基于PLC溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文PAGEPAGEIII沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文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。本論文主要介紹了基于西門(mén)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)王AbstractProgrammableLogicController(PLC)isakindofautomaticcontrolequipmentwhichiswidelyusedintheindustrialmanufacture.Itmergesthetraditionalcontroltechnology,computerandcommunicationtechnologieswithastrongabilitytocontrol,flexibleoperation,highreliabilityandsuitableforlong-termcharacteristicsofcontinuouswork.Itisverysuitablefortemperaturecontrolrequirements.Intheindustrialfield,withtherapidincreaseinthedegreeofautomation,itismoreandmoreimportanttomonitortheprocessofcontrolsystemfortheusers.Theemergenceofhuman-machineinterfacemeetstheneedsofusers.Man-machineinterfacecancomprehensivelymonitorthecontrolsystem,includingprocessmonitoring,alarm,dataloggingandotherfunctions,sothatthecontrolsystemshavebecomeuser-friendlyoperation,theprocessofvisualizationanditwillplaymoreandmoreimportantpartinthefieldofautomaticcontrol.ThesismainlyintroducesadesignoftemperaturecontrolsystemwithSIMATICprogrammablelogiccontroller(PLC)andconfigurationsoftwareKingviewwhichisdevelopedbyBeijingYakongCompany.Whenprogramming,weusethePIDcontrolarithmeticsoftwaremodulewhichiscontainedintheprogramsoftwareSTEP7-MicroWINsothattheprogramlookseasierandoperatesmorequickly.Inordertomonitorthecontrolsystemandprocessdatainactualtime,wedesignedHumanMachineInterface（HMI）withtheconfigurationsoftwareKingview.Theresultofexperimentprovesthatthistemperaturecontrolsystemcouldrunquickly,accuratelyandhavegoodstability,whichistheadvantageofthecontrolsystem.Thiscontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrialtemperaturecontrolfield.

Withthecontinuousdevelopmentofautomaticscienceandtechnology,high-precision,intelligent,user-friendlytemperaturecontrolsystemistheinevitabletrendofdevelopmentathomeandabroad.Keywords：TemperatureControl；PLC；HMI；Kingview目錄TOC\o"1-3"\u1緒論 11.1項(xiàng)目背景、意義 11.2溫控系統(tǒng)的現(xiàn)狀 21.3項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容 32PLC和HMI基礎(chǔ) 52.1可編程控制器基礎(chǔ) 52.1.1可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用 52.1.2可編程控制器的組成和工作原理 52.1.3可編程控制器的分類(lèi)及特點(diǎn) 82.2人機(jī)界面基礎(chǔ) 82.2.1人機(jī)界面的定義 82.2.2人機(jī)界面產(chǎn)品的組成及工作原理 82.2.3人機(jī)界面產(chǎn)品的特點(diǎn) 93 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 103.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 103.1.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 103.1.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 113.2PLC的選型與硬件配置 133.2.1PLC型號(hào)的選擇 133.2.2S7-200CPU的選擇 133.2.3熱電式傳感器 143.2.4TAC16P系列單相調(diào)功/調(diào)壓電力調(diào)整器 153.3I/O點(diǎn)分配及電氣接線圖 163.4PLC控制器的設(shè)計(jì) 183.4.1控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 183.4.2PID控制及參數(shù)整定 194PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 224.1PLC程序設(shè)計(jì)方法 224.2編程軟件STEP7--Micro/WIN概述 234.2.1STEP7-Micro/WIN簡(jiǎn)單介紹 234.2.2梯形圖語(yǔ)言特點(diǎn) 244.2.3STEP7-Micro/WIN參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置） 254.3程序設(shè)計(jì) 274.3.1設(shè)計(jì)思路 274.3.2梯形圖程序 284.3.3PID指令向?qū)У倪\(yùn)用 304.3.4語(yǔ)句表（STL）程序 345基于組態(tài)王的HMI設(shè)計(jì) 365.1人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì) 365.1.1主界面 375.1.2實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線 385.1.3報(bào)警窗口 395.2變量設(shè)置 405.3動(dòng)畫(huà)連接 416系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析 436.1系統(tǒng)運(yùn)行 436.2運(yùn)行結(jié)果分析 43結(jié)論 44致謝 45參考文獻(xiàn) 46附錄A 47附錄B 63PAGE11緒論1.1項(xiàng)目背景、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(wèn)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(lái)，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(lái)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?，F(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(lái)越重要的作用，尤其適合溫度控制的要求。此外，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，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（HMI）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，包括參數(shù)監(jiān)測(cè)、信息處理、在線優(yōu)化、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單易懂、操作人性化，深受廣大用戶的喜歡。人機(jī)界面（HMI）在自動(dòng)控制領(lǐng)域的作用日益顯著。HMI正在成為引導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)制造走向成功的重要因素，因?yàn)檫@些系統(tǒng)越來(lái)越多的用于監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，讓過(guò)程變得更加準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔和快速。HMI其實(shí)廣義的解釋就是“使用者與機(jī)器間溝通、傳達(dá)及接收信息的一個(gè)接口”。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，在一座工廠里頭，我們要搜集工廠各個(gè)區(qū)域的溫度、濕度以及工廠中機(jī)器的狀態(tài)等等的信息透過(guò)一臺(tái)主控器監(jiān)視并記錄這些參數(shù)，并在一些意外狀況發(fā)生的時(shí)候能夠加以處理。這便是一個(gè)很典型的SCADA/HMI的運(yùn)用，一般而言，HMI系統(tǒng)必須有幾項(xiàng)基本的能力：

實(shí)時(shí)的資料趨勢(shì)顯示——把擷取的資料立即顯示在屏幕上。

自動(dòng)記錄資料——自動(dòng)將資料儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便日后查看。

歷史資料趨勢(shì)顯示——把數(shù)據(jù)庫(kù)中的資料作可視化的呈現(xiàn)。

報(bào)表的產(chǎn)生與打印——能把資料轉(zhuǎn)換成報(bào)表的格式，并能夠打印出來(lái)。

圖形接口控制——操作者能夠透過(guò)圖形接口直接控制機(jī)臺(tái)等裝置。

警報(bào)的產(chǎn)生與記錄——使用者可以定義一些警報(bào)產(chǎn)生的條件。

比方說(shuō)溫度過(guò)度或壓力超過(guò)臨界值，在這樣的條件下系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生警報(bào)，通知作業(yè)員處理[1]。1.2溫控系統(tǒng)的現(xiàn)狀自70年代以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)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(guò)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(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(kāi)發(fā)工作的滯后，還沒(méi)開(kāi)發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)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(guò)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(lái)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項(xiàng)目研究?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(lái)PLC技術(shù)在我國(guó)將得到更全面的推廣和應(yīng)用。研究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。通過(guò)德國(guó)西門(mén)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(guò)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。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(guò)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?？傮w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。全論文分六章，各章的主要內(nèi)容說(shuō)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和人機(jī)界面的基本概念以及結(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，詳細(xì)介紹了如何在亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”的基礎(chǔ)上進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。第六章，展示了系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，然后對(duì)其進(jìn)行分析。2PLC和HMI基礎(chǔ)2.1可編程控制器基礎(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(chēng)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。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(kāi)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(chē)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(kāi)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(chē)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(chē)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(chē)、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通?？煞譃殚_(kāi)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]。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(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輸出接口電源存儲(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(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)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(xiě)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(lèi)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(zhuān)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(lèi)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(jiàn)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(zhuān)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(lèi)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(kāi)，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(lèi)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(lèi)。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(lèi)，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(lèi):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]。2.2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。2.2.1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(pán)、鼠標(biāo)等）寫(xiě)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。2.2.2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(huà)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。2.2.3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?？蓮谋O(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)加熱功率超出上下限時(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。3PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1PLC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。3.1.1PLC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)?？捎迷撓到y(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(kāi)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)型的選擇硬件連線程序設(shè)計(jì)聯(lián)機(jī)調(diào)試PLC安裝連接程序檢查、調(diào)試控制流程的設(shè)計(jì)程序備份修改軟、硬件投入使用是否滿足要求圖3.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟3.1.2PLC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(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi)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(chēng)及功能等。(4)繪制PLC外圍硬件線路圖。畫(huà)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、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(shū)等[10]。3.2PLC的選型與硬件配置3.2.1PLC型號(hào)的選擇溫度控制系統(tǒng)選擇德國(guó)西門(mén)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]。完整的S7-200系列PLC實(shí)物如圖3.2所示。圖3.2S7-200系列PLC實(shí)物圖3.2.2S7-200CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類(lèi)型。系統(tǒng)選用S7-200CPU224XPCN，CPU224XPCN集成了14點(diǎn)輸入/10點(diǎn)輸出，共有24個(gè)數(shù)字量I/O。2輸入/1輸出共3個(gè)模擬量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展值至256路數(shù)字量I/O點(diǎn)(128輸入/128輸出)或64路模擬量I/O點(diǎn)(32輸入/32輸出)。20K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)器（最高100KHz），2個(gè)100KHz的高速脈沖輸出，2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。本機(jī)還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量I/O，位控特性，自整定PID功能，線性斜坡脈沖指令，診斷LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等。是具有模擬量I/O和強(qiáng)大控制能力的新型CPU。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(lèi)型，是因?yàn)镃PU224XP集成模擬量輸入與輸出，所以選擇CPU224XPCN。3.2.3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。系統(tǒng)中需要用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，且烤箱的溫度最高達(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(lèi)型，在本系統(tǒng)中，我們選用了K型熱電偶（分度表如表3-1所示），其測(cè)溫范圍大約是0～800℃。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]。表3-1K型熱電偶分度表T/℃010203040506070809000.000.400.801.201.612.022.442.853.273.681004.104.514.925.385.736.146.546.947.347.792008.148.548.949.349.7510.1510.5610.9711.3811.7930012.2112.6213.0413.4513.8714.2914.7115.1315.5515.9840016.3916.8217.2417.6718.1018.5618.9419.3719.7920.2250020.6421.0721.5021.9222.3522.7723.2023.6324.0624.4860024.9125.3325.7526.1826.6027.0327.4527.8728.2928.7170029.1329.5529.9730.3830.8031.2131.6332.0432.4532.8780033.2833.6934.0934.5034.9135.3135.7236.1236.5236.933.2.4TAC16P系列單相調(diào)功/調(diào)壓電力調(diào)整器TAC16P是大功率固態(tài)電力模塊應(yīng)用技術(shù)的新產(chǎn)品。它集單相調(diào)壓/調(diào)功方式為一體，采用鎖相環(huán)同步電路、帶上電緩啟動(dòng)、緩關(guān)斷、散熱器超溫、電流限制、過(guò)流保護(hù)，適用于電阻性負(fù)載和感性負(fù)載。他的控制輸入為0-10VDC輸入，正好與系統(tǒng)中的0-10VDC電壓信號(hào)相匹配，所以選用TAC16P系列單相調(diào)功/調(diào)壓電力調(diào)整器作為系統(tǒng)的調(diào)壓模塊，改變電壓，來(lái)控制烤箱的加熱功率。圖3.3為T(mén)AC16P系列單相調(diào)功/調(diào)壓電力調(diào)整器的接線圖。圖3.3TAC16P接線圖（自動(dòng)控制）3.3I/O點(diǎn)分配及電氣接線圖溫度控制系統(tǒng)中I/O點(diǎn)分配表如表3.4所示。表3-2I/O點(diǎn)分配表符號(hào)地址注釋符號(hào)地址注釋外部啟動(dòng)按鈕I0.0外部按鈕操作內(nèi)部啟動(dòng)按鈕M0.0上位機(jī)操作外部停止按鈕I0.1外部按鈕操作內(nèi)部停止按鈕M0.1上位機(jī)操作resI0.2resM0.2Res1I0.3Res1M0.3Res2I0.4Res2M0.4Res3I0.5Res3M0.5Res4I0.6Res4M0.6Res5I0.7Res5M0.7系統(tǒng)狀態(tài)指示M1.0加熱功率上限報(bào)警Q0.0系統(tǒng)報(bào)警指示M1.1加熱功率下限報(bào)警Q0.1聲光報(bào)警輸出Q0.2SVVD0設(shè)定值resQ0.3PVVD4反饋值res1Q0.4AIW0熱電偶通道res2Q0.5AQW0PID調(diào)節(jié)輸出Plc指示燈Q0.6res4Q0.72)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及硬件連接圖。系統(tǒng)選用PLCCPU224XPCN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)溫度變送器轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)并送到PLC的模擬輸入端子中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出模擬量，通過(guò)調(diào)壓模塊控制烤箱加熱來(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。電氣接線圖如圖3.4所示，系統(tǒng)框架圖如圖3.5所示。圖3.4電氣接線圖計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)PLC溫度變送器調(diào)壓模塊熱電偶烤箱圖3.5系統(tǒng)框架圖3.4PLC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。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，熱電偶將檢測(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)工況下的調(diào)壓模塊直接調(diào)節(jié)加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子的溫度控制。結(jié)構(gòu)圖如圖3.6、3.7所示。數(shù)字控制器數(shù)字控制器D/A轉(zhuǎn)換器執(zhí)行機(jī)構(gòu)烤箱PLCW+-傳感器采樣/A/D轉(zhuǎn)換圖3.6控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖數(shù)字控制器數(shù)字控制器PLCW+-TTy圖3.7控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Gc(s)Gc(s)Go(s)R(s)E(s)TTU(s)Y(s)+-圖3.8控制系統(tǒng)方框圖圖3.8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QUOTEGs=K0T0s+1e-τs式3-1中，K為對(duì)象放大系數(shù)；T為對(duì)象時(shí)間常數(shù)；為對(duì)象時(shí)滯。3.4.2PID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（3-2）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(lèi)，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(lèi)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。工程整定法是在理論的基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的。這些方法通過(guò)并不復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，便能迅速獲得調(diào)節(jié)器的近似最佳整定參數(shù)，因而在工程中得到廣泛應(yīng)用。常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)法、臨界比例度法、衰減曲線法、階躍曲線法、自整定法等。由于受控工業(yè)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型因工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不確定因素而難以準(zhǔn)確描述工程控制要求又常常很苛刻和矛盾，如既要要求受控過(guò)程是穩(wěn)定的對(duì)給定的變化能迅速和光滑地跟蹤，超調(diào)量要??；同時(shí)又要求在不同干擾條件下系統(tǒng)輸出不但能保持在指定值，而且控制練的變化不宜過(guò)大，在系統(tǒng)有環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)應(yīng)保持控制穩(wěn)定等等?；诖?，在選擇算法參數(shù)時(shí)，既必須根據(jù)具體的控制要求以滿足主要方面并兼顧其他，又必須根據(jù)P、I和D參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的控制作用為指導(dǎo)合理地現(xiàn)場(chǎng)調(diào)解PID參數(shù)。在這里，采用了階躍曲線法來(lái)征訂控制器的參數(shù)值。表3-3階躍曲線法確定PID參數(shù)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)P1/PI0.8/3PID1.2/20.42圖3.9烤箱的溫度曲線(3.3)由表3-3得： (3.4)通過(guò)階躍曲線數(shù)法整定，PID控制器整定參數(shù)值為：=1.78=5.78=0.1374PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1PLC程序設(shè)計(jì)方法編寫(xiě)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(huà)圖進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)。常見(jiàn)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(chēng)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(huà)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(huà)出對(duì)應(yīng)的控制任務(wù)的程序框圖，最后把框圖寫(xiě)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]。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(mén)子公司專(zhuān)為S7-200系列可編程控制器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開(kāi)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(mén)子S7-200用戶不可缺少的開(kāi)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。操作主界面如圖4.1所示。4.2.1STEP7-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(kāi)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(shù)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(shù)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(xiě)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)。圖4.1編程軟件STEP7--Micro/WIN主界面4.2.2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(chēng)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(kāi)關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱(chēng)為電路或程序，梯形圖的設(shè)計(jì)稱(chēng)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]。4.2.3STEP7-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4.3PG/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(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(kāi)始溫度采樣，采樣周期為1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）；通過(guò)溫度變送器轉(zhuǎn)化為模擬量0到10V的電壓信號(hào)；進(jìn)入PLC的AIW0第一路模擬量輸入通道。下面是控制程序流程圖4.5啟動(dòng)啟動(dòng)綠燈亮，系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)用PID模塊調(diào)壓模塊改變電壓溫度當(dāng)前值和設(shè)定值等顯示開(kāi)始圖4.5程序流程圖4.3.2梯形圖程序這里用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（4-1）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]。4.3.3PID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(kāi)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。首先打開(kāi)“指令向?qū)А保x擇“PID”，如圖4.6所示。圖4.6配置PID指令圖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=1，積分時(shí)間為1分鐘，微分時(shí)間為0分鐘，采樣時(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4.8PID參數(shù)設(shè)置圖4.9環(huán)路輸入、輸出設(shè)置圖4.10設(shè)置報(bào)警功能設(shè)置好以上所有步驟后，接下來(lái)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4.11為PID配置分配內(nèi)存圖4.12創(chuàng)建初始化子例行程序圖4.13為配置生成項(xiàng)目元件4.3.4語(yǔ)句表（STL）程序下面是STL程序，它可以和梯形圖程序相互轉(zhuǎn)換。5基于組態(tài)王的HMI設(shè)計(jì)5.1人機(jī)界面（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(chēng)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(pán)、鼠標(biāo)等）寫(xiě)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?。粩?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]。HMI監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫(huà)面及相應(yīng)的功能子畫(huà)面組成，HMI畫(huà)面設(shè)計(jì)對(duì)于HMI來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的。HMI畫(huà)面是用組態(tài)軟件來(lái)做的，常見(jiàn)的組態(tài)軟件有西門(mén)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，選擇了組態(tài)王來(lái)完成監(jiān)控畫(huà)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。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(kāi)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(chēng)為“PID溫控”。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(huà)面（如圖5.2所示）。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(huà)面。下面介紹每個(gè)畫(huà)面的設(shè)計(jì)方法。圖5.1新建工程圖5.2新建畫(huà)面5.1.1主界面打開(kāi)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)頁(yè)面后，點(diǎn)擊“圖庫(kù)”，打開(kāi)圖庫(kù)管理器，把開(kāi)關(guān)、溫度儀表、鬧鐘直接拖進(jìn)開(kāi)發(fā)頁(yè)面，再利用工具箱做好“開(kāi)始”和“停止”按鈕以及溫度顯示、設(shè)定畫(huà)面、報(bào)警窗口等按鈕。完整的主界面如圖5.3所示。運(yùn)行組態(tài)王后，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，開(kāi)關(guān)變綠色，系統(tǒng)開(kāi)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。點(diǎn)擊“設(shè)定畫(huà)面”會(huì)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定畫(huà)面，點(diǎn)擊“報(bào)警窗口”會(huì)進(jìn)入報(bào)警畫(huà)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(kāi)關(guān)變紅色。圖5.3主界面5.1.2實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線打開(kāi)開(kāi)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(kāi)發(fā)頁(yè)面，然后雙擊曲線畫(huà)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“F1”按鈕，即可形成如圖5.4所示的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線畫(huà)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“F1”按鈕，就會(huì)回到主界面。圖5.4實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線5.1.3報(bào)警窗口打開(kāi)開(kāi)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(kāi)發(fā)頁(yè)面，然后雙擊畫(huà)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，即可形成如圖5.5所示的報(bào)警窗口畫(huà)面。圖5.5報(bào)警窗口5.2變量設(shè)置打開(kāi)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”、“Kp”、“Ti”、“Td”、“采樣時(shí)間”等變量。其中變量類(lèi)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(lèi)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(lèi)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v0,數(shù)據(jù)類(lèi)型為float。“當(dāng)前穩(wěn)定”的寄存器為v4,數(shù)據(jù)類(lèi)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。圖5.7為變量“當(dāng)前溫度”基本屬性設(shè)置圖，變量類(lèi)型設(shè)置為I/O實(shí)數(shù)，連接設(shè)備為PLC，寄存器為v4，數(shù)據(jù)類(lèi)型是float。圖5.6當(dāng)前溫度PV基本屬性設(shè)置圖5-7為變量“當(dāng)前溫度”報(bào)警定義設(shè)置圖，我們?cè)O(shè)置了當(dāng)前溫度低于10度時(shí)，報(bào)警當(dāng)前溫度太低。當(dāng)前溫度在10度到30度之間時(shí)，報(bào)警當(dāng)前溫度偏低。當(dāng)前溫度大于65度時(shí)，報(bào)警當(dāng)前溫度偏高。圖5.7當(dāng)前溫度報(bào)警定義設(shè)置5.3動(dòng)畫(huà)連接打開(kāi)操作界面，雙擊“開(kāi)始”按鈕，出現(xiàn)如圖5.8的動(dòng)畫(huà)連接畫(huà)面。在按下時(shí)、彈起時(shí)左邊打溝，點(diǎn)擊變量名右邊的問(wèn)號(hào)，選擇變量“啟動(dòng)按鈕”這樣，點(diǎn)擊“開(kāi)始”后，系統(tǒng)就開(kāi)始運(yùn)行，此按鈕就相當(dāng)于PLC硬件圖中的綠色啟動(dòng)開(kāi)關(guān)?！巴Ｖ埂卑粹o的動(dòng)畫(huà)連接設(shè)置類(lèi)似。圖5.8動(dòng)畫(huà)連接圖5.9動(dòng)畫(huà)連接打開(kāi)操作界面，雙擊當(dāng)前溫度值下面的框，出現(xiàn)如圖5.9所示的動(dòng)畫(huà)連接畫(huà)面。在模擬值輸出左邊打鉤，出現(xiàn)模擬值輸出連接畫(huà)面。點(diǎn)擊表達(dá)式框右邊的問(wèn)號(hào)，選擇變量“PV”。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(huà)連接設(shè)置就完成了。到這里，整個(gè)人機(jī)界面（HMI）就完成了。6系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析完成了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(kāi)組態(tài)王，切換到運(yùn)行模式。6.1系統(tǒng)運(yùn)行打開(kāi)主界面，點(diǎn)“參數(shù)設(shè)定”按鈕，則切換到參數(shù)設(shè)定畫(huà)面。增益Kp、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td、采樣時(shí)間、設(shè)定溫度這幾個(gè)變量的值也顯示在畫(huà)面上。本項(xiàng)目編寫(xiě)程序時(shí)用了PID指令向?qū)?，Kp設(shè)置了，Ti設(shè)置了分鐘，Td設(shè)置了分鐘，則設(shè)定畫(huà)面上也是現(xiàn)實(shí)同樣的數(shù)據(jù)。然后按F1鍵則返回到主界面，然后點(diǎn)擊“操作界面”按鈕，則切換到操作界面畫(huà)面，如圖6.1所示。6.2運(yùn)行結(jié)果分析在操作界面，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，則系統(tǒng)狀態(tài)指示燈變?yōu)榫G色，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，當(dāng)前溫度開(kāi)始有數(shù)據(jù)顯示。實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線中紅色曲線表示設(shè)定溫度，綠色曲線表示當(dāng)前溫度。由實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線圖可知，系統(tǒng)運(yùn)行后當(dāng)前溫度快速上升到55度，然后稍微緩慢上升到65度左右，最后下降到60度左右穩(wěn)定下來(lái)。其中，當(dāng)前溫度值最大為65.5度，穩(wěn)定后在59.3度到60.5度之間，與設(shè)定溫度極為接近。圖6.1是當(dāng)前溫度為59.4度時(shí)的操作界面。圖6.1系統(tǒng)運(yùn)行-操作界面結(jié)論P(yáng)LC（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。組態(tài)軟件組態(tài)王因其簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，在HMI設(shè)計(jì)中深受用戶的喜歡而得到廣泛的使用。在西門(mén)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(xiě)PID控制子程序的話，控制效果可能會(huì)更好。還有人機(jī)界面內(nèi)容不夠豐富，若再加上報(bào)表系統(tǒng)、打印功能的話，那就更完美了。致謝歷時(shí)三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)告一段落。經(jīng)過(guò)楊老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助以及自己不斷的搜索努力，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。在這段時(shí)間里，楊青導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的治學(xué)風(fēng)范，一絲不茍的學(xué)術(shù)鉆研精神，真誠(chéng)正直的為人態(tài)度，淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，以及虛懷若谷的求學(xué)精神無(wú)比讓我終生難忘。楊老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和熱忱的工作作風(fēng)令我十分欽佩，他的指導(dǎo)使我受益匪淺。在此對(duì)楊青老師表示深深的感謝。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深刻地認(rèn)識(shí)到學(xué)好專(zhuān)業(yè)知識(shí)的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，并且檢驗(yàn)了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對(duì)于知識(shí)的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個(gè)月的設(shè)計(jì)是對(duì)以往所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過(guò)程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。激勵(lì)我在以后的學(xué)習(xí)中更加努力。參考文獻(xiàn)[1]郁漢琪.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].中國(guó)電力出版社，2004[2]努爾哈孜·朱瑪力.\o"可編程序控制器在電爐溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用的研究相似度41%"可編程序控制器在電爐溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用的研究[M].新疆大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,13(2):267-268[3]黃柱深，黃超麟.基于PLC的高精度溫度控制系統(tǒng)[M].機(jī)電工程技術(shù),2006，10(2)：123-125[4]ChotaiA,YoungP.C.,BehzadiM.A..Self-adaptivedesignofanonlineartemperaturecontrolsystem.IEEProceedingsofControlTheoryandApplications,2002,1(138):41-49[5]高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)實(shí)例[M].人民郵電出版社，2004[6]趙燕.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].中國(guó)林業(yè)出版社，2006[7]李方園.人機(jī)界面設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2008[8]嚴(yán)盈富.觸摸屏與PLC入門(mén)[M].人民郵電出版社，2006[9]張揚(yáng).S7-200PLC原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007[10]付家才.PLC實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐[M].高等教育出版社，2006[11]劉繼修.PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].福建科技出版社，2007[12]徐亞飛，劉官敏，高國(guó)章.溫箱溫度PID與預(yù)測(cè)控制[M].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)交通科學(xué)與工程版，2004，28(4)：554-557[13]曾貴娥,邱麗,朱學(xué)峰.PID控制器參數(shù)整定方法的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[M].石油化工自動(dòng)化,HYPERLINK"/kns50/Navi/Bridge.aspx?DBCode=CJFD&LinkType=IssueLink&Field=BaseID*year*issue&TableName=