基于PLC和組態(tài)王的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PLC和組態(tài)王的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄第一章 系統(tǒng)及工控機(jī)的設(shè)計(jì)與選擇 1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 1.2 系統(tǒng)硬件各部分選型 1.3 傳感器Pt100的選型設(shè)計(jì)1.4溫度變送器選型設(shè)計(jì)第二章 PLC和HMI基礎(chǔ) 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 2.1.2 可編程控制器的組成和工作原理 2.1.3 可編程控制器的分類及特點(diǎn) 2.2 人機(jī)界面基礎(chǔ) 2.2.1 人機(jī)界面的定義 2.2.2 人機(jī)界面產(chǎn)品的組成及工作原理 2.2.3 人機(jī)界面產(chǎn)品的特點(diǎn) 第三章 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 3.1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 3.1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 3.2 PLC的選型與硬件配置 3.2.1 PLC型號(hào)的選擇 3.2.2 S7-200CPU的選擇 3.2.3 EM231模擬量輸入模塊 3.2.4 熱電式傳感器 3.3 I/O點(diǎn)分配及電氣連接圖 3.4 PLC控制器的設(shè)計(jì) 3.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 3.4.2 PID控制及參數(shù)整定 第四章 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 PLC程序設(shè)計(jì)方法 4.2 編程軟件STEP7--Micro/WIN概述 4.2.1 STEP7-Micro/WIN簡(jiǎn)單介紹 4.2.2 梯形圖語(yǔ)言特點(diǎn) 4.2.3 STEP7-Micro/WIN參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置） 4.3 程序設(shè)計(jì) 4.3.1 設(shè)計(jì)思路 4.3.2 控制程序流程圖 4.3.3 梯形圖程序 4.3.4 PID指令向?qū)У倪\(yùn)用 4.3.5 語(yǔ)句表（STL）程序 第五章 基于組態(tài)王的HMI設(shè)計(jì) 5.1 人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì) 5.1.1 監(jiān)控主界面 5.1.2 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線 5.1.3 歷史趨勢(shì)曲線 5.1.4 報(bào)警窗口 5.1.5 設(shè)定畫面 5.2 變量設(shè)置 5.3 動(dòng)畫連接4第六章 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及分析 6.1 系統(tǒng)運(yùn)行 6.2 運(yùn)行結(jié)果分析 6.2.1 溫度趨勢(shì)曲線分析 6.2.2 報(bào)警信息分析 第七章總結(jié) 參考文獻(xiàn) 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。在工業(yè)領(lǐng)域，隨著自動(dòng)化程度的迅速提高，用戶對(duì)控制系統(tǒng)的過(guò)程監(jiān)控要求越來(lái)越高，人機(jī)界面的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機(jī)界面可以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，包括過(guò)程監(jiān)測(cè)、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得操作人性化、過(guò)程可視化，在自動(dòng)控制領(lǐng)域的作用日益顯著。本文主要介紹了基于西門子公司S7-200系列的可編程控制器和亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王的爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。編程時(shí)調(diào)用了編程軟件STEP7-MicroWIN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。利用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采樣與處理。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人機(jī)界面組態(tài)AbstractProgrammableLogicController(PLC)isakindofautomaticcontrolequipmentwhichiswidelyusedintheindustrialmanufacture.Itmergesthetraditionalcontroltechnology,computerandcommunicationtechnologieswithastrongabilitytocontrol,flexibleoperation,highreliabilityandsuitableforlong-termcharacteristicsofcontinuouswork.Itisverysuitablefortemperaturecontrolrequirements.Intheindustrialfield,withtherapidincreaseinthedegreeofautomation,itismoreandmoreimportanttomonitortheprocessofcontrolsystemfortheusers.Theemergenceofhuman-machineinterfacemeetstheneedsofusers.Man-machineinterfacecancomprehensivelymonitorthecontrolsystem,includingprocessmonitoring,alarm,dataloggingandotherfunctions,sothatthecontrolsystemshavebecomeuser-friendlyoperation,theprocessofvisualizationanditwillplaymoreandmoreimportantpartinthefieldofautomaticcontrol.ThisessaymainlyintroducesadesignoftemperaturecontrolsystemwithSIMATICprogrammablelogiccontroller(PLC)andconfigurationsoftwareKingviewwhichisdevelopedbyBeijingYakongCompany.Whenprogramming,weusethePIDcontrolarithmeticsoftwaremodulewhichiscontainedintheprogramsoftwareSTEP7-MicroWINsothattheprogramlookseasierandoperatesmorequickly.Inordertomonitorthecontrolsystemandprocessdatainactualtime,wedesignedHumanMachineInterface（HMI）withtheconfigurationsoftwareKingview.Theresultofexperimentprovesthatthistemperaturecontrolsystemcouldrunquickly,accuratelyandhavegoodstability,whichistheadvantageofthecontrolsystem.Thiscontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrialtemperaturecontrolfield.

Withthecontinuousdevelopmentofautomaticscienceandtechnology,high-precision,intelligent,user-friendlytemperaturecontrolsystemistheinevitabletrendofdevelopmentathomeandabroad.Keywords:TemperatureControlPLCHMIKingview系統(tǒng)及工控機(jī)的設(shè)計(jì)與選擇1.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案1.1.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，外部的設(shè)備（檢測(cè)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)）都是采用的模擬量信號(hào)，但是計(jì)算機(jī)不能識(shí)別模擬量信號(hào)，只能識(shí)別是數(shù)字量信號(hào)，所以要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制必須實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)到數(shù)字量轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)到模擬量信號(hào)的轉(zhuǎn)換[3]。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)以IPC板卡為核心，外加研華610H工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、Pt100溫度傳感器、SBWZ溫度變送器等其它外圍設(shè)備搭建硬件線路構(gòu)成一個(gè)單閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)；用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作控制器，通過(guò)IPC板卡的溫度采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換和功放輸出，搭建用數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)采集和用功放輸出板卡進(jìn)行輸出控制的硬件線路，用工控機(jī)的組態(tài)軟件編寫板卡溫度量采集與監(jiān)控程序并設(shè)計(jì)PID控制算法，并用組態(tài)軟件編制組態(tài)界面實(shí)現(xiàn)溫度的顯示控制，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前溫度，并進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)在0-100℃溫度范圍內(nèi)控制精度為±0.5℃的溫度控制。工控機(jī)IPC5373低壓繼電器接觸器加熱器鍋爐PT100溫度變送器接線端子A/D轉(zhuǎn)換PCL818L系統(tǒng)具體組建方案：電加熱鍋爐中水的當(dāng)前溫度經(jīng)過(guò)Pt100熱電阻測(cè)量后得到對(duì)應(yīng)電阻值變化，傳送到SBWZ溫度變送器，得到4-20mA的電流信號(hào)，經(jīng)串聯(lián)一個(gè)250Ω的電阻，得到1-5V模擬電壓信號(hào)，通過(guò)研華的PCL-818L板卡的A/D轉(zhuǎn)換，將采集外部溫度傳感器和變送裝置測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)得到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)，本設(shè)計(jì)用VB來(lái)讀取這個(gè)數(shù)字量信號(hào)。為達(dá)到預(yù)期目標(biāo)溫度，選擇控制算法，用組態(tài)軟件自帶的控制模塊編寫一個(gè)數(shù)字PID程序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，尋找最好的適合系統(tǒng)的最佳的PID參數(shù)的值。實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的信號(hào)的分析處理，然后通過(guò)組態(tài)王控制算法PID算法程序進(jìn)行運(yùn)算調(diào)整，得出PID控制器的輸出值，經(jīng)康拓IPC5373板卡的D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成低壓繼電器可識(shí)別的開關(guān)量信號(hào)，輸出控制中間繼電器。中間繼電器為接觸器給定控制信號(hào)，接觸器的通斷則執(zhí)行了對(duì)加熱過(guò)程的控制，實(shí)現(xiàn)控制繼電器的接通與斷開時(shí)間，進(jìn)而控制電加熱鍋爐的接通與斷開來(lái)達(dá)到控制水溫的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐溫度的實(shí)時(shí)控制。如圖1所示為計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖。工控機(jī)IPC5373低壓繼電器接觸器加熱器鍋爐PT100溫度變送器接線端子A/D轉(zhuǎn)換PCL818L 圖1計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖 根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是電加熱鍋爐中水的溫度，課題設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是電加熱鍋爐中水的溫度達(dá)到設(shè)定值。在這里以研華610H工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為控制器，Pt100熱電阻作為溫度傳感器，SBWZ溫度變送器，PCL-818L板卡和IPC5373板卡分別作為信號(hào)輸入和控制輸出單元，完成系統(tǒng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換，電磁低壓繼電器、交流接觸器作為執(zhí)行器，電加熱絲為被控對(duì)象[4]。1.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程流程圖在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先應(yīng)考慮控制任務(wù)中需要解決或重點(diǎn)探究的地方，根據(jù)任務(wù)需求，選擇系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要的硬件和軟件。在外圍硬件電路搭建完成之后，根據(jù)硬件編寫合適的控制程序。然后就可以進(jìn)入到調(diào)試環(huán)節(jié)，調(diào)試，修改，調(diào)試，修改。從而達(dá)到所需要的控制效果。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，評(píng)估控制任務(wù)的目的是為了考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用和控制要求、任務(wù)，從而確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后可行性方案。在方案設(shè)計(jì)完成以后，就需要選用一定的硬件和軟件了，硬件是系統(tǒng)的肉體，軟件是系統(tǒng)的靈魂，兩者結(jié)合才會(huì)是一個(gè)完美的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在硬件中，對(duì)各部分的選型，對(duì)硬件的學(xué)習(xí)、了解等都是前期必須要掌握的內(nèi)容，掌握好每個(gè)部分，才能夠?qū)⒉糠致?lián)系成整體。將整體系統(tǒng)連接起來(lái)以后，開始聯(lián)機(jī)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)未處理、未考慮到的問(wèn)題及時(shí)的處理，那么這套系統(tǒng)就可以完成了。系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。1.2系統(tǒng)硬件各部分選型1.2.1板卡選型設(shè)計(jì)板卡在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用就是信號(hào)處理，即模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。為了能夠滿足設(shè)計(jì)要求，順利地完成本次設(shè)計(jì)，查閱了相關(guān)的資料，結(jié)合對(duì)市場(chǎng)上的主流板卡品牌的了解，再綜合考慮到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的具體情況，在此設(shè)計(jì)中，模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換即為A/D轉(zhuǎn)換，本次設(shè)計(jì)所選用的數(shù)據(jù)采集輸入板卡為研華PCL-818LA/D板卡，數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換即為D/A轉(zhuǎn)換，本次設(shè)計(jì)所選用的數(shù)據(jù)輸出板卡為康拓IPC5373板卡。模擬量輸入通道的板卡設(shè)計(jì)模擬量輸入通道主要的設(shè)備就是數(shù)據(jù)采集輸入板卡為研華PCL-818LA/D板卡，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換。研華PCL—818LA/D板卡主要技術(shù)規(guī)格[5]如下：①12位A/D分辨率。②最高可達(dá)100kS/s的采樣率。③16通道單端或8通道差分輸入。④單極性或雙極性模擬量輸入范圍。⑤雙極模擬輸入范圍。⑥可編程的增益設(shè)置：×0.5，×1，×2，×4，×8。⑦輸入范圍：±10V、±5V、±2.5V、±1.25V、±0.625V、0-10V、0-5V、0-2.5V。⑧自動(dòng)模擬輸入掃描；模擬輸入支持DMA傳輸方式。⑨2通道12位多路切換模擬輸出，1通道16位通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器。⑩16通道TTL數(shù)字輸入和16通道TTL數(shù)字輸出。PCL-818L是PCL-818系列中的入門級(jí)板卡。該板卡可以供要求低價(jià)位的用戶使用。除了采樣速率為40KHz，以及只能接受雙極性輸入外，其他功能和PCL-818HD和PCL-818HG完全相同。這樣無(wú)需更改硬件或軟件，就可以將應(yīng)用升級(jí)到高性能的數(shù)據(jù)采集卡。PCL-818L具備所有數(shù)據(jù)采集卡的功能，例如，A/D、D/A轉(zhuǎn)換、DIO和定時(shí)/計(jì)數(shù)器，本卡的高規(guī)格使其在需要高速采集的情況下得到廣泛應(yīng)用。PCL-818L為低電平輸入(例如，熱耦合信號(hào)測(cè)量)提供專門的高增益可編程儀表放大器。PCL-818L板卡在全部增益下最高可達(dá)到100kS/s高速采樣率。PCL-818L具有16路單端輸入和雙極性輸出，PCL-818L具有2路12位雙緩沖模擬輸出，16路數(shù)字輸入和16路數(shù)字輸出，1個(gè)通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器。板卡完整詳細(xì)原理及規(guī)格請(qǐng)參見《研華PCL-818系列板卡中文手冊(cè)》。數(shù)字量輸出通道的板卡設(shè)計(jì)數(shù)字量輸出通道主要的設(shè)備就是康拓IPC537332路光隔開關(guān)量功放輸出板卡，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換。IPC5373板是一種帶光電耦合器件的開關(guān)量輸出板，它可以實(shí)現(xiàn)PC總線與被測(cè)工業(yè)設(shè)備或數(shù)字儀器之間完全的電隔離，以消除公共地線和電源的干擾。從而使工業(yè)設(shè)備和微機(jī)系統(tǒng)可靠工作。此外，它還具有較強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力和電平轉(zhuǎn)換能力?？芍苯域?qū)動(dòng)繼電器、電磁閥等。其主要技術(shù)規(guī)格[6]如下：①PC總線與用戶接口設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)完全的電隔離，隔離電壓2500Vrms。②32個(gè)開關(guān)量輸出，占用4個(gè)連續(xù)口地址：154H-157H。③各輸出信號(hào)具有鎖存功能，上電復(fù)位清零。④采用達(dá)林頓管功放集電極開路輸出，負(fù)載電源5～40V，驅(qū)動(dòng)電流單路最大200mA，每片達(dá)林頓管負(fù)載電流最大500mA，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、電磁閥等。⑤用戶接口為40芯扁平電纜插座（IPC5373）或37芯D型連接器（IPC5373D），IPC5373D板上帶DC/DC，不用外接電源。詳細(xì)功能以及電路原理請(qǐng)參見《IPC5373使用說(shuō)明書》。1.2.2工控機(jī)的選型設(shè)計(jì)工控機(jī)就是工業(yè)控制用電腦，其主要是指用在是專供工業(yè)界使用的個(gè)人電腦，可作為工業(yè)控制器使用。工業(yè)電腦基本性能與相容性與同樣規(guī)格的商用個(gè)人電腦相差無(wú)幾，但是工業(yè)電腦更多的防護(hù)措施，注重的部份在不同環(huán)境下的穩(wěn)定，如防塵、防水、防靜電等。工業(yè)用電腦并不要求當(dāng)前最高效能，只求達(dá)到符合系統(tǒng)的要求，需符合工業(yè)環(huán)境中的可靠性要求與穩(wěn)定，否則用于生產(chǎn)線萬(wàn)一遇到電腦當(dāng)機(jī)，則可能造成嚴(yán)重?fù)p失，因此工業(yè)用電腦所要求的標(biāo)準(zhǔn)值都有要求符合嚴(yán)格的規(guī)范與擴(kuò)充性。結(jié)合本次設(shè)計(jì)和學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的具體情況，本次設(shè)計(jì)所選用的安裝配合所選用的板卡的計(jì)算機(jī)為研華610H工控機(jī)及其配套設(shè)備。其主要技術(shù)規(guī)格如下：①4U高度，支持14槽背板。②配置300WATXPFCPS/2電源。③前端可安裝3個(gè)半高磁盤驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)3.5FDD和一個(gè)3.5磁盤驅(qū)動(dòng)器。④前置USB/PS2接口。⑤前置系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。⑥能抗沖擊，振蕩，并且能在高溫下穩(wěn)定工作。⑦支持ATX母板和400WPFC電源。⑧IPC的其他配件基本上都與PC機(jī)兼容，主要有CPU、內(nèi)存、顯卡、硬盤、軟驅(qū)、鍵盤、鼠標(biāo)、光驅(qū)、顯示器等。在此設(shè)計(jì)中，值得注意的是實(shí)驗(yàn)室工控機(jī)的開關(guān)按鈕也許是組裝過(guò)或者維修過(guò)，不是只按下?lián)軇?dòng)開關(guān)就行了，而是按下“1”之后，還需要撥動(dòng)它彈起來(lái)回到“0”處，才能正常的開機(jī)。1.3傳感器Pt100的選型設(shè)計(jì)傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測(cè)裝置設(shè)備，它能感受到被測(cè)量的信息信號(hào)，并能將檢測(cè)感受到的信息信號(hào)，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。在此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們的被測(cè)量是溫度信號(hào)，即鍋爐內(nèi)的水溫，為此考慮設(shè)計(jì)條件，我們選擇較為成熟的Pt100。Pt100為鉑熱電阻。它的阻值會(huì)隨著溫度變化而變化，且成正比關(guān)系。Pt100的阻值與溫度的變化關(guān)系為：當(dāng)Pt100溫度為0度時(shí)，它的阻值為100歐姆，在100度時(shí)它的阻值為138.5歐姆。它的工作原理是：當(dāng)Pt100在0度的時(shí)候，它的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而勻速增長(zhǎng)。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用下面這個(gè)近似的關(guān)系式來(lái)表示：Rt=Rt0[1+a（t-t0）]。式子中，Rt為溫度t時(shí)的阻值，Rt0為溫度t0時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值，a為溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為：Rt=Aet/t。式子中Rt為溫度為t時(shí)的阻值；A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上），但互換性較差，非線性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍只有-50~300℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測(cè)和控制。金屬熱電阻一般適用于-200~500℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，其特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。熱電阻實(shí)物如圖6所示。工業(yè)上常用金屬熱電阻從電阻隨溫度的變化來(lái)看，大部分金屬導(dǎo)體都有這個(gè)性質(zhì)，但并不是都能用作測(cè)溫?zé)犭娮?，作為熱電阻的金屬材料一般要求：盡可能大而且穩(wěn)定的溫度系數(shù)、電阻率要大（在同樣靈敏度下減小傳感器的尺寸）、在使用的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學(xué)物理性能、材料的復(fù)制性好、電阻值隨溫度變化要有間值函數(shù)關(guān)系（最好呈線性關(guān)系）。1.4溫度變送器選型設(shè)計(jì)變送器（transmitter）是把傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R(shí)別的信號(hào)（或?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D(zhuǎn)換成工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，同時(shí)放大以便供遠(yuǎn)方測(cè)量和控制的信號(hào)源）的轉(zhuǎn)換器。傳感器和變送器一同構(gòu)成自動(dòng)控制的監(jiān)測(cè)信號(hào)源。不同的物理量需要不同的傳感器和相應(yīng)的變送器。SBWZ系列溫度變送器是一種小型、高精度的測(cè)溫儀表。與現(xiàn)場(chǎng)傳感器連在一起構(gòu)成測(cè)溫回路。它采用二線制傳送方式（兩根導(dǎo)線作為電源輸入，同時(shí)作為信號(hào)輸出的公用傳輸線），將熱電阻的信號(hào)變換成線性的4-20mA輸出的電流信號(hào)。溫度變送器作為新一代測(cè)溫儀表可廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、電力、輕工、紡織、食品、國(guó)防以及科研等工業(yè)部門。其應(yīng)用特點(diǎn)如下：①采用密封結(jié)構(gòu)，因此耐震，耐濕，適合惡劣現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中安裝使用。②輸出4-20mA，補(bǔ)償導(dǎo)線費(fèi)用低，信號(hào)長(zhǎng)距離傳送過(guò)程中的抗干擾能力強(qiáng)。③變送器具有輸入端開路指示功能。④精度高、功耗低，使用環(huán)境溫度范圍寬，工作穩(wěn)定可靠。溫度變送器技術(shù)參數(shù)如下表1所示。表1溫度變送器參數(shù)規(guī)格參數(shù)工作制式4-20ma輸出（兩線制或三線制）精度等級(jí)0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS。工作電壓DC24V±1V量程范圍-50℃-50℃；0℃-50℃;0℃-100℃;0℃-150℃;0℃-200℃;0℃-300℃;0℃-600℃工作環(huán)境溫度:-0℃~85℃,濕度:0～95%RH負(fù)載能力≤500Ω.外形尺寸45mm×41mm（1）調(diào)試步驟:在左邊輸入端接入標(biāo)準(zhǔn)電阻箱（如ZX38/11型和ZX-25a型），其中上兩路為電阻箱的公共端，在輸出端串接上標(biāo)準(zhǔn)電流表和24VDC穩(wěn)壓電源。改變信號(hào)源發(fā)生器(電阻箱)，使之等于量程的下限對(duì)應(yīng)阻值，調(diào)整調(diào)零電位器，使電流表的讀數(shù)為4mA，改變信號(hào)源，使之等于量程的上限對(duì)應(yīng)阻值，調(diào)整調(diào)滿電位器，使電流表的讀數(shù)為20mA即可。例：輸入型號(hào)為Pt100，量程為0～100℃的溫度變送器標(biāo)定，正確接線后，電阻箱輸出阻值100Ω，調(diào)整調(diào)零電位器，使電流表讀數(shù)為4mA；電阻箱輸出阻值為138.5Ω（即鉑熱電阻在100℃時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值），調(diào)整調(diào)滿電位器，使電流表的讀數(shù)為20mA。（2）應(yīng)用說(shuō)明：PT100為熱電阻傳感器，采集到的電流信號(hào)給SBWZ溫度變送器，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4-20ma電流信號(hào)，然而PCL818L的模擬量輸入通道接收的是電壓信號(hào)，所以需要在其輸出端并聯(lián)上一個(gè)250Ω的電阻，轉(zhuǎn)換為1-5V電壓信號(hào)。1.5其它硬件設(shè)備選型1.5.1外部接線端子為配合各部件的整體互聯(lián)，本次設(shè)計(jì)所選用的連接現(xiàn)場(chǎng)儀表變送器與數(shù)據(jù)采集輸入板卡的接線端子為研華PCLD8115接線端子，其主要作用就是為了方便與數(shù)據(jù)采集輸入板卡之間的接線，在溫度變送器與輸入板卡之間架起一道橋梁。其主要技術(shù)規(guī)格如下：①工業(yè)接線端子板；②用于818L/818HG/1800等；③支持PCL-818系列多功能數(shù)據(jù)采集控制卡；④易于安裝的DIN導(dǎo)軌安裝外殼；⑤低成本螺絲端子板；⑥能在惡劣環(huán)境中可靠連接的工業(yè)端子板。為了完善系統(tǒng)功能，完成外圍控制硬件電路的完整搭建，還選用了以下元器件：低壓中間繼電器（24V）、交流接觸器（220V）、小型加熱鍋爐、按鈕開關(guān)、信號(hào)指示燈（220V）、空氣開關(guān)、導(dǎo)線若干、接線端子排和電源排插。1.5.2繼電器根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，在選用繼電器時(shí)主要考慮工作條件以及安裝使用方便還有工作穩(wěn)定性，加熱絲功率是1500W，最大工作電流I=6.8A，因此選用HH52P型小型繼電器，HH52P系列小型繼電器，配套底座PYF08A,適用于交流50Hz或60Hz，可承受電流AC：7A,DC：5A，符合鍋爐加熱絲的負(fù)載要求，線圈的承受電壓AC：6～380V，DC：5～220V，供電子設(shè)備、通訊設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)控制設(shè)備、自動(dòng)化控制裝置等動(dòng)作切換電路及擴(kuò)大控制范圍使用。其規(guī)格品種屬于基型、磁保持性、帶指示燈、帶浪涌抑制；電壽命：50萬(wàn)次；安裝方式：插拔式；特點(diǎn)：體積小、容量大、壽命長(zhǎng)。底部有八個(gè)引腳，分別為1、2、3、4、5、6、7、8，說(shuō)明如下：7、8為線圈1、3、5是一組觸頭，5是公共點(diǎn)，5與1為常閉，5與3為常開，2、4、6為一組觸頭，6是公共點(diǎn)，6與2為常閉，6與4為常開，當(dāng)7、8得到線圈額定電壓后，5、3閉合5、1斷開；同時(shí)6、4閉合，6、2斷開，失電后恢復(fù)原狀。1.5.3交流接觸器根據(jù)設(shè)計(jì)選用的加熱絲功率為1500W，電壓為220V，正常工作電流I=6.8A，沒有特殊要求，所以接觸器就可以選用使用廣泛的、購(gòu)買方便的、價(jià)格較低的CJ20-10型交流接觸器。CJ20-10交流接觸器（以下簡(jiǎn)稱接觸器）適用于50Hz，最大電壓至660V電流至63A的電力系統(tǒng)中接通與分?jǐn)嚯娐?，還可用于與適當(dāng)?shù)臒崂^電器或電子式保護(hù)裝置組合成電機(jī)起動(dòng)器以保護(hù)可能發(fā)生過(guò)載的電路。進(jìn)線接1/L13/L25/L37/L4三相四線制，出線接2/T14/T26/T38/T4三相四線制，如果只接三相可以只用前三對(duì)觸頭；11、12和41、42是兩對(duì)常閉觸頭，接聯(lián)鎖電路和停機(jī)指示的；2324和3334是兩對(duì)常開觸頭，接自鎖電路和運(yùn)行指示的。額定絕緣電壓660V，額定工作電壓220V；380V,約定發(fā)熱電流10A，接380V的三相交流電時(shí)額定工作電流10A，機(jī)械壽命1000萬(wàn)次，在380V工作電壓下電壽命100萬(wàn)次，在380V工作電壓下操作頻率1200次/時(shí)，接線能力截面積為1.5的銅導(dǎo)線。1.6PLC和HMI基礎(chǔ)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（ProgrammableLogicController），它使用了可編程序的記憶以存儲(chǔ)指令，用來(lái)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(guò)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(guò)程。1.6.1可編程控制器基礎(chǔ)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(lái)。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(lái)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(guò)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]?？删幊炭刂破鞯慕M成和工作原理PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結(jié)構(gòu)上基本相同。無(wú)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(guò)系統(tǒng)總線連接。PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：輸輸入接口中央處理單元CPU輸出接口主程序存儲(chǔ)單元圖2-1PLC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(lái)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(guò)程中的語(yǔ)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(guò)程中的語(yǔ)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(lái)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(guò)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(guò)各種I/O接口模塊于外界聯(lián)系來(lái)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(FlashMemory)，免去了后備電池的麻煩。4）電源模塊PLC中的電源，是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。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]?？删幊炭刂破鞯姆诸惣疤攸c(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(lái)，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]。1.7人機(jī)界面基礎(chǔ)隨著社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來(lái)越強(qiáng)大，控制過(guò)程也變得越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。人機(jī)界面（HMIHumanMachineInterface）以其美觀易懂、操作人性化等顯著特點(diǎn)，正好滿足這種需求而得到廣泛的應(yīng)用。1.7.1人機(jī)界面的定義人機(jī)界面是指連接可編程控制器（PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過(guò)輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互的數(shù)字設(shè)備,由硬件和軟件兩部分組成。1.7.2人機(jī)界面產(chǎn)品的組成及工作原理人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理器的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI的核心單元。根據(jù)HMI的產(chǎn)品等級(jí)不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件分為兩部分，即運(yùn)行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運(yùn)行于PC機(jī)Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如組態(tài)王等）。用戶必須先使用組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過(guò)PC機(jī)和HMI產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運(yùn)行。1.7.3人機(jī)界面產(chǎn)品的特點(diǎn)(1)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程清晰化控制過(guò)程可以動(dòng)態(tài)地顯示在HMI設(shè)備上。例如：爐子加熱通斷可以通過(guò)指示燈亮滅來(lái)顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來(lái)指示等等，使整個(gè)控制系統(tǒng)變得形象易懂，也更加清晰。(2)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單化操作員可以通過(guò)監(jiān)控界面來(lái)控制過(guò)程。可從監(jiān)控界面上啟動(dòng)和停止系統(tǒng)、設(shè)定溫度上下限、設(shè)置PID參數(shù)等。(3)顯示報(bào)警控制過(guò)程達(dá)到臨界狀態(tài)或系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，例如，當(dāng)爐子溫度超出溫度上下限時(shí)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。(4)數(shù)據(jù)歸檔HMI系統(tǒng)可以記錄過(guò)程變量值和報(bào)警信息并歸檔。例如：通過(guò)歸檔數(shù)據(jù)，您可以查看過(guò)去一段時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)行情況，過(guò)程變量等。(5)報(bào)表系統(tǒng)HMI系統(tǒng)可以輸出報(bào)警和過(guò)程值報(bào)表。例如，您可以在生產(chǎn)某一輪班結(jié)束時(shí)打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)[8]。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(lái)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。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(wú)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。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(guò)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(guò)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(guò)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)模可用該系統(tǒng)的I/O設(shè)備總數(shù)來(lái)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(guò)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)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3-1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟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(wèn)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(lái)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(guò)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?，F(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(wèn)題。5.編寫技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說(shuō)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(shuō)明書等[10]。PLC的選型與硬件配置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。S7-200PLC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S7-200CPU構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過(guò)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]。S7-200CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型。此系統(tǒng)選用S7-200CPU226，CPU226集成了24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，共有40個(gè)數(shù)字量I/O?？蛇B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38.4kbit/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(guò)為了能調(diào)用編程軟件STEP7里的PID模塊，只能采用CPU226及以上機(jī)種。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EM2314TC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(guò)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3-1EM231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)DC24V/4mA輸入類型：0~10V，0~5V，±5V,±2.5V,0~20mA分辨率：12Bit轉(zhuǎn)換速度：250μS隔離：有耗電從CPU的DC5V（I/O總線）耗電10mADIP開關(guān)SW10,SW20,SW31（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3-2EM231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SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2.5mVONOFF0到5V1.25mV0到20mA5uA雙極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON±5V2.5mVONOFF±2.5V1.25mV熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(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，其測(cè)溫范圍大約是0～1000℃。系統(tǒng)里的烤爐最高溫度不過(guò)幾百度，加上一定的裕度就足夠了，另外其成本也不算高[12]。I/O點(diǎn)分配及電氣連接圖輸入觸點(diǎn)功能說(shuō)明輸出觸點(diǎn)功能說(shuō)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)繼電器該溫度控制系統(tǒng)中I/O點(diǎn)分配表如表3-4所示。表3-4I/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PLCCPU226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(guò)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(guò)固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來(lái)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。機(jī)機(jī)PLCEM231模塊固態(tài)繼電器熱電偶烤爐圖3-4系統(tǒng)框架圖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(guò)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?？刂葡到y(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(guò)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3-5所示，方框圖如圖3-6所示。PLC控制器PLC控制器固態(tài)繼電器烤爐溫度模塊熱電偶圖3-5控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Gc(s)Go(s)R(s)+E(s)U(s)Y(s)Gc(s)Go(s)_圖3-6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Gs=K0T0式3-1中，QUOTEK0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。K0=?y∞?由階躍響應(yīng)法求得，=0.5；=QUOTET0=2.5分鐘；=QUOTEτ=1.2分鐘。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(wú)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ut=Kp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(lái)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(guò)理論計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來(lái)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(guò)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(wú)需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無(wú)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(lái)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(lái)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(guò)觀察人為加入干擾（改變?cè)O(shè)定值）后的過(guò)渡過(guò)程曲線，根據(jù)各種控制作用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的不同影響來(lái)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(guò)調(diào)整比例度的大小來(lái)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(guò)渡過(guò)程調(diào)整為4：1的衰減振蕩過(guò)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(guò)微分時(shí)間的湊試，使過(guò)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20-603-100.5-3通過(guò)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。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)。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(yǔ)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(yǔ)言。這對(duì)于熟悉繼電器控制的人來(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(guò)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]。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(lái)更加方便。STEP7-Micro/WIN簡(jiǎn)單介紹以STEP7-Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通STEP7--Micro/WIN，可雙擊STEP7--Micro/WIN圖標(biāo)，或選擇開始（Start）>SIMATIC>STEP7Micro/WIN4.0菜單命令。如圖4-1所示，STEP7--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(wèn)STEP7--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(lái)回變換[15]。STEP7--Micro/WIN提供了用于創(chuàng)建程序的三個(gè)編輯器：梯形圖（LAD）、語(yǔ)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(yǔ)言。下面詳細(xì)介紹梯形圖的特點(diǎn)。梯形圖語(yǔ)言特點(diǎn)梯形圖是使用得最多的圖形編程語(yǔ)言，被稱為PLC的第一編程語(yǔ)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(yǔ)言是用梯形圖的圖形符號(hào)來(lái)描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。采用梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用因果關(guān)系來(lái)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(yǔ)言是最常用的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它來(lái)源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。

在工業(yè)過(guò)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(lái)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(yǔ)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(lái)說(shuō)，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(yǔ)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]。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。（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。（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。程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路PLC運(yùn)行時(shí)，通過(guò)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(guò)讀入0-41毫伏的模擬電壓量送入PLC；經(jīng)過(guò)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。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。調(diào)用PID模塊這里用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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)程。若無(wú)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。PID指令向?qū)У倪\(yùn)用STEP7-Micro/WIN提供了PIDWizard（PID指令向?qū)В?，可以幫助用戶方便地生成一個(gè)閉環(huán)控制過(guò)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?，就可以完成PID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)?。從而使得程序?jiǎn)單易懂，同時(shí)也達(dá)到了控制要求?；诮M態(tài)王的HMI設(shè)計(jì)隨著自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來(lái)越強(qiáng)大，控制過(guò)程也變得越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。人機(jī)界面（HMIHumanMachineInterface）以其過(guò)程可視化、操作員對(duì)操作過(guò)程可方便的控制等顯著特點(diǎn)，很好的滿足了這種需求而得到廣泛的應(yīng)用。工業(yè)HMI又稱觸摸屏監(jiān)控器，是一種智能化操作控制顯示裝置。它一般與PLC等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過(guò)輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互。HMI的主要功能有：數(shù)據(jù)的輸入與顯示；系統(tǒng)或設(shè)備的操作狀態(tài)方面的實(shí)時(shí)信息顯示；報(bào)警處理及打??；數(shù)據(jù)歸檔和報(bào)表系統(tǒng)。此外，新一代工業(yè)人機(jī)界面還具有簡(jiǎn)單的編程、對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、數(shù)據(jù)登錄及配方等智能化控制功能[19]。人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì)HMI監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應(yīng)的功能子畫面組成，HMI畫面設(shè)計(jì)對(duì)于HMI來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的。HMI畫面是用組態(tài)軟件來(lái)做的，常見的組態(tài)軟件有西門子公司的Wincc、羅克韋爾公司的RsView及國(guó)產(chǎn)的組態(tài)王、力控等。在本溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選擇了組態(tài)王來(lái)完成監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。組態(tài)王和其他組態(tài)軟件相比最大的優(yōu)勢(shì)是它操作方便，提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語(yǔ)言支持，對(duì)于新手來(lái)說(shuō)很容易上手。我們從北京亞控公司的主頁(yè)上下載了組態(tài)王6.5.3演示版，安裝好以后。雙擊桌面圖標(biāo)，打開工程管理器，建立工程。如圖5-1所示，最下面的一行是我們新建的工程，工程名稱為“組態(tài)王”。雙擊工程管理器中的工程名，出現(xiàn)工程瀏覽器。在工程瀏覽器中，雙擊新建圖標(biāo)，新建畫面。在這里我們制作了監(jiān)控主界面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線、報(bào)警窗口等畫面。監(jiān)控主界面打開開發(fā)系統(tǒng)頁(yè)面后，點(diǎn)擊“圖庫(kù)”，打開圖庫(kù)管理器，把開關(guān)、溫度儀表、鬧鐘直接拖進(jìn)開發(fā)頁(yè)面，再利用工具箱做好“開始”和“停止”按鈕以及溫度顯示、設(shè)定畫面、報(bào)警窗口等按鈕。完整的主界面如圖所示。運(yùn)行組態(tài)王后，點(diǎn)擊“開始”按鈕，開關(guān)變綠色，系統(tǒng)開始運(yùn)行，目前溫度值下面的方框和儀表上都顯示當(dāng)前溫度值，鬧鐘上顯示當(dāng)前日期。點(diǎn)擊“設(shè)定畫面”會(huì)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定畫面，點(diǎn)擊“報(bào)警窗口”會(huì)進(jìn)入報(bào)警畫面，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線也是一樣。點(diǎn)擊“停止”按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束，同時(shí)開關(guān)變紅色。圖5-1主界面實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線打開開發(fā)系統(tǒng)頁(yè)面后，點(diǎn)擊工具箱中的“實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線”把實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線放進(jìn)開發(fā)頁(yè)面，然后雙擊曲線畫面，對(duì)曲線進(jìn)行設(shè)置，如X軸和Y軸的設(shè)置及標(biāo)示定義等，最后利用工具箱做好“返回主界面”按鈕，即可形成如圖5-4所示的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線畫面。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線會(huì)顯示當(dāng)前溫度值的變化趨勢(shì)和設(shè)定溫度值。點(diǎn)擊“返回主界面”按鈕，就會(huì)回到主界面。歷史趨勢(shì)曲線打開開發(fā)系統(tǒng)頁(yè)面后，點(diǎn)擊“圖庫(kù)”，打開圖庫(kù)管理器，雙擊“歷史曲線”把它放進(jìn)開發(fā)頁(yè)面，再雙擊歷史趨勢(shì)曲線畫面，對(duì)曲線進(jìn)行設(shè)置，包括曲線定義，坐標(biāo)系，操作面板和安全屬性等設(shè)置，最后利用工具箱做好“返回主界面”按鈕，即可形成歷史趨勢(shì)曲線畫面。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，畫面上會(huì)記錄某段時(shí)間內(nèi)設(shè)定溫度值和當(dāng)前溫度值的變化曲線。點(diǎn)擊“返回主界面”按鈕，就會(huì)回到主界面。報(bào)警窗口打開開發(fā)系統(tǒng)頁(yè)面后，點(diǎn)擊工具箱中的“報(bào)警窗口”把報(bào)警窗口放進(jìn)開發(fā)頁(yè)面，然后雙擊畫面，對(duì)報(bào)警窗口進(jìn)行設(shè)置，包括通用屬性、列屬性、操作屬性、條件屬性、顏色和字體屬性的設(shè)置。最后利用工具箱做好“返回主界面”按鈕，即可形成報(bào)警窗口畫面。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，報(bào)警窗口會(huì)根據(jù)當(dāng)前溫度值做出適當(dāng)?shù)膱?bào)警。此項(xiàng)目中我們?cè)O(shè)置當(dāng)前溫度低于90度時(shí)，“報(bào)警類型”欄顯示當(dāng)前溫度偏低。當(dāng)前溫度超過(guò)105度時(shí)，“報(bào)警類型”欄顯示當(dāng)前溫度偏高。設(shè)定畫面設(shè)定畫面的設(shè)計(jì)和上面4個(gè)畫面類似，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)該畫面會(huì)顯示增益Kc、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td、采樣時(shí)間、設(shè)定溫度等參數(shù)的值，未運(yùn)行時(shí)和圖6-2基本一樣，只是沒有值顯示出來(lái)。變量設(shè)置打開工程瀏覽器，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)詞典”，再點(diǎn)擊“新建”建立“設(shè)定溫度”、“當(dāng)前溫度”、“啟動(dòng)”、“停止”、“Kc”、“Ti”、“Td”、“采樣時(shí)間”等變量。其中變量類型和寄存器是最關(guān)鍵的，在組態(tài)王和PLC之間傳輸?shù)淖兞慷际荌/O類型的，只在組態(tài)王內(nèi)部需要的是內(nèi)存型的。寄存器和數(shù)據(jù)類型要與程序中一致，否則組態(tài)王就不能起到監(jiān)控作用了。比如“設(shè)定穩(wěn)定”的寄存器為v68,數(shù)據(jù)類型為float?！爱?dāng)前穩(wěn)定”的寄存器為v60,數(shù)據(jù)類型為float。下面我們以當(dāng)前溫度設(shè)置為例來(lái)說(shuō)明變量設(shè)置的步驟和方法。首先打開“當(dāng)前溫度”基本屬性設(shè)置框，變量類型設(shè)置為I/O實(shí)數(shù)，連接設(shè)備為PLC，寄存器為v60，數(shù)據(jù)類型是float。再打開“當(dāng)前溫度”報(bào)警定義設(shè)置框，我們?cè)O(shè)置了當(dāng)前溫度低于60度時(shí)，報(bào)警當(dāng)前溫度太低。當(dāng)前溫度在60度到90之間時(shí)，報(bào)警當(dāng)前溫度偏低。當(dāng)前溫度大于105時(shí)，報(bào)警當(dāng)前溫度偏高。然后打開“當(dāng)前溫度”記錄和安全區(qū)設(shè)置框，我們?cè)O(shè)置“記錄”為數(shù)據(jù)變化記錄，變化靈敏度設(shè)為1.這個(gè)主要是為歷史趨勢(shì)曲線服務(wù)的，若不設(shè)置這個(gè)，往往歷史趨勢(shì)曲線就出不來(lái)或者效果很差。動(dòng)畫連接打開主界面，雙擊“開始”按鈕，出現(xiàn)動(dòng)畫連接畫面。在按下時(shí)左邊打溝，點(diǎn)擊“確定”，出現(xiàn)命令語(yǔ)言輸入窗口，在該窗口中輸入命令，再點(diǎn)擊“確定”，就完成了“開始”按鈕的動(dòng)畫連接設(shè)置。這樣，點(diǎn)擊“開始”后，系統(tǒng)就開始運(yùn)行，此按鈕就相當(dāng)于PLC硬件圖中的綠色啟動(dòng)開關(guān)?！巴Ｖ埂卑粹o的動(dòng)畫連接設(shè)置類似。打開主界面，雙擊目前溫度值下面的框，出現(xiàn)動(dòng)畫連接畫面。在模擬值輸出左邊打鉤，出現(xiàn)模擬值輸出連接畫面。點(diǎn)擊表達(dá)式框右邊的問(wèn)號(hào)，選擇變量“當(dāng)前溫度”。輸出格式中設(shè)置整數(shù)位數(shù)為2，小數(shù)位數(shù)為1，顯示格式設(shè)置為十進(jìn)制，最后點(diǎn)擊“確定”。這樣，變量“當(dāng)前溫度”的動(dòng)畫連接設(shè)置就完成了。打開主界面，雙擊“設(shè)定畫面”按鈕，出現(xiàn)動(dòng)畫連接畫面。在按下時(shí)左邊打溝，點(diǎn)擊“確定”，出現(xiàn)命令語(yǔ)言輸入窗口，在該窗口中輸入命令，再點(diǎn)擊“確定”，就完成了“設(shè)定畫面”按鈕的動(dòng)畫連接設(shè)置。運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)擊主界面中的“設(shè)定畫面”就可以進(jìn)入設(shè)定畫面了。其他按鈕的動(dòng)畫連接方法和“開始”按鈕類似，只是輸入的命令稍有不同。到這里，整個(gè)人機(jī)界面（HMI）就完成了。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及分析完成了PLC程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)之后，進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試階段。首先在STEP7-Micro/Win編程軟件中將設(shè)計(jì)好的程序下載到PLC中，然后打開組態(tài)王，切換到運(yùn)行模式。系統(tǒng)運(yùn)行打開主界面，點(diǎn)擊“開始”按鈕，則開關(guān)變綠色，系統(tǒng)開始運(yùn)行，目前溫度值開始有數(shù)據(jù)顯示，溫度儀表上也顯示了當(dāng)前溫度值。圖6-1是當(dāng)前溫度為100.1度時(shí)的主界面。其中設(shè)定溫度為100度。圖6-1系統(tǒng)運(yùn)行—主界面打開主界面，點(diǎn)擊“設(shè)定畫面”按鈕，則切換到設(shè)定畫面。增益Kc、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間T