冷凝器溫度前饋-反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真(完整版)資料

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冷凝器溫度前饋-反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真（完整版）資料(可以直接使用，可編輯優(yōu)秀版資料，歡迎下載）開放性實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目：冷凝器溫度前饋-反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真院（系）：專業(yè)班級(jí)：學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：（簽字）起止時(shí)間：xx工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目任務(wù)書2021/2021學(xué)年第一學(xué)期實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目冷凝器溫度前饋—反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真所在單位實(shí)驗(yàn)類型□科學(xué)研究自擬課題綜合設(shè)計(jì)□計(jì)算機(jī)應(yīng)用□其它指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)招收對(duì)象1=招收人數(shù)項(xiàng)目研究的意義及內(nèi)容研究意義：1.掌握復(fù)合控制系統(tǒng)的原理。2.掌握反饋控制器的設(shè)計(jì)方法。3.掌握前饋控制器的設(shè)計(jì)方法，提高學(xué)生分析系統(tǒng)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)踐技能。4.提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，掌握MATLAB語言的使用及編程方法。5.訓(xùn)練學(xué)生編寫程序及聯(lián)機(jī)調(diào)試程序的能力，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神。6.為學(xué)生今后從事自動(dòng)控制工作奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。內(nèi)容： 分析前饋-反饋控制的原理；對(duì)被控對(duì)象和擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)的延遲環(huán)節(jié)進(jìn)行近似處理；根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成反饋控制器和前饋控制器的設(shè)計(jì)，并用Simulink仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性?？刂埔罂刂葡到y(tǒng)的參數(shù)和要求如下：1.被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為；2.擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為；3.設(shè)計(jì)要求：階躍給定響應(yīng)超調(diào)量小于50%，階躍擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)無影響。注：此表用于申請(qǐng)教學(xué)計(jì)劃外的開放項(xiàng)目，請(qǐng)如實(shí)填寫，由各院（系）匯總后統(tǒng)一辦理，報(bào)實(shí)踐教學(xué)科一份。目錄TOC\o"1-3"\f\h\z24281第1章緒論 131716第2章控制方案介紹 3213102.1概述 3100312.2控制原理 3115312.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 410074第3章系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 586973.1處理延遲環(huán)節(jié) 535623.2反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6116123.3前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8290第4章課程設(shè)計(jì)總結(jié) 11緒論冷凝器(Condenser)空調(diào)系統(tǒng)的機(jī)件，能將管子中的熱量，以很快的方式，傳到管子附近的空氣，大部分的汽車置于水箱前方。把氣體或蒸氣轉(zhuǎn)變成液體的裝置。發(fā)電廠要用許多冷凝器使渦輪機(jī)排出的蒸氣得到冷凝；在冷凍廠中用冷凝器來冷凝氨和氟利昂之類的致冷蒸氣。石油化學(xué)工業(yè)中用冷凝器使烴類及其他化學(xué)蒸氣冷凝。在蒸餾過程中，把蒸氣轉(zhuǎn)變成液態(tài)的裝置稱為冷凝器。所有的冷凝器都是把氣體或蒸氣的熱量帶走而運(yùn)轉(zhuǎn)的。對(duì)某些應(yīng)用來說，氣體必須通過一根長長的管子（通常盤成螺線管），以便讓熱量散失到四周的空氣中，銅之類的導(dǎo)熱金屬常用于輸送蒸氣。為提高冷凝器的效率經(jīng)常在管道上附加散熱片以加速散熱。散熱片是用良導(dǎo)熱金屬制成的平板。這類冷凝器一般還要用風(fēng)機(jī)迫使空氣經(jīng)過散熱片并把熱帶走。一般制冷機(jī)的制冷原理壓縮機(jī)的作用是把壓力較低的蒸汽壓縮成壓力較高的蒸汽，使蒸汽的體積減小，壓力升高。壓縮機(jī)吸入從蒸發(fā)器出來的較低壓力的工質(zhì)蒸汽，使之壓力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成壓力較高的液體，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后，成為壓力較低的液體后，送入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)而成為壓力較低的蒸汽，從而完成制冷循環(huán)。液體制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻的物體熱量之后，汽化成低溫低壓的蒸汽、被壓縮機(jī)吸入、壓縮成高壓高溫的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷卻介質(zhì)(水或空氣)放熱，冷凝為高壓液體、經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流為低壓低溫的制冷劑、再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱汽化，達(dá)到循環(huán)制冷的目的。這樣，制冷劑在系統(tǒng)中經(jīng)過蒸發(fā)、壓縮、冷凝、節(jié)流四個(gè)基本過程完成一個(gè)制冷循環(huán)。制冷劑包括：氟里昂12(CF2Cl2)代號(hào)R12氟里昂12是一種無色、無臭、透明、幾乎無毒性的制冷劑，但空氣中含量超過80%時(shí)會(huì)引起人的窒息。氟里昂12不會(huì)燃燒也不會(huì)爆炸，當(dāng)與明火接觸或溫度達(dá)到400℃以上時(shí)，能分解出對(duì)人體有害的氟化氫、氯化氫和光氣(CoCl2)。R12是應(yīng)用較廣泛的中溫制冷劑，適用于中小型制冷系統(tǒng)，如電冰箱、冰柜等。R12能溶解多種有機(jī)物，所以不能使用一般的橡皮墊片(圈)，通常使用氯丁二烯人造橡膠或丁睛橡膠片或密封圈。氟里昂22(CHF2Cl)代號(hào)R22R22不燃燒也不爆炸，其毒性比R12稍大，水的溶解度雖比R12大，但仍可能使制冷系統(tǒng)發(fā)生“冰塞”現(xiàn)象。R22能部分地與潤滑油互相溶解，其溶解度隨著潤滑油的種類及溫度而改變，故采用R22的制冷系統(tǒng)必須有回油措施。R22在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的對(duì)應(yīng)蒸發(fā)溫度為-40.8℃，常溫下冷凝壓力不超過15.68×105Pa，單位容積制冷量與比R12大60%以上。在空調(diào)設(shè)備中，大都選用R22制冷劑。四氟乙烷R134a（ch2fcf3)代號(hào)R13是一種無毒無污染安全性最高的制冷劑。TLV1000pm,GWP1300.廣泛應(yīng)用于制冷設(shè)備中。特別是對(duì)制冷劑要求高的儀器中。蒸汽冷凝器這種冷凝常應(yīng)用于多效蒸發(fā)器末效二次蒸汽的冷凝，保證末效蒸發(fā)器的真空度。例如噴淋式冷凝器，冷水從上部噴嘴噴入，蒸汽從側(cè)面入口進(jìn)入，蒸汽與冷水充分接觸后被冷凝為水，同時(shí)沿管下流，部分不凝汽體也可能被帶出。例如充填式冷凝器，蒸汽從側(cè)管進(jìn)入后一上面噴下的冷水相接觸冷凝器里面裝了滿了瓷環(huán)填料，填料被水淋濕后，增大了冷水與蒸汽的接觸面積，蒸汽冷凝成水后沿下部管路流出，不凝氣體同上部管路被真空泵抽出，以保證冷凝器內(nèi)一定的真空度。淋水板或篩板冷凝器，目的是增大冷水與蒸汽的接觸面積?；旌鲜嚼淠骶哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，腐蝕性問題也比較容易解決。在制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和節(jié)流閥是制冷系統(tǒng)中必不可少的四大件，這當(dāng)中蒸發(fā)器是輸送冷量的設(shè)備。制冷劑在其中吸收被冷卻物體的熱量實(shí)現(xiàn)制冷。壓縮機(jī)是心臟，起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放出熱量的設(shè)備，將蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機(jī)功所轉(zhuǎn)化的熱量一起傳遞給冷卻介質(zhì)帶走。節(jié)流閥對(duì)制冷劑起節(jié)流降壓作用、同時(shí)控制和調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器中制冷劑液體的數(shù)量，并將系統(tǒng)分為高壓側(cè)和低壓側(cè)兩大部分。實(shí)際制冷系統(tǒng)中，除上述四大件之外，常常有一些輔助設(shè)備，如電磁閥、分配器、干燥器、集熱器、易熔塞、壓力控制器等部件組成，它們是為了提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，可靠性和安全性而設(shè)置的?？刂品桨附榻B概述采用前饋與反饋控制相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，既能發(fā)揮前饋控制對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償作用，又能保留反饋控制對(duì)偏差的控制作用，前饋-反饋控制結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1前饋-反饋控制結(jié)構(gòu)圖由圖2.1可知，前饋-反饋控制結(jié)構(gòu)是在反饋的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)擾動(dòng)的前饋控制，由于完全補(bǔ)償?shù)臈l件未變，因此仍有控制原理當(dāng)干因?yàn)樵诠I(yè)生產(chǎn)過程中，對(duì)被控量的調(diào)節(jié)要求有較高精度，而且要有很強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，因此在控制方案的選擇上，只是使用反饋控制無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的控制。根據(jù)控制特點(diǎn)，需要引入前饋控制，實(shí)現(xiàn)前饋-反饋控制。前饋控制系統(tǒng)在受控部位的活動(dòng)發(fā)生偏差之前就發(fā)出控制指令了，反饋控制系統(tǒng)感受到受控部位的活動(dòng)發(fā)生偏差之后才發(fā)出控制指令。例如：當(dāng)體溫降低時(shí)機(jī)體穩(wěn)態(tài)被打破，產(chǎn)熱反應(yīng)的強(qiáng)度相對(duì)偏低（即發(fā)生偏差。.體溫降低之前機(jī)體穩(wěn)態(tài)尚未被打破產(chǎn)熱反應(yīng)的強(qiáng)度也尚未出現(xiàn)偏差，如果此時(shí)控制部位就開始發(fā)出指令使產(chǎn)熱反應(yīng)增強(qiáng)，就是前饋控制。心臟和血管的活動(dòng)出現(xiàn)了偏差，這種偏差的結(jié)果導(dǎo)致血壓降低，感受器感受到血壓降低后，控制部位根據(jù)這一信息發(fā)出指令，使血壓升高，就是（負(fù)）反饋控制。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分析前饋—反饋控制的原理；對(duì)被控對(duì)象和擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)的延遲環(huán)節(jié)進(jìn)行近似處理；根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成反饋控制器和前饋控制器的設(shè)計(jì)，并用Simulink仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真控制系統(tǒng)的參數(shù)和要求如下：1.被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為；2.擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為；3.設(shè)計(jì)要求：階躍給定響應(yīng)超調(diào)量小于50%，階躍擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)無影響。處理延遲環(huán)節(jié)為了便于計(jì)算將G0(s)與Gf(s)中的延遲環(huán)節(jié)用pade()函數(shù)進(jìn)行近似處理，輸入如下語句指令，如圖3.1所示。圖3.1ＭＡＴＬＡＢ語句指令輸入指令后，點(diǎn)擊運(yùn)行，得到了G0(s)與Gf(s)的傳遞函數(shù)，如圖3.2所示。3.2傳遞函數(shù)G0(s)的傳遞函數(shù)是Gf(s))的傳遞函數(shù)是反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當(dāng)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動(dòng)變量可以測(cè)量時(shí)，也常同時(shí)采用按擾動(dòng)的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補(bǔ)充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)是基于反饋原理建立的自動(dòng)控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進(jìn)行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號(hào)前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，兩者組成一個(gè)閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動(dòng)控制的主要形式。在工程上常把在運(yùn)行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統(tǒng)稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而把用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某種過程的反饋控制系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)由控制器、受控對(duì)象和反饋通路組成。比較環(huán)節(jié)用來將輸入與輸出相減，給出偏差信號(hào)。這一環(huán)節(jié)在具體系統(tǒng)中可能與控制器一起統(tǒng)稱為調(diào)節(jié)器。以爐溫控制為例，受控對(duì)象為爐子；輸出變量為實(shí)際的爐子溫度;輸入變量為給定常值溫度,一般用電壓表示。爐溫用熱電偶測(cè)量，代表爐溫的熱電動(dòng)勢(shì)與給定電壓相比較，兩者的差值電壓經(jīng)過功率放大后用來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。進(jìn)行階躍給定響應(yīng)的仿真，其仿真結(jié)構(gòu)框圖，如圖3.3所示。圖3.3反饋系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真，并計(jì)算其性能指標(biāo)，輸入如下MATLAB程序：n1=[0.94];d1=[551];G1=tf(n1,d1);tau=8;[np,dp]=pade(tau,2);Gp=tf(np,dp);n2=[121.54.932];d2=[24.630];G2=tf(n2,d2);Gc=feedback(G1*G2,Gp);set(Gc,'Td',tau);figure(1);step(Gc);holdon[y,t]=step(Gc);[sigma,tp,ts]=perf(1,y,t);[ess,b1,b2,sigma,n,pusi,T,f]=targ(y,t);sys=feedback(G1*G2*Gp,1);t=[0:0.01:500]';figure(2);[ess]=ster(0,sys,t);[ess]=ster(1,sys,t);程序執(zhí)行后，可得到如圖3.4所示的階躍給定響應(yīng)曲線。圖3.4階躍給定響應(yīng)曲線前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用輸入或擾動(dòng)信號(hào)的直接控制作用構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)。這類按輸入或擾動(dòng)的開環(huán)控制通常與包含按偏差的閉環(huán)控制共同組成反饋-前饋控制系統(tǒng)，稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。由于按偏差確定控制作用以使輸出量保持其在期望值的反饋控制系統(tǒng)，對(duì)于滯后較大的控制對(duì)象，其反饋控制作用不能及時(shí)影響系統(tǒng)的輸出，以致引起輸出量的過大波動(dòng)，直接影響控制品質(zhì)。如果引起輸出量較大波動(dòng)的主要外擾動(dòng)參量是可量測(cè)和可控制的，則可在反饋控制的同時(shí)，利用外擾信號(hào)直接控制輸出（實(shí)施前饋控制），構(gòu)成復(fù)合控制能迅速有效地補(bǔ)償外擾對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度。這種按外擾信號(hào)實(shí)施前饋控制的方式稱為擾動(dòng)控制，按不變性原理，理論上可做到完全消除主擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。前饋控制系統(tǒng)利用輸入或擾動(dòng)信號(hào)的直接控制作用構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)。這類按輸入或擾動(dòng)的開環(huán)控制通常與包含按偏差的閉環(huán)控制共同組成反饋-前饋控制系統(tǒng)，稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。由于按偏差確定控制作用以使輸出量保持其在期望值的反饋控制系統(tǒng)，對(duì)于滯后較大的控制對(duì)象，其反饋控制作用不能及時(shí)影響系統(tǒng)的輸出，以致引起輸出量的過大波動(dòng)，直接影響控制品質(zhì)。如果引起輸出量較大波動(dòng)的主要外擾動(dòng)參量是可量測(cè)和可控制的，則可在反饋控制的同時(shí)，利用外擾信號(hào)直接控制輸出（實(shí)施前饋控制），構(gòu)成復(fù)合控制能迅速有效地補(bǔ)償外擾對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度。這種按外擾信號(hào)實(shí)施前饋控制的方式稱為擾動(dòng)控制，按不變性原理，理論上可做到完全消除主擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。單純前饋不存在被控變量的反饋，即對(duì)于補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗(yàn)的手段。這樣在前饋?zhàn)饔玫目刂平Y(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時(shí)，系統(tǒng)無法得到這一信息而做進(jìn)一步的校正。其次，由于實(shí)際工業(yè)對(duì)象存在著多個(gè)干擾，為了補(bǔ)償它們對(duì)被控變量的影響,勢(shì)必要設(shè)計(jì)多個(gè)前饋通道,這就增加了投資費(fèi)用和維護(hù)工作量。此外前饋控制模型的精度也受多種因素的限制，對(duì)象特性要受負(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生漂移，必將導(dǎo)致干擾通道和控制通道的變化，因此一個(gè)固定的前饋模型難以獲得良好的控制品質(zhì)。饋控制是按干擾進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在干擾發(fā)生后，被控變量未發(fā)生變化時(shí)，前饋控制器根據(jù)干擾幅值，變化趨勢(shì)，對(duì)操縱變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，來補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。前饋控制的特點(diǎn)有：前饋控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)，按干擾進(jìn)行控制，控制及時(shí)，精度高，僅僅對(duì)前饋量有控制作用，前饋控制器為多用控制器，不能隨時(shí)了解被控變量變化情況。前饋控制的典型結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。圖中Gn(s)是被控對(duì)象擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)，Dn(s)前饋控制器的傳遞函數(shù)，G(s)是被控對(duì)象控制通道的傳遞函數(shù)，n,u,y分別為擾動(dòng)量、控制量、被控量。圖3.5前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為了方便進(jìn)行階躍擾動(dòng)響應(yīng)的仿真，特繪制出系統(tǒng)的對(duì)擾動(dòng)的Simulink結(jié)構(gòu)圖如圖3.6所示，將其文件名保存為mx071。圖3.6前饋控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在程序文件方式下執(zhí)行以下程序：[a,b,c,d]=linmod2('mx017');sys=ss(a,b,c,d);step(sys)程序執(zhí)行后可得復(fù)合控制系統(tǒng)如圖3.7所示階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線。圖3.7階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線課程設(shè)計(jì)總結(jié)分析設(shè)計(jì)通過分析前饋-反饋控制的原理，對(duì)被控對(duì)象和擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)的延遲環(huán)節(jié)進(jìn)行近似處理，根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成了反饋控制器和前饋控制器的設(shè)計(jì)，并用Simulink進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。采用前饋與反饋控制相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，既能發(fā)揮前饋控制對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償作用，又能保留反饋控制對(duì)偏差的控制作用。因?yàn)樵诶淠鞴ぷ鬟^程中，對(duì)溫度的調(diào)節(jié)要求有較高精度，而且要有很強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，因此在控制方案的選擇上，只是使用反饋控制無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的控制。根據(jù)控制特點(diǎn)，需要引入前饋控制，實(shí)現(xiàn)前饋-反饋控制。前饋控制系統(tǒng)在受控部位的活動(dòng)發(fā)生偏差之前就發(fā)出控制指令了，反饋控制系統(tǒng)感受到受控部位的活動(dòng)發(fā)生偏差之后才發(fā)出控制指令，通過這樣的設(shè)計(jì)，能夠很好的達(dá)到設(shè)計(jì)的要求?；赑LC和組態(tài)王的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄第一章 系統(tǒng)及工控機(jī)的設(shè)計(jì)與選擇 1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 1.2 系統(tǒng)硬件各部分選型 1.3 傳感器Pt100的選型設(shè)計(jì)1.4溫度變送器選型設(shè)計(jì)第二章 PLC和HMI基礎(chǔ) 2.1 可編程控制器基礎(chǔ) 2.2 人機(jī)界面基礎(chǔ) 第三章 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 3.2 PLC的選型與硬件配置 3.3 I/O點(diǎn)分配及電氣連接圖 3.4 PLC控制器的設(shè)計(jì) 第四章 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 PLC程序設(shè)計(jì)方法 4.2 編程軟件STEP7--Micro/WIN概述 4.3 程序設(shè)計(jì) 第五章 基于組態(tài)王的HMI設(shè)計(jì) 5.1 人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì) 5.2 變量設(shè)置 5.3 動(dòng)畫連接4第六章 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及分析 6.1 系統(tǒng)運(yùn)行 6.2 運(yùn)行結(jié)果分析 第七章總結(jié) 參考文獻(xiàn) 摘要可編程控制器是一種應(yīng)用很廣泛的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(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)的過程監(jiān)控要求越來越高，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、過程可視化，在自動(dòng)控制領(lǐng)域的作用日益顯著。本文主要介紹了基于西門子公司S7-200系列的可編程控制器和亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王的爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。編程時(shí)調(diào)用了編程軟件STEP7-MicroWIN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡(jiǎn)潔，運(yùn)行速度更為理想。利用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采樣與處理。實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)具有快、準(zhǔn)、穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)溫度控制領(lǐng)域能夠廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：溫度控制可編程控制器人機(jī)界面組態(tài)AbstractProgrammableLogicController(PLC)isakindofautomaticcontrolequipmentwhichiswidelyusedintheindustrialmanufacture.Itmergesthetraditionalcontroltechnology,computerandcommunicationtechnologieswithastrongabilitytocontrol,flexibleoperation,highreliabilityandsuitableforlong-termcharacteristicsofcontinuouswork.Itisverysuitablefortemperaturecontrolrequirements.Intheindustrialfield,withtherapidincreaseinthedegreeofautomation,itismoreandmoreimportanttomonitortheprocessofcontrolsystemfortheusers.Theemergenceofhuman-machineinterfacemeetstheneedsofusers.Man-machineinterfacecancomprehensivelymonitorthecontrolsystem,includingprocessmonitoring,alarm,dataloggingandotherfunctions,sothatthecontrolsystemshavebecomeuser-friendlyoperation,theprocessofvisualizationanditwillplaymoreandmoreimportantpartinthefieldofautomaticcontrol.ThisessaymainlyintroducesadesignoftemperaturecontrolsystemwithSIMATICprogrammablelogiccontroller(PLC)andconfigurationsoftwareKingviewwhichisdevelopedbyBeijingYakongCompany.Whenprogramming,weusethePIDcontrolarithmeticsoftwaremodulewhichiscontainedintheprogramsoftwareSTEP7-MicroWINsothattheprogramlookseasierandoperatesmorequickly.Inordertomonitorthecontrolsystemandprocessdatainactualtime,wedesignedHumanMachineInterface（HMI）withtheconfigurationsoftwareKingview.Theresultofexperimentprovesthatthistemperaturecontrolsystemcouldrunquickly,accuratelyandhavegoodstability,whichistheadvantageofthecontrolsystem.Thiscontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrialtemperaturecontrolfield.

Withthecontinuousdevelopmentofautomaticscienceandtechnology,high-precision,intelligent,user-friendlytemperaturecontrolsystemistheinevitabletrendofdevelopmentathomeandabroad.Keywords:TemperatureControlPLCHMIKingview系統(tǒng)及工控機(jī)的設(shè)計(jì)與選擇1.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案1.1.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，外部的設(shè)備（檢測(cè)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)）都是采用的模擬量信號(hào)，但是計(jì)算機(jī)不能識(shí)別模擬量信號(hào)，只能識(shí)別是數(shù)字量信號(hào)，所以要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制必須實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)到數(shù)字量轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)到模擬量信號(hào)的轉(zhuǎn)換[3]。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)以IPC板卡為核心，外加研華610H工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、Pt100溫度傳感器、SBWZ溫度變送器等其它外圍設(shè)備搭建硬件線路構(gòu)成一個(gè)單閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)；用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作控制器，通過IPC板卡的溫度采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換和功放輸出，搭建用數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)采集和用功放輸出板卡進(jìn)行輸出控制的硬件線路，用工控機(jī)的組態(tài)軟件編寫板卡溫度量采集與監(jiān)控程序并設(shè)計(jì)PID控制算法，并用組態(tài)軟件編制組態(tài)界面實(shí)現(xiàn)溫度的顯示控制，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前溫度，并進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)在0-100℃溫度范圍內(nèi)控制精度為±0.5℃的溫度控制。工控機(jī)IPC5373低壓繼電器接觸器加熱器鍋爐PT100溫度變送器接線端子A/D轉(zhuǎn)換PCL818L系統(tǒng)具體組建方案：電加熱鍋爐中水的當(dāng)前溫度經(jīng)過Pt100熱電阻測(cè)量后得到對(duì)應(yīng)電阻值變化，傳送到SBWZ溫度變送器，得到4-20mA的電流信號(hào)，經(jīng)串聯(lián)一個(gè)250Ω的電阻，得到1-5V模擬電壓信號(hào)，通過研華的PCL-818L板卡的A/D轉(zhuǎn)換，將采集外部溫度傳感器和變送裝置測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)得到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)，本設(shè)計(jì)用VB來讀取這個(gè)數(shù)字量信號(hào)。為達(dá)到預(yù)期目標(biāo)溫度，選擇控制算法，用組態(tài)軟件自帶的控制模塊編寫一個(gè)數(shù)字PID程序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，尋找最好的適合系統(tǒng)的最佳的PID參數(shù)的值。實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的信號(hào)的分析處理，然后通過組態(tài)王控制算法PID算法程序進(jìn)行運(yùn)算調(diào)整，得出PID控制器的輸出值，經(jīng)康拓IPC5373板卡的D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成低壓繼電器可識(shí)別的開關(guān)量信號(hào)，輸出控制中間繼電器。中間繼電器為接觸器給定控制信號(hào)，接觸器的通斷則執(zhí)行了對(duì)加熱過程的控制，實(shí)現(xiàn)控制繼電器的接通與斷開時(shí)間，進(jìn)而控制電加熱鍋爐的接通與斷開來達(dá)到控制水溫的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐溫度的實(shí)時(shí)控制。如圖1所示為計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖。工控機(jī)IPC5373低壓繼電器接觸器加熱器鍋爐PT100溫度變送器接線端子A/D轉(zhuǎn)換PCL818L 圖1計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖 根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是電加熱鍋爐中水的溫度，課題設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是電加熱鍋爐中水的溫度達(dá)到設(shè)定值。在這里以研華610H工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為控制器，Pt100熱電阻作為溫度傳感器，SBWZ溫度變送器，PCL-818L板卡和IPC5373板卡分別作為信號(hào)輸入和控制輸出單元，完成系統(tǒng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換，電磁低壓繼電器、交流接觸器作為執(zhí)行器，電加熱絲為被控對(duì)象[4]。1.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程流程圖在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，首先應(yīng)考慮控制任務(wù)中需要解決或重點(diǎn)探究的地方，根據(jù)任務(wù)需求，選擇系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要的硬件和軟件。在外圍硬件電路搭建完成之后，根據(jù)硬件編寫合適的控制程序。然后就可以進(jìn)入到調(diào)試環(huán)節(jié)，調(diào)試，修改，調(diào)試，修改。從而達(dá)到所需要的控制效果。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，評(píng)估控制任務(wù)的目的是為了考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用和控制要求、任務(wù)，從而確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后可行性方案。在方案設(shè)計(jì)完成以后，就需要選用一定的硬件和軟件了，硬件是系統(tǒng)的肉體，軟件是系統(tǒng)的靈魂，兩者結(jié)合才會(huì)是一個(gè)完美的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在硬件中，對(duì)各部分的選型，對(duì)硬件的學(xué)習(xí)、了解等都是前期必須要掌握的內(nèi)容，掌握好每個(gè)部分，才能夠?qū)⒉糠致?lián)系成整體。將整體系統(tǒng)連接起來以后，開始聯(lián)機(jī)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)未處理、未考慮到的問題及時(shí)的處理，那么這套系統(tǒng)就可以完成了。系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。1.2系統(tǒng)硬件各部分選型1.2.1板卡選型設(shè)計(jì)板卡在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用就是信號(hào)處理，即模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。為了能夠滿足設(shè)計(jì)要求，順利地完成本次設(shè)計(jì)，查閱了相關(guān)的資料，結(jié)合對(duì)市場(chǎng)上的主流板卡品牌的了解，再綜合考慮到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的具體情況，在此設(shè)計(jì)中，模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換即為A/D轉(zhuǎn)換，本次設(shè)計(jì)所選用的數(shù)據(jù)采集輸入板卡為研華PCL-818LA/D板卡，數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換即為D/A轉(zhuǎn)換，本次設(shè)計(jì)所選用的數(shù)據(jù)輸出板卡為康拓IPC5373板卡。1.2.1.1模擬量輸入通道的板卡設(shè)計(jì)模擬量輸入通道主要的設(shè)備就是數(shù)據(jù)采集輸入板卡為研華PCL-818LA/D板卡，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換。研華PCL—818LA/D板卡主要技術(shù)規(guī)格[5]如下：①12位A/D分辨率。②最高可達(dá)100kS/s的采樣率。③16通道單端或8通道差分輸入。④單極性或雙極性模擬量輸入范圍。⑤雙極模擬輸入范圍。⑥可編程的增益設(shè)置：×0.5，×1，×2，×4，×8。⑦輸入范圍：±10V、±5V、±2.5V、±1.25V、±0.625V、0-10V、0-5V、0-2.5V。⑧自動(dòng)模擬輸入掃描；模擬輸入支持DMA傳輸方式。⑨2通道12位多路切換模擬輸出，1通道16位通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器。⑩16通道TTL數(shù)字輸入和16通道TTL數(shù)字輸出。PCL-818L是PCL-818系列中的入門級(jí)板卡。該板卡可以供要求低價(jià)位的用戶使用。除了采樣速率為40KHz，以及只能接受雙極性輸入外，其他功能和PCL-818HD和PCL-818HG完全相同。這樣無需更改硬件或軟件，就可以將應(yīng)用升級(jí)到高性能的數(shù)據(jù)采集卡。PCL-818L具備所有數(shù)據(jù)采集卡的功能，例如，A/D、D/A轉(zhuǎn)換、DIO和定時(shí)/計(jì)數(shù)器，本卡的高規(guī)格使其在需要高速采集的情況下得到廣泛應(yīng)用。PCL-818L為低電平輸入(例如，熱耦合信號(hào)測(cè)量)提供專門的高增益可編程儀表放大器。PCL-818L板卡在全部增益下最高可達(dá)到100kS/s高速采樣率。PCL-818L具有16路單端輸入和雙極性輸出，PCL-818L具有2路12位雙緩沖模擬輸出，16路數(shù)字輸入和16路數(shù)字輸出，1個(gè)通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器。板卡完整詳細(xì)原理及規(guī)格請(qǐng)參見《研華PCL-818系列板卡中文手冊(cè)》。1.2.1.2數(shù)字量輸出通道的板卡設(shè)計(jì)數(shù)字量輸出通道主要的設(shè)備就是康拓IPC537332路光隔開關(guān)量功放輸出板卡，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換。IPC5373板是一種帶光電耦合器件的開關(guān)量輸出板，它可以實(shí)現(xiàn)PC總線與被測(cè)工業(yè)設(shè)備或數(shù)字儀器之間完全的電隔離，以消除公共地線和電源的干擾。從而使工業(yè)設(shè)備和微機(jī)系統(tǒng)可靠工作。此外，它還具有較強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力和電平轉(zhuǎn)換能力?？芍苯域?qū)動(dòng)繼電器、電磁閥等。其主要技術(shù)規(guī)格[6]如下：①PC總線與用戶接口設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)完全的電隔離，隔離電壓2500Vrms。②32個(gè)開關(guān)量輸出，占用4個(gè)連續(xù)口地址：154H-157H。③各輸出信號(hào)具有鎖存功能，上電復(fù)位清零。④采用達(dá)林頓管功放集電極開路輸出，負(fù)載電源5～40V，驅(qū)動(dòng)電流單路最大200mA，每片達(dá)林頓管負(fù)載電流最大500mA，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、電磁閥等。⑤用戶接口為40芯扁平電纜插座（IPC5373）或37芯D型連接器（IPC5373D），IPC5373D板上帶DC/DC，不用外接電源。詳細(xì)功能以及電路原理請(qǐng)參見《IPC5373使用說明書》。1.2.2工控機(jī)的選型設(shè)計(jì)工控機(jī)就是工業(yè)控制用電腦，其主要是指用在是專供工業(yè)界使用的個(gè)人電腦，可作為工業(yè)控制器使用。工業(yè)電腦基本性能與相容性與同樣規(guī)格的商用個(gè)人電腦相差無幾，但是工業(yè)電腦更多的防護(hù)措施，注重的部份在不同環(huán)境下的穩(wěn)定，如防塵、防水、防靜電等。工業(yè)用電腦并不要求當(dāng)前最高效能，只求達(dá)到符合系統(tǒng)的要求，需符合工業(yè)環(huán)境中的可靠性要求與穩(wěn)定，否則用于生產(chǎn)線萬一遇到電腦當(dāng)機(jī)，則可能造成嚴(yán)重?fù)p失，因此工業(yè)用電腦所要求的標(biāo)準(zhǔn)值都有要求符合嚴(yán)格的規(guī)范與擴(kuò)充性。結(jié)合本次設(shè)計(jì)和學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的具體情況，本次設(shè)計(jì)所選用的安裝配合所選用的板卡的計(jì)算機(jī)為研華610H工控機(jī)及其配套設(shè)備。其主要技術(shù)規(guī)格如下：①4U高度，支持14槽背板。②配置300WATXPFCPS/2電源。③前端可安裝3個(gè)半高磁盤驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)3.5FDD和一個(gè)3.5磁盤驅(qū)動(dòng)器。④前置USB/PS2接口。⑤前置系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。⑥能抗沖擊，振蕩，并且能在高溫下穩(wěn)定工作。⑦支持ATX母板和400WPFC電源。⑧IPC的其他配件基本上都與PC機(jī)兼容，主要有CPU、內(nèi)存、顯卡、硬盤、軟驅(qū)、鍵盤、鼠標(biāo)、光驅(qū)、顯示器等。在此設(shè)計(jì)中，值得注意的是實(shí)驗(yàn)室工控機(jī)的開關(guān)按鈕也許是組裝過或者維修過，不是只按下?lián)軇?dòng)開關(guān)就行了，而是按下“1”之后，還需要撥動(dòng)它彈起來回到“0”處，才能正常的開機(jī)。1.3傳感器Pt100的選型設(shè)計(jì)傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測(cè)裝置設(shè)備，它能感受到被測(cè)量的信息信號(hào)，并能將檢測(cè)感受到的信息信號(hào)，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。在此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們的被測(cè)量是溫度信號(hào)，即鍋爐內(nèi)的水溫，為此考慮設(shè)計(jì)條件，我們選擇較為成熟的Pt100。Pt100為鉑熱電阻。它的阻值會(huì)隨著溫度變化而變化，且成正比關(guān)系。Pt100的阻值與溫度的變化關(guān)系為：當(dāng)Pt100溫度為0度時(shí)，它的阻值為100歐姆，在100度時(shí)它的阻值為138.5歐姆。它的工作原理是：當(dāng)Pt100在0度的時(shí)候，它的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而勻速增長。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用下面這個(gè)近似的關(guān)系式來表示：Rt=Rt0[1+a（t-t0）]。式子中，Rt為溫度t時(shí)的阻值，Rt0為溫度t0時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值，a為溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為：Rt=Aet/t。式子中Rt為溫度為t時(shí)的阻值；A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上），但互換性較差，非線性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍只有-50~300℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測(cè)和控制。金屬熱電阻一般適用于-200~500℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，其特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。熱電阻實(shí)物如圖6所示。工業(yè)上常用金屬熱電阻從電阻隨溫度的變化來看，大部分金屬導(dǎo)體都有這個(gè)性質(zhì)，但并不是都能用作測(cè)溫?zé)犭娮?，作為熱電阻的金屬材料一般要求：盡可能大而且穩(wěn)定的溫度系數(shù)、電阻率要大（在同樣靈敏度下減小傳感器的尺寸）、在使用的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學(xué)物理性能、材料的復(fù)制性好、電阻值隨溫度變化要有間值函數(shù)關(guān)系（最好呈線性關(guān)系）。1.4溫度變送器選型設(shè)計(jì)變送器（transmitter）是把傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R(shí)別的信號(hào)（或?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D(zhuǎn)換成工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，同時(shí)放大以便供遠(yuǎn)方測(cè)量和控制的信號(hào)源）的轉(zhuǎn)換器。傳感器和變送器一同構(gòu)成自動(dòng)控制的監(jiān)測(cè)信號(hào)源。不同的物理量需要不同的傳感器和相應(yīng)的變送器。SBWZ系列溫度變送器是一種小型、高精度的測(cè)溫儀表。與現(xiàn)場(chǎng)傳感器連在一起構(gòu)成測(cè)溫回路。它采用二線制傳送方式（兩根導(dǎo)線作為電源輸入，同時(shí)作為信號(hào)輸出的公用傳輸線），將熱電阻的信號(hào)變換成線性的4-20mA輸出的電流信號(hào)。溫度變送器作為新一代測(cè)溫儀表可廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、電力、輕工、紡織、食品、國防以及科研等工業(yè)部門。其應(yīng)用特點(diǎn)如下：①采用密封結(jié)構(gòu)，因此耐震，耐濕，適合惡劣現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中安裝使用。②輸出4-20mA，補(bǔ)償導(dǎo)線費(fèi)用低，信號(hào)長距離傳送過程中的抗干擾能力強(qiáng)。③變送器具有輸入端開路指示功能。④精度高、功耗低，使用環(huán)境溫度范圍寬，工作穩(wěn)定可靠。溫度變送器技術(shù)參數(shù)如下表1所示。表1溫度變送器參數(shù)規(guī)格參數(shù)工作制式4-20ma輸出（兩線制或三線制）精度等級(jí)0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS。工作電壓DC24V±1V量程范圍-50℃-50℃；0℃-50℃;0℃-100℃;0℃-150℃;0℃-200℃;0℃-300℃;0℃-600℃工作環(huán)境溫度:-0℃~85℃,濕度:0～95%RH負(fù)載能力≤500Ω.外形尺寸45mm×41mm（1）調(diào)試步驟:在左邊輸入端接入標(biāo)準(zhǔn)電阻箱（如ZX38/11型和ZX-25a型），其中上兩路為電阻箱的公共端，在輸出端串接上標(biāo)準(zhǔn)電流表和24VDC穩(wěn)壓電源。改變信號(hào)源發(fā)生器(電阻箱)，使之等于量程的下限對(duì)應(yīng)阻值，調(diào)整調(diào)零電位器，使電流表的讀數(shù)為4mA，改變信號(hào)源，使之等于量程的上限對(duì)應(yīng)阻值，調(diào)整調(diào)滿電位器，使電流表的讀數(shù)為20mA即可。例：輸入型號(hào)為Pt100，量程為0～100℃的溫度變送器標(biāo)定，正確接線后，電阻箱輸出阻值100Ω，調(diào)整調(diào)零電位器，使電流表讀數(shù)為4mA；電阻箱輸出阻值為138.5Ω（即鉑熱電阻在100℃時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值），調(diào)整調(diào)滿電位器，使電流表的讀數(shù)為20mA。（2）應(yīng)用說明：PT100為熱電阻傳感器，采集到的電流信號(hào)給SBWZ溫度變送器，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4-20ma電流信號(hào)，然而PCL818L的模擬量輸入通道接收的是電壓信號(hào)，所以需要在其輸出端并聯(lián)上一個(gè)250Ω的電阻，轉(zhuǎn)換為1-5V電壓信號(hào)。1.5其它硬件設(shè)備選型1.5.1外部接線端子為配合各部件的整體互聯(lián)，本次設(shè)計(jì)所選用的連接現(xiàn)場(chǎng)儀表變送器與數(shù)據(jù)采集輸入板卡的接線端子為研華PCLD8115接線端子，其主要作用就是為了方便與數(shù)據(jù)采集輸入板卡之間的接線，在溫度變送器與輸入板卡之間架起一道橋梁。其主要技術(shù)規(guī)格如下：①工業(yè)接線端子板；②用于818L/818HG/1800等；③支持PCL-818系列多功能數(shù)據(jù)采集控制卡；④易于安裝的DIN導(dǎo)軌安裝外殼；⑤低成本螺絲端子板；⑥能在惡劣環(huán)境中可靠連接的工業(yè)端子板。為了完善系統(tǒng)功能，完成外圍控制硬件電路的完整搭建，還選用了以下元器件：低壓中間繼電器（24V）、交流接觸器（220V）、小型加熱鍋爐、按鈕開關(guān)、信號(hào)指示燈（220V）、空氣開關(guān)、導(dǎo)線若干、接線端子排和電源排插。1.5.2繼電器根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，在選用繼電器時(shí)主要考慮工作條件以及安裝使用方便還有工作穩(wěn)定性，加熱絲功率是1500W，最大工作電流I=6.8A，因此選用HH52P型小型繼電器，HH52P系列小型繼電器，配套底座PYF08A,適用于交流50Hz或60Hz，可承受電流AC：7A,DC：5A，符合鍋爐加熱絲的負(fù)載要求，線圈的承受電壓AC：6～380V，DC：5～220V，供電子設(shè)備、通訊設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)控制設(shè)備、自動(dòng)化控制裝置等動(dòng)作切換電路及擴(kuò)大控制范圍使用。其規(guī)格品種屬于基型、磁保持性、帶指示燈、帶浪涌抑制；電壽命：50萬次；安裝方式：插拔式；特點(diǎn)：體積小、容量大、壽命長。底部有八個(gè)引腳，分別為1、2、3、4、5、6、7、8，說明如下：7、8為線圈1、3、5是一組觸頭，5是公共點(diǎn)，5與1為常閉，5與3為常開，2、4、6為一組觸頭，6是公共點(diǎn)，6與2為常閉，6與4為常開，當(dāng)7、8得到線圈額定電壓后，5、3閉合5、1斷開；同時(shí)6、4閉合，6、2斷開，失電后恢復(fù)原狀。1.5.3交流接觸器根據(jù)設(shè)計(jì)選用的加熱絲功率為1500W，電壓為220V，正常工作電流I=6.8A，沒有特殊要求，所以接觸器就可以選用使用廣泛的、購買方便的、價(jià)格較低的CJ20-10型交流接觸器。CJ20-10交流接觸器（以下簡(jiǎn)稱接觸器）適用于50Hz，最大電壓至660V電流至63A的電力系統(tǒng)中接通與分?jǐn)嚯娐罚€可用于與適當(dāng)?shù)臒崂^電器或電子式保護(hù)裝置組合成電機(jī)起動(dòng)器以保護(hù)可能發(fā)生過載的電路。進(jìn)線接1/L13/L25/L37/L4三相四線制，出線接2/T14/T26/T38/T4三相四線制，如果只接三相可以只用前三對(duì)觸頭；11、12和41、42是兩對(duì)常閉觸頭，接聯(lián)鎖電路和停機(jī)指示的；2324和3334是兩對(duì)常開觸頭，接自鎖電路和運(yùn)行指示的。額定絕緣電壓660V，額定工作電壓220V；380V,約定發(fā)熱電流10A，接380V的三相交流電時(shí)額定工作電流10A，機(jī)械壽命1000萬次，在380V工作電壓下電壽命100萬次，在380V工作電壓下操作頻率1200次/時(shí)，接線能力截面積為1.5的銅導(dǎo)線。1.6PLC和HMI基礎(chǔ)可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱PLC（ProgrammableLogicController），它使用了可編程序的記憶以存儲(chǔ)指令，用來執(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)過程。1.6.1可編程控制器基礎(chǔ)可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價(jià)格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得推廣。1968年，美國通用汽車公司（GM）為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，立即引發(fā)了開發(fā)熱潮。1969年美國數(shù)字設(shè)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(tái)可編程控制器，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來。隨著PLC功能的不斷完善，性價(jià)比的不斷提高，PLC的應(yīng)用面也越來越廣。目前，PLC在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通?？煞譃殚_關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等[5]?？删幊炭刂破鞯慕M成和工作原理PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結(jié)構(gòu)上基本相同。無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，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：輸輸入接口中央處理單元CPU輸出接口主程序存儲(chǔ)單元圖2-1PLC基本結(jié)構(gòu)圖1）CPU（中央處理器）CPU是PLC的核心，由運(yùn)算器、控制器、寄存器、系統(tǒng)總線，外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路構(gòu)成。它的功能是接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(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，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）診斷編程過程中的語法錯(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)外功能主要是通過各種I/O接口模塊于外界聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是PLC與現(xiàn)場(chǎng)I/O裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備之間的傳遞信息的作用。I/O模塊分為開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。3）存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器（內(nèi)存）主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲(chǔ)器（ROM），具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設(shè)計(jì)的控制程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM），需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）或閃存(FlashMemory)，免去了后備電池的麻煩。4）電源模塊PLC中的電源，是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。電源可分直流和交流兩種類型，交流輸入220VAC或110VAC，，直流輸入通常是24V。5）智能模塊除了上述通用的I/O模塊外，PLC還提供了各種各樣的特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程I/O控制、打印機(jī)等專用型或智能型的I/O模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。I/O模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好，模塊的I/O容量越大，系統(tǒng)的適應(yīng)性就越強(qiáng)。6）編程設(shè)備常見的編程設(shè)備有簡(jiǎn)易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶程序，對(duì)系統(tǒng)作些設(shè)定，監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程設(shè)備在PLC的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場(chǎng)的控制。PLC本質(zhì)上就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，其工作原理與普通計(jì)算機(jī)類似，具有計(jì)算機(jī)的許多特點(diǎn)。但其工作方式卻與計(jì)算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。工作時(shí)逐條順序掃描用戶程序，如果一個(gè)線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作，需等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作[6]?？删幊炭刂破鞯姆诸惣疤攸c(diǎn)根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。還可以按I/O點(diǎn)數(shù)分類，根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型、大型和超大型四類:I／O點(diǎn)數(shù)在256以下為小型PLC；I／O點(diǎn)數(shù)在256～1024為中型PLC；I／O點(diǎn)數(shù)大于1024為大型PLC；I／O點(diǎn)數(shù)在4000以上為超大型PLC可編程控制器有可靠性高、編程簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)單、維修方便、采用模塊化結(jié)構(gòu)、接口模塊豐富、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試周期短等特點(diǎn)[7]。1.7人機(jī)界面基礎(chǔ)隨著社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，控制過程也變得越來越復(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。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，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互的數(shù)字設(shè)備,由硬件和軟件兩部分組成。人機(jī)界面產(chǎn)品的組成及工作原理人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理器的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI的核心單元。根據(jù)HMI的產(chǎn)品等級(jí)不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件分為兩部分，即運(yùn)行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運(yùn)行于PC機(jī)Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如組態(tài)王等）。用戶必須先使用組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過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。人機(jī)界面產(chǎn)品的特點(diǎn)(1)系統(tǒng)運(yùn)行過程清晰化控制過程可以動(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(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監(jiān)控界面來控制過程?？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)警控制過程達(dá)到臨界狀態(tài)或系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，例如，當(dāng)爐子溫度超出溫度上下限時(shí)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。(4)數(shù)據(jù)歸檔HMI系統(tǒng)可以記錄過程變量值和報(bào)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(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)行情況，過程變量等。(5)報(bào)表系統(tǒng)HMI系統(tǒng)可以輸出報(bào)警和過程值報(bào)表。例如，您可以在生產(chǎn)某一輪班結(jié)束時(shí)打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)[8]。PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)在掌握了PLC的硬件構(gòu)成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可以PLC作為主要控制器來構(gòu)造PLC控制系統(tǒng)。本章主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度，介紹該項(xiàng)目的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、PLC的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及PLC控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的整定。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟弄懂PLC的基本工作原理和指令系統(tǒng)后,就可以把PLC應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中。無論是用PLC組成集散控制系統(tǒng)，還是獨(dú)立控制系統(tǒng)，PLC控制部分的設(shè)計(jì)都可以參考圖3-1所示的步驟。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程)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)來衡量。當(dāng)控制規(guī)模較大時(shí),特別是開關(guān)量控制的I/O設(shè)備較多時(shí)，最適合采用PLC控制。(2)工藝復(fù)雜程度當(dāng)工藝要求較復(fù)雜時(shí),采用PLC控制具有更大的優(yōu)越性.(3)可靠性要求目前,當(dāng)I/O點(diǎn)數(shù)在20甚至更少時(shí)，就趨向于選擇PLC控制了。(4)數(shù)據(jù)處理速度若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時(shí)，采用PLC控制將非常適宜[9]。評(píng)估控制任務(wù)評(píng)估控制任務(wù)PLC機(jī)型的選擇控制柜設(shè)計(jì)及布線程序設(shè)計(jì)聯(lián)機(jī)調(diào)試PLC安裝程序檢查、調(diào)試控制流程的設(shè)計(jì)程序備份修改軟、硬件模擬運(yùn)行投入使用是否滿足要求圖3-1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。所謂硬件設(shè)計(jì)，是指PLC外部設(shè)備的設(shè)計(jì)，而軟件設(shè)計(jì)即PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分以下5步進(jìn)行。1.熟悉被控對(duì)象深入了解被控系統(tǒng)是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)人員必須深入現(xiàn)場(chǎng)，認(rèn)真調(diào)查研究，收集資料，并于相關(guān)技術(shù)人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題。這一階段必須對(duì)被控對(duì)象所有功能全面的了解，對(duì)對(duì)象的各種動(dòng)作及動(dòng)作時(shí)序、動(dòng)作條件、必要的互鎖與保護(hù);電氣系統(tǒng)與機(jī)械、液壓、氣動(dòng)及各儀表等系統(tǒng)間的關(guān)系;PLC與其他設(shè)備的關(guān)系，PLC之間是否通信聯(lián)網(wǎng);系統(tǒng)的工作方式及人機(jī)界面，需要顯示的物理量及顯示方式等。2.硬件選擇具體包括如下。(1)系統(tǒng)I/O設(shè)備的選擇。輸入設(shè)備包括按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等。輸出設(shè)備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈及其它執(zhí)行器等。(2)選擇PLC。PLC選擇包括對(duì)PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。(3)PLC的I/O端口分配。在進(jìn)行I/O通道分配時(shí)應(yīng)給出I/O通道分配表，表中應(yīng)包含I/O編號(hào)、設(shè)備代號(hào)、名稱及功能等。(4)繪制PLC外圍硬件線路圖。畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。(5)計(jì)數(shù)器、定時(shí)器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。3.編寫應(yīng)用程序根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實(shí)現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)容：(1)初始化程序。在PLC上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動(dòng)作必要的準(zhǔn)備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作。初始化程序的主要內(nèi)容有：對(duì)某些數(shù)據(jù)區(qū)、計(jì)數(shù)器等進(jìn)行清零，對(duì)某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，對(duì)某些繼電器進(jìn)行置位或復(fù)位，對(duì)某些初始狀態(tài)進(jìn)行顯示等等。(2)檢測(cè)、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對(duì)獨(dú)立，一般在程序設(shè)計(jì)基本完成時(shí)再添加。(3)保護(hù)和連鎖程序。保護(hù)和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認(rèn)真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。4.程序調(diào)試程序調(diào)試分為2個(gè)階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。程序模擬調(diào)試是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。(1)硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺(tái)PLC或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，并將這些信號(hào)以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時(shí)效性較強(qiáng)。(2)軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，其簡(jiǎn)單易行，但時(shí)效性不易保證。模擬調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。現(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題。5.編寫技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序以及使用說明書等[10]。PLC的選型與硬件配置PLC型號(hào)的選擇本溫度控制系統(tǒng)選擇德國西門子公司的S7-200系列的PLC。S7-200PLC屬于小型整體式的PLC,本機(jī)自帶RS-485通信接口、內(nèi)置電源和I/O接口。它的硬件配置靈活，既可用一個(gè)單獨(dú)的S7-200CPU構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴(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)模控制系統(tǒng)[10]。S7-200CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型。此系統(tǒng)選用S7-200CPU226，CPU226集成了24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，共有40個(gè)數(shù)字量I/O?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248點(diǎn)數(shù)字量或35點(diǎn)模擬量I/O。還有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間空間，6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。配有2個(gè)RS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為38.4kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)[11]。本溫度控制系統(tǒng)由于輸入/輸出點(diǎn)數(shù)不多，本可以使用CPU224以下的類型，不過為了能調(diào)用編程軟件STEP7里的PID模塊，只能采用CPU226及以上機(jī)種。EM231模擬量輸入模塊本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測(cè)到的溫度轉(zhuǎn)換成0～41mv的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入PLC中進(jìn)行處理。在這里，我們選用了西門子EM2314TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊提供一個(gè)方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允許連接微小的模擬量信號(hào)(±80mV范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。EM231模塊需要用戶通過DIP開關(guān)進(jìn)行組態(tài)：SW1～SW3用于選擇熱電偶類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測(cè)方向，SW6用于選擇是否進(jìn)行斷線檢測(cè)，SW7用于選擇測(cè)量單位，SW8用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償。本系統(tǒng)用的是K型熱電偶，所以DIP開關(guān)SW1～SW8組態(tài)為00100000；EM231具體技術(shù)指標(biāo)見表3-1。表3-1EM231技術(shù)指標(biāo)型號(hào)EM231模擬量輸入模塊總體特性外形尺寸：71.2mm×80mm×62mm功耗：3W輸入特性本機(jī)輸入：4路模擬量輸入電源電壓：標(biāo)準(zhǔn)DC24V/4mA輸入類型：0~10V，0~5V，±5V,±2.5V,0~20mA分辨率：12Bit轉(zhuǎn)換速度：250μS隔離：有耗電從CPU的DC5V（I/O總線）耗電10mADIP開關(guān)SW10,SW20,SW31（以K型熱電偶為例）表3-2所示為如何使用DIP開關(guān)設(shè)置EM231模塊，開關(guān)1、2和3可選擇模擬量輸入范圍。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍。表中，ON為接通，OFF為斷開。表3-2EM231選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2.5mVONOFF0到5V1.25mV0到20mA5uA雙極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON±5V2.5mVONOFF±2.5V1.25mV熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)和電阻的方法最為普遍。其中最常用于測(cè)量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化,而熱電阻是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)中需要用傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，且爐子的溫度最高達(dá)幾百度,所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。國際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有S、B、E、K、R、J、T七種類型，在本系統(tǒng)中，我們選用了K型熱電偶，其測(cè)溫范圍大約是0～1000℃。系統(tǒng)里的烤爐最高溫度不過幾百度，加上一定的裕度就足夠了，另外其成本也不算高[12]。I/O點(diǎn)分配及電氣連接圖輸入觸點(diǎn)功能說明輸出觸點(diǎn)功能說明IO.1啟動(dòng)按鈕Q0.0運(yùn)行指示燈（綠）I0.2停止按鈕Q0.1停止指示燈（紅）Q0.3固態(tài)繼電器該溫度控制系統(tǒng)中I/O點(diǎn)分配表如表3-4所示。表3-4I/O點(diǎn)分配表2)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及硬件連接圖。系統(tǒng)選用PLCCPU226為控制器，K型熱電偶將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過EM231模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過固態(tài)繼電器控制爐子加熱的通斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子溫度的控制。PLC和HMI相連接，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。整個(gè)硬件連接圖如圖3-4和3-5所示。機(jī)機(jī)PLCEM231模塊固態(tài)繼電器熱電偶烤爐圖3-4系統(tǒng)框架圖PLC控制器的設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì)是基于模型控制設(shè)計(jì)過程中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對(duì)象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能指標(biāo)確定控制器的參數(shù)值?？刂葡到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器（電熱偶）將檢測(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)經(jīng)過溫度模塊后，與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法進(jìn)行修正，返回對(duì)應(yīng)工況下的固態(tài)繼電器導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐子的溫度控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示，方框圖如圖3-6所示。PLC控制器PLC控制器固態(tài)繼電器烤爐溫度模塊熱電偶圖3-5控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Gc(s)Go(s)R(s)+E(s)U(s)Y(s)Gc(s)Go(s)_圖3-6控制系統(tǒng)方框圖圖3-7中，R(s)為設(shè)定溫度的拉氏變換式；E(s)為偏差的拉氏變換式；Gc(s)為控制器的傳遞函數(shù)；Go(s)為廣義對(duì)象，即控制閥、對(duì)象控制通道、測(cè)量變送裝置三個(gè)環(huán)節(jié)的合并；該溫度控制系統(tǒng)是具有時(shí)滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為Gs=K0T0式3-1中，QUOTEK0為對(duì)象放大系數(shù)；為對(duì)象時(shí)間常數(shù)；為對(duì)象時(shí)滯。K0=?y∞?由階躍響應(yīng)法求得，=0.5；=QUOTET0=2.5分鐘；=QUOTEτ=1.2分鐘。PID控制及參數(shù)整定比例、積分、微分三種控制方式各有獨(dú)特的作用。比例控制是一種最基本的控制規(guī)律，具有反應(yīng)速度快，控制及時(shí)，但控制結(jié)果有余差等特點(diǎn)。積分控制可以消除余差，但是工業(yè)上很少單獨(dú)使用積分控制的，因?yàn)榕c比例控制相比，除非積分速度無窮大，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，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是理想微分控制器的控制結(jié)果也不能消除余差，而且控制效果要比純比例控制器更差。將三種方式加以組合在一起，就是比例積分微分（PID）控制,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為ut=Kp式3-3中：為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。根據(jù)以上的分析，本溫度控制系統(tǒng)適于采用PID控制。完成了上述內(nèi)容后，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)確定了。在系統(tǒng)投運(yùn)之前，還需要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定?？刂破鲄?shù)整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法。理論計(jì)算整定法是在已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，通過理論計(jì)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(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程的動(dòng)態(tài)特性，整定結(jié)果的精度是不高的，因而未在工程上受到廣泛推廣。對(duì)于工程整定法，工程技術(shù)人員無需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計(jì)算所需的理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛使用。常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應(yīng)曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法來整定控制器的參數(shù)值。下面介紹下方法步驟。經(jīng)驗(yàn)整定法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)湊試法，是工程技術(shù)人員在長期生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的。它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行，通過觀察人為加入干擾（改變?cè)O(shè)定值）后的過渡過程曲線，根據(jù)各種控制作用對(duì)過渡過程的不同影響來改變相應(yīng)的控制參數(shù)值，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗(yàn)整定法主要通過調(diào)整比例度的大小來滿足質(zhì)量指標(biāo)。整定途徑有以下兩條：1）先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的比例度，將人為加入干擾后的過渡過程調(diào)整為4：1的衰減振蕩過程。然后再加入積分(I)作用，一般先取積分時(shí)間T1為衰減振蕩周期的一半左右。由于積分作用將使振蕩加劇，在加入的積分作用之前，要先衰減比例作用，通常把比例度增大10%-20%。調(diào)整積分時(shí)間的大小，直到出現(xiàn)4：1的衰減振蕩。需要時(shí)，最后加入微分（D）作用，即從零開始，逐漸加大微分時(shí)間Td，由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可以把積分時(shí)間也縮短一些。通過微分時(shí)間的湊試，使過渡時(shí)間最短，超調(diào)量最小。2）先根據(jù)表選取積分時(shí)間Ti和Td，通常取Td=(1/3-1/4)Ti，然后對(duì)比例度進(jìn)行反復(fù)湊試，直至得到滿意的結(jié)果。如果開始時(shí)Ti和Td設(shè)置的不合適，則有可能得不到要求的理想曲線。這時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整Ti和Td，再重復(fù)湊試，使曲線最終符合控制要求[13]。表3-5控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)控制變量規(guī)律的選擇比例度（%）積分時(shí)間Ti（分鐘）微分時(shí)間Td（分鐘）溫度對(duì)象容量滯后較大，即參數(shù)受干擾后變化遲緩，應(yīng)小，Ti要長，一般需要微分20-603-100.5-3通過經(jīng)驗(yàn)整定法的整定，PID控制器整定參數(shù)值為：比例系數(shù)=120，積分時(shí)間=3分鐘，微分時(shí)間=1分鐘。PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，上一章已經(jīng)詳細(xì)介紹了本項(xiàng)目硬件連接。本章在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將詳細(xì)介紹本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法，編程軟件STEP7--Micro/WIN的介紹以及本項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)。PLC程序設(shè)計(jì)方法編寫PLC程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。1.圖解法編程圖解法是靠畫圖進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時(shí)序流程圖法和步進(jìn)順控法。（1）梯形圖法梯形圖法是用梯形圖語言去編制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(duì)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(guān)系。邏輯流程圖會(huì)使整個(gè)程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點(diǎn)及調(diào)試和維修程序。（3）時(shí)序流程圖法時(shí)序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時(shí)序圖（即到某一個(gè)時(shí)間應(yīng)該進(jìn)行哪項(xiàng)控制的控制時(shí)序圖），再根據(jù)時(shí)序關(guān)系畫出對(duì)應(yīng)的控制任務(wù)的程序框圖，最后把框圖寫成PLC程序。這種方法很適合以時(shí)間為基準(zhǔn)的控制系統(tǒng)的編程方法。（4）步進(jìn)順控法步進(jìn)順控法是在順控指令的配合下設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制程序。一般比較復(fù)雜的程序都可以分成若干個(gè)功能比較簡(jiǎn)單的程序段，一個(gè)程序可以看成整個(gè)控制過程的一步。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PLC編程軟件（比如STEP7--Micro/WIN）在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。使用編程軟件可以很方便的在計(jì)算機(jī)上離線或在線編程、在線調(diào)試，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序的存取、加密以及形成EXE文件[14]。編程軟件STEP7--Micro/WIN概述STEP7--Micro/WIN編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為s7-200系列可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)，它功