基于PLC的蓄熱式加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)

第1章緒論1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景由于現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，高溫、壓強(qiáng)、熱流量以及自動(dòng)控制等是四種最常用的過(guò)程變量。而在這里，高溫又是一種十分關(guān)鍵的過(guò)程變量。比如：在冶金工業(yè)、化工、電力工業(yè)、機(jī)械加工和藥品生產(chǎn)等諸多行業(yè)中，都要求對(duì)所有的基本要求、各式各樣的蓄熱式恒溫爐、熱處理爐、各種鍋爐內(nèi)外部的爐子溫度進(jìn)行檢查和監(jiān)控。而在這些方面的采取措施主要是采用由PLC實(shí)現(xiàn)的PID控制系統(tǒng)，所以PLC在這方面已經(jīng)被認(rèn)為是公認(rèn)的最優(yōu)選擇。一般情況下，通過(guò)采用PLC對(duì)它們進(jìn)行操作可以提高被測(cè)物體溫度并使控制系統(tǒng)整定得到優(yōu)化。蓄熱式處理爐、化學(xué)反應(yīng)爐等等，對(duì)原件的生產(chǎn)與加工需求都必須對(duì)溫度控制做出嚴(yán)格要求，所以，在工業(yè)生產(chǎn)等化學(xué)反應(yīng)過(guò)程以及家庭日常中都需要對(duì)溫度的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)和檢查，由于在實(shí)際控制中對(duì)于溫度的控制方法是多種多樣的，而一般的溫度控制器都是由繼電器構(gòu)成的，但是由于繼電器的觸點(diǎn)數(shù)量和應(yīng)用時(shí)間非常有限，失效率也偏大，所以安全性較差，并不能完全適應(yīng)于現(xiàn)代的生產(chǎn)管理需求。同時(shí)伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，臺(tái)式微型計(jì)算機(jī)也在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)了越來(lái)越多的功能。將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到溫度控制器上，使得溫度控制器可以更小型化，更精準(zhǔn)。因?yàn)橹袊?guó)“綠色發(fā)展”策略的制定，所以使用開放式的溫度傳感器可以減少能耗的浪費(fèi)。如今，智能溫度控制器已經(jīng)應(yīng)用在了家庭生活、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域中，并也應(yīng)用在了家電、車輛、建筑、電力電子等諸多領(lǐng)域，成為促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要熱工裝置之一。1.2溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r溫度控制器也作為向自然界供電、采暖等的重要裝置的驅(qū)動(dòng)來(lái)源，它的產(chǎn)生至今已有200余年的歷史了。在這個(gè)時(shí)間周期，從低級(jí)發(fā)展到高級(jí)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，伴隨著工業(yè)生產(chǎn)力的提高以及對(duì)高溫控制精度需求的日益增長(zhǎng)，高溫系統(tǒng)的控制技術(shù)也得以快速開發(fā)。單片機(jī)的發(fā)展歷程雖然并不長(zhǎng)，但是它憑借著體積較小，價(jià)格較低等優(yōu)秀特點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中占領(lǐng)了一席之地。它早已由開始的4位機(jī)逐漸擴(kuò)展到了32位機(jī)，并且其穩(wěn)定性也逐步獲得了提高。PLC穩(wěn)定性非常好、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)便，很容易被人們所熟知和應(yīng)用，故目前已在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。相比于IPC，DCS，F(xiàn)SC等傳統(tǒng)技術(shù)來(lái)說(shuō)，PLC更加具備了技術(shù)方面的優(yōu)越性。也因此，PLC技術(shù)一直占領(lǐng)著較大的市場(chǎng)占有率，其未來(lái)的發(fā)展也非常具有前景。組態(tài)電腦（IPC）即工業(yè)用電腦。由于IPC的穩(wěn)定性較高、應(yīng)用豐富、價(jià)格低廉，所以使用十分普遍。它可以應(yīng)對(duì)各種工程的嚴(yán)酷條件，耐震動(dòng)、抗高溫、耐灰塵，以及抗電磁輻射。在十九世紀(jì)至二十世紀(jì)初期，工業(yè)上的爐溫控制來(lái)源主要是人工控制和使用傳統(tǒng)溫度儀器進(jìn)行操控，但是很難取得令人滿意的成績(jī)，主要問(wèn)題在于工業(yè)鍋爐的燃料燃燒是一個(gè)諸多變量改變的繁雜控制過(guò)程?？刂迫紵淖兞肯到y(tǒng)身份復(fù)雜，較好的數(shù)學(xué)模型也無(wú)法確定，以典型的PID為依據(jù)的傳統(tǒng)儀器控制，也很難達(dá)達(dá)到最佳水平。而現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)創(chuàng)造出了諸如數(shù)字濾波，積分的PID。參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)的一種靈活性方法，還有“模糊判斷”作用，是一般儀表和人員難以實(shí)現(xiàn)或不能做到的。在工業(yè)鍋爐的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用組態(tài)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能提高對(duì)鍋爐水溫的監(jiān)測(cè)性能，增加平均熱效率。但若單獨(dú)使用組態(tài)電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，則存在容易干擾和準(zhǔn)確性低的弊端。集散式溫度控制器（DCS）是一個(gè)工作上離散，控制上集中的新型控制器。和傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)一樣有著大量的控制、調(diào)整溫度的能力和特性。而基本DCS的基礎(chǔ)功能就是網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。他的基本目標(biāo)就是在系統(tǒng)各單元間創(chuàng)造通訊系統(tǒng)。所以通過(guò)基本DCS的溫度器可以提高系統(tǒng)的智能化程度和管理水平，也可以降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。但是整個(gè)DCS系統(tǒng)生產(chǎn)成本也相對(duì)較高。實(shí)線總線控制系統(tǒng)（FCS）綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)等許多不同方式的調(diào)控。其特征是信息化、分散式的。FCS控制器的數(shù)據(jù)即時(shí)化，能夠直接完成傳感、測(cè)量、報(bào)警等的操作。這些都是其他控制器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這使得FSC在不同場(chǎng)所中的應(yīng)用增添加了很大的難度。不同的技術(shù)也有自身的特點(diǎn)，客戶可以按照具體需求進(jìn)行系統(tǒng)配置，當(dāng)然，在具體應(yīng)用上，想要實(shí)現(xiàn)良好的控制系統(tǒng)，需要通過(guò)多種技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)長(zhǎng)短。1.3本文的研究?jī)?nèi)容本文把西門子PLCS7-200作為可編程化控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能，系統(tǒng)的串接技術(shù)采用的是串級(jí)繼電器連接技術(shù)，為主、副控制器都選用了PID控制算法，通過(guò)自整定或手動(dòng)控制PID參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值，調(diào)整加熱裝置，將所有裝置的工作溫度都控制在80℃上下，本次實(shí)驗(yàn)溫度的閾值范圍設(shè)定為75℃到85℃。同時(shí)能夠完成手動(dòng)啟動(dòng)和停止，通過(guò)觀察指示燈的亮滅情況來(lái)觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前內(nèi)膽溫度變化及夾套的溫度值的變化情況。輔助系統(tǒng)中，水系統(tǒng)流量通過(guò)水泵變頻控制，使水系統(tǒng)流量恒定在控制范圍以內(nèi)；加熱爐內(nèi)液位通過(guò)加水閥和出水閥控制，使液位保持在控制液位。液位處于加熱爐總?cè)莘e的20%~80%時(shí)設(shè)定為正常水平。本設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)部分內(nèi)容的介紹：第一篇導(dǎo)論，介紹了國(guó)內(nèi)外溫度研究的發(fā)展歷史和趨勢(shì)，闡述了目前溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。第二篇，首先簡(jiǎn)要的從硬件系統(tǒng)部分和軟件系統(tǒng)部分闡述了系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想，并且簡(jiǎn)要介紹了PID算法在本系統(tǒng)中的實(shí)際使用情況，并對(duì)有關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了介紹。第三篇，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)和接線圖，詳細(xì)闡述了本設(shè)計(jì)中所使用的的幾種傳感器的特點(diǎn)以及它們的選型，介紹了霍爾效應(yīng)的概念和應(yīng)用。第四篇，系統(tǒng)軟件程序的編程：對(duì)系統(tǒng)編程的基本思路以及各個(gè)程序方面的目標(biāo)、結(jié)構(gòu)、流程圖和梯形圖做了詳盡說(shuō)明，同時(shí)對(duì)程序設(shè)計(jì)環(huán)境的配置做出了解釋。第五篇，總結(jié)。

第2章實(shí)驗(yàn)操作方案及PID算法描述2.1系統(tǒng)總體方案加熱爐的溫度控制設(shè)備是由軟件操縱系統(tǒng)和硬件實(shí)物系統(tǒng)這兩部分構(gòu)成的。2.1.1硬件方案設(shè)計(jì)硬件基本構(gòu)成有PLC主控系統(tǒng)部分、調(diào)功器、加熱爐、加熱器、啟動(dòng)/停止開關(guān)按鈕、數(shù)顯表與溫度變送器五部分組成REF_Ref20461\r\h[17]。其結(jié)構(gòu)硬件部分組成及其關(guān)系如圖2.1所示。圖2.1加熱爐硬件部分組成圖實(shí)驗(yàn)的基本工作原理：加熱爐作為加熱對(duì)象（本設(shè)計(jì)采用自來(lái)水作為加熱對(duì)象）的容器，首先溫度變送器檢測(cè)爐內(nèi)水溫和夾套的溫度，通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)0~10V的電壓信號(hào)，傳送給S7-200PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235，由PLC主控系統(tǒng)部分進(jìn)行運(yùn)算和處理后再由模擬量擴(kuò)展模塊EM235產(chǎn)生一個(gè)0~5V的控制信號(hào)傳送給調(diào)功器，調(diào)功器根據(jù)不同的控制信號(hào)輸出不同的電壓來(lái)控制加熱爐內(nèi)的加熱器來(lái)對(duì)水溫進(jìn)行加熱和控制REF_Ref29886\r\h[6]，由此水溫升高或降低就會(huì)影響溫度檢測(cè)元件，從而產(chǎn)生了一個(gè)閉環(huán)回路控制，因此達(dá)到了平衡控制水溫的目的。通過(guò)啟動(dòng)和停止產(chǎn)生的開關(guān)量數(shù)字信號(hào)來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行與停止，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制的功能。兩個(gè)數(shù)顯表分別用于顯示夾套溫度和內(nèi)膽溫度，其分辨率為1℃。2.1.2軟件方案設(shè)計(jì)主控制器和副控制器通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)，整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由測(cè)量對(duì)象的調(diào)功器、測(cè)量元件的變送器等部分構(gòu)成。其主要工作原理為：首先計(jì)算出兩個(gè)控制器中PID的相關(guān)參數(shù)，然后設(shè)定初始PID，把夾套溫度變送器和內(nèi)膽溫度變送器傳送回來(lái)0~10V的電壓信號(hào)通過(guò)模擬量輸入模塊EM235的A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)?~32000的數(shù)字量，然后進(jìn)行變換變?yōu)?~1的過(guò)程量形參，然后給定一個(gè)夾套溫度給定量SV和夾套溫度過(guò)程量PV1傳送給主控制器PID運(yùn)算，得到的結(jié)果OUT1作為副控制器的給定量SV與內(nèi)膽溫度過(guò)程量PV0傳送給副控制器PID運(yùn)算，得到的結(jié)果OUT0經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換和模擬量輸出模塊EM235的A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)?~5V的控制信號(hào)傳送給溫度調(diào)功器，對(duì)爐內(nèi)加熱器進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)內(nèi)膽溫度和夾套溫度進(jìn)行檢測(cè)，形成雙閉環(huán)回路控制。其組成圖如圖2-2所示，流程圖如圖2-3所示。圖2.2加熱爐軟件控制部分組成圖圖2.3系統(tǒng)流程框圖2.2PID控制算法模擬數(shù)閉環(huán)控制比較好的工具之一就是PID控制器，PID在工程方面的使用已達(dá)60余年，現(xiàn)在仍然普遍的使用。我們?cè)谘芯康倪^(guò)程中已經(jīng)累積了很多的知識(shí)，因此PID的實(shí)際應(yīng)用也達(dá)到了相當(dāng)高的水準(zhǔn)。比例控制法(P)是一個(gè)比較基本的控制系統(tǒng)方法。其優(yōu)秀特性是能夠快速做出反應(yīng)，檢測(cè)也較準(zhǔn)確，但卻無(wú)法減少余差。在積分控制原理(I)中，傳感器的輸出功率和對(duì)系統(tǒng)誤差信號(hào)的微分值呈正比例關(guān)系，并能夠減少余差。但是它的缺點(diǎn)是無(wú)法較快地對(duì)偏差范圍作出合理的限制。在微分控制(D)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REF_Ref1138\r\h[5]。微分控制具有超前作用，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，避免較大的誤差出現(xiàn)。微分控制的不足之處是不能夠消除余差。2.2.1PID算法圖2.4帶PID控制器的閉控制系統(tǒng)框圖如圖2-4所示，PID控制器可以矯正回路的輸出值，可以有效地調(diào)整系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。它不僅可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，而且還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)控制過(guò)程中參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，偏差e與輸入量r和輸出量c之間存在著一定的相關(guān)性:(2-1)控制器的輸出為：(2-2)上式中，——PID回路的輸出數(shù)值；——比例增益，也是調(diào)試參數(shù)；P；——積分系數(shù)I；——微分系數(shù)D；而PID調(diào)節(jié)器的輸出參數(shù)如下：(2-3)其離散化的原理如表2.1所示。表2.1模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以PID輸出數(shù)值經(jīng)過(guò)離散化后，它的輸出方程為；(2-4)式2-4中，稱為比例項(xiàng)；稱為積分項(xiàng)；稱為微分項(xiàng)；2.2.2PID在PLC中的回路指令目前，許多可編程邏輯控制器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了PID控制功能，其中STEP7Micro/WIN是其中之一，它可以作為專用模塊或指令形式的一部分。用最小二乘法對(duì)每個(gè)采樣周期進(jìn)行擬合后，再按一定規(guī)則求出對(duì)應(yīng)于該采樣周期的每一個(gè)誤差項(xiàng)和相應(yīng)的累計(jì)值，然后將這些數(shù)據(jù)代入公式得到下一采樣周期的誤差估計(jì)。在西門子S7-200系列PLC中，PID回路的操作指令可在表2-2中找到。表2.2PID回路指令名稱PID運(yùn)算指令格式PID指令表格式PIDTBL，LOOP梯形圖使用方法：PID算法通過(guò)在一個(gè)由V變量作為起點(diǎn)的回路表（TBL）和回路號(hào)（LOOP）構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控。該算法可根據(jù)回路表的輸入和結(jié)構(gòu)特征，對(duì)系統(tǒng)的基本參數(shù)和狀態(tài)加以調(diào)節(jié)，從而得到預(yù)想的監(jiān)控結(jié)果。這條命令包含2個(gè)數(shù)據(jù)接口：TBL（VB），它代表了一個(gè)字符串的數(shù)據(jù)集；LOOP（0~7）（一個(gè)參數(shù)），它代表了一個(gè)循環(huán)的結(jié)束。一個(gè)程序至少能夠使用8條PID命令。PID控制環(huán)路的地址分配關(guān)系在PLC中的地址分配情況如表2.3所示。表2.3PID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0.0~1.0之間4給定值（SPn）實(shí)數(shù)必須在0.0~1.0之間8輸出值（Mn）實(shí)數(shù)必須在0.0~1.0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0.0~1.0之間32過(guò)程變量前值（PVn-1）實(shí)數(shù)必須在0.0~1.0之間（1）回路中輸入數(shù)值和輸出變量的演變方法在設(shè)計(jì)中切換電源的接口有二個(gè)的溫度模擬量信號(hào)，夾套的內(nèi)膽溫度通過(guò)溫度測(cè)量系統(tǒng)，被傳輸?shù)紼M235進(jìn)行A/D變換后得出的結(jié)論為溫度值是整數(shù)，而在工程設(shè)計(jì)中所要求的過(guò)程變量是實(shí)數(shù)，于是我們就必須把溫度任意整數(shù)的變換成真實(shí)數(shù)值，這其中需要使用I_DI，DI_R指令，就像在溫度標(biāo)度變換中的轉(zhuǎn)換過(guò)程那樣，才獲得了真實(shí)的溫度數(shù)值。在DI_I指令時(shí)，也如在副控制器中斷過(guò)程時(shí)那樣，將得出的信息通過(guò)模擬量的端口輸出。（2）實(shí)數(shù)的歸一化處理它們的相對(duì)位置都在0.0~1.0之間。關(guān)于歸一性的方程如下：（2-5）在這個(gè)公式里,——經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值；——還沒(méi)有經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值；——最大補(bǔ)償數(shù)值的偏差。例如，單極性設(shè)定在0.0，而雙極性設(shè)定為0.5；——表示值的范圍。本文中采用的都是單極性，故轉(zhuǎn)換方法如下：（2-6）3）回路輸出變量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通過(guò)對(duì)D/A的模擬量進(jìn)行校正，我們可以將原始的0.0~1.0的輸入信號(hào)調(diào)節(jié)為一個(gè)更加精確的0.0，以便將其轉(zhuǎn)換為更加精確的1.0，從而使得D/A的模擬量能夠更加精確地反映原始的0.0。實(shí)數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化是一個(gè)重要的步驟。（2-7）本次實(shí)驗(yàn)PID中三個(gè)最基本的參數(shù)：Kp比例增益、Kd微分增益、Ki積分增益。（1）Kp比例增益：Kp尺度控制考慮了當(dāng)前誤差，誤差值乘以一個(gè)正常數(shù)Kp，它代表了尺度。我們可以通過(guò)一個(gè)例子來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，比如水溫的控制，我們把當(dāng)前值和設(shè)定值做一個(gè)對(duì)比。如果當(dāng)前值與設(shè)定值差距不是很大，我們就讓加熱器慢慢的加熱。如果有一些因素或外界環(huán)境的影響，使溫度下降了，這時(shí)，我們通過(guò)給加熱器施加一個(gè)“小推力”，來(lái)增加加熱器的功率，對(duì)加熱爐進(jìn)行加熱。如果當(dāng)前溫度遠(yuǎn)低于設(shè)定溫度時(shí)，我們可以讓加熱器快速啟動(dòng)并且進(jìn)行加熱，增加加熱器的功率，以盡快將水溫提升至設(shè)定溫度值。在編寫PID的Kp比例增益程序時(shí)，我們讓偏差(目標(biāo)值與實(shí)際測(cè)量值的差額)與調(diào)節(jié)裝置的偏差頻率，建立一個(gè)函數(shù)關(guān)系，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)最基本的“比例”控制。一般來(lái)說(shuō)，Kp越高，調(diào)整頻率就越激進(jìn)，而Kp越低，調(diào)整頻率就越平緩。（2）Kd積分增益：Kd微分控制首先要考慮未來(lái)誤差，通過(guò)計(jì)算誤差的一階導(dǎo)數(shù)，并將其與正常數(shù)Kd相乘。有了P的效果，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，若是單單只有P的控制效果，無(wú)法使加熱爐正常工作，控制水溫也不能穩(wěn)定在一個(gè)我們?cè)O(shè)定的范圍值，整個(gè)系統(tǒng)在控制過(guò)程中顯得并不是特別穩(wěn)定。所以在這種情況下，就需要一個(gè)控制作用，使被控制量的“變化率”接近于0，這就好比阻尼運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)镻在接近目標(biāo)時(shí)控制效果就會(huì)變得不那么明顯了。越接近目標(biāo)，p的作用越溫和，許多內(nèi)部或外部因素就會(huì)使控制量在小范圍內(nèi)擺動(dòng)。Kd參數(shù)越大，溫度的升溫或降溫趨勢(shì)越明顯。在加熱爐控制中，加上P、D兩種控制效果，如果參數(shù)調(diào)整得當(dāng)，就可以達(dá)到使加熱爐正常運(yùn)行的目的。（3）Ki積分增益:Ki積分控制通過(guò)將誤差值的和(即誤差和)乘以一個(gè)正常數(shù)Ki來(lái)考慮過(guò)去的誤差。還是以加熱爐為例。我們把加熱爐和加熱裝置放置在一個(gè)溫度處于零下的冰屋內(nèi)，然后開始燒水，我們的目標(biāo)是把加熱爐里面的水加熱到80℃。在P的作用下，水溫緩慢上升，直至75℃。這時(shí)我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)很棘手的問(wèn)題：由于室內(nèi)溫度太低了，向外擴(kuò)散熱量的速度幾乎與P控制的加熱速度持平了。這時(shí)候，P就會(huì)想:我離目標(biāo)很近了，我只需緩緩的加熱，就能夠達(dá)到預(yù)期效果。但是此時(shí)D是這樣想的:吸收熱量和放出熱量是相等的，溫度不再波動(dòng)了，我應(yīng)該不需要調(diào)整任何東西，這已經(jīng)達(dá)到平衡，符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。因此，水溫永遠(yuǎn)保持在了75℃，永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到80℃了。在這種情況下，需要設(shè)置一個(gè)產(chǎn)品組件，通過(guò)測(cè)量偏差值，不斷地整合(累積)并反映在調(diào)整力中。這樣，即使75℃和80℃的差別不是太大，隨著時(shí)間的推移，只要沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)溫度，產(chǎn)品分量就會(huì)不斷增加，系統(tǒng)就會(huì)逐漸意識(shí)到?jīng)]有達(dá)到目標(biāo)溫度，需要繼續(xù)增加功率。達(dá)到目標(biāo)溫度后，假設(shè)溫度不波動(dòng)，積分值不會(huì)改變，此時(shí)加熱功率仍等于散熱功率，但溫度可以穩(wěn)定在80℃左右。Ki值越大，積分時(shí)的乘法系數(shù)越大，積分效果越明顯。因此，I的作用是減小靜態(tài)情況下的誤差，使控制的物理量盡可能接近目標(biāo)值。使用I還有一個(gè)問(wèn)題:需要設(shè)置一個(gè)積分限制，以防止產(chǎn)品組件在加熱開始時(shí)變得太大而無(wú)法控制。2.2.3PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定過(guò)程用到的方法叫做經(jīng)驗(yàn)法，它是根據(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)來(lái)達(dá)到整定效果，其規(guī)律如表2.4所示。表2.4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20~6020~400~3（1）整定比例控制比例控制的程度由弱變強(qiáng)，進(jìn)行多次溫度反應(yīng)過(guò)程，直到獲得反應(yīng)較快、超調(diào)數(shù)量小的反應(yīng)曲線為止。（2）整定積分環(huán)節(jié)通過(guò)觀察其響應(yīng)曲線。通過(guò)縮短分?jǐn)?shù)持續(xù)時(shí)間，增強(qiáng)分?jǐn)?shù)效應(yīng)，并適當(dāng)改變比例關(guān)系，多次試驗(yàn)從而獲得最滿意的結(jié)果，并確定比例系數(shù)和積分系數(shù)。3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)得出本設(shè)計(jì)的PID參數(shù)如下，主控制器的增益為0.15，采樣時(shí)間為0.2S，積分時(shí)間為30min，微分時(shí)間為3.0min；副控制器的增益位2.0，采樣時(shí)間為0.2S，積分時(shí)間位27min，微分之間為0min。PID參數(shù)調(diào)整也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生一定影響，其影響的一般情況如表2.5所示：表2.5P、I、D調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)整方式上升時(shí)間超調(diào)量安定時(shí)間穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)定性↑Kp減小↓增加↑小幅增加↓減小↓變差↓↑Ki小幅減小↓增加↑增加↑大幅減小↓變差↓↑Kd小幅減小↓減小↓減小↓變動(dòng)不大—變好↑通過(guò)上面表格，我們觀察到：三種調(diào)整方式各自都有自己的特色，但觀察其中的一個(gè)或者兩個(gè)，控制效果并不能達(dá)到我們期望的效果，只有當(dāng)把三個(gè)算法一起作用于控制系統(tǒng)的時(shí)候，三種算法取長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以此達(dá)到了蓄熱式加熱爐的理想化控制。

第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的硬件組成3.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成溫度傳感器的主要功能包括一個(gè)可編程傳感器、一個(gè)調(diào)功器、兩個(gè)溫度控制器回路、一個(gè)加熱器、一個(gè)模擬量輸入輸出模塊:是一個(gè)多功能EM235拓展模塊、兩個(gè)開啟/終止指明燈，還有一組工作的實(shí)物指示燈，分別代表進(jìn)水閥門，排水閥門，溫度。3.1.2系統(tǒng)各個(gè)組成部分完成的任務(wù)（1）首先點(diǎn)擊ON按鈕/OFF按鈕，溫度加運(yùn)行指示燈亮起，表明加熱爐已經(jīng)啟動(dòng)；而按下OFF按鈕，系統(tǒng)就會(huì)停止運(yùn)行，指示燈也會(huì)熄滅。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)開始和結(jié)束操作。（2）溫度變送器：通過(guò)測(cè)量加熱爐夾套和內(nèi)膽的溫度，把溫度數(shù)值轉(zhuǎn)化成為在PLC中能夠直接讀取的電壓模擬量數(shù)值，并且傳遞到PLC模擬量輸入輸出模塊中的EM235模塊。（3）電源穩(wěn)壓器和加熱器:兩者都通過(guò)PLC仿真向輸出模塊傳遞0~5V的電壓信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，以改變電源穩(wěn)壓器的輸出電壓，得到火電機(jī)組的輸入信號(hào)，來(lái)加熱爐的溫度。（4）可編程控制器和模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊是一種高效的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的溫度變化，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的轉(zhuǎn)換處理，將溫度變化的結(jié)果傳輸?shù)蕉S數(shù)字表中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)膽和夾套溫度的精確控制。此外，它還能夠通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化的快速響應(yīng)。3.2可編程控制器PLC是一種具有微處理機(jī)的高級(jí)數(shù)字化電氣裝置，它是為了滿足工業(yè)自動(dòng)化和信息化的需求而開發(fā)出來(lái)的，它的作用是取代傳統(tǒng)的繼電器，實(shí)現(xiàn)精確的邏輯操作，從而提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的提高，這些設(shè)備的實(shí)際作用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)邏輯控制器的范疇，所以，今天把這些設(shè)備都叫做可編程控制器，又稱作PLC。3.2.1PLC的特性（1）穩(wěn)定性好，屏蔽信號(hào)能力突出穩(wěn)定性強(qiáng)是PLC各種型號(hào)設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)。PLC的發(fā)明用到的是當(dāng)今極為發(fā)達(dá)的集成電路的思想和工藝設(shè)計(jì)出來(lái)的，它內(nèi)部的布局線路采用的是極好的防外界干擾技術(shù)路線，對(duì)信號(hào)的傳遞和通訊具有極其強(qiáng)大的保護(hù)作用。（2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)隨著PLC的不斷發(fā)展，現(xiàn)已能夠生產(chǎn)出各種不同尺寸的系列化商品。它可適用于不同的環(huán)境和工廠以及各種需要自動(dòng)化工藝的場(chǎng)合，現(xiàn)如今的PLC控制器絕大部分都已經(jīng)具備了比較突出的邏輯數(shù)學(xué)計(jì)算功能，能適應(yīng)于不同的工作行業(yè)和工作環(huán)境。（3）簡(jiǎn)單易學(xué)，結(jié)構(gòu)條理清晰易懂PLC的控制設(shè)備一般采用的都是模塊化設(shè)計(jì)。包括充電電源、主芯中央處理器以及I/O接口等都是采用的此方法思想進(jìn)行設(shè)計(jì)制作的，這就使PLC具有較強(qiáng)的邏輯性，通過(guò)學(xué)習(xí)各個(gè)模塊的功能，最后綜合起來(lái)，就讓PLC的使用更加簡(jiǎn)潔，達(dá)到易操作，高效率的優(yōu)質(zhì)特性。3.2.2PLC的選型西門子PLC相比于其他的PLC價(jià)格比較貴，而且功能也比較強(qiáng)，實(shí)用性好，有相配套的伺服系統(tǒng)和組態(tài)程序。而在本科階段，我所了解的也大多是西門子公司的PLC。目前西門子PLC的產(chǎn)品類型主要包括S7-200PLC，S7-300PLC，S7-400PLC系列，但是因?yàn)樵撓盗兴枰芰εc工藝要求S7-200也基本可以滿足，所以從經(jīng)濟(jì)角度考慮選擇了西門子PLC的S7-200系列產(chǎn)品。3.2.3西門子S7-200主要功能模塊介紹（1）CPU模塊：S7-200的CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元，電源及數(shù)字I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊，獨(dú)立的設(shè)備中，CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào)，輸出部分則輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。CUP224型號(hào)的PLC具有10輸入/8輸出的數(shù)字量及兩個(gè)模擬量輸入和一個(gè)模擬量輸出，可完成設(shè)計(jì)所需的技術(shù)要求，所以本設(shè)計(jì)選用CUP224DC/DC/DC。CUP用24VDC電源，24VDC輸入，24VDC輸出，其功率為5W。（2）模擬量擴(kuò)展模塊：通過(guò)設(shè)備測(cè)出的溫度，將其轉(zhuǎn)變到0～5V的電壓范圍后，通過(guò)主控器將電量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后再送入PLC控制系統(tǒng)中進(jìn)行處理，目前S7-200PLC的仿真量控制系統(tǒng)包含有EM231，EM232和EM235等三種不同的仿真量控制系統(tǒng)。其輸入/輸出特性如表3.1所示。表3.1EM235輸入/輸出特性模擬量輸入特性：模擬量輸入點(diǎn)數(shù)4輸入范圍

電壓(單極性)

電壓(雙極性)

電流

0～10V，0～5V，

±10V，±5V，±2.5V，

0～20mA數(shù)據(jù)字格式

單極性，全量程范圍-32000～+32000

雙極性，全量程范圍0～32000

-32000～+320000

0～32000模擬量輸出特性：模擬量輸出點(diǎn)數(shù)1信號(hào)范圍

電壓輸出

電注輸出±10V

0到20mA數(shù)據(jù)字格式

電壓

電流

-32000～+32000

0～+320003.3系統(tǒng)其他硬件選型及配置3.3.1溫度傳感器溫度傳感器是一種利用物體的特定物理特性來(lái)檢測(cè)和測(cè)量溫度的設(shè)備，它可以將高溫分子轉(zhuǎn)換成動(dòng)能來(lái)提供熱量。其工作原理如圖3.1所示。圖3.1溫度傳感器原理圖當(dāng)兩個(gè)溫度不同的導(dǎo)體A和B相互連接時(shí)，其中一個(gè)溫度為T，另一個(gè)溫度為TO，這時(shí)，電路中就會(huì)產(chǎn)生電流密度的差異，如圖3-1所示，這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)被稱為熱電動(dòng)勢(shì)。這些因?yàn)闇囟炔町惗霈F(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的過(guò)程，就叫做塞貝克反應(yīng)。和塞貝克力相關(guān)的放熱反應(yīng)主要有兩種。AD590是一種單片式集成的二端感溫電源。它的主要功能包括：1、AD590是一款非常適合遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)備，它具有極高的阻抗。2、AD590的電流輸出具有極高的靈活性，它能夠抵抗長(zhǎng)距離的電壓變化，無(wú)論是什么樣的雙絞線，它都能夠有效地將其與接收電路隔離開來(lái)。3、AD590具有強(qiáng)大的功能，能夠輕松地進(jìn)行多路復(fù)用：無(wú)論是在CMOS中切換輸入，還是在控制電源電壓時(shí)，都能夠輕松地切換。圖3.2AD590溫度傳感器3.3.2溫度變送器圖3.3NHR-213溫度變送器溫度變送器是將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表，主要用于工業(yè)過(guò)程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制。根據(jù)不同用途溫度變送器可以分為三大類：（1）輕巧型溫度變送器：體型小巧精致，安裝快捷方便，一般用于狹小空間，可以節(jié)約安裝空間。（2）分體式溫度變送器：主要特點(diǎn)是可以搭配不同的溫度傳感器探頭，它能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)和傳遞信號(hào)的功能，信號(hào)穩(wěn)定，波動(dòng)小。（3）導(dǎo)軌式溫度變送器：可以安裝在控制柜內(nèi)，各式各樣形狀的傳感器探頭都能與其搭配，具有普遍性。同時(shí)，能夠輸出電壓電流等信號(hào)。（4）熱力管道專用溫度變送器：可以安裝在管道中預(yù)留好的套管中，通過(guò)螺紋與管道固定，具有穩(wěn)固，保護(hù)性好的特點(diǎn)，維修時(shí)也方便更換。本次設(shè)計(jì)中，我選用的是NHR-213智能溫度變送器，它屬于輕巧型溫度變送器的一種。輸出電壓為：12~40V-DC；輸出電流為：4~20mA-DC。它的特點(diǎn)是：①能夠?qū)崿F(xiàn)能量補(bǔ)償，低功耗。②應(yīng)用成本低，方便快捷。③環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)，適用范圍廣。④可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊，安裝，調(diào)試效率都很高。它的選擇符合本次溫控實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，所以選用的是這種型號(hào)的溫度變送器。3.3.3液位傳感器液位傳感器是作為監(jiān)測(cè)、測(cè)量和傳感液體（有時(shí)是固體）實(shí)時(shí)水平的裝置。當(dāng)檢測(cè)到液位變化時(shí)，傳感器就會(huì)將感知到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其工作原理如圖3.4所示。圖3.4液位傳感器原理圖當(dāng)液位傳感器投入到被測(cè)液體中的某一深度時(shí)，接觸液面部分的傳感器受到的壓強(qiáng)公式為：Ρ=ρ.g.H+Po，在此式中P表示變送器接觸液面所受壓強(qiáng)大??；ρ表示被測(cè)液體密度大?。籫表示被測(cè)物體當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?；Po表示液面上的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)；H表示變送器投入液體的深度。MIK-P260壓力式液位傳感器采用的是一種被稱作半導(dǎo)體膜盒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)，通過(guò)讓金屬片承受加熱爐中被測(cè)物體（本實(shí)驗(yàn)選用的被測(cè)物體是水）的壓力，再通過(guò)傳感器中的硅油將壓力傳遞給半導(dǎo)體應(yīng)變片進(jìn)行液位測(cè)量，將壓力信號(hào)通過(guò)拓展模塊EM235輸入輸出給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算和處理，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)傳遞給調(diào)功器，調(diào)功器輸出電壓控制進(jìn)水閥門和出水閥門，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)控制液位的目的。本次實(shí)驗(yàn)所選用的MIK-P260壓力式液位傳感器具有體積小、溫度范圍寬、可靠性好、精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，其應(yīng)用范圍也在不斷地拓寬。圖3.5MIK-P260壓力式液位傳感器3.3.4流量傳感器水流量傳感器通過(guò)對(duì)水流量的感應(yīng)，可以通過(guò)輸出脈沖信號(hào)或電流、電壓等信號(hào)傳遞給控制器，控制器通過(guò)這些脈沖信號(hào)來(lái)對(duì)加熱爐中的水做出感應(yīng)，并且通過(guò)水泵來(lái)對(duì)水流的大小進(jìn)行變頻控制。其工作原理如圖3.6所示。圖3.6流量傳感器原理圖當(dāng)水流過(guò)閥門時(shí)，傳感器會(huì)控制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，我們通過(guò)觀察電動(dòng)機(jī)速度的變化來(lái)確定水流量傳感器工作的頻率和對(duì)水的控制功率。與此同時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器將該變化計(jì)算為脈沖信號(hào)輸出，由此就可以測(cè)量水的流速。該傳感器工作背后的主要工作原理是霍爾效應(yīng)。根據(jù)該原理，在該傳感器中，由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而在導(dǎo)體中感應(yīng)出電壓差，該感應(yīng)的電壓差垂直于電流。當(dāng)動(dòng)風(fēng)扇由于水流而旋轉(zhuǎn)時(shí)，它使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而感應(yīng)出電壓，該感應(yīng)電壓由霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量，并顯示在LCD顯示屏上。YF-S201水流量傳感器主要由銅閥體、水流量轉(zhuǎn)子組件、穩(wěn)流組件和霍爾元件組成。當(dāng)水流經(jīng)轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速隨流量線性變化?；魻栐敵鱿鄳?yīng)的脈沖信號(hào)并將其反饋給控制器?？刂破鞔_定水量，調(diào)節(jié)比例閥的電流，通過(guò)比例閥控制煤氣或煤的體積，從而維持加熱爐內(nèi)的水量。圖3.7YF-S201流量傳感器3.3.5霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)是美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的一種電磁效應(yīng)。當(dāng)電流垂直于外加磁場(chǎng)穿過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，載流子就會(huì)偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向就會(huì)產(chǎn)生額外的電場(chǎng)，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生一個(gè)電位差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，這種電位差也稱為霍爾電位差?；魻栃?yīng)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛。利用霍爾效應(yīng)原理研制的各種霍爾元件已廣泛應(yīng)用于精密磁測(cè)量、自動(dòng)控制、通信、計(jì)算機(jī)、航空航天等工業(yè)部門和國(guó)防領(lǐng)域。通過(guò)這種霍爾效應(yīng)，可以將許多非電、非磁物理量，如力、扭矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、工作狀態(tài)變化時(shí)間等轉(zhuǎn)換成電能，以供檢測(cè)和控制?；诨魻栃?yīng)的霍爾裝置以磁場(chǎng)為工作介質(zhì)，將物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓的形式，從而具有傳感和開關(guān)的功能。在本設(shè)計(jì)中，主要利用了霍爾效應(yīng)在力方面的應(yīng)用，通過(guò)感應(yīng)加熱爐中的液位壓力和水流量的水壓，來(lái)對(duì)加熱爐液位和水流量進(jìn)行控制。3.4系統(tǒng)硬件連接數(shù)顯表連接：由于同時(shí)使用了二個(gè)數(shù)顯表，二表的全部時(shí)鐘數(shù)據(jù)均采用了同一個(gè)時(shí)鐘數(shù)據(jù)，由Q0.4輸出。其輸入與輸出接口分別有Q0.2和Q0.3輸出。溫度傳差電壓變送器連接：根據(jù)溫度變送器所輸出的信號(hào)為0~10V的電流變化，連接EM235的模擬量接口模塊AIW零和AIW2，接線采取雙電流的輸入連接形式。調(diào)功器的連接：調(diào)功器輸出接線：由于調(diào)功器的輸入控制信號(hào)位0~5VDC，所以接入EM235的模擬量輸出端口AQW0，接線采用電壓輸出方式。接線如下圖3.8所示圖3.8硬件接線圖

第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件STEP7-MWIN32編程套件是西門子專門為SIMTICS7-200系列PLC系統(tǒng)開發(fā)的編程軟件。該軟件接口設(shè)置良好，同時(shí)也具備了簡(jiǎn)易的在線功能。一般開發(fā)人員也可以通過(guò)該軟件設(shè)計(jì)程序，而且還實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶的程序狀態(tài)，這種延遲也是SIMATICS7-200所支持的不可或缺的開發(fā)工具。剛開始設(shè)置的時(shí)候主要是文字選擇的界面，但是相對(duì)于版本4.0來(lái)說(shuō)，在這時(shí)候不能選中文的，但是已經(jīng)事先選定了的語(yǔ)言。在軟件設(shè)置完以后,才能完成語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換。如果要更改程序界面方式，可以先點(diǎn)擊程序主界面下方工具欄中的tools目錄下的選項(xiàng)，再點(diǎn)擊頁(yè)面中的general（常規(guī)）選項(xiàng)，再點(diǎn)擊下面的OK選項(xiàng)就能夠轉(zhuǎn)換為使用中文模式。見圖4.1所示。圖4.1語(yǔ)言重設(shè)界面系統(tǒng)塊用于設(shè)定S7-200CPU的系統(tǒng)設(shè)置和參數(shù)等。系統(tǒng)模塊修改后必須加載在CPU上，新的設(shè)計(jì)方可實(shí)施。系統(tǒng)模塊的配置如下，必須注意的是，PLC的位置默認(rèn)為2，但在設(shè)計(jì)時(shí)我們使用的位置為1，通信接口的位置，類似的，我們用到的地址是1。4.2方案設(shè)計(jì)思路PLC系統(tǒng)使用的是的S7-200系列，CPU選用的是224系列，采用了2個(gè)按鈕和1個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行燈來(lái)控制和顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，兩個(gè)數(shù)顯表還可以指示夾套水溫和內(nèi)膽的實(shí)際水溫。水質(zhì)感應(yīng)器可以用來(lái)測(cè)量不同類型的加熱爐夾套和內(nèi)膽中的水的溫度數(shù)值，通過(guò)將溫度的信息轉(zhuǎn)化成0~10V的電壓信號(hào)，與PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后的一般化數(shù)據(jù)的變換進(jìn)行對(duì)比并輸出，就顯示出了真實(shí)的水溫?cái)?shù)值，這個(gè)操作過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了PID雙閉環(huán)串級(jí)的控制，通過(guò)PID輸出功率來(lái)操作調(diào)功器的輸出燈泡亮度和調(diào)節(jié)爐內(nèi)加熱器的溫度，從而達(dá)到了實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫控制調(diào)節(jié)的目的。軟件設(shè)計(jì)過(guò)程為以下四個(gè)部分：一、主程序部分，操作過(guò)程就是對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止進(jìn)行手動(dòng)操作和指示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以及完成對(duì)其他子程序中庫(kù)函數(shù)的調(diào)用。二、溫度標(biāo)量轉(zhuǎn)換模塊，將PLC識(shí)別出來(lái)的電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)換成真實(shí)的溫度數(shù)值顯示出來(lái)。三、水溫溫度模擬測(cè)量部分，PLC利用電壓信號(hào)來(lái)模擬溫度變化，展示了夾套和內(nèi)膽水溫的實(shí)際變化情況。四、PID運(yùn)算控制部分，PID作為溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行控制單元，依照自身調(diào)節(jié)以達(dá)到實(shí)時(shí)控制溫度的目的。分配地址如表4.1所示。表4-1地址分配表序號(hào)名稱地址注釋1溫度AIW0TT12液位AIW2LT13流量AIW4FT14加熱控制輸出AQW0TV15啟動(dòng)I0.0SB16停止I0.1SB27急停I0.2SB38加熱器過(guò)載I0.3FR19啟動(dòng)HMIM0.010停止HMIM0.111急停HMIM0.212加熱電源Q0.0KM113自動(dòng)運(yùn)行指示Q0.1HL114故障指示Q0.2HL215溫度高指示燈Q0.3HL316溫度正常指示燈Q0.4HL417溫度低指示燈Q0.5HL518進(jìn)水閥門Q0.6VALIN19排水閥門Q0.7VALOUT20PID0_TableVB100PID0的回路表起始地址21溫度讀取VD022溫度設(shè)定VD4預(yù)設(shè)80度23溫度測(cè)量范圍下限設(shè)定VD8預(yù)設(shè)0度24溫度測(cè)量范圍上限設(shè)定VD12預(yù)設(shè)100度25溫度低報(bào)警設(shè)定VD16預(yù)設(shè)75度26溫度高報(bào)警設(shè)定VD20預(yù)設(shè)85度27PID0_PVVD100標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程變量28PID0_SPVD104標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程給定值29PID0_OutputVD108標(biāo)準(zhǔn)化的回路輸出計(jì)算值30PID0_GainVD112回路增益31PID0_SampleTimeVD116采樣時(shí)間(要修改請(qǐng)重新運(yùn)行PID向?qū)?32PID0_I_TimeVD120積分時(shí)間33PID0_D_TimeVD124微分時(shí)間34PID1_D_CounterVW28035液位讀取VD2436流量讀取VD28根據(jù)表上信息，我們可以清楚的看到PID所控制的數(shù)據(jù)信息，名稱，地址，數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)。4.3主程序部分主程序流程圖如圖4-2所示。圖4.2主程序流程圖開機(jī)初始化，設(shè)定控制溫度，設(shè)定值80度；初始化溫度測(cè)量，范圍是1℃至100℃；預(yù)設(shè)低溫報(bào)價(jià)閾值，設(shè)置為75℃；預(yù)設(shè)低溫報(bào)價(jià)閾值，設(shè)置為85℃；PID0參數(shù)設(shè)定；自動(dòng)運(yùn)行指示及故障指示；顯示溫度；將模擬量0到32000轉(zhuǎn)換為VD8到VD12的溫度，保存在VD0中；顯示液位；將模擬量0到32000轉(zhuǎn)換為0到100的液位值，保存在VD24中；顯示流量；將模擬量0到32000轉(zhuǎn)換為0到20的流量值，保存在VD28中； 溫度高指示燈邏輯條件；溫度低指示燈邏輯條件；溫度正常指示燈邏輯條件；加熱電源的控制；PID0輸入歸一化；轉(zhuǎn)成0到1.0的標(biāo)準(zhǔn)化值；PID0設(shè)定歸一化；假設(shè)最高溫度VD12；溫度正常使用PID控制，模擬量輸出；溫度高輸出，模擬量輸出為0；系統(tǒng)停止，輸出為0；溫度高指示燈邏輯條件；溫度低指示燈邏輯條件；溫度正常指示燈邏輯條件；4.4組態(tài)畫面部分組態(tài)王是一款功能強(qiáng)大的工業(yè)控制軟件，適用于控制自動(dòng)化過(guò)程，并提供高效的組態(tài)性能。它無(wú)論是面對(duì)簡(jiǎn)單還是復(fù)雜的任務(wù)，都能游刃有余，展現(xiàn)出驚人的可伸縮性。組態(tài)王的全面開放，為用戶提供了方便快捷的人機(jī)交互界面，以滿足生產(chǎn)實(shí)際需求為目標(biāo)。組態(tài)王以其成熟可靠的操作和高效的組態(tài)性能，為整個(gè)工廠的應(yīng)用系統(tǒng)提供整體解決方案.多虧了西門子公司的全方位服務(wù)與支援，“構(gòu)態(tài)王”才能在世界各地靈活運(yùn)用，并得到廣泛支援，從而實(shí)現(xiàn)了高度的集成化。作為系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，可應(yīng)用組態(tài)王作為系統(tǒng)集成商，利用開放接口開發(fā)自身的應(yīng)用軟件，以滿足用戶的多樣化需求。監(jiān)控界面的主要作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制工藝流程中的各個(gè)參數(shù)，并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析功能。它可以幫助操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理異常情況，保證生產(chǎn)過(guò)程的安全和穩(wěn)定性。具體功能包括：顯示工藝流程：監(jiān)控畫面可以以圖形化的方式生動(dòng)地顯示工藝流程和各設(shè)備的位置，讓操作人員一目了然。顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：監(jiān)控畫面可以實(shí)時(shí)顯示各種參數(shù)信號(hào)，包括溫度、壓力、流量等，讓操作人員可以隨時(shí)掌握工藝過(guò)程的狀態(tài)。報(bào)警處理：監(jiān)控畫面可以根據(jù)設(shè)定的報(bào)警條件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工藝過(guò)程中的異常情況，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒操作人員處理。數(shù)據(jù)采集與分析：監(jiān)控畫面可以對(duì)各種參數(shù)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，供后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理使用。用戶權(quán)限管理：監(jiān)控畫面可以對(duì)操作人員進(jìn)行權(quán)限管理，限制其操作權(quán)限，保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性?？傊?，監(jiān)控畫面是工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)，它通過(guò)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)采集和分析等功能，提高了生產(chǎn)過(guò)程的可控性和安全性，為工藝過(guò)程的優(yōu)化和提升生產(chǎn)效率提供了強(qiáng)有力的支持。目前組態(tài)王的版本主要有KingView6.55、KingView6.60、KingView7.5三個(gè)版本，我們本次選用的是KingView6.55這個(gè)版本以此來(lái)滿足本次溫控實(shí)驗(yàn)的需求。它具有以下特點(diǎn)：（1）能夠讀取不同型號(hào)的PLC設(shè)備，通過(guò)監(jiān)控工作場(chǎng)地收集各種信號(hào)，以此來(lái)控制工作場(chǎng)地。（2）能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行監(jiān)控，模擬工作場(chǎng)景和監(jiān)控各種工廠數(shù)據(jù)。（3）具有系統(tǒng)的工作習(xí)慣和良好操作，通過(guò)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)把異常情況發(fā)布給工作人員。（4）將收集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，然后把運(yùn)算成果發(fā)到控制系統(tǒng)，讓其進(jìn)行處理。（5）具有記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。（6）能夠即時(shí)提交信息，歷史數(shù)據(jù)，警報(bào)，外部系統(tǒng)中的信息及其整個(gè)統(tǒng)計(jì)階段的結(jié)果。（7）可以連接外部硬件通過(guò)PC端對(duì)其進(jìn)行控制和監(jiān)控它內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)。圖4.3人機(jī)界面主監(jiān)控畫面圖4.4數(shù)據(jù)記錄趨勢(shì)界面圖4.5系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定界面

軟硬件調(diào)試5.1硬件實(shí)物圖及介紹PLC的數(shù)據(jù)流量管理I/0端口Q0.0接一個(gè)指明燈，Q0.2與Q0.3分別接內(nèi)膽的數(shù)顯表的輸入輸出端口，Q0.4接二個(gè)數(shù)顯表的時(shí)鐘電路輸入和輸出端口。PLC的數(shù)字量輸入和輸出接口為I零點(diǎn)零位系統(tǒng)啟動(dòng)按鍵。圖5.1硬件實(shí)物圖圖5.2編程電纜如圖5.1和圖5.2所示，是本次設(shè)計(jì)的硬件實(shí)物連接圖和編程電纜。PLC-200作為主控制器，型號(hào)為CPU224-24V-DC/DC/DC連接的兩臺(tái)調(diào)壓器都是通過(guò)調(diào)節(jié)電壓的大小來(lái)模擬溫度變化，液位變化，流量變化。三只小燈分別模擬溫度控制運(yùn)行，進(jìn)水閥門和出水閥門控制。編程電纜是實(shí)驗(yàn)設(shè)備和電腦進(jìn)行通訊的工具。5.2系統(tǒng)軟硬件控制實(shí)驗(yàn)調(diào)試圖5.3系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)圖如圖5.3，把設(shè)備通電并與電腦連接以后，即可進(jìn)行本次加熱爐控制實(shí)驗(yàn)。溫度的閾值范圍是75~85，溫度維持在80左右。低于75或高于80，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警。溫度的調(diào)節(jié)由變壓器1進(jìn)行調(diào)節(jié)。水流量和液位設(shè)置閾值為20~80，處于之間的范圍為正常值。低于20或高于80，系統(tǒng)報(bào)警，由變壓器2進(jìn)行調(diào)節(jié)。三只小燈的亮滅來(lái)模擬系統(tǒng)工作時(shí)，三個(gè)被測(cè)量（溫度、液位、水流量）的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)電腦WINCC界面來(lái)對(duì)PLC內(nèi)部運(yùn)行以及系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。在此頁(yè)面我們可以實(shí)時(shí)觀察到系統(tǒng)的運(yùn)行及各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況，此外我們還可以通過(guò)開啟自動(dòng)控制啟動(dòng)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，我們只需觀察監(jiān)控頁(yè)面就可以判斷系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)是否正常，通過(guò)實(shí)時(shí)變化曲線圖可以清楚的觀察到三個(gè)被測(cè)量的變化趨勢(shì)。該系統(tǒng)完成的主要功能和具體調(diào)試過(guò)程如下：1.用STEP7編程軟件將編寫的程序?qū)隤LC控制器（西門子S7-200）中。2.將PLC控制器與電腦相連接，在PC端對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。3.人通過(guò)電腦端WINCC軟件監(jiān)控PLC的運(yùn)行狀態(tài)。4.PLC控制器通過(guò)控制加熱電阻、水泵、閥門，達(dá)到加熱爐溫度控制、流量控制、液位控制的目的，從而實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)加熱爐的自動(dòng)控制。5.加熱爐溫度控制主系統(tǒng)中，采用串級(jí)控制方案，主、副控制器采用PID控制算法，手動(dòng)整定或自整定PID參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，控制加熱爐溫度維持在恒定范圍內(nèi)REF_Ref25082\r\h[8]。6.流量控制輔助系統(tǒng)，水系統(tǒng)流量通過(guò)水泵變頻控制，使水系統(tǒng)流量恒定在控制范圍以內(nèi)。7.液位控制輔助系統(tǒng)，加熱爐液位通過(guò)加水閥和出水閥控制，使液位保持在控制液位。第6章總結(jié)加熱爐溫度控制器通過(guò)不斷發(fā)展，把成熟的PLC技術(shù)與現(xiàn)代電力電子技術(shù)相結(jié)合，二者相輔相成，并通過(guò)軟硬件結(jié)合，解決了傳統(tǒng)的加熱爐溫度控制器所存在的難點(diǎn)問(wèn)題。針對(duì)我國(guó)大部分加熱爐控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也能作為一種比較出色的控制設(shè)備。在本實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)提出的設(shè)計(jì)方案和要求，用軟件對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行串級(jí)控制處理，讓誤差范圍控制在1℃上下，該系統(tǒng)的模擬量擴(kuò)展模塊是采用的EM235，用的是兩個(gè)模擬量輸入和一個(gè)輸出來(lái)進(jìn)行工作。頁(yè)面的溫度顯示和PLC的工作都滿足了實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)溫度和實(shí)時(shí)顯示的需求，綜上所訴，可以說(shuō)本設(shè)計(jì)基本上是成功的。這一系列的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的演示，增強(qiáng)了我的主觀能動(dòng)性，把自己過(guò)去大學(xué)四年