摘 要傳統的加熱爐電氣控制系統普遍采用繼電器控制技術,由于采用固定接線的硬件實現邏輯控制,使控制系統的體積增大,耗電多,效率不高且易出故障,不能保證正常的工業生產。 隨著計算機控制技術的發展,傳統繼電器控制技術必然被基于計算機技術而產生的PLC控制技術所取代。 而PLC本身優異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統變的經濟高效穩定且維護方便。這種溫度控制系統對改造傳統的繼電器控制系統有相當的意義。在以PLC控制為核心，加熱爐為基礎的溫度自動控制系統中，PLC將加熱爐溫度設定值與溫度傳感器的測量值之間的偏差經PID運算后得到的信號控制輸出電壓的大小，從而調節加熱器加熱，實現溫度自動控制的目的。文章介紹了基于S7-200溫度控制系統的PID調節器的實現。關鍵詞：PLC 溫度控制 PID 調節器 S7-200 溫度傳感器 目錄1 溫度控制對象11.1 功能特點與技術參數11.2 控制手段12 方案設計02.1 現場總線概述02.2 WinCC+S7-200溫度控制系統的硬件組成33 WinCC+S7-200溫度控制系統的軟件配置53.4 WinCC+S7-200溫度控制系統的網絡結構63.5 溫度控制算法84 S7-200 PLC控制程序的設計134.1 控制程序的組成134.2 溫度采集程序設計134.3 數字濾波程序設計144.4 PID控制程序設計165 WinCC組態175.1 變量組態175.2 畫面組態175.3 變量連接186 程序調試206.1 PLC調試方法與結果206.2 WinCC調試方法與結果207 PID參數的整定217.1 整定方法217.2 整定結果及分析228 技術小結23參考文獻24附錄I 1 溫度控制對象溫度控制對象，在工業控制過程中，是相當重要的控制對象，因為溫度直接的影響到了燃燒、化學反應、發酵、烘烤、蒸餾、濃度，結晶以及空氣流動等物理的和化學的變化過程。溫度控制的不好很有可能引起嚴重的安全事故，產品質量和產量等一系列的問題。溫度控制是許多設備的重要的構成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內，以利于進行工件的加工與處理。不論是在生活中還是在工業生產過程中，溫度的變化對生活、生產的某些細節環節都會造成不同程度的影響，所以適時地對溫度進行控制具有重要的意義。1.1 功能特點與技術參數實踐證明溫度對象的特點是:時間常數大，滯后現象嚴重，反應在控制系統上，就是被控溫度的變化滯后于調節器的輸出。我們知道熱量的傳遞是需要一定時間的，溫度上升的快慢與其熱容量的大小有關，通常溫度的上升與下降和時間的關系是一個指數曲線關系。而產生滯后則與熱量的傳遞過程有關，再者測溫元件也有一定的慣性，這些都會產生滯后現象。本次設計選用的是TKPLC2型溫度控制器，該溫度控制器同樣的具有滯后大和慣性大的特點。該加熱器用的是0V到5V的電壓加熱，1.2 控制手段通過以上的分析，系統的總的滯后時間比較大，升溫的滯后時間相對降溫來說是比較小的。因此，在PID調節中，要使系統的品質變好，除了加入適當的積分以消除靜態誤差外，還應該加強比例作用使調節更加靈敏，減小調節時間，同時還應該加入適當的微分作用，使系統的超調量減小。2 方案設計主要是通過實驗的需要選擇硬件。然后將選擇的硬件組成控制系統，根據任務的要求選擇西門子的S7-200的PLC，TKPLC-2型加熱爐等硬件，硬件選擇完成后，跟據所選擇的硬件選擇合適的軟件進行程序設計，只有擁有完整的硬件和軟件的系統才能所需要的功能。下面就仔細的介紹在設計中運用到的硬件和軟件。2.1 現場總線概述目前世界上存在著大約四十余種現場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface）、MODBus、SDS、Arcnet，國際標準組織-基金會現場總線FF：FieldBusFoundation、WorldFIP、BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等。這些現場總線大都用于過程自動化、醫藥領域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農業和樓宇等領域，大概不到十種的總線占有80左右的市場。下面仔細的介紹九種比較常用的現場總線。 2.1.1 基金會現場總線這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協議和以Honeywell公司為首的聯合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協議于1994年9月合并的。該總線在過程自動化領域得到了廣泛的應用，具有良好的發展前景。基金會現場總線采用國際標準化組織ISO的開放化系統互聯OSI的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數據鏈路層、應用層，另外增加了用戶層。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kbit/秒，通信距離可達1900m，可支持總線供電和本質安全防爆環境。后者傳輸速率為1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距離為750m和500m，支持雙絞線、光纜和無線發射，協議符號IEC1158-2標準。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。 2.1.2 LonWorks總線它由美國Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導。它采用ISO/OSI模型的全部7層通訊協議，采用面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質，通訊速率從300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距離可達2700m（78Kbit/s），被譽為通用控制網絡。Lonworks技術采用的LonTalk協議被封裝到Neuron（神經元）的芯片中，并得以實現。采用Lonworks技術和神經元芯片的產品，被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備、交通運輸、工業過程控制等行業。 2.1.3 Profibus總線Profibus是德國標準（DIN19245）和歐洲標準（EN50170）的現場總線標準。由PROFIBUS-DP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA系列組成。DP用于分散外設間高速數據傳輸，適用于加工自動化領域。FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。PA用于過程自動化的總線類型，服從IEC11582標準。PROFIBUS支持主-從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s小為200m，可采用中繼器延長至10km，傳輸介質為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個站點。 2.1.4 CAN總線 最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領域，其總線規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協議分為二層：物理層和數據鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時間短，具有自動關閉功能，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術，通過設置優先級來避免沖突，通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達40M /1Mbp/s，網絡節點數實際可達110個。目前已有多家公司開發了符合CAN協議的通信芯片。 2.1.5 HART總線HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫，最早由Rosemount公司開發。其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變的過渡產品。其通信模型采用物理層、數據鏈路層和應用層三層，支持點對點主從應答方式和多點廣播方式。由于它采用模擬數字信號混和，難以開發通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質安全防爆的要求，并可用于由手持編程器與管理系統主機作為主設備的雙主設備系統。 2.1.6 CC-Link總線CC-Link是Control&Communication Link（控制與通信鏈路系統）的縮寫，在1996年11月，由三菱電機為主導的多家公司推出，其增長勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額。在其系統中，可以將控制和信息數據同是以10Mbit/s高速傳送至現場網絡，具有性能卓越、使用簡單、應用廣泛、節省成本等優點。其不僅解決了工業現場配線復雜的問題，同時具有優異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個以設備層為主的網絡，同時也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。2005年7月CC-Link被中國國家標準委員會批準為中國國家標準指導性技術文件。 2.1.7 WordFIP總線WorkdFIP的北美部分與ISP合并為FF以后，WorldFIP的歐洲部分仍保持獨立，總部設在法國。其在歐洲市場占有重要地位，特別是在法國占有率大約為60%。WorldFIP的特點是具有單一的總線結構來適用不同的應用領域的需求，而且沒有任何網關或網橋，用軟件的辦法來解決高速和低速的銜接。WorldFIP與FFHSE可以實現“透明聯接”，并對FF的H1進行了技術拓展，如速率等。在與IEC61158第一類型的連接方面，WorldFIP做得最好，走在世界前列。 2.1.8 INTERBUS總線INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現場總線，2000年2月成為國際標準IEC61158。INTERBUS采用國際標準化組織ISO的開放化系統互聯OSI的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數據鏈路層、應用層，具有強大的可靠性、可診斷性和易維護性。其采用集總幀型的數據環通信，具有低速度、高效率的特點，并嚴格保證了數據傳輸的同步性和周期性；該總線的實時性、抗干擾性和可維護性也非常出色。INTERBUS廣泛地應用到汽車、煙草、倉儲、造紙、包裝、食品等工業，成為國際現場總線的領先者。 2.1.9 DeviceNet總線DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網絡解決方案，有著開放的網絡標準。DeviceNet具有的直接互聯性不僅改善了設備間的通信而且提供了相當重要的設備級陣地功能。DebiceNet基于CAN技術，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s,每個網絡的最大節點為64個，其通信模式為：生產者/客戶（Producer/Consumer），采用多信道廣播信息發送方式。位于DeviceNet網絡上的設備可以自由連接或斷開，不影響網上的其他設備，而且其設備的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結構是Open DeviceNet Vendor Association（開放式設備網絡供應商協會，簡稱“ODVA”）。1 2.1.10 PPI總線本次設計使用的是西門子的PPI總線，PPI（ 點對點接口） 是一種專為SIMATIC S7-200而開發的集成接口。PPI網絡通常連接S7-200設備。然而，其它 SIMATIC S7控制器（例如S7-300和S7-400）或操作員面板均可與PPI網絡中的S7-200進行通訊。PPI是一種主站-從站協議，通過該協議主站設備可向從站設備發送請求。從站設備并不啟動消息，而是一直等到主站設備發送請求或輪詢響應。通訊將通過常用的PPI連接來執行。主站設備包括：帶有 STEP7Micro/WIN的編程設備HMI設備（觸摸面板、文本顯示或操作員面板），從站設備包括：S7-200CPU擴展機架（例如EM277）也可以通過編程將S7-200CPU作為PPI主站來激活。PPI基于PROFIBUS標準（IEC61158和EN50170），并支持以下總線拓撲：總線型星型使用PPI，可以建立最多包括32個主站的多主站網絡：可以與任何從站進行通訊的主站數量不受限制。可以為主站分配從站。可以使用RS-485中繼器擴展PPI網絡。還可以將調制解調器連接至PPI網絡。可以為PPI建立多種組態：單主站PPI網絡、多主站PPI網絡、復雜PPI網絡、帶有S7-300或S7-400的PPI網絡。2.2 WinCC+S7-200溫度控制系統的硬件組成溫度控制系統的主要硬件組成：帶有WinCC和有STEP7Micro/WIN軟件的計算機、PLC、PPI數據線、TKPLC-2型加熱爐。下面是本次系統的硬件組成圖，如圖2.2.1所示。上位機PLCS7-200TKPLC-2型加熱爐圖 2.2.1 系統硬件圖TKPLC-2型加熱爐，集成了加熱爐驅動模塊和加熱爐變送器。這樣使硬件系統的組成更簡單、更容易。該系統是通過簡單的閉環控制系統實現的。由PLC控制的加熱爐溫度控制系統構成如圖2.2.2所示，系統工作過程：一是給定值（0100）通過鍵盤輸入PLC主機，再由PLC主機傳遞給數字量輸出模塊，控制固態繼電器的開關狀態，從而控制電阻爐的加熱情況；二是通過溫度檢測裝置熱電偶檢測到的變換為電流信號的爐溫值通過模擬量輸入模塊讀入PLC主機，由PLC主機內部PID的程序與溫度給定值相比較，對數字量輸出模塊進行下一度的控制。其中PLC是整個系統的主控核心。PLC主機計算機PID調節執行機構溫度檢測裝置圖2.2.2 電阻爐溫度控制系統圖實際溫度電阻爐2.2.1 S7-200PLC的選型S7-200系列PLC是SIEMENS公司新推出的一種小型PLC。它以緊湊的結構、良好的擴展性、強大的指令功能、低廉的價格，已經成為當代各種小型控制工程的理想控制器。S7-200PLC包含了一個單獨的S7-200CPU和各種可選擇的擴展模塊，可以十分方便地組成不同規模的控制器。其控制規模可以從幾點上到幾百點。S7-200PLC可以方便地組成PLC-PLC網絡和微機-PLC網絡，從而完成規模更大的工程。S7-200的編程軟件STEP7-Micro/WIN32可以方便地在Windows環境下對PLC編程、調試、監控，使得PLC的編程更加方便、快捷。可以說，S7-200可以完美地滿足各種小規模控制系統的要求。S7-200有四種CPU，其性能差異很大。這些性能直接影響到PLC的控制規模和PLC系統的配置。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種。檔次最低的是CPU221，其數字量輸入點數有6點，數字量輸出點數有4點，是控制規模最小的PLC。檔次最高的應屬CPU226，CPU226集成了24點輸入16點輸出，共有40個數字量I/O。可連接七個擴展模塊，最大擴展至248點數字量I/O點或35路模擬量I/O。本次設計選用的是CPU226。開關量I/O擴展模塊當CPU的I/0點數不夠用或需要進行特殊功能的控制時,就要進行I/O擴展,I/O擴展包括I/O點數的擴展和功能模塊的擴展。通常開關量I/O模塊產品分3種類型:輸入模塊,輸出模塊以及輸入/輸出模塊。為了保證PLC的工作可靠性,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術措施。如光電隔離,輸入保護(浪涌吸收器,旁路二極管,限流電阻),高頻濾波,輸入數據緩沖器等。由于PLC要控制的對象有多種,因此輸出模塊也應根據負載進行選擇,有直流輸出塊,交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開關器件種類不同又分為3種：繼電器輸出型,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中,從輸出響應速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中；若從與外部電路安全隔離角度看,繼電器輸出型最好。在實際使用時，亦應仔細查看開關量 I/O 模塊的技術特性，按照實際情況進行選擇。在S7-200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號的數值范圍是0-32000，雙極性模擬信號的數值范圍是-32000- +320002。2.2.2 加熱爐的選型本次實驗選用的加熱爐為TKPLC-2型。這種加熱爐集成有驅動模塊和溫度變送器使用簡單，只需將輸入端和輸出端分別接到PLC的輸出模塊和輸入模塊就可以了。免去了硬件設計的麻煩。TKPLC-2型加熱爐，也具有慣性大，滯后大的特點，在實際控制過程的過程中會比較麻煩，而且該加熱爐是靠周邊環境自然降溫，所以降溫過程比較長。不過通過改良PID調節的參數，能勉強控制好加熱爐的溫度，使得穩態誤差和動態誤差都能達到任務的要求。3 WinCC+S7-200溫度控制系統的軟件配置本次設計使用的軟件STEP7-Micro/WIN32和WinCC以及PC access，通過STEP7-Micro/WIN32編寫PLC的程序，通過Wincc的組態實現對控制過程的控制和監視。PLC與WinCC之間通過PPI總線實現通信，實時的監控加熱爐的工作狀態。3.1 STEP7-Micro/WIN32的介紹STEP7-Micro/WIN32是西門子公司專為SIMATIC S7-200系列可編程序控制器研制開發的編程軟件，它是基于Windows的應用軟件，功能強大，既可用于開發用戶程序，又可實時監控用戶程序的執行狀態。STEP7-Micro/WIN32編程軟件的基本功能是協助用戶完成應用軟件的開發，其主要實現以下功能： 1）在脫機（離線）方式下創建用戶程序，修改和編輯原有的用戶程序。在脫機方式時，計算機與PLC斷開連接，此時能完成大部分的基本功能，如編程、編譯、調試和系統組態等，但所有的程序和參數都只能存放在計算機的磁盤上。2）在聯機（在線）方式下可以對與計算機建立通信關系的PLC直接進行各種操作，如上載、下載用戶程序和組態數據等。3）在編輯程序的過程中進行語法檢查，可以避免一些語法錯誤和數據類型方面的錯誤。經語法檢查后，梯形圖中錯誤處的下方自動加紅色波浪線，語句表的錯誤行前自動畫上紅色叉，且在錯誤處加上紅色波浪線。4）對用戶程序進行文檔管理，加密處理等。5）設置PLC的工作方式、參數和運行監控等。3.2 WinCC的介紹西門子公司的WinCC是WlndowsControIConter(視窗控制中心)的簡稱。 它集成了SCADA、組態、腳本(Script)語言和OPC等先進技術，為用戶提供了Windows操作系統(W1ndows2000或XP)環境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動化(TIA)產品的技術先進和無縫集成的特點。WinCC運行于個人計算機環境，可以與多種自動化設備及控制軟件集成，具有豐富的設置項目、可視窗口和菜單選項，使用方式靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面下進行組態、編程和數據管理，可形成所需的操作畫面、監視畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環境，不僅縮短了軟件設計周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一個特點在于其整體開放性，它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機界面，滿足實際需要。用戶也可將WinCC作為系統擴展的基礎，通過開放式接口，開發其自身需要的應用系統。3.3 PC ACCESS的介紹西門子最新推出的PC Access 軟件是專用于S7-200 PLC的 OPC Server（服務器）軟件，它向OPC客戶端提供數據信息，可以與任何標準的OPC Client（客戶端）通訊。PC Access軟件自帶OPC客戶測試端，用戶可以方便的檢測其項目的通訊及配置的正確性。OPC作為一種工業標準，提供了工業環境中信息交換的統一標準軟件接口，數據用戶不用再為不同廠家的數據源開發驅動或服務程序。OPC將數據來源提供的數據以標準方式傳輸至任何客戶機應用程序。OPC（用于進程控制的OLE）是一種開放式系統接口標準，可允許在自動化/PLC應用、現場設備和基于PC的應用程序（例如 HMI或辦公室應用程序）之間進行簡單的標準化數據交換。 定義工業環境中各種不同應用程序的信息交換，它工作于應用程序的下方。您可以在PC機上監控、調用和處理可編程控制器的數據和事件。PC Access可以用于連接西門子，或者第三方的支持OPC技術的上位軟件。PC Access可以通過如下硬件連接與S7-200通訊：通過PC/PPI電纜（USB/PPI電纜）連接PC機上的USB口和S7-200、通過PC/PPI電纜（RS-232/PPI電纜）連接 PC機上的串行COM口和 S7-200、通過西門子通訊處理器（CP）卡和 MPI電纜連接 S7-200、通過PC機上安裝的調制解調器（Modem）連接S7-200上的EM241模塊、通過以太網連接 S7-200上的CP243-1或CP243-1 IT模塊，上述S7-200的通訊口可以是CPU通訊口，也可以是EM277的通訊口。PC Access所支持的協議：PPI（通過 RS-232PPI和 USB/PPI電纜）、MPI（通過相關的 CP卡）、Profibus-DP（通過CP卡）、S7協議（以太網）、Modems（內部的或外部的，使用TAPI 驅動器）。所有協議允許同時有8個PLC連接，一個PLC通訊口允許有4個PC機的連接，其中一個連接預留給Micro/WIN，PC Access與Micro/WIN可以同時訪問CPU，支持S7-200所有內存數據類型。3.4 WinCC+S7-200溫度控制系統的網絡結構 WinCC和S7-200的網絡連接，只要是通過RS232或USB接口進行數據傳輸。數據傳輸速率在1.2 kbps 至 115.2 kbps 之間。WinCC和S7-200的網絡連接是點對點的連接，遵循PPI的通信協議，網絡結構主要有3種：單主站PPI網絡、多主站PPI網絡、復雜PPI網絡。下面就將各種網絡結構進行詳細的介紹。3.4.1 單主站PPI網絡通常，單主站PPI網絡由以下組件組成：帶有STEP7-Micro/WIN的編程設備/PC或作為主站設備的HMI設備（面板），作為從站設備的一個或多個S7-200。單主站PPI網絡結構組成如圖3.4.1所示。圖3.4.1 單主站PPI網絡結構圖3.4.2 多主站PPI網絡PPI網絡還有構成多主站網絡結構，是由多臺主站計算機或者HMI設備組成的網絡連接結構。利用這種網絡結構我們可以組態一個包含多個主站設備的PPI網絡，這些設備可以作為從站設備與一個或多個S7-200 進行通訊。每個主站（編程設備/PC 或面板）均可以與網絡中的每個從站交換數據。多主站網絡原理如圖3.4.2所示。圖3.4.2 多主站網絡原理圖3.4.3 復雜PPI網絡在復雜PPI 網絡中，還可以對S7-200進行編程以進行對等通訊。對等通訊表示通訊伙伴都具有同等權限，既可以提供服務，也可以使用服務。在一個S7-200的用戶程序中的“從網絡讀取”(NETR)和“寫入網絡”(NETW)指令可以訪問其它S7-200中的過程數據。復雜網絡原理如圖3.4.3所示。圖3.4.3 復雜網絡原理圖雖然PPI網絡能夠成很多種網絡結構，本次根據設計的要求，我們只需控制一臺S7-200，所以我使用了單主站網絡結構。3.5 溫度控制算法在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便5。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的。比例（P）控制：比例控制是一種最簡單,最常用的控制方式4。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。 積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的 或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。 微分（D）控制：在微分控制中，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。 自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。3.5.1 PID算法的種類PID的基本算式有：位置型、增量型和速度型三種形式，其中最常用的事增量型式。設u(n)為本周期PID控制器的輸出（控制量），e(n)為本周期的PID輸入偏差信號，e(n-1)為上一個周期的偏差信號，e(n-2)為上上個周期的偏差信號。KP 為比例增益，Ti為積分時間，Td為微分時間，則PID基本算式的公式如下：1）位置型PID算式 （3.1） 根據微分方程和差分方程的對應關系可知，如果微分方程中的積分運算對應差分方程 的累加運算，微分方程對應一個周期的增量變化，則能很容易的推導出表達式3.1。2）增量型PID算式 （3.2）由增量型PID算式也可以得到PID控制器的位置輸出： （3.3）3）速度型PID算式速度型PID算式的輸出值和執行器的位置變化率（如調節閥的開度變化率、直流伺服電機的轉動速度等）相對應，它是由增量型PID算式除以T得到： （3.4）33.5.2 回路定義表從在PID指令框中輸入的表格（TBL）起始地址為回路表分配八十（80個字節。S7-200的PID指令引用一個包含回路參數的回路表。此表起初的長度為36個字節。在增加了PID自動調諧后，回路表現已擴展到80個字節。如果使用PID調諧控制面板，與PID回路表的全部相互作用將由此控制面板代您完成。如果需要由操作員板提供自動調諧能力，您的程序必須提供操作員和PID回路表之間的相互作用，以發起和監視此自動調諧進程，以及隨后套用建議的調諧數值。表3.1 回路定義表偏移量域格式類型說明0PVn進程變量雙字實數入包含進程變量，必須在0.0至1.0范圍內。4SPn設定值雙字實數入包含設定值，必須在0.0至1.0范圍內。8Mn輸出雙字實數入/出包含計算輸出，在0.0至1.0范圍內。12Kc增益雙字實數入包含增益，此為比例常數，可為正數或負數。16Ts采樣時間雙字實數入包含采樣時間，以秒為單位，必須為正數。20TI積分時間或復原雙字實數入包含積分時間或復原，以分鐘為單位，必須為正數。24TD微分時間或速率雙字實數入包含微分時間或速率，以分鐘為單位，必須為正數。28MX偏差雙字實數入/出包含0.0和1.0之間的偏差或積分和數值。32PVn-1以前的進程變量雙字實數入/出包含最后一次執行PID指令存儲的進程變量以前的數值。3.5.3 PID回路計算方法S7-200 CPU提供PID回路指令（比例、積分、微分回路），執行PID計算。PID回路操作取決于存儲在36個字節回路表中的9個參數。在穩定狀態操作中，PID控制器管理輸出數值，以便將錯誤（e）驅動為零。錯誤測量由設定值（所需的操作點）和進程變量（實際操作點）之間的差別決定。PID控制原則基于以下公式，其中將輸出M(t)表示為比例項、積分項和微分項的函數： （3.5）其中： M(t)作為時間函數的回路輸出 TD回路增益 E回路錯誤（設定值和進程變量之間的差別）Minitial回路輸出的初始值為了在數字計算機中運行該控制函數，必須將連續函數量化為錯誤值的定期樣本，并隨后計算輸出。數字計算機運算以下列相應的公式為基礎： （3.6）其中： Mn 采樣時間n的回路輸出計算值 Kc 回路增益 en 采樣時間n的回路錯誤值 en-1 回路錯誤的前一個數值（在采樣時間n -1） KI積分項的比例常數 Minitial微分項的比例常數 KD 微分項的比例常數在該公式中，積分項被顯示為全部錯誤項的函數，從第一個樣本至當前樣本。微分項是當前樣本和前一個樣本的函數，而比例項僅是當前樣本的函數。在數字計算機中，既不可能也沒有必要存儲所有的錯誤項樣本。因為從第一個樣本開始，每次對錯誤采樣時數字計算機都必須計算輸出值，因此僅需存儲前一個錯誤值和前一個積分項數值。由于數字計算機計算結果的重復性，可在任何采樣時間對公式進行簡化。簡化后的公式為： (3.7)其中： Mn 采樣時間n的回路輸出計算值 Kc 回路增益 en 采樣時間n的回路錯誤值 en-1 回路錯誤的前一個數值（采樣時間n1）KI 積分項的比例常數 MX 積分項的前一個數值（采樣時間n1） KD 微分項的比例常數計算回路輸出值時，CPU使用對上述簡化公式的修改格式。修改后的公式為： (3.8)其中： Mn 采樣時間n的回路輸出計算值 MPn 采樣時間n的回路輸出比例項數值 MIn 采樣時間n的回路輸出積分項數值 MDn 采樣時間n的回路輸出微分項數值比例項MP是增益（Kc）和偏差（e）的乘積。其中Kc決定輸出對偏差的靈敏度，偏差（e）是給定值（SP）與過程變量值（PV）之差，S7-200解決的求比例項的算式是： （3.9）其中：MPn 第n采樣時刻比例項的值 Kc 增益 SPn 第n采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值積分項值MI與偏差和成正比。S7-200解決的求積分的算式是： （3.10）其中：MIn 第n采樣時刻積分項的值 Kc 增益 Ts 采樣時間間隔 Ti 積分時間 SPn 第n采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值 MX 第n-1采樣時刻積分項（積分項前值） 積分和（MX）是所有積分項前值之和，在每次計算出MIn后，都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被調整或限制，MX的處置通常在第一次計算輸出以前被設為Minitial（初值）。積分項還包括其他幾個常數：增益（Kc），采樣時間（Ts）和積分時間（Ti）。其中采樣時間是重新計算輸出的時間間隔，而積分時間控制積分項在整個輸出結果中影響的大小。微分項值Md與偏差的變化成正比，S7-200使用下列算式來求解微分項： （3.11）為了避免給定值變化的微分作用而引起的跳變，假定給定值不變SPn=SPn-1，這樣可以用過程變量的變化替代偏差的變化，計算算式可改進為： （3.12）其中：Mdn 第n采樣時刻的微分項值 Kc 回路增益 Ts 回路采樣時間 Td 微分時間 SPn 第n采樣時刻的給定值 SPn-1 第n-1采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值 PVn-1 第n-1采樣時刻的過程變量的值為了下一次計算微分項值，必須保存過程變量，而不是偏差，在第一采樣時刻，初始化為PVn-1=PVn。在許多控制系統中，只需要一兩種回路控制類型。例如只需要比例回路或者比例積分回路，通過設置常量參數，可以選擇需要的回路控制類型。如果不想要積分動作（PID計算中沒有“I”），可以吧積分時間（復位）置為無窮大“INF”。即使沒有積分作用，積分項還是不為零，因為有初值MX。如果不想要微分回路，可以把微分時間置為零。如果不想要比例回路，但需要積分或積分微分回路，可以把增益設為0.0，系統會在計算積分項和微分項時，把增益當作1.0看待。526現場總線測控系統設計4 S7-200 PLC控制程序的設計硬件設計完成過后，就需要進行軟件設計，通過軟件設計使得系統能滿足設計的要求，因此軟件設計在設計的過程中也是相當的重要。有了好的合適的程序才能使系統發揮其最大的優勢，來調節加熱爐的溫度。4.1 控制程序的組成控制程序主要由溫度采集程序、數據濾波程序、PID控制程序組成，溫度采集程序的作用是將溫度值轉換成PLC能夠識別的數值。數據濾波程序是為了消除干擾對測量結果的影響，在PID控制前，需要對采集的數據進行處理，這樣是為了避免由于外部的干擾而導致PID運算出錯。因此，濾波程序是非常的重要的。4.2 溫度采集程序設計 圖 4.2.1 溫度采集程序 溫度采集程序，由于溫度變送器送出的是4-20mA的標準電流信號，信號采集模塊將采集到的電流轉化成數字信號過后，再通過一系列的數據類型的轉換，使得采集到的數據變成標準的溫度數據信號，方便識別。同時采集到的數值也需要轉化成PLC的PID運算要求的標準數據類型。爐溫實際溫度的檢測是要將溫度量轉化為PLC可識別的量，所以，將溫度變送器輸出的值先由16位的整型轉化為32位的雙整型，再由雙整型轉化為實型，實型小數點后可有6位，故比較精確。此時得到測得溫度值在PLC中計算所對應的數，將該數送入變量寄存器VD296。4.3 數字濾波程序設計圖4.3.1網絡一 網絡一的程序是將每次采集到的值進行累加，將累加后得到的值存入VD300中，進行累加后就將得到所采集到的溫度值的總和。每次采集十組數據。圖4.3.2網絡二 網絡二是找出最大值和最小值。圖4.3.3網絡三 網絡三是將VB0寄存器中的數據清零。圖4.3.4網絡四 網絡四是將最大值和最小值從所求的總和中減去，從而實現，減去一個最大值和減去一個最小值，達到限幅的作用。圖4.3.5 網絡五 網絡五是將剩下的總和求平均，從而得到設計中想的到的溫度值。圖4.3.6 網絡六 網絡六的作用是將所有使用過的寄存器初始化。數據濾波的方法有很多種，其中軟件濾波的方法包括：限幅濾波、中位值濾波法、算術平均濾波法、遞推平均濾波法（又稱滑動平均濾波法）、中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法）、限幅平均濾波法、一階滯后濾波法、加權遞推平均濾波法、消抖濾波法、限幅消抖濾波法。圖4.3.1到圖4.3.6的程序圖使用的是限幅平均值濾波。整體思想是，將十次采集到的數據，先去掉一個最大值，然后去掉一個最小值，然后將剩下的8個數求和取平均值。4.4 PID控制程序設計 圖4.4.1 PID控制程序 PID控制程序在整個程序中是重要的組成部分，通過PID控制程序可以很好的控制加熱爐的工作狀態。PID控制程序在整個程序中是重要的組成部分，通過PID控制程序可以很好的控制加熱爐的工作狀態。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。本設計采用的是閉環控制系統。比例增益、積分時間、比例時間，根據回路定義表的要求分別存到VD332、VD340、VD344中。現場總線測控系統設計5 WinCC組態 WinCC的組態在人機界面的制作中是必不可少的過程，只有正確的將各個變量正確的組合到WinCC當中，我們才能正常的監視加熱爐的工作狀態和實時的對加熱爐進行控制。5.1 變量組態變量組態是通過PC ACCESS完成的，PC ACCESS是專用于S7-200 PLC的 OPC Server（服務器）軟件，它向 OPC客戶端提供數據信息，可以與任何標準的OPC Client（客戶端）通訊。變量組態完成后，可以用軟件自帶的OPC客戶測試端檢測其項目的變量是否通訊及配置是否正確。變量組態在畫面組態前是相當重要的工作，只有通過OPC客戶測試端檢測通訊正常后，WinCC組態后的變量才能正常和PLC通訊。OPC的使用步驟：設置通訊訪問通道、創建PLC、創建Folder、創建Item、測試通訊質量。當測試通訊質量顯示好時，說明了變量組態完成。變量組態如表5.1。表5.1 變量組態表名稱地址數據類型存取TVD296REALRWINPUTVD200REALRWKcVD332REALRWTiVD340REALRWTdVD344REALRWPVD204REALRW5.2 畫面組態打開 WinCC Explorer 窗口 創建一個 WinCC單用戶項目，在變量管理器添加新的驅動程序OPC。在OPC 項目管理器中添加S7-200的系統參數。將所需要的變量全部添加到變量管理器中。然后在WinCC資源管理器中，右擊“圖形編輯器”，在彈出的菜單中，單擊“新建畫面”選項，選擇新建畫面，系統默認畫面名為“NewPdl.pdl”（pdl為畫面描述文件），雙擊擊“NewPdl.pdl”，進入圖形編輯畫面。進入圖形編輯界面后，就要進行圖形的編輯，首先是利用靜態文本顯示輸出值，這種窗口的數據只能看，不能進行修改，所以只適用于我溫度輸出值顯示。而需要輸入數據的就使用輸入輸出文本。這種文本的數據可以進行實時的修改，并把修改的變量值傳送PLC，例如溫度設定值，PID算法的增益，積分時間，微分時間都需要用這種方式。然后再建立曲線圖，曲線圖主要用來進行設定值與顯示值的對比。整個畫面組態完成后的圖如圖5.2.1所示。圖 5.2.1 畫面組態5.3 變量連接S7-200與WinCC的通訊是PPI協議，PPI協議是西門子S7-200系列PLC常用通信協議，但WinCC中沒有集成該協議，即WinCC不能直接監控S7-200系列PLC組成的控制系統。S7-200 OPC Server是西門子公司推出的專為解決上位機監控S7-200系列PLC控制系統的接口軟件。因此，WinCC可以通過該軟件與S7-200系列PLC很方便的建立通信。在WinCC變量管理器中添加一個新的驅動程序，新的驅動程序選擇OPC.CHN，在OPC GROUP中新建一個連接，打開屬性，選擇 OPC Group Setting，OPC服務器名稱為OPCServer.MicroComputing。然后在新添加的連接中新建變量，變量的Item Name與S7-200系列PLC中用于監控的變量名對應。變量連接的基本步驟如下：1)用STEP7 MICROWIN完成S7-200的工程建立和編程，其中必須為OPC準備好符號表。注意符號表名稱以及表中變量名都禁用中文，這是OPC的要求。2)安裝PC ACCESS，然后導入前面建立的S7-200符號表，同時定義PC access到S7-200的通訊。這在PG/PC INTERFACE中完成。具體通過PPI，或MPI，或PROFIBUS，或以太，或MODEM均可以，根據所用硬件定。3)進入WinCC，添加OPC驅動，定義OPC的屬性時點擊瀏覽。瀏覽路徑是LOCAL/SIMATIC S7-200 OPC SERVER，由此按提示將導入到PC ACCESS中的變量添加到WinCC。4)進入WinCC完成其他組態，即可引用S7-200中的變量。變量連接后，運行WinCC，相應的變量的值就會在WinCC上很好的顯示出來，顯示結果如圖5.3.1.圖5.3.1 變量顯示圖現場總線測控系統設計6 程序調試 程序調試是非常重要的階段，我們寫程序不可能一寫就對，在編寫的過程中會出現這樣那樣的問題，當然我們就必須通過程序調試，使得程序正確，達到預期的功能，通過修改和調試程序，也可以使控制的品質更高。6.1 PLC調試方法與結果PLC程序的調試分為模擬調試和現場調試兩個調試過程，在此之前首先對PLC外部接線作仔細檢查，外部接線一定要準確無誤。也可以用事先編寫好的試驗程序對外部接線做掃描通電檢查來查找接線故障。為了安全考慮，最好將主電路斷開。將編寫完成的程序逐條仔細檢查，并改正寫入時出現的錯誤。當我寫完程序過后，首先編譯檢查錯誤，看使用的語句中是否有違反PLC規定的用法，發現了語句錯誤過后馬上進行修改，通過多次的修改，最后程序