1、I目 录前 言 11 PLC 和 组 态 软 件 基 础 21.1 可编程控制器基础 21.1.1 可编程控制器的产生和应用 21.1.2 可编程控制器的组成和工作原理 21.1.3 可编程控制器的分类及特点 51.2 组态软件的基础 51.2.1 组态的定义 51.2.2 组态王软件的特点 61.2.3 组态王软件仿真的基本方法 62 PLC 控 制 系 统 的 硬 件 设 计 .72.1 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 .72.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则 .72.1.2 PLC 控制系统设计的一般步骤 .72.1.3 PLC 程序设计的一般步骤 .82.2 PLC 的选型
2、和硬件配置 .92.2.1 PLC 型号的选择 .92.2.2 S7-200 CPU 的选择 .102.2.3 EM235 模拟量输入/输出模块 102.2.4 热电式传感器 102.2.5 可控硅加热装置简介 112.3 系统整体设计方案和电气连接图 112.4 PLC 控制器的设计 .122.4.1 控制系统数学模型的建立 .122.4.2 PID 控制及参数整定 .123 PLC 控 制 系 统 的 软 件 设 计 .163.1 PLC 程序设计的方法 .163.2 编程软件 STEP7-Micro/WIN 概述 .16II3.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍 163.2
3、.2 计算机与 PLC 的通信 173.3 程序设计 183.3.1 程序设计思路 183.3.2 PID 指令向导 .183.3.3 控制程序及分析 234 组态画面的设计 284.1 组态变量的建立及设备连接 284.1.1 新建项目 284.2 创建组态画面 324.2.1 新建主画面 324.2.2 新建 PID 参数设定窗口 334.2.3 新建数据表库 334.2.4 新建实时曲线 344.2.5 新建历史曲线 344.2.6 新建报警窗口 355 系统检测 365.1 启动组态王 365.2 实时曲线观察 365.3 分析历史趋势曲线 375.4 查看数据报表 395.5 系统稳
4、定性测试 40谢 辞 42参考文献 431前 言从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算
5、法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。电热锅炉的应用领域相当广泛，在相当多的领域里，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。本文分别就电热锅炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造电热锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。21 PLC 和 组 态 软 件 基 础1.1 可编程控制器基础可编程控制器是是一种工业控制计算机，简称 PLC（Programmable lo
6、gic Controller),它使用可编程序的记忆以存储指令，用来执行逻辑、顺序、计时、计数、和演算等功能，并通过数字或模拟的输入输出，以控制各种机械或生产过程。1.1.1 可编程控制器的产生和应用1969年 美 国 数 字 设 备 公 司 成 功 研 制 世 界 第 一 台 可 编 程 序 控 制 器 PDP-14， 并 在 GM 公 司 的 汽 车 自 动 装 配 线 上 首 次 使 用 并 获 得 成 功 。 1971年 日 本 从美 国 引 进 这 项 技 术 ， 很 快 研 制 出 第 一 台 可 编 程 序 控 制 器 DSC-18。 1973年 西欧 国 家 也 研 制 出 他
7、 们 的 第 一 台 可 编 程 控 制 器 。 我 国 从 1974年 开 始 研 制 ，1977年 开 始 工 业 推 广 应 用 。 进 入 20世 纪 70年 代 ， 随 着 电 子 技 术 的 发 展 ， 尤其 是 PLC 采 用 通 讯 微 处 理 器 之 后 ， 这 种 控 制 器 功 能 得 到 更 进 一 步 增 强 。 进 入20世 纪 80年 代 ， 随 着 大 规 模 和 超 大 规 模 集 成 电 路 等 微 电 子 技 术 的 迅 猛 发 展 ，以 16位 和 少 数 32位 微 处 理 器 构 成 的 微 机 化 PLC， 使 PLC 的 功 能 增 强 ， 工
8、作速 度 快 ， 体 积 减 小 ， 可 靠 性 提 高 ， 成 本 下 降 ， 编 程 和 故 障 检 测 更 为 灵 活 ， 方便 。 目 前 ， PLC 在 国 内 外 已 广 泛 应 用 于 钢 铁 、 石 油 、 化 工 、 电 力 、 建 材 、 机械 制 造 、 汽 车 、 轻 纺 、 交 通 运 输 、 环 保 及 文 化 娱 乐 等 各 个 行 业 。1.1.2 可编程控制器的组成和工作原理可编程控制器的组成:PLC 包 括 CPU 模 块 、 I/O 模 块 、 内 存 、 电 源 模 块 、 底 板 或 机 架 。 （ 1） CPUCPU 是 PLC 的 核 心 ， 它
9、按 PLC 的 系 统 程 序 赋 予 的 功 能 接 收 并 存 贮 用 户 程序 和 数 据 ， 用 扫 描 的 方 式 采 集 由 现 场 输 入 装 置 送 来 的 状 态 或 数 据 ， 并 存 入 规3定 的 寄 存 器 中 ， 同 时 ， 诊 断 电 源 和 PLC 内 部 电 路 的 工 作 状 态 和 编 程 过 程 中的 语 法 错 误 等 。 CPU 主 要 由 运 算 器 、 控 制 器 、 寄 存 器 及 实 现 它 们 之 间 联 系 的数 据 、 控 制 及 状 态 总 线 构 成 ， CPU 单 元 还 包 括 外 围 芯 片 、 总 线 接 口 及 有 关 电
10、路 。 内 存 主 要 用 于 存 储 程 序 及 数 据 ， 是 PLC 不 可 缺 少 的 组 成 单 元 。 CPU 速度 和 内 存 容 量 是 PLC 的 重 要 参 数 ， 它 们 决 定 着 PLC 的 工 作 速 度 ， IO 数 量 及软 件 容 量 等 ， 因 此 限 制 着 控 制 规 模 。（ 2） I/O 模 块PLC 与 电 气 回 路 的 接 口 ， 是 通 过 输 入 输 出 部 分 （ I/O） 完 成 的 。 I/O 模块 集 成 了 PLC 的 I/O 电 路 ， 其 输 入 暂 存 器 反 映 输 入 信 号 状 态 ， 输 出 点 反 映 输出 锁 存
11、 器 状 态 。 输 入 模 块 将 电 信 号 变 换 成 数 字 信 号 进 入 PLC 系 统 ， 输 出 模块 相 反 。 I/O 分 为 开 关 量 输 入 （ DI） ， 开 关 量 输 出 （ DO） ， 模 拟 量 输 入 （ AI） ，模 拟 量 输 出 （ AO） 等 模 块 。常 用 的 I/O 分 类 如 下 ：开 关 量 ： 按 电 压 水 平 分 ， 有 220VAC、 110VAC、 24VDC， 按 隔 离 方 式 分 ，有 继 电 器 隔 离 和 晶 体 管 隔 离 。模 拟 量 ： 按 信 号 类 型 分 ， 有 电 流 型 （ 4-20mA,0-20mA）
12、 、 电 压 型 （ 0-10V,0-5V,-10-10V） 等 ， 按 精 度 分 ， 有 12bit,14bit,16bit 等 。除 了 上 述 通 用 IO 外 ， 还 有 特 殊 IO 模 块 ， 如 热 电 阻 、 热 电 偶 、 脉 冲 等模 块 。 按 I/O 点 数 确 定 模 块 规 格 及 数 量 ， I/O 模 块 可 多 可 少 ， 但 其 最 大 数 受CPU 所 能 管 理 的 基 本 配 置 的 能 力 ， 即 受 最 大 的 底 板 或 机 架 槽 数 限 制 。（ 3） 编 程 器编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易
13、型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又称图形编程器） ，不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。（ 4） 电 源PLC 电 源 用 于 为 PLC 各 模 块 的 集 成 电 路 提 供 工 作 电 源 。 同 时 ， 有 的 还 为输 入 电 路 提 供 24V 的 工 作 电 源 。 电 源 输 入 类 型 有 ： 交 流 电 源 （ 220VAC 或110VAC） ， 直 流 电 源 （ 常 用 的 为 24VDC） 。4可编程控制器的工作原理:PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫
14、描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。PLC 工作的全过程可用图 2-1 所示的运行框图来表示。图1-1 可编程控制器运行框图51.1.3 可编程控制器的分类及特点（1）小型 PLC小型 PLC 的 I/O 点数一般在128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量 I/O 以外，还可以连接模拟量 I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。（2）中
15、型 PLC中型 PLC 采用模块化结构，其 I/O 点数一般在2561024 点之间，I/O 的处理方式除了采用一般 PLC 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。（3）大型 PLC一般 I/O 点数在1024 点以上的称为大型 PLC，大型 PLC 的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化，大型 PLC 还可以采用冗余或三 CPU 构成表决式系统使机器的可靠性更高1.2 组态软件的基
16、础1.2.1 组态的定义组 态 就 是 用 应 用 软 件 中 提 供 的 工 具 、 方 法 ， 完 成 工 程 中 某 一 具 体 任 务 的过 程 。 组 态 软 件 是 有 专 业 性 的 ， 一 种 组 态 软 件 只 能 适 合 某 种 领 域 的 应 用 。 组态 的 概 念 最 早 出 现 在 工 业 计 算 机 控 制 中 ， 如 DCS(集 散 控 制 系 统 )组 态 ， PLC梯 形 图 组 态 。 人 机 界 面 生 成 软 件 就 叫 工 控 组 态 软 件 。 工 业 控 制 中 形 成 的 组 态结 果 是 用 在 实 时 监 控 的 。 从 表 面 上 看 ，
17、 组 态 工 具 的 运 行 程 序 就 是 执 行 自 己 特定 的 任 务 。 工 控 组 态 软 件 也 提 供 了 编 程 手 段 ， 一 般 都 是 内 置 编 译 系 统 ， 提供 类 BASIC 语 言 ， 有 的 支 持 VB， 现 在 有 的 组 态 软 件 甚 至 支 持 C#高 级 语 言 。在 当 今 工 控 领 域 ， 一 些 常 用 的 大 型 组 态 软 件 主 要 有 ： ABB-6OptiMax， WinCC， iFix， Intouch， 组 态 王 ， 力 控 ， 易 控 ， MCGS 等 。 本 设计 采 用 亚 控 的 组 态 王 软 件 进 行 组
18、态 的 设 计 。1.2.2 组态王软件的特点 组 态 王 软 件 具 有 适 应 性 强 、 开 放 性 好 、 易 于 扩 展 、 经 济 、 开 发 周 期 短 等优 点 。 通 常 可 以 把 这 样 的 系 统 划 分 为 控 制 层 、 监 控 层 、 管 理 层 三 个 层 次 结 构 。其 中 监 控 层 对 下 连 接 控 制 层 ， 对 上 连 接 管 理 层 ， 它 不 但 实 现 对 现 场 的 实 时 监测 与 控 制 ， 且 在 自 动 控 制 系 统 中 完 成 上 传 下 达 、 组 态 开 发 的 重 要 作 用 。 尤 其考 虑 三 方 面 问 题 ： 画
19、面 、 数 据 、 动 画 。 通 过 对 监 控 系 统 要 求 及 实 现 功 能 的 分析 ， 采 用 组 态 王 对 监 控 系 统 进 行 设 计 。 组 态 软 件 也 为 试 验 者 提 供 了 可 视 化 监控 画 面 ， 有 利 于 试 验 者 实 时 现 场 监 控 。 而 且 ， 它 能 充 分 利 用 Windows 的 图形 编 辑 功 能 ， 方 便 地 构 成 监 控 画 面 ， 并 以 动 画 方 式 显 示 控 制 设 备 的 状 态 ， 具有 报 警 窗 口 、 实 时 趋 势 曲 线 等 ， 可 便 利 的 生 成 各 种 报 表 。 它 还 具 有 丰
20、富 的 设备 驱 动 程 序 和 灵 活 的 组 态 方 式 、 数 据 链 接 功 能 。1.2.3 组态王软件仿真的基本方法（ 1） 图 形 界 面 的 设 计图 形 ,是 用 抽 象 的 图 形 画 面 来 模 拟 实 际 的 工 业 现 场 和 相 应 的 工 控 设 备 。（ 2） 构 造 数 据 库数 据 ,就 是 创 建 一 个 具 体 的 数 据 库 ,并 用 此 数 据 库 中 的 变 量 描 述 工 控 对 象的 各 种 属 性 ,比 如 水 位 、 流 量 等 。（ 3） 建 立 动 画 连 接连 接 ,就 是 画 面 上 的 图 素 以 怎 样 的 动 画 来 模 拟
21、现 场 设 备 的 运 行 ,以 及 怎样 让 操 作 者 输 入 控 制 设 备 的 指 令 。（ 4） 运 行 和 调 试72 PLC 控 制 系 统 的 硬 件 设 计本 章 主 要 从 系 统 设 计 结 构 和 硬 件 设 计 的 角 度 ， 介 绍 该 项 目 的 PLC 控 制系 统 的 设 计 步 骤 、 PLC 的 硬 件 配 置 、 外 部 电 路 设 计 以 及 PLC 控 制 器 的 设 计参 数 的 整 定 。2.1 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 2.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则（1）充分发挥 PLC 功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。（2）在
22、满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。（3）保证控制系统安全可靠。（4）应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择 PLC 的型号、IO 点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。2.1.2 PLC 控制系统设计的一般步骤设计 PLC 应用系统时，首先是进行 PLC 应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行 PLC 应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出 PLC 控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定 PLC 的机型和系统的具
23、体配置。PLC 控制系统设计可以按以下步骤进行：（1）熟悉被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC 控制系统的控制要求。（2）确定 IO 设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定 PLC 的 IO 点数。8（3）选择 PLC 选择时主要包括 PLC 机型、容量、IO 模块、电源的选择。（4）分配 PLC 的 IO 地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所
24、选的 PLC 的型号列出输入输出设备与 PLC 输入输出端子的对照表，以便绘制 PLC 外部 IO 接线图和编制程序。（5）设计软件及硬件进行 PLC 程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC 控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。（6）联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。2.1.3 PLC 程序设计的一般步骤（1）绘制系统的功能图。（2）设计梯形图程序。（3）根据梯形图编写指令表程序。（4）对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试
25、的方法，并利用编程器的监控功能。PLC 控制系统的设计步骤可参考图 2-1 ：9评估控制任务PLC 机型的选择 控制流程的设计控制柜设计及布线PLC 安装程序设计程序检查、调试模拟运行联机调试程序备份修改软、硬件是否满足要求投入使用图 2-1 PLC 控制系统的设计步骤2.2 PLC 的选型和硬件配置2.2.1 PLC 型号的选择本温度控制系统采用德国西门子 S7-200 PLC。S7-200 是一种小型的可编10程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此 S7-200系列具有极高的性
26、能/价格比。2.2.2 S7-200 CPU 的选择S7-200 系列的 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。此系统选用的 S7-200 CPU226,CPU 226集成24输入/16输出共40个数字量 I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量 I/O 点或35路模拟量 I/O 点。13K 字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。2个 RS485通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。2.2.3 E
27、M235 模拟量输入/输出模块在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成4-20mA 的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入 PLC 中进行处理。在这里我们选择西门子的 EM235 模拟量输入/输出模块。EM235 模块具有4路模拟量输入/一路模拟量的输出。它允许 S7-200连接微小的模拟量信号，80mV 范围。用户必须用 DIP 开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向：SW1SW3用于选择热电偶的类型，SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量方向，SW8用于选择是否进行冷端补
28、偿。所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。2.2.4 热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。11该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100，所以选择Pt100铂 热 电 阻 传 感 器 。 P100铂 热 电 阻 ， 简 称 为 ： PT100铂 电 阻 ， 其 阻 值 会随 着 温 度 的 变 化 而 改 变 。 PT 后 的 100即
29、表 示 它 在 0 时 阻 值 为 100欧 姆 ， 在100 时 它 的 阻 值 约 为 138.5欧 姆 。 它 的 工 作 原 理 ： 当 PT100在 0摄 氏 度 的 时候 他 的 阻 值 为 100欧 姆 ， 它 的 的 阻 值 会 随 着 温 度 上 升 它 的 阻 值 成 匀 速 增 长 。2.2.5 可控硅加热装置简介对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉采用带 PID 调节的数字式温度显示调节仪显示和调节温度，输出010mA 作为直流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。温度测
30、量与控制是热电偶采集信号通过 PID 温度调节器测量和输出010mA 或420mA 控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护 RC 和电阻炉的加热元件等部分组成。2.3 系统整体设计方案和电气连接图系统选用了 PLC CPU 226为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转化为电流信号，经过 EM231模拟量输入模块转化成数字量信号并送到 PLC中进行 PID 调节，PID 控制器输出转化为010mA 的电流信号输入控制可控硅电压调整器
31、或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，从而调节电热丝的加热。PLC 和组态王连接，实现了系统的实时监控。整体设计方案如图2-3:计算机PLCEM235PT100 锅炉122.4 PLC 控制器的设计控制器的设计是整个控制系统设计中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。最后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。2.4.1 控制系统数学模型的建立在本控制系统中，TT1(出口温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入 EM235 模块的 A 路，TT2(炉膛温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信
32、号送入 EM235 模块的 B 路。两路模拟信号经过 EM235 转化为数字信号送入 PLC，PLC 再通过 PID 模块进行 PID 调节控制。具体流程在第四章程序编写的时候具体论述。由 PLC 的串级控制系统框图。主调节副调节 器炉膛可控硅锅炉出口副变送器主变送器如图 2-4 串级控制系统框图2.4.2 PID 控制及参数整定（1）PID 控制器的组成PID 控制器由比例单元（P） 、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学可控硅13表达式为：公式（3-1）dte()Te(t)i1Kc(t)u(t)01） 比 例 系 数 KC 对 系 统 性 能 的 影 响 ：比 例 系 数 加 大 ，
33、 使 系 统 的 动 作 灵 敏 ， 速 度 加 快 ， 稳 态 误 差 减 小 。 c偏 大 ， 振 荡 次 数 加 多 ， 调 节 时 间 加 长 。 c太 大 时 ， 系 统 会 趋 于 不 稳 定 。 c太 小 ， 又 会 使 系 统 的 动 作 缓 慢 。 c可 以 选 负 数 ， 这 主 要 是 由 执 行 机 构 、传 感 器 以 控 制 对 象 的 特 性 决 定 的 。 如 果 c的 符 号 选 择 不 当 对 象 状 态 (pv 值 )就会 离 控 制 目 标 的 状 态 (sv 值 )越 来 越 远 ， 如 果 出 现 这 样 的 情 况 c的 符 号 就一 定 要 取
34、反 。2） 积 分 控 制 i对 系 统 性 能 的 影 响 ：积 分 作 用 使 系 统 的 稳 定 性 下 降 ， i小 （ 积 分 作 用 强 ） 会 使 系 统 不 稳 定 ，但 能 消 除 稳 态 误 差 ， 提 高 系 统 的 控 制 精 度 。3） 微 分 控 制 d对 系 统 性 能 的 影 响 ：微 分 作 用 可 以 改 善 动 态 特 性 ， d偏 大 时 ， 超 调 量 较 大 ， 调 节 时 间 较 短 。 d偏 小 时 ， 超 调 量 也 较 大 ， 调 节 时 间 也 较 长 。 只 有 d合 适 ， 才 能 使 超 调量 较 小 ， 减 短 调 节 时 间 。（
35、 2） 主 、 副 回 路 控 制 规 律 的 选 择采 用 串 级 控 制 ， 所 以 有 主 副 调 节 器 之 分 。 主 调 节 器 起 定 值 控 制 作 用 ， 副调 节 器 起 随 动 控 制 作 用 ， 这 是 选 择 规 律 的 基 本 出 发 点 。 主 参 数 是 工 艺 操 作 的重 要 指 标 ， 允 许 波 动 的 范 围 较 小 ， 一 般 要 求 无 余 差 ， 因 此 ， 主 调 节 器 一 般 选PI 或 PID 控 制 ， 副 参 数 的 设 置 是 为 了 保 证 主 参 数 的 控 制 质 量 ， 可 允 许 在 一 定范 围 内 变 化 ， 允 许
36、有 余 差 ， 因 此 副 调 节 器 只 要 选 P 控 制 规 律 就 可 以 。 在 本控 制 系 统 中 ， 我 们 将 锅 炉 出 口 水 温 度 作 为 主 参 数 ， 炉 膛 温 度 为 副 参 数 。 主 控制 采 用 PI 控 制 ， 副 控 制 器 采 用 P 控 制 。（ 3） 主 、 副 调 节 器 正 、 反 作 用 方 式 的 确 定副调节器作用方式的确定：首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，可控硅输出电压应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，14确保设备安全，调节阀的 Kv 0 。然后确定副被控过程的 K02，当调节
37、阀开度增大，电压增大，炉膛水温度上升，所以 K02 0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为负，所以副调节器 K 2 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为负，所以主调节器的放大系数 K1 0，主调节器作用方式为反作用方式 7。（4）采样周期的分析采样周期 Ts 越小，采样值就越能反应温度的变化情况。但是，T s太小就会增加 CPU 的运算工作量，相邻的两次采样值几乎没什么变化，将是 PID 控制器输出的微分部分接近于0，所以不应使采样时间太小。 ，确定采样周期时，应保证被控量迅速变化时，能用足够多的采样点，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集
38、的模拟量中的重要信息。因为本系统是温度控制系统，温度具有延迟特性的惯性环节，所以采样时间不能太短，一般是15s20s，本系统采样17s经 过 上 述 的 分 析 ， 该 温 度 控 制 系 统 就 已 经 基 本 确 定 了 ， 在 系 统 投 运 之 前还 要 进 行 控 制 器 的 参 数 整 定 。 常 用 的 整 定 方 法 可 归 纳 为 两 大 类 ， 即 理 论 计 算整 定 法 和 工 程 整 定 法 。理 论 计 算 整 定 法 是 在 已 知 被 控 对 象 的 数 学 模 型 的 基 础 上 ， 根 据 选 取 的 质量 指 标 ， 经 过 理 论 的 计 算 （ 微 分
39、 方 程 、 根 轨 迹 、 频 率 法 等 ） ， 求 得 最 佳 的 整定 参 数 。 这 类 方 法 比 较 复 杂 ， 工 作 量 大 ， 而 且 用 于 分 析 法 或 实 验 测 定 法 求 得的 对 象 数 学 模 型 只 能 近 似 的 反 映 过 程 的 动 态 特 征 ， 整 定 的 结 果 精 度 不 是 很 高 ，因 此 未 在 工 程 上 受 到 广 泛 的 应 用 。对 于 工 程 整 定 法 ， 工 程 人 员 无 需 知 道 对 象 的 数 学 模 型 ， 无 需 具 备 理 论 计算 所 学 的 理 论 知 识 ， 就 可 以 在 控 制 系 统 中 直 接
40、进 行 整 定 ， 因 而 简 单 、 实 用 ，在 实 际 工 程 中 被 广 泛 的 应 用 常 用 的 工 程 整 定 法 有 经 验 整 定 法 、 临 界 比 例 度 法 、衰 减 曲 线 法 、 自 整 定 法 等 。 在 这 里 ， 我 们 采 用 经 验 整 定 法 整 定 控 制 器 的 参 数值 。 整 定 步 骤 为 “先比例，再积分，最后微分” 。15（1）整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。（2）整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的5080，再将积分
41、时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。（3）整定微分环节若经过步骤2） ，PI 控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成 PID 控制。先置微分时间 TD=0，逐渐加大 TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和 PID 控制参数。163 PLC 控 制 系 统 的 软 件 设 计PLC 控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分本在硬件基础上，详细介绍本项目的软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法、编程软件STEP7-Micro/WI
42、N 的介绍以及本项目的程序设计。3.1 PLC 程序设计的方法PLC 程序设计常用的方法：主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。（1）经验设计法：经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。 （2）继电器控制电路转换为梯形图法：用 PLC 的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。（3）顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核
43、心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。（4） 逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。3.2 编程软件 STEP7-Micro/WIN 概述 STEP7-Micro/WIN 编程软件是基于 Windows 的应用软件，由西门子公司专为 S7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。173.2.1 STEP7-Micro/WIN 简单介绍以 STEP7-Micro/WIN 创建程序，为接通 STEP7-Micro/WIN，可双击 STEP7 -
44、Micro/WIN 的图标，如图3-1所示，STEP7-Micro/WIN 项目窗口将提供用于创建程序的工作空间。浏览条给出了多组按钮，用于访问 STEP7-Micro/WIN 的不同编程特性。指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象指令。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的的底部按标签显示。图 3-1 STEP7-Micro/WIN 项目窗口本项目中我们利用 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP5编程软件，其界面如图4-1所示。项目包括的基本组件：程序块、数据块、系统块、符号表、状态表、交叉引用表。 3.2.2
45、计算机与 PLC 的通信在 STEP7-Micro/WIN 中双击指令树中的“通信”图标，或执行菜单命令的“查看”/“组件”/“通信” ，将出现“通信”对话框,见图3-2。在将新的设置下载到 S7-200之前，应设置远程站的地址，是它与 S7-200的地址。双击“通信”对话框中“双击刷新”旁边的蓝色箭头组成的图标，编程软件将会自动搜索连接在网络上的 S7-200，并用图标显示搜索到的 S7-200。18图3-2 PLC 通信窗口3.3 程序设计3.3.1 程序设计思路PLC 运行时，通过特殊继电器 SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID 参数值等存入数据寄存器，随后系统开始温
46、度采样，采样周期是17秒，TT1(出口水温温度传感器)将采集到的出口水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过 AIW0进入 PLC，作为主回路的反馈值，经过主控制器（PID0）的PI 运算产生输出信号，作为副回路的给定值。TT2(炉膛水温传感器)将采集到的炉膛水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过 AIW2进入 PLC，作为副回路的反馈值，经过副控制器（PID1）的 P 运算产生输出的信号,由 AQW0输出，输出的4-20mA 电流信号控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的电压，完成对温度的控制。3.3.2 PID 指令向导编写 PID 控制程序时，首先要把过程变量（PV）转化为 0.00-1
47、.00 之间的19标准实数。PID 运算结束之后，需要把回路输出（0.00-1.00 之间的标准化实数）转换为可以送给模拟量输出模块的整数。图3-3 PID 初始化指令如图3-3PV_I 是模拟量输入模块提供的反馈值的地址，Setpoint_R 是以百分比为单位的实数给定值（SP）,Output 是 PID 控制器的 INT 型的输出地址。HighAlarm 和 LowAlarm 分别是超过上限和下限的报警信号输出，ModuleErr 是模拟量模块的故障输出信号。主回路 PID 指令向导，如图3-4图3-4 主回路用 PID 回路 PID 指令的参数表占用的 V 存储区的起始地址如图 3-5：
48、20图 3-5 地址设置4.向导完成，如图 3-6图 3-6 向导完成副回路 PID 指令向导：副回路采用 1 号 PID 回路，如图 3-7：21图 3-7 副回路 PID 回路设置（1）新建 PID 配置，如图 3-8：图 3-8 PID 配置新建（2）设置 PID 参数，如图 3-922图 3-9 副回路 PID 设置因为副回路主要起到“粗调” 、 “快调”的作用，所以我们采用 P 调节作用，比例增益 Kc=-4.0，T i无穷大，T d=0;（3）副回路输入量的极性与范围，如图 3-10如图 3-10 副回路输入输出设置（4）PID 指令的参数表占用的 V 存储区的起始地址，如图 3-
49、11：23图 3-11 副回路存储区设置（5）向导完成，如图 3-12图 3-12 副回路向导完成3.3.3 控制程序及分析因为由 AIW0 和 AIW2 输入的是 6400-32000 的数字量，所以要转换为实际的温度要进行运算，运算公式为：公式（3-2）640321)(DT24其中，T 为实际温度，D 为 AIWO 和 AIW2 输入的数字量。PLC 的内存地址分配见 表 3-1地址 说明VD250 锅炉出口水温度存放地址VD260 炉膛水温存放地址VD270 主控制器 PID 输出存放地址VD300 目标设定温度存放地址VD304 主控制器 Kc 存放地址VD308 主控制器 Ti 存放地址VD312 主控制器 Td 存放地址VD320 副调节器 Kc 存放地址表 3-1 内存地址分配PID 指令表见表 3-2： 地址 名称 说明VD0 主调节器过程变量（PVn） 必须在 0.01.0 之间VD4 主调节器给定值（SPn） 必须在 0.01.0 之间VD8 主调节器输出值（Mn） 必须在 0.01.0 之间VD12 主调节器增益（Kc） 比例常数，可正可负VD16 主调节器采样时间（Ts） 单位为 s，必须是正数VD20 主调节器积分时间（Ti）
