...wd......wd......wd...WinCC和S7-200的溫度測(cè)控系統(tǒng)摘要傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術(shù),由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制,使控制系統(tǒng)的體積增大,耗電多,效率不高且易出故障,不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的開(kāi)展,傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的PLC控制技術(shù)所取代。而PLC本身優(yōu)異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定且維護(hù)方便。這種溫度控制系統(tǒng)對(duì)改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有相當(dāng)?shù)囊饬x。在以PLC控制為核心，加熱爐為根基的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，PLC將加熱爐溫度設(shè)定值與溫度傳感器的測(cè)量值之間的偏差經(jīng)PID運(yùn)算后得到的信號(hào)控制輸出電壓的大小，從而調(diào)節(jié)加熱器加熱，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制的目的。文章介紹了基于S7-200溫度控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：PLC溫度控制PID調(diào)節(jié)器S7-200溫度傳感器目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)12溫度控制對(duì)象22.1功能特點(diǎn)與技術(shù)參數(shù)22.2控制手段23方案設(shè)計(jì)33.1現(xiàn)場(chǎng)總線概述33.2WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的硬件組成63.3WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的軟件配置73.4WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造93.5溫度控制算法104S7-200PLC控制程序的設(shè)計(jì)164.1控制程序的組成164.2溫度采集程序設(shè)計(jì)164.3數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)174.4PID控制程序設(shè)計(jì)195WinCC組態(tài)205.1變量組態(tài)205.2畫(huà)面組態(tài)205.3變量連接216程序調(diào)試236.1PLC調(diào)試方法與結(jié)果236.2WinCC調(diào)試方法與結(jié)果237PID參數(shù)的整定247.1整定方法247.2整定結(jié)果及分析258技術(shù)小結(jié)26附錄I1課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目：基于WinCC和S7-200的溫度測(cè)控系統(tǒng)學(xué)生姓名歐祖鴻課程名稱(chēng)現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)控普2007地點(diǎn)I502起止時(shí)間10.11.29～10.12.10設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求使用WinCC和S7-200PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套加熱爐溫度控制系統(tǒng)。內(nèi)容及要求如下：1.接線圖設(shè)計(jì)：S7-200和加熱爐控制對(duì)象之間的接線圖設(shè)計(jì)。2.程序設(shè)計(jì)(1)PLC控制程序設(shè)計(jì)包括溫度采集程序，標(biāo)度換算、數(shù)字濾波程序、PID控制程序、D/A輸出程序設(shè)計(jì)等內(nèi)容。(2)WinCC組態(tài)設(shè)計(jì)包括通信連接、變量組態(tài)、畫(huà)面組態(tài)〔溫度控制回路相關(guān)參數(shù)的顯示畫(huà)面，溫度趨勢(shì)的顯示畫(huà)面，參數(shù)修改畫(huà)面〕，變量連接等內(nèi)容。3.溫度PID控制參數(shù)的整定整定PID參數(shù)，分析不同PID對(duì)溫度控制精度的影響。設(shè)計(jì)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)：1.溫度采集精度：0.5%2.溫度控制精度：1%進(jìn)度要求第1天：選題、講解任務(wù)、S7-200根本應(yīng)用；第2天：溫度控制回路接線圖設(shè)計(jì)、S7-200編程；第3天：數(shù)據(jù)采集程序、換算程序、數(shù)字濾波程序、輸出程序設(shè)計(jì)與調(diào)試；第4天：PID程序設(shè)計(jì)與調(diào)試；第5天：WinCC根本應(yīng)用培訓(xùn)與訓(xùn)練；第6-7天：WinCC溫度控制變量組態(tài)、畫(huà)面設(shè)計(jì)、通信連接等；第8-9天：溫度控制系統(tǒng)WinCC與PLC聯(lián)調(diào)；第10天：撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告和檢查設(shè)計(jì)結(jié)果參考資料1.廖常初.S7-200/400PLC應(yīng)用技術(shù)〔第2版〕[M].機(jī)械工業(yè)出版社.20082.西門(mén)子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出西門(mén)子WinCCV6[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2005.9其它說(shuō)明１.本表應(yīng)在每次實(shí)施前一周由負(fù)責(zé)教師填寫(xiě)二份，院系審批后交院系辦備案，一份由負(fù)責(zé)教師留用。２.假設(shè)填寫(xiě)內(nèi)容較多可另紙附后。3.一題多名學(xué)生共用的，在設(shè)計(jì)內(nèi)容、參數(shù)、要求等方面應(yīng)有所區(qū)別。教研室主任：指導(dǎo)教師：胡文金、劉顯榮2010年11月26日2溫度控制對(duì)象溫度控制對(duì)象，在工業(yè)控制過(guò)程中，是相當(dāng)重要的控制對(duì)象，因?yàn)闇囟戎苯拥挠绊懙搅巳紵?、化學(xué)反響、發(fā)酵、烘烤、蒸餾、濃度，結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理的和化學(xué)的變化過(guò)程。溫度控制的不好很有可能引起嚴(yán)重的安全事故，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列的問(wèn)題。溫度控制是許多設(shè)備的重要的構(gòu)成局部，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內(nèi)，以利于進(jìn)展工件的加工與處理。不管是在生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的變化對(duì)生活、生產(chǎn)的某些細(xì)節(jié)環(huán)節(jié)都會(huì)造成不同程度的影響，所以適時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)展控制具有重要的意義。2.1功能特點(diǎn)與技術(shù)參數(shù)實(shí)踐證明溫度對(duì)象的特點(diǎn)是:時(shí)間常數(shù)大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，反響在控制系統(tǒng)上，就是被控溫度的變化滯后于調(diào)節(jié)器的輸出。我們知道熱量的傳遞是需要一定時(shí)間的，溫度上升的快慢與其熱容量的大小有關(guān)，通常溫度的上升與下降和時(shí)間的關(guān)系是一個(gè)指數(shù)曲線關(guān)系。而產(chǎn)生滯后則與熱量的傳遞過(guò)程有關(guān)，再者測(cè)溫元件也有一定的慣性，這些都會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。本次設(shè)計(jì)選用的是TKPLC—2型溫度控制器，該溫度控制器同樣的具有滯后大和慣性大的特點(diǎn)。該加熱器用的是0V到5V的電壓加熱，2.2控制手段通過(guò)以上的分析，系統(tǒng)的總的滯后時(shí)間比照大，升溫的滯后時(shí)間相對(duì)降溫來(lái)說(shuō)是比照小的。因此，在PID調(diào)節(jié)中，要使系統(tǒng)的品質(zhì)變好，除了參加適當(dāng)?shù)姆e分以消除靜態(tài)誤差外，還應(yīng)該加強(qiáng)比例作用使調(diào)節(jié)更加靈敏，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，同時(shí)還應(yīng)該參加適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔茫瓜到y(tǒng)的超調(diào)量減小。3方案設(shè)計(jì)主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的需要選擇硬件。然后將選擇的硬件組成控制系統(tǒng)，根據(jù)任務(wù)的要求選擇西門(mén)子的S7-200的PLC，TKPLC-2型加熱爐等硬件，硬件選擇完成后，跟據(jù)所選擇的硬件選擇適宜的軟件進(jìn)展程序設(shè)計(jì)，只有擁有完整的硬件和軟件的系統(tǒng)才能所需要的功能。下面就仔細(xì)的介紹在設(shè)計(jì)中運(yùn)用到的硬件和軟件。3.1現(xiàn)場(chǎng)總線概述目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場(chǎng)總線，如法國(guó)的FIP，英國(guó)的ERA，德國(guó)西門(mén)子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI〔ActraturSensorInterface〕、MODBus、SDS、Arcnet，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織-基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF：FieldBusFoundation、WorldFIP、BitBus，美國(guó)的DeviceNet與ControlNet等等。這些現(xiàn)場(chǎng)總線大都用于過(guò)程自動(dòng)化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運(yùn)輸、國(guó)防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，大概不到十種的總線占有80％左右的市場(chǎng)。下面仔細(xì)的介紹九種比照常用的現(xiàn)場(chǎng)總線。3.1.1基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線這是以美國(guó)Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門(mén)子、英維斯等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并的。該總線在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的開(kāi)展前景。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開(kāi)放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡(jiǎn)化模型〔1，2，7層〕，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，另外增加了用戶層。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kbit/秒，通信距離可達(dá)1900m，可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距離為750m和500m，支持雙絞線、光纜和無(wú)線發(fā)射，協(xié)議符號(hào)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。FF的物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼切斯特編碼。3.1.2LonWorks總線它由美國(guó)Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導(dǎo)。它采用ISO/OSI模型的全部7層通訊協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質(zhì)，通訊速率從300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距離可達(dá)2700m〔78Kbit/s〕，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。Lonworks技術(shù)采用的LonTalk協(xié)議被封裝到Neuron〔神經(jīng)元〕的芯片中，并得以實(shí)現(xiàn)。采用Lonworks技術(shù)和神經(jīng)元芯片的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過(guò)程控制等行業(yè)。3.1.3Profibus總線Profibus是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)〔DIN19245〕和歐洲標(biāo)準(zhǔn)〔EN50170〕的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列組成。DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。FMS適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等。PA用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類(lèi)型，服從IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s小為200m，可采用中繼器延長(zhǎng)至10km，傳輸介質(zhì)為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。3.1.4CAN總線最早由德國(guó)BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線標(biāo)準(zhǔn)已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN的信號(hào)傳輸采用短幀構(gòu)造，傳輸時(shí)間短，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術(shù)，通過(guò)設(shè)置優(yōu)先級(jí)來(lái)防止沖突，通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達(dá)40M/1Mbp/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。目前已有多家公司開(kāi)發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。3.1.5HART總線HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的縮寫(xiě)，最早由Rosemount公司開(kāi)發(fā)。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過(guò)渡產(chǎn)品。其通信模型采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)播送方式。由于它采用模擬數(shù)字信號(hào)混和，難以開(kāi)發(fā)通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆的要求，并可用于由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。3.1.6CC-Link總線CC-Link是Control&CommunicationLink〔控制與通信鏈路系統(tǒng)〕的縮寫(xiě)，在1996年11月，由三菱電機(jī)為主導(dǎo)的多家公司推出，其增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛，在亞洲占有較大份額。在其系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同是以10Mbit/s高速傳送至現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，具有性能卓越、使用簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛、節(jié)省本錢(qián)等優(yōu)點(diǎn)。其不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)配線復(fù)雜的問(wèn)題，同時(shí)具有優(yōu)異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個(gè)以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。2005年7月CC-Link被中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)批準(zhǔn)為中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。3.1.7WordFIP總線WorkdFIP的北美局部與ISP合并為FF以后，WorldFIP的歐洲局部仍保持獨(dú)立，總部設(shè)在法國(guó)。其在歐洲市場(chǎng)占有重要地位，特別是在法國(guó)占有率大約為60%。WorldFIP的特點(diǎn)是具有單一的總線構(gòu)造來(lái)適用不同的應(yīng)用領(lǐng)域的需求，而且沒(méi)有任何網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋，用軟件的方法來(lái)解決高速和低速的銜接。WorldFIP與FFHSE可以實(shí)現(xiàn)“透明聯(lián)接〞，并對(duì)FF的H1進(jìn)展了技術(shù)拓展，如速率等。在與IEC61158第一類(lèi)型的連接方面，WorldFIP做得最好，走在世界前列。3.1.8INTERBUS總線INTERBUS是德國(guó)Phoenix公司推出的較早的現(xiàn)場(chǎng)總線，2000年2月成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158。INTERBUS采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開(kāi)放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡(jiǎn)化模型〔1，2，7層〕，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，具有強(qiáng)大的可靠性、可診斷性和易維護(hù)性。其采用集總幀型的數(shù)據(jù)環(huán)通信，具有低速度、高效率的特點(diǎn)，并嚴(yán)格保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院椭芷谛裕辉摽偩€的實(shí)時(shí)性、抗干擾性和可維護(hù)性也非常出色。INTERBUS廣泛地應(yīng)用到汽車(chē)、煙草、倉(cāng)儲(chǔ)、造紙、包裝、食品等工業(yè)，成為國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線的領(lǐng)先者。3.1.9DeviceNet總線DeviceNet是一種低本錢(qián)的通信連接也是一種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，有著開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet具有的直接互聯(lián)性不僅改善了設(shè)備間的通信而且提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級(jí)陣地功能。DebiceNet基于CAN技術(shù)，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)為64個(gè)，其通信模式為：生產(chǎn)者/客戶〔Producer/Consumer〕，采用多信道播送信息發(fā)送方式。位于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以自由連接或斷開(kāi)，不影響網(wǎng)上的其他設(shè)備，而且其設(shè)備的安裝布線本錢(qián)也較低。DeviceNet總線的組織構(gòu)造是OpenDeviceNetVendorAssociation〔開(kāi)放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會(huì)，簡(jiǎn)稱(chēng)“ODVA〞〕。[1]3.1.10PPI總線本次設(shè)計(jì)使用的是西門(mén)子的PPI總線，PPI〔點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口〕是一種專(zhuān)為SIMATICS7-200而開(kāi)發(fā)的集成接口。PPI網(wǎng)絡(luò)通常連接S7-200設(shè)備。然而，其它SIMATICS7控制器〔例如S7-300和S7-400〕或操作員面板均可與PPI網(wǎng)絡(luò)中的S7-200進(jìn)展通訊。PPI是一種主站-從站協(xié)議，通過(guò)該協(xié)議主站設(shè)備可向從站設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求。從站設(shè)備并不啟動(dòng)消息，而是一直等到主站設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求或輪詢響應(yīng)。通訊將通過(guò)常用的PPI連接來(lái)執(zhí)行。主站設(shè)備包括：帶有STEP7Micro/WIN的編程設(shè)備HMI設(shè)備〔觸摸面板、文本顯示或操作員面板〕，從站設(shè)備包括：S7-200CPU擴(kuò)展機(jī)架〔例如EM277〕也可以通過(guò)編程將S7-200CPU作為PPI主站來(lái)激活。PPI基于PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)〔IEC61158和EN50170〕，并支持以下總線拓?fù)洌嚎偩€型星型使用PPI，可以建設(shè)最多包括32個(gè)主站的多主站網(wǎng)絡(luò)：可以與任何從站進(jìn)展通訊的主站數(shù)量不受限制?？梢詾橹髡痉峙鋸恼?。可以使用RS-485中繼器擴(kuò)展PPI網(wǎng)絡(luò)。還可以將調(diào)制解調(diào)器連接至PPI網(wǎng)絡(luò)?？梢詾镻PI建設(shè)多種組態(tài)：?jiǎn)沃髡綪PI網(wǎng)絡(luò)、多主站PPI網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜PPI網(wǎng)絡(luò)、帶有S7-300或S7-400的PPI網(wǎng)絡(luò)。3.2WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的硬件組成溫度控制系統(tǒng)的主要硬件組成：帶有WinCC和有STEP7Micro/WIN軟件的計(jì)算機(jī)、PLC、PPI數(shù)據(jù)線、TKPLC-2型加熱爐。下面是本次系統(tǒng)的硬件組成圖，如圖3.2.1所示。上位機(jī)上位機(jī)PLCS7-200TKPLC-2型加熱爐圖3.2.1系統(tǒng)硬件圖TKPLC-2型加熱爐，集成了加熱爐驅(qū)動(dòng)模塊和加熱爐變送器。這樣使硬件系統(tǒng)的組成更簡(jiǎn)單、更容易。該系統(tǒng)是通過(guò)簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。由PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖3.2.2所示，系統(tǒng)工作過(guò)程：一是給定值〔0~100℃〕通過(guò)鍵盤(pán)輸入PLC主機(jī)，再由PLC主機(jī)傳遞給數(shù)字量輸出模塊，控制固態(tài)繼電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而控制電阻爐的加熱情況；二是通過(guò)溫度檢測(cè)裝置熱電偶檢測(cè)到的變換為電流信號(hào)的爐溫值通過(guò)模擬量輸入模塊讀入PLC主機(jī)，由PLC主機(jī)內(nèi)部PID的程序與溫度給定值相比照，對(duì)數(shù)字量輸出模塊進(jìn)展下一度的控制。其中PLC是整個(gè)系統(tǒng)的主控核心。PLC主機(jī)PLC主機(jī)計(jì)算機(jī)PID調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度檢測(cè)裝置圖3.2.2電阻爐溫度控制系統(tǒng)圖——實(shí)際溫度電阻爐3.2.1S7-200PLC的選型S7-200系列PLC是SIEMENS公司新推出的一種小型PLC。它以緊湊的構(gòu)造、良好的擴(kuò)展性、強(qiáng)大的指令功能、低廉的價(jià)格，已經(jīng)成為當(dāng)代各種小型控制工程的理想控制器。S7-200PLC包含了一個(gè)單獨(dú)的S7-200CPU和各種可選擇的擴(kuò)展模塊，可以十分方便地組成不同規(guī)模的控制器。其控制規(guī)模可以從幾點(diǎn)上到幾百點(diǎn)。S7-200PLC可以方便地組成PLC-PLC網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)-PLC網(wǎng)絡(luò)，從而完成規(guī)模更大的工程。S7-200的編程軟件STEP7-Micro/WIN32可以方便地在Windows環(huán)境下對(duì)PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控，使得PLC的編程更加方便、快捷?？梢哉f(shuō)，S7-200可以完美地滿足各種小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。S7-200有四種CPU，其性能差異很大。這些性能直接影響到PLC的控制規(guī)模和PLC系統(tǒng)的配置。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種。檔次最低的是CPU221，其數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)有6點(diǎn)，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)有4點(diǎn)，是控制規(guī)模最小的PLC。檔次最高的應(yīng)屬CPU226，CPU226集成了24點(diǎn)輸入／16點(diǎn)輸出，共有40個(gè)數(shù)字量I/O?？蛇B接七個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248點(diǎn)數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O。本次設(shè)計(jì)選用的是CPU226。開(kāi)關(guān)量I/O擴(kuò)展模塊當(dāng)CPU的I/0點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)展特殊功能的控制時(shí),就要進(jìn)展I/O擴(kuò)展,I/O擴(kuò)展包括I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。通常開(kāi)關(guān)量I/O模塊產(chǎn)品分3種類(lèi)型:輸入模塊,輸出模塊以及輸入/輸出模塊。為了保證PLC的工作可靠性,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術(shù)措施。如光電隔離,輸入保護(hù)(浪涌吸收器,旁路二極管,限流電阻),高頻濾波,輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。由于PLC要控制的對(duì)象有多種,因此輸出模塊也應(yīng)根據(jù)負(fù)載進(jìn)展選擇,有直流輸出塊,交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開(kāi)關(guān)器件種類(lèi)不同又分為3種：繼電器輸出型,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中,從輸出響應(yīng)速度來(lái)看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中；假設(shè)從與外部電路安全隔離角度看,繼電器輸出型最好。在實(shí)際使用時(shí)，亦應(yīng)仔細(xì)查看開(kāi)關(guān)量I/O模塊的技術(shù)特性，按照實(shí)際情況進(jìn)展選擇。在S7-200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號(hào)的數(shù)值范圍是0-32000，雙極性模擬信號(hào)的數(shù)值范圍是-32000-+32000[2]。3.2.2加熱爐的選型本次實(shí)驗(yàn)選用的加熱爐為T(mén)KPLC-2型。這種加熱爐集成有驅(qū)動(dòng)模塊和溫度變送器使用簡(jiǎn)單，只需將輸入端和輸出端分別接到PLC的輸出模塊和輸入模塊就可以了。免去了硬件設(shè)計(jì)的麻煩。TKPLC-2型加熱爐，也具有慣性大，滯后大的特點(diǎn)，在實(shí)際控制過(guò)程的過(guò)程中會(huì)比照麻煩，而且該加熱爐是靠周邊環(huán)境自然降溫，所以降溫過(guò)程比照長(zhǎng)。不過(guò)通過(guò)改良PID調(diào)節(jié)的參數(shù)，能勉強(qiáng)控制好加熱爐的溫度，使得穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差都能到達(dá)任務(wù)的要求。3.3WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的軟件配置本次設(shè)計(jì)使用的軟件STEP7-Micro/WIN32和WinCC以及PCaccess，通過(guò)STEP7-Micro/WIN32編寫(xiě)PLC的程序，通過(guò)Wincc的組態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制過(guò)程的控制和監(jiān)視。PLC與WinCC之間通過(guò)PPI總線實(shí)現(xiàn)通信，實(shí)時(shí)的監(jiān)控加熱爐的工作狀態(tài)。3.3.1STEP7-Micro/WIN32的介紹STEP7-Micro/WIN32是西門(mén)子公司專(zhuān)為SIMATICS7-200系列可編程序控制器研制開(kāi)發(fā)的編程軟件，它是基于Windows的應(yīng)用軟件，功能強(qiáng)大，既可用于開(kāi)發(fā)用戶程序，又可實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。STEP7-Micro/WIN32編程軟件的根本功能是協(xié)助用戶完成應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，其主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1〕在脫機(jī)〔離線〕方式下創(chuàng)立用戶程序，修改和編輯原有的用戶程序。在脫機(jī)方式時(shí)，計(jì)算機(jī)與PLC斷開(kāi)連接，此時(shí)能完成大局部的根本功能，如編程、編譯、調(diào)試和系統(tǒng)組態(tài)等，但所有的程序和參數(shù)都只能存放在計(jì)算機(jī)的磁盤(pán)上。2〕在聯(lián)機(jī)〔在線〕方式下可以對(duì)與計(jì)算機(jī)建設(shè)通信關(guān)系的PLC直接進(jìn)展各種操作，如上載、下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等。3〕在編輯程序的過(guò)程中進(jìn)展語(yǔ)法檢查，可以防止一些語(yǔ)法錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)類(lèi)型方面的錯(cuò)誤。經(jīng)語(yǔ)法檢查后，梯形圖中錯(cuò)誤處的下方自動(dòng)加紅色波浪線，語(yǔ)句表的錯(cuò)誤行前自動(dòng)畫(huà)上紅色叉，且在錯(cuò)誤處加上紅色波浪線。4〕對(duì)用戶程序進(jìn)展文檔管理，加密處理等。5〕設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。3.3.2WinCC的介紹西門(mén)子公司的WinCC是WlndowsControIConter(視窗控制中心)的簡(jiǎn)稱(chēng)。它集成了SCADA、組態(tài)、腳本(Script)語(yǔ)言和OPC等先進(jìn)技術(shù)，為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)(W1ndows2000或XP)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門(mén)子公司的全集成自動(dòng)化(TIA)產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)和無(wú)縫集成的特點(diǎn)。WinCC運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境，可以與多種自動(dòng)化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置工程、可視窗口和菜單項(xiàng)選擇項(xiàng)，使用方式靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面下進(jìn)展組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫(huà)面、監(jiān)視畫(huà)面、控制畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線和打印報(bào)表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計(jì)周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一個(gè)特點(diǎn)在于其整體開(kāi)放性，它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起，建設(shè)友好的人機(jī)界面，滿足實(shí)際需要。用戶也可將WinCC作為系統(tǒng)擴(kuò)展的根基，通過(guò)開(kāi)放式接口，開(kāi)發(fā)其自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)。3.3.3PCACCESS的介紹西門(mén)子最新推出的PCAccess軟件是專(zhuān)用于S7-200PLC的OPCServer〔服務(wù)器〕軟件，它向OPC客戶端提供數(shù)據(jù)信息，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPCClient〔客戶端〕通訊。PCAccess軟件自帶OPC客戶測(cè)試端，用戶可以方便的檢測(cè)其工程的通訊及配置的正確性。OPC作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供了工業(yè)環(huán)境中信息交換的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，數(shù)據(jù)用戶不用再為不同廠家的數(shù)據(jù)源開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)或服務(wù)程序。OPC將數(shù)據(jù)來(lái)源提供的數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)方式傳輸至任何客戶機(jī)應(yīng)用程序。OPC〔用于進(jìn)程控制的OLE〕是一種開(kāi)放式系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，可允許在自動(dòng)化/PLC應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和基于PC的應(yīng)用程序〔例如HMI或辦公室應(yīng)用程序〕之間進(jìn)展簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交換。定義工業(yè)環(huán)境中各種不同應(yīng)用程序的信息交換，它工作于應(yīng)用程序的下方。您可以在PC機(jī)上監(jiān)控、調(diào)用和處理可編程控制器的數(shù)據(jù)和事件。PCAccess可以用于連接西門(mén)子，或者第三方的支持OPC技術(shù)的上位軟件。PCAccess可以通過(guò)如下硬件連接與S7-200通訊：通過(guò)PC/PPI電纜〔USB/PPI電纜〕連接PC機(jī)上的USB口和S7-200、通過(guò)PC/PPI電纜〔RS-232/PPI電纜〕連接PC機(jī)上的串行COM口和S7-200、通過(guò)西門(mén)子通訊處理器〔CP〕卡和MPI電纜連接S7-200、通過(guò)PC機(jī)上安裝的調(diào)制解調(diào)器〔Modem〕連接S7-200上的EM241模塊、通過(guò)以太網(wǎng)連接S7-200上的CP243-1或CP243-1IT模塊，上述S7-200的通訊口可以是CPU通訊口，也可以是EM277的通訊口。PCAccess所支持的協(xié)議：PPI〔通過(guò)RS-232PPI和USB/PPI電纜〕、MPI〔通過(guò)相關(guān)的CP卡〕、Profibus-DP〔通過(guò)CP卡〕、S7協(xié)議〔以太網(wǎng)〕、Modems〔內(nèi)部的或外部的，使用TAPI驅(qū)動(dòng)器〕。所有協(xié)議允許同時(shí)有8個(gè)PLC連接，一個(gè)PLC通訊口允許有4個(gè)PC機(jī)的連接，其中一個(gè)連接預(yù)留給Micro/WIN，PCAccess與Micro/WIN可以同時(shí)訪問(wèn)CPU，支持S7-200所有內(nèi)存數(shù)據(jù)類(lèi)型。3.4WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造WinCC和S7-200的網(wǎng)絡(luò)連接，只要是通過(guò)RS232或USB接口進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸速率在1.2kbps至115.2kbps之間。WinCC和S7-200的網(wǎng)絡(luò)連接是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，遵循PPI的通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造主要有3種：?jiǎn)沃髡綪PI網(wǎng)絡(luò)、多主站PPI網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜PPI網(wǎng)絡(luò)。下面就將各種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造進(jìn)展詳細(xì)的介紹。3.4.1單主站PPI網(wǎng)絡(luò)通常，單主站PPI網(wǎng)絡(luò)由以下組件組成：帶有STEP7-Micro/WIN的編程設(shè)備/PC或作為主站設(shè)備的HMI設(shè)備〔面板〕，作為從站設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)S7-200。單主站PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造組成如圖3.4.1所示。圖3.4.1單主站PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造圖圖3.4.1單主站PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造圖3.4.2多主站PPI網(wǎng)絡(luò)PPI網(wǎng)絡(luò)還有構(gòu)成多主站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，是由多臺(tái)主站計(jì)算機(jī)或者HMI設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)造。利用這種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造我們可以組態(tài)一個(gè)包含多個(gè)主站設(shè)備的PPI網(wǎng)絡(luò)，這些設(shè)備可以作為從站設(shè)備與一個(gè)或多個(gè)S7-200進(jìn)展通訊。每個(gè)主站〔編程設(shè)備/PC或面板〕均可以與網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)從站交換數(shù)據(jù)。多主站網(wǎng)絡(luò)原理如圖3.4.2所示。圖3.4.2多主站網(wǎng)絡(luò)原理圖圖3.4.2多主站網(wǎng)絡(luò)原理圖3.4.3復(fù)雜PPI網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜PPI網(wǎng)絡(luò)中，還可以對(duì)S7-200進(jìn)展編程以進(jìn)展對(duì)等通訊。對(duì)等通訊表示通訊伙伴都具有同等權(quán)限，既可以提供服務(wù)，也可以使用服務(wù)。在一個(gè)S7-200的用戶程序中的“從網(wǎng)絡(luò)讀取〞(NETR)和“寫(xiě)入網(wǎng)絡(luò)〞(NETW)指令可以訪問(wèn)其它S7-200中的過(guò)程數(shù)據(jù)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)原理如圖3.4.3所示。圖3.4.3復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)原理圖圖3.4.3復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)原理圖雖然PPI網(wǎng)絡(luò)能夠成很多種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，本次根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，我們只需控制一臺(tái)S7-200，所以我使用了單主站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。3.5溫度控制算法在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近80年歷史，它以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的構(gòu)造和參數(shù)不能完全掌握，或得不到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的構(gòu)造和參數(shù)必須依靠經(jīng)歷和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便[5]。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)展控制的。比例〔P〕控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單,最常用的控制方式[4]。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分〔I〕控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)〞。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分〔D〕控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分〔即誤差的變化率〕成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在抑制誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件〔環(huán)節(jié)〕或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的方法是使抑制誤差的作用的變化“超前〞，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例〞項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)〞，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而防止了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。3.5.1PID算法的種類(lèi)PID的根本算式有：位置型、增量型和速度型三種形式，其中最常用的事增量型式。設(shè)u(n)為本周期PID控制器的輸出〔控制量〕，e(n)為本周期的PID輸入偏差信號(hào)，e(n-1)為上一個(gè)周期的偏差信號(hào)，e(n-2)為上上個(gè)周期的偏差信號(hào)。KP為比例增益，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間，則PID根本算式的公式如下：1〕位置型PID算式〔3.1〕根據(jù)微分方程和差分方程的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，如果微分方程中的積分運(yùn)算對(duì)應(yīng)差分方程的累加運(yùn)算，微分方程對(duì)應(yīng)一個(gè)周期的增量變化，則能很容易的推導(dǎo)出表達(dá)式3.1。2〕增量型PID算式〔3.2〕由增量型PID算式也可以得到PID控制器的位置輸出：〔3.3〕3〕速度型PID算式速度型PID算式的輸出值和執(zhí)行器的位置變化率〔如調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度變化率、直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度等〕相對(duì)應(yīng)，它是由增量型PID算式除以T得到：〔3.4〕[3]3.5.2回路定義表從在PID指令框中輸入的表格〔TBL〕起始地址為回路表分配八十〔80個(gè)字節(jié)。S7-200的PID指令引用一個(gè)包含回路參數(shù)的回路表。此表起初的長(zhǎng)度為36個(gè)字節(jié)。在增加了PID自動(dòng)調(diào)諧后，回路表現(xiàn)已擴(kuò)展到80個(gè)字節(jié)。如果使用PID調(diào)諧控制面板，與PID回路表的全部相互作用將由此控制面板代您完成。如果需要由操作員板提供自動(dòng)調(diào)諧能力，您的程序必須提供操作員和PID回路表之間的相互作用，以發(fā)起和監(jiān)視此自動(dòng)調(diào)諧進(jìn)程，以及隨后套用建議的調(diào)諧數(shù)值。表3.1回路定義表偏移量域格式類(lèi)型說(shuō)明0PVn進(jìn)程變量雙字–實(shí)數(shù)入包含進(jìn)程變量，必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。4SPn設(shè)定值雙字–實(shí)數(shù)入包含設(shè)定值，必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。8Mn輸出雙字–實(shí)數(shù)入/出包含計(jì)算輸出，在0.0至1.0范圍內(nèi)。12Kc增益雙字–實(shí)數(shù)入包含增益，此為比例常數(shù)，可為正數(shù)或負(fù)數(shù)。16Ts采樣時(shí)間雙字–實(shí)數(shù)入包含采樣時(shí)間，以秒為單位，必須為正數(shù)。20TI積分時(shí)間或復(fù)原雙字–實(shí)數(shù)入包含積分時(shí)間或復(fù)原，以分鐘為單位，必須為正數(shù)。24TD微分時(shí)間或速率雙字–實(shí)數(shù)入包含微分時(shí)間或速率，以分鐘為單位，必須為正數(shù)。28MX偏差雙字–實(shí)數(shù)入/出包含0.0和1.0之間的偏差或積分和數(shù)值。32PVn-1以前的進(jìn)程變量雙字–實(shí)數(shù)入/出包含最后一次執(zhí)行PID指令存儲(chǔ)的進(jìn)程變量以前的數(shù)值。3.5.3PID回路計(jì)算方法S7-200CPU提供PID回路指令〔比例、積分、微分回路〕，執(zhí)行PID計(jì)算。PID回路操作取決于存儲(chǔ)在36個(gè)字節(jié)回路表中的9個(gè)參數(shù)。在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，PID控制器管理輸出數(shù)值，以便將錯(cuò)誤〔e〕驅(qū)動(dòng)為零。錯(cuò)誤測(cè)量由設(shè)定值〔所需的操作點(diǎn)〕和進(jìn)程變量〔實(shí)際操作點(diǎn)〕之間的差異決定。PID控制原則基于以下公式，其中將輸出M(t)表示為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)：〔3.5〕其中：M(t)作為時(shí)間函數(shù)的回路輸出TD回路增益E回路錯(cuò)誤〔設(shè)定值和進(jìn)程變量之間的差異〕Minitial回路輸出的初始值為了在數(shù)字計(jì)算機(jī)中運(yùn)行該控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)量化為錯(cuò)誤值的定期樣本，并隨后計(jì)算輸出。數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算以以下相應(yīng)的公式為根基：〔3.6〕其中：Mn采樣時(shí)間n的回路輸出計(jì)算值Kc回路增益en采樣時(shí)間n的回路錯(cuò)誤值en-1回路錯(cuò)誤的前一個(gè)數(shù)值〔在采樣時(shí)間n-1〕KI積分項(xiàng)的比例常數(shù)Minitial微分項(xiàng)的比例常數(shù)KD微分項(xiàng)的比例常數(shù)在該公式中，積分項(xiàng)被顯示為全部錯(cuò)誤項(xiàng)的函數(shù)，從第一個(gè)樣本至當(dāng)前樣本。微分項(xiàng)是當(dāng)前樣本和前一個(gè)樣本的函數(shù)，而比例項(xiàng)僅是當(dāng)前樣本的函數(shù)。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，既不可能也沒(méi)有必要存儲(chǔ)所有的錯(cuò)誤項(xiàng)樣本。因?yàn)閺牡谝粋€(gè)樣本開(kāi)場(chǎng)，每次對(duì)錯(cuò)誤采樣時(shí)數(shù)字計(jì)算機(jī)都必須計(jì)算輸出值，因此僅需存儲(chǔ)前一個(gè)錯(cuò)誤值和前一個(gè)積分項(xiàng)數(shù)值。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果的重復(fù)性，可在任何采樣時(shí)間對(duì)公式進(jìn)展簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的公式為：(3.7)其中：Mn采樣時(shí)間n的回路輸出計(jì)算值Kc回路增益en采樣時(shí)間n的回路錯(cuò)誤值en-1回路錯(cuò)誤的前一個(gè)數(shù)值〔采樣時(shí)間n–1〕KI積分項(xiàng)的比例常數(shù)MX積分項(xiàng)的前一個(gè)數(shù)值〔采樣時(shí)間n–1〕KD微分項(xiàng)的比例常數(shù)計(jì)算回路輸出值時(shí)，CPU使用對(duì)上述簡(jiǎn)化公式的修改格式。修改后的公式為：(3.8)其中：Mn采樣時(shí)間n的回路輸出計(jì)算值MPn采樣時(shí)間n的回路輸出比例項(xiàng)數(shù)值MIn采樣時(shí)間n的回路輸出積分項(xiàng)數(shù)值MDn采樣時(shí)間n的回路輸出微分項(xiàng)數(shù)值比例項(xiàng)MP是增益〔Kc〕和偏差〔e〕的乘積。其中Kc決定輸出對(duì)偏差的靈敏度，偏差〔e〕是給定值〔SP〕與過(guò)程變量值〔PV〕之差，S7-200解決的求比例項(xiàng)的算式是：〔3.9〕其中：MPn第n采樣時(shí)刻比例項(xiàng)的值Kc增益SPn第n采樣時(shí)刻的給定值PVn第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量的值積分項(xiàng)值MI與偏差和成正比。S7-200解決的求積分的算式是：〔3.10〕其中：MIn第n采樣時(shí)刻積分項(xiàng)的值Kc增益Ts采樣時(shí)間間隔Ti積分時(shí)間SPn第n采樣時(shí)刻的給定值PVn第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量的值MX第n-1采樣時(shí)刻積分項(xiàng)〔積分項(xiàng)前值〕積分和〔MX〕是所有積分項(xiàng)前值之和，在每次計(jì)算出MIn后，都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被調(diào)整或限制，MX的處置通常在第一次計(jì)算輸出以前被設(shè)為Minitial〔初值〕。積分項(xiàng)還包括其他幾個(gè)常數(shù)：增益〔Kc〕，采樣時(shí)間〔Ts〕和積分時(shí)間〔Ti〕。其中采樣時(shí)間是重新計(jì)算輸出的時(shí)間間隔，而積分時(shí)間控制積分項(xiàng)在整個(gè)輸出結(jié)果中影響的大小。微分項(xiàng)值Md與偏差的變化成正比，S7-200使用以下算式來(lái)求解微分項(xiàng)：〔3.11〕為了防止給定值變化的微分作用而引起的跳變，假定給定值不變SPn=SPn-1，這樣可以用過(guò)程變量的變化替代偏差的變化，計(jì)算算式可改良為：〔3.12〕其中：Mdn第n采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值Kc回路增益Ts回路采樣時(shí)間Td微分時(shí)間SPn第n采樣時(shí)刻的給定值SPn-1第n-1采樣時(shí)刻的給定值PVn第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量的值PVn-1第n-1采樣時(shí)刻的過(guò)程變量的值為了下一次計(jì)算微分項(xiàng)值，必須保存過(guò)程變量，而不是偏差，在第一采樣時(shí)刻，初始化為PVn-1=PVn。在許多控制系統(tǒng)中，只需要一兩種回路控制類(lèi)型。例如只需要比例回路或者比例積分回路，通過(guò)設(shè)置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類(lèi)型。如果不想要積分動(dòng)作〔PID計(jì)算中沒(méi)有“I〞〕，可以吧積分時(shí)間〔復(fù)位〕置為無(wú)窮大“INF〞。即使沒(méi)有積分作用，積分項(xiàng)還是不為零，因?yàn)橛谐踔礛X。如果不想要微分回路，可以把微分時(shí)間置為零。如果不想要比例回路，但需要積分或積分微分回路，可以把增益設(shè)為0.0，系統(tǒng)會(huì)在計(jì)算積分項(xiàng)和微分項(xiàng)時(shí)，把增益當(dāng)作1.0對(duì)待。[5]4S7-200PLC控制程序的設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)完成過(guò)后，就需要進(jìn)展軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)的要求，因此軟件設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中也是相當(dāng)?shù)闹匾?。有了好的適宜的程序才能使系統(tǒng)發(fā)揮其最大的優(yōu)勢(shì)，來(lái)調(diào)節(jié)加熱爐的溫度。4.1控制程序的組成控制程序主要由溫度采集程序、數(shù)據(jù)濾波程序、PID控制程序組成，溫度采集程序的作用是將溫度值轉(zhuǎn)換成PLC能夠識(shí)別的數(shù)值。數(shù)據(jù)濾波程序是為了消除干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在PID控制前，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展處理，這樣是為了防止由于外部的干擾而導(dǎo)致PID運(yùn)算出錯(cuò)。因此，濾波程序是非常的重要的。4.2溫度采集程序設(shè)計(jì)圖4.2.1溫度采集程序溫度采集程序，由于溫度變送器送出的是4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，信號(hào)采集模塊將采集到的電流轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)過(guò)后，再通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換，使得采集到的數(shù)據(jù)變成標(biāo)準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)，方便識(shí)別。同時(shí)采集到的數(shù)值也需要轉(zhuǎn)化成PLC的PID運(yùn)算要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類(lèi)型。爐溫實(shí)際溫度的檢測(cè)是要將溫度量轉(zhuǎn)化為PLC可識(shí)別的量，所以，將溫度變送器輸出的值先由16位的整型轉(zhuǎn)化為32位的雙整型，再由雙整型轉(zhuǎn)化為實(shí)型，實(shí)型小數(shù)點(diǎn)后可有6位，故比照準(zhǔn)確。此時(shí)得到測(cè)得溫度值在PLC中計(jì)算所對(duì)應(yīng)的數(shù)，將該數(shù)送入變量存放器VD296。4.3數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)圖4.3.1網(wǎng)絡(luò)一網(wǎng)絡(luò)一的程序是將每次采集到的值進(jìn)展累加，將累加后得到的值存入VD300中，進(jìn)展累加后就將得到所采集到的溫度值的總和。每次采集十組數(shù)據(jù)。圖4.3.2網(wǎng)絡(luò)二網(wǎng)絡(luò)二是找出最大值和最小值。圖4.3.3網(wǎng)絡(luò)三網(wǎng)絡(luò)三是將VB0存放器中的數(shù)據(jù)清零。圖4.3.4網(wǎng)絡(luò)四網(wǎng)絡(luò)四是將最大值和最小值從所求的總和中減去，從而實(shí)現(xiàn)，減去一個(gè)最大值和減去一個(gè)最小值，到達(dá)限幅的作用。圖4.3.5網(wǎng)絡(luò)五網(wǎng)絡(luò)五是將剩下的總和求平均，從而得到設(shè)計(jì)中想的到的溫度值。圖4.3.6網(wǎng)絡(luò)六網(wǎng)絡(luò)六的作用是將所有使用過(guò)的存放器初始化。數(shù)據(jù)濾波的方法有很多種，其中軟件濾波的方法包括：限幅濾波、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法〔又稱(chēng)滑動(dòng)平均濾波法〕、中位值平均濾波法〔又稱(chēng)防脈沖干擾平均濾波法〕、限幅平均濾波法、一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖濾波法、限幅消抖濾波法。圖4.3.1到圖4.3.6的程序圖使用的是限幅平均值濾波。整體思想是，將十次采集到的數(shù)據(jù)，先去掉一個(gè)最大值，然后去掉一個(gè)最小值，然后將剩下的8個(gè)數(shù)求和取平均值。4.4PID控制程序設(shè)計(jì)圖4.4.1PID控制程序PID控制程序在整個(gè)程序中是重要的組成局部，通過(guò)PID控制程序可以很好的控制加熱爐的工作狀態(tài)。PID控制程序在整個(gè)程序中是重要的組成局部，通過(guò)PID控制程序可以很好的控制加熱爐的工作狀態(tài)。當(dāng)被控對(duì)象的構(gòu)造和參數(shù)不能完全掌握，或得不到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的構(gòu)造和參數(shù)必須依靠經(jīng)歷和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。本設(shè)計(jì)采用的是閉環(huán)控制系統(tǒng)。比例增益、積分時(shí)間、比例時(shí)間，根據(jù)回路定義表的要求分別存到VD332、VD340、VD344中。5WinCC組態(tài)WinCC的組態(tài)在人機(jī)界面的制作中是必不可少的過(guò)程，只有正確的將各個(gè)變量正確的組合到WinCC當(dāng)中，我們才能正常的監(jiān)視加熱爐的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)的對(duì)加熱爐進(jìn)展控制。5.1變量組態(tài)變量組態(tài)是通過(guò)PCACCESS完成的，PCACCESS是專(zhuān)用于S7-200PLC的OPCServer〔服務(wù)器〕軟件，它向OPC客戶端提供數(shù)據(jù)信息，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPCClient〔客戶端〕通訊。變量組態(tài)完成后，可以用軟件自帶的OPC客戶測(cè)試端檢測(cè)其工程的變量是否通訊及配置是否正確。變量組態(tài)在畫(huà)面組態(tài)前是相當(dāng)重要的工作，只有通過(guò)OPC客戶測(cè)試端檢測(cè)通訊正常后，WinCC組態(tài)后的變量才能正常和PLC通訊。OPC的使用步驟：設(shè)置通訊訪問(wèn)通道、創(chuàng)立PLC、創(chuàng)立Folder、創(chuàng)立Item、測(cè)試通訊質(zhì)量。當(dāng)測(cè)試通訊質(zhì)量顯示好時(shí)，說(shuō)明了變量組態(tài)完成。變量組態(tài)如表5.1。表5.1變量組態(tài)表名稱(chēng)地址數(shù)據(jù)類(lèi)型存取TVD296REALRWINPUTVD200REALRWKcVD332REALRWTiVD340REALRWTdVD344REALRWPVD204REALRW5.2畫(huà)面組態(tài)翻開(kāi)WinCCExplorer窗口創(chuàng)立一個(gè)WinCC單用戶工程，在變量管理器添加新的驅(qū)動(dòng)程序OPC。在OPC工程管理器中添加S7-200的系統(tǒng)參數(shù)。將所需要的變量全部添加到變量管理器中。然后在WinCC資源管理器中，右擊“圖形編輯器〞，在彈出的菜單中，單擊“新建畫(huà)面〞選項(xiàng)，選擇新建畫(huà)面，系統(tǒng)默認(rèn)畫(huà)面名為“NewPdl.pdl〞〔pdl為畫(huà)面描述文件〕，雙擊擊“NewPdl.pdl〞，進(jìn)入圖形編輯畫(huà)面。進(jìn)入圖形編輯界面后，就要進(jìn)展圖形的編輯，首先是利用靜態(tài)文本顯示輸出值，這種窗口的數(shù)據(jù)只能看，不能進(jìn)展修改，所以只適用于我溫度輸出值顯示。而需要輸入數(shù)據(jù)的就使用輸入輸出文本。這種文本的數(shù)據(jù)可以進(jìn)展實(shí)時(shí)的修改，并把修改的變量值傳送PLC，例如溫度設(shè)定值，PID算法的增益，積分時(shí)間，微分時(shí)間都需要用這種方式。然后再建設(shè)曲線圖，曲線圖主要用來(lái)進(jìn)展設(shè)定值與顯示值的比照。整個(gè)畫(huà)面組態(tài)完成后的圖如圖5.2.1所示。圖5.2.1畫(huà)面組態(tài)5.3變量連接S7-200與WinCC的通訊是PPI協(xié)議，PPI協(xié)議是西門(mén)子S7-200系列PLC常用通信協(xié)議，但WinCC中沒(méi)有集成該協(xié)議，即WinCC不能直接監(jiān)控S7-200系列PLC組成的控制系統(tǒng)。S7-200OPCServer是西門(mén)子公司推出的專(zhuān)為解決上位機(jī)監(jiān)控S7-200系列PLC控制系統(tǒng)的接口軟件。因此，WinCC可以通過(guò)該軟件與S7-200系列PLC很方便的建設(shè)通信。在WinCC變量管理器中添加一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)程序，新的驅(qū)動(dòng)程序選擇OPC.CHN，在OPCGROUP中新建一個(gè)連接，翻開(kāi)屬性，選擇OPCGroupSetting，OPC服務(wù)器名稱(chēng)為OPCServer.MicroComputing。然后在新添加的連接中新建變量，變量的ItemName與S7-200系列PLC中用于監(jiān)控的變量名對(duì)應(yīng)。變量連接的根本步驟如下：1)用STEP7MICROWIN完成S7-200的工程建設(shè)和編程，其中必須為OPC準(zhǔn)備好符號(hào)表。注意符號(hào)表名稱(chēng)以及表中變量名都禁用中文，這是OPC的要求。2)安裝PCACCESS，然后導(dǎo)入前面建設(shè)的S7-200符號(hào)表，同時(shí)定義PCaccess到S7-200的通訊。這在PG/PCINTERFACE中完成。具體通過(guò)PPI，或MPI，或PROFIBUS，或以太，或MODEM均可以，根據(jù)所用硬件定。3)進(jìn)入WinCC，添加OPC驅(qū)動(dòng)，定義OPC的屬性時(shí)點(diǎn)擊瀏覽。瀏覽路徑是LOCAL/SIMATICS7-200OPCSERVER，由此按提示將導(dǎo)入到PCACCESS中的變量添加到WinCC。4)進(jìn)入WinCC完成其他組態(tài)，即可引用S7-200中的變量。變量連接后，運(yùn)行WinCC，相應(yīng)的變量的值就會(huì)在WinCC上很好的顯示出來(lái)，顯示結(jié)果如圖5.3.1.圖5.3.1變量顯示圖6程序調(diào)試程序調(diào)試是非常重要的階段，我們寫(xiě)程序不可能一寫(xiě)就對(duì)，在編寫(xiě)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的問(wèn)題，當(dāng)然我們就必須通過(guò)程序調(diào)試，使得程序正確，到達(dá)預(yù)期的功能，通過(guò)修改和調(diào)試程序，也可以使控制的品質(zhì)更高。6.1PLC調(diào)試方法與結(jié)果PLC程序的調(diào)試分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試兩個(gè)調(diào)試過(guò)程，在此之前首先對(duì)PLC外部接線作仔細(xì)檢查，外部接線一定要準(zhǔn)確無(wú)誤。也可以用事先編寫(xiě)好的試驗(yàn)程序?qū)ν獠拷泳€做掃描通電檢查來(lái)查找接線故障。為了安全考慮，最好將主電路斷開(kāi)。將編寫(xiě)完成的程序逐條仔細(xì)檢查，并改正寫(xiě)入時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。當(dāng)我寫(xiě)完程序過(guò)后，首先編譯檢查錯(cuò)誤，看使用的語(yǔ)句中是否有違反PLC規(guī)定的用法，發(fā)現(xiàn)了語(yǔ)句錯(cuò)誤過(guò)后馬上進(jìn)展修改，通過(guò)屢次的修改，最后程序沒(méi)有語(yǔ)言錯(cuò)誤，下面就是檢查是否有邏輯錯(cuò)誤，看整個(gè)程序的運(yùn)行狀況假設(shè)何樣，能否到達(dá)預(yù)期的效果。在第一次運(yùn)行的過(guò)程中有一段語(yǔ)句