基于PLC的鍋爐加熱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：密級(jí)：基于PLC的鍋爐加熱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)DESIGNOFBOILERTEMPERATURECONTROLSYSTEM學(xué)生學(xué)號(hào)學(xué)生姓名學(xué)院名稱(chēng)專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)指導(dǎo)教師摘要本文主要介紹了工業(yè)溫度控制的開(kāi)展前景、S7-200系列PLC的根本知識(shí)以及鍋爐溫度控制系統(tǒng)的工作流程、根本原理和組成結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的分析，給出鍋爐溫度控制系統(tǒng)的I/O口分配表和系統(tǒng)原理圖并且以可編程控制器(PLC)為核心，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求利用STEP7編程軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的梯形圖。該系統(tǒng)以電熱鍋爐加熱管為被控對(duì)象，鍋爐水溫為被控參數(shù)同時(shí)兼顧鍋爐內(nèi)壓力及水位等條件，以PLC為控制器，鍋爐加熱管通電時(shí)間為控制參數(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度控制系統(tǒng)。其中調(diào)用了西門(mén)子公司PLC中自帶的PID模塊，以更簡(jiǎn)潔更方便的方法完成了鍋爐溫度的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)。本文從系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)硬件選型、系統(tǒng)軟件編程以及組態(tài)監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行闡述。關(guān)鍵詞電熱鍋爐；溫度控制；PLC；PID；固態(tài)繼電器AbstractThisarticlefocusesontheindustrialdevelopmentprospectsoftemperaturecontrol,basicknowledgeofS7-200seriesPLCaswellastheboilertemperaturecontrolsystemmadeupofworkprocesses,principles,andstructure.Throughtheanalysisofboilertemperaturecontrolsystemdesign,I/Oportallocationtableoftemperaturecontrolsystemoftheboiler,iscalledtheSiemensPLCcomeswithPIDmodules,andamoreconciseandmoreconvenientwaytocompletetheautomaticcontrolsystemdesignoftheboilertemperature.Thispaperdescribedtheworkingprincipleofthesystem,systemhardwareselection,systemsoftwareprogrammingandconfigurationofthemonitorscreendesign.KeywordsElectricboilerTemperaturecontrolPLCPIDSolidStateRelays目錄53341緒論174141.1課題背景及意義1261911.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1197221.3本文研究?jī)?nèi)容2227162溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)375322.1溫度控制系統(tǒng)工作原理3250142.2PID控制及參數(shù)整定316564PID控制原理3141682.2.2PID參數(shù)的整定448713系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)745653.1PLC的產(chǎn)生和特點(diǎn)7117233.1.1PLC的產(chǎn)生與應(yīng)用7263633.1.2PLC的特點(diǎn)7209043.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本原那么和步驟7221653.2.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本原那么886693.2.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟8304713.3系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案9171413.4PLC選型9275453.4.1PLC的主機(jī)模塊9164723.4.2PLC的I/O擴(kuò)展模塊10149223.4.3PLC的選擇10305533.5傳感器選型10177073.5.1溫度傳感器選型10316553.5.2PT100溫度變送器選型11111463.5.3壓力傳感器選型11185073.5.4液位傳感器選型12147103.6固態(tài)繼電器12270383.6.1固態(tài)繼電器的原理分析12973.6.2固態(tài)繼電器的組成12286283.6.3固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點(diǎn)13189333.7數(shù)碼管13241403.8系統(tǒng)工作流程及硬件接線14146673.8.1系統(tǒng)工作流程1484913.8.3系統(tǒng)主電路圖14324783.8.4系統(tǒng)控制電路圖14261103.8.5PLC硬件連接圖1562933.8.6I/O端口分配1719954軟件設(shè)計(jì)1922984.1系統(tǒng)流程圖19274974.2PID控制器的參數(shù)整定19232614.3PLC程序梯形圖設(shè)計(jì)23118225人機(jī)界面設(shè)計(jì)33239045.1組態(tài)軟件根底33270785.1.1組態(tài)定義33302885.1.2組態(tài)王軟件的特點(diǎn)33318565.1.3組態(tài)王軟件仿真的根本方法33256075.2組態(tài)變量的建立及設(shè)備連接33295865.2.1新建工程33140715.2.1新建設(shè)備34299015.2.3新建變量3537585.2.4變量與PLC的傳輸36175525.3創(chuàng)立組態(tài)畫(huà)面37243935.3.1新建主畫(huà)面37286235.3.2新建PID參數(shù)設(shè)定窗口3881195.3.3新建實(shí)時(shí)曲線38293015.3.4新建歷史曲線39156295.3.5新建報(bào)警窗口3956966系統(tǒng)仿真及測(cè)試4170126.1系統(tǒng)運(yùn)行41262876.2運(yùn)行結(jié)果4135526.2.1參數(shù)設(shè)定畫(huà)面41290616.2.2實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線4275796.2.3歷史趨勢(shì)曲線42113226.2.4報(bào)警窗口4216364結(jié)論447576致謝4529691參考文獻(xiàn)4613707附錄471緒論1.1課題背景及意義電熱鍋爐的應(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)大都采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，既能提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度又能提高其控制精度。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(wú)污染，運(yùn)行平安可靠，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(lái)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(lái)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。PLC從上世紀(jì)80年代至90年代中期起開(kāi)展十分迅速。在這時(shí)期，PLC網(wǎng)絡(luò)能力、人機(jī)接口能力、數(shù)字運(yùn)算能力和處理模擬量能力等開(kāi)展迅速。由此，PLC逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，并在局部應(yīng)用上取代了原來(lái)處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有具有編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、通用性好、功能強(qiáng)大、性?xún)r(jià)比高、體積小、功耗低、設(shè)計(jì)施工周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。PID控制是迄今為止應(yīng)用最廣泛的控制方法之一。因?yàn)槠淇煽啃愿?、穩(wěn)定性好、算法簡(jiǎn)單，所以在過(guò)程控制中被廣泛應(yīng)用，尤其適用對(duì)于可建立精確數(shù)學(xué)模型確實(shí)定性系統(tǒng)尤其適用。PID控制的效果由四個(gè)參數(shù)決定，即采樣周期TS、比例增益系數(shù)KP、積分時(shí)間系數(shù)Ti、微分時(shí)間系數(shù)Td。所以，PID參數(shù)的整定與微調(diào)一直是自動(dòng)控制領(lǐng)域著重研究的課題。PID在工業(yè)過(guò)程控制中已應(yīng)用了上百年的時(shí)間，在此期間雖然出現(xiàn)了許多新興算法，但由于PID算法自身的特點(diǎn)，再加上人們?cè)诖似陂g所積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，使其經(jīng)久不衰。在PID算法中，對(duì)于P、I、D三個(gè)參數(shù)的整定和優(yōu)化的問(wèn)題是關(guān)鍵問(wèn)題[2]。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1970年以來(lái)，因?yàn)楣I(yè)過(guò)程控制的開(kāi)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)以及自動(dòng)控制理論和方法的開(kāi)展，國(guó)外溫控系統(tǒng)的開(kāi)展極為迅猛，并在自我適應(yīng)、參數(shù)整定和智能化等方面取得了豐富成果。在這方面，以德國(guó)、美國(guó)、日本、瑞典等國(guó)的技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批性能優(yōu)秀、商品化的溫度控制器，并得到了廣泛應(yīng)用。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(guò)程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。(4)這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計(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)、穩(wěn)定性好的特點(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、小型化等方向開(kāi)展[3]。目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)正朝著小型化、高精度、智能化等方面高速開(kāi)展。但我國(guó)目前生產(chǎn)出來(lái)的溫度控制器，仍處于相對(duì)低的水平，同德國(guó)、美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然差距很大。目前，這方面的總體技術(shù)水平國(guó)內(nèi)仍然處于上世紀(jì)80年代中后期水平，產(chǎn)品仍以“點(diǎn)位〞控制以及常見(jiàn)的PID控制器為主，目前對(duì)于一般溫度系統(tǒng)控制可以到達(dá)要求，但對(duì)于時(shí)變、滯后、復(fù)雜的溫度系統(tǒng)控制難以適應(yīng)，而對(duì)于要求較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表等，國(guó)內(nèi)的技術(shù)還達(dá)不到要求，可以形成商品化并大范圍使用的控制儀表還很少?？梢?jiàn)我國(guó)在溫度控制儀表業(yè)還差國(guó)外相關(guān)行業(yè)很遠(yuǎn)。1.3本文研究?jī)?nèi)容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)，控制算法的選擇和參數(shù)的整定、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。本文使用德國(guó)西門(mén)子公司的S7-200系列PLC控制器，系統(tǒng)首先由溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際水溫轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)EM235模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器輸出量轉(zhuǎn)化成占空比，通過(guò)固態(tài)繼電器控制鍋爐加熱的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。對(duì)于監(jiān)控畫(huà)面，利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王〞繪制。全論文分六章，各章的主要內(nèi)容說(shuō)明如下。第一章，對(duì)鍋爐溫度控制系統(tǒng)的背景意義及國(guó)內(nèi)外的開(kāi)展?fàn)顩r進(jìn)行了闡述。第二章，簡(jiǎn)單概述了系統(tǒng)框圖及PID控制原理。第三章，主要在系統(tǒng)框圖根底上根據(jù)系統(tǒng)需要選擇系統(tǒng)中所需各類(lèi)硬件型號(hào)。同時(shí)繪制系統(tǒng)電路圖、控制電路圖及硬件連接圖。第四章，在硬件設(shè)計(jì)的根底上，通過(guò)工程整定法確定系統(tǒng)PID控制參數(shù)并完本錢(qián)文的詳細(xì)程序設(shè)計(jì)。第五章，詳細(xì)介紹了利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王〞進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì)。第六章，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與測(cè)試。2溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1溫度控制系統(tǒng)工作原理在本控制系統(tǒng)中，溫度傳感器將檢測(cè)到的水溫信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)送入模擬量輸入模塊EM235。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)EM235轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入PLC，PLC再通過(guò)PID模塊進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制。圖2-1中SP為設(shè)定溫度值，PV為反響溫度值。PLCPLCEM235固態(tài)繼電器鍋爐電熱管EM235溫度傳感器SP+T-PV圖2-1鍋爐溫度控制系統(tǒng)框圖2.2PID控制及參數(shù)整定2.2.1PID控制原理在控制系統(tǒng)中，控制器一般最常用的控制規(guī)律是PID控制。一般的PID控制原理見(jiàn)圖2-2。系統(tǒng)由PID控制器及被控對(duì)象組成。積分比例積分比例微分被控對(duì)象+++u(t)e(t)r(t)+-c(t)圖2-2PID控制系統(tǒng)原理框圖式(2.1)將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合可以構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱(chēng)PID控制器。它的表達(dá)式為：式(2.2)轉(zhuǎn)化成傳遞函數(shù)為：式(2.3)式中為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)精度、超調(diào)量和響應(yīng)速度等方面考慮，PID各環(huán)節(jié)有如下作用：比例(P)調(diào)節(jié)作用：能按比例反映系統(tǒng)的偏差，比例調(diào)節(jié)能在系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)立即產(chǎn)生作用。比例作用越大，調(diào)節(jié)速度越快，但是一旦過(guò)大就會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致不穩(wěn)定。具體分為對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響和對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響：(1)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響：比例控制參數(shù)加大使系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，運(yùn)轉(zhuǎn)速度變快，KP越大，振蕩次數(shù)變多，調(diào)節(jié)時(shí)間也相應(yīng)的變長(zhǎng)。當(dāng)KP太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定，當(dāng)KP太小時(shí)，系統(tǒng)會(huì)運(yùn)行緩慢。(2)對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響：在系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定的情況下，比例參數(shù)KP變大，穩(wěn)態(tài)誤差就會(huì)減少，這樣可以提高精度，不過(guò)對(duì)于消除穩(wěn)態(tài)誤差無(wú)幫助。積分(I)調(diào)節(jié)作用：可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。只要系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，積分調(diào)節(jié)就會(huì)作用，直至無(wú)差時(shí)積分調(diào)節(jié)才會(huì)停止。積分作用大小由積分常數(shù)Ti決定且與之成反比，Ti越大，積分作用越弱。系統(tǒng)中參加積分環(huán)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。所以積分作用通常是與另兩種調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)相結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。具體分為對(duì)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性的影響：(1)積分會(huì)引起系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，Ti太小系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定，甚至?xí)霈F(xiàn)振蕩；Ti太大對(duì)系統(tǒng)的作用又會(huì)縮減，只有當(dāng)Ti相對(duì)適宜的時(shí)候才能出現(xiàn)理想的過(guò)度特性。(2)積分可以降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差同時(shí)也能提高系統(tǒng)的精度，不過(guò)，當(dāng)Ti太大的時(shí)候，積分的作用也很小，穩(wěn)態(tài)誤差也就不會(huì)減少了。微分(D)調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇適宜情況下，可以減少超調(diào)量，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反響的是變化率，所以當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。2.2.2PID參數(shù)的整定PID調(diào)試一般原那么在輸出不振蕩時(shí)，增大比例增益P。在輸出不振蕩時(shí)，減小積分時(shí)間常數(shù)Ti。在輸出不振蕩時(shí)，增大微分時(shí)間常數(shù)Td。計(jì)算整定法：進(jìn)行整定時(shí)先進(jìn)行P調(diào)節(jié)，使I和D作用無(wú)效，觀察溫度變化曲線，假設(shè)變化曲線屢次出現(xiàn)波形那么應(yīng)該放大比例(P)參數(shù)，假設(shè)變化曲線非常平緩，那么應(yīng)該縮小比例(P)參數(shù)。比例(P)參數(shù)設(shè)定好后，設(shè)定積分(I)參數(shù)，積分(I)正好與P參數(shù)相反，曲線平緩那么需要放大積分(I)，出現(xiàn)屢次波形那么需要縮小積分(I)。比例(P)和積分(I)都設(shè)定好以后設(shè)定微分(D)參數(shù)，微分(D)參數(shù)與比例(P)參數(shù)的設(shè)定方法是一樣的。一般步驟(1)確定比例增益P比照例增益P的數(shù)值確定時(shí)，先直接去掉積分與微分項(xiàng)，即令Ti=0、Td=0，讓PID調(diào)節(jié)變?yōu)閱渭兊谋壤{(diào)節(jié)。輸入設(shè)定先定為系統(tǒng)允許的輸入最大值的60%~70%，由0開(kāi)始逐步增大比例增益P，直到該系統(tǒng)發(fā)生振蕩；然后再反過(guò)來(lái)，從出現(xiàn)振蕩時(shí)的比例增益P值開(kāi)始緩緩?fù)聹p，當(dāng)系統(tǒng)振蕩消失時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的P值。系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)比例增益P即設(shè)定為此值的60%~70%，調(diào)試即完成。(2)確定積分時(shí)間常數(shù)Ti確定P值后，首先確定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)初值，然后逐漸減小Ti，直到系統(tǒng)發(fā)生振蕩，之后再反過(guò)來(lái)，緩緩加大Ti，當(dāng)系統(tǒng)振蕩消失時(shí)記錄此時(shí)的Ti，系統(tǒng)的積分時(shí)間常數(shù)Ti即設(shè)定為當(dāng)前值的150%~180%，Ti調(diào)試至此完成。(3)確定積分時(shí)間常數(shù)TdTd一般情況為0，不另外設(shè)定。如有需要，其設(shè)定方法同P和Ti的調(diào)試方法，數(shù)值設(shè)定為不振蕩時(shí)的30%。(4)當(dāng)系統(tǒng)空載以及帶載時(shí)聯(lián)調(diào)，然后再進(jìn)行微調(diào)，直至滿足系統(tǒng)要求。工程整定法：工程整定法主要依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)，在控制系統(tǒng)的直接試驗(yàn)中進(jìn)行，上手簡(jiǎn)單方法，比擬容易掌握，在實(shí)際生活中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界衰減法、比例法和反響曲線法這三種方法。這三種方法都各有特點(diǎn)，其的共同點(diǎn)為均通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，對(duì)控制器參數(shù)整定時(shí)依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)公式。采用這三種方法得到的參數(shù)仍然需要在實(shí)際運(yùn)行時(shí)作調(diào)整。擴(kuò)充臨界比例度法：擴(kuò)充臨界比例度法也是實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法中應(yīng)用廣泛的一種，它最大的好處是，參數(shù)的整定直接在現(xiàn)場(chǎng)整定、簡(jiǎn)單易行。它對(duì)有自平衡特性的受控對(duì)象尤其適用，同時(shí)擴(kuò)充了連續(xù)時(shí)間PID控制器參數(shù)整定的臨界比例度法。擴(kuò)充比例度法整定數(shù)字PID控制器參數(shù)的步驟是：(1)首先選擇一個(gè)足夠短的采樣周期。一般TS應(yīng)比受控對(duì)象純延遲時(shí)間的十分之一還小。(2)讓系統(tǒng)采用此TS工作。首先去掉積分與微分作用，將控制變成純比例控制器，形成閉環(huán)。然后將比例放大系數(shù)KP逐步放大，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩時(shí)停止，然后將此時(shí)的KP記為Kr，臨界振蕩周期那么為T(mén)r。(3)選擇控制度。即將連續(xù)時(shí)間PID控制器作為基準(zhǔn)，把數(shù)字PID控制效果與之比擬?？刂菩Ч脑u(píng)價(jià)函數(shù)一般為誤差平方積分。(4)定義控制度。采樣周期TS的大小會(huì)決定采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的品質(zhì)，相同條件下采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)會(huì)比連續(xù)時(shí)間的差一些。因此，控制度一般都是要大于1的，而且采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的品質(zhì)好壞與控制度大小成反比。所以系統(tǒng)的控制品質(zhì)好壞決定控制度的選擇。(5)參數(shù)由查表決定。(6)運(yùn)行及修正。將上述所得各參數(shù)輸入PID控制器，將系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行，然后觀察相應(yīng)效果，然后做適當(dāng)調(diào)整。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1PLC的產(chǎn)生和特點(diǎn)3.1.1PLC的產(chǎn)生與應(yīng)用1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)根據(jù)美國(guó)通用汽車(chē)公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車(chē)公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速開(kāi)展起來(lái)。隨著PLC功能的不斷完善，性?xún)r(jià)比的不斷提高，PLC的應(yīng)用面也越來(lái)越廣。目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通?？煞譃殚_(kāi)關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等[4]。S7-200PLC是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能到達(dá)大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻和小型PLC的一樣，因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。在2000年以前，西門(mén)子在中國(guó)市場(chǎng)的PLC產(chǎn)品主要是大中型PLC，日本的小型PLC占據(jù)了中國(guó)的大局部市場(chǎng)份額。在S7-200PLC推出后，這種情況得到了明顯改變，最近幾年來(lái)的小型PLC市場(chǎng)上S7-200PLC成為了主流產(chǎn)品?？删幊踢壿嬁刂破?PLC)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱(PLC、工業(yè)機(jī)器人、CAD/CAM)之一。西門(mén)子最小的小型PLC產(chǎn)品是在上世紀(jì)末推出的S7-200CPU21*系列的PLC，但很快就被CPU22*系列的產(chǎn)品所取代。因?yàn)樗鼡碛卸鄠€(gè)功能模塊和人機(jī)界面可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且相對(duì)來(lái)說(shuō)比擬容易的就組成了PLC網(wǎng)絡(luò)。以此同時(shí)它還具有功能完全的編程軟件和工業(yè)組態(tài)軟件，這使其可以簡(jiǎn)單的完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在最新版的S7-200系列PLC是在2004年推出的，它的主要特點(diǎn)是：較高的可靠性、豐富的指令集、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時(shí)特性強(qiáng)和強(qiáng)大的通信能力。3.1.2PLC的特點(diǎn)(1)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。(2)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)。(3)編程方便，易于使用。(4)功能強(qiáng)大，本錢(qián)低。(5)設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短。(6)維護(hù)方便。3.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本原那么和步驟3.2.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本原那么(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)平安可靠。(4)考慮生產(chǎn)的開(kāi)展和工藝的改良，在選擇PLC的型號(hào)、I/O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。3.2.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟圖3-1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般步驟3.3系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案在第二章根底上，系統(tǒng)整體具體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖3-2。圖3-2整體設(shè)計(jì)方案3.4PLC選型3.4.1PLC的主機(jī)模塊本文選擇的是西門(mén)子S7-200系列PLC，可以單機(jī)運(yùn)行，也可以進(jìn)行輸入/輸出和功能模塊的擴(kuò)展。它價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，有極豐富的指令集，性能價(jià)格比非常高，在各行各業(yè)中迅速推廣，在規(guī)模不太大的控制領(lǐng)域是較為理想的控制設(shè)備。CPU22*系列PLC按I/O點(diǎn)數(shù)的多少和效能不同而分為五種不同結(jié)構(gòu)的配置，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。(1)CPU221本機(jī)集成6輸入/4輸出，無(wú)擴(kuò)展能力，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量較小，有一定的高速計(jì)數(shù)功能和通信功能，非常適合于少數(shù)點(diǎn)的或特定的控制系統(tǒng)使用。(2)CPU222本機(jī)集成8輸入/6輸出，和CPU221相比，它最多可以擴(kuò)展2個(gè)模塊，是應(yīng)用更為廣泛的全功能控制器。(3)CPU224本機(jī)集成14輸入/10輸出，和前兩者相比，程序存儲(chǔ)容量擴(kuò)大了一倍，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)容量擴(kuò)大了四倍，它最多可以擴(kuò)展7個(gè)模塊，有強(qiáng)大的模擬量和高速計(jì)數(shù)處理能力。(4)CPU224XP其大局部功能都和CPU224相同，最大的不同是，在主機(jī)上增加了2個(gè)輸入/1個(gè)輸出的模擬量單元和一個(gè)通信口。(5)CPU226本機(jī)集成24輸入/16輸出，與CPU224相比，程序存儲(chǔ)容量擴(kuò)大了一倍，它有兩個(gè)通信口，通信能力更為強(qiáng)大。它可用于點(diǎn)數(shù)較多，要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。3.4.2PLC的I/O擴(kuò)展模塊當(dāng)系統(tǒng)所需的I/O點(diǎn)數(shù)較多或要求執(zhí)行特殊功能時(shí)，必須進(jìn)行I/O擴(kuò)展。常用的輸入/輸出擴(kuò)展模塊有：(1)輸入擴(kuò)展模塊EM221：分為8點(diǎn)DC輸入和8點(diǎn)AC輸入兩種。(2)輸出擴(kuò)展模塊EM222：分為8點(diǎn)DC晶體管輸出、8點(diǎn)AC輸出和8點(diǎn)繼電器輸出三種類(lèi)型。(3)輸入/輸出混合擴(kuò)展模塊EM223有六種：分別為4點(diǎn)(8點(diǎn)、16點(diǎn))DC輸入/4點(diǎn)(8點(diǎn)、16點(diǎn))DC輸出；4點(diǎn)(8點(diǎn)、16點(diǎn))DC輸入/4點(diǎn)(8點(diǎn)、16點(diǎn))繼電器輸出。(4)輸入擴(kuò)展模塊EM235：分為8點(diǎn)DC輸入和8點(diǎn)AC輸入兩種。3.4.3PLC的選擇根據(jù)系統(tǒng)控制要求分析，系統(tǒng)共需要開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)3個(gè)，開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)32個(gè)。因?yàn)樾枵{(diào)用PID模塊，所以選用主機(jī)為CPU226；擴(kuò)展模塊EM223(16點(diǎn)晶體管輸出)用于數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度；模擬量輸入輸出模塊EM235用于輸入模擬量：預(yù)設(shè)溫度、溫度傳感器反響值、鍋爐壓力和液位傳感器的反響值。整個(gè)PLC系統(tǒng)的配置見(jiàn)圖3-3。擴(kuò)展單元EM22316點(diǎn)晶體管模擬量單元EM2354AI/1AO主機(jī)單元CPU226AC/DC繼電器擴(kuò)展單元EM22316點(diǎn)晶體管模擬量單元EM2354AI/1AO主機(jī)單元CPU226AC/DC繼電器圖3-3PLC系統(tǒng)組成3.5傳感器選型3.5.1溫度傳感器選型溫度傳感器即一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置。在各類(lèi)轉(zhuǎn)化方法中，將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)或電阻是最為普遍的。其中最常用的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電勢(shì)變化，熱電阻那么是轉(zhuǎn)化為電阻的變化。這兩種傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)溫度測(cè)量中被廣泛應(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。PT100鉑熱電阻，簡(jiǎn)稱(chēng)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)[5]。PT100熱電阻傳感器型號(hào)：薄片型鉑電阻WZP023PT100熱電阻溫度變送器型號(hào)：SBWZ-2460PT100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成近似勻速的增長(zhǎng)。但他們之間的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的正比的關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于一條拋物線。鉑電阻的阻值隨溫度的變化而變化的計(jì)算公式：式(3.1)式(3.2)Rt為t℃時(shí)的電阻值，R0為0℃時(shí)的阻值。公式中的A，B，系數(shù)為實(shí)驗(yàn)測(cè)定。這里給出標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)：；；。3.5.2PT100溫度變送器選型變送器技術(shù)指標(biāo)：(1)輸入信號(hào)：PT100鉑電阻信號(hào)輸入(2)供電電壓：10-30VDC(3)負(fù)載電阻：0-500Ω(4)輸出信號(hào)：二線制4-20mA，最大30mA(5)熱電阻溫度變送器精度：0.2%FS(6)溫度穩(wěn)定性：零點(diǎn)漂移標(biāo)準(zhǔn)0.05%FS/℃量程漂移標(biāo)準(zhǔn)0.002%FS/℃(7)回路保護(hù)：帶反向連接保護(hù)(防止電源正負(fù)極)(8)溫度變送器功耗：小于等于0.5W(9)溫度變送器重量：約35克(10)3.5.3壓力傳感器選型壓力傳感器的作用就是檢測(cè)鍋爐爐膛內(nèi)的壓力，防止鍋爐內(nèi)由于加熱造成壓力過(guò)大產(chǎn)生危險(xiǎn)。它把測(cè)得的壓力轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào)或者是1-5V的電壓信號(hào)，然后把此模擬量信號(hào)輸送到PLC的擴(kuò)展模塊EM235中。選擇壓力傳感器輸出量時(shí)，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，本文選用了4-20mA輸出的壓力傳感器。壓力傳感器型號(hào)：CYB-11西安為普仿真計(jì)算3.5.4液位傳感器選型液位傳感器的作用是測(cè)量爐膛內(nèi)水位，防止水位過(guò)低鍋爐空燒或者水位過(guò)高產(chǎn)生危險(xiǎn)。它是利用液體的壓力與深度成正比的原理，將檢測(cè)到的壓力信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換變成標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA的電流信號(hào)傳送給PLC。產(chǎn)品采用正裝結(jié)構(gòu)，并汲取了智能鍋爐汽包液位計(jì)的長(zhǎng)處，將抗高溫、耐高壓、抗腐蝕、抗波動(dòng)性能集于一身，變送局部利用軍工器件，使信號(hào)輸出更加穩(wěn)定、可靠。該液位計(jì)安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)量小，測(cè)控精確，性?xún)r(jià)比高，是傳統(tǒng)的電極式、差壓式、磁翻板式液位計(jì)理想的換代產(chǎn)品，值得推廣普及。液位計(jì)傳感器型號(hào)：UHM-F2~4無(wú)錫中南液位磁控器廠3.6固態(tài)繼電器3.6.1固態(tài)繼電器的原理分析固態(tài)繼電器(SolidStateRelay，簡(jiǎn)稱(chēng)SSR)與機(jī)電繼電器相比，是一種沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不含運(yùn)動(dòng)零件的繼電器，但它具有與機(jī)電繼電器本質(zhì)上相同的功能。SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件，他利用電子元器件的電、磁和光特性來(lái)完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場(chǎng)效應(yīng)管，單向晶閘管和雙向晶閘管等器件的開(kāi)關(guān)特性，來(lái)到達(dá)無(wú)觸點(diǎn)，無(wú)火花地接通和斷開(kāi)被控電路。它是一種四端有源器件，其中兩端為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端，如圖3-4所示。輸入模塊輸出模塊輸入模塊輸出模塊當(dāng)輸入端有控制信號(hào)，輸出端從關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)；控制信號(hào)撤消后，輸出端變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。固態(tài)繼電器的輸入端、輸出端之間采用光電隔離技術(shù)，使得弱電和強(qiáng)電隔離，因此從計(jì)算機(jī)等弱電設(shè)備輸出的信號(hào)可以直接加在固態(tài)繼電器的控制端上，無(wú)需另外的保護(hù)電路[14]。3.6.2固態(tài)繼電器的組成固態(tài)繼電器由三局部組成：輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時(shí)，通常使用兩個(gè)晶閘管或一個(gè)雙向晶閘管，直流輸出時(shí)可使用雙極性器件或功率場(chǎng)效應(yīng)管。3.6.3固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：(1)高壽命，高可靠：SSR沒(méi)有機(jī)械零部件，由固體器件完成觸點(diǎn)功能，由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的零部件，因此能在高沖擊，振動(dòng)的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長(zhǎng)，可靠性高。(2)靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好：固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動(dòng)功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。(3)快速轉(zhuǎn)換：固態(tài)繼電器因?yàn)椴捎霉腆w器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微秒。(4)電磁干擾小：固態(tài)繼電器沒(méi)有輸入“線圈〞，沒(méi)有觸點(diǎn)燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個(gè)零電壓開(kāi)關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開(kāi)關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。缺點(diǎn)：(1)導(dǎo)通后的管壓降大，晶閘管或雙相晶閘管的正向降壓可達(dá)1~2V，大功率晶體管的飽和壓降在1~2V之間，一般功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻也較機(jī)械觸點(diǎn)的接觸電阻大。(2)半導(dǎo)體器件關(guān)斷后仍有數(shù)微安至數(shù)毫安的漏電流，因此不能實(shí)現(xiàn)理想的電隔離。(3)由于管壓降大，導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量也大，大功率固態(tài)繼電器的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同容量的電磁繼電器，本錢(qián)也較高。(4)電子元器件的溫度特性和電子線路的抗干擾能力較差，耐輻射能力也較差，如不采取有效措施，那么工作可靠性低。(5)固態(tài)繼電器對(duì)過(guò)載有較大的敏感性，必須用快速熔斷器或RC阻離電路對(duì)其進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。固態(tài)繼電器的負(fù)載與環(huán)境溫度明顯有關(guān)，溫度升高，負(fù)載能力將迅速下降。選型：雙向晶閘管型的固態(tài)繼電器SSR-S340ZF濟(jì)南帝諾自動(dòng)化技術(shù)3.7數(shù)碼管數(shù)碼管顯示有兩種接法：共陽(yáng)極、共陰極，本設(shè)計(jì)選擇共陰極接法。如圖3-5所示。共陽(yáng)極共陰極共陽(yáng)極共陰極圖3-5數(shù)碼管的接法3.8系統(tǒng)工作流程及硬件接線3.8.1系統(tǒng)工作流程系統(tǒng)工作流程：硬件系統(tǒng)接入電源后先判斷是否缺相，在不缺相情況下電源信號(hào)亮。輸入預(yù)設(shè)水溫并按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)工作。工作后熱電阻溫度傳感器測(cè)量鍋爐內(nèi)實(shí)際水溫并經(jīng)過(guò)溫度變送器轉(zhuǎn)換后經(jīng)EM235輸入PLC，PLC將實(shí)際水溫與預(yù)設(shè)水溫做差并調(diào)用PID算法計(jì)算出輸出值，程序根據(jù)輸出值判斷SSR狀態(tài)及通斷時(shí)間，從而控制鍋爐加熱管加熱時(shí)間。3.8.3系統(tǒng)主電路圖系統(tǒng)主電路圖如圖3-6所示。圖3-6系統(tǒng)主電路圖主電路原理：系統(tǒng)經(jīng)空氣開(kāi)關(guān)QA0接入電路，熔斷器防止系統(tǒng)過(guò)流，鍋爐加熱管與電源間參加熱繼電器和固態(tài)繼電器，熱繼電器防止系統(tǒng)過(guò)熱。QA0為電路總開(kāi)關(guān)，當(dāng)固態(tài)繼電器導(dǎo)通時(shí)鍋爐加熱管加熱；固態(tài)繼電器斷開(kāi)時(shí)，鍋爐加熱管斷電，停止加熱。3.8.4系統(tǒng)控制電路圖系統(tǒng)控制電路圖如圖3-7所示。圖3-7系統(tǒng)控制電路圖控制電路原理：KF為缺相保護(hù)防止電源缺相。SB3為缺相保護(hù)繼電開(kāi)關(guān)，SB2為系統(tǒng)停止按鈕，SB1為系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕。系統(tǒng)不缺相情況下，按下啟動(dòng)按鈕SB1，線圈KM1得電，KM1常開(kāi)開(kāi)關(guān)閉合，SB1自鎖。PLC輸出Q0.0導(dǎo)通后工作燈Q0.0亮。Q0.1輸出為正且Q0.7輸出為0時(shí)固態(tài)繼電器工作，系統(tǒng)加熱。Q0.3、Q0.4、Q0.5或Q0.6中有輸出為正時(shí)相應(yīng)燈亮且電鈴工作，固態(tài)繼電器停止工作。停止時(shí)，按下按鈕SB2，系統(tǒng)停止，Q0.2得電，停止信號(hào)燈亮。3.8.5PLC硬件連接圖如圖3-8所示為PLC硬件連接圖。硬件圖原理：SB1()是系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，SB2(I0.1)為系統(tǒng)停止按鈕，SB3()是缺相保護(hù)的繼電開(kāi)關(guān)。溫度傳感器用的PT100熱電阻溫度變送器。右邊的輸出局部為6個(gè)信號(hào)燈、1個(gè)固態(tài)繼電器和1個(gè)電鈴，還有三個(gè)顯示鍋爐水溫的數(shù)碼管。具體作用見(jiàn)I/O端口分配表。圖3-8硬件連接圖3.8.6I/O端口分配本設(shè)計(jì)中使用的I/O口分配如表3-1所示。表3-1系統(tǒng)I/O端口分配名稱(chēng)地址編號(hào)說(shuō)明輸入信號(hào)數(shù)字量按鈕系統(tǒng)啟動(dòng)(SB1)按鈕系統(tǒng)停止(SB2)按鈕缺相保護(hù)(SB3)模擬量輸入模擬量AIW0預(yù)設(shè)溫度溫度傳感器反響模擬量AIW2鍋爐爐內(nèi)實(shí)際爐溫輸入模擬量AIW4預(yù)設(shè)壓力壓力傳感器反響模擬量AIW6鍋爐爐內(nèi)實(shí)際壓力輸入模擬量AIW8預(yù)設(shè)水位下限輸入模擬量AIW10預(yù)設(shè)水位上限液位傳感器反響模擬量AIW12鍋爐爐內(nèi)實(shí)際水位輸出信號(hào)數(shù)字量燈工作信號(hào)燈固態(tài)繼電器控制通斷燈停止信號(hào)燈燈高溫警報(bào)燈高壓警報(bào)燈Q0.5高液位警報(bào)燈Q0.6低液位警報(bào)電鈴Q0.7起警報(bào)作用溫度顯示QB1數(shù)碼管1QB2數(shù)碼管2QB3數(shù)碼管34軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)流程圖圖4-1為系統(tǒng)流程圖。圖4-1鍋爐爐溫控制流程圖4.2PID控制器的參數(shù)整定PID校正參數(shù)設(shè)計(jì)方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)，所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)雖具有知道意義，最終還必須通過(guò)工程實(shí)際運(yùn)行過(guò)程加以調(diào)試和修改。二是工程整定法，常用方法有臨界比例度法、反響曲線法和衰減法等，其共同點(diǎn)都是直接通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)取得相關(guān)數(shù)據(jù)，在按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定，方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣發(fā)采用。本設(shè)計(jì)采用Z-N臨界比例度法：Z-N臨界比例度法是一種廣泛應(yīng)用在工程上的一種經(jīng)典的PID控制器參數(shù)整定方法。它的主要優(yōu)勢(shì)是可以不依賴(lài)于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型參數(shù)，而是歸納總結(jié)以前大量的工程經(jīng)驗(yàn)得到經(jīng)驗(yàn)公式，然后依據(jù)此經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算PID控制器的具體參數(shù)。用這個(gè)方法需要知道兩個(gè)參數(shù)：臨界增益Ku和臨界振蕩周期Tu。Z-N臨界比例度法對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)使用時(shí)，先將積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)設(shè)為0，即消除積分和微分作用，使系統(tǒng)變?yōu)榧儽壤到y(tǒng)；然后調(diào)整比例系數(shù)KP，直至系統(tǒng)剛好出現(xiàn)振蕩，此時(shí)的KP的值就是系統(tǒng)的臨界增益Ku，此時(shí)圖像的振蕩周期即為系統(tǒng)的臨界振蕩周期Tu，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算出系統(tǒng)需要的三個(gè)參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)公式表如表4-1所示。表4-1Z-N臨界比例度法參數(shù)整定公式PID控制器參數(shù)KPTiTdP型控制器PI型控制器PID型控制器此方法雖然應(yīng)用廣泛，但是它也有一些缺陷：(1)除非精確計(jì)算，否那么一般為了獲得精確的Ku和Tu，需要進(jìn)行屢次調(diào)整KP重復(fù)實(shí)驗(yàn)，然后還需調(diào)節(jié)至剛好振蕩，這個(gè)過(guò)程需要花費(fèi)許多時(shí)間。(2)整定時(shí)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的許多小干擾都會(huì)對(duì)參數(shù)的整定產(chǎn)生影響，導(dǎo)致精確度下降或者錯(cuò)誤。(3)當(dāng)?shù)确袷幍姆岛苄r(shí)，系統(tǒng)內(nèi)有大的滯后環(huán)節(jié)或者有元素已經(jīng)飽和時(shí)產(chǎn)生的圖像，容易讓人誤以為系統(tǒng)到達(dá)了臨界振蕩，從而得到錯(cuò)誤的Ku和Tu導(dǎo)致錯(cuò)誤的PID控制器參數(shù)。(4)Z-N臨界比例度法就無(wú)法使用在不允許出現(xiàn)臨界振蕩的系統(tǒng)上。經(jīng)查閱相關(guān)資料，假設(shè)電熱鍋爐加熱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：式(4.1)根據(jù)這個(gè)傳遞函數(shù)和滯后環(huán)節(jié)：得出此系統(tǒng)的臨界振蕩函數(shù)圖像如圖4-2和圖4-3所示，從圖像上可以得出的臨界振蕩周期Tu=119.2，a=25.2，d=1，那么臨界增益為。根據(jù)表4-1中的公式可以得出：KP303；Ti=；Td=通過(guò)計(jì)算得出PID的三個(gè)參數(shù)分別為KP303，Ki×10-4，Kd=515，具體計(jì)算公式為：式(4.2)式(4.3)圖4-2臨界振蕩圖像圖4-3PID整定圖根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，設(shè)置控制如圖4-4所示。圖4-4仿真控制圖輸入PID參數(shù)后運(yùn)行，得到仿真函數(shù)圖像如圖4-5所示。圖4-5系統(tǒng)運(yùn)行原仿真圖像從圖像上可以看出，系統(tǒng)超調(diào)量較大調(diào)節(jié)時(shí)間較大，效果不理想，需要再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。圖4-6系統(tǒng)運(yùn)行新仿真圖像經(jīng)過(guò)調(diào)整后得到新的參數(shù)為KP5，Ki＝5×10-4，Kd=0.5。從圖像上可以看出超調(diào)量減少了，曲線也平穩(wěn)了。4.3PLC程序梯形圖設(shè)計(jì)以上兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)用于把預(yù)設(shè)溫度與實(shí)際水溫歸一化計(jì)算，為PID計(jì)算做準(zhǔn)備。為特殊繼電器，當(dāng)PLC上電后一直保持導(dǎo)通狀態(tài)為中間繼電器，I0.0自鎖作用；I0.1是停止按鈕；I0.2當(dāng)電路中出現(xiàn)缺相的時(shí)候會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)。Q0.0是工作信號(hào)燈，用綠色顯示；為中間繼電器。Q0.2是一個(gè)停止的信號(hào)燈，用紅色顯示。由于系統(tǒng)需要使用PID環(huán)節(jié)，所以必須先使用STEP7-Micro/WIN提供的PIDWizard(PID指令向?qū)?生成一個(gè)用于閉環(huán)控制的PID算法。絕大多數(shù)PID運(yùn)算的自動(dòng)編程都能由此向?qū)瓿?，用?hù)只需在編程需要時(shí)直接調(diào)用其生成的子程序即可。PID向?qū)傻腜ID控制算法可以是模擬量輸出也可以是開(kāi)關(guān)量；能支持自動(dòng)調(diào)節(jié)也支持手動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)PID指令的配置如下。首先翻開(kāi)編程軟件STEP7-Micro/WIN，然后翻開(kāi)指令向?qū)?，選擇PID。圖4-7配置PID然后點(diǎn)擊下一步進(jìn)入到如下界面，選擇回路0。圖4-8選擇回路繼續(xù)點(diǎn)下一步，因?yàn)镻ID的三個(gè)參數(shù)比例增益，積分周期和微分周期都已經(jīng)在前面整定出來(lái)了分別是、5×10-4和，另外采樣周期選擇10秒鐘。給定值的范圍是因?yàn)檫M(jìn)入PID算法的時(shí)候，模擬量需要進(jìn)行歸一化整理(模擬量-64000)/(32000-6400)。圖4-9配置PID參數(shù)輸入局部由于PT100溫度變送器輸出為4-20mA，所以須勾選使用20%偏移量，范圍是定死的，無(wú)需修改；輸出不需修改，直接缺省值即可。圖4-10輸入輸出設(shè)置剩下的回路報(bào)警設(shè)置、內(nèi)存地址分配和命名及初始化，設(shè)置不需做改變。至此PID設(shè)置完成。此網(wǎng)絡(luò)即PID指令地調(diào)用。此網(wǎng)絡(luò)用于在組態(tài)畫(huà)面中對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。該網(wǎng)絡(luò)的程序功能是把PID回路輸出轉(zhuǎn)換成占空比。因PID回路的輸出PID0_Output為0.0-1.0之間的實(shí)數(shù)值，又因采樣時(shí)間為10秒，所以第一個(gè)指令MUL_R中INT2為100.0。ROUND是將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)，DI_I是將雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)。VW2和VW4分別是采樣周期內(nèi)的加熱時(shí)間和非加熱時(shí)間。上述程序用了兩個(gè)100ms的定時(shí)器T37和T38來(lái)控制加熱時(shí)間。此網(wǎng)絡(luò)是控制固態(tài)繼電器的通斷的，即控制鍋爐加熱局部是否加熱。其中Q0.7為電鈴，即電鈴?fù)娤到y(tǒng)加熱停止。以上5個(gè)網(wǎng)絡(luò)用于將系統(tǒng)中的模擬量轉(zhuǎn)化為雙整數(shù)類(lèi)型，便于以后計(jì)算。此網(wǎng)絡(luò)作用為：當(dāng)測(cè)量溫度超過(guò)鍋爐溫度上限值時(shí)，中間繼電器M0.2導(dǎo)通；當(dāng)鍋爐壓力超過(guò)上限值時(shí)，中間繼電器M0.3導(dǎo)通；鍋爐水位低于下限時(shí)，中間繼電器M0.4導(dǎo)通；鍋爐水位高于上限時(shí)，中間繼電器M0.5導(dǎo)通。此網(wǎng)絡(luò)為閃爍電路，當(dāng)相應(yīng)中間繼電器接通時(shí)，對(duì)應(yīng)的警報(bào)燈閃爍。此網(wǎng)絡(luò)表示當(dāng)出現(xiàn)警報(bào)燈閃爍的時(shí)候電鈴發(fā)出聲音。以上六個(gè)網(wǎng)絡(luò)為數(shù)碼管顯示指令，用三個(gè)數(shù)碼管來(lái)顯示鍋爐的實(shí)際水溫。其中網(wǎng)絡(luò)20作用為將歸一化后的實(shí)際水溫復(fù)原為0-120℃的十進(jìn)制數(shù)，后面5個(gè)網(wǎng)絡(luò)那么是將此數(shù)在3個(gè)數(shù)碼管上顯示。5人機(jī)界面設(shè)計(jì)5.1組態(tài)軟件根底5.1.1組態(tài)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(guò)程。組態(tài)軟件一般都是有針對(duì)性的，一款組態(tài)軟件一般只會(huì)適合某局部領(lǐng)域中的應(yīng)用。工業(yè)計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域最早提出有關(guān)組態(tài)的概念，如PLC梯形圖組態(tài)等。在工業(yè)控制中組態(tài)的結(jié)果是用于實(shí)時(shí)監(jiān)控的。組態(tài)工具即是為執(zhí)行自己特定的任務(wù)而運(yùn)行程序?，F(xiàn)在的工控組態(tài)軟件一般都提供編程手段且內(nèi)置編譯系統(tǒng)，提供類(lèi)BASIC語(yǔ)言，有的支持VB，甚至更高級(jí)的C#語(yǔ)言等。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)。5.1.2組態(tài)王軟件的特點(diǎn)組態(tài)王人機(jī)界面開(kāi)發(fā)軟件，是目前比擬流行的工業(yè)控制軟件，它憑借其自身完美的軟件和硬件所構(gòu)成的系統(tǒng)代替原來(lái)傳統(tǒng)的系統(tǒng)。組態(tài)王的優(yōu)點(diǎn)有適應(yīng)能力強(qiáng)、性能好、擴(kuò)展容易、本錢(qián)低等優(yōu)點(diǎn)。一般情況下可以把這個(gè)軟件劃分為控制局部、監(jiān)控局部和管理局部這三個(gè)方面。該軟件中的監(jiān)控局部對(duì)下連接控制局部，對(duì)上連接管理局部，它既可以完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作的實(shí)時(shí)控制，也可以在自動(dòng)控制中實(shí)現(xiàn)上下連通作用。特別要聯(lián)系到三方面的問(wèn)題：數(shù)字、界面、動(dòng)態(tài)畫(huà)面。為了要滿足監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的功能，必須要對(duì)組態(tài)王進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。組態(tài)王軟件也有監(jiān)控界面供大家觀看，這個(gè)可以使得操作那么在監(jiān)控的時(shí)候更加方便。并且，該軟件能有效的運(yùn)用Windows自帶的的圖形編輯軟件，使得監(jiān)控畫(huà)面更見(jiàn)的完美，而且改軟件以動(dòng)態(tài)畫(huà)面的形式顯示設(shè)備的工作狀態(tài)，該軟件還擁有報(bào)警、實(shí)時(shí)曲線等功能，在生成各類(lèi)報(bào)表的時(shí)候更加容易方面。它還附帶齊全的軟件驅(qū)動(dòng)程序和良好的數(shù)據(jù)銜接功能[6]。5.1.3組態(tài)王軟件仿真的根本方法(1)設(shè)計(jì)界面，抽象的模擬出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。(2)創(chuàng)立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，在其中存放需要使用的變量。(3)用動(dòng)畫(huà)連接各界面中的圖素并使之模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行方式。(4)制作完畢后要運(yùn)行并對(duì)局部圖素調(diào)試。5.2組態(tài)變量的建立及設(shè)備連接5.2.1新建工程翻開(kāi)組態(tài)王，新建工程并進(jìn)入，然后新建畫(huà)面繪制所需界面，如圖5-1所示。圖5-1畫(huà)面新建5.2.1新建設(shè)備1.在組態(tài)王軟件樹(shù)形目錄里選擇設(shè)備，雙擊“新建〞圖標(biāo)，彈出“設(shè)備配置向?qū)Ж晫?duì)話框，如圖5-2所示。圖5-2新建設(shè)備在上述對(duì)話框中選擇PLC→西門(mén)子→S7-200系列→PPI設(shè)置好單擊“下一步〞一直到“完成〞，通信設(shè)置結(jié)束，如圖5-3所示。圖5-3新建設(shè)備完成5.2.3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。根本類(lèi)型的變量可以分為“內(nèi)存變量〞和I/O變量?jī)深?lèi)。內(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5-4所示。圖5-4新建變量工程中所用到的變量見(jiàn)圖5-5。圖5-5變量表5.2.4變量與PLC的傳輸由于預(yù)設(shè)溫度需要在系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)設(shè)定，所以在監(jiān)控畫(huà)面中需要將數(shù)據(jù)輸入至PLC對(duì)應(yīng)地址，雙擊預(yù)設(shè)溫度數(shù)值，選擇模擬值輸入，變量名選擇設(shè)定好的預(yù)設(shè)溫度，范圍選擇0-120，如圖5-6。這樣當(dāng)進(jìn)入運(yùn)行模式的時(shí)候，點(diǎn)擊預(yù)設(shè)溫度值，就會(huì)出現(xiàn)如圖5-7所示的輸入界面。圖5-6溫度輸入連接圖5-7溫度輸入實(shí)際水溫的輸出信號(hào)是通過(guò)存放器VD200輸送到組態(tài)里面的，設(shè)置如圖5-8所示。雙擊實(shí)際水溫，選擇模擬值輸出選項(xiàng)，在表達(dá)式里面選擇實(shí)際溫度。輸出格式：整數(shù)位選擇3為，小數(shù)位選擇1位，然后顯示格式選擇十進(jìn)制，單擊確定完成設(shè)置。那么系統(tǒng)中當(dāng)前溫度值就可以在組態(tài)界面中顯示了。圖5-8溫度輸出連接5.3創(chuàng)立組態(tài)畫(huà)面5.3.1新建主畫(huà)面主畫(huà)面如圖5-9所示。圖5-9控制系統(tǒng)主畫(huà)面5.3.2新建PID參數(shù)設(shè)定窗口如圖5-10所示為PID參數(shù)設(shè)定窗口，用來(lái)設(shè)置PID參數(shù)值。圖5-10PID參數(shù)設(shè)定窗口5.3.3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(huà)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)，可快速反響變量的新變化。如圖5-11所示。圖5-11實(shí)時(shí)曲線窗口5.3.4新建歷史曲線歷史趨勢(shì)曲線可在圖庫(kù)管理器中得到。歷史趨勢(shì)曲線可以查詢(xún)查詢(xún)過(guò)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。見(jiàn)圖5-