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1、基于西門子S7-200 PLC的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 第一章? 前? 言 1.1 課題研究背景 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中, 溫度控制占有著極為重要的地位, 特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案 也有所不同。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等[1]。溫度控制系統(tǒng) 的工藝過(guò)程復(fù)雜多變，具有不確定性，因此對(duì)系統(tǒng)要求更為先

2、進(jìn)的控制技術(shù)和控制理論。 可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是繼承計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)裝置。它具有抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜， 可靠性強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，易學(xué)易用等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛地使用[2]。 目前在控制領(lǐng)域中，雖然逐步采用了電子計(jì)算機(jī)這個(gè)先進(jìn)技術(shù)工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（DCS）。但就其控制策略而言，占統(tǒng)治地位的 仍然是常規(guī)的PID控制。PID結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[3]。PID的使用已經(jīng)有60多年了，有人稱贊它是控制領(lǐng) 域的

3、常青樹。 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng) 控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。在組態(tài)概念出現(xiàn)之前，要實(shí)現(xiàn)某一任務(wù)，都是通過(guò)編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。編寫程序不但工作量大、周期長(zhǎng)，而且容易犯錯(cuò) 誤，不能保證工期。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于過(guò)去需要幾個(gè)月的工作，通過(guò)組態(tài)幾天就可以完成.組態(tài)王是國(guó)內(nèi)一家較有影響力的組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)公司 開(kāi)發(fā)的，組態(tài)王具有流程畫面，過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，趨勢(shì)曲線，報(bào)警窗口，生產(chǎn)報(bào)表等功能，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域被應(yīng)用[4]?！? 1.2 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

4、溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研以及日常生活等領(lǐng)域占有重要的地位。溫度控制系統(tǒng)是人類供熱、取暖的主要設(shè)備的驅(qū)動(dòng) 來(lái)源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。期間，從低級(jí)到高級(jí)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對(duì)溫度控制精度要求的不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術(shù)得 到迅速發(fā)展。當(dāng)前比較流行的溫度控制系統(tǒng)有基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機(jī)（IPC）的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）等。 單片機(jī)的發(fā)展歷史雖不長(zhǎng)，但它憑著體積小，成本低，功能強(qiáng)大和可靠性高等特點(diǎn)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)已

5、經(jīng)由開(kāi)始的4位機(jī)發(fā)展到32位 機(jī)，其性能進(jìn)一步得到改善[5]?；趩纹瑱C(jī)的溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作精度高。但相對(duì)其他溫度系統(tǒng)而言，單片機(jī)響應(yīng)速度慢、中斷源少，不利于在復(fù)雜 的，高要求的系統(tǒng)中使用。 PLC是一種數(shù)字控制專用電子計(jì)算機(jī)，它使用了可編程序存儲(chǔ)器儲(chǔ)存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過(guò)模擬和數(shù)字輸入、輸出等組 件，控制各種機(jī)械或工作程序。PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單，易于被工程人員掌握和使用，目前在工業(yè)領(lǐng)域上被廣泛應(yīng)用[6]。相對(duì)于 IPC，DCS，F(xiàn)SC等系統(tǒng)而言，PLC是具有成本上的優(yōu)勢(shì)。因此，PLC占領(lǐng)著很大的市場(chǎng)份額，其前景也很有前途。 工

6、控機(jī)（IPC）即工業(yè)用個(gè)人計(jì)算機(jī)。IPC的性能可靠、軟件豐富、價(jià)格低廉，應(yīng)用日趨廣泛。它能夠適應(yīng)多種工業(yè)惡劣環(huán)境，抗振動(dòng)、抗高溫、防灰塵，防電 磁輻射。過(guò)去工業(yè)鍋爐大多用人工結(jié)合常規(guī)儀表監(jiān)控，一般較難達(dá)到滿意的結(jié)果，原因是工業(yè)鍋爐的燃燒系統(tǒng)是一個(gè)多變量輸入的復(fù)雜系統(tǒng)。影響燃燒的因素十分復(fù) 雜，較正確的數(shù)學(xué)模型不易建立，以經(jīng)典的PID為基礎(chǔ)的常規(guī)儀表控制，已很難達(dá)到最佳狀態(tài)。而計(jì)算機(jī)提供了諸如數(shù)字濾波，積分分離PID，選擇性PID。 參數(shù)自整定等各種靈活算法，以及“模糊判斷”功能，是常規(guī)儀表和人力難以實(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的[7]。在工業(yè)鍋爐溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)中采用控機(jī)工可大大改善了對(duì) 鍋爐的監(jiān)控品質(zhì)，提

7、高了平均熱效率[7]。但如果單獨(dú)采用工控機(jī)作為控制系統(tǒng)，又有易干擾和可靠性差的缺點(diǎn)。 集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS）是一種功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系統(tǒng)。與常規(guī)儀表相比具有豐富的監(jiān)控、協(xié)調(diào)管理功能等特點(diǎn)。DCS的關(guān)鍵是通 信。也可以說(shuō)數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計(jì)就決定了總體的靈活性和安全 性?；綝CS的溫度控制系統(tǒng)提供了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和管理水平，能減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有助于提高系統(tǒng)的效率[8]。但DCS在設(shè)備配置上要求網(wǎng) 絡(luò)、控制器、電源甚至模件等都為冗余結(jié)構(gòu)，支持無(wú)擾切換和帶電插拔，由于設(shè)計(jì)上的

8、高要求，導(dǎo)致DCS成本太高。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段的系統(tǒng)。其優(yōu)勢(shì)在于網(wǎng)絡(luò)化、分散化控制?；?于總線控制系統(tǒng)（FCS）的溫度控制系統(tǒng)具有高精度，高智能，便于管理等特點(diǎn)，F(xiàn)CS系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，能直接執(zhí)行傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能。而 且它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置(含變送器、執(zhí)行器等)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)和組態(tài)，這是其他系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的[9]。但是，F(xiàn)CS還沒(méi)有完全成熟，它才剛剛進(jìn)入實(shí)用化的 現(xiàn)階段，另一方面，另一方面， 目前現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)共有12種之多，這給FSC的廣泛應(yīng)用添加了很大的阻力。 各種溫度系統(tǒng)都有自己

9、的優(yōu)缺點(diǎn)，用戶需要根據(jù)實(shí)際需要選擇系統(tǒng)配置，當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)用中，為了達(dá)到更好的控制系統(tǒng)，可以采取多個(gè)系統(tǒng)的集成，做到互補(bǔ)長(zhǎng)短。 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，但從生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著較大差距。 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，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開(kāi)發(fā)工作的滯 后，還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出性能可靠的自整定軟

10、件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。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。日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，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，并在各行業(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[10]。 本文的研究?jī)?nèi)容 本論文主要是利用PLC S7-200 采用PID控制技術(shù)做一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，要求穩(wěn)定誤差不超過(guò)正負(fù)1℃，并且用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。具體有以下幾方面的內(nèi)容： 第一章，對(duì)PLC系統(tǒng)應(yīng)用的背景進(jìn)行了闡述，并介紹當(dāng)前溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。 第二章，簡(jiǎn)單概述了PLC的

11、基本概念以及組成。 第三章，介紹了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的硬件連接、使用方法以及編程軟件的簡(jiǎn)單介紹。 第四章，介紹了本論文中用到的一些算法技巧和思想，包括PWM、PID控制、PID在PLC中的使用方法以及PID的參數(shù)整定方法。 第五章，介紹了設(shè)計(jì)程序的設(shè)計(jì)思想和程序，包括助記符語(yǔ)言表和梯形圖。 第六章，介紹了組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)方法。 第七章，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量。 第八章,對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。 第二章 可編程控制器的概述 2.1 可編程控制器的產(chǎn)生 可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，英文全稱：Programmable Controller，為了和個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)區(qū)分，一

12、般稱其為PLC?？删幊炭刂破?PLC)是繼承計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng) 裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。 20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但由于價(jià)格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大，未能在工業(yè)領(lǐng)域中獲得推廣。 ?1968年，美國(guó)的汽車制造公司通用汽車公司(GM)提出了研制一種新型控制器的要求，并從用戶角度提出新一代控制器應(yīng)具備十大條件，立即引起了開(kāi)發(fā)熱潮。1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出了世界上第一臺(tái)可編程序控制器，并應(yīng)用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上。 可編程控制器自問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展極為迅速。1971年日本開(kāi)始生產(chǎn)可編

13、程控制器，而歐洲是1973開(kāi)始的。如今，世界各國(guó)的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器[11]?？删幊炭刂破鲝恼Q生到現(xiàn)在經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，見(jiàn)表1-1。?????? ??????????????????? 表 1-1? 可編程控制器功能表 代次??? 器件??? 功能 第一代??? 1位處理器??? 邏輯控制功能 第二代??? 8位處理器及存儲(chǔ)器??? 產(chǎn)品系列化 第三代??? 高性能8位微處理器及位片式微處理器??? 處理速度提高，向多功能及聯(lián)網(wǎng)通信發(fā)展 第四代??? 16位、32位微處理器及高性能位片式微處理器??? 邏輯、運(yùn)動(dòng)、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)功能的多功能

14、 2.2 可編程控制器的基本組成 PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種。整體式PLC一般由CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存和電源組成。模塊式PLC一般由CPU模塊、I /O模塊、內(nèi)存模塊、電源模塊、底版或機(jī)架組成。本論文實(shí)物采用的是模塊式的PLC，不管哪種PLC，都是屬于總線式的開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成如圖2-1所示 [12]。 1)??? CPU（中央處理器） 和一般的微機(jī)一樣，CPU是微機(jī)PLC的核心，主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器以及實(shí)現(xiàn)他們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構(gòu)成。CPU在很大程度上決定了PLC的整體性能，如整個(gè)系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量。 C

15、PU控制著PLC工作，通過(guò)讀取、解釋指令，指導(dǎo)PLC有條不紊的工作。 2)??? 存儲(chǔ)器 ???? 存儲(chǔ)器（內(nèi)存）主要用語(yǔ)存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成部分。PLC中的存儲(chǔ)器一般包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)程序一般由廠 家編寫的，用戶不能修改；而用戶程序是隨PLC的控制對(duì)象而定的，由用戶根據(jù)對(duì)象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應(yīng)用程序。 3) 輸入輸出模塊 ???? 輸入模塊和輸出模塊通常稱為I/O模塊或I/O單元。PLC提供了各種工作電平、連接形式和驅(qū)動(dòng)能力的I/O模塊，有各種功能的I/O模塊供擁護(hù)選用。按 I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊的規(guī)格和數(shù)量，I/O模塊可多可

16、少，但其最大數(shù)受PLC所能管理的配置能力，即底版的限制。 ?PLC還提供了各種各樣的特殊的I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、高速計(jì)算器、位置控制、以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、溫度控制、中斷控制、聲音輸出、打印機(jī)等專用 型或智能型模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。智能接口模塊是一獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它有自己的CPU、系統(tǒng)程序、存儲(chǔ)器及與PLC系統(tǒng)總線相連接的接 口。 4)編程裝置 編程器作用是將用戶編寫的程序下載至PLC的用戶程序存儲(chǔ)器，并利用編程器檢查、修改和調(diào)試用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過(guò)程，顯示PLC狀態(tài)、內(nèi)部器件 及系統(tǒng)的參數(shù)等。常見(jiàn)的編程器有簡(jiǎn)易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專

17、用編程軟件。目前PLC制造廠家大都開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助PLC編程支持軟件， 當(dāng)個(gè)人計(jì)算機(jī)安裝了PLC編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進(jìn)行用戶程序的編輯、修改，并通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)和PLC之間的通信接口實(shí)現(xiàn)用戶程序的雙向傳 送、監(jiān)控PLC運(yùn)行狀態(tài)等。 5）電源 ??? PLC的電源將外部供給的交流電轉(zhuǎn)換成供CPU、存儲(chǔ)器等所需的直流電，是整個(gè)PLC的能源供給中心。PLC大都采用高質(zhì)量的工作穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng) 的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，許多PLC電源還可向外部提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于向輸入接口上的接入電氣元件供電，從而簡(jiǎn)化外圍配置。 第三章? 硬件配置和軟件環(huán)境 實(shí)驗(yàn)配置 3.1.1

18、西門子S7-200 S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號(hào)的擴(kuò)展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲(chǔ)卡、寫入器、文本顯示器等。本論文采用的是CUP224。它具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)。S7-200系列的基本單元如表3-1所示[13]。 3.1.2 傳感器 熱電偶是一種感溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo) 準(zhǔn)化熱電

19、偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)， 并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。本論文才用的是K型熱電阻[14]。 3.1.3 EM 231模擬量輸入模塊 傳感器檢測(cè)到溫度轉(zhuǎn)換成0～41mv的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入PLC中進(jìn)行處理。在這里，我們選用了西門子EM231 4TC模擬量輸入模塊。 EM231熱電偶模塊提供一個(gè)方便的，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

20、號(hào)(±80mV范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。 EM231模塊需要用戶通過(guò)DIP開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測(cè)量單位、冷端補(bǔ)償和開(kāi)路故障方向，用戶可以很方便地通過(guò)位于模塊下部的組 態(tài)DIP開(kāi)關(guān)進(jìn)行以上選擇，如圖3-2所示。本設(shè)計(jì)采用的是K型熱電偶，結(jié)合其他的需要，我們?cè)O(shè)置DIP開(kāi)關(guān)為00100000。 對(duì)于EM231 4TC模塊，SW1～SW3用于選擇熱電偶類型，見(jiàn)表3-3 。SW4沒(méi)有使用，SW5用于選擇斷線檢測(cè)方向，SW6用于選擇是否進(jìn)行斷線檢測(cè)，SW7用于選擇測(cè)量單位，SW8用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償，見(jiàn)表3-4[15]。

21、為了使DIP開(kāi)關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給PLC的電源斷電再通電。 3.2 STEP 7 Micro/WIN32軟件介紹 ? STEP 7-MWIN32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，是西門子公司專門為SIMTIC S7-200系列PLC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。該軟件功能強(qiáng)大，界面友好，并有方便的聯(lián)機(jī)功能。用戶可以利用該軟件開(kāi)發(fā)程序，也可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該 軟件是SIMATIC S7-200擁護(hù)不可缺少的開(kāi)發(fā)工具 3安裝STEP 7-MWIN32 V4.0 在開(kāi)始安裝的時(shí)候是選擇語(yǔ)言界面，對(duì)于版本來(lái)說(shuō)，這時(shí)候沒(méi)有選擇中文的，但可以先選擇其他語(yǔ)言，見(jiàn)圖3-5。等軟件安裝好之后再

22、進(jìn)行語(yǔ)言的切換。 ??? ??? 在安裝的最后，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)界面，按照硬件的配置，我們需要用232通信電纜，采用PPI的通信方式，所以要選擇PPI/PC Cable(PPI)，這個(gè)時(shí)候在彈出來(lái)的窗口中選擇端口地址，通信模式，一般選擇默認(rèn)就可以了，見(jiàn)圖3-6。 ?? 如果想改變編程界面的語(yǔ)言，可在軟件的主界面的工具欄中選擇tools目錄下選擇option選項(xiàng)，在出現(xiàn)的界面中選擇general,然后在右下角就可以選擇中文了。見(jiàn)圖3-7所示。 3.2.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 系統(tǒng)塊用來(lái)設(shè)置S7-200 CPU的系統(tǒng)選項(xiàng)和參數(shù)等。系統(tǒng)塊更改后需要下載到CPU中，新的設(shè)置才能生效。系統(tǒng)塊的設(shè)

23、置如下，需要注意的是，PLC的地址默認(rèn)是2，但本設(shè)計(jì)中需要 用到的地址是1，如圖3-8。通信端口的設(shè)置，同樣的，我們用到的地址是1，如圖3-9所示。 圖 3-9? 通信端口設(shè)置 ?????????????????????????? ?? 第四章 控制算法描述 4.1 PWM技術(shù) 脈寬調(diào)制（PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測(cè)量、通信、功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的

24、任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF) [16]。 本論文中采樣周期和加熱周期都是10秒。采樣后，根據(jù)溫差的大小進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)化得到一個(gè)加熱時(shí)間（0-10秒）作為下一個(gè)加熱周期的加熱時(shí)間。例如 溫差大，加熱時(shí)間就大，溫差小，那么加熱時(shí)間就小。程序采用的是粗調(diào)和微控兩段式控制方式。在粗控調(diào)階段，占空比恒為一。在微控制階段，占空比就根據(jù)溫差 不停地變化。 4.2 PID控制程序設(shè)計(jì) 模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是PID控制，PID在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有60多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。人們?cè)趹?yīng)用的過(guò)程中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)，PID的研究已經(jīng)到達(dá)一個(gè)比較高的程度。

25、比例控制(P)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。其特點(diǎn)是具有快速反應(yīng)，控制及時(shí)，但不能消除余差。 在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點(diǎn)，不能快速對(duì)誤差進(jìn)行有效的控制。 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。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)，微分控制不能消除余差。 PID控制，P、I、D各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，它們一起使用的時(shí)候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量[17]。 4.2.1 PI

26、D控制算法 ?? 如圖4-1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: ???????????????????????? (4.2) 控制器的輸出為: ??????????????????????? (4.3) 上式中,??? ——PID回路的輸出; ???????? ——比例系數(shù)P; ????????? ——積分系數(shù)I; ???????? ——微分系數(shù)D; PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為： ??????????????????????????????????? (4.4) 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，

27、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4-5所示： 表 4-5? 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: 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[17]。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

28、的PID指令實(shí)現(xiàn)位置式PID控制算法量[18]。 4.2.2? PID在PLC中的回路指令 現(xiàn)在很多PLC已經(jīng)具備了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是專用模塊，有些是指令形式。西門子S7-200系列PLC中使用的是PID回路指令。見(jiàn)表4-7。 表4-7? PID回路指令 名稱??? PID運(yùn)算 指令格式??? PID 指令表格式??? PID TBL，LOOP 梯形圖??? ? 使用方法：當(dāng)EN端口執(zhí)行條件存在時(shí)候，就可進(jìn)行PID運(yùn)算。指令的兩個(gè)操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因

29、為一個(gè)PID回路占用了32個(gè)字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號(hào)，可以是0~7，不可以重復(fù)使用。PID回路在PLC中的地 址分配情況如表4-8所示。 表4-8? 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)??? 必須在之間 4??? 給定值（SPn）??? 實(shí)數(shù)??? 必須在之間 8??? 輸出值（Mn）??? 實(shí)數(shù)??? 必須在之間 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)

30、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)??? 必須在之間 32??? 過(guò)程變量前值（PVn-1）??? 實(shí)數(shù)??? 必須在之間 1)??? ?回路輸入輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法 本文中，設(shè)定的溫度是給定值SP，需要控制的變量是爐子的溫度。但它不完全是過(guò)程變量PV，過(guò)程變量PV和PID回路輸出有關(guān)。在本文中，經(jīng)過(guò)測(cè)量的溫度 信號(hào)被轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)溫度值才是過(guò)程變量，所以，這兩個(gè)數(shù)不在同一個(gè)數(shù)量值，需要他們作比較，那就必須先作一下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。溫度輸入變量的數(shù)

31、10倍據(jù)轉(zhuǎn)化。 傳感器輸入的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)EM231轉(zhuǎn)換后，是一個(gè)整數(shù)值，他的值大小是實(shí)際溫度的把A/D模擬量單元輸出的整數(shù)值的10倍。但PID指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)必須 是實(shí)數(shù)型，所以需要把整數(shù)轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)。使用指令DTR就可以了。如本設(shè)計(jì)中，是從AIW0讀入溫度被傳感器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。其轉(zhuǎn)換程序如下: MOVW?? AIW0, AC1 DTR??? AC1, AC1 MOVR?? AC1, VD100 2) 實(shí)數(shù)的歸一化處理 因?yàn)镻ID中除了采樣時(shí)間和PID的三個(gè)參數(shù)外，其他幾個(gè)參數(shù)都要求輸入或輸出值之間，所以，在執(zhí)行PID指令之前，必須把PV和SP的值作歸一化處理。使它們的值都在之

32、間。歸一化的公式如4.9: ???????????????????????? （） 式中,???? ——標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值； ??????????? ——未標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值; ?????????? ——補(bǔ)償值或偏置，單極性為，雙極性為0.5; ???????? ——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6400。 本文中采用的是單極性，故轉(zhuǎn)換公式為: ???????????????? （） 因?yàn)闇囟冉?jīng)過(guò)檢測(cè)和轉(zhuǎn)換后，得到的值是實(shí)際溫度的10倍，所以為了SP值和PV值在同一個(gè)數(shù)量值，我們輸入SP值的時(shí)候應(yīng)該是填寫一個(gè)是實(shí)際溫度10倍的 數(shù)，即想要設(shè)

33、定目標(biāo)控制溫度為100℃時(shí)，需要輸入一個(gè)1000。另外一種實(shí)現(xiàn)方法就是，在歸一化的時(shí)候，值域大小可以縮小10倍，那么，填寫目標(biāo)溫度的 時(shí)候就可以把實(shí)際值直接寫進(jìn)去[19]。 3)??? 回路輸出變量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 本設(shè)計(jì)中，利用回路的輸出值來(lái)設(shè)定下一個(gè)周期內(nèi)的加熱時(shí)間?；芈返妮敵鲋凳窃谥g，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)，在輸出變量傳送給D/A模擬量單元之前，必須把回路輸出變量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù)。這一過(guò)程是實(shí)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程。 ?????????????????? （） ???????????????????????????????????? S7-200不提供直接將實(shí)數(shù)一步轉(zhuǎn)化成整數(shù)的指令

34、，必須先將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化成雙整數(shù)，再將雙整數(shù)轉(zhuǎn)化成整數(shù)。程序如下： ROUND? AC1, AC1 DTI?? AC1, VW34 4.2.3 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)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

35、經(jīng)驗(yàn)，其規(guī)律如表4-12所示。 ???????????????? 表 4-12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??? 20~60??? 3~10??? 0.5~3 實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。 1）整定比例控制 ???? 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。 2）整定積分環(huán)節(jié) 先將步驟1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分

36、作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(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)[20]。 根據(jù)反復(fù)的試湊，調(diào)出比較好的結(jié)果是P=120. I=3.0 D=1.0。 ?? 第五章 程序設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)思路 PLC采用的是的S7-200，CPU是224系列，采用了5個(gè)燈來(lái)顯示過(guò)程的狀態(tài)，分別是運(yùn)行燈，停止燈，溫度正常燈，溫度過(guò)高（警示燈）燈，和加熱 燈，可以通過(guò)5個(gè)燈的開(kāi)關(guān)狀況判斷加熱爐內(nèi)的大概情況。K型傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)加熱爐中的溫度，把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化

37、成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)。根據(jù)PID輸出值來(lái)控制下一個(gè)周期內(nèi)（10s）內(nèi)的加熱時(shí)間和非加熱時(shí)間。在加熱時(shí)間內(nèi)使得繼電器接通，那加熱爐就可處于加熱狀態(tài)，反之則停 止加熱[21]。 1) 硬件連線如圖5-1所示。 2) I/O點(diǎn)地址分配如表5-2所示。 地址??? 名稱??? 功能 ??? 啟動(dòng)按扭??? 按下開(kāi)關(guān)，設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行 ??? 開(kāi)關(guān)按鈕??? 按下開(kāi)關(guān)，設(shè)備停止運(yùn)行 ??? 保護(hù)按鈕??? 按下開(kāi)關(guān)，終止加熱 ??? 運(yùn)行燈??? 燈亮表示設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài) ??? 停止燈??? 燈亮表示設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài) ??? 溫度狀態(tài)指示

38、燈（正常??? 燈亮表示爐溫在正常范圍內(nèi) ??? 溫度狀態(tài)指示燈（危險(xiǎn)）??? 燈兩表示爐溫過(guò)高，處于危險(xiǎn)狀態(tài) ??? 固態(tài)繼電器??? 燈亮表示加熱爐正處于加熱階段 3）程序地址分配如表5-3所示。 ????????????????????????? 表 5-3? 內(nèi)存地址分配 地址??? 說(shuō)明 VD0??? 用戶設(shè)定比例常數(shù)P存放地址 VD4??? 用戶設(shè)定積分常數(shù)I存放地址 VD8??? 用戶設(shè)定微分常數(shù)D存放地址 VD12??? 目標(biāo)設(shè)定溫度存放地址 VD16??? 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間秒存放地址 VD20??? 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間分鐘存放地址 VD30??? 當(dāng)前實(shí)

39、際溫度存放地址 VW34??? 一個(gè)周期內(nèi)加熱時(shí)間存放地址 VW36??? 一個(gè)周期內(nèi)非加熱時(shí)間存放地址 4） PID指令回路表如表5-4所示。 ???????????????????????? 表 5-4? PID指令回路表 地址??? 名稱??? 說(shuō)明 VD100??? 過(guò)程變量（PVn）??? 必須在之間 VD104??? 給定值（SPn）??? 必須在之間 VD108??? 輸出值（Mn）??? 必須在之間 VD112??? 增益（Kc）??? 比例常數(shù)，可正可負(fù) VD116??? 采樣時(shí)間（Ts）??? 單位為s，必須是正數(shù) VD120??? 采樣時(shí)間（

40、Ti）??? 單位為min，必須是正數(shù) VD124??? 微分時(shí)間（Td）??? 單位為min，必須是正數(shù) VD128??? 積分項(xiàng)前值（MX）??? 必須在之間 VD132??? 過(guò)程變量前值（PVn-1）??? 必須在之間 5.2 程序流程圖 程序流程圖如圖5-5所示，1個(gè)主程序，3個(gè)子程序。 主程序 LD???? ??????????????????? //???????????????????? LPS????????????????????????????? AR<=?? VD30, ?????????????? // 如果溫度小于10

41、5℃ S????? Q0.3, 1??????????????????? // R????? Q0.4, 1??????????????????? // LPP????????????????????????????? AR>=?? VD30, ?????????????? // 如果溫度大于105℃ S????? Q0.4, 1?????????????????? // R????? Q0.3, 1?????????????????? LD???? SM0.0???????? LPS A????? I0.1???????????????????? // 按下啟動(dòng)按扭

42、，啟動(dòng)系統(tǒng) AN????????????????????? // I0.3為保護(hù)關(guān)開(kāi)，一般情況下保持ON S????? M0.1, 1???????? R????? M0.2, 1 LPP A????? I0.2??????????????????? // 按下關(guān)閉按扭，停止運(yùn)行 AN???? I0.3?? R????? M0.1, 1 S????? M0.2, 1 LD???? SM0.0 AN???? I0.3 LPS A????? M0.1 S????? M0.0, 1??????? R????? Q0.1, 1???????????????? // 使

43、停止指示燈（Q0.1）OFF S????? Q0.0, 1???????????????? // 使運(yùn)行指示燈（Q0.0）ON LPP A????? M0.2 S????? Q0.1, 1???????????????? // 使停止指示燈（Q0.1）ON R????? M0.0, 1? R????? Q0.0, 1???????????????? // 使停止指示燈（Q0.0）OFF LD???? M0.0 CALL?? SBR0???????????????? // 調(diào)用子程序0 LD???? M0.0 CALL?? SBR1???????????????? // 調(diào)

44、用子程序1 LD???? M0.0 LPS AN???? M0.3 TON??? T50, 100 LPP A????? T50 =????? ?????????????????? LD???? M0.3 CALL?? SBR2???????????????? //每10S調(diào)用一次子程序2 LD???? M0.0 AN???? I0.3 LPS AN???? T52?????????????????? //T51爐子一個(gè)周期內(nèi)的加熱時(shí)間 TON??? T51, VW34??????????? //T51爐子一個(gè)周期內(nèi)的非加熱時(shí)間 LRD AN???? T51

45、=????? ????????????????? //使繼電器（Q0.5）接通，爐子加熱 LPP A????? T51 TON??? T52, VW36 子程序0 LD???? M0.0 LPS AR<=?? VD30, ?????????? //如果溫度小于84℃ S????? I0.4, 1??????????????? R????? I0.5, 1??????????????? LPP AR>=?? VD30, 84.0?????????? //如果溫度大于84℃ S????? I0.5, 1??????????????? R?????

46、I0.4, 1??????????????? LD??????????????????? //常ON繼電器 AN???? M0.6 A?????????????????????? //如果I0.4為ON，則執(zhí)行以下程序 MOVR?? 300.0, VD0?????????? //輸入P值300到VD0 MOVR?? 999999.0, VD4?????? MOVR?? 0.0, VD8??????????? MOVR?? 100.0, VD12???????? LD???? M0.0 AN???? M0.6 A????? ???????????????? //如果I0.

47、5為ON，則執(zhí)行以下程序 MOVR?? 120.0, VD0???????? MOVR?? 3.0, VD4?????????? //輸入I值3.0. 到VD4 MOVR?? 1.0, VD8?????????? MOVR?? 100.0, VD12??????? 子程序 1 LD???? SM0.0??????????? MOVR?? VD12, VD104??????? //輸入設(shè)定溫度值 /R???? 3200.0, VD104????????? //把設(shè)定值歸一化處理 MOVR?? VD0, VD112???????? //輸入P值到PID回路中

48、 MOVR?? 10.0, VD116????????? //輸入采樣時(shí)間到PID回路中 MOVR?? VD4, VD120???????? //輸入I值到PID回路中 MOVR?? VD8, VD124???????? //輸入D值到PID回路中 子程序2 LD???? M0.0 MOVW?? AIW0, AC1??????????? //采樣溫度，放于AIW0中 DTR??? AC1, AC1????? MOVR?? AC1, VD100 /R???? 32000.0, VD100????????? //把采樣值歸一化處理 MOVR?? AC1,

49、VD30?? /R???? 10.0, VD30?????????????? //把實(shí)際溫度值放于VD30中 LD???? M0.0??????????? PID??? VB100, 0??????????????? //調(diào)用PID指令 +R???? 10.0, VD16 MOVR?? VD16, VD20?????????? //計(jì)時(shí) /R???? 60.0, VD20 LD???? M0.0 MOVR?? VD108, AC1?????????? //控制器輸出 *R???? 100.0, AC1???????????? //把輸出值轉(zhuǎn)化為下一周期的加熱時(shí)間 ROU

50、ND? AC1, AC1 DTI??? AC1, VW34 MOVW?? +100, VW36???????? //下一周期的非加熱時(shí)間 -I???? VW34, VW36 ??????????? 第六章 組態(tài)畫面設(shè)計(jì) 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件，可為擁護(hù)提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件一般英文簡(jiǎn)稱有三種，分 別為HMI/MMI/SCADA/.HMI/MMI翻譯為人機(jī)接口軟件，SCADA翻譯為監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集軟件。國(guó)內(nèi)外的主要產(chǎn)品有 wonderware公司的InTouch軟件，Intellution公司的FIX軟件，C

51、IT公司的Citech軟件，Simens公司的Wincc 軟件，亞控公司的組態(tài)王，華富計(jì)算機(jī)公司的Controx軟件，力控公司的ForceControl軟件和北京昆倉(cāng)公司的MCGS軟件[22]。 組態(tài)王的介紹 組態(tài)王開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是眾多組態(tài)軟件里面的一種，組態(tài)王是一個(gè)具有豐富功能的HMI/SCADA軟件。可用于工業(yè)自動(dòng)化的過(guò)程控制和管理監(jiān)控。它提供了 集成、靈活、易用的開(kāi)發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，能夠快速建立、測(cè)試和部署自動(dòng)化應(yīng)用，來(lái)連接、傳遞和記錄實(shí)時(shí)信息。使用戶可以實(shí)時(shí)查看和控制工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。該 系統(tǒng)是中文界面,具有人機(jī)界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)用戶而言,操作簡(jiǎn)單易學(xué)且編程簡(jiǎn)單,參數(shù)輸

52、入與修改靈活,具有多次或重復(fù)仿真運(yùn)行的控制能力,可 以實(shí)時(shí)地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線,這些很強(qiáng)的交互能力使其在自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)揮理想的效果 [23]。 組態(tài)畫面的建立 本論文的組態(tài)軟件采用亞控公司的組態(tài)王版本。組態(tài)軟件提供了可視化監(jiān)控畫面，包括動(dòng)畫，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線，歷史趨勢(shì)曲線，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表，歷史數(shù)據(jù)報(bào) 表，實(shí)時(shí)報(bào)警窗口，歷史報(bào)警窗口，配方管理等等的功能?？煞奖愕乇O(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行。并可在在線修改程序參數(shù)，有利于系統(tǒng)的性能發(fā)揮。 創(chuàng)建項(xiàng)目 ????? 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

53、導(dǎo)，填寫工程名稱。然后打開(kāi)剛建立的工程。進(jìn)入組態(tài)畫面的設(shè)計(jì),如圖所示。 1）新建畫面 進(jìn)入工程管理器后，在畫面右方雙擊“先建”，新建畫面，并設(shè)置畫面屬性，如圖所示，包括畫面名稱，注釋，畫面位置，畫面風(fēng)格，畫面類型和背景顏色 等。如下圖。點(diǎn)擊確定，就會(huì)出現(xiàn)，畫面就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。畫面的工具欄里面，可以選擇工具箱，調(diào)色板，線形等在畫面中顯示，這些在畫圖的時(shí)候經(jīng)常需要用上。 ???????????????????????????????????????????????????????? 2）新建變量 要實(shí)現(xiàn)組態(tài)王對(duì)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)

54、據(jù)變量?；绢愋偷淖兞靠梢苑譃椤皟?nèi)存變量”和I/O變量?jī)?類。內(nèi)存變量是組態(tài)王內(nèi)部的變量，不跟被監(jiān)控的設(shè)備進(jìn)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，一者 的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，另外一者的數(shù)據(jù)也跟著變化。。所以需要在創(chuàng)建連接前新建一些變量，如圖所示。 本文中，PLC用內(nèi)存VD30來(lái)存放當(dāng)前的實(shí)際溫度值。并規(guī)定溫度超過(guò)105℃為溫度過(guò)高，立刻要作出相應(yīng)警示信號(hào)。 點(diǎn)擊工程管理器中的“數(shù)據(jù)詞典”再雙擊右邊窗口的新建，在出現(xiàn)的定義變量口中填寫相應(yīng)的要求項(xiàng)，并可在“報(bào)警定義”中設(shè)定報(bào)警，如圖所示。 建立主畫面 ?如圖所示，在該畫面中，仿真實(shí)物設(shè)備的

55、連接，通過(guò)設(shè)置開(kāi)關(guān)按扭和關(guān)閉按扭來(lái)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。旁邊的指示燈，與對(duì)應(yīng)綠色表示系統(tǒng)在運(yùn) 行，紅色表示系統(tǒng)停止運(yùn)行。加熱爐的指示燈是表示加熱爐的加熱狀態(tài)，與對(duì)應(yīng)綠色（亮），表示系統(tǒng)處于加熱狀態(tài)，黑色（暗）表示爐正處于加熱狀態(tài)。 爐子的溫度可以在畫面中顯示出來(lái)。 建立趨勢(shì)曲線畫面 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線可在工具箱中雙擊后在畫面直接獲得。實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線隨時(shí)間變化自動(dòng)卷動(dòng)，可快速反應(yīng)變量的新變化，但不能查詢過(guò)去的情況，其畫面時(shí)間跨度可以通 過(guò)動(dòng)畫連接中“表示定義設(shè)置”，一個(gè)畫面最多可以設(shè)置四條曲線，本文只需要用到兩條曲線，綠色曲線表示設(shè)定的溫度，紅色曲線表示當(dāng)前實(shí)際溫度。X方向表示 時(shí)間，Y方向表示

56、變量的量程百份比。Y軸上不能直接出現(xiàn)實(shí)際的過(guò)程值，但可以通過(guò)工具箱的文本進(jìn)行對(duì)應(yīng)的標(biāo)記，本文中設(shè)置了量程是200℃，故處 的X方向表示100℃。另外，在畫面中設(shè)置了返回按扭，點(diǎn)擊就可以返回到主畫面。如圖所示。 。 ? 歷史趨勢(shì)曲線可在圖庫(kù)管理器中得到。歷史趨勢(shì)曲線可以查詢查詢過(guò)去的情況。? 歷史趨勢(shì)曲線需要事先建立兩個(gè)內(nèi)存變量，分表是調(diào)整跨度和舉動(dòng)百分比。調(diào)整跨度是為了設(shè)置畫面跨度的時(shí)間。以秒為單位，可以輸入3600，，表示跨度為1 個(gè)小時(shí)。卷動(dòng)百分比是為了控制一次卷動(dòng)的時(shí)間跨度，最小值是0，最大值是100。歷史趨勢(shì)曲線可設(shè)置8條曲線，本文只采用了兩條。X表示時(shí)間，Y表示百分 比，需要

57、另外標(biāo)識(shí)實(shí)際的溫度。 另外，畫面中設(shè)置了爐溫度的在某段時(shí)間內(nèi)的最大值最小值和平均值，時(shí)間段可以在畫面中通過(guò)按扭選擇。這里需要應(yīng)用到一個(gè)函 數(shù)，HTGetValueAtZone，例如，需要輸出最小值，那么需要輸入函數(shù)HTGetValueAtZone ( 歷史曲線,2, "MinValue" );，如圖所示。 建立數(shù)據(jù)報(bào)表 1）建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表 ?數(shù)據(jù)報(bào)表是反應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的一種重要形式。數(shù)據(jù)報(bào)表有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)報(bào)表，既能反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的運(yùn)行情況，也能監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期的系統(tǒng)運(yùn)行狀況。 在組態(tài)王的工具箱內(nèi)選擇“報(bào)表工具”，在數(shù)據(jù)報(bào)表畫面中繪制報(bào)表，雙擊窗口灰色部

58、分，在彈出的畫面中填寫控件名為“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表”，并設(shè)定行數(shù)和列數(shù)。 設(shè)置報(bào)表時(shí)間：在B4，C4單元中分別輸入“=Date($年,$月,$日) ”和“=Time($時(shí),$分,$秒)”，這樣在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，B4就可以顯示當(dāng)前的日期，C4中就可以顯示當(dāng)前時(shí)間。 顯示變量的實(shí)際值：利用數(shù)據(jù)改變命令語(yǔ)言和報(bào)表函數(shù)。選種A4單元，在數(shù)據(jù)改變命令語(yǔ)言中輸入ReportSetCellValue("實(shí)時(shí)報(bào)表",4,1 , 當(dāng)前實(shí)際溫度VD30);，如圖所示。 2）建立歷史數(shù)據(jù)報(bào)表 如圖所示，創(chuàng)建歷史報(bào)表和表格樣式設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表一樣，并可以通過(guò)調(diào)用歷史報(bào)表查詢函數(shù)實(shí)現(xiàn)。在畫面中建立一個(gè)按扭，命名為報(bào)

59、表查詢，在“彈起 時(shí)”命令語(yǔ)言中輸入歷史查詢函數(shù)：ReportSetHistData2();。在設(shè)置報(bào)表的格式可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置,在組態(tài)王運(yùn)行的時(shí)候可以進(jìn)行相應(yīng) 數(shù)據(jù)變量的選擇。 6.3.5 建立報(bào)警窗口 1)??? 歷史報(bào)警窗 在工具箱中選用報(bào)警窗口工具，在面板中繪制報(bào)警窗口，添加文本等就可。 如圖所示。由于前面已經(jīng)設(shè)置了報(bào)警變量，所以當(dāng)變量值超過(guò)所設(shè)置的溫度時(shí)，那就會(huì)在報(bào)警畫面中被記錄。 6.10 歷史報(bào)警設(shè)置 2)??? 實(shí)時(shí)報(bào)警窗口 其制作過(guò)程和歷史報(bào)警窗口類似，不同的是，實(shí)時(shí)報(bào)警畫面是要彈出來(lái)的，所以必須在新建畫面的時(shí)候，把大小調(diào)好，并選擇是“覆蓋式”。畫面的自動(dòng)彈出

60、，在事 件命令語(yǔ)言中，輸入showpicture("實(shí)時(shí)報(bào)警窗口");\\本站點(diǎn)\$新報(bào)警=0;，這樣每次新報(bào)警有產(chǎn)生，就會(huì)立刻出報(bào)警畫面。如圖6.11 所示。 6.11? 實(shí)時(shí)報(bào)警設(shè)置 建立參數(shù)監(jiān)控畫面 此畫面可在線查看當(dāng)前程序的參數(shù)，分別有設(shè)定的溫度、當(dāng)前實(shí)際溫度、運(yùn)行時(shí)間，比例系數(shù)P，積分系數(shù)I，微分系數(shù)D?？梢酝ㄟ^(guò)手動(dòng)按扭和自動(dòng)按扭進(jìn)行 PID參數(shù)的選擇。雙擊自動(dòng)按鈕，系統(tǒng)按程序初始的PID參數(shù)進(jìn)行控制，雙擊手動(dòng)按鈕，可在線修改PID參數(shù)，并使得程序在設(shè)定的PID參數(shù)下運(yùn)行。當(dāng) 然，也可以修改設(shè)定的目標(biāo)溫度值，如圖所示。 第七章 系統(tǒng)測(cè)試 組態(tài)王和PLC編程軟件不能同時(shí)啟動(dòng)

61、，因?yàn)樗麄兪褂玫氖峭粋€(gè)端口，要想在線利用組態(tài)王監(jiān)控程序，那就先必須在關(guān)閉組態(tài)王的情況下，先把PLC程序下載到PLC中，并且運(yùn)行程序，再把編程軟件關(guān)閉，才可以啟動(dòng)組態(tài)王，這樣就可以利用組態(tài)王在線監(jiān)控了。 啟動(dòng)組態(tài)王 打開(kāi)組態(tài)王的項(xiàng)目工程管理器，點(diǎn)擊窗口欄中“WIEW”或者在畫面中點(diǎn)擊右鍵，選擇“切換到VIEW”，啟動(dòng)組態(tài)王，進(jìn)入主畫面。這個(gè)時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打 開(kāi)一個(gè)信息窗口，可以通過(guò)信息窗口來(lái)知道，組態(tài)王的運(yùn)行情況以及和PLC的連接是否成功。如果連接不成功，會(huì)出現(xiàn)通信失敗的提示語(yǔ)言，那就要查明原因，否 則不能監(jiān)控。如果提示連接設(shè)備成功，窗口會(huì)顯示開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，那就表示可以開(kāi)始系統(tǒng)的運(yùn)行了。

62、 進(jìn)入系統(tǒng)的主畫面后，如圖所示。如果沒(méi)有點(diǎn)擊啟動(dòng)按扭，PLC是處于待命停止階段的，指示燈是紅色的。當(dāng)確定可以開(kāi)始系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，單擊啟動(dòng)按 扭，就相當(dāng)于按下連在口的開(kāi)關(guān)，程序進(jìn)入加熱模式，指示燈變綠，計(jì)時(shí)開(kāi)始。爐子里的燈相當(dāng)于實(shí)物中加熱爐的加熱指示燈，兩者亮暗的步伐是同 步的。如果點(diǎn)擊關(guān)閉按扭，相當(dāng)于按下PLC中與想連接的關(guān)閉開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)進(jìn)入停止階段。畫面的下方設(shè)置了6個(gè)鏈接，可以點(diǎn)擊進(jìn)入選種畫面。如果提示 連接設(shè)備成功，窗口會(huì)顯示開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，那就表示可以開(kāi)始系統(tǒng)的運(yùn)行了。 7.2 參數(shù)監(jiān)控和設(shè)定 如圖所示，畫面的上半部分可以查詢當(dāng)前的實(shí)際溫度和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)候的PID參數(shù)，還可以觀察系統(tǒng)運(yùn)

63、行了多少時(shí)間。下半部分設(shè)置改變系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。點(diǎn) 擊“手動(dòng)”按扭，可以在下面的PID參數(shù)欄中輸入新的PID值，系統(tǒng)在下一采樣周期就可以按照設(shè)定的參數(shù)執(zhí)行。如果想恢復(fù)默認(rèn)的參數(shù)值，可以點(diǎn)擊“自動(dòng)” 按扭，點(diǎn)擊按扭后，系統(tǒng)又恢復(fù)到原來(lái)的默認(rèn)參數(shù)。按扭前的燈是用來(lái)顯示系統(tǒng)正處于哪一種模式下運(yùn)行。 7.3 報(bào)警信息提示 報(bào)警窗口實(shí)時(shí)報(bào)警窗口和歷史報(bào)警窗口，實(shí)時(shí)報(bào)警窗口是無(wú)論用戶處于哪個(gè)界面，一旦滿足報(bào)警條件，實(shí)時(shí)報(bào)警窗口就會(huì)彈出來(lái)，提示用戶，本論文中在報(bào)警窗口中 設(shè)置了兩個(gè)按扭，一個(gè)是停止按扭，按下就會(huì)使程序進(jìn)行停止模式，用于應(yīng)急，如果用戶覺(jué)得引起報(bào)警的事件還不足于停止設(shè)備的運(yùn)行，那就可以點(diǎn)退出按

64、扭，退出 實(shí)時(shí)報(bào)警窗口。實(shí)時(shí)報(bào)警不能記錄。只能顯示當(dāng)前的報(bào)警事件 歷史報(bào)警窗口是負(fù)責(zé)記錄過(guò)去系統(tǒng)的報(bào)警事件，它不會(huì)自己彈出來(lái)，用戶需要切換到他的畫面進(jìn)行查詢。 系統(tǒng)中設(shè)定了一旦溫度超過(guò)105℃就報(bào)警，但實(shí)際操作中，如果沒(méi)有特殊的情況，一般不會(huì)出現(xiàn)那么大的超調(diào)，下面的畫面是人為的使系統(tǒng)溫度過(guò)高，來(lái)測(cè)試一下報(bào)警的功能，如圖和圖所示。 報(bào)表系統(tǒng)查詢 數(shù)據(jù)報(bào)表有利于工程人員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和處理。組態(tài)王提供的是內(nèi)嵌式報(bào)表系統(tǒng)，可以按自己意愿設(shè)置報(bào)表格式，下圖中集中了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)報(bào)表。 趨勢(shì)曲線監(jiān)控 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線 進(jìn)入此畫面，可以看到當(dāng)前實(shí)際溫度和設(shè)定目標(biāo)溫度兩條曲線的實(shí)時(shí)走勢(shì)。藍(lán)

65、色線表示設(shè)定溫度的趨勢(shì)曲線,紅色表示當(dāng)前實(shí)際溫度的趨勢(shì)曲線,通過(guò)兩個(gè)曲線的比,可以清楚地監(jiān)視實(shí)際溫度曲線的動(dòng)態(tài)特性,這可為系統(tǒng)調(diào)試提供一定的幫助.可以按返回按扭回到主畫面。 7.5.2 分析歷史趨勢(shì)曲線 此畫面可以記錄系統(tǒng)自啟動(dòng)以來(lái)的數(shù)據(jù)變化，主要是實(shí)際溫度的反應(yīng)曲線。畫面中可以查看時(shí)間，和對(duì)應(yīng)的數(shù)值，并設(shè)定了某個(gè)區(qū)間內(nèi)的最大值、最小值和平均值， 這個(gè)區(qū)間是可以隨意選擇的。這樣就可以通過(guò)畫面上的按鈕查看曲線任意一點(diǎn)或一段內(nèi)的某些值，例如超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間，振動(dòng)周期和穩(wěn)定誤差等等。 如圖所示，該曲線是采用粗調(diào)和細(xì)調(diào)程序控制下的反應(yīng)曲線，可以看出，調(diào)節(jié)時(shí)間約為10分鐘，最大超調(diào)量為℃，就算是最

66、大超調(diào)量也在目標(biāo)的溫度之內(nèi)，而且調(diào)節(jié)時(shí)間很短，只有10分鐘。而且穩(wěn)定的溫度正負(fù)不超過(guò)℃，誤差在允許的范圍內(nèi)。 下面來(lái)與沒(méi)有使用粗調(diào)和細(xì)調(diào)控制的程序的效果比較一下。利用組態(tài)王的參數(shù)監(jiān)控畫面的參數(shù)修改功能，使程序從一開(kāi)始就在P=120，， 的參數(shù)下運(yùn)行。得到的曲線圖如下，由曲線圖可知道，雖然程序能把溫度控制，控制精度也算不錯(cuò)，但它的調(diào)節(jié)時(shí)間是大約15分鐘，最大超調(diào)量是℃。在約 90℃以前，它的曲線上升速度是不夠上圖的曲線快，沒(méi)有充分利用加熱管的作用。 圖 是反應(yīng)曲線從室溫升到穩(wěn)定60℃以后，運(yùn)行一小時(shí)利用參數(shù)監(jiān)控和設(shè)定畫面中的在線修改程序功能，把設(shè)定溫度從原來(lái)的60℃變?yōu)?0℃，再運(yùn)行一小時(shí)，然后 再循環(huán)地運(yùn)行一次。從圖中可知道，系統(tǒng)具有快速反應(yīng)的特點(diǎn)，一旦修改了設(shè)定溫度，系統(tǒng)能快速地跟蹤，而且很快就能穩(wěn)定下來(lái)，在穩(wěn)定的過(guò)程中，具有小超調(diào)， 運(yùn)行一個(gè)小時(shí)，被控變量都在允許地范圍內(nèi)波動(dòng)，穩(wěn)定性很好。由此可見(jiàn)，此系統(tǒng)具有反應(yīng)迅速，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。 第八章 結(jié) 論 本文成功的運(yùn)用了組態(tài)王和S7-200設(shè)計(jì)了一個(gè)人機(jī)監(jiān)控的溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用位置式PID控制，結(jié)