基于西門子PLC的溫度PID調(diào)節(jié)畢業(yè)設(shè)計論文1.doc

青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)題 目： 基于西門子PLC的溫度PID調(diào)節(jié) 摘 要從上世紀80年代至90年代中期，PLC得到了快速的發(fā)展，在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領(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、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動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。 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐的諸多領(lǐng)域中, 溫度控制占有著極為重要的地位, 特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案 也有所不同。例如冶金、機械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等。溫度控制系統(tǒng) 的工藝過程復(fù)雜多變，具有不確定性，因此對系統(tǒng)要求更為先進的控制技術(shù)和控制理論。 可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，是繼承計算機、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜， 可靠性強，編程簡單，易學(xué)易用等特點，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中被廣泛地使用。關(guān)鍵字：溫度控制系統(tǒng) 、 西門子S7-200PLC 、 PID控制算法 ABSTRACTFrom the last century to 90 in the mid 80s, PLC has been rapid development in this period, PLC capability in dealing with analog and digital computing power, man-machine interface capabilities and network capabilities are greatly improved, PLC gradually entering the field of process control, replaced in some applications in the field of process control dominant DCS.PLC has the versatility, ease of use, wide adaptation, high reliability and strong anti-interference, simple to program and so on.PLC control, especially in the industrial automation sequence control the position, in the foreseeable future, is no substitute. This paper introduces the boiler as the charged object to the boiler water temperature of the main accused of the export parameters to furnace temperature as deputy accused of parameters to control the heating resistance wire voltage parameters to PLC, controller, constitutes a series of boiler temperaturelevel control system; using PID algorithm, the use of PLC ladder programming language, programming, boiler temperature control. Electric boilers a wide range of applications, in a considerable number of field, the electric boiler performance advantages and disadvantages of the decision The quality of the product.Electric boiler control systems currently used mostly for computer control microprocessor core technology, both to improve the automation equipment have improved the control precision equipment. This paper on the heating boiler control system works, selection of temperature transmitter, PLC configurations, the configuration software design aspects were described.Through the transformation of electric boiler control system has fast response, good stability, high reliability, control accuracy and good features, practical significance for industrial control.Key words: temperature control system SIMATICS7-200Programmable Logic Controller classic PID control 摘 要1第一章 緒論41.1 溫度控制系統(tǒng)的意義41.2 溫度控制系統(tǒng)背景42.1 傳感技術(shù)52.2 PLC技術(shù)62.3 PID回路算法7第三章 硬件設(shè)計123.1 西門子PLC的特點123.2 PLC各部分的作用133.3 硬件配置153.4硬件接線圖18第四章PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計184.1 PLC程序設(shè)計的方法184.1 編程軟件STEP7-Micro/WIN 概述194.2. 計算機與PLC的通信204.3 程序設(shè)計214.4 程序編寫31第五章 系統(tǒng)仿真及調(diào)試345.1 控制程序運行及其分析345.2 PID自整定失敗原因及解決方法37結(jié) 論40參考文獻42第一章 緒論1.1 溫度控制系統(tǒng)的意義 溫度及濕度的測量和控制對人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報、物資倉儲等都起著極其重要的作用。在許多場合，及時準確獲得目標的溫度、濕度信息是十分重要的，近年來，溫濕度測控領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，溫濕度的測控芯片也相應(yīng)的登上歷史的舞臺，能夠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域中廣泛使用。1.2 溫度控制系統(tǒng)背景自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在職能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，一日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都產(chǎn)生了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體水平處于20實際80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟。形成商品化并在儀表控制系統(tǒng)參數(shù)的自整定方面，還沒開發(fā)性能可靠的自整定軟件。參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗及我國現(xiàn)場調(diào)試來確定。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對溫度控制系統(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)是國內(nèi)外必然發(fā)展趨勢。第二章 研究技術(shù)介紹2.1 傳感技術(shù) 傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù)。國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律(數(shù)學(xué)函數(shù)法則)轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”?！皞鞲衅鳌痹谛马f式大詞典中定義為：“從一個系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統(tǒng)中的器件”。 隨著新的技術(shù)的發(fā)展，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進入了許多新領(lǐng)域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到fm的粒子世界，縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化，短到 s的瞬間反應(yīng)。此外，還出現(xiàn)了對深化物質(zhì)認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁場等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術(shù)將會出現(xiàn)一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。傳感器的特點包括：微型化、 數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、 網(wǎng)絡(luò)化，它不僅促進了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和更新?lián)Q代，而且還可能建立新型工業(yè)，從而成為21世紀新的經(jīng)濟增長點。微型化是建立在微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)基礎(chǔ)上的，已成功應(yīng)用在硅器件上做成硅壓力傳感器 。2.2 PLC技術(shù)可編程控制器的英文名稱是Programmable Logic Controller，即可編程邏輯控制器，簡稱PLC?，F(xiàn)代制造業(yè)必須對市場需求做出快速反應(yīng)，生產(chǎn)小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，這便要求生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高可靠性和靈活性?？删幊炭刂破髡琼槕?yīng)這一潮流而出現(xiàn)的，以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。在20世紀60年代的汽車制造業(yè)，傳統(tǒng)繼電接觸器控制裝置廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)中。這套裝置設(shè)備體積龐大，可靠性差，同時維護不便，而且，完全由邏輯硬件構(gòu)成，接線十分復(fù)雜。一旦生產(chǎn)過程某一環(huán)節(jié)發(fā)生改變，控制裝置就要重新設(shè)計改造。隨著汽車生產(chǎn)工業(yè)的迅猛發(fā)展，對于汽車型號頻繁改進，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)捉襟見肘，弊端日益放大，最終PLC 應(yīng)運而生。它開創(chuàng)性地引入程序控制功能，使計算機科學(xué)技術(shù)進入工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域應(yīng)用。早期PLC僅僅是替代繼電器控制裝置完成順序控制、定時等任務(wù)，但是其簡單易懂、安裝方便、體積小、能耗低、有故障顯示、能重復(fù)使用的特點，使得PLC很快就得到了推廣應(yīng)用。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器性能的飛速發(fā)展，PLC的軟、硬件功能不能豐富、完善。2.3 PID回路算法 在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID控制器（亦稱 PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活。 控制點包含三種比較簡單的PID控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 這三種PID算法雖然簡單，但各有特點，基本上能滿足一般控制的大多數(shù)要求。 2.3.1 PID算法控制器的輸出： 公式（2-1） 注：各符號含義如下u(t); 控制器的輸出值。e(t); 控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。Kp; 比例系數(shù)。Ti; 積分時間常數(shù)。Td; 微分時間常數(shù)。T; 調(diào)節(jié)周期。對于增量式算法，可以選擇的功能有：(1) 濾波的選擇可以對輸入加一個前置濾波器，使得進入控制算法的給定值不突變，而是有一定慣性延遲的緩變量。(2) 系統(tǒng)的動態(tài)過程加速在增量式算法中，比例項與積分項的符號有以下關(guān)系：如果被控量繼續(xù)偏離給定值，則這兩項符號相同，而當被控量向給定值方向變化時，則這兩項的符號相反。由于這一性質(zhì)，當被控量接近給定值的時候，反號的比例作用阻礙了積分作用，因而避免了積分超調(diào)以及隨之帶來的振蕩，這顯然是有利于控制的。但如果被控量遠未接近給定值，僅剛開始向給定值變化時，由于比例和積分反向，將會減慢控制過程。為了加快開始的動態(tài)過程，我們可以設(shè)定一個偏差范圍v，當偏差|e(t)|= 時，則不管比例作用為正或為負，都使它向有利于接近給定值的方向調(diào)整，即取其值為|e(t)-e(t-1)|，其符號與積分項一致。利用這樣的算法，可以加快控制的動態(tài)過程。(3) PID增量算法的飽和作用及其抑制在PID增量算法中，由于執(zhí)行元件本身是機械或物理的積分儲存單元，如果給定值發(fā)生突變時，由算法的比例部分和微分部分計算出的控制增量可能比較大，如果該值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么實際上執(zhí)行的控制增量將時受到限制時的值，多余的部分將丟失，將使系統(tǒng)的動態(tài)過程變長，因此，需要采取一定的措施改善這種情況。糾正這種缺陷的方法是采用積累補償法，當超出執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行能力時，將其多余部分積累起來，而一旦可能時，再補充執(zhí)行PID位置算法離散公式： 公式（2-2）對于位置式算法，可以選擇的功能有：a、濾波：同上為一階慣性濾波b、飽和作用抑制：遇限削弱積分法一旦控制變量進入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項的運算而停止進行增大積分項的運算。具體地說，在計算Ui時，將判斷上一個時刻的控制量Ui-1是否已經(jīng)超出限制范圍，如果已經(jīng)超出，那么將根據(jù)偏差的符號，判斷系統(tǒng)是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)偏差計入積分項。積分分離法在基本PID控制中，當有較大幅度的擾動或大幅度改變給定值時， 由于此時有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)量和長時間的波動。特別是對于溫度、成份等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象將更嚴重。為此可以采用積分分離措施，即偏差較大時，取消積分作用；當偏差較小時才將積分作用投入。另外積分分離的閾值應(yīng)視具體對象和要求而定。若閾值太大，達不到積分分離的目的，若太小又有可能因被控量無法跳出積分分離區(qū)，只進行PD控制，將會出現(xiàn)殘差。離散化公式：u(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2) 公式（2-3）當|e(t)|時q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T)q1 = -Kp(1+2Td/T)q2 = Kp Td /T當|e(t)|時q0 = Kp(1+Td/T)q1 = -Kp(1+2Td/T)q2 = Kp Td /Tu(t) = u(t-1) + u(t)注：各符號含義如下u(t); 控制器的輸出值。e(t); 控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。Kp; 比例系數(shù)。Ti; 積分時間常數(shù)。Td; 微分時間常數(shù)。（有的地方用Kd表示）T; 調(diào)節(jié)周期。; 積分分離閾值當控制系統(tǒng)的給定值發(fā)生階躍時，微分作用將導(dǎo)致輸出值大幅度變化，這樣不利于生產(chǎn)的穩(wěn)定操作。因此在微分項中不考慮給定值，只對被控量（控制器輸入值）進行微分。微分先行PID算法又叫測量值微分PID算法。離散化公式：公式（2-4）參數(shù)說明同上對于純滯后對象的補償控制點采用了Smith預(yù)測器，使控制對象與補償環(huán)節(jié)一起構(gòu)成一個簡單的慣性環(huán)節(jié)。PID參數(shù)整定：(1) 比例系數(shù)Kp對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。Kp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。Kp太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。Kp太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。Kp可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。如果Kc的符號選擇不當對象狀態(tài)(pv值)就會離控制目標的狀態(tài)(sv值)越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況Kp的符號就一定要取反。(2) 積分控制Ti對系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ti小（積分作用強）會使系統(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Td對系統(tǒng)性能的影響微分作用可以改善動態(tài)特性，Td偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。Td偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有Td合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。第三章 硬件設(shè)計本控制系統(tǒng)硬件設(shè)計由PLC控制系統(tǒng)硬件、監(jiān)視系統(tǒng)硬件以及其他輔助硬件設(shè)計組成。在設(shè)計中應(yīng)考慮以下原則:1.可靠性?？煽啃允强刂葡到y(tǒng)的生命，系統(tǒng)不可靠，即使功能再完善，經(jīng)濟性再好也沒有用，可靠性不好的設(shè)備是沒有市場的。在設(shè)計中，盡可能選擇可靠的元件和產(chǎn)品，雖然初始投資可能多一點但是考慮到因為可靠性不好造成的生產(chǎn)和維修費用，還是值得的。2.功能完善。在保證控制功能的基礎(chǔ)上，盡可能的將自檢、報警等功能納入設(shè)計方案。3.經(jīng)濟性。在保證控制功能和可靠性的基礎(chǔ)上，盡可能降低成本。4.在保證前三條的基礎(chǔ)上，考慮系統(tǒng)的先進性和可擴展性。3.1 西門子PLC的特點可以這樣歸納一下西門子PLC的特點，真是基于下面的這些優(yōu)越性是我們選擇了它的重要原因。 （1）SIMATIC CPU將技術(shù)功能和運動控制集于一身，最大限度的減少成本。 （2）在同一個S7應(yīng)用程序中同時完成PLC和運動控制的編程組態(tài)。 （3）現(xiàn)有的S7程序可以再利用，減少編程的工作量。 （4）對于各種控制任務(wù)可以提供靈活多樣的高級的運動控制功能。 （5）從驅(qū)動到運動控制再到PLC，一切盡在STEP 7 中完成。 （6）全部的編程使用SIMATIC 平臺，降低培訓(xùn)費用。 （7）運動控制功能符合PLC open 標準，方便工程實施和服務(wù)。 （8）同步的PRIFIBUS DP(DRIVE)保證在高速處理過程中高質(zhì)量的控制水平。 （9）廣泛、全面的SIMATIC 產(chǎn)品線，包括多種集中式和分布式的模塊化擴展方3.2 PLC各部分的作用 3.2.1.中央處理單元(CPU)1）CPU 在 P LC中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，它是PLC的運算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所斌予的功能，完成以下任務(wù):(1) 接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；(2) 診 斷 電源、PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯誤；(3) 用 掃 描的方式接收輸入信號，送入PLC的數(shù)據(jù)寄存器保存起來；(4) PLC進入運行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作；(5) 將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。2）現(xiàn)代PLC使用的CPU主要有以下幾種:(1) 通用微處理器，如808018 08812等。通用微處理器的價格便宜，通用性強，還可以借用微機成熟的實時操作系統(tǒng)、豐富的軟硬件資源。(2) 單片機 ，如8051等。單片機由于集成度高、體積小、價格低和可擴充性好，很適合在小型PLC上使用，也廣泛地用于PLC的智能UO模塊。(3) 位片式微處理器，如AMD2900系列等。位片式微處理器是獨立于微型機的另一分支。它主要追求運算速度快，它以4位為一片。用幾個位片級聯(lián)，可以組成任意字長的微處理器二改變程序存儲器的內(nèi)容，可以改變計算機的指令系統(tǒng)。位片式結(jié)構(gòu)可以使用多個微處理器，將控制任務(wù)劃分為若千個可以并行處理的部分，幾個微處理器同時進行處理。這種高運算速度與可以適應(yīng)用戶需要的指令系統(tǒng)相結(jié)合，很適合于以順序掃描方式工作的PLC使用。3.2.2 存儲器根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下3種:(1) 系統(tǒng)程序存儲器:和各種計算機一樣，PLC也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了PLC的功能，稱為系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統(tǒng)程序是不能山用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器ROM或EPROM。(2) 用戶程序存儲器:用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經(jīng)常改動、調(diào)試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的RAM。由于RAM掉電會丟失數(shù)據(jù)，因此使用RAM作用戶程序存儲器的PLC，都有后備電池(視電池)保護RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當用戶程序調(diào)試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序?qū)懭隕PROM。目前較先進的PLC(如歐姆龍公司的CPMIA型PLC)采用快閃存儲器作用戶程序存儲器，快閃存儲器可隨時讀寫，掉電時數(shù)據(jù)不會丟失，不需用后備電池保護。(3) 工作數(shù)據(jù)存儲器:工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分數(shù)據(jù)存儲在RAM中，以適應(yīng)隨機存取的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)，開辟有元件映像寄存器和數(shù)據(jù)表。元件映像寄存器用來存儲PLC的開關(guān)量輸入/輸出和定時器、計數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的ON/OFF狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標準格式是每一個數(shù)據(jù)占一個字。它存儲用戶程序執(zhí)行時的某些可變參數(shù)值，如定時器和計數(shù)器的當前值和設(shè)定值。它還用來存放A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運算的結(jié)果等。根據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在停電時用后備電池維持其當前值，在停電時可以保持數(shù)據(jù)的存儲器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。3.2.3 I/0單元I/0單元也稱為I/0模塊。PLC通過I/0單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系，輸入單元接收操作指令和現(xiàn)場的狀態(tài)信息，加控制按鈕、操作開關(guān)和限位開關(guān)、光電管、繼電器觸點、行程開關(guān)、接近開關(guān)等信號，并通過輸入電路的濾波、光電隔離和電平轉(zhuǎn)換等將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出單元將CPU送出的弱電控制信號通過輸出電路的光電隔離和功率放大等轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以馳動接觸器、電磁閥、電磁鐵等執(zhí)行元件。3.3 硬件配置3.3.1 西門子S7-200 CPU222CNS7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器等。S7-200系列的基本單元如表2.1所示。 型號輸入點輸出點可帶擴展模塊數(shù)S7-200CPU221640S7-200CPU222862個擴展模塊S7-200CPU22424107個擴展模塊S7-200CPU224XP24167個擴展模塊S7-200CPU22624167個擴展模塊表3.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元 本文采用的是CPU222CN。它具有8輸入/6輸出共14個數(shù)字量I/O點?？蛇B接2個擴展模塊，最大擴展至78路數(shù)字量I/O點或10 路模擬量I/O點。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。4個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。3.3.2 傳感器熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、答應(yīng)誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。本論文采用的是K型熱電阻。3.3.3 EM231模擬量輸入模塊EM 231模塊是組合強功率精密線性電流互感器、意法半導(dǎo)體（ST）單片集成變送器ASIC芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊，它可以直接將被測主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC420mA（通過250電阻轉(zhuǎn)換DC 15V或通過500電阻 轉(zhuǎn)換DC210V）恒流環(huán)標準信號，連續(xù)輸送到接收裝置（計算機或顯示儀表）。 EM231CN端子連接圖： 圖3.1 EM231CN接線圖 單極性 滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 ON OFF ON 0到10V 2.5mV ON OFF 0到5V 1.25mV 0到20mA 5uA 雙極性 滿量程輸入 分辨率 OFF OFF ON 5V 2.5mV ON OFF 2.5V 1.25mV 表3.2 EM 231 CN選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表 注意：模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器(ADC)的12位讀數(shù)，其數(shù)據(jù)格式是左端對齊的。最高有效位是符號位：0表示是正值數(shù)據(jù)字，對單極性格式，3個連續(xù)的0使得ADC計數(shù)數(shù)值每變化1個單位則數(shù)據(jù)字的變化是以8為單位變化的。對雙極性格式，4個連續(xù)的0使得ADC計數(shù)數(shù)值每變化1個單位，則數(shù)據(jù)字的變化是以16為單位變化的。3.3.4 溫度檢測和控制模塊 溫度采集由傳感器來完成，由燈加熱作為加熱器模擬熱源，輸出的模擬信號是420MA。3.4 硬件接線圖PLC主機計算機PID調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)溫度檢測裝置圖3.2 溫度控制系統(tǒng)圖實際溫度加熱器硬件接線圖見附錄 第四章PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分本在硬件基礎(chǔ)上，詳細介紹本項目的軟件設(shè)計，主要包括軟件設(shè)計的基本步驟、方法、編程軟件STEP7-Micro/WIN的介紹以及本項目的程序設(shè)計。4.1 PLC程序設(shè)計的方法PLC程序設(shè)計常用的方法：主要有經(jīng)驗設(shè)計法、繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法、順序控制設(shè)計法、邏輯設(shè)計法等。1.經(jīng)驗設(shè)計法：經(jīng)驗設(shè)計法即在一些典型的控制電路程序的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控制對象的具體要求，進行選擇組合，并多次反復(fù)調(diào)試和修改梯形圖，有時需增加一些輔助觸點和中間編程環(huán)節(jié)，才能達到控制要求。這種方法沒有規(guī)律可遵循，設(shè)計所用的時間和設(shè)計質(zhì)量與設(shè)計者的經(jīng)驗有很大的關(guān)系，故稱為經(jīng)驗設(shè)計法。 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現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)的功能。3.順序控制設(shè)計法：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)計法：通過中間量把輸入和輸出聯(lián)系起來。實際上就找到輸出和輸入的關(guān)系，完成設(shè)計任務(wù)。 4.1 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)計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。 以 STEP7-Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通STEP7-Micro/WIN，可雙擊STEP7 -Micro/WIN的圖標，如圖4-1所示，STEP7-Micro/WIN項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目對象指令。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時局部變量的符號名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的的底部按標簽顯示。圖 4.1 STEP7-Micro/WIN項目窗口本項目中我們利用 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP5編程軟件，其界面如圖4-1所示。項目包括的基本組件：程序塊、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊、符號表、狀態(tài)表、交叉引用表。4.2. 計算機與PLC的通信在STEP7-Micro/WIN 中雙擊指令樹中的“通信”圖標，或執(zhí)行菜單命令的“查看”/“組件”/“通信”，將出現(xiàn)“通信”對話框,見圖4-2。在將新的設(shè)置下載到S7-200之前，應(yīng)設(shè)置遠程站的地址，是它與S7-200的地址。雙擊“通信”對話框中“雙擊刷新”旁邊的藍色箭頭組成的圖標，編程軟件將會自動搜索連接在網(wǎng)絡(luò)上的S7-200，并用圖標顯示搜索到的S7-200。圖4.2 通信窗口4.3 程序設(shè)計4.3.1 程序設(shè)計思路PLC運行時，通過特殊繼電器SM0.0產(chǎn)生初始化脈沖進行初始化，設(shè)置溫度給定值，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，溫度采集由傳感器來完成，由燈加熱作為加熱器模擬熱源，輸出的模擬信號是420MA，溫度變送器將采集溫度信號轉(zhuǎn)換為電流信號，電流信號在通過AIW0進入PLC，作為主回路的反饋值，經(jīng)過主控制器（PID0）的PI運算產(chǎn)生輸出信號，作為副回路的給定值。輸出的4-20mA電流信號通過控制送電頻率，從而控制加熱模擬源，完成對溫度的控制。 4.3.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟 設(shè)計PLC應(yīng)用系統(tǒng)時，首先是進行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計，即根據(jù)被控對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的機型和系統(tǒng)的具體配置。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計可以按以下步驟進行：1熟悉被控對象，制定控制方案 分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對 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、信號指示燈等)由此確定PLC的IO點數(shù)。3選擇PLC 選擇時主要包括PLC機型、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)場需要，確定控制按鈕，選擇開關(guān)、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設(shè)備的型號、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的PLC的型號列出輸入輸出設(shè)備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部IO接線圖和編制程序。5設(shè)計軟件及硬件進行PLC程序設(shè)計，進行控制柜（臺）等硬件的設(shè)計及現(xiàn)場施工。由于程序與硬件設(shè)計可同時進行，因此，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計周期可大大縮短，而對于繼電器系統(tǒng)必須先設(shè)計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設(shè)計。6聯(lián)機調(diào)試 聯(lián)機調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進行在線統(tǒng)調(diào)。圖 4.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)置步驟圖 4.3.3 PID指令向?qū)?編寫PID控制程序時，首先要把過程變量（PV）轉(zhuǎn)化為0.00-1.00之間的標準實數(shù)。PID運算結(jié)束之后，需要把回路輸出（0.00-1.00之間的標準化實數(shù)）轉(zhuǎn)換為可以送給模擬量輸出模塊的整數(shù)。 圖4.4 PID初始化指令如圖,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警信號輸出，ModuleErr 是模擬量模塊的故障輸出信號。 主回路PID指令向?qū)В鐖D圖4.5 主回路用0號PID回路2.設(shè)置PID參數(shù)，如圖。a.定義回路設(shè)定值（SP，即給定）的范圍： 在低限（Low Range）和高限（High Range）輸入域中輸入實數(shù)，缺省值為 0.0 和100.0，表示給定值的取值范圍占過程反饋量程的百分比。 這個范圍是給定值的取值范圍。它也可以用實際的工程單位數(shù)值表示。參見：設(shè)置給定反饋的量程范圍。以下定義 PID 回路參數(shù)，這些參數(shù)都應(yīng)當是實數(shù)：b.Gain（增益）：即比例常數(shù)。c.Integral Time（積分時間）：如果不想要積分作用，可以把積分時間設(shè)為無窮大：9999.99。d. Derivative Time（微分時間）：如果不想要微分回路，可以把微分時間設(shè)為0。e.Sample Time（采樣時間）：是 PID 控制回路對反饋采樣和重新計算輸出值的時間間隔。在向?qū)瓿珊螅粝胍薷拇藬?shù)，則必須返回向?qū)е行薷?，不可在程序中或狀態(tài)表中修改。注意：關(guān)于具體的 PID 參數(shù)值，每一個項目都不一樣，需要現(xiàn)場調(diào)試來定，沒有所謂經(jīng)驗參數(shù)。圖4.6 PID參數(shù)設(shè)置圖3.輸入輸出選項設(shè)定，如圖。a.指定輸入類型Unipolar： 單極性，即輸入的信號為正，如 010V 或 020mA 等。Bipolar： 雙極性，輸入信號在從負到正的范圍內(nèi)變化。如輸入信號為10V5V 等時選用。20% Offset： 選用 20%偏移。如果輸入為 420mA 則選單極性及此項，4mA 是 020mA 信號的 20%，所以選20% 偏移，即 4mA 對應(yīng) 6400，20mA 對應(yīng) 32000。b.反饋輸入取值范圍 在指定輸入類型設(shè)置為 Unipolar 時，缺省值為 0 - 32000，對應(yīng)輸入量程范圍 0 - 10V 或0 - 20mA 等，輸入信號正。 在指定輸入類型設(shè)置為 Bipolar 時，缺省的取值為-32000 - +32000，對應(yīng)的輸入范圍根據(jù)量程不同可以是10V、5V等。 在指定輸入類型選中 20% Offset 時，取值范圍為 6400 - 32000，不可改變此反饋輸入也可以是工程單位數(shù)值，參見：設(shè)置給定反饋的量程范圍。然后定義輸出類型。c.Output Type（輸出類型） 可以選擇模擬量輸出或數(shù)字量輸出。模擬量輸出用來控制一些需要模擬量給定的設(shè)備，如比例閥、變頻器等；數(shù)字量輸出實際上是控制輸出點的通、斷狀態(tài)按照一定的占空比變化，可以控制固態(tài)繼電器（加熱棒等）。d.選擇模擬量設(shè)定回路輸出變量值的范圍，可以選擇：Unipolar： 單極性輸出，可為 010V 或 020mA 等。Bipolar： 雙極性輸出，可為正負 10V 或正負 5V 等。20% Offset： 如果選中 20% 偏移，使輸出為 4 - 20mA。e.取值范圍： 選擇模擬量設(shè)定回路輸出變量值的范圍為 Unipolar 時，缺省值為 0 到 32000。 選擇模擬量設(shè)定回路輸出變量值的范圍為 Bipolar 時，取值-32000 到 32000。 選擇模擬量設(shè)定回路輸出變量值的范圍為 20% Offset 時，取值 6400 - 32000，不可改變 如果選擇了開關(guān)量輸出，需要設(shè)定此占空比的周期。 圖4.7 PID輸入輸出設(shè)置圖4.報警裝置設(shè)定，如圖。 向?qū)峁┝巳齻€輸出來反映過程值(PV)的低值報警、高值報警及過程值模擬量模塊錯誤狀態(tài)。當報警條件滿足時，輸出置位為 1。這些功能在選中了相應(yīng)的選擇框之后起作用。 a.使能低值報警并設(shè)定過程值(PV)報警的低值，此值為過程值的百分數(shù)，缺省值為0.10，即報警的低值為過程值的 10。此值最低可設(shè)為 0.01，即滿量程的 1%。 b.使能高值報警并設(shè)定過程值(PV)報警的高值，此值為過程值的百分數(shù)，缺省值為0.90，即報警的高值為過程值的 90。此值最高可設(shè)為 1.00，即滿量程的 100%。 c.使能過程值(PV)模擬量模塊錯誤報警并設(shè)定模塊于 CPU 連接時所處的模塊位置?！?”就是第一個擴展模塊的位置。 圖4.8 報警裝置設(shè)定圖5. PID指令的參數(shù)表占用的V存儲區(qū)的起始地址如圖。 PID 指令（功能塊）使用了一個 120 個字節(jié)的 V 區(qū)參數(shù)表來進行控制回路的運算工作；除此之外，PID 向?qū)傻妮斎?輸出量的標準化程序也需要運算數(shù)據(jù)存儲區(qū)。需要為它們定義一個起始地址，要保證該地址起始的若干字節(jié)在程序的其它地方?jīng)]有被重復(fù)使用。如果點擊“Suggest Address”，則向?qū)⒆詣訛槟阍O(shè)定當前程序中沒有用過的 V 區(qū)地址。 自動分配的地址只是在執(zhí)行 PID 向?qū)r編譯檢測到空閑地址。向?qū)⒆詣訛樵搮?shù)表分配符號名，用戶不要再自己為這些參數(shù)分配符號名，否則將導(dǎo)致 PID 控制不執(zhí)行。圖4.9 指令參數(shù)表占用的V存儲區(qū)的起始地址最好使用向?qū)Ыㄗh地址，防止與程序地址重復(fù)導(dǎo)致調(diào)試出現(xiàn)失誤或者顯示數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。6. 手動操作的設(shè)定，如圖。向?qū)б呀?jīng)為初使化子程序和中斷子程序定義了缺省名，你也可以修改成自己起的名字。a. 指定 PID 初使化子程序的名字。b. 指定 PID 中斷子程序的名字 注意： 1.如果你的項目中已經(jīng)存在一個 PID 配置，則中斷程序名為只讀，不可更改。因為一個項目中所有 PID 共用一個中斷程序,它的名字不會被任何新的 PID 所更改。2.PID 向?qū)е袛嘤玫氖?SMB34 定時中斷，在用戶使用了 PID 向?qū)Ш?，注意在其它編程時不要再用此中斷，也不要向 SMB34 中寫入新的數(shù)值，否則 PID 將停止工作。c.此處可以選擇添加 PID 手動控制模式。在 PID 手動控制模式下，回路輸出由手動輸出設(shè)定控制，此時需要寫入手動控制輸出參數(shù)一個 0.01.0 的實數(shù)，代表輸出的 0100而不是直接去改變輸出值。此功能提供了 PID 控制的手動和自動之間的無擾切換能力。圖4.10 手動操作設(shè)置此處可進行是否手動操作的設(shè)定。7.PID向?qū)瓿?，如圖。圖4.11 PID向?qū)瓿?.4 程序編寫4.4.1調(diào)用子程序a.必須用 I0.0 來使能 PID，以保證它的正常運行。b.此處輸入過程值（反饋）的模擬量輸入地址。c.此處輸入設(shè)定值變量地址（VDxx），或者直接輸入設(shè)定值常數(shù)，根據(jù)向?qū)е械脑O(shè)定 0.0100.0，此處應(yīng)輸入一個 0.0100.0 的實數(shù)，例：若輸入 20，即為過程值的 20，假設(shè)過程值 AIW0 是量程為 0200 度的溫度值，則此處的設(shè)定值 20 代表40 度（即 200 度的 20）；如果在向?qū)е性O(shè)定給定范圍為 0.0 - 200.0，則此處的20相當于20度。d.此處用 I0.0 控制 PID 的手/自動方式，當 I0.0 為 1 時，為自動，經(jīng)過 PID 運算從 AQW0 輸出；當 I0.0 為 0 時，PID 將停止計算，AQW0 輸出為 ManualOutput（VD4）中的設(shè)定值，此時不要另外編程或直接給 AQW0 賦值。若在向?qū)е袥]有選擇PID 手動功能，則此項不會出現(xiàn)。e.定義 PID 手動狀態(tài)下的輸出，從 AQW0 輸出一個滿值范圍內(nèi)對應(yīng)此值的輸出量。此處可輸入手動設(shè)定值的變量地址（VDxx），或直接輸入數(shù)。數(shù)值范圍為 0.0-1.0 之間的一個實數(shù)，代表輸出范圍的百分比。例：如輸入 0.5，則設(shè)定為輸出的 50。若在向?qū)е袥]有選擇 PID 手動功能，則此項不會出現(xiàn)。f.此處鍵入控制量的輸出地址。g.當高報警條件滿足時，相應(yīng)的輸出置位為 1，若在向?qū)е袥]有使能高報警功能，則此項將不會出現(xiàn)。h.當?shù)蛨缶瘲l件滿足時，相應(yīng)的輸出置位為 1，若在向?qū)е袥]有使能低報警功能，則此項將不會出現(xiàn)。i.當模塊出錯時，相應(yīng)的輸出置位為 1，若在向?qū)е袥]有使能模塊錯誤報警功能，則此項將不會出現(xiàn)調(diào)用 PI