基于PLC的鍋爐溫度控制系統(tǒng)-職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文

南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì)畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 題目：題目：基于PLC的鍋爐溫度控制系統(tǒng) 姓姓名：名： 所在系部：所在系部： 班級(jí)名稱：班級(jí)名稱： 學(xué)學(xué)號(hào)：號(hào)： 指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師： 202012 2 年年 12 2 月月 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 目錄 目錄.I 摘要.III 第一章 緒論.1 1.1 課題背景及研究目的和意義.1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1 1.3 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容2 第二章 PLC 和組態(tài)軟件基礎(chǔ). 4 2.1 可編程控制器基礎(chǔ).4 2.1.1 可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用4 2.1.2 可編程控制器的組成4 2.2.3 可編程控制器的工作原理.5 2.1.4 可編程控制器的分類及特點(diǎn).6 2.2 組態(tài)軟件的基礎(chǔ).7 2.2.1 組態(tài)的定義7 2.2.2 組態(tài)王軟件的特點(diǎn)8 第三章PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì). 9 3.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟.9 3.1.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則9 3.1.2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟9 3.1.3 PLC 程序設(shè)計(jì)的一般步驟10 3.2 PLC 的選型和硬件配置.11 3.2.1 PLC 型號(hào)的選擇11 3.2.2 S7-200 CPU 的選擇11 3.2.3 EM235 模擬量輸入/輸出模塊.11 3.2.4 熱電式傳感器.12 3.2.5 可控硅加熱裝置簡(jiǎn)介.12 3.3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案和電氣連接圖.12 3.4 PLC 控制器的設(shè)計(jì).13 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II 3.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立.13 3.4.2 PID 控制及參數(shù)整定14 4.1 PLC 程序設(shè)計(jì)的方法.16 4.2 編程軟件 STEP7-Micro/WIN 概述.17 4.2.1 STEP7-Micro/WIN 簡(jiǎn)單介紹.17 4.2.2 計(jì)算機(jī)與 PLC 的通信.18 4.3 程序設(shè)計(jì)18 4.3.3 控制程序及分析.24 第五章 組態(tài)畫面的設(shè)計(jì).30 5.1 新建項(xiàng)目30 5.2 組態(tài)畫面創(chuàng)建.34 5.2.1 新建主畫面.34 5.2.2 新建 PID 參數(shù)設(shè)定窗口.35 5.2.3 新建數(shù)據(jù)報(bào)表.35 5.2.4 新建實(shí)時(shí)曲線.36 5.2.5 新建歷史曲線.36 5.2.6 新建報(bào)警窗口.37 第六章 系統(tǒng)測(cè)試.38 6.1 啟動(dòng)組態(tài)王.38 6.2 實(shí)時(shí)曲線觀察39 6.3 分析歷史趨勢(shì)曲線.39 6.4 查看數(shù)據(jù)報(bào)表.41 6.5 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試.42 致謝.43 參考文獻(xiàn).44 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 摘要 從上世紀(jì)80年代至90年代中期，PLC得到了快速的發(fā)展，在這時(shí)期，PLC在處理模擬 量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程 控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用 性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè) 自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。 本文介紹了以鍋爐為被控對(duì)象，以鍋爐出口水溫為主被控參數(shù)，以爐膛內(nèi)水溫為副 被控參數(shù)，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數(shù)，以PLC為控制器，構(gòu)成鍋爐溫度串級(jí)控制 系統(tǒng)；采用PID算法，運(yùn)用PLC梯形圖編程語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的自動(dòng)控制。 電熱鍋爐的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，在相當(dāng)多的領(lǐng)域里，電熱鍋爐的性能優(yōu)劣決定了產(chǎn) 品的質(zhì)量好壞。目前電熱鍋爐的控制系統(tǒng)大都采用以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)控制技 術(shù)，既提高設(shè)備的自動(dòng)化程度又提高設(shè)備的控制精度。 本文分別就電熱鍋爐的控制系統(tǒng)工作原理，溫度變送器的選型、PLC配置、組態(tài)軟 件程序設(shè)計(jì)等幾方面進(jìn)行闡述。通過改造電熱鍋爐的控制系統(tǒng)具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、 可靠性高，控制精度好等特點(diǎn)，對(duì)工業(yè)控制有現(xiàn)實(shí)意義。 關(guān)鍵詞：電熱鍋爐的控制系統(tǒng)溫度控制串級(jí)控制PLCPID 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 1.1 課題背景及研究目的和意義 電熱鍋爐的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，電熱鍋爐的性能優(yōu)劣決定了產(chǎn)品的質(zhì)量好壞。目前 電熱鍋爐的控制系統(tǒng)大都采用以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)， 既提高設(shè)備的自動(dòng) 化程度又提高設(shè)備的控制精度。 PLC 的快速發(fā)展發(fā)生在上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期。在這時(shí)期，PLC 在處理模擬 量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到了很大的提高和發(fā)展。PLC 逐漸 進(jìn)入過程控制領(lǐng)域， 在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。 PLC 具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 電熱鍋爐是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，可將電能直接轉(zhuǎn)化成熱能，具有效率高，體積小， 無污染，運(yùn)行安全可靠，供熱穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，是理想的節(jié)能環(huán)保的供暖設(shè) 備。加上目前人們的環(huán)保意識(shí)的提高，電熱鍋爐越來越受人們的重視，在工業(yè)生產(chǎn)和民 用生活用水中應(yīng)用越來越普及。電熱鍋爐目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控 制水的溫度，保證恒溫供水。 PID 控制是迄今為止最通用的控制方法之一。因?yàn)槠淇煽啃愿?、算法?jiǎn)單、魯棒性 好， 所以被廣泛應(yīng)用于過程控制中， 尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。 PID 控制的效果完全取決于其四個(gè)參數(shù)，即采樣周期 ts、比例系數(shù) Kp、積分系數(shù) Ki、微分系 數(shù) Kd。因而，PID 參數(shù)的整定與優(yōu)化一直是自動(dòng)控制領(lǐng)域研究的重要課題。PID 在工業(yè) 過程控制中的應(yīng)用已有近百年的歷史，在此期間雖然有許多控制算法問世，但由于 PID 算法以它自身的特點(diǎn)，再加上人們?cè)陂L(zhǎng)期使用中積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，使之在工業(yè)控制中得 到廣泛應(yīng)用。在 PID 算法中，針對(duì) P、I、D 三個(gè)參數(shù)的整定和優(yōu)化的問題成為關(guān)鍵問題。 5 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 自 70 年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是微電子技術(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)的發(fā)展迅速， 并在智能化，自適應(yīng)、參數(shù)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 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要有以下特點(diǎn)： 1.適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜的溫度控制體統(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.能適用于受控系統(tǒng)過程復(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、人工智能等理 論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)范圍廣泛。 5.溫度控制器普遍具有參數(shù)整定功能。借助于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫度控制器具有對(duì) 控制參數(shù)及特性進(jìn)行自整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能。 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、智能化、小型化等方向發(fā)展。 隨溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然應(yīng)用很廣泛， 但從國(guó)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(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 年代中后期的水平，成熟產(chǎn)品主要 以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適用于一般的溫度系統(tǒng)的控制，難以 控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。能適應(yīng)于較高的控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制 儀表，國(guó)內(nèi)還不十分成熟。 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)的要求越來越高，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)展的趨勢(shì)。 1.3 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容 以鍋爐為被控對(duì)象，以鍋爐出口水溫為主被控參數(shù)，以爐膛內(nèi)水溫為副被控參數(shù)， 以加熱爐電阻絲電壓為控制參數(shù)，以 PLC 為控制器，構(gòu)成鍋爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)；采用 PID 算法，運(yùn)用 PLC 梯形圖編程語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的自 動(dòng)控制。 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。論文通過對(duì)德國(guó)西門子公司的 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)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到 PLC 中 進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)， PID 控制器輸出轉(zhuǎn)化為 0-10mA 的電流信號(hào)輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率。對(duì)于監(jiān)控畫面，利用亞控公司的組 態(tài)軟件“組態(tài)王“ 串級(jí)系統(tǒng)是由調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié) 器的給定值的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副 變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主 調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。一次擾動(dòng)：作用在主被控過 程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控過程上的， 即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不 僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過程特性。 副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)” 的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第二章 PLC 和組態(tài)軟件基礎(chǔ) 可編程控制器是是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱 PLC，它使用可編程序的記憶以存儲(chǔ) 指令，用來執(zhí)行邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入輸 出，以控制各種機(jī)械或過程。 2.1可編程控制器基礎(chǔ) 2.1.1可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用 1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司成功研制世界第一臺(tái)可編程序控制器 PDP-14，并在 GM 公司的汽車自動(dòng)裝配線上首次使用并獲得成功。1971年日本從美國(guó)引進(jìn)這項(xiàng)技 術(shù)，很快研制出第一臺(tái)可編程序控制器 DSC-18。1973年西歐國(guó)家也研制出他們的 第一臺(tái)可編程控制器。我國(guó)從1974年開始研制，1977年開始工業(yè)推廣應(yīng)用。進(jìn)入 20世紀(jì)70年代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是 PLC 采用通訊微處理器之后，這種 控制器功能得到更進(jìn)一步增強(qiáng)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成 電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以16位和少數(shù)32位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化 PLC，使 PLC 的功能增強(qiáng)，工作速度快，體積減小，可靠性提高，成本下降，編程和故障檢 測(cè)更為靈活，方便。目前，PLC 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、 建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。 2.1.2可編程控制器的組成 可編程控制器的組成:PLC 包括 CPU 模塊、I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或 機(jī)架。 1.CPU CPU 是 PLC 的核心， 它按 PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能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)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。CPU 主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu) 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 成，CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。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。CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決 定著 PLC 的工作速度，IO 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 2.I/O 模塊 PLC 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。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)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O 分為開 關(guān)量輸入（DI） ，開關(guān)量輸出（DO） ，模擬量輸入（AI） ，模擬量輸出（AO）等模塊。 常用的 I/O 分類如下： 開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電 器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA，0-20mA） 、電壓型（0-10V，0-5V， -10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit 等。 除了上述通用 IO 外，還有特殊 IO 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 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 的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 3.編程器 編程器的作用是用來供用戶進(jìn)行程序的輸入、編輯、調(diào)試和監(jiān)視的。編程器一般分 為簡(jiǎn)易型和智能型兩類。簡(jiǎn)易型只能聯(lián)機(jī)編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言助 記符后才能送入。而智能型編程器（又稱圖形編程器） ，不但可以連機(jī)編程，而且還可 以脫機(jī)編程。操作方便且功能強(qiáng)大。 4.電源 PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電 路提供24V 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC 或110VAC） ，直流電 源（常用的為24VDC） 。 2.2.3可編程控制器的工作原理 PLC 的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時(shí)間稱為 掃描周期或工作周期。 CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。 PLC 就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上 述循環(huán)掃描的。 PLC 工作的全過程可用圖 2-1 所示的運(yùn)行框圖來表示。 圖2.1 可編程控制器運(yùn)行框圖 2.1.4 可編程控制器的分類及特點(diǎn) 1.小型 PLC 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 小型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)一般在128 點(diǎn)以下，其特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個(gè)硬件 融為一體，除了開關(guān)量 I/O 以外，還可以連接模擬量 I/O 以及其他各種特殊功能模塊。 它能執(zhí)行包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)、運(yùn)算數(shù)據(jù)處理和傳送通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應(yīng) 用指令。 2.中型 PLC 中型 PLC 采用模塊化結(jié)構(gòu)，其 I/O 點(diǎn)數(shù)一般在2561024 點(diǎn)之間，I/O 的處理方 式除了采用一般 PLC 通用的掃描處理方式外， 還能采用直接處理方式即在掃描用戶程序 的過程中直接讀輸入刷新輸出，它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強(qiáng)，指令 系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。 3.大型 PLC 一般 I/O 點(diǎn)數(shù)在1024 點(diǎn)以上的稱為大型 PLC，大型 PLC 的軟硬件功能極強(qiáng)，具有 極強(qiáng)的自診斷功能、通訊聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊可以構(gòu)成三級(jí)通訊網(wǎng)實(shí)現(xiàn) 工廠生產(chǎn)管理自動(dòng)化，大型 PLC 還可以采用冗余或三 CPU 構(gòu)成表決式系統(tǒng)使機(jī)器的可 靠性更高 2.2組態(tài)軟件的基礎(chǔ) 2.2.1組態(tài)的定義 組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務(wù)的過程。 組態(tài)軟件是有專業(yè)性的，一種組態(tài)軟件只能適合某種領(lǐng)域的應(yīng)用。組態(tài)的概念最 早出現(xiàn)在工業(yè)計(jì)算機(jī)控制中，如 DCS(集散控制系統(tǒng))組態(tài)，PLC 梯形圖組態(tài)。人機(jī) 界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。工業(yè)控制中形成的組態(tài)結(jié)果是用在實(shí)時(shí)監(jiān)控的。 從表面上看，組態(tài)工具的運(yùn)行程序就是執(zhí)行自己特定的任務(wù)。 工控組態(tài)軟件也提 供了編程手段，一般都是內(nèi)置編譯系統(tǒng)，提供類 BASIC 語言，有的支持 VB，現(xiàn)在 有的組態(tài)軟件甚至支持 C#高級(jí)語言。 在當(dāng)今工控領(lǐng)域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有：ABB-OptiMax，WinCC， iFix，Intouch，組態(tài)王，力控，易控，MCGS 等。本設(shè)計(jì)采用亞控的組態(tài)王軟件進(jìn) 行組態(tài)的設(shè)計(jì)。 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 2.2.2組態(tài)王軟件的特點(diǎn) 組態(tài)王軟件具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。 通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控 層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題： 畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用 Windows 的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面， 并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等，可便利的 生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第三章PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本章主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)的角度，介紹該項(xiàng)目的 PLC 控制系統(tǒng)的 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)參數(shù)的整定。 3.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 3.1.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 1.充分發(fā)揮 PLC 功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求。 2.在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。 3.保證控制系統(tǒng)安全可靠。 4.應(yīng)考慮生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)， 在選擇 PLC 的型號(hào)、 IO 點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量等內(nèi) 容時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以利于系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充。 3.1.2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 設(shè)計(jì) PLC 應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，首先是進(jìn)行 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，即根據(jù)被控對(duì)象的功 能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進(jìn)行 PLC 應(yīng)用系統(tǒng) 的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號(hào)的種類、 數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，具體的確定 PLC 的機(jī)型和系統(tǒng)的 具體配置。PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以按以下步驟進(jìn)行： 1.熟悉被控對(duì)象，制定控制方案 分析被控對(duì)象的工藝過程及工作特點(diǎn)，了解被控 對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，確定被控對(duì)象對(duì) PLC 控制系統(tǒng)的控制要求。 2.確定 IO 設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關(guān)、 選擇開關(guān)等)和輸出設(shè)備(如接觸器、 電磁閥、 信號(hào)指示燈等)由此確定 PLC 的 IO 點(diǎn)數(shù)。 3.選擇 PLC 選擇時(shí)主要包括 PLC 機(jī)型、容量、IO 模塊、電源的選擇。 4.分配 PLC 的 IO 地址根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)需要，確定控制按鈕，選擇開關(guān)、接 觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等各種輸入輸出設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的 PLC 的型號(hào)列出輸入輸出設(shè)備與 PLC 輸入輸出端子的對(duì)照表，以便繪制 PLC 外部 IO 接 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 線圖和編制程序。 5.設(shè)計(jì)軟件及硬件進(jìn)行 PLC 程序設(shè)計(jì)， 進(jìn)行控制柜 （臺(tái)） 等硬件的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。 由于程序與硬件設(shè)計(jì)可同時(shí)進(jìn)行，因此，PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短，而對(duì)于 繼電器系統(tǒng)必須先設(shè)計(jì)出全部的電氣控制線路后才能進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。 6.聯(lián)機(jī)調(diào)試 聯(lián)機(jī)調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。 3.1.3 PLC 程序設(shè)計(jì)的一般步驟 1.繪制系統(tǒng)的功能圖。 2.設(shè)計(jì)梯形圖程序。 3.根據(jù)梯形圖編寫指令表程序。 4.對(duì)程序進(jìn)行模擬調(diào)試及修改，直到滿足控制要求為止。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。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟可參考圖 3-1 ： 圖 3-1 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 3.2 PLC 的選型和硬件配置 3.2.1 PLC 型號(hào)的選擇 本溫度控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門子 S7-200 PLC。S7-200 是一種小型的可編程序控制 器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功 能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中， 或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。 因此 S7-200系列具有 極高的性能/價(jià)格比。 3.2.2 S7-200 CPU 的選擇 S7-200 系列的PLC 有CPU221、 CPU222、 CPU224、 CPU226等類型。 此系統(tǒng)選用的S7-200 CPU226，CPU 226集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大 擴(kuò)展至248路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或35路模擬量 I/O 點(diǎn)。 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。 6個(gè)獨(dú) 立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。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。I/O 端子排可很 容易地整體拆卸。 3.2.3 EM235 模擬量輸入/輸出模塊 在溫度控制系統(tǒng)中， 傳感器將檢測(cè)到的溫度轉(zhuǎn)換成4-20mA 的電流信號(hào)， 系統(tǒng)需要配 置模擬量的輸入模塊把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入 PLC 中進(jìn)行處理。 在這里我們選 擇西門子的 EM235 模擬量輸入/輸出模塊。EM235 模塊具有4路模擬量輸入/一路模擬量 的輸出。它允許 S7-200連接微小的模擬量信號(hào)，80mV 范圍。用戶必須用 DIP 開關(guān)來 選擇熱電偶的類型，斷線檢查，測(cè)量單位，冷端補(bǔ)償和開路故障方向：SW1SW3用于選 擇熱電偶的類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測(cè)方向，SW6用于選擇是否進(jìn)行斷 線檢測(cè)，SW7用于選擇測(cè)量方向，SW8用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償。所有連到模塊上的熱 電偶必須是相同類型。 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 3.2.4 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。 其中最為常用于測(cè)量溫度的是熱電偶和 熱電阻，熱電偶是將溫度轉(zhuǎn)化為電勢(shì)變化，而熱電阻是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。 這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。 該系統(tǒng)需要的傳感器是將溫度轉(zhuǎn)化為電流，且水溫最高是100，所以選擇 Pt100 鉑熱電阻傳感器。P100鉑熱電阻，簡(jiǎn)稱為：PT100鉑電阻，其阻值會(huì)隨著溫度的變 化而改變。PT 后的100即表示它在0時(shí)阻值為100歐姆，在100時(shí)它的阻值約為 138.5歐姆。它的工作原理：當(dāng) PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的 的阻值會(huì)隨著溫度上升它的阻值成勻速增長(zhǎng) 3。 3.2.5可控硅加熱裝置簡(jiǎn)介 對(duì)于要求保持恒溫控制而不要溫度記錄的電阻爐采用帶PID調(diào)節(jié)的數(shù)字式溫度顯示 調(diào)節(jié)儀顯示和調(diào)節(jié)溫度，輸出010mA 作為直流信號(hào)輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā) 板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，完全可以滿足要求，投入成本低，操作 方便直觀并且容易維護(hù)。 溫度測(cè)量與控制是熱電偶采集信號(hào)通過 PID 溫度調(diào)節(jié)器測(cè)量和 輸出010mA 或420mA 控制觸發(fā)板控制可控硅導(dǎo)通角的大小，從而控制主回路加熱元 件電流大小，使電阻爐保持在設(shè)定的溫度工作狀態(tài)?？煽毓铚囟瓤刂破饔芍骰芈泛涂刂?回路組成。主回路是由可控硅，過電流保護(hù)快速熔斷器、過電壓保護(hù) RC 和電阻爐的加 熱元件等部分組成。 3.3系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案和電氣連接圖 系統(tǒng)選用了 PLC CPU 226為控制器，PT100型熱電阻將檢測(cè)到的實(shí)際鍋爐水溫轉(zhuǎn)化為 電流信號(hào)，經(jīng)過 EM231模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號(hào)并送到 PLC 中進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)， PID 控制器輸出轉(zhuǎn)化為010mA 的電流信號(hào)輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可 控硅管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，從而調(diào)節(jié)電熱絲的加熱。PLC 和組態(tài)王連接，實(shí) 現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 整體設(shè)計(jì)方案如圖3-3： 圖3-3整體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)硬件連線圖如圖3-4： 圖 3.4 系統(tǒng)硬件連線圖 3.4 PLC 控制器的設(shè)計(jì) 控制器的設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。最后根 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 在本控制系統(tǒng)中，TT1(出口溫度傳感器)將檢測(cè)到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信 計(jì) 算 機(jī) P L C EM 235 PT100 鍋鍋 爐爐 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 號(hào)送入 EM235 模塊的 A 路，TT2(爐膛溫度傳感器)將檢測(cè)到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電 流信號(hào)送入 EM235 模塊的 B 路。 兩路模擬信號(hào)經(jīng)過 EM235 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入 PLC， PLC 再通過 PID 模塊進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)控制。 具體流程在第四章程序編寫的時(shí)候具體論述。 由 PLC 的串級(jí)控制系統(tǒng)框圖如圖 3-5： 如圖 3-5 串級(jí)控制系統(tǒng)框圖 3.4.2PID 控制及參數(shù)整定 1.PID 控制器的組成 PID 控制器由比例單元（P） 、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其數(shù)學(xué)表達(dá)式 為： 公式（3-1） （1）比例系數(shù) KC對(duì)系統(tǒng)性能的影響： 比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。c偏大，振 蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。c太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。c太小，又會(huì)使系 統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。c可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性 決定的。如果c的符號(hào)選擇不當(dāng)對(duì)象狀態(tài)(pv 值)就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài)(sv 值) 越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況c的符號(hào)就一定要取反。 積分控制i對(duì)系統(tǒng)性能的影響： （2）積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，i?。ǚe分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定， 但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 （3）微分控制d對(duì)系統(tǒng)性能的影響： 微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，d偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。d 偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。只有d合適，才能使超調(diào)量較小，減 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 短調(diào)節(jié)時(shí)間。 2.主、副回路控制規(guī)律的選擇 采用串級(jí)控制，所以有主副調(diào)節(jié)器之分。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié) 器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。主參數(shù)是工藝操作的重要指標(biāo)， 允許波動(dòng)的范圍較小，一般要求無余差，因此，主調(diào)節(jié)器一般選 PI 或 PID 控制， 副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有 余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選 P 控制規(guī)律就可以。在本控制系統(tǒng)中，我們將鍋爐出 口水溫度作為主參數(shù)，爐膛溫度為副參數(shù)。主控制采用 PI 控制，副控制器采用 P 控制。 3.主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定 副調(diào)節(jié)器作用方式的確定： 首先確定調(diào)節(jié)閥，出于生產(chǎn)工藝安全考慮，可控硅輸出電壓應(yīng)選用氣開式，這樣保 證當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障使調(diào)節(jié)閥損壞而處于全關(guān)狀態(tài)， 防止燃料進(jìn)入加熱爐， 確保設(shè)備安全， 調(diào)節(jié)閥的 Kv0 。然后確定副被控過程的 K02，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，電壓增大，爐膛水 溫度上升，所以 K020 。最后確定副調(diào)節(jié)器，為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系 數(shù)(即增益)乘積必須為負(fù)，所以副調(diào)節(jié)器 K 2 0。為保證主回路為負(fù)反 饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為負(fù)，所以主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) K1 0，主調(diào)節(jié)器作用方 式為反作用方式 7。 4.采樣周期的分析 采樣周期 Ts 越小，采樣值就越能反應(yīng)溫度的變化情況。但是，Ts太小就會(huì)增加 CPU 的運(yùn)算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒什么變化，將是 PID 控制器輸出的微分部分接 近于0，所以不應(yīng)使采樣時(shí)間太小。 ，確定采樣周期時(shí)，應(yīng)保證被控量迅速變化時(shí)，能用 足夠多的采樣點(diǎn)，以保證不會(huì)因采樣點(diǎn)過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。 因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是溫度控制系統(tǒng)，溫度具有延遲特性的慣性環(huán)節(jié)，所以采樣時(shí)間不能太 短，一般是15s20s，本系統(tǒng)采樣17s 經(jīng)過上述的分析，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)基本確定了，在系統(tǒng)投運(yùn)之前還要 進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計(jì)算整定法和 工程整定法。 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 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)，經(jīng)過理論的計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等） ，求得最佳的整定參數(shù)。這 類方法比較復(fù)雜，工作量大，而且用于分析法或?qū)嶒?yàn)測(cè)定法求得的對(duì)象數(shù)學(xué)模型 只能近似的反映過程的動(dòng)態(tài)特征，整定的結(jié)果精度不是很高，因此未在工程上受 到廣泛的應(yīng)用。 對(duì)于工程整定法，工程人員無需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計(jì)算所 學(xué)的理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工 程中被廣泛的應(yīng)用常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、 自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法整定控制器的參數(shù)值。整定步驟為“先 比例，再積分，最后微分” 。 （1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大， 觀察各次響應(yīng)， 直至得到反應(yīng)快、 超調(diào)小的響應(yīng)曲線。 （2）整定積分環(huán)節(jié) 若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇 的比例系數(shù)減小為原來的5080，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后 減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)， 確定比例和積分的參數(shù)。 （3）整定微分環(huán)節(jié) 若經(jīng)過步驟（2） ，PI 控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入 微分控制，構(gòu)成 PID 控制。先置微分時(shí)間 TD=0，逐漸加大 TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系 數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和 PID 控制參數(shù)。第四章 PLC 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分本在硬件基礎(chǔ)上，詳細(xì)介 紹本項(xiàng)目的軟件設(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)目的程序設(shè)計(jì)。 4.1 PLC 程序設(shè)計(jì)的方法 PLC 程序設(shè)計(jì)常用的方法：主要有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法、 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 順序控制設(shè)計(jì)法、邏輯設(shè)計(jì)法等。 1.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法：經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法即在一些典型的控制電路程序的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控制對(duì) 象的具體要求，進(jìn)行選擇組合，并多次反復(fù)調(diào)試和修改梯形圖，有時(shí)需增加一些輔助觸 點(diǎn)和中間編程環(huán)節(jié)，才能達(dá)到控制要求。這種方法沒有規(guī)律可遵循，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間和 設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系，故稱為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。 2.繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法： 用 PLC 的外部硬件接線和梯形圖軟件來實(shí)現(xiàn)繼 電器控制系統(tǒng)的功能。 3.順序控制設(shè)計(jì)法：根據(jù)功能流程圖，以步為核心，從起始步開始一步一步地設(shè)計(jì) 下去，直至完成。此法的關(guān)鍵是畫出功能流程圖。 4.邏輯設(shè)計(jì)法：通過中間量把輸入和輸出聯(lián)系起來。實(shí)際上就找到輸出和輸入的關(guān) 系，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。 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， 由西門子公司專為 S7-200 系列可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以 實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。 4.2.1 STEP7-Micro/WIN 簡(jiǎn)單介紹 以 STEP7-Micro/WIN創(chuàng)建程序， 為接通STEP7-Micro/WIN， 可雙擊STEP7 -Micro/WIN 的圖標(biāo)，如圖4-1所示，STEP7-Micro/WIN 項(xiàng)目窗口將提供用于創(chuàng)建程序的工作空間。瀏 覽條給出了多組按鈕，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(xiàng)目對(duì)象指令。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的底部按標(biāo)簽顯 示。 本項(xiàng)目中我們利用 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP5 編程軟件，其界面如圖 4-1 所示。 項(xiàng)目包括的基本組件：程序塊、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊、符號(hào)表、狀態(tài)表、交叉引用表。 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 4-1 STEP7-Micro/WIN 項(xiàng)目窗口 4.2.2 計(jì)算機(jī)與 PLC 的通信 在 STEP7-Micro/WIN 中雙擊指令樹中的“通信”圖標(biāo)，或執(zhí)行菜單命令的“查看” /“組件”/“通信” ，將出現(xiàn)“通信”對(duì)話框，見圖 4-2。 圖 4-2PLC 通信窗口 在將新的設(shè)置下載到 S7-200 之前，應(yīng)設(shè)置遠(yuǎn)程站的地址，是它與 S7-200 的地址。 雙擊“通信”對(duì)話框中“雙擊刷新”旁邊的藍(lán)色箭頭組成的圖標(biāo)，編程軟件將會(huì)自動(dòng)搜 索連接在網(wǎng)絡(luò)上的 S7-200，并用圖標(biāo)顯示搜索到的 S7-200。 4.3 程序設(shè)計(jì) 4.3.1程序設(shè)計(jì)思路 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 PLC 運(yùn)行時(shí)，通過特殊繼電器 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)值等存入數(shù)據(jù)寄存器，隨后系統(tǒng)開始溫度采樣，采樣周期是17秒，TT1(出口水 溫溫度傳感器)將采集到的出口水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)在通過 AIW0進(jìn)入 PLC，作為主回路的反饋值，經(jīng)過主控制器（PID0）的 PI 運(yùn)算產(chǎn)生輸出信號(hào)，作為副回 路的給定值。TT2(爐膛水溫傳感器)將采集到的爐膛水溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流 信號(hào)在通過 AIW2進(jìn)入 PLC，作為副回路的反饋值，經(jīng)過副控制器（PID1）的 P 運(yùn)算產(chǎn)生 輸出的信號(hào)，由 AQW0輸出，輸出的4-20mA 電流信號(hào)控制可控硅的導(dǎo)通角，從而控制電 熱絲的電壓，完成對(duì)溫度的控制。 4.3.2PID 指令向?qū)?編寫 PID 控制程序時(shí)， 首先要把過程變量 （PV） 轉(zhuǎn)化為 0.00-1.00 之間的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)數(shù)。 PID 運(yùn)算結(jié)束之后，需要把回路輸出（0.00-1.00 之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)）轉(zhuǎn)換為可以送給 模擬量輸出模塊的整數(shù)。 圖 4-3PID 初始化指令 如圖4-3，PV_I 是模擬量輸入模塊提供的反饋值的地址，Setpoint_R 是以百分比為 單位的實(shí)數(shù)給定值（SP） ，Output 是 PID 控制器的 INT 型的輸出地址。HighAlarm 和 LowAlarm 分別是超過上限和下限的報(bào)警信號(hào)輸出， ModuleErr 是模擬量模塊的故障輸出 信號(hào)。 1.主回路 PID 指令向?qū)?南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 （1)主回路采用0號(hào) PID 回路如圖4-4 圖 4-4 主回路用 0 號(hào) PID 回路 (2)設(shè)置 PID 參數(shù)，如圖4-5： 圖 4-5設(shè)置 PID 參數(shù) 給定值的范圍是0.0-100.0，比例增益 Kc為-3.0，積分時(shí)間 Ti=7 min ，因?yàn)橹骺?制器采用 PI 控制，所以微分時(shí)間 Td=0。 （3）回路輸入量的極性與范圍，如圖 4-5： 圖 4-5輸入輸出量的設(shè)置 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 (4)PID 指令的參數(shù)表占用的 V 存儲(chǔ)區(qū)的起始地址如圖 4-6： 圖 4-6 地址設(shè)置 （5）向?qū)瓿?，如圖 4-7 圖 4-7 向?qū)瓿?2.副回路 PID 指令向?qū)?（1）副回路采用1號(hào) PID 回路，如圖 4-8： 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 4-8 副回路 PID 回路設(shè)置 （2）新建 PID 配置，如圖 4-9： 圖 4-9 PID 配置新建 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 （3）設(shè)置 PID 參數(shù)，如圖 4-10 圖 4-10 副回路 PID 設(shè)置 因?yàn)楦被芈分饕鸬健按终{(diào)” 、 “快調(diào)”的作用，所以我們采用 P 調(diào)節(jié)作用，比例增 益 Kc=-4.0，Ti無窮大，Td=0; （4）副回路輸入量的極性與范圍，如圖 4-11 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 640032000 100)6400( D T 圖 4-11 副回路輸入輸出設(shè)置 （5）PID 指令的參數(shù)表占用的 V 存儲(chǔ)區(qū)的起始地址，如圖 4-12： 圖 4-12副回路存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置 （6）向?qū)瓿桑鐖D 4-13 圖 4-13副回路向?qū)瓿?4.3.3 控制程序及分析 因?yàn)橛?AIW0 和 AIW2 輸入的是 6400-32000 的數(shù)字量， 所以要轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度要 進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算公式為： 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 公式（4-1） 其中，T 為實(shí)際溫度，D 為 AIWO 和 AIW2 輸入的數(shù)字量。 1.PLC 的內(nèi)存地址分配見 表 4-1 表 4-1 內(nèi)存地址分配 2.PID 指令表見表 4-2： 表 4-2 PID 指令回路表 3.控制程序如圖 4-14 至 4-17 所示： （1）主程序： 地址說明 VD250鍋爐出口水溫度存放地址 VD260爐膛水溫存放地址 VD270主控制器 PID 輸出存放地址 VD300目標(biāo)設(shè)定溫度存放地址 VD304主控制器 Kc 存放地址 VD308主控制器 Ti 存放地址 VD312主控制器 Td 存放地址 VD320副調(diào)節(jié)器 Kc 存放地址 地址名稱說明 VD0主調(diào)節(jié)器過程變量（PVn）必須在 0.01.0 之間 VD4主調(diào)節(jié)器給定值（SPn）必須在 0.01.0 之間 VD8主調(diào)節(jié)器輸出值（Mn）必須在 0.01.0 之間 VD12主調(diào)節(jié)器增益（Kc）比例常數(shù)，可正可負(fù) VD16主調(diào)節(jié)器采樣時(shí)間（Ts）單位為 s，必須是正數(shù) VD20主調(diào)節(jié)器積分時(shí)間（Ti）單位為 min，必須是正數(shù) VD24主調(diào)節(jié)器微分時(shí)間（Td）單位為 min，必須是正數(shù) VD120副調(diào)節(jié)器過程變量（PVn）必須在 0.01.0 之間 VD124副調(diào)節(jié)器給定值（SPn）必須在 0.01.0 之間 VD128副調(diào)節(jié)器輸出值（Mn）必須在 0.01.0 之間 VD132副調(diào)節(jié)器增益（Kc）比例常數(shù)，可正可負(fù) VD136副調(diào)節(jié)器采樣時(shí)間（Ts）單位為 s，必須是正數(shù) VD140副調(diào)節(jié)器積分時(shí)間（Ti）單位為 min，必須是正數(shù) VD144副調(diào)節(jié)器微分時(shí)間（Td）單位為 min，必須是正數(shù) 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 4-14 控制程序 1 （2）主調(diào)節(jié)器程序： 圖 4-15 控制程序 2 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 4-16 控制程序 3 圖 4-17 控制程序 4 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 （3）副調(diào)節(jié)器程序： 圖 4-18 控制程序 5 圖 4-19 控制程序 6 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 4-20 控制程序 7 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 第五章 組態(tài)畫面的設(shè)計(jì) 本章詳細(xì)的講解一個(gè)組態(tài)系統(tǒng)的建立和設(shè)計(jì)。 5.1 新建項(xiàng)目 雙擊組態(tài)王的快捷方式，出現(xiàn)組態(tài)王的工程管理器窗口，雙擊新建按扭，按照彈出 的建立向?qū)?，填寫工程名稱。然后打開剛建立的工程。進(jìn)入組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)，如圖 5-1： 圖 5-1 新建工程 1.新建畫面 進(jìn)入工程管理器后，在畫面右方雙擊“新建” ，新建畫面，并設(shè)置畫面屬性，圖 5-2 所示： 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 5-2 畫面新建 2.新建設(shè)備 因?yàn)榻M態(tài)畫面要與西門子 S7-200 PLC 連接之后才能使用，所以要新建 S7-200 的連 接，具體步驟如圖 5-3： 圖 5-3 步驟 1 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 圖 5-4 步驟 2 圖 5-5 步驟 3 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 圖 5-6 步驟 4 3.新建變量 要實(shí)現(xiàn)組態(tài)王對(duì) S7-200 的在線監(jiān)控，就先必須建立兩者之間的聯(lián)系，那就需要建 立兩者間的數(shù)據(jù)變量?；绢愋偷淖兞靠梢苑譃椤皟?nèi)存變量”和 I/O 變量?jī)深?。?nèi)存變 量是組態(tài)王內(nèi)部的變量，不跟被監(jiān)控的設(shè)備進(jìn)行交換。而 I/O 變量是兩者之間互相交換 數(shù)據(jù)的橋梁，S7-200 和組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換是雙向的。如圖 5-7 所示： 圖 5-7新建變量 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 目中所用到的變量見圖 5-8： 圖 5-8變量表 5.2 組態(tài)畫面創(chuàng)建 5.2.1新建主畫面 如圖 5-9 所示，高溫報(bào)警用來顯示當(dāng)溫度高于 95C 的時(shí)候，等會(huì)變紅閃爍，加熱 爐上的指示燈用來指示加熱爐的加熱狀態(tài)。 圖 5-9控制系統(tǒng)主畫面 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 5.2.2新建 PID 參數(shù)設(shè)定窗口 如圖 5-10 所示，PID 參數(shù)設(shè)定窗口，用來設(shè)定主控制器和副控制器的 PID 參數(shù)值， 可與 PID 參數(shù)的整定。 圖 5-10PID 參數(shù)設(shè)定窗口 5.2.3新建數(shù)據(jù)報(bào)表 數(shù)據(jù)報(bào)表是反應(yīng)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的一種重要形式。 數(shù)據(jù)報(bào)表有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)報(bào)表，既能反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的運(yùn)行情況，也能監(jiān)測(cè)長(zhǎng) 期的系統(tǒng)運(yùn)行狀況，如圖 5-11 所示： 圖 5-11數(shù)據(jù)報(bào)表窗口 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 5.2.4新建實(shí)時(shí)曲線 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線可在工具箱中雙擊后在畫面直接獲得。 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線隨時(shí)間變化自動(dòng) 卷動(dòng)，可快速反應(yīng)變量的新變化。如圖 5-12 所示: 圖 5-12實(shí)時(shí)曲線窗口 5.2.5新建歷史曲線 歷史趨勢(shì)曲線可在圖庫管理器中得到。歷史趨勢(shì)曲線可以查詢查詢過去的情況。歷 史趨勢(shì)曲線需要事先建立兩個(gè)內(nèi)存變量，分表是調(diào)整跨度和舉動(dòng)百分比。 圖 5-13歷史曲線窗口 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 5.2.6新建報(bào)警窗口 在工具箱中選用報(bào)警窗口工具， 在面板中繪制報(bào)警窗口， 添加文本等就可。 如圖 5-14 所示。由于前面已經(jīng)設(shè)置了報(bào)警變量，所以當(dāng)變量值超過所設(shè)置的溫度 85 度時(shí)，那就 會(huì)在報(bào)警畫面中被記錄。如圖 5-14 所示: 圖 5-14歷史報(bào)警窗口 其制作過程和歷史報(bào)警窗口類似，不同的是，實(shí)時(shí)報(bào)警畫面是要彈出來的，所以必 須在新建畫面的時(shí)候，把大小調(diào)好，并選擇是“覆蓋式”。畫面的自動(dòng)彈出，在事件命 令語言中，輸入 showpicture(“實(shí)時(shí)報(bào)警窗口“);本站點(diǎn)$新報(bào)警=0;，這樣每次新報(bào) 警有產(chǎn)生，就會(huì)立刻出報(bào)警畫面。如圖 5-15 所示。 圖 5-15實(shí)