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基于西門子S7-200PLC的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文程序
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• 摘要:基于西門子 S7-200 PLC 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文本文摘自單片機(jī)開發(fā)平 章 前 言 1.1 課題研究背景 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝 ... 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 本文摘自單片機(jī)開發(fā)平章 前 言1.1 課題研究背景 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一,，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過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) 的工藝過程復(fù)雜多變，具有不確定性,，因此對(duì)系統(tǒng)要求更為先 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)，是繼續(xù)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*力強(qiáng)，價(jià)格便宜,， 可靠性強(qiáng),，編程簡 樸，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)*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 仍舊是常規(guī)的 PID 控制,。
PID 結(jié)構(gòu)簡樸,、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) 域的常青樹,。
組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的軟件,， 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),，都是通過編寫程序來 實(shí)現(xiàn)的。
編寫程序不但工作量大,、周期長,，而且輕易犯錯(cuò) 誤，不能保證工期,。
組態(tài)軟件的 出現(xiàn)，解決了這個(gè)問題,。
對(duì)于過去需要幾個(gè)月的工作,，通過組態(tài)幾天就可以完成.組態(tài)王是 海內(nèi)一家較有影響力的組態(tài)軟件開發(fā)公司 開發(fā)的，組態(tài)王具有流程畫面,，過程數(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 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,，但它憑著體積小，成本低,，功能強(qiáng)盛和可靠性高等特點(diǎn),，已經(jīng)在 許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
單片機(jī)已經(jīng)由開始的 4 位機(jī)發(fā)展到 32 位 機(jī),， 其性能進(jìn)一步得 到改善[5],。
基于單片機(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，并通過模仿和數(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*力強(qiáng),、編程簡單,，易于被工程人員把握和使用，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 • 摘要: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*,，其前景 也很有前途,。
工控機(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 ... • 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*，其前景也很有 前途,。
工控機(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,，較準(zhǔn)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“模糊判定”功能,，是常規(guī) 儀表和人力難以實(shí)現(xiàn)或無法實(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),，提高了平均熱效率[7],。
但假如單獨(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,，治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)治理功能等特點(diǎn),。
DCS 的要害是通 信。
也可以說數(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,。
基本 DCS 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),，支持無擾切換和帶 電插拔,，由于設(shè)計(jì)上的高要求，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) 基 （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)無法達(dá)到的[9],。
但是，F(xiàn)CS 還沒有*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)長短,。
溫度控制系統(tǒng)在海內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛,， 但從生產(chǎn)的溫度控制器來講， 總體 發(fā)展水平仍舊不高,，同日本,、美國、德國等*國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,，國外已有較多的成熟產(chǎn)品,。
但由 于*保密及我國開發(fā)工作的滯 后，還沒有開發(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)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定,。
國外溫度控制系統(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,、 德國、 瑞典等技術(shù),， 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],。
1.3 本文的研究內(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)，• 摘要:要求穩(wěn)定 誤差不超過正負(fù) 1℃,， 并且用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控,。
詳細(xì)有以下幾方面的內(nèi)容： 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，簡單 概述了 PLC 的基本概念以及組成,。
... • • 要求穩(wěn)定誤差不超過正負(fù) 1℃,，并且用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。
詳細(xì)有以下幾方面的內(nèi) 容： 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,，簡單概述了 PLC 的基本概念以及組成,。
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，一般稱其為 PLC,。
可編程控制器(PLC)是繼續(xù)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*,，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)具備條件,，立刻引起了開發(fā)熱潮。
1969 年,，美國數(shù)字設(shè) 備公司(DEC)研制出了世界上臺(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。
可編程控制器自問世以來,，發(fā)展極為迅速,。
1971 年日本開始生產(chǎn)可編程控制器，而歐洲是 1973 開始的,。
如今,，世界各國的一些聞名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器[11]。
可 編程控制器從誕生到現(xiàn)在經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代,，見表 1-1,。
表 1-1 可編程控制器功能表 代次 器件 功能 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 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 發(fā)結(jié)構(gòu),，其構(gòu)成如圖 2-1 所示 [12]。
1) CPU（*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。
在很大程度上決定了 PLC 的整體性能,， CPU 如整個(gè)系統(tǒng)的控制規(guī)模,、工作速度和內(nèi)存容量。
CPU 控制著 PLC 工作,，通過讀取,、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）主要用語存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù),，是 PLC *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 模塊可多可少,，但其大數(shù)受 PLC 所能管理的配置能力,，即底版的限制。
• 摘 要: PLC 還提供了各種各樣的非凡的 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 型或智能型模塊,，用 以滿意各種非凡功能的控制要求。
智能接口 ... • • PLC 還提供了各種各樣的非凡的 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 型或智能型模塊,，用以 滿意各種非凡功能的控制要求。
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)行過程,，顯示 PLC 狀態(tài)、內(nèi)部器件 及系統(tǒng)的參數(shù)等,。
常 見的編程器有簡易手持編程器,、智能圖形編程器和基于 PC 的編程軟件。
目前 PLC 制造 廠家大都開發(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 的電源將外部供應(yīng)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 供應(yīng)*。
PLC 大都采用高質(zhì)量的工作穩(wěn)定性好,、抗*力強(qiáng) 的開關(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,， 從而簡化 外圍配置。
第三章 硬件配置和軟件環(huán)境 3.1 實(shí)驗(yàn)配置 3.1.1 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)熱電偶是指國家標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定了其熱電 勢(shì)與溫度的關(guān)系、答應(yīng)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)化熱電偶,，一般也沒有統(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)化熱電偶我國從 1988 年 1 月 1 日起,，熱電偶 和熱電阻全部按 IEC 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),， 并 S、B、E,、K,、R、J,、T 七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我 國統(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 模仿量輸入模塊 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，它也答應(yīng)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)償和開路故障方向,，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組 態(tài) DIP 開關(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 開關(guān)為 00100000。
對(duì)于 EM231 4TC 模塊,，SW1～SW3 用于選擇熱電偶類型,，見表 3-3 。
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,，見表 3-4[15],。
為了使 DIP 開關(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)開發(fā)的。
該軟件功能強(qiáng)盛,，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
• 開發(fā)工具 3.2.1 安裝 STEP 7-MWIN32 V4.0 在開始安裝的時(shí)候是選擇語言界面，對(duì)于版本 4.0 來說,，這時(shí)候沒有選擇中文的,，但可以先 選擇其他語言，見圖 3-5,。
等軟件安裝好之后再進(jìn)行語言的切換,。
在安裝的后，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，見圖 3-6,。
假如想改變編程界面的語言,，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,。
見圖 3-7 所示,。
3.2.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 系統(tǒng)塊用來設(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)置如下， 需要注重的是,， 的地址默認(rèn)是 2,， PLC 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。
通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用,，方波的占空 比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)詳細(xì)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 任何時(shí)刻,，滿幅值的直流供電要么*有(ON),，要么*無(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。
比例控制(P)是一種的控制方式,。
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，它能猜測(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 各有自己的長處和缺點(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 PID 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,，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)過離散化后,，它的輸出方程為 • • 吉杰博客 • • 樓主 發(fā)表于 2009-05-26 21:06:12 引用 1 樓 • 摘要: 式 4.8 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 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 ... • • 式 4.8 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： EN 端口執(zhí)行條件存在時(shí)候,， 當(dāng) 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 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 說明 0 過程變量（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 過程變量前值（PVn-1） 實(shí)數(shù) 必須在 0.0~1.0 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*是過程變量 PV,，過程變量 PV 和 PID 回路輸出有關(guān),。
在本文中，經(jīng)過測(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) 10 倍據(jù)轉(zhuǎn)化。
傳感器輸入的電壓信號(hào)經(jīng)過 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)?PID 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 0.0~1.0 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 0.0~1.0 之間,。
歸一化的公式如 4.9: （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 0.0,，雙極性為 0.5; ——值域大小,，為大允許值減去小允許值，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: （4.10） 因?yàn)闇囟冉?jīng)過檢測(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)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 • 樓主 發(fā)表于 2009-05-26 21:06:12 引用 1 樓 • 摘要: 本設(shè)計(jì)中,，利用回路的輸出值來設(shè)定下一個(gè)周期內(nèi)的加熱時(shí)間。
回路的輸出值是 在 0.0~1.0 之間,，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),。
這一過程是實(shí)數(shù)值 ... • • 本設(shè)計(jì)中,，利用回路的輸出值來設(shè)定下一個(gè)周期內(nèi)的加熱時(shí)間,。
回路的輸出值是在 0.0~1.0 之間,，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),。
這一過程是實(shí)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化過程,。
（4.11） S7-200 不提供直接將實(shí)數(shù)一步轉(zhuǎn)化成整數(shù)的指令，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)的過渡過程達(dá)到滿足的質(zhì)量指標(biāo)要 求。
一般可以通過理論
計(jì)算來確定,，但誤差太大,。
目前，應(yīng)用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,，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) 5.1 方案設(shè)計(jì)思路 PLC 采用的是的 S7-200,， 是 224 系列， CPU 采用了 5 個(gè)燈來顯示過程的狀態(tài),， 分別是運(yùn)行燈,， 停止燈，溫度正常燈,，溫度過高（警示燈）燈,，和加熱 燈，可以通過 5 個(gè)燈的開關(guān)狀況判 定加熱爐內(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)化成對(duì)應(yīng)的電 壓信號(hào)，經(jīng)過 PLC 模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié),。
根據(jù) PID 輸出值來控制下一個(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 I0.1 I0.2 I0.3 Q0.0 Q0.1 Q0.3 Q0.4 名稱 功能 啟動(dòng)按扭 按下開關(guān),，設(shè)備開始運(yùn)行 開關(guān)按鈕 按下開關(guān)，設(shè)備停止運(yùn)行 保護(hù)按鈕 按下開關(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)） 燈兩表示爐溫過高,，處于危險(xiǎn)狀態(tài)
Q0.5 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 • 摘要: VD30 當(dāng)前實(shí)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 ... • • VD30 當(dāng)前實(shí)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 說明 VD100 過程變量（PVn） 必須在 0.0~1.0 之間 VD104 給定值（SPn） 必須在 0.0~1.0 之間 VD108 輸出值（Mn） 必須在 0.0~1.0 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（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 0.0~1.0 之間 VD132 過程變量前值（PVn-1） 必須在 0.0~1.0 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。
5.3 助記符語言表 主程序 LD SM0.0 // SM0.0 常 ON LPS // 將 SM0.0 壓棧
AR= VD30 105.0 // 如果溫度大于 105℃ S Q0.4 1 // 使 Q0.4 保持 ON R Q0.3 1 // 使 Q0.3 保持 OFF LD SM0.0 LPS A I0.1 // 按下啟動(dòng)按扭,，啟動(dòng)系統(tǒng) AN I0.3 // I0.3 為保護(hù)關(guān)開,，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)用子程序 1 LD M0.0 LPS AN M0.3 TON T50 100 LPP A T50 = M0.3 //每 10S 使中間繼電器 M0.3 為 ON 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 = Q0.5 //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 84.0 //如果溫度大于 84℃ S I0.5 1 //使 I0.5 常 ON R I0.4 1 //使 I0.4 常 OFF LD M0.0 //常 ON 繼電器 AN M0.6 A I0.4 //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 //輸入 I 值 999999.0 到 VD4 MOVR 0.0 VD8 //輸入 D 值 0.0 到 VD8 MOVR 100.0