基于西門子 S7-200 PLC 的溫度控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文• 摘要:基于西門子 S7-200 PLC 的溫度控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文本文摘自單片機開發(fā)平 章 前 言 1.1 課題研究背景 溫度是工業(yè)生產中常見的工藝 ... 基于西門子 S7-200 PLC 的溫度控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文 本文摘自單片機開發(fā)平章 前 言1.1 課題研究背景 溫度是工業(yè)生產中常見的工藝參數之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關。
在科學研究和生產實踐的諸多領域中 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*的作用。
對于不同生產情況和工藝要求下 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)生產中廣泛使用的各種加熱爐、 熱處理爐、 反應爐等； 燃料有煤氣、 天然氣、 油、電等[1]。
溫度控制系統(tǒng) 的工藝過程復雜多變，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，是繼續(xù)計算機、自動控制技術 和通信技術為一體的新型自動裝置。
它具有抗力強，價格便宜， 可靠性強，編程簡 樸，易學易用等特點，在工業(yè)領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 個領域中被廣泛地使用[2]。
目前在控制領域中， 雖然逐步采用了電子計算機這個技術工具， 特別是石油化工企業(yè)普 遍采用了分散控制系統(tǒng)（DCS）。
但就其控制策略而言，占統(tǒng)治地位的 仍舊是常規(guī)的 PID 控制。
PID 結構簡樸、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數學模型[3]。
PID 的使 用已經有 60 多年了，有人稱贊它是控制領 域的常青樹。
組態(tài)軟件是指一些數據采集與過程控制的軟件， 它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟 件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動 控制系統(tǒng)監(jiān)控功 能的、通用層次的軟件工具。
在組態(tài)概念出現之前，要實現某一任務，都是通過編寫程序來 實現的。
編寫程序不但工作量大、周期長，而且輕易犯錯 誤，不能保證工期。
組態(tài)軟件的 出現，解決了這個問題。
對于過去需要幾個月的工作，通過組態(tài)幾天就可以完成.組態(tài)王是 海內一家較有影響力的組態(tài)軟件開發(fā)公司 開發(fā)的，組態(tài)王具有流程畫面，過程數據記錄， 趨勢曲線，報警窗口，生產報表等功能，已經在多個領域被應用[4]。
1.2 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況 溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產中獲得了廣泛的應用，在工農業(yè)生產、國防、科研以及日常生活等 領域占有重要的地位。
溫度控制系統(tǒng)是人類供熱、取暖的主要設備的驅動 來源，它的出現 迄今已有兩百余年的歷史。
期間，從低級到高級，從簡單到復雜，隨著生產力的發(fā)展和對溫 度控制精度要求的不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術得 到迅速發(fā)展。
當前比較流行的溫 度控制系統(tǒng)有基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，基于 PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機（IPC） 的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現場總線控制系統(tǒng)（FCS）等。
單片機的發(fā)展歷史雖不長，但它憑著體積小，成本低，功能強盛和可靠性高等特點，已經在 許多領域得到了廣泛的應用。
單片機已經由開始的 4 位機發(fā)展到 32 位 機， 其性能進一步得 到改善[5]。
基于單片機的溫度控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定， 工作精度高。
但相對其他溫度系統(tǒng)而言， 單片機響應速度慢、中斷源少，不利于在復雜 的，高要求的系統(tǒng)中使用。
PLC 是一種數字控制電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執(zhí)行諸如邏輯、
順序、計時、計數與演算等功能，并通過模仿和數字輸入、輸出等組 件，控制各種機械或 工作程序。
PLC 可靠性高、抗力強、編程簡單，易于被工程人員把握和使用，目前在 工業(yè)領域上被廣泛應用[6]。
相對于 IPC，DCS，FSC 等 • 摘要:系統(tǒng)而言，PLC 是具有成本上的優(yōu)勢。
因此，PLC 占領著很大的，其前景 也很有前途。
工控機 （IPC）即工業(yè)用個人計算機。
IPC 的性能可靠、軟件豐富、 價格低廉， 應用日趨廣泛。
它能夠適應多種工業(yè)惡劣環(huán)境，抗 ... • 系統(tǒng)而言，PLC 是具有成本上的優(yōu)勢。
因此，PLC 占領著很大的，其前景也很有 前途。
工控機（IPC）即工業(yè)用個人計算機。
IPC 的性能可靠、軟件豐富、價格低廉，應用日趨廣 泛。
它能夠適應多種工業(yè)惡劣環(huán)境，抗振動、抗高溫、防灰塵，防電 磁輻射。
過去工業(yè)鍋 爐大多用人工結合常規(guī)儀表監(jiān)控， 一般較難達到滿意的結果， 原因是工業(yè)鍋爐的燃燒系統(tǒng)是 一個多變量輸入的復雜系統(tǒng)。
影響燃燒的因素十分復 雜，較準確的數學模型不易建立，以 經典的 PID 為基礎的常規(guī)儀表控制，已很難達到狀態(tài)。
而計算機提供了諸如數字濾波， 積分分離 PID，選擇性 PID。
參數自整定等各種靈活算法，以及“模糊判定”功能，是常規(guī) 儀表和人力難以實現或無法實現的[7]。
在工業(yè)鍋爐溫度檢測控制系統(tǒng)中采用控機工可大大 改善了對 鍋爐的監(jiān)控品質，提高了平均熱效率[7]。
但假如單獨采用工控機作為控制系統(tǒng)， 又有易干擾和可靠性差的缺點。
集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS）是一種功能上分散，治理上集中上集中的新型控制系統(tǒng)。
與常 規(guī)儀表相比具有豐富的監(jiān)控、協(xié)調治理功能等特點。
DCS 的要害是通 信。
也可以說數據公 路是分散控制系統(tǒng) DCS 的脊柱。
由于它的任務是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網絡，因此， 數據公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全 性。
基本 DCS 的溫度控制系統(tǒng)提供了生 產的自動化水平和管理水平，能減少操作人員的勞動強度，有助于提高系統(tǒng)的效率[8]。
但 DCS 在設備配置上要求網 絡、控制器、電源甚至模件等都為冗余結構，支持無擾切換和帶 電插拔，由于設計上的高要求，導致 DCS 成本太高。
現場總線控制系統(tǒng)（FCS）綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網絡技術和 智能儀表等多種技術手段的系統(tǒng)。
其優(yōu)勢在于網絡化、 分散化控制。
于總線控制系統(tǒng) 基 （FCS） 的溫度控制系統(tǒng)具有高精度，高智能，便于管理等特點，FCS 系統(tǒng)由于信息處理現場化，能 直接執(zhí)行傳感、控制、報警和計算功能。
而 且它可以對現場裝置(含變送器、執(zhí)行器等)進 行遠程診斷、維護和組態(tài)，這是其他系統(tǒng)無法達到的[9]。
但是，FCS 還沒有*成熟，它 才剛剛進入實用化的 現階段，另一方面，另一方面， 目前現場總線的標準共有 12 種 之多，這給 FSC 的廣泛應用添加了很大的阻力。
各種溫度系統(tǒng)都有自己的優(yōu)缺點，用戶需要根據實際需要選擇系統(tǒng)配置，當然，在實際運用 中，為了達到更好的控制系統(tǒng)，可以采取多個系統(tǒng)的集成，做到互補長短。
溫度控制系統(tǒng)在海內各行各業(yè)的應用雖然已經十分廣泛， 但從生產的溫度控制器來講， 總體 發(fā)展水平仍舊不高，同日本、美國、德國等相比有著較大差距。
成熟產品主要以 “點位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主。
它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復 雜、時變溫度系統(tǒng)控制。
而適應于較高控制場合的智能 化、自適應控制儀表，國內技術還 不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數的自整定方面，國外已有較多的成熟產品。
但由 于*保密及我國開發(fā)工作的滯 后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件。
控制參數 大多靠人工經驗及現場調試確定。
國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應、參數 自整定等方面取得成 果。
日本、 美國、 德國、 瑞典等技術， 都生產出了一批商品化的、 性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。
目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表 正 朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展[10]。
1.3 本文的研究內容 本論文主要是利用 PLC S7-200 采用 PID 控制技術做一個溫度控制系統(tǒng)，• 摘要:要求穩(wěn)定 誤差不超過正負 1℃， 并且用組態(tài)軟件實現在線監(jiān)控。
詳細有以下幾方面的內容： 章， 對 PLC 系統(tǒng)應用的背景進行了闡述，并介紹當前溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況。
第二章，簡單 概述了 PLC 的基本概念以及組成。
... • • 要求穩(wěn)定誤差不超過正負 1℃，并且用組態(tài)軟件實現在線監(jiān)控。
詳細有以下幾方面的內 容： 章，對 PLC 系統(tǒng)應用的背景進行了闡述，并介紹當前溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況。
第二章，簡單概述了 PLC 的基本概念以及組成。
第三章，介紹了控制系統(tǒng)設計所采用的硬件連接、使用方法以及編程軟件的簡單介紹。
第四章，介紹了本論文中用到的一些算法技巧和思想，包括 PWM、PID 控制、PID 在 PLC 中 的使用方法以及 PID 的參數整定方法。
第五章，介紹了設計程序的設計思想和程序，包括助記符語言表和梯形圖。
第六章，介紹了組態(tài)畫面的設計方法。
第七章，進行系統(tǒng)設計，檢驗控制系統(tǒng)控制質量。
第八章對全文進行總結。
第二章 可編程控制器的概述 2.1 可編程控制器的產生 可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，英文全稱：Programmable Controller，為了和個人 計算機(PC)區(qū)分，一般稱其為 PLC。
可編程控制器(PLC)是繼續(xù)計算機、自動控制技術和通 信技術為一體的新型自動 裝置。
其性能*，已被廣泛地應用于工業(yè)控制的各個領域。
20 世紀 60 年代，計算機技術開始應用于工業(yè)控制領域，但由于價格高、輸入輸出電路不匹 配、編程難度大，未能在工業(yè)領域中獲得推廣。
1968 年，美國的汽車制造公司通用汽車公司(GM)提出了研制一種新型控制器的要求，并從 用戶角度提出新一代控制器應具備條件，立刻引起了開發(fā)熱潮。
1969 年，美國數字設 備公司(DEC)研制出了世界上臺可編程序控制器，并應用于通用汽車公司的生產線上。
可編程控制器自問世以來，發(fā)展極為迅速。
1971 年日本開始生產可編程控制器，而歐洲是 1973 開始的。
如今，世界各國的一些聞名的電氣工廠幾乎都在生產可編程控制器[11]。
可 編程控制器從誕生到現在經歷了四次更新換代，見表 1-1。
表 1-1 可編程控制器功能表 代次 器件 功能 代 1 位處理器 邏輯控制功能 第二代 8 位處理器及存儲器 產品系列化 第三代 高性能 8 位微處理器及位片式微處理器 處理速度提高，向多功能及聯網通信發(fā)展 第四代 16 位、32 位微處理器及高性能位片式微處理器 邏輯、運動、數據處理、聯網功能 的多功能 2.2 可編程控制器的基本組成 PLC 從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種。
整體式 PLC 一般由 CPU 板、I/O 板、顯示 面板、內存和電源組成。
模塊式 PLC 一般由 CPU 模塊、I /O 模塊、內存模塊、電源模塊、 底版或機架組成。
本論文實物采用的是模塊式的 PLC，不管哪種 PLC，都是屬于總線式的開 發(fā)結構，其構成如圖 2-1 所示 [12]。
1) CPU（處理器） 和一般的微機一樣，CPU 是微機 PLC 的核心，主要由運算器、控制器、寄存器以及實現他們 之間聯系的地址總線、 數據總線和控制總線構成。
在很大程度上決定了 PLC 的整體性能， CPU 如整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內存容量。
CPU 控制著 PLC 工作，通過讀取、解釋指令，指導 PLC 有條不紊的工作。
2) 存儲器 存儲器（內存）主要用語存儲程序及數據，是 PLC *的組成部分。
PLC 中的存儲器一 般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。
系統(tǒng)程序一般由廠 家編寫的，用戶不能 修改； 而用戶程序是隨 PLC 的控制對象而定的， 由用戶根據對象生產工藝的控制要求而編制 的應用程序。
3) 輸入輸出模塊 輸入模塊和輸出模塊通常稱為 I/O 模塊或 I/O 單元。
PLC 提供了各種工作電平、連接形式和 驅動能力的 I/O 模塊，有各種功能的 I/O 模塊供擁護選用。
按 I/O 點數確定模塊的規(guī)格和 數量，I/O 模塊可多可少，但其大數受 PLC 所能管理的配置能力，即底版的限制。
• 摘 要: PLC 還提供了各種各樣的非凡的 I/O 模塊， 如熱電阻、 熱電偶、 高速計算器、 位置控制、 以太網、現場總線、溫度控制、中斷控制、聲音輸出、打印機等 型或智能型模塊，用 以滿意各種非凡功能的控制要求。
智能接口 ... • • PLC 還提供了各種各樣的非凡的 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、高速計算器、位置控制、以 太網、現場總線、溫度控制、中斷控制、聲音輸出、打印機等 型或智能型模塊，用以 滿意各種非凡功能的控制要求。
智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的 CPU、系 統(tǒng)程序、存儲器及與 PLC 系統(tǒng)總線相連接的接 口。
4)編程裝置 編程器作用是將用戶編寫的程序下載至 PLC 的用戶程序存儲器， 并利用編程器檢查、 修改和 調試用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過程，顯示 PLC 狀態(tài)、內部器件 及系統(tǒng)的參數等。
常 見的編程器有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于 PC 的編程軟件。
目前 PLC 制造 廠家大都開發(fā)了計算機輔助 PLC 編程支持軟件，當個人計算機安裝了 PLC 編程支持軟件后， 可用作圖形編程器，進行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計算機和 PLC 之間的通信接口 實現用戶程序的雙向傳 送、監(jiān)控 PLC 運行狀態(tài)等。
5）電源 PLC 的電源將外部供應的交流電轉換成供 CPU、存儲器等所需的直流電，是整個 PLC 的能源 供應。
PLC 大都采用高質量的工作穩(wěn)定性好、抗力強 的開關穩(wěn)壓電源，許多 PLC 電源還可向外部提供直流 24V 穩(wěn)壓電源， 用于向輸入接口上的接入電氣元件供電， 從而簡化 外圍配置。
第三章 硬件配置和軟件環(huán)境 3.1 實驗配置 3.1.1 西門子 S7-200 S7-200 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)構成包括基本
單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。
本論文采用的是 CUP224。
它 具有 24 個輸入點和 16 個輸出點。
S7-200 系列的基本單元如表 3-1 所示[13]。
3.1.2 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。
所調用標準熱電偶是指標 準規(guī)定了其熱電 勢與溫度的關系、答應誤差、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 標準生產， 并 S、B、E、K、R、J、T 七種標準化熱電偶為我 國統(tǒng)一設計型熱電偶。
本論文才用的是 K 型熱電阻[14]。
3.1.3 EM 231 模仿量輸入模塊 傳感器檢測到溫度轉換成 0～41mv 的電壓信號， 系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉 換成數字信號再送入 PLC 中進行處理。
在這里，我們選用了西門子 EM231 4TC 模擬量輸入模 塊。
EM231 熱電偶模塊提供一個方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N、S、T 和 R 型，它也答應連接微小的模擬量信號(±80mV 范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是 相同類型，且使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。
EM231 模塊需要用戶通過 DIP 開關進行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷 端補償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組 態(tài) DIP 開關進行以上選 擇，如圖 3-2 所示。
本設計采用的是 K 型熱電偶，結合其他的需要，我們設置 DIP 開關為 00100000。
對于 EM231 4TC 模塊，SW1～SW3 用于選擇熱電偶類型，見表 3-3 。
SW4 沒有使用，SW5 用于 選擇斷線檢測方向，SW6 用于選擇是否進行斷線檢測，SW7 用于選擇測量單位，SW8 用于選 擇是否進行冷端補償，見表 3-4[15]。
為了使 DIP 開關設置起作用，用戶需要給 PLC 的電源斷電再通電。
3.2 STEP 7 Micro/WIN32 軟件介紹 STEP 7-MWIN32 編程軟件是基于 Windows 的應用軟件，是西門子公司專門為 SIMTIC S7-200 系列 PLC 設計開發(fā)的。
該軟件功能強盛，界面友好，并有方便的聯機功能。
用戶可以利用該 軟件開發(fā)程序，也可以實現監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該 軟件是 SIMATIC S7-200 擁護不可 缺少的
• 開發(fā)工具 3.2.1 安裝 STEP 7-MWIN32 V4.0 在開始安裝的時候是選擇語言界面，對于版本 4.0 來說，這時候沒有選擇中文的，但可以先 選擇其他語言，見圖 3-5。
等軟件安裝好之后再進行語言的切換。
在安裝的后，會出現一個界面，按照硬件的配置，我們需要用 232 通信電纜，采用 PPI 的通信方式，所以要選擇 PPI/PC Cable(PPI)，這個時候在彈出來的窗口中選擇端口地址， 通信模式，一般選擇默認就可以了，見圖 3-6。
假如想改變編程界面的語言，可在軟件的主界面的工具欄中選擇 tools 目錄下選擇 option 選項，在出現的界面中選擇 general 然后在右下角就可以選擇中文了。
見圖 3-7 所示。
3.2.2 系統(tǒng)參數設置 系統(tǒng)塊用來設置 S7-200 CPU 的系統(tǒng)選項和參數等。
系統(tǒng)塊更改后需要下載到 CPU 中，新的 設置才能生效。
系統(tǒng)塊的設置如下， 需要注重的是， 的地址默認是 2， PLC 但本設計中需要 用 到的地址是 1，如圖 3-8。
通信端口的設置，同樣的，我們用到的地址是 1，如圖 3-9 所示。
圖 3-9 通信端口設置第四章 控制算法描述 4.1 PWM 技術 脈寬調制 （PWM） 是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術， 廣泛應用在測量、通信、功率控制與變換的許多領域中。
PWM 是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。
通過高分辨率計數器的使用，方波的占空 比被調制用來對一個詳細模擬信號的電平進行編碼。
PWM 信號仍然是數字的，因為在給定的 任何時刻，滿幅值的直流供電要么*有(ON)，要么*無(OFF) [16]。
本論文中采樣周期和加熱周期都是 10 秒。
采樣后，根據溫差的大小進行 PID 調節(jié)，轉化得 到一個加熱時間 （0-10 秒） 作為下一個加熱周期的加熱時間。
例如 溫差大， 加熱時間就大， 溫差小，那么加熱時間就小。
程序采用的是粗調和微控兩段式控制方式。
在粗控調階段，占 空比恒為一。
在微控制階段，占空比就根據溫差 不停地變化。
4.2 PID 控制程序設計
模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是 PID 控制，PID 在工業(yè)領域的應用已經有 60 多年，現在 依然廣泛地被應用。
人們在應用的過程中積累了許多的經驗，PID 的研究已經到達一個比較 高的程度。
比例控制(P)是一種的控制方式。
其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。
其特 點是具有快速反應，控制及時，但不能消除余差。
在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。
積分控制可以消除余 差，但具有滯后特點，不能快速對誤差進行有效的控制。
在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。
微分控制具有超前作用，它能猜測誤差變化的趨勢。
避免較大的誤差出現，微分控制不能消 除余差。
PID 控制，P、I、D 各有自己的長處和缺點，它們一起使用的時候又和互相制約，但只有合 理地選取 PID 值，就可以獲得較高的控制質量[17]。
4.2.1 PID 控制算法 如圖 4-1 所示，PID 控制器可調節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。
偏差 e 和輸入量 r、輸 出量 c 的關系: (4.2) 控制器的輸出為: (4.3) 上式中 ——PID 回路的輸出; ——比例系數 P; ——積分系數 I; ——微分系數 D; PID 調節(jié)器的傳輸函數為： (4.4) 數字計算機處理這個函數關系式，必須將連續(xù)函數離散化，對偏差周期采樣后，計算機輸出 值。
其離散化的規(guī)律如表 4-5 所示： 表 4-5 模擬與離散形式 模擬形式 離散化形式 所以 PID 輸出經過離散化后，它的輸出方程為 • • 吉杰博客 • • 樓主 發(fā)表于 2009-05-26 21:06:12 引用 1 樓 • 摘要: 式 4.8 中， 稱為比例項； 稱為積分項； 稱為微分項； 上式中，積分項 是包括 個采樣周期到當前采樣周期的所有誤差的累積值[17]。
計算中 ... • • 式 4.8 中， 稱為比例項；
稱為積分項； 稱為微分項； 上式中， 積分項 是包括個采樣周期到當前采樣周期的所有誤差的累積值[17]。
計算中， 沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項， 只需要保留積分項前值， 計算機的處理就是按照這 種思想。
故可利用 PLC 中的 PID 指令實現位置式 PID 控制算法量[18]。
4.2.2 PID 在 PLC 中的回路指令 現在很多 PLC 已經具備了 PID 功能，STEP 7 Micro/WIN 就是其中之一有的是模塊，有 些是指令形式。
西門子 S7-200 系列 PLC 中使用的是 PID 回路指令。
見表 4-7。
表 4-7 PID 回路指令 名稱 PID 運算 指令格式 PID 指令表格式 PID TBL，LOOP 梯形圖 使用方法： EN 端口執(zhí)行條件存在時候， 當 就可進行 PID 運算。
指令的兩個操作數 TBL 和 LOOP， TBL 是回路表的起始地址，本文采用的是 VB100，因 為一個 PID 回路占用了 32 個字節(jié)，所 以 VD100 到 VD132 都被占用了。
LOOP 是回路號，可以是 0~7，不可以重復使用。
PID 回路在 PLC 中的地 址分配情況如表 4-8 所示。
表 4-8 PID 指令回路表 偏移地址 名稱 數據類型 說明 0 過程變量（PVn） 實數 必須在 0.0~1.0 之間 4 給定值（SPn） 實數 必須在 0.0~1.0 之間 8 輸出值（Mn） 實數 必須在 0.0~1.0 之間 12 增益（Kc） 實數 比例常數，可正可負 16 采樣時間（Ts） 實數 單位為 s，必須是正數 20 采樣時間（Ti） 實數 單位為 min，必須是正數 24 微分時間（Td） 實數 單位為 min，必須是正數 28 積分項前值（MX） 實數 必須在 0.0~1.0 之間 32 過程變量前值（PVn-1） 實數 必須在 0.0~1.0 之間 1) 回路輸入輸出變量的數值轉換方法 本文中，設定的溫度是給定值 SP，需要控制的變量是爐子的溫度。
但它不*是過程變量 PV，過程變量 PV 和 PID 回路輸出有關。
在本文中，經過測量的溫度 信號被轉化為標準信號 溫度值才是過程變量，所以，這兩個數不在同一個數量值，需要他們作比較，那就必須先作 一下數據轉換。
溫度輸入變量的數 10 倍據轉化。
傳感器輸入的電壓信號經過 EM231 轉換后， 是一個整數值，他的值大小是實際溫度的把 A/D 模擬量單元輸出的整數值的 10 倍。
但 PID 指令執(zhí)行的數據必須 是實數型，所以需要把整數轉化成實數。
使用指令 DTR 就可以了。
如 本設計中，是從 AIW0 讀入溫度被傳感器轉換后的數字量。
其轉換程序如下: MOVW AIW0 AC1
DTR AC1 AC1 MOVR AC1 VD100 2) 實數的歸一化處理 因為 PID 中除了采樣時間和 PID 的三個參數外， 其他幾個參數都要求輸入或輸出值 0.0~1.0 之間，所以，在執(zhí)行 PID 指令之前，必須把 PV 和 SP 的值作歸一化處理。
使它們的值都在 0.0~1.0 之間。
歸一化的公式如 4.9: （4.9） 式中 ——標準化的實數值； ——未標準化的實數值; ——補償值或偏置，單極性為 0.0，雙極性為 0.5; ——值域大小，為大允許值減去小允許值，單極性為 32000.雙極性為 6400。
本文中采用的是單極性，故轉換公式為: （4.10） 因為溫度經過檢測和轉換后，得到的值是實際溫度的 10 倍，所以為了 SP 值和 PV 值在同一 個數量值，我們輸入 SP 值的時候應該是填寫一個是實際溫度 10 倍的 數，即想要設定目標 控制溫度為 100℃時，需要輸入一個 1000。
另外一種實現方法就是，在歸一化的時候，值域 大小可以縮小 10 倍，那么，填寫目標溫度的 時候就可以把實際值直接寫進去[19]。
3) 回路輸出變量的數據轉換 • 樓主 發(fā)表于 2009-05-26 21:06:12 引用 1 樓 • 摘要: 本設計中，利用回路的輸出值來設定下一個周期內的加熱時間。
回路的輸出值是 在 0.0~1.0 之間，是一個標準化了的實數，在輸出變量傳送給 D/A 模擬量單元之前，必須把 回路輸出變量轉換成相應的整數。
這一過程是實數值 ... • • 本設計中，利用回路的輸出值來設定下一個周期內的加熱時間。
回路的輸出值是在 0.0~1.0 之間，是一個標準化了的實數，在輸出變量傳送給 D/A 模擬量單元之前，必須把回路輸出變 量轉換成相應的整數。
這一過程是實數值標準化過程。
（4.11） S7-200 不提供直接將實數一步轉化成整數的指令，必須先將實數轉化成雙整數，再將雙整 數轉化成整數。
程序如下： ROUND AC1 AC1 DTI AC1 VW34 4.2.3 PID 參數整定 PID 參數整定方法就是確定調節(jié)器的比例系數 P、積分時間 Ti 和和微分時間 Td，改善系統(tǒng) 的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達到滿足的質量指標要 求。
一般可以通過理論
計算來確定，但誤差太大。
目前，應用多的還是工程整定法：如經驗法、衰減曲線法、臨 界比例帶法和反應曲線法。
經驗法又叫現場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據運行經驗，利用一組經 驗參數，根據反應曲線的效果不斷地改變參數，對于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經有大量的經 驗，其規(guī)律如表 4-12 所示。
表 4-12 溫度控制器參數經驗數據 被控變量 規(guī)律的選擇 比例度 積分時間（分鐘） 微分時間（分鐘） 溫度 滯后較大 20~60 3~10 0.5~3 實驗湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，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，直至得到反應快、超調小的響應曲線。
2）整定積分環(huán)節(jié) 先將步驟 1）中選擇的比例系數減小為原來的 50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測 響應曲線。
然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿 意的響應，確定比例和積分的參數。
3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié) 先置微分時間 TD=0，逐漸加大 TD，同時相應地改變比例系數和積分時間，反復試湊至獲得 滿意的控制效果和 PID 控制參數[20]。
根據反復的試湊，調出比較好的結果是 P=120. I=3.0 D=1.0。
第五章 程序設計 5.1 方案設計思路 PLC 采用的是的 S7-200， 是 224 系列， CPU 采用了 5 個燈來顯示過程的狀態(tài)， 分別是運行燈， 停止燈，溫度正常燈，溫度過高（警示燈）燈，和加熱 燈，可以通過 5 個燈的開關狀況判 定加熱爐內的大概情況。
K 型傳感器負責檢測加熱爐中的溫度，把溫度信號轉化成對應的電 壓信號，經過 PLC 模數轉換后進行 PID 調節(jié)。
根據 PID 輸出值來控制下一個周期內（10s） 內的加熱時間和非加熱時間。
在加熱時間內使得繼電器接通，那加熱爐就可處于加熱狀態(tài)， 反之則停 止加熱[21]。
1) 硬件連線如圖 5-1 所示。
2) I/O 點地址分配如表 5-2 所示。
地址 I0.1 I0.2 I0.3 Q0.0 Q0.1 Q0.3 Q0.4 名稱 功能 啟動按扭 按下開關，設備開始運行 開關按鈕 按下開關，設備停止運行 保護按鈕 按下開關，終止加熱 運行燈 燈亮表示設備處于運行狀態(tài) 停止燈 燈亮表示設備處于停止狀態(tài) 溫度狀態(tài)指示燈（正常 燈亮表示爐溫在正常范圍內 溫度狀態(tài)指示燈（危險） 燈兩表示爐溫過高，處于危險狀態(tài)
Q0.5 固態(tài)繼電器 燈亮表示加熱爐正處于加熱階段 3）程序地址分配如表 5-3 所示。
表 5-3 內存地址分配 地址 說明 VD0 用戶設定比例常數 P 存放地址 VD4 用戶設定積分常數 I 存放地址 VD8 用戶設定微分常數 D 存放地址 VD12 目標設定溫度存放地址 VD16 系統(tǒng)運行時間秒存放地址 VD20 系統(tǒng)運行時間分鐘存放地址 • 摘要: VD30 當前實際溫度存放地址 VW34 一個周期內加熱時間存放地址 VW36 一個周 期內非加熱時間存放地址 4） PID 指令回路表如表 5-4 所示。
表 5-4 PID 指令回路表 地 址 名稱 ... • • VD30 當前實際溫度存放地址 VW34 一個周期內加熱時間存放地址 VW36 一個周期內非加熱時間存放地址 4） PID 指令回路表如表 5-4 所示。
表 5-4 PID 指令回路表 地址 名稱 說明 VD100 過程變量（PVn） 必須在 0.0~1.0 之間 VD104 給定值（SPn） 必須在 0.0~1.0 之間 VD108 輸出值（Mn） 必須在 0.0~1.0 之間 VD112 增益（Kc） 比例常數，可正可負 VD116 采樣時間（Ts） 單位為 s，必須是正數 VD120 采樣時間（Ti） 單位為 min，必須是正數 VD124 微分時間（Td） 單位為 min，必須是正數 VD128 積分項前值（MX） 必須在 0.0~1.0 之間 VD132 過程變量前值（PVn-1） 必須在 0.0~1.0 之間 5.2 程序流程圖 程序流程圖如圖 5-5 所示，1 個主程序，3 個子程序。
5.3 助記符語言表 主程序 LD SM0.0 // SM0.0 常 ON LPS // 將 SM0.0 壓棧
AR= VD30 105.0 // 如果溫度大于 105℃ S Q0.4 1 // 使 Q0.4 保持 ON R Q0.3 1 // 使 Q0.3 保持 OFF LD SM0.0 LPS A I0.1 // 按下啟動按扭，啟動系統(tǒng) AN I0.3 // I0.3 為保護關開，一般情況下保持 ON S M0.1 1 R M0.2 1 LPP A I0.2 // 按下關閉按扭，停止運行 AN I0.3 R M0.1 1 S M0.2 1 LD SM0.0 AN I0.3 LPS A M0.1 S M0.0 1 R Q0.1 1 // 使停止指示燈（Q0.1）OFF S Q0.0 1 // 使運行指示燈（Q0.0）ON LPP A M0.2 S Q0.1 1 // 使停止指示燈（Q0.1）ON R M0.0 1 R Q0.0 1 // 使停止指示燈（Q0.0）OFF LD M0.0 CALL SBR0 // 調用子程序 0 LD M0.0 CALL SBR1 // 調用子程序 1 LD M0.0 LPS AN M0.3 TON T50 100 LPP A T50 = M0.3 //每 10S 使中間繼電器 M0.3 為 ON LD M0.3 CALL SBR2 //每 10S 調用一次子程序 2 LD M0.0 AN I0.3 LPS AN T52 //T51 爐子一個周期內的加熱時間 TON T51 VW34 //T51 爐子一個周期內的非加熱時間
LRD AN T51 = Q0.5 //使繼電器（Q0.5）接通，爐子加熱 LPP A T51 TON T52 VW36 子程序 0 LD M0.0 LPS AR= VD30 84.0 //如果溫度大于 84℃ S I0.5 1 //使 I0.5 常 ON R I0.4 1 //使 I0.4 常 OFF LD M0.0 //常 ON 繼電器 AN M0.6 A I0.4 //如果 I0.4 為 ON，則執(zhí)行以下程序 MOVR 300.0 VD0 //輸入 P 值 300 到 VD0 MOVR 999999.0 VD4 //輸入 I 值 999999.0 到 VD4 MOVR 0.0 VD8 //輸入 D 值 0.0 到 VD8 MOVR 100.0
