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摘 要
可編程控制器是一種應(yīng)用很廣泛的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合溫度控制的要求。
本文主要介紹了基于西門子公司S7-200系列的可編程控制器和爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。編程時(shí)調(diào)用了編程軟件STEP 7 -Micro WIN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡(jiǎn)潔，運(yùn)行速度更為理想。實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)具有快、準(zhǔn)、穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)溫度控制領(lǐng)域能夠廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：溫度控制 可編程控制器 鍋爐
Abstract
The programmable controller is an automatic control device for a wide range of applications, it will be the traditional relay control technology, computer technology and communication technology com., has a strong ability to control, flexible operation, high reliability, suitable for long-term characteristics of continuous work, very suitable for temperature control requirements.
This paper mainly introduces the design scheme Siemens S7-200 series programmable controller and a temperature control system based on. When programming with call the programming software STEP 7 -Micro WIN in the PID control module, and makes the program more succinct, the running speed is more ideal. Experiments show that, this system has the advantages of fast, accurate, stable, and can be widely applied in the field of industrial temperature control.
Keywords: temperature control programmable controller, man-machine interface
目 錄
第一章 前言 1
1.1 課題研究的目的及意義 1
1.2 溫控系統(tǒng)的現(xiàn)狀 1
1.3 課題研究?jī)?nèi)容 2
第二章 PLC簡(jiǎn)介 4
2.1 可編程控制器基礎(chǔ) 4
2.1.1 可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用 4
2.1.2 可編程控制器的組成和工作原理 4
2.1.3 可編程控制器的分類及特點(diǎn) 7
第三章 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 8
3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 8
3.1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 8
3.1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 9
3.2 PLC的選型與硬件配置 11
3.2.1 PLC型號(hào)的選擇 11
3.2.2 S7-200 CPU的選擇 12
3.2.3 EM231模擬量輸入模塊 12
3.2.4 熱電式傳感器 14
3.3 I/O點(diǎn)分配及電氣連接圖 15
3.4 PLC控制器的設(shè)計(jì) 16
3.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 16
3.4.2 PID控制及參數(shù)整定 18
第四章 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 21
4.1 PLC程序設(shè)計(jì)方法 21
4.2 編程軟件STEP7--Micro/WIN概述 22
4.2.1 STEP7-Micro/WIN簡(jiǎn)單介紹 22
4.2.2 梯形圖語言特點(diǎn) 23
4.2.3 STEP7-Micro/WIN參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置） 24
4.3 程序設(shè)計(jì) 26
4.3.1 設(shè)計(jì)思路 26
4.3.2 控制程序流程圖 26
4.3.3 梯形圖程序 27
4.3.4 PID指令向?qū)У倪\(yùn)用 30
第五章 總結(jié) 35
參考文獻(xiàn) 36
致 謝 37
IV
第一章 前言
1.1 課題研究的目的及意義
溫度控制在電子、冶金、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求極高。目前,仍有相當(dāng)部分工業(yè)企業(yè)在用窯、爐等烘干生產(chǎn)線，存在著控制精度不高、爐內(nèi)溫度均勻性差等問題,達(dá)不到工藝要求，造成裝備運(yùn)行成本費(fèi)用高，產(chǎn)出品品質(zhì)低下，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，急需技術(shù)改造。
近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)溫度控制器的研究進(jìn)行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，溫度控制器的研究取得了巨大的發(fā)展，形成了一批商品化的溫度調(diào)節(jié)器，如:職能化PID、模糊控制、自適應(yīng)控制等，其性能、控制效果好,可廣泛應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關(guān)設(shè)備的技術(shù)改造服務(wù)。
在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi),PLC（可編程控制器）?以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。目前的工業(yè)控制中,常常選用PLC?作為現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備,用于數(shù)據(jù)采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機(jī)則是利用HMI?軟件來完成工業(yè)控制狀態(tài)、流程和參數(shù)的顯示,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和存儲(chǔ)等功能?。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了PLC?和計(jì)算機(jī)各自的特點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。在這種方式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套溫度控制系統(tǒng)。以基于PLC?的下位機(jī)和完成HMI功能的上位機(jī)相結(jié)合,構(gòu)建成分布式控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了溫度自動(dòng)控制。
PLC 不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴(kuò)展輸入輸出模塊，特別是可以擴(kuò)展一些智能控制模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體，實(shí)現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制。現(xiàn)代PLC 以集成度高、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定受到普遍歡迎，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用,尤其適合溫度控制的要求。
1.2 溫控系統(tǒng)的現(xiàn)狀
自 70 年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在職能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)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,并在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用[2]。它們主要具有如下特點(diǎn):1)適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。2)能適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。3)能適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。4)這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工職能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛。5)溫度控制器普遍具有參數(shù)自整定功能。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。6)溫度控制系統(tǒng)既有控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。目前,國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能話、小型化等方面快速發(fā)展[3]。
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,但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講,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)家相比仍然有著較大的差距。目前,我國(guó)在這方面總體水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平,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)開發(fā)工作的滯后，還沒開發(fā)出性能可靠的自整定軟件。控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定。這些差距，是我們必須努力克服的。隨著我國(guó)加入WTO，我國(guó)政府及企業(yè)對(duì)此非常重視，對(duì)相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相繼建立了一些國(guó)家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過合資、技術(shù)合作等方式，組建了一批合資、合作及獨(dú)資企業(yè)，使我國(guó)溫度儀表等工業(yè)得到迅速的發(fā)展[4]。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求愈來愈高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外必然發(fā)展趨勢(shì)。
1.3 課題研究?jī)?nèi)容
可編程控制器(PLC)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱(PLC、工業(yè)機(jī)器人、CAD/CAM)之一。PLC的應(yīng)用已成為一個(gè)世界潮流，在不久的將來PLC技術(shù)在我國(guó)將得到更全面的推廣和應(yīng)用。
本論文研究的是PLC技術(shù)在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)，控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。
本論文通過德國(guó)西門子公司的S7-200系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子溫度的控制。同時(shí)利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設(shè)計(jì)一個(gè)人機(jī)界面（HMI），通過串行口與可編程控制器通信，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便。總體上包括的技術(shù)路線：硬件設(shè)計(jì)，軟件編程，參數(shù)整定等。
全論文分七章,各章的主要內(nèi)容說明如下。
第一章，對(duì)溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用的背景及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了闡述，指出了本文的研究意義所在。
第二章，簡(jiǎn)單概述了PLC的結(jié)構(gòu)功能等基礎(chǔ)內(nèi)容。
第三章，主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度,介紹該項(xiàng)目的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、PLC的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及PLC控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的整定。
第四章，在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法，編程軟件STEP7--Micro/WIN的介紹以及本項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)。
第五章，展示了系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，然后對(duì)其分析得出結(jié)論。
第六章，總結(jié)全文。
第二章 PLC簡(jiǎn)介
可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱PLC（Programmable Logic Controller），它使用了可編程序的記憶以存儲(chǔ)指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程。
2.1 可編程控制器基礎(chǔ)
2.1.1 可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用
20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價(jià)格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得推廣。1968年，美國(guó)通用汽車公司（GM）為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，立即引發(fā)了開發(fā)熱潮。
1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國(guó)通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來。
隨著PLC功能的不斷完善，性價(jià)比的不斷提高，PLC的應(yīng)用面也越來越廣。目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通?？煞譃殚_關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等[5]。
2.1.2 可編程控制器的組成和工作原理
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(jié)構(gòu)上基本相同。無論是整體式還是模塊式，從硬件結(jié)構(gòu)看，PLC都是由CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口單元及擴(kuò)展接口和擴(kuò)展部件、外設(shè)接口及外設(shè)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(jié)構(gòu)如圖2-1所示：
輸
入
接
口
中央處理單元CPU
輸
出
接
口
電源
存儲(chǔ)單元
圖2-1 PLC基本結(jié)構(gòu)圖
1） CPU（中央處理器）
CPU是PLC的核心，由運(yùn)算器、控制器、寄存器、系統(tǒng)總線，外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路構(gòu)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(chǎng)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(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等，是PLC不可缺少的組成單元。主要功能包括以下幾個(gè)方面。
（1）接收從編程器或者計(jì)算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。
（2）監(jiān)視電源、PLC內(nèi)部各個(gè)單元電路的工作狀態(tài)。
（3）診斷編程過程中的語法錯(cuò)誤，對(duì)用戶程序進(jìn)行編譯。
（4）在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。
（5）采集由現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行處理，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。
（7）根據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，將結(jié)果送到輸出接口。
（8）響應(yīng)中斷和各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機(jī)等）的任務(wù)處理請(qǐng)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(diǎn)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能力的限制，即受最大的底板或機(jī)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(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。
PLC的對(duì)外功能主要是通過各種I/O接口模塊于外界聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是PLC與現(xiàn)場(chǎng)I/O裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備之間的傳遞信息的作用。I/O模塊分為開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。
3）存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器（內(nèi)存）主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。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)程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲(chǔ)器（ROM），具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設(shè)計(jì)的控制程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM），需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）或閃存(Flash Memory)，免去了后備電池的麻煩。
4）電源模塊
PLC中的電源，是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。電源可分直流和交流兩種類型，交流輸入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還提供了各種各樣的特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程I/O控制、打印機(jī)等專用型或智能型的I/O模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。I/O模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好，模塊的I/O容量越大，系統(tǒng)的適應(yīng)性就越強(qiáng)。
6）編程設(shè)備
常見的編程設(shè)備有簡(jiǎn)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(shè)備用于輸入和編輯用戶程序，對(duì)系統(tǒng)作些設(shè)定，監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程設(shè)備在PLC的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場(chǎng)的控制。
PLC本質(zhì)上就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，其工作原理與普通計(jì)算機(jī)類似，具有計(jì)算機(jī)的許多特點(diǎn)。但其工作方式卻與計(jì)算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。工作時(shí)逐條順序掃描用戶程序，如果一個(gè)線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作，需等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作[6]。
2.1.3 可編程控制器的分類及特點(diǎn)
根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)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(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。 還可以按I/O點(diǎn)數(shù)分類，根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)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(diǎn)數(shù)在256以下為小型PLC；
? I／O點(diǎn)數(shù)在256～1024為中型PLC；
? I／O點(diǎn)數(shù)大于1024為大型PLC；
? I／O點(diǎn)數(shù)在4000以上為超大型PLC
可編程控制器有可靠性高、編程簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)單、維修方便、采用模塊化結(jié)構(gòu)、接口模塊豐富、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試周期短等特點(diǎn)[7]。
第三章 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在掌握了PLC的硬件構(gòu)成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可以PLC作為主要控制器來構(gòu)造PLC控制系統(tǒng)。本章主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度，介紹該項(xiàng)目的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、PLC的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及PLC控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的整定。
3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中。無論是用PLC組成集散控制系統(tǒng)，還是獨(dú)立控制系統(tǒng)，PLC控制部分的設(shè)計(jì)都可以參考圖3-1所示的步驟。
3.1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則
任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程)的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)原則往往會(huì)涉及很多方面，其中最基本的設(shè)計(jì)原則可以歸納為4點(diǎn)。
1. 設(shè)計(jì)原則
(1)完整性原則。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機(jī)械設(shè)備的控制要求。
(2)可靠性原則。確保計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。
(3)經(jīng)濟(jì)型原則。力求控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、實(shí)用、合理。
(4)發(fā)展性原則。適當(dāng)考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。
2. 評(píng)估控制任務(wù)
根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務(wù)，對(duì)被控對(duì)象的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，特別是從以下幾個(gè)方面給以考慮。
(1) 控制規(guī)模
一個(gè)控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的I/O設(shè)備總數(shù)來衡量。當(dāng)控制規(guī)模較大時(shí),特別是開關(guān)量控制的I/O設(shè)備較多時(shí)，最適合采用PLC控制。
(2) 工藝復(fù)雜程度
當(dāng)工藝要求較復(fù)雜時(shí),采用PLC控制具有更大的優(yōu)越性.
(3) 可靠性要求
目前,當(dāng)I/O點(diǎn)數(shù)在20甚至更少時(shí)，就趨向于選擇PLC控制了。
(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)過程控制為主時(shí)，采用PLC控制將非常適宜[9]。
評(píng)估控制任務(wù)
PLC機(jī)型的選擇
控制柜設(shè)計(jì)及布線
程序設(shè)計(jì)
聯(lián)機(jī)調(diào)試
PLC安裝
程序檢查、調(diào)試
控制流程的設(shè)計(jì)
程序備份
修改軟、硬件
模擬運(yùn)行
投入使用
是否滿足要求
圖3-1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟
3.1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟
PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。所謂硬件設(shè)計(jì)，是指PLC外部設(shè)備的設(shè)計(jì)，而軟件設(shè)計(jì)即PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分以下5步進(jìn)行。
1. 熟悉被控對(duì)象
深入了解被控系統(tǒng)是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)人員必須深入現(xiàn)場(chǎng)，認(rèn)真調(diào)查研究，收集資料，并于相關(guān)技術(shù)人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題。這一階段必須對(duì)被控對(duì)象所有功能全面的了解，對(duì)對(duì)象的各種動(dòng)作及動(dòng)作時(shí)序、動(dòng)作條件、必要的互鎖與保護(hù);電氣系統(tǒng)與機(jī)械、液壓、氣動(dòng)及各儀表等系統(tǒng)間的關(guān)系;PLC與其他設(shè)備的關(guān)系，PLC之間是否通信聯(lián)網(wǎng);系統(tǒng)的工作方式及人機(jī)界面，需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(shè)備的選擇。輸入設(shè)備包括按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等。輸出設(shè)備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈及其它執(zhí)行器等。
(2) 選擇PLC。PLC選擇包括對(duì)PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。
(3) PLC的I/O端口分配。在進(jìn)行I/O通道分配時(shí)應(yīng)給出I/O通道分配表，表中應(yīng)包含I/O編號(hào)、設(shè)備代號(hào)、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(jìn)入PLC的控制電路等。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(jīng)確定。
(5)計(jì)數(shù)器、定時(shí)器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。
3. 編寫應(yīng)用程序
根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實(shí)現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)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(dòng)作必要的準(zhǔn)備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作。初始化程序的主要內(nèi)容有：對(duì)某些數(shù)據(jù)區(qū)、計(jì)數(shù)器等進(jìn)行清零，對(duì)某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，對(duì)某些繼電器進(jìn)行置位或復(fù)位，對(duì)某些初始狀態(tài)進(jìn)行顯示等等。
(2)檢測(cè)、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對(duì)獨(dú)立，一般在程序設(shè)計(jì)基本完成時(shí)再添加。
(3)保護(hù)和連鎖程序。保護(hù)和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認(rèn)真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。
4. 程序調(diào)試
程序調(diào)試分為2個(gè)階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。程序模擬調(diào)試是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。
根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。
(1)硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺(tái)PLC或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，并將這些信號(hào)以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時(shí)效性較強(qiáng)。
(2)軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，其簡(jiǎn)單易行，但時(shí)效性不易保證。模擬調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。當(dāng)控制臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時(shí)更正軟硬件方面的問題。
5. 編寫技術(shù)文件
技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序以及使用說明書等[10]。
3.2 PLC的選型與硬件配置
3.2.1 PLC型號(hào)的選擇
本溫度控制系統(tǒng)選擇德國(guó)西門子公司的S7-200系列的PLC。S7-200 PLC屬于小型整體式的PLC, 本機(jī)自帶RS-485通信接口、內(nèi)置電源和I/O接口。它的硬件配置靈活，既可用一個(gè)單獨(dú)的S7-200 CPU構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴(kuò)展，構(gòu)成較復(fù)雜的中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)[10]。完整的S7-200系列PLC實(shí)物如圖3-2所示。
圖3-2 S7-200系列PLC實(shí)物圖
3.2.2 S7-200 CPU的選擇
S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型。此系統(tǒng)選用S7-200 CPU226，CPU226集成了24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，共有40個(gè)數(shù)字量I/O。可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248點(diǎn)數(shù)字量或35點(diǎn)模擬量I/O。還有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間空間，6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。配有2個(gè)RS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為38.4 kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)[11]。
本溫度控制系統(tǒng)由于輸入/輸出點(diǎn)數(shù)不多，本可以使用CPU224以下的類型，不過為了能調(diào)用編程軟件STEP 7 里的PID模塊，只能采用CPU226及以上機(jī)種。
3.2.3 EM231模擬量輸入模塊
本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測(cè)到的溫度轉(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DIP開關(guān)進(jìn)行組態(tài)： SW1～SW3用于選擇熱電偶類型，SW4沒有使用，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。本系統(tǒng)用的是K型熱電偶，所以DIP開關(guān)SW1～SW8組態(tài)為00100000；EM231具體技術(shù)指標(biāo)見表3-1。
表3-1 EM231技術(shù)指標(biāo)
型號(hào)
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(jī)輸入：4路模擬量輸入
電源電壓：標(biāo)準(zhǔn)DC 24V/4mA
輸入類型：0~10V，0~5V，±5V,±2.5V,0~20mA
分辨率：12 Bit
轉(zhuǎn)換速度：250μS
隔離：有
耗電
從CPU的DC 5V （I/O總線）耗電10mA
DIP開關(guān)
SW1 0, SW2 0, SW3 1（以K型熱電偶為例）
表3-2所示為如何使用DIP開關(guān)設(shè)置EM231模塊，開關(guān)1、2和3可選擇模擬量輸入范圍。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍。表中，ON為接通，OFF為斷開。
表3-2 EM231選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表
單極性
滿量程輸入
分辨率
SW1
SW2
SW3
ON
OFF
ON
0到10V
2.5mV
ON
OFF
0到5V
1.25mV
0到20mA
5uA
雙極性
滿量程輸入
分辨率
SW1
SW2
SW3
OFF
OFF
ON
±5V
2.5mV
ON
OFF
±2.5V
1.25mV
EM231校準(zhǔn)和配置位置圖如圖3-3所示。
圖3-3 DIP配置EM231
3.2.4 熱電式傳感器
熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)和電阻的方法最為普遍。其中最常用于測(cè)量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化,而熱電阻是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用。
該系統(tǒng)中需要用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，且爐子的溫度最高達(dá)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(cè)元件之一。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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（分度表如表3-3所示），其測(cè)溫范圍大約是0～1000℃。系統(tǒng)里的烤爐最高溫度不過幾百度，加上一定的裕度就足夠了，另外其成本也不算高[12]
表3-3 K型熱電偶分度表
3.3 I/O點(diǎn)分配及電氣連接圖
輸入觸點(diǎn)
功能說明
輸出觸點(diǎn)
功能說明
IO.1
啟動(dòng)按鈕
Q0.0
運(yùn)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
1) 該溫度控制系統(tǒng)中I/O點(diǎn)分配表如表3-4所示。
表3-4 I/O點(diǎn)分配表
2)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及硬件連接圖。系統(tǒng)選用PLC CPU226為控制器， K型熱電偶將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過EM231模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子溫度的控制。PLC和HMI相連接，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。整個(gè)硬件連接圖如圖3-4和3-5所示。
計(jì)算機(jī)
P
L
C
EM231模塊
固態(tài)繼電器
熱電偶
烤爐
圖3-4 系統(tǒng)框架圖
3.4 PLC控制器的設(shè)計(jì)
控制器的設(shè)計(jì)是基于模型控制設(shè)計(jì)過程中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對(duì)象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能指標(biāo)確定控制器的參數(shù)值。
3.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立
本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器（電熱偶）將檢測(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)經(jīng)過溫度模塊后，與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法進(jìn)行修正，返回對(duì)應(yīng)工況下的固態(tài)繼電器導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子的溫度控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示，方框圖如圖3-7所示。
圖3-5 系統(tǒng)硬件連接圖
PLC控制器
固態(tài)繼電器
烤爐
溫度模塊
熱電偶
圖3-6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
Gc(s)
Go(s)
R(s) + E(s) U(s) Y(s)
_
圖3-7 控制系統(tǒng)方框圖
圖3-7中，R(s)為設(shè)定溫度的拉氏變換式；E(s)為偏差的拉氏變換式； Gc(s)為控制器的傳遞函數(shù)；Go(s)為廣義對(duì)象，即控制閥、對(duì)象控制通道、測(cè)量變送裝置三個(gè)環(huán)節(jié)的合并；
該溫度控制系統(tǒng)是具有時(shí)滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為
（3-1）
式3-1中，為對(duì)象放大系數(shù)；為對(duì)象時(shí)間常數(shù)；為對(duì)象時(shí)滯。
（3-2）
由階躍響應(yīng)法求得， =0.5；=2.5分鐘；=1.2分鐘。
3.4.2 PID控制及參數(shù)整定
比例、積分、微分三種控制方式各有獨(dú)特的作用。比例控制是一種最基本的控制規(guī)律，具有反應(yīng)速度快，控制及時(shí)，但控制結(jié)果有余差等特點(diǎn)。積分控制可以消除余差，但是工業(yè)上很少單獨(dú)使用積分控制的，因?yàn)榕c比例控制相比，除非積分速度無窮大，否則積分控制就不可能想比例控制那樣及時(shí)的對(duì)偏差加以響應(yīng)，所以控制器的輸出變化總是滯后與偏差的變化，從而難以對(duì)干擾進(jìn)行及時(shí)且有效的控制。微分作用是對(duì)偏差的變化速度加以響應(yīng)的，因此，只要偏差一有變化，控制器就能根據(jù)變化速度的大小，適當(dāng)改變其輸出信號(hào)，從而可以及時(shí)克服干擾的影響，抑制偏差的增長(zhǎng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是理想微分控制器的控制結(jié)果也不能消除余差，而且控制效果要比純比例控制器更差。將三種方式加以組合在一起，就是比例積分微分（PID）控制,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
（3-3）
式3-3中：為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。
根據(jù)以上的分析，本溫度控制系統(tǒng)適于采用PID控制。
完成了上述內(nèi)容后，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)確定了。在系統(tǒng)投運(yùn)之前，還需要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定?？刂破鲄?shù)整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法。
理論計(jì)算整定法是在已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，通過理論計(jì)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(jì)算繁雜，工作量又大，而且由于用解析法或?qū)嶒?yàn)測(cè)定法求得的對(duì)象數(shù)學(xué)模型都只能近似的反映過程的動(dòng)態(tài)特性，整定結(jié)果的精度是不高的，因而未在工程上受到廣泛推廣。
對(duì)于工程整定法，工程技術(shù)人員無需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計(jì)算所需的理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛使用。常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應(yīng)曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法來整定控制器的參數(shù)值。下面介紹下方法步驟。
經(jīng)驗(yàn)整定法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)湊試法，是工程技術(shù)人員在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的。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)，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行，通過觀察人為加入干擾（改變?cè)O(shè)定值）后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對(duì)過渡過程的不同影響來改變相應(yīng)的控制參數(shù)值，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。
由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗(yàn)整定法主要通過調(diào)整比例度的大小來滿足質(zhì)量指標(biāo)。整定途徑有以下兩條：
1）先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的比例度，將人為加入干擾后的過渡過程調(diào)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(shí)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(diào)整積分時(shí)間的大小，直到出現(xiàn)4：1的衰減振蕩。需要時(shí)，最后加入微分（D）作用，即從零開始，逐漸加大微分時(shí)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(shí)間也縮短一些。通過微分時(shí)間的湊試，使過渡時(shí)間最短，超調(diào)量最小。
2）先根據(jù)表選取積分時(shí)間Ti和Td，通常取Td=(1/3-1/4)Ti，然后對(duì)比例度進(jìn)行反復(fù)湊試，直至得到滿意的結(jié)果。如果開始時(shí)Ti和Td設(shè)置的不合適，則有可能得不到要求的理想曲線。這時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整Ti和Td，再重復(fù)湊試，使曲線最終符合控制要求[13]。
表3-5 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)
控制
變量
規(guī)律的選擇
比例度
（%）
積分時(shí)間
Ti（分鐘）
微分時(shí)間
Td（分鐘）
溫度
對(duì)象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩，應(yīng)小，Ti要長(zhǎng)，一般需要微分
20-60
3-10
0.5-3
通過經(jīng)驗(yàn)整定法的整定，PID控制器整定參數(shù)值為： 比例系數(shù)=120，積分時(shí)間=3分鐘，微分時(shí)間=1分鐘。
第四章 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，上一章已經(jīng)詳細(xì)介紹了本項(xiàng)目硬件連接。本章在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將詳細(xì)介紹本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法，編程軟件STEP7--Micro/WIN的介紹以及本項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)。
4.1 PLC程序設(shè)計(jì)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(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時(shí)序流程圖法和步進(jìn)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。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法，其圖形甚至元件名稱都有繼電器電路十分相似。這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成PLC的梯形圖語言。這對(duì)于熟悉繼電器控制的人來說，是最方便的一種編程方法。
（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(guān)系。邏輯流程圖會(huì)使整個(gè)程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點(diǎn)及調(diào)試和維修程序。
（3）時(shí)序流程圖法
時(shí)序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時(shí)序圖（即到某一個(gè)時(shí)間應(yīng)該進(jìn)行哪項(xiàng)控制的控制時(shí)序圖），再根據(jù)時(shí)序關(guān)系畫出對(duì)應(yīng)的控制任務(wù)的程序框圖，最后把框圖寫成PLC程序。這種方法很適合以時(shí)間為基準(zhǔn)的控制系統(tǒng)的編程方法。
（4）步進(jìn)順控法
步進(jìn)順控法是在順控指令的配合下設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制程序。一般比較復(fù)雜的程序都可以分成若干個(gè)功能比較簡(jiǎn)單的程序段，一個(gè)程序可以看成整個(gè)控制過程的一步。
2. 經(jīng)驗(yàn)法編程
經(jīng)驗(yàn)法是運(yùn)用自己的或者別人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。多數(shù)是設(shè)計(jì)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(yàn)程序”。結(jié)合自己工程的情況，對(duì)這些“試驗(yàn)程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。
3.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是通過PLC編程軟件（比如STEP7--Micro/WIN）在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。使用編程軟件可以很方便的在計(jì)算機(jī)上離線或在線編程、在線調(diào)試，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序的存取、加密以及形成EXE文件[14]。
4.2 編程軟件STEP7--Micro/WIN概述
STEP7--Micro/WIN編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為s7-200系列可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。它是西門子s7-200用戶不可缺少的開發(fā)工具?，F(xiàn)在加上中文程序后，可在全中文的界面下進(jìn)行操作，用戶使用起來更加方便。操作主界面如圖4-1所示。
4.2.1 STEP7-Micro/WIN簡(jiǎn)單介紹
以STEP7-Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通STEP 7--Micro/WIN，可雙擊STEP 7--Micro/WIN圖標(biāo)，或選擇開始（Start）> SIMATIC >STEP 7 Micro/WIN 4.0菜單命令。如圖4-1所示，STEP 7--Micro/WIN項(xiàng)目窗口將提供用于創(chuàng)建控制程序的便利工作空間。工具欄將提供快捷鍵按鈕，用于經(jīng)常使用的菜單命令，可顯示或隱藏工具欄的任何按鈕。瀏覽條給出了多組圖標(biāo)，用于訪問STEP 7--Micro/WIN的不同編程特性。指令樹將顯示用于創(chuàng)建控制程序的所有項(xiàng)目對(duì)象和指令?？蓪蝹€(gè)的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個(gè)指令，以便將其插入到程序編輯器中光標(biāo)的當(dāng)前位置。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時(shí)局部變量的符號(hào)名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部均按標(biāo)簽顯示。單擊標(biāo)簽可在子程序、中斷程序和主程序之間來回變換[15]。
STEP 7--Micro/WIN提供了用于創(chuàng)建程序的三個(gè)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(gè)中編寫的程序均可用其它程序編輯器進(jìn)行瀏覽和編輯。用的比較多的是梯形圖（LAD）編程語言。下面詳細(xì)介紹梯形圖的特點(diǎn)。
圖4-1 編程軟件STEP7--Micro/WIN主界面
4.2.2 梯形圖語言特點(diǎn)
梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計(jì)稱為編程。
梯形圖程序設(shè)計(jì)語言是用梯形圖的圖形符號(hào)來描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語言。采用梯形圖程序設(shè)計(jì)語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設(shè)計(jì)語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。每個(gè)梯級(jí)是一個(gè)因果關(guān)系。在梯級(jí)中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在后面。梯形圖程序設(shè)計(jì)語言是最常用的一種程序設(shè)計(jì)語言。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。
在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對(duì)繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā)展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應(yīng)用。梯形圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)是：
（1）與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，具有直觀性和對(duì)應(yīng)性；
（2）與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對(duì)電氣技術(shù)人員來說，易于撐握和學(xué)習(xí)；
（3）與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點(diǎn)是，梯形圖中的能流（Power?FLow）不是實(shí)際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實(shí)際存在的繼電器，因此，應(yīng)用時(shí)，需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對(duì)待；
（4）與布爾助記符程序設(shè)計(jì)語言有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，便于相互的轉(zhuǎn)換和程序的檢查[16]。
4.2.3 STEP7-Micro/WIN參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置）
本項(xiàng)目中PLC要與電腦正確通信，安裝完STEP7-Micro/WIN編程軟件且設(shè)置好硬件后，可以按下列步驟進(jìn)行通訊設(shè)置。
（1）在STEP7-Micro/WIN運(yùn)行時(shí)單擊通訊圖標(biāo)，或從“視圖”菜單中選擇選項(xiàng)“通信”，則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)通信對(duì)話框（如圖4-2所示）。
圖4-2 通信參數(shù)設(shè)置
（2）在對(duì)話框中雙擊PC/PPI電纜的圖標(biāo)，將出現(xiàn)PG/PC接口對(duì)話框或者直接單擊“檢視”欄中單擊“設(shè)置PG/PC接口”也行。如圖4-3所示。
圖4-3 PG/PC接口對(duì)話框
（3）單擊Properties按鈕，將出現(xiàn)接口屬性對(duì)話框，檢查各參數(shù)的屬性是否正確，其中通信波特率默認(rèn)值為9.6kbps（如圖4-4所示）。
圖4-4 通信參數(shù)設(shè)置
4.3 程序設(shè)計(jì)
4.3.1 設(shè)計(jì)思路
PLC運(yùn)行時(shí)，通過特殊繼電器SM0.0產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行初始化，將溫度設(shè)定值，PID參數(shù)值等，存入有關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器，使定時(shí)器復(fù)位；按啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始溫度采樣，采樣周期為10秒；K型熱電偶傳感器把所測(cè)量的溫度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)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(jīng)過程序計(jì)算后得出實(shí)際測(cè)量的溫度T,將T和溫度設(shè)定值比較，根據(jù)偏差計(jì)算調(diào)整量，發(fā)出調(diào)節(jié)命令。
4.3.2 控制程序流程圖
啟動(dòng)
綠燈亮，系統(tǒng)運(yùn)行
調(diào)用PID模塊
PID輸出轉(zhuǎn)
換成占空比
定時(shí)器控制
加熱時(shí)間
溫度當(dāng)前值和
設(shè)定值等顯示
開始
圖 4-5 程序流程圖
4.3.3 梯形圖程序
啟動(dòng)，綠燈亮
停止，紅燈亮
上述程序中，I0.1和I0.2分別是啟動(dòng)和停止按鈕，Q0.0和Q0.1分別是系統(tǒng)運(yùn)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。
這里用SM0.0直接調(diào)用了編程軟件自帶的PID子程序，即就是用PID指令向?qū)Ь幊?。上面的指令中，PV_I為反饋值，也就是熱電偶將檢測(cè)到的當(dāng)前溫度值送入溫度模塊后輸出的模擬電壓值A(chǔ)IW0；Setpoint_R為設(shè)定值。
每個(gè)PID回路都有兩個(gè)輸入變量，給定值SP和過程變量PV。執(zhí)行PID指令前必須把它們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)。即先把整數(shù)值轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)值，再把實(shí)數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，使其為0.0-1.0之間的實(shí)數(shù)。歸一化的公式為
R1=(R/S+ M) （3-1）
式中，R1為標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值；R為未標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)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(xiàng)目中，R=100,即就是設(shè)定溫度100度；S=32000,M=0.0,所以按照歸一化公式R1=100/32000+0.0=0.03125，即Setpoint_R為0.03125.
該網(wǎng)絡(luò)的程序功能是把PID回路輸出轉(zhuǎn)換成占空比。因PID回路的輸出PID0_Output為0.0-1.0之間的實(shí)數(shù)值，又因我們?cè)O(shè)置了采樣時(shí)間為10秒，所以第一個(gè)指令MUL_R中INT2為100.0。ROUND是將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)，DI_I是將雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)。VW2和VW4分別是采樣周期內(nèi)的加熱時(shí)間和非加熱時(shí)間。
上述程序用了兩個(gè)100ms的定時(shí)器T241和T242來控制加熱時(shí)間，其中Q0.3為連接固態(tài)繼電器的輸出端子。
該網(wǎng)絡(luò)的程序是為了在電腦上通過STEP7-Micro/WIN編程軟件顯示當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度值而寫的，其實(shí)也就是歸一化的逆過程。若無該網(wǎng)絡(luò)，則顯示的溫度值都是歸一化的實(shí)數(shù)值，不便于記錄和觀察。
4.3.4 PID指令向?qū)У倪\(yùn)用
STEP7-Micro/WIN提供了PID Wizard（PID指令向?qū)В梢詭椭脩舴奖愕厣梢粋€(gè)閉環(huán)控制過程的PID算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù)PID運(yùn)算的自動(dòng)編程，用戶只需在主程序中調(diào)用PID向?qū)傻淖映绦颍涂梢酝瓿蒔ID控制任務(wù)。PID向?qū)Ъ瓤梢陨赡M量輸出PID控制算法，也支持開關(guān)量輸出；既支持連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，也支持手動(dòng)參與控制[18]。本項(xiàng)目程序中就正好運(yùn)STEP7-Micro/WIN軟件自帶的PID指令向?qū)А亩沟贸绦蚝?jiǎn)單易懂，同時(shí)也達(dá)到了控制要求。
首先打開“指令向?qū)А?，選擇“PID”，如圖4-6所示。
圖4-6 配置PID指令
點(diǎn)擊“下一步”后出現(xiàn)如圖4-7所示畫面。
圖4-7 編輯0的PID配置
圖4-8是配置PID環(huán)路參數(shù)的。其中，增益Kc=120,積分時(shí)間為3分鐘，微分時(shí)間為1分鐘，抽樣時(shí)間為10秒。還有，PID環(huán)路的設(shè)定點(diǎn)設(shè)置為0.0-1.0，便于歸一化處理。
圖4-8 PID參數(shù)設(shè)置
一般單極性的值域都是0-32000，如圖4-9所示。
圖4-9 環(huán)路輸入、輸出設(shè)置
設(shè)置好以上所有步驟后，接下來需要根據(jù)回路表為PID參數(shù)分配存儲(chǔ)地址，圖4-10、圖4-11和圖4-12就是此作用。
圖4-10 為PID配置分配內(nèi)存
圖4-11 創(chuàng)建初始化子例行程序
圖4-12 為配置生成項(xiàng)目元件
到此為止，PID配置結(jié)束。
第五章 總結(jié)
PLC（可編程控制器）?以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。
PID閉環(huán)控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛的一種控制算法，對(duì)大部分控制對(duì)象都有良好的控制效果。
在西門子S7-200系列PLC和組態(tài)軟件組態(tài)王的基礎(chǔ)上，我們成功設(shè)計(jì)出了溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)達(dá)到了快、準(zhǔn)、穩(wěn)的效果，也達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。再加上由組態(tài)王設(shè)計(jì)的人機(jī)界面，整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。
該溫度控制系統(tǒng)也有一些有不足的地方需要改進(jìn)，編程時(shí)我們用了編程軟件自帶的PID指令向?qū)K，這樣雖然方便，但是使得控制系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都稍微偏大，若不直接調(diào)用該模塊，而是自己編寫PID控制子程序的話，控制效果可能會(huì)更好。
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