt=Rt0[1+a（t-t0）]。式子中，Rt為溫度t時的阻值，Rt0為溫度t0時對應的電阻值，a為溫度系數(shù)。半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系為：Rt=Aet/t。式子中Rt為溫度為t時的阻值；A、B取決于半導體材料的結構的常數(shù)。相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上），但互換性較差，非線性嚴峻，測溫范圍只有-50~300℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和限制。金屬熱電阻一般適用于-200~500℃范圍內的溫度測量，其特點是測量精確、穩(wěn)定性好、性能牢靠，在程限制中的應用極其廣泛。熱電阻實物如圖6所示。工業(yè)上常用金屬熱電阻從電阻隨溫度的變更來看，大部分金屬導體都有這特性質，但并不是都能用作測溫熱電阻，作為熱電阻的金屬材料一般要求：盡可能大而且穩(wěn)定的溫度系數(shù)、電阻率要大（在同樣靈敏度下減小傳感器的尺寸）、在運用的溫度范圍內具有穩(wěn)定的化學物理性能、材料的復制性好、電阻值隨溫度變更要有間值函數(shù)關系（最好呈線性關系）。1.4溫度變送器選型設計變送器（transmitter）是把傳感器的輸出信號轉變?yōu)榭杀幌拗破髯R別的信號（或將傳感器輸入的非電量轉換成工業(yè)用標準的電信號，同時放大以便供遠方測量和限制的信號源）的轉換器。傳感器和變送器一同構成自動限制的監(jiān)測信號源。不同的物理量須要不同的傳感器和相應的變送器。SBWZ系列溫度變送器是一種小型、高精度的測溫儀表。與現(xiàn)場傳感器連在一起構成測溫回路。它采納二線制傳送方式（兩根導線作為電源輸入，同時作為信號輸出的公用傳輸線），將熱電阻的信號變換成線性的4-20mA輸出的電流信號。溫度變送器作為新一代測溫儀表可廣泛應用于冶金、石油、化工、電力、輕工、紡織、食品、國防以及科研等工業(yè)部門。其應用特點如下：①采納密封結構，因此耐震，耐濕，適合惡劣現(xiàn)場環(huán)境中安裝運用。②輸出4-20mA，補償導線費用低，信號長距離傳送過程中的抗干擾實力強。③變送器具有輸入端開路指示功能。④精度高、功耗低，運用環(huán)境溫度范圍寬，工作穩(wěn)定牢靠。溫度變送器技術參數(shù)如下表1所示。表1溫度變送器參數(shù)規(guī)格參數(shù)工作制式4-20ma輸出（兩線制或三線制）精度等級0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS。工作電壓DC24V±1V量程范圍-50℃-50℃；0℃-50℃;0℃-100℃;0℃-150℃;0℃-200℃;0℃-300℃;0℃-600℃工作環(huán)境溫度:-0℃~85℃,濕度:0～95%RH負載實力≤500Ω.外形尺寸45mm×41mm（1）調試步驟:在左邊輸入端接入標準電阻箱（如ZX38/11型和ZX-25a型），其中上兩路為電阻箱的公共端，在輸出端串接上標準電流表和24VDC穩(wěn)壓電源。變更信號源發(fā)生器(電阻箱)，使之等于量程的下限對應阻值，調整調零電位器，使電流表的讀數(shù)為4mA，變更信號源，使之等于量程的上限對應阻值，調整調滿電位器，使電流表的讀數(shù)為20mA即可。例：輸入型號為Pt100，量程為0～100℃的溫度變送器標定，正確接線后，電阻箱輸出阻值100Ω，調整調零電位器，使電流表讀數(shù)為4mA；電阻箱輸出阻值為138.5Ω（即鉑熱電阻在100℃時對應的電阻值），調整調滿電位器，使電流表的讀數(shù)為20mA。（2）應用說明：PT100為熱電阻傳感器，采集到的電流信號給SBWZ溫度變送器，進而轉換為標準的4-20ma電流信號，然而PCL818L的模擬量輸入通道接收的是電壓信號，所以須要在其輸出端并聯(lián)上一個250Ω的電阻，轉換為1-5V電壓信號。1.5其它硬件設備選型1.5.1外部接線端子為協(xié)作各部件的整體互聯(lián)，本次設計所選用的連接現(xiàn)場儀表變送器與數(shù)據(jù)采集輸入板卡的接線端子為研華PCLD8115接線端子，其主要作用就是為了便利與數(shù)據(jù)采集輸入板卡之間的接線，在溫度變送器與輸入板卡之間架起一道橋梁。其主要技術規(guī)格如下：①工業(yè)接線端子板；②用于818L/818HG/1800等；③支持PCL-818系列多功能數(shù)據(jù)采集限制卡；④易于安裝的DIN導軌安裝外殼；⑤低成本螺絲端子板；⑥能在惡劣環(huán)境中牢靠連接的工業(yè)端子板。為了完善系統(tǒng)功能，完成外圍限制硬件電路的完整搭建，還選用了以下元器件：低壓中間繼電器（24V）、溝通接觸器（220V）、小型加熱鍋爐、按鈕開關、信號指示燈（220V）、空氣開關、導線若干、接線端子排和電源排插。1.5.2繼電器依據(jù)設計的要求，在選用繼電器時主要考慮工作條件以及安裝運用便利還有工作穩(wěn)定性，加熱絲功率是1500W，最大工作電流I=6.8A，因此選用HH52P型小型繼電器，HH52P系列小型繼電器，配套底座PYF08A,適用于溝通50Hz或60Hz，可承受電流AC：7A,DC：5A，符合鍋爐加熱絲的負載要求，線圈的承受電壓AC：6～380V，DC：5～220V，供電子設備、通訊設備、電子計算機限制設備、自動化限制裝置等動作切換電路及擴大限制范圍運用。其規(guī)格品種屬于基型、磁保持性、帶指示燈、帶浪涌抑制；電壽命：50萬次；安裝方式：插拔式；特點：體積小、容量大、壽命長。底部有八個引腳，分別為1、2、3、4、5、6、7、8，說明如下：7、8為線圈1、3、5是一組觸頭，5是公共點，5與1為常閉，5與3為常開，2、4、6為一組觸頭，6是公共點，6與2為常閉，6與4為常開，當7、8得到線圈額定電壓后，5、3閉合5、1斷開；同時6、4閉合，6、2斷開，失電后復原原狀。1.5.3溝通接觸器依據(jù)設計選用的加熱絲功率為1500W，電壓為220V，正常工作電流I=6.8A，沒有特殊要求，所以接觸器就可以選用運用廣泛的、購買便利的、價格較低的CJ20-10型溝通接觸器。CJ20-10溝通接觸器（以下簡稱接觸器）適用于50Hz，最大電壓至660V電流至63A的電力系統(tǒng)中接通與分斷電路，還可用于與適當?shù)臒崂^電器或電子式愛護裝置組合成電機起動器以愛護可能發(fā)生過載的電路。進線接1/L13/L25/L37/L4三相四線制，出線接2/T14/T26/T38/T4三相四線制，假如只接三相可以只用前三對觸頭；11、12和41、42是兩對常閉觸頭，接聯(lián)鎖電路和停機指示的；2324和3334是兩對常開觸頭，接自鎖電路和運行指示的。額定絕緣電壓660V，額定工作電壓220V；380V,約定發(fā)熱電流10A，接380V的三相溝通電時額定工作電流10A，機械壽命1000萬次，在380V工作電壓下電壽命100萬次，在380V工作電壓下操作頻率1200次/時，接線實力截面積為1.5的銅導線。1.6PLC和HMI基礎可編程邏輯限制器是一種工業(yè)限制計算機，簡稱PLC（ProgrammableLogicController），它運用了可編程序的記憶以存儲指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、依次、計時、計數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以限制各種機械或生產過程。1.6.1可編程限制器基礎可編程限制器的產生和應用20世紀60年頭，計算機技術起先應用于工業(yè)領域，由于價格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應惡劣工業(yè)環(huán)境等緣由，未能在工業(yè)限制領域獲得推廣。1968年，美國通用汽車公司（GM）為了適應生產工藝不斷更新的須要，要求找尋一種比繼電器更牢靠、功能更齊全、響應速度更快的新型工業(yè)限制器，并從用戶角度提出了新一代限制器應具備的十大條件，馬上引發(fā)了開發(fā)熱潮。1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）依據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制勝利了世界上第一臺可編程限制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。從今這項技術快速發(fā)展起來。隨著PLC功能的不斷完善，性價比的不斷提高，PLC的應用面也越來越廣。目前，PLC在國內外已經廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化消遣等各個行業(yè)。PLC的應用范圍通?？煞譃殚_關邏輯限制、運動限制、過程限制、機械加工中的數(shù)字限制、機器人限制、通信和聯(lián)網等[5]?？删幊滔拗破鞯慕M成和工作原理PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結構上基本相同。無論是整體式還是模塊式，從硬件結構看，PLC都是由CPU、存儲器、I/O接口單元及擴展接口和擴展部件、外設接口及外設和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。PLC的基本結構如圖2-1所示：輸輸入接口中心處理單元CPU輸出接口主程序存儲單元圖2-1PLC基本結構圖1）CPU（中心處理器）CPU是PLC的核心，由運算器、限制器、寄存器、系統(tǒng)總線，外圍芯片、總線接口及有關電路構成。它的功能是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，是PLC不行缺少的組成單元。主要功能包括以下幾個方面。（1）接收從編程器或者計算機輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲器存儲。（2）監(jiān)視電源、PLC內部各個單元電路的工作狀態(tài)。（3）診斷編程過程中的語法錯誤，對用戶程序進行編譯。（4）在PLC進入運行狀態(tài)后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。（5）采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。（6）按程序進行處理，依據(jù)運算結果，更新有關標記位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的內容。（7）依據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關內容，將結果送到輸出接口。（8）響應中斷和各種外圍設備（如編程器、打印機等）的任務處理懇求。2）I/O接口PLC是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置實力的限制，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。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)。PLC的對外功能主要是通過各種I/O接口模塊于外界聯(lián)系來實現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是PLC與現(xiàn)場I/O裝置或設備之間的連接部件，起著PLC與外部設備之間的傳遞信息的作用。I/O模塊分為開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。3）存儲器存儲器（內存）主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不行缺少的組成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。系統(tǒng)程序存儲器用于存儲整個系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采納只讀存儲器（ROM），具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲器用于存儲用戶依據(jù)工藝要求或者限制功能設計的限制程序，早期一般采納隨機讀寫存儲器（RAM），須要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采納電可擦除的只讀存儲器（EEPROM）或閃存(FlashMemory)，免去了后備電池的麻煩。4）電源模塊PLC中的電源，是為PLC各模塊的集成電路供應工作電源。電源可分直流和溝通兩種類型，溝通輸入220VAC或110VAC，，直流輸入通常是24V。5）智能模塊除了上述通用的I/O模塊外，PLC還供應了各種各樣的特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度限制、中斷限制、位置限制、以太網、遠程I/O限制、打印機等專用型或智能型的I/O模塊，用以滿足各種特殊功能的限制要求。I/O模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的敏捷性越好，模塊的I/O容量越大，系統(tǒng)的適應性就越強。6）編程設備常見的編程設備有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。編程設備用于輸入和編輯用戶程序，對系統(tǒng)作些設定，監(jiān)控PLC及PLC所限制的系統(tǒng)的工作狀況。編程設備在PLC的應用系統(tǒng)設計與調試、監(jiān)控運行和檢查維護中是不行缺少的部件，但不干脆參加現(xiàn)場的限制。PLC本質上就是一臺微型計算機，其工作原理與一般計算機類似，具有計算機的很多特點。但其工作方式卻與計算機有著較大的不同，具有肯定的特殊性。PLC采納循環(huán)掃描的工作方式。工作時逐條依次掃描用戶程序，假如一個線圈接通或斷開，該線圈的全部觸點不會馬上動作，需等掃描到該觸點時才會動作[6]?？删幊滔拗破鞯姆诸惣疤攸c依據(jù)PLC的結構形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式PLC。還可以按I/O點數(shù)分類，依據(jù)PLC的I/O點數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型、大型和超大型四類:I／O點數(shù)在256以下為小型PLC；I／O點數(shù)在256～1024為中型PLC；I／O點數(shù)大于1024為大型PLC；I／O點數(shù)在4000以上為超大型PLC可編程限制器有牢靠性高、編程簡潔易學、功能強、安裝簡潔、修理便利、采納模塊化結構、接口模塊豐富、系統(tǒng)設計與調試周期短等特點[7]。1.7人機界面基礎隨著社會的進步，工業(yè)自動化技術迅猛發(fā)展，限制系統(tǒng)功能越來越強大，限制過程也變得越來越困難，系統(tǒng)操作最大透亮化已經成為一種須要。人機界面（HMIHumanMachineInterface）以其美觀易懂、操作人性化等顯著特點，正好滿足這種需求而得到廣泛的應用。人機界面的定義人機界面是指連接可編程限制器（PLC）、變頻器、直流調速器、儀表等工業(yè)限制設備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數(shù)或輸入操作吩咐，實現(xiàn)人與機器信息交互的數(shù)字設備,由硬件和軟件兩部分組成。人機界面產品的組成及工作原理人機界面產品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理器的性能確定了HMI產品的性能凹凸，是HMI的核心單元。依據(jù)HMI的產品等級不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件分為兩部分，即運行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于PC機Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如組態(tài)王等）。用戶必需先運用組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI產品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。人機界面產品的特點(1)系統(tǒng)運行過程清楚化限制過程可以動態(tài)地顯示在HMI設備上。例如：爐子加熱通斷可以通過指示燈亮滅來顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來指示等等，使整個限制系統(tǒng)變得形象易懂，也更加清楚。(2)系統(tǒng)操作簡潔化操作員可以通過監(jiān)控界面來限制過程?？蓮谋O(jiān)控界面上啟動和停止系統(tǒng)、設定溫度上下限、設置PID參數(shù)等。(3)顯示報警限制過程達到臨界狀態(tài)或系統(tǒng)運行錯誤時會自動觸發(fā)報警，例如，當爐子溫度超出溫度上下限時自動觸發(fā)報警。(4)數(shù)據(jù)歸檔HMI系統(tǒng)可以記錄過程變量值和報警信息并歸檔。例如：通過歸檔數(shù)據(jù)，您可以查看過去一段時間的系統(tǒng)運行狀況，過程變量等。(5)報表系統(tǒng)HMI系統(tǒng)可以輸出報警和過程值報表。例如，您可以在生產某一輪班結束時打印輸誕生產數(shù)據(jù)[8]。PLC限制系統(tǒng)硬件設計在駕馭了PLC的硬件構成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可以PLC作為主要限制器來構造PLC限制系統(tǒng)。本章主要從系統(tǒng)設計結構和硬件設計角度，介紹該項目的PLC限制系統(tǒng)設計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設計以及PLC限制器的設計和參數(shù)的整定。PLC限制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟弄懂PLC的基本工作原理和指令系統(tǒng)后,就可以把PLC應用到實際的工程項目中。無論是用PLC組成集散限制系統(tǒng)，還是獨立限制系統(tǒng)，PLC限制部分的設計都可以參考圖3-1所示的步驟。PLC限制系統(tǒng)設計的基本原則任何一種電氣限制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象(生產設備或生產過程)的工藝要求，以提高生產效率和產品質量。而在實際設計過程中，設計原則往往會涉及很多方面，其中最基本的設計原則可以歸納為4點。1.設計原則(1)完整性原則。最大限度的滿足工業(yè)生產過程或機械設備的限制要求。(2)牢靠性原則。確保計算機限制系統(tǒng)的牢靠性。(3)經濟型原則。力求限制系統(tǒng)簡潔、好用、合理。(4)發(fā)展性原則。適當考慮生產發(fā)展和工藝改進的須要，在I/O接口、通信實力等方面留有余地。2.評估限制任務依據(jù)系統(tǒng)所需完成的限制任務，對被控對象的生產工藝及特點進行具體分析，特殊是從以下幾個方面給以考慮。(1)限制規(guī)模一個限制系統(tǒng)的限制規(guī)模可用該系統(tǒng)的I/O設備總數(shù)來衡量。當限制規(guī)模較大時,特殊是開關量限制的I/O設備較多時，最適合采納PLC限制。(2)工藝困難程度當工藝要求較困難時,采納PLC限制具有更大的優(yōu)越性.(3)牢靠性要求目前,當I/O點數(shù)在20甚至更少時，就趨向于選擇PLC限制了。(4)數(shù)據(jù)處理速度若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程限制為主時，采納PLC限制將特別相宜[9]。評估限制任務評估限制任務PLC機型的選擇限制柜設計及布線程序設計聯(lián)機調試PLC安裝程序檢查、調試限制流程的設計程序備份修改軟、硬件模擬運行投入運用是否滿足要求圖3-1PLC限制系統(tǒng)設計步驟PLC限制系統(tǒng)設計的一般步驟PLC限制系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計。所謂硬件設計，是指PLC外部設備的設計，而軟件設計即PLC應用程序的設計。整個系統(tǒng)的設計分以下5步進行。1.熟識被控對象深化了解被控系統(tǒng)是設計限制系統(tǒng)的基礎。設計人員必需深化現(xiàn)場，仔細調查探討，收集資料，并于相關技術人員和操作人員一起分析探討，相互協(xié)作，共同解決設計中出現(xiàn)的問題。這一階段必需對被控對象全部功能全面的了解，對對象的各種動作及動作時序、動作條件、必要的互鎖與愛護;電氣系統(tǒng)與機械、液壓、氣動及各儀表等系統(tǒng)間的關系;PLC與其他設備的關系，PLC之間是否通信聯(lián)網;系統(tǒng)的工作方式及人機界面，須要顯示的物理量及顯示方式等。2.硬件選擇具體包括如下。(1)系統(tǒng)I/O設備的選擇。輸入設備包括按紐、位置開關、轉換開關及各種傳感器等。輸出設備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等。(2)選擇PLC。PLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。(3)PLC的I/O端口安排。在進行I/O通道安排時應給出I/O通道安排表，表中應包含I/O編號、設備代號、名稱及功能等。(4)繪制PLC外圍硬件線路圖。畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入PLC的限制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經確定。(5)計數(shù)器、定時器及內部協(xié)助繼電器的地址安排。3.編寫應用程序依據(jù)限制系統(tǒng)的要求，采納合適的設計方法來設計PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)限制要求為主線，逐一編寫實現(xiàn)各限制功能或各子任務的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常還應包括以下內容：(1)初始化程序。在PLC上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動作必要的打算，避開系統(tǒng)發(fā)生誤動作。初始化程序的主要內容有：對某些數(shù)據(jù)區(qū)、計數(shù)器等進行清零，對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進行復原，對某些繼電器進行置位或復位，對某些初始狀態(tài)進行顯示等等。(2)檢測、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對獨立，一般在程序設計基本完成時再添加。(3)愛護和連鎖程序。愛護和連鎖是程序中不行缺少的部分，必需仔細加以考慮。它可以避開由于非法操作而引起的限制邏輯混亂。4.程序調試程序調試分為2個階段，第一階段是模擬調試、其次階段是現(xiàn)場調試。程序模擬調試是，以便利的形式模擬產生現(xiàn)場實際狀態(tài)，為程序的運行創(chuàng)建必要的環(huán)境條件。依據(jù)產生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。(1)硬件模擬法是運用一些硬件設備（如用另一臺PLC或一些輸入器件等）模擬產生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時效性較強。(2)軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套模擬程序，模擬供應現(xiàn)場信號，其簡潔易行，但時效性不易保證。模擬調試過程中，可采納分段調試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能?，F(xiàn)場調試。當限制臺及現(xiàn)場施工完畢，程序模擬調試完成后，就可以進行現(xiàn)場調試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，剛好更正軟硬件方面的問題。5.編寫技術文件技術文件包括設計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、PLC程序以及運用說明書等[10]。PLC的選型與硬件配置PLC型號的選擇本溫度限制系統(tǒng)選擇德國西門子公司的S7-200系列的PLC。S7-200PLC屬于小型整體式的PLC,本機自帶RS-485通信接口、內置電源和I/O接口。它的硬件配置敏捷，既可用一個單獨的S7-200CPU構成一個簡潔的數(shù)字量限制系統(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，構成較困難的中等規(guī)模限制系統(tǒng)[10]。S7-200CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型。此系統(tǒng)選用S7-200CPU226，CPU226集成了24點輸入/16點輸出，共有40個數(shù)字量I/O?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至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限制器。配有2個RS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊實力，波特率最高為38.4kbit/s，可用于較高要求的中小型限制系統(tǒng)[11]。本溫度限制系統(tǒng)由于輸入/輸出點數(shù)不多，本可以運用CPU224以下的類型，不過為了能調用編程軟件STEP7里的PID模塊，只能采納CPU226及以上機種。EM231模擬量輸入模塊本溫度限制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉換成0～41mv的電壓信號，系統(tǒng)須要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉換成數(shù)字信號再送入PLC中進行處理。在這里，我們選用了西門子EM2314TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊供應一個便利的，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(±80mV范圍)，全部連到模塊上的熱電偶必需是相同類型，且最好運用帶屏蔽的熱電偶傳感器。EM231模塊須要用戶通過DIP開關進行組態(tài)：SW1～SW3用于選擇熱電偶類型，SW4沒有運用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進行斷線檢測，SW7用于選擇測量單位，SW8用于選擇是否進行冷端補償。本系統(tǒng)用的是K型熱電偶，所以DIP開關SW1～SW8組態(tài)為00100000；EM231具體技術指標見表3-1。表3-1EM231技術指標型號EM231模擬量輸入模塊總體特性外形尺寸：71.2mm×80mm×62mm功耗：3W輸入特性本機輸入：4路模擬量輸入電源電壓：標準DC24V/4mA輸入類型：0~10V，0~5V，±5V,±2.5V,0~20mA辨別率：12Bit轉換速度：250μS隔離：有耗電從CPU的DC5V（I/O總線）耗電10mADIP開關SW10,SW20,SW31（以K型熱電偶為例）表3-2所示為如何運用DIP開關設置EM231模塊，開關1、2和3可選擇模擬量輸入范圍。全部的輸入設置成相同的模擬量輸入范圍。表中，ON為接通，OFF為斷開。表3-2EM231選擇模擬量輸入范圍的開關表單極性滿量程輸入辨別率SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2.5mVONOFF0到5V1.25mV0到20mA5uA雙極性滿量程輸入辨別率SW1SW2SW3OFFOFFON±5V2.5mVONOFF±2.5V1.25mV熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變更轉化為電量變更的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉換為電勢和電阻的方法最為普遍。其中最常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變更轉換為電勢變更,而熱電阻是將溫度變更轉換為電阻的變更。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產中已得到廣泛應用。該系統(tǒng)中須要用傳感器將溫度轉換成電壓，且爐子的溫度最高達幾百度,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元件之一。國際標準熱電偶有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，其測溫范圍大約是0～1000℃。系統(tǒng)里的烤爐最高溫度不過幾百度，加上肯定的裕度就足夠了，另外其成本也不算高[12]。I/O點安排及電氣連接圖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)繼電器該溫度限制系統(tǒng)中I/O點安排表如表3-4所示。表3-4I/O點安排表2)系統(tǒng)整體設計方案及硬件連接圖。系統(tǒng)選用PLCCPU226為限制器，K型熱電偶將檢測到的實際爐溫轉化為電壓信號，經過EM231模擬量輸入模塊轉換成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調整，PID限制器輸出量轉化成占空比，通過固態(tài)繼電器限制爐子加熱的通斷來實現(xiàn)對爐子溫度的限制。PLC和HMI相連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控。整個硬件連接圖如圖3-4和3-5所示。機機PLCEM231模塊固態(tài)繼電器熱電偶烤爐圖3-4系統(tǒng)框架圖PLC限制器的設計限制器的設計是基于模型限制設計過程中最重要的一步。首先要依據(jù)受控對象的數(shù)學模型和它的各特性以及設計要求，確定限制器的結構以及和受控對象的連接方式。然后依據(jù)所要求的性能指標確定限制器的參數(shù)值。限制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立本溫度限制系統(tǒng)中，傳感器（電熱偶）將檢測到的溫度信號轉換成電壓信號經過溫度模塊后，與設定溫度值進行比較，得到偏差，此偏差送入PLC限制器按PID算法進行修正，返回對應工況下的固態(tài)繼電器導通時間，調整電熱絲的有效加熱功率，從而實現(xiàn)對爐子的溫度限制。限制系統(tǒng)結構圖如圖3-5所示，方框圖如圖3-6所示。PLC限制器PLC限制器固態(tài)繼電器烤爐溫度模塊熱電偶圖3-5限制系統(tǒng)結構圖Gc(s)Go(s)R(s)+E(s)U(s)Y(s)Gc(s)Go(s)_圖3-6限制系統(tǒng)方框圖圖3-7中，R(s)為設定溫度的拉氏變換式；E(s)為偏差的拉氏變換式；Gc(s)為限制器的傳遞函數(shù)；Go(s)為廣義對象，即限制閥、對象限制通道、測量變送裝置三個環(huán)節(jié)的合并；該溫度限制系統(tǒng)是具有時滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為（3-1）式3-1中，QUOTE為對象放大系數(shù)；為對象時間常數(shù)；為對象時滯。（3-2）由階躍響應法求得，=0.5；=QUOTE2.5分鐘；=QUOTE1.2分鐘。PID限制及參數(shù)整定比例、積分、微分三種限制方式各有獨特的作用。比例限制是一種最基本的限制規(guī)律，具有反應速度快，限制剛好，但限制結果有余差等特點。積分限制可以消退余差，但是工業(yè)上很少單獨運用積分限制的，因為與比例限制相比，除非積分速度無窮大，否則積分限制就不行能想比例限制那樣剛好的對偏差加以響應，所以限制器的輸出變更總是滯后與偏差的變更，從而難以對干擾進行剛好且有效的限制。微分作用是對偏差的變更速度加以響應的，因此，只要偏差一有變更，限制器就能依據(jù)變更速度的大小，適當變更其輸出信號，從而可以剛好克服干擾的影響，抑制偏差的增長，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是志向微分限制器的限制結果也不能消退余差，而且限制效果要比純比例限制器更差。將三種方式加以組合在一起，就是比例積分微分（PID）限制,其數(shù)學表達式為（3-3）式3-3中：為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。依據(jù)以上的分析，本溫度限制系統(tǒng)適于采納PID限制。完成了上述內容后，該溫度限制系統(tǒng)就已經確定了。在系統(tǒng)投運之前，還須要進行限制器的參數(shù)整定。限制器參數(shù)整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。理論計算整定法是在已知被控對象的數(shù)學模型的基礎上，依據(jù)選取的質量指標，通過理論計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來求得最佳的整定參數(shù)。這類方法計算繁雜，工作量又大，而且由于用解析法或試驗測定法求得的對象數(shù)學模型都只能近似的反映過程的動態(tài)特性，整定結果的精度是不高的，因而未在工程上受到廣泛推廣。對于工程整定法，工程技術人員無需知道對象的數(shù)學模型，無需具備理論計算所需的理論學問，就可以在限制系統(tǒng)中干脆進行整定，因而簡潔、好用，在實際工程中被廣泛運用。常用的工程整定法有閱歷整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應曲線法、自整定法等。在這里，我們采納閱歷整定法來整定限制器的參數(shù)值。下面介紹下方法步驟。閱歷整定法實質上是一種閱歷湊試法，是工程技術人員在長期生產實踐中總結出來的。它不須要進行事先的計算和試驗，而是依據(jù)運行閱歷，先確定一組限制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運行，通過視察人為加入干擾（變更設定值）后的過渡過程曲線，依據(jù)各種限制作用對過渡過程的不同影響來變更相應的限制參數(shù)值，進行反復湊試，直到獲得滿足的限制質量為止。由于比例作用是最基本的限制作用，閱歷整定法主要通過調整比例度的大小來滿足質量指標。整定途徑有以下兩條：1）先用單純的比例（P）作用，即找尋合適的比例度，將人為加入干擾后的過渡過程調整為4：1的衰減振蕩過程。然后再加入積分(I)作用，一般先取積分時間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%。調整積分時間的大小，直到出現(xiàn)4：1的衰減振蕩。須要時，最終加入微分（D）作用，即從零起先，漸漸加大微分時間Td，由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可以把積分時間也縮短一些。通過微分時間的湊試，使過渡時間最短，超調量最小。2）先依據(jù)表選取積分時間Ti和Td，通常取Td=(1/3-1/4)Ti，然后對比例度進行反復湊試，直至得到滿足的結果。假如起先時Ti和Td設置的不合適，則有可能得不到要求的志向曲線。這時應適當調整Ti和Td，再重復湊試，使曲線最終符合限制要求[13]。表3-5限制器參數(shù)閱歷數(shù)據(jù)限制變量規(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)受干擾后變更遲緩，應小，Ti要長，一般須要微分20-603-100.5-3通過閱歷整定法的整定，PID限制器整定參數(shù)值為：比例系數(shù)=120，積分時間=3分鐘，微分時間=1分鐘。PLC限制系統(tǒng)軟件設計PLC限制系統(tǒng)的設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分，上一章已經具體介紹了本項目硬件連接。本章在硬件設計的基礎上，將具體介紹本項目軟件設計，主要包括軟件設計的基本步驟、方法，編程軟件STEP7--Micro/WIN的介紹以及本項目程序設計。PLC程序設計方法編寫PLC程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。1.圖解法編程圖解法是靠畫圖進行PLC程序設計。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時序流程圖法和步進順控法。（1）梯形圖法梯形圖法是用梯形圖語言去編制PLC程序。這是一種仿照繼電器限制系統(tǒng)的編程方法，其圖形甚至元件名稱都有繼電器電路特別相像。這種方法很簡潔地把原繼電器限制電路移植成PLC的梯形圖語言。這對于熟識繼電器限制的人來說，是最便利的一種編程方法。（2）邏輯流程圖法邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示PLC程序的執(zhí)行過程，反映輸入與輸出的關系。邏輯流程圖會使整個程序脈絡清楚，便于分析限制程序、查找故障點及調試和修理程序。（3）時序流程圖法時序流程圖法是首先畫出限制系統(tǒng)的時序圖（即到某一個時間應當進行哪項限制的限制時序圖），再依據(jù)時序關系畫出對應的限制任務的程序框圖，最終把框圖寫成PLC程序。這種方法很適合以時間為基準的限制系統(tǒng)的編程方法。（4）步進順控法步進順控法是在順控指令的協(xié)作下設計困難的限制程序。一般比較困難的程序都可以分成若干個功能比較簡潔的程序段，一個程序可以看成整個限制過程的一步。2.閱歷法編程閱歷法是運用自己的或者別人的閱歷進行設計。多數(shù)是設計前先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己的“試驗程序”。結合自己工程的狀況，對這些“試驗程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。3.計算機協(xié)助設計編程計算機協(xié)助設計是通過PLC編程軟件（比如STEP7--Micro/WIN）在計算機上進行程序設計、離線或在線編程、離線仿真和在線調試等。運用編程軟件可以很便利的在計算機上離線或在線編程、在線調試，在計算機上進行程序的存取、加密以及形成EXE文件[14]。編程軟件STEP7--Micro/WIN概述STEP7--Micro/WIN編程軟件是基于Windows的應用軟件，由西門子公司專為s7-200系列可編程限制器設計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)限制程序運用，同時也可以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。它是西門子s7-200用戶不行缺少的開發(fā)工具?，F(xiàn)在加上中文程序后，可在全中文的界面下進行操作，用戶運用起來更加便利。STEP7-Micro/WIN簡潔介紹以STEP7-Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通STEP7--Micro/WIN，可雙擊STEP7--Micro/WIN圖標，或選擇起先（Start）>SIMATIC>STEP7Micro/WIN4.0菜單吩咐。如圖4-1所示，STEP7--Micro/WIN項目窗口將供應用于創(chuàng)建限制程序的便利工作空間。工具欄將供應快捷鍵按鈕，用于常常運用的菜單吩咐，可顯示或隱藏工具欄的任何按鈕。閱讀條給出了多組圖標，用于訪問STEP7--Micro/WIN的不同編程特性。指令樹將顯示用于創(chuàng)建限制程序的全部項目對象和指令。可將單個的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個指令，以便將其插入到程序編輯器中光標的當前位置。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中安排臨時局部變量的符號名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部均按標簽顯示。單擊標簽可在子程序、中斷程序和主程序之間來回變換[15]。STEP7--Micro/WIN供應了用于創(chuàng)建程序的三個編輯器：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。盡管有某些限制，在這些程序編輯器的任何一個中編寫的程序均可用其它程序編輯器進行閱讀和編輯。用的比較多的是梯形圖（LAD）編程語言。下面具體介紹梯形圖的特點。梯形圖語言特點梯形圖是運用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器限制系統(tǒng)的電路圖很相像，具有直觀易懂的優(yōu)點，很簡潔被工廠電氣人員駕馭，特殊適用于開關量邏輯限制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計稱為編程。梯形圖程序設計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設計語言。采納梯形圖程序設計語言，程序采納梯形圖的形式描述。這種程序設計語言采納因果關系來描述事務發(fā)生的條件和結果。每個梯級是一個因果關系。在梯級中，描述事務發(fā)生的條件表示在左面，事務發(fā)生的結果表示在后面。梯形圖程序設計語言是最常用的一種程序設計語言。它來源于繼電器邏輯限制系統(tǒng)的描述。

在工業(yè)過程限制領域，電氣技術人員對繼電器邏輯限制技術較為熟識，因此，由這種邏輯限制技術發(fā)展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應用。梯形圖程序設計語言的特點是：（1）與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；

（2）與原有繼電器邏輯限制技術相一樣，對電氣技術人員來說，易于撐握和學習；

（3）與原有的繼電器邏輯限制技術的不同點是，梯形圖中的能流（Power

FLow）不是實際意義的電流，內部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此，應用時，需與原有繼電器邏輯限制技術的有關概念區(qū)分對待；

（4）與布爾助記符程序設計語言有一一對應關系，便于相互的轉換和程序的檢查[16]。STEP7-Micro/WIN參數(shù)設置（通訊設置）本項目中PLC要與電腦正確通信，安裝完STEP7-Micro/WIN編程軟件且設置好硬件后，可以按下列步驟進行通訊設置。（1）在STEP7-Micro/WIN運行時單擊通訊圖標，或從“視圖”菜單中選擇選項“通信”，則會出現(xiàn)一個通信對話框。（2）在對話框中雙擊PC/PPI電纜的圖標，將出現(xiàn)PG/PC接口對話框或者干脆單擊“檢視”欄中單擊“設置PG/PC接口”也行。（3）單擊Properties按鈕，將出現(xiàn)接口屬性對話框，檢查各參數(shù)的屬性是否正確，其中通信波特率默認值為9.6kbps。程序設計設計思路PLC運行時，通過特殊繼電器SM0.0產生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)起先溫度采樣，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，依據(jù)偏差計算調整量，發(fā)出調整吩咐。啟動綠燈亮，系統(tǒng)運行調用PID模塊PID輸出轉換成占空比定時器限制加熱時間溫度當前值和設定值等顯示起先限制程序流程圖啟動綠燈亮，系統(tǒng)運行調用PID模塊PID輸出轉換成占空比定時器限制加熱時間溫度當前值和設定值等顯示起先梯形圖程序啟動，綠燈亮停止，紅燈亮上述程序中，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。調用PID模塊這里用SM0.0干脆調用了編程軟件自帶的PID子程序，即就是用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。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指令前必需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)（3-1）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[17]。在本項目中，R=100,即就是設定溫度100度；S=32000,M=0.0,所以依據(jù)歸一化公式R1=100/32000+0.0=0.03125，即Setpoint_R為0.03125.該網絡的程序功能是把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分別是采樣周期內的加熱時間和非加熱時間。上述程序用了兩個100ms的定時器T241和T242來限制加熱時間，其中Q0.3為連接固態(tài)繼電器的輸出端子。該網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。若無該網絡，則顯示的溫度值都是歸一化的實數(shù)值，不便于記錄和視察。PID指令向導的運用STEP7-Micro/WIN供應了PIDWizard（PID指令向導），可以幫助用戶便利地生成一個閉環(huán)限制過程的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限制任務。PID向導既可以生成模擬量輸出PID限制算法，也支持開關量輸出；既支持連續(xù)自動調整，也支持手動參加限制[18]。本項目程序中就正好運STEP7-Micro/WIN軟件自帶的PID指令向導。從而使得程序簡潔易懂，同時也達到了限制要求?；诮M態(tài)王的HMI設計隨著自動化技術迅猛發(fā)展，限制系統(tǒng)功能越來越強大，限制過程也變得越來越困難，系統(tǒng)操作最大透亮化已經成為一種須要。人機界面（HMIHumanMachineInterface）以其過程可視化、操作員對操作過程可便利的限制等顯著特點，很好的滿足了這種需求而得到廣泛的應用。工業(yè)HMI又稱觸摸屏監(jiān)控器，是一種智能化操作限制顯示裝置。它一般與PLC等工業(yè)限制設備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數(shù)或輸入操作吩咐，實現(xiàn)人與機器信息交互。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；報警處理及打??；數(shù)據(jù)歸檔和報表系統(tǒng)。此外，新一代工業(yè)人機界面還具有簡潔的編程、對輸入的數(shù)據(jù)進行處理、數(shù)據(jù)登錄及配方等智能化限制功能[19]。人機界面（HMI）設計HMI監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應的功能子畫面組成，HMI畫面設計對于HMI來說是特別關鍵的。HMI畫面是用組態(tài)軟件來做的，常見的組態(tài)軟件有西門子公司的Wincc、羅克韋爾公司的RsView及國產的組態(tài)王、力控等。在本溫度限制系統(tǒng)設計中，我們選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設計。組態(tài)王和其他組態(tài)軟件相比最大的優(yōu)勢是它操作便利，供應了資源管理器式的操作主界面，并且供應了以漢字作為關鍵字的腳本語言支持，對于新手來說很簡潔上手。我們從北京亞控公司的主頁上下載了組態(tài)王演示版，安裝好以后。雙擊桌面圖標，打開工程管理器，建立工程。如圖5-1所示，最下面的一行是我們新建的工程，工程名稱為“組態(tài)王”。雙擊工程管理器中的工程名，出現(xiàn)工程閱讀器。在工程閱讀器中，雙擊新建圖標，新建畫面。在這里我們制作了監(jiān)控主界面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、報警窗口等畫面。監(jiān)控主界面打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點擊“圖庫”，打開圖庫管理器，把開關、溫度儀表、鬧鐘干脆拖進開發(fā)頁面，再利用工具箱做好“起先”和“停止”按鈕以及溫度顯示、設定畫面、報警窗口等按鈕。完整的主界面如圖所示。運行組態(tài)王后，點擊“起先”按鈕，開關變綠色，系統(tǒng)起先運行，目前溫度值下面的方框和儀表上都顯示當前溫度值，鬧鐘上顯示當前日期。點擊“設定畫面”會進入?yún)?shù)設定畫面，點擊“報警窗口”會進入報警畫面，實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線也是一樣。點擊“停止”按鈕，系統(tǒng)運行結束，同時開關變紅色。圖5-1主界面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”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，如X軸和Y軸的設置及標示定義等，最終利用工具箱做好“返回主界面”按鈕，即可形成如圖5-4所示的實時趨勢曲線畫面。系統(tǒng)運行時，實時趨勢曲線會顯示當前溫度值的變更趨勢和設定溫度值。點擊“返回主界面”按鈕，就會回到主界面。歷史趨勢曲線打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點擊“圖庫”，打開圖庫管理器，雙擊“歷史曲線”把它放進開發(fā)頁面，再雙擊歷史趨勢曲線畫面，對曲線進行設置，包括曲線定義，坐標系，操作面板和平安屬性等設置，最終利用工具箱做好“返回主界面”按鈕，即可形成歷史趨勢曲線畫面。系統(tǒng)運行時，畫面上會記錄某段時間內設定溫度值和當前溫度值的變更曲線。點擊“返回主界面”按鈕，就會回到主界面。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。最終利用工具箱做好“返回主界面”按鈕，即可形成報警窗口畫面。系統(tǒng)運行時，報警窗口會依據(jù)當前溫度值做出適當?shù)膱缶?。此項目中我們設置當前溫度低于90度時，“報警類型”欄顯示當前溫度偏低。當前溫度超過105度時，“報警類型”欄顯示當前溫度偏高。設定畫面設定畫面的設計和上面4個畫面類似，系統(tǒng)運行時該畫面會顯示增益Kc、積分時間Ti、微分時間Td、采樣時間、設定溫度等參數(shù)的值，未運行時和圖6-2基本一樣，只是沒有值顯示出來。變量設置打開工程閱讀器，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”、“Ti”、“Td”、“采樣時間”等變量。其中變量類型和寄存器是最關鍵的，在組態(tài)王和PLC之間傳輸?shù)淖兞慷际荌/O類型的，只在組態(tài)王內部須要的是內存型的。寄存器和數(shù)據(jù)類型要與程序中一樣，否則組態(tài)王就不能起到監(jiān)控作用了。比如“設定穩(wěn)定”的寄存器為v68,數(shù)據(jù)類型為float?！爱斍胺€(wěn)定”的寄存器為v60,數(shù)據(jù)類型為float。下面我們以當前溫度設置為例來說明變量設置的步驟和方法。首先打開“當前溫度”基本屬性設置框，變量類型設置為I/O實數(shù)，連接設備為PLC，寄存器為v60，數(shù)據(jù)類型是float。再打開“當前溫度”報警定義設置框，我們設置了當前溫度低于60度時，報警當前溫度太低。當前溫度在60度到90之間時，報警當前溫度偏低。當前溫度大于105時，報警當前溫度偏高。然后打開“當前溫度”記錄和平安區(qū)設置框，我們設置“記錄”為數(shù)據(jù)變更記錄，變更靈敏度設為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。動畫連接打開主界面，雙擊“起先”按鈕，出現(xiàn)動畫連接畫面。在按下時左邊打溝，點擊“確定”，出現(xiàn)吩咐語言輸入窗口，在該窗口中輸入吩咐，再點擊“確定”，就完成了“起先”按鈕的動畫連接設置。這樣，點擊“起先”后，系統(tǒng)就起先運行，此按鈕就相當于PL