基于PLC溫度控制系統(tǒng)設計

沈陽理工大學學士學位論文PAGEPAGEIII沈陽理工大學學士學位論文摘要可編程控制器是一種應用很廣泛的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點，非常適合溫度控制的要求。在工業(yè)領域，隨著自動化程度的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，人機界面的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機界面可以對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，包括過程監(jiān)測、報警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得操作人性化、過程可視化，在自動控制領域的作用日益顯著。本論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)的設計方案。編程時調(diào)用了編程軟件STEP7-MicroWIN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡潔，運行速度更為理想。利用組態(tài)軟件組態(tài)王設計人機界面，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實時采樣與處理。實驗證明，此系統(tǒng)具有快、準、穩(wěn)等優(yōu)點，在工業(yè)溫度控制領域能夠廣泛應用。關鍵詞：溫度控制；可編程控制器；人機界面；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項目背景、意義 11.2溫控系統(tǒng)的現(xiàn)狀 21.3項目研究內(nèi)容 32PLC和HMI基礎 52.1可編程控制器基礎 52.1.1可編程控制器的產(chǎn)生和應用 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及特點 82.2人機界面基礎 82.2.1人機界面的定義 82.2.2人機界面產(chǎn)品的組成及工作原理 82.2.3人機界面產(chǎn)品的特點 93 PLC控制系統(tǒng)硬件設計 103.1PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟 103.1.1PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則 103.1.2PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟 113.2PLC的選型與硬件配置 133.2.1PLC型號的選擇 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點分配及電氣接線圖 163.4PLC控制器的設計 183.4.1控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立 183.4.2PID控制及參數(shù)整定 194PLC控制系統(tǒng)軟件設計 224.1PLC程序設計方法 224.2編程軟件STEP7--Micro/WIN概述 234.2.1STEP7-Micro/WIN簡單介紹 234.2.2梯形圖語言特點 244.2.3STEP7-Micro/WIN參數(shù)設置（通訊設置） 254.3程序設計 274.3.1設計思路 274.3.2梯形圖程序 284.3.3PID指令向?qū)У倪\用 304.3.4語句表（STL）程序 345基于組態(tài)王的HMI設計 365.1人機界面（HMI）設計 365.1.1主界面 375.1.2實時趨勢曲線 385.1.3報警窗口 395.2變量設置 405.3動畫連接 416系統(tǒng)運行結果分析 436.1系統(tǒng)運行 436.2運行結果分析 43結論 44致謝 45參考文獻 46附錄A 47附錄B 63PAGE11緒論1.1項目背景、意義溫度控制在電子、冶金、機械等工業(yè)領域應用非常廣泛。由于其具有工況復雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點，它對控制調(diào)節(jié)器要求極高。目前,仍有相當部分工業(yè)企業(yè)在用窯、爐等烘干生產(chǎn)線，存在著控制精度不高、爐內(nèi)溫度均勻性差等問題,達不到工藝要求，造成裝備運行成本費用高，產(chǎn)出品品質(zhì)低下，嚴重影響企業(yè)經(jīng)濟效益，急需技術改造。近年來，國內(nèi)外對溫度控制器的研究進行了廣泛、深入的研究，特別是隨著計算機技術的發(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、自適應控制等，其性能、控制效果好,可廣泛應用于溫度控制系統(tǒng)及企業(yè)相關設備的技術改造服務。在工業(yè)自動化領域內(nèi)，PLC（可編程控制器）

以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)的自動控制之中。目前的工業(yè)控制中，常常選用PLC

作為現(xiàn)場的控制設備，用于數(shù)據(jù)采集與處理、邏輯判斷、輸出控制；而上位機則是利用HMI

軟件來完成工業(yè)控制狀態(tài)、流程和參數(shù)的顯示,實現(xiàn)監(jiān)控、管理、分析和存儲等功能

。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了PLC

和計算機各自的特點，得到了廣泛的應用。在這種方式的基礎上設計了一套溫度控制系統(tǒng)。以基于PLC

的下位機和完成HMI功能的上位機相結合，構建成分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫度自動控制。PLC不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴展輸入輸出模塊，特別是可以擴展一些智能控制模塊，構成不同的控制系統(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、抗干擾能力強、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定受到普遍歡迎，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用，尤其適合溫度控制的要求。此外，隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，人機界面（HMI）的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機界面可以對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，包括參數(shù)監(jiān)測、信息處理、在線優(yōu)化、報警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得簡單易懂、操作人性化，深受廣大用戶的喜歡。人機界面（HMI）在自動控制領域的作用日益顯著。HMI正在成為引導工業(yè)生產(chǎn)制造走向成功的重要因素，因為這些系統(tǒng)越來越多的用于監(jiān)控生產(chǎn)過程，讓過程變得更加準確、簡潔和快速。HMI其實廣義的解釋就是“使用者與機器間溝通、傳達及接收信息的一個接口”。舉個例子來說，在一座工廠里頭，我們要搜集工廠各個區(qū)域的溫度、濕度以及工廠中機器的狀態(tài)等等的信息透過一臺主控器監(jiān)視并記錄這些參數(shù)，并在一些意外狀況發(fā)生的時候能夠加以處理。這便是一個很典型的SCADA/HMI的運用，一般而言，HMI系統(tǒng)必須有幾項基本的能力：

實時的資料趨勢顯示——把擷取的資料立即顯示在屏幕上。

自動記錄資料——自動將資料儲存至數(shù)據(jù)庫中，以便日后查看。

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

報表的產(chǎn)生與打印——能把資料轉換成報表的格式，并能夠打印出來。

圖形接口控制——操作者能夠透過圖形接口直接控制機臺等裝置。

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

比方說溫度過度或壓力超過臨界值，在這樣的條件下系統(tǒng)會產(chǎn)生警報，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，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在職能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，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)廣泛應用[2]。它們主要具有如下特點：1)適應于大慣性、大滯后等復雜溫度控制系統(tǒng)的控制。2)能適應于受控系統(tǒng)數(shù)學模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。3)能適應于受控系統(tǒng)過程復雜、參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)的控制。4)這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工職能等理論及計算機技術，運用先進的算法，適應的范圍廣泛。5)溫度控制器普遍具有參數(shù)自整定功能。借助計算機軟件技術，溫控器具有對控制參數(shù)及特性進行自動整定的功能。有的還具有自學習功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調(diào)整相關控制參數(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、魯棒性好的特點。目前，國外溫度控制系統(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)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體水平處于20世紀80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術還不十分成熟。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，但由于國外技術保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及我國現(xiàn)場調(diào)試來確定。這些差距，是我們必須努力克服的。隨著我國加入WTO，我國政府及企業(yè)對此非常重視，對相關企業(yè)資源進行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過合資、技術合作等方式，組建了一批合資、合作及獨資企業(yè)，使我國溫度儀表等工業(yè)得到迅速的發(fā)展[4]。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對溫度控制系統(tǒng)的要求愈來愈高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國內(nèi)外必然發(fā)展趨勢。1.3項目研究內(nèi)容可編程控制器(PLC)是集計算機技術、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域，并已成為工業(yè)自動化的三大支柱(PLC、工業(yè)機器人、CAD/CAM)之一。PLC的應用已成為一個世界潮流，在不久的將來PLC技術在我國將得到更全面的推廣和應用。研究PLC技術在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設計、程序設計，控制對象數(shù)學模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定，人機界面的設計等。通過德國西門子公司的S7-200系列PLC控制器，溫度傳感器將檢測到的實際爐溫轉化為電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉換成數(shù)字量信號并送到PLC中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實現(xiàn)對爐子溫度的控制。同時利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設計一個人機界面（HMI），通過串行口與可編程控制器通信，對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便?？傮w上包括的技術路線：硬件設計，軟件編程，參數(shù)整定等。全論文分六章，各章的主要內(nèi)容說明如下。第一章，對溫度控制系統(tǒng)應用的背景及國內(nèi)外的發(fā)展狀況進行了闡述，指出了本文的研究意義所在。第二章，簡單概述了PLC和人機界面的基本概念以及結構功能等基礎內(nèi)容。第三章，主要從系統(tǒng)設計結構和硬件設計角度,介紹該項目的PLC控制系統(tǒng)設計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設計以及PLC控制器的設計和參數(shù)的整定。第四章，在硬件設計的基礎上，詳細介紹了本項目軟件設計，主要包括軟件設計的基本步驟、方法，編程軟件STEP7--Micro/WIN的介紹以及本項目程序設計。第五章，詳細介紹了如何在亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”的基礎上進行人機界面的設計。第六章，展示了系統(tǒng)運行結果，然后對其進行分析。2PLC和HMI基礎2.1可編程控制器基礎可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計算機，簡稱PLC（ProgrammableLogicController），它使用了可編程序的記憶以存儲指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機械或生產(chǎn)過程。2.1.1可編程控制器的產(chǎn)生和應用20世紀60年代，計算機技術開始應用于工業(yè)領域，由于價格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領域獲得推廣。1968年，美國通用汽車公司（GM）為了適應生產(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具備的十大條件，立即引發(fā)了開發(fā)熱潮。1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項技術迅速發(fā)展起來。隨著PLC功能的不斷完善，性價比的不斷提高，PLC的應用面也越來越廣。目前，PLC在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。PLC的應用范圍通?？煞譃殚_關邏輯控制、運動控制、過程控制、機械加工中的數(shù)字控制、機器人控制、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，但在邏輯結構上基本相同。無論是整體式還是模塊式，從硬件結構看，PLC都是由CPU、存儲器、I/O接口單元及擴展接口和擴展部件、外設接口及外設和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。PLC的基本結構如圖2-1所示：輸輸入接口中央處理單元CPU輸出接口電源存儲單元圖2-1PLC基本結構圖1、CPU（中央處理器）CPU是PLC的核心，由運算器、控制器、寄存器、系統(tǒng)總線，外圍芯片、總線接口及有關電路構成。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)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等，是PLC不可缺少的組成單元。主要功能包括以下幾個方面。（1）接收從編程器或者計算機輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲器存儲。（2）監(jiān)視電源、PLC內(nèi)部各個單元電路的工作狀態(tài)。（3）診斷編程過程中的語法錯誤，對用戶程序進行編譯。（4）在PLC進入運行狀態(tài)后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。（5）采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。（6）按程序進行處理，根據(jù)運算結果，更新有關標志位的狀態(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)寄存器的有關內(nèi)容，將結果送到輸出接口。（8）響應中斷和各種外圍設備（如編程器、打印機等）的任務處理請求。2、I/O接口PLC是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點數(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狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。PLC的對外功能主要是通過各種I/O接口模塊于外界聯(lián)系來實現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是PLC與現(xiàn)場I/O裝置或設備之間的連接部件，起著PLC與外部設備之間的傳遞信息的作用。I/O模塊分為開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。3、存儲器存儲器（內(nèi)存）主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。系統(tǒng)程序存儲器用于存儲整個系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲器（ROM），具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲器用于存儲用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設計的控制程序，早期一般采用隨機讀寫存儲器（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)、遠程I/O控制、打印機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)的適應性就越強。6、編程設備常見的編程設備有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。編程設備用于輸入和編輯用戶程序，對系統(tǒng)作些設定，監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程設備在PLC的應用系統(tǒng)設計與調(diào)試、監(jiān)控運行和檢查維護中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場的控制。PLC本質(zhì)上就是一臺微型計算機，其工作原理與普通計算機類似，具有計算機的許多特點。但其工作方式卻與計算機有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。工作時逐條順序掃描用戶程序，如果一個線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點不會立即動作，需等掃描到該觸點時才會動作[6]。2.1.3可編程控制器的分類及特點根據(jù)PLC的結構形式，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結合起來，構成所謂疊裝式PLC。還可以按I/O點數(shù)分類，根據(jù)PLC的I/O點數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型、大型和超大型四類:I／O點數(shù)在256以下為小型PLC；I／O點數(shù)在256～1024為中型PLC；I／O點數(shù)大于1024為大型PLC；I／O點數(shù)在4000以上為超大型PLC可編程控制器有可靠性高、編程簡單易學、功能強、安裝簡單、維修方便、采用模塊化結構、接口模塊豐富、系統(tǒng)設計與調(diào)試周期短等特點[7]。2.2人機界面基礎隨著社會的進步，工業(yè)自動化技術迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強大，控制過程也變得越來越復雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。人機界面（HMIHumanMachineInterface）以其美觀易懂、操作人性化等顯著特點，正好滿足這種需求而得到廣泛的應用。2.2.1人機界面的定義人機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)控制設備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實現(xiàn)人與機器信息交互的數(shù)字設備,由硬件和軟件兩部分組成。2.2.2人機界面產(chǎn)品的組成及工作原理人機界面產(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，即運行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于PC機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PC機和HMI產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。2.2.3人機界面產(chǎn)品的特點(1)系統(tǒng)運行過程清晰化控制過程可以動態(tài)地顯示在HMI設備上。例如：爐子加熱通斷可以通過指示燈亮滅來顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來指示等等，使整個控制系統(tǒng)變得形象易懂，也更加清晰。(2)系統(tǒng)操作簡單化操作員可以通過監(jiān)控界面來控制過程?？蓮谋O(jiān)控界面上啟動和停止系統(tǒng)、設定溫度上下限、設置PID參數(shù)等。(3)顯示報警控制過程達到臨界狀態(tài)或系統(tǒng)運行錯誤時會自動觸發(fā)報警，例如，當加熱功率超出上下限時自動觸發(fā)報警。(4)數(shù)據(jù)歸檔HMI系統(tǒng)可以記錄過程變量值和報警信息并歸檔。例如：通過歸檔數(shù)據(jù)，您可以查看過去一段時間的系統(tǒng)運行情況，過程變量等。3PLC控制系統(tǒng)硬件設計3.1PLC控制系統(tǒng)設計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應用到實際的工程項目中。無論是用PLC組成集散控制系統(tǒng)，還是獨立控制系統(tǒng)，PLC控制部分的設計都可以參考圖3.1所示的步驟。3.1.1PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象(生產(chǎn)設備或生產(chǎn)過程)的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。而在實際設計過程中，設計原則往往會涉及很多方面，其中最基本的設計原則可以歸納為4點。1、設計原則(1)完整性原則。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機械設備的控制要求。(2)可靠性原則。確保計算機控制系統(tǒng)的可靠性。(3)經(jīng)濟型原則。力求控制系統(tǒng)簡單、實用、合理。(4)發(fā)展性原則。適當考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2、評估控制任務根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務，對被控對象的生產(chǎn)工藝及特點進行詳細分析，特別是從以下幾個方面給以考慮。(1)控制規(guī)模一個控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的I/O設備總數(shù)來衡量。當控制規(guī)模較大時,特別是開關量控制的I/O設備較多時，最適合采用PLC控制。(2)工藝復雜程度當工藝要求較復雜時,采用PLC控制具有更大的優(yōu)越性。(3)可靠性要求目前,當I/O點數(shù)在20甚至更少時，就趨向于選擇PLC控制了。(4)數(shù)據(jù)處理速度若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時，采用PLC控制將非常適宜[9]。評估控制任務評估控制任務PLC機型的選擇硬件連線程序設計聯(lián)機調(diào)試PLC安裝連接程序檢查、調(diào)試控制流程的設計程序備份修改軟、硬件投入使用是否滿足要求圖3.1PLC控制系統(tǒng)設計步驟3.1.2PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟PLC控制系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計。所謂硬件設計，是指PLC外部設備的設計，而軟件設計即PLC應用程序的設計。整個系統(tǒng)的設計分以下5步進行。1、熟悉被控對象深入了解被控系統(tǒng)是設計控制系統(tǒng)的基礎。設計人員必須深入現(xiàn)場，認真調(diào)查研究，收集資料，并于相關技術人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設計中出現(xiàn)的問題。這一階段必須對被控對象所有功能全面的了解，對對象的各種動作及動作時序、動作條件、必要的互鎖與保護;電氣系統(tǒng)與機械、液壓、氣動及各儀表等系統(tǒng)間的關系;PLC與其他設備的關系，PLC之間是否通信聯(lián)網(wǎng);系統(tǒng)的工作方式及人機界面，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設備的選擇。輸入設備包括按紐、位置開關、轉換開關及各種傳感器等。輸出設備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等。(2)選擇PLC。PLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。(3)PLC的I/O端口分配。在進行I/O通道分配時應給出I/O通道分配表，表中應包含I/O編號、設備代號、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)計數(shù)器、定時器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。3、編寫應用程序根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設計方法來設計PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實現(xiàn)各控制功能或各子任務的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常還應包括以下內(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，為啟動作必要的準備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。初始化程序的主要內(nèi)容有：對某些數(shù)據(jù)區(qū)、計數(shù)器等進行清零，對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進行恢復，對某些繼電器進行置位或復位，對某些初始狀態(tài)進行顯示等等。(2)檢測、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對獨立，一般在程序設計基本完成時再添加。(3)保護和連鎖程序。保護和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認真加以考慮。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個階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場調(diào)試。程序模擬調(diào)試是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場實際狀態(tài)，為程序的運行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，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備（如用另一臺PLC或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時效性較強。(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)場信號，其簡單易行，但時效性不易保證。模擬調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能?，F(xiàn)場調(diào)試。當控制臺及現(xiàn)場施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進行現(xiàn)場調(diào)試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時更正軟硬件方面的問題。5、編寫技術文件技術文件包括設計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、PLC程序以及使用說明書等[10]。3.2PLC的選型與硬件配置3.2.1PLC型號的選擇溫度控制系統(tǒng)選擇德國西門子公司的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，既可用一個單獨的S7-200CPU構成一個簡單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴展電纜進行數(shù)字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴展，構成較復雜的中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)[10]。完整的S7-200系列PLC實物如圖3.2所示。圖3.2S7-200系列PLC實物圖3.2.2S7-200CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型。系統(tǒng)選用S7-200CPU224XPCN，CPU224XPCN集成了14點輸入/10點輸出，共有24個數(shù)字量I/O。2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展值至256路數(shù)字量I/O點(128輸入/128輸出)或64路模擬量I/O點(32輸入/32輸出)。20K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的高速計數(shù)器（最高100KHz），2個100KHz的高速脈沖輸出，2個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和強大控制能力的新型CPU。溫度控制系統(tǒng)由于輸入/輸出點數(shù)不多，本可以使用CPU224以下的類型，是因為CPU224XP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，以將溫度量轉換為電勢和電阻的方法最為普遍。其中最常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變化轉換為電勢變化，而熱電阻是將溫度變化轉換為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應用。系統(tǒng)中需要用傳感器將溫度轉換成電壓，且烤箱的溫度最高達幾百度,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元件之一。國際標準熱電偶有S、B、E、K、R、J、T七種類型，在本系統(tǒng)中，我們選用了K型熱電偶（分度表如表3-1所示），其測溫范圍大約是0～800℃。系統(tǒng)里的烤爐最高溫度不過幾百度，加上一定的裕度就足夠了，另外其成本也不算高[12]。表3-1K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)電力模塊應用技術的新產(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、緩關斷、散熱器超溫、電流限制、過流保護，適用于電阻性負載和感性負載。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，來控制烤箱的加熱功率。圖3.3為TAC16P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（自動控制）3.3I/O點分配及電氣接線圖溫度控制系統(tǒng)中I/O點分配表如表3.4所示。表3-2I/O點分配表符號地址注釋符號地址注釋外部啟動按鈕I0.0外部按鈕操作內(nèi)部啟動按鈕M0.0上位機操作外部停止按鈕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加熱功率上限報警Q0.0系統(tǒng)報警指示M1.1加熱功率下限報警Q0.1聲光報警輸出Q0.2SVVD0設定值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)整體設計方案及硬件連接圖。系統(tǒng)選用PLCCPU224XPCN為控制器，K型熱電偶將檢測到的實際爐溫轉化為電壓信號，經(jīng)過溫度變送器轉換成模擬量信號并送到PLC的模擬輸入端子中進行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出模擬量，通過調(diào)壓模塊控制烤箱加熱來實現(xiàn)對爐子溫度的控制。PLC和HMI相連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(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電氣接線圖計算機計算機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控制器的設計控制器的設計是基于模型控制設計過程中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對象的數(shù)學模型和它的各特性以及設計要求，確定控制器的結構以及和受控對象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能指標確定控制器的參數(shù)值。3.4.1控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立本溫度控制系統(tǒng)中，熱電偶將檢測到的溫度信號轉換成電壓信號經(jīng)過溫度模塊后，與設定溫度值進行比較，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法進行修正，返回對應工況下的調(diào)壓模塊直接調(diào)節(jié)加熱功率，從而實現(xiàn)對爐子的溫度控制。結構圖如圖3.6、3.7所示。數(shù)字控制器數(shù)字控制器D/A轉換器執(zhí)行機構烤箱PLCW+-傳感器采樣/A/D轉換圖3.6控制系統(tǒng)結構圖數(shù)字控制器數(shù)字控制器PLCW+-TTy圖3.7控制系統(tǒng)結構圖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)為廣義對象，即控制閥、對象控制通道、測量變送裝置三個環(huán)節(jié)的合并；該溫度控制系統(tǒng)是具有時滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為QUOTEGs=K0T0s+1e-τs式3-1中，K為對象放大系數(shù)；T為對象時間常數(shù)；為對象時滯。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特的作用。比例控制是一種最基本的控制規(guī)律，具有反應速度快，控制及時，但控制結果有余差等特點。積分控制可以消除余差，但是工業(yè)上很少單獨使用積分控制的，因為與比例控制相比，除非積分速度無窮大，否則積分控制就不可能想比例控制那樣及時的對偏差加以響應，所以控制器的輸出變化總是滯后與偏差的變化，從而難以對干擾進行及時且有效的控制。微分作用是對偏差的變化速度加以響應的，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，適當改變其輸出信號，從而可以及時克服干擾的影響，抑制偏差的增長，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是理想微分控制器的控制結果也不能消除余差，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)學表達式為（3-2）式3-3中：為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(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)投運之前，還需要進行控制器的參數(shù)整定。控制器參數(shù)整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。理論計算整定法是在已知被控對象的數(shù)學模型的基礎上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標，通過理論計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來求得最佳的整定參數(shù)。這類方法計算繁雜，工作量又大，而且由于用解析法或?qū)嶒灉y定法求得的對象數(shù)學模型都只能近似的反映過程的動態(tài)特性，整定結果的精度是不高的，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上通過實踐總結出來的。這些方法通過并不復雜的實驗，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用。常用的工程整定法有經(jīng)驗法、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)對象的數(shù)學模型因工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的不確定因素而難以準確描述工程控制要求又常常很苛刻和矛盾，如既要要求受控過程是穩(wěn)定的對給定的變化能迅速和光滑地跟蹤，超調(diào)量要小；同時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大，在系統(tǒng)有環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時應保持控制穩(wěn)定等等?；诖?，在選擇算法參數(shù)時，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)對系統(tǒng)性能的控制作用為指導合理地現(xiàn)場調(diào)解PID參數(shù)。在這里，采用了階躍曲線法來征訂控制器的參數(shù)值。表3-3階躍曲線法確定PID參數(shù)調(diào)節(jié)器結構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)軟件設計4.1PLC程序設計方法編寫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行PLC程序設計。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時序流程圖法和步進順控法。（1）梯形圖法梯形圖法是用梯形圖語言去編制PLC程序。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法，其圖形甚至元件名稱都有繼電器電路十分相似。這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成PLC的梯形圖語言。這對于熟悉繼電器控制的人來說，是最方便的一種編程方法。（2）邏輯流程圖法邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示PLC程序的執(zhí)行過程，反映輸入與輸出的關系。邏輯流程圖會使整個程序脈絡清晰，便于分析控制程序、查找故障點及調(diào)試和維修程序。（3）時序流程圖法時序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時序圖（即到某一個時間應該進行哪項控制的控制時序圖），再根據(jù)時序關系畫出對應的控制任務的程序框圖，最后把框圖寫成PLC程序。這種方法很適合以時間為基準的控制系統(tǒng)的編程方法。（4）步進順控法步進順控法是在順控指令的配合下設計復雜的控制程序。一般比較復雜的程序都可以分成若干個功能比較簡單的程序段，一個程序可以看成整個控制過程的一步。2、經(jīng)驗法編程經(jīng)驗法是運用自己的或者別人的經(jīng)驗進行設計。多數(shù)是設計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“試驗程序”。結合自己工程的情況，對這些“試驗程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。3、計算機輔助設計編程計算機輔助設計是通過PLC編程軟件（比如STEP7--Micro/WIN）在計算機上進行程序設計、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算機上離線或在線編程、在線調(diào)試，在計算機上進行程序的存取、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的應用軟件，由西門子公司專為S7-200系列可編程控制器設計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可以實時監(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行操作，用戶使用起來更加方便。操作主界面如圖4.1所示。4.2.1STEP7-Micro/WIN簡單介紹以STEP7-Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通STEP7--Micro/WIN，可雙擊STEP7--Micro/WIN圖標，或選擇開始（Start）>SIMATIC>STEP7Micro/WIN4.0菜單命令。如圖4-1所示，STEP7--Micro/WIN項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，用于訪問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目對象和指令?？蓪蝹€的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個指令，以便將其插入到程序編輯器中光標的當前位置。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時局部變量的符號名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部均按標簽顯示。單擊標簽可在子程序、中斷程序和主程序之間來回變換[15]。STEP7--Micro/WIN提供了用于創(chuàng)建程序的三個編輯器：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。盡管有某些限制，在這些程序編輯器的任何一個中編寫的程序均可用其它程序編輯器進行瀏覽和編輯。用的比較多的是梯形圖（LAD）編程語言。下面詳細介紹梯形圖的特點。圖4.1編程軟件STEP7--Micro/WIN主界面4.2.2梯形圖語言特點梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計稱為編程。梯形圖程序設計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設計語言。采用梯形圖程序設計語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設計語言采用因果關系來描述事件發(fā)生的條件和結果。每個梯級是一個因果關系。在梯級中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結果表示在后面。梯形圖程序設計語言是最常用的一種程序設計語言。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。

在工業(yè)過程控制領域，電氣技術人員對繼電器邏輯控制技術較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術發(fā)展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應用。梯形圖程序設計語言的特點是：（1）與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；

（2）與原有繼電器邏輯控制技術相一致，對電氣技術人員來說，易于撐握和學習；

（3）與原有的繼電器邏輯控制技術的不同點是，梯形圖中的能流（Power

FLow）不是實際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此，應用時，需與原有繼電器邏輯控制技術的有關概念區(qū)別對待；

（4）與布爾助記符程序設計語言有一一對應關系，便于相互的轉換和程序的檢查[16]。4.2.3STEP7-Micro/WIN參數(shù)設置（通訊設置）本項目中PLC要與電腦正確通信，安裝完STEP7-Micro/WIN編程軟件且設置好硬件后，可以按下列步驟進行通訊設置。（1）在STEP7-Micro/WIN運行時單擊通訊圖標，或從“視圖”菜單中選擇選項“通信”，則會出現(xiàn)一個通信對話框（如圖4.2所示）。圖4.2通信參數(shù)設置（2）在對話框中雙擊PC/PPI電纜的圖標，將出現(xiàn)PG/PC接口對話框或者直接單擊“檢視”欄中單擊“設置PG/PC接口”也行。如圖4.3所示。圖4.3PG/PC接口對話框（3）單擊Properties按鈕，將出現(xiàn)接口屬性對話框，檢查各參數(shù)的屬性是否正確，其中通信波特率默認值為9.6kbps（如圖4.4所示）。圖4.4通信參數(shù)設置4.3程序設計4.3.1設計思路PLC運行時，通過特殊繼電器SM0.0產(chǎn)生初始化脈沖進行初始化，將溫度設定值，PID參數(shù)值等，存入有關的數(shù)據(jù)寄存器，使定時器復位；按啟動按鈕，系統(tǒng)開始溫度采樣，采樣周期為1秒；K型熱電偶傳感器把所測量的溫度進行標準量轉換（0-41毫伏）；通過溫度變送器轉化為模擬量0到10V的電壓信號；進入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啟動啟動綠燈亮，系統(tǒng)運行調(diào)用PID模塊調(diào)壓模塊改變電壓溫度當前值和設定值等顯示開始圖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到的當前溫度值送入溫度模塊后輸出的模擬電壓值AIW0；Setpoint_R為設定值。每個PID回路都有兩個輸入變量，給定值SP和過程變量PV。執(zhí)行PID指令前必須把它們轉換成標準的浮點型實數(shù)。即先把整數(shù)值轉換成浮點型實數(shù)值，再把實數(shù)值進行歸一化處理，使其為0.0-1.0之間的實數(shù)。歸一化的公式為（4-1）式中，R1為標準化的實數(shù)值；R為未標準化的實數(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\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閉環(huán)控制過程的PID算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù)PID運算的自動編程，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。PID向?qū)Ъ瓤梢陨赡M量輸出PID控制算法，也支持開關量輸出；既支持連續(xù)自動調(diào)節(jié)，也支持手動參與控制[18]。本項目程序中就正好運STEP7-Micro/WIN軟件自帶的PID指令向?qū)А亩沟贸绦蚝唵我锥?，同時也達到了控制要求。首先打開“指令向?qū)А?，選擇“PID”，如圖4.6所示。圖4.6配置PID指令圖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，積分時間為1分鐘，微分時間為0分鐘，采樣時間為10秒。還有，PID環(huán)路的設定點設置為0.0-1.0，便于歸一化處理。圖4.8PID參數(shù)設置圖4.9環(huán)路輸入、輸出設置圖4.10設置報警功能設置好以上所有步驟后，接下來需要根據(jù)回路表為PID參數(shù)分配存儲地址，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為配置生成項目元件4.3.4語句表（STL）程序下面是STL程序，它可以和梯形圖程序相互轉換。5基于組態(tài)王的HMI設計5.1人機界面（HMI）設計隨著自動化技術迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強大，控制過程也變得越來越復雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。人機界面（HMIHumanMachineInterface）以其過程可視化、操作員對操作過程可方便的控制等顯著特點，很好的滿足了這種需求而得到廣泛的應用。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)控制設備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實現(xiàn)人與機器信息交互。HMI的主要功能有：數(shù)據(jù)的輸入與顯示；系統(tǒng)或設備的操作狀態(tài)方面的實時信息顯示；報警處理及打??；數(shù)據(jù)歸檔和報表系統(tǒng)。此外，新一代工業(yè)人機界面還具有簡單的編程、對輸入的數(shù)據(jù)進行處理、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)控主畫面及相應的功能子畫面組成，HMI畫面設計對于HMI來說是非常關鍵的。HMI畫面是用組態(tài)軟件來做的，常見的組態(tài)軟件有西門子公司的Wincc、羅克韋爾公司的RsView及國產(chǎn)的組態(tài)王、力控等。在本溫度控制系統(tǒng)設計中，選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設計。組態(tài)王和其他組態(tài)軟件相比最大的優(yōu)勢是它操作方便，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鍵字的腳本語言支持，對于新手來說很容易上手。從北京亞控公司的主頁上下載了組態(tài)王6.5.3演示版，安裝好以后。雙擊桌面圖標，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“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，新建畫面（如圖5.2所示）。在這里我們制作了監(jiān)控主界面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、報警窗口等畫面。下面介紹每個畫面的設計方法。圖5.1新建工程圖5.2新建畫面5.1.1主界面打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點擊“圖庫”，打開圖庫管理器，把開關、溫度儀表、鬧鐘直接拖進開發(fā)頁面，再利用工具箱做好“開始”和“停止”按鈕以及溫度顯示、設定畫面、報警窗口等按鈕。完整的主界面如圖5.3所示。運行組態(tài)王后，點擊“開始”按鈕，開關變綠色，系統(tǒng)開始運行，目前溫度值下面的方框和儀表上都顯示當前溫度值。點擊“設定畫面”會進入?yún)?shù)設定畫面，點擊“報警窗口”會進入報警畫面，實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線也是一樣。點擊“停止”按鈕，系統(tǒng)運行結束，同時開關變紅色。圖5.3主界面5.1.2實時趨勢曲線打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點擊工具箱中的“實時趨勢曲線”把實時趨勢曲線放進開發(fā)頁面，然后雙擊曲線畫面，對曲線進行設置，如X軸和Y軸的設置及標示定義等，最后利用工具箱做好“F1”按鈕，即可形成如圖5.4所示的實時趨勢曲線畫面。系統(tǒng)運行時，實時趨勢曲線會顯示當前溫度值的變化趨勢和設定溫度值。點擊“F1”按鈕，就會回到主界面。圖5.4實時趨勢曲線5.1.3報警窗口打開開發(fā)系統(tǒng)頁面后，點擊工具箱中的“報警窗口”把報警窗口放進開發(fā)頁面，然后雙擊畫面，對報警窗口進行設置，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所示的報警窗口畫面。圖5.5報警窗口5.2變量設置打開工程瀏覽器，點擊“數(shù)據(jù)詞典”，再點擊“新建”建立“設定溫度”、“當前溫度”、“啟動”、“停止”、“Kp”、“Ti”、“Td”、“采樣時間”等變量。其中變量類型和寄存器是最關鍵的，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“設定穩(wěn)定”的寄存器為v0,數(shù)據(jù)類型為float?！爱斍胺€(wěn)定”的寄存器為v4,數(shù)據(jù)類型為float。下面我們以當前溫度設置為例來說明變量設置的步驟和方法。圖5.7為變量“當前溫度”基本屬性設置圖，變量類型設置為I/O實數(shù)，連接設備為PLC，寄存器為v4，數(shù)據(jù)類型是float。圖5.6當前溫度PV基本屬性設置圖5-7為變量“當前溫度”報警定義設置圖，我們設置了當前溫度低于10度時，報警當前溫度太低。當前溫度在10度到30度之間時，報警當前溫度偏低。當前溫度大于65度時，報警當前溫度偏高。圖5.7當前溫度報警定義設置5.3動畫連接打開操作界面，雙擊“開始”按鈕，出現(xiàn)如圖5.8的動畫連接畫面。在按下時、彈起時左邊打溝，點擊變量名右邊的問號，選擇變量“啟動按鈕”這樣，點擊“開始”后，系統(tǒng)就開始運行，此按鈕就相當于PLC硬件圖中的綠色啟動開關?！巴Ｖ埂卑粹o的動畫連接設置類似。圖5.8動畫連接圖5.9動畫連接打開操作界面，雙擊當前溫度值下面的框，出現(xiàn)如圖5.9所示的動畫連接畫面。在模擬值輸出左邊打鉤，出現(xiàn)模擬值輸出連接畫面。點擊表達式框右邊的問號，選擇變量“PV”。輸出格式中設置整數(shù)位數(shù)為2，小數(shù)位數(shù)為1，顯示格式設置為十進制，最后點擊“確定”。這樣，變量“當前溫度”的動畫連接設置就完成了。到這里，整個人機界面（HMI）就完成了。6系統(tǒng)運行結果分析完成了PLC程序設計和人機界面設計之后，進入系統(tǒng)運行測試階段。首先在STEP7-Micro/Win編程軟件中將設計好的程序下載到PLC中，然后打開組態(tài)王，切換到運行模式。6.1系統(tǒng)運行打開主界面，點“參數(shù)設定”按鈕，則切換到參數(shù)設定畫面。增益Kp、積分時間Ti、微分時間Td、采樣時間、設定溫度這幾個變量的值也顯示在畫面上。本項目編寫程序時用了PID指令向?qū)?，Kp設置了，Ti設置了分鐘，Td設置了分鐘，則設定畫面上也是現(xiàn)實同樣的數(shù)據(jù)。然后按F1鍵則返回到主界面，然后點擊“操作界面”按鈕，則切換到操作界面畫面，如圖6.1所示。6.2運行結果分析在操作界面，點擊“開始”按鈕，則系統(tǒng)狀態(tài)指示燈變?yōu)榫G色，系統(tǒng)開始運行，當前溫度開始有數(shù)據(jù)顯示。實時趨勢曲線中紅色曲線表示設定溫度，綠色曲線表示當前溫度。由實時趨勢曲線圖可知，系統(tǒng)運行后當前溫度快速上升到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。其中，當前溫度值最大為65.5度，穩(wěn)定后在59.3度到60.5度之間，與設定溫度極為接近。圖6.1是當前溫度為59.4度時的操作界面。圖6.1系統(tǒng)運行-操作界面結論PLC（可編程控制器）以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)的自動控制之中。PID閉環(huán)控制是控制系統(tǒng)中應用很廣泛的一種控制算法，對大部分控制對象都有良好的控制效果。組態(tài)軟件組態(tài)王因其簡單易用的特點，在HMI設計中深受用戶的喜歡而得到廣泛的使用。在西門子S7-200系列PLC和組態(tài)軟件組態(tài)王的基礎上，我們成功設計出了溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)達到了快、準、穩(wěn)的效果，也達到了預期的目標。再加上由組態(tài)王設計的人機界面，整個系統(tǒng)操作簡單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度和實用性。該溫度控制系統(tǒng)也有一些有不足的地方需要改進，編程時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)時間都稍微偏大，若不直接調(diào)用該模塊，而是自己編寫PID控制子程序的話，控制效果可能會更好。還有人機界面內(nèi)容不夠豐富，若再加上報表系統(tǒng)、打印功能的話，那就更完美了。致謝歷時三個月的畢業(yè)設計已經(jīng)告一段落。經(jīng)過楊老師的耐心指導和熱情幫助以及自己不斷的搜索努力，此次畢業(yè)設計已經(jīng)基本完成。在這段時間里，楊青導師嚴謹務實的治學風范，一絲不茍的學術鉆研精神，真誠正直的為人態(tài)度，淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，以及虛懷若谷的求學精神無比讓我終生難忘。楊老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和熱忱的工作作風令我十分欽佩，他的指導使我受益匪淺。在此對楊青老師表示深深的感謝。通過這次畢業(yè)設計，使我深刻地認識到學好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯(lián)系實際的含義，并且檢驗了大學四年的學習成果。雖然在這次設計中對于知識的運用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學習中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個月的設計是對以往所學知識的系統(tǒng)提高和擴充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎。激勵我在以后的學習中更加努力。參考文獻[1]郁漢琪.可編程控制器原理及應用[M].中國電力出版社，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)中應用的研究[M].新疆大學學報，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].機電工程技術,2006，10(2)：123-125[4]ChotaiA,YoungP.C.,BehzadiM.A..Self-adaptivedesignofanonlineartemperaturecontrolsystem.IEEProceedingsofControlTheoryandApplications,2002,1(138):41-49[5]高欽和.可編程控制器應用技術與設計實例[M].人民郵電出版社，2004[6]趙燕.可編程控制器原理及應用[M].中國林業(yè)出版社，2006[7]李方園.人機界面設計及應用[M].化學工業(yè)出版社，2008[8]嚴盈富.觸摸屏與PLC入門[M].人民郵電出版社，2006[9]張揚.S7-200PLC原理與應用系統(tǒng)設計[M].機械工業(yè)出版社，2007[10]付家才.PLC實驗與實踐[M].高等教育出版社，2006[11]劉繼修.PLC應用系統(tǒng)設計[M].福建科技出版社，2007[12]徐亞飛，劉官敏，高國章.溫箱溫度PID與預測控制[M].武漢理工大學學報交通科學與工程版，2004，28(4)：554-557[13]曾貴娥,邱麗,朱學峰.PID控制器參數(shù)整定方法的仿真與實驗研究[M].石油化工自動化,HYPERLINK"/kns50/Navi/Bridge.aspx?DBCode=CJFD&LinkType=IssueLink&Field=BaseID*year*issue&TableName=