冷凝器溫度前饋-反饋控制系統設計與仿真（完整版）資料(可以直接使用，可編輯優秀版資料，歡迎下載）

冷凝器溫度前饋-反饋控制系統設計與仿真（完整版）資料(可以直接使用，可編輯優秀版資料，歡迎下載）開放性實驗報告題目：冷凝器溫度前饋-反饋控制系統設計與仿真院（系）：專業班級：學號：學生姓名：指導教師：（簽字）起止時間：xx工業大學實驗室開放項目任務書2021/2021學年第一學期實驗項目冷凝器溫度前饋—反饋控制系統設計與仿真所在單位實驗類型□科學研究自擬課題綜合設計□計算機應用□其它指導教師實驗時數招收對象1=招收人數項目研究的意義及內容研究意義：1.掌握復合控制系統的原理。2.掌握反饋控制器的設計方法。3.掌握前饋控制器的設計方法，提高學生分析系統和設計系統的實踐技能。4.提高學生的計算機應用能力，掌握MATLAB語言的使用及編程方法。5.訓練學生編寫程序及聯機調試程序的能力，培養學生團隊合作精神。6.為學生今后從事自動控制工作奠定理論和實踐基礎。內容： 分析前饋-反饋控制的原理；對被控對象和擾動通道的傳遞函數的延遲環節進行近似處理；根據設計要求完成反饋控制器和前饋控制器的設計，并用Simulink仿真驗證設計結果的正確性。控制要求控制系統的參數和要求如下：1.被控對象的傳遞函數為；2.擾動通道的傳遞函數為；3.設計要求：階躍給定響應超調量小于50%，階躍擾動對系統無影響。注：此表用于申請教學計劃外的開放項目，請如實填寫，由各院（系）匯總后統一辦理，報實踐教學科一份。目錄TOC\o"1-3"\f\h\z24281第1章緒論 131716第2章控制方案介紹 3213102.1概述 3100312.2控制原理 3115312.3實驗內容 410074第3章系統設計與仿真 586973.1處理延遲環節 535623.2反饋控制系統設計 6116123.3前饋控制系統設計 8290第4章課程設計總結 11緒論冷凝器(Condenser)空調系統的機件，能將管子中的熱量，以很快的方式，傳到管子附近的空氣，大部分的汽車置于水箱前方。把氣體或蒸氣轉變成液體的裝置。發電廠要用許多冷凝器使渦輪機排出的蒸氣得到冷凝；在冷凍廠中用冷凝器來冷凝氨和氟利昂之類的致冷蒸氣。石油化學工業中用冷凝器使烴類及其他化學蒸氣冷凝。在蒸餾過程中，把蒸氣轉變成液態的裝置稱為冷凝器。所有的冷凝器都是把氣體或蒸氣的熱量帶走而運轉的。對某些應用來說，氣體必須通過一根長長的管子（通常盤成螺線管），以便讓熱量散失到四周的空氣中，銅之類的導熱金屬常用于輸送蒸氣。為提高冷凝器的效率經常在管道上附加散熱片以加速散熱。散熱片是用良導熱金屬制成的平板。這類冷凝器一般還要用風機迫使空氣經過散熱片并把熱帶走。一般制冷機的制冷原理壓縮機的作用是把壓力較低的蒸汽壓縮成壓力較高的蒸汽，使蒸汽的體積減小，壓力升高。壓縮機吸入從蒸發器出來的較低壓力的工質蒸汽，使之壓力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成壓力較高的液體，經節流閥節流后，成為壓力較低的液體后，送入蒸發器，在蒸發器中吸熱蒸發而成為壓力較低的蒸汽，從而完成制冷循環。液體制冷劑在蒸發器中吸收被冷卻的物體熱量之后，汽化成低溫低壓的蒸汽、被壓縮機吸入、壓縮成高壓高溫的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷卻介質(水或空氣)放熱，冷凝為高壓液體、經節流閥節流為低壓低溫的制冷劑、再次進入蒸發器吸熱汽化，達到循環制冷的目的。這樣，制冷劑在系統中經過蒸發、壓縮、冷凝、節流四個基本過程完成一個制冷循環。制冷劑包括：氟里昂12(CF2Cl2)代號R12氟里昂12是一種無色、無臭、透明、幾乎無毒性的制冷劑，但空氣中含量超過80%時會引起人的窒息。氟里昂12不會燃燒也不會爆炸，當與明火接觸或溫度達到400℃以上時，能分解出對人體有害的氟化氫、氯化氫和光氣(CoCl2)。R12是應用較廣泛的中溫制冷劑，適用于中小型制冷系統，如電冰箱、冰柜等。R12能溶解多種有機物，所以不能使用一般的橡皮墊片(圈)，通常使用氯丁二烯人造橡膠或丁睛橡膠片或密封圈。氟里昂22(CHF2Cl)代號R22R22不燃燒也不爆炸，其毒性比R12稍大，水的溶解度雖比R12大，但仍可能使制冷系統發生“冰塞”現象。R22能部分地與潤滑油互相溶解，其溶解度隨著潤滑油的種類及溫度而改變，故采用R22的制冷系統必須有回油措施。R22在標準大氣壓力下的對應蒸發溫度為-40.8℃，常溫下冷凝壓力不超過15.68×105Pa，單位容積制冷量與比R12大60%以上。在空調設備中，大都選用R22制冷劑。四氟乙烷R134a（ch2fcf3)代號R13是一種無毒無污染安全性最高的制冷劑。TLV1000pm,GWP1300.廣泛應用于制冷設備中。特別是對制冷劑要求高的儀器中。蒸汽冷凝器這種冷凝常應用于多效蒸發器末效二次蒸汽的冷凝，保證末效蒸發器的真空度。例如噴淋式冷凝器，冷水從上部噴嘴噴入，蒸汽從側面入口進入，蒸汽與冷水充分接觸后被冷凝為水，同時沿管下流，部分不凝汽體也可能被帶出。例如充填式冷凝器，蒸汽從側管進入后一上面噴下的冷水相接觸冷凝器里面裝了滿了瓷環填料，填料被水淋濕后，增大了冷水與蒸汽的接觸面積，蒸汽冷凝成水后沿下部管路流出，不凝氣體同上部管路被真空泵抽出，以保證冷凝器內一定的真空度。淋水板或篩板冷凝器，目的是增大冷水與蒸汽的接觸面積。混合式冷凝器具有結構簡單，傳熱效率高等優點，腐蝕性問題也比較容易解決。在制冷系統中，蒸發器、冷凝器、壓縮機和節流閥是制冷系統中必不可少的四大件，這當中蒸發器是輸送冷量的設備。制冷劑在其中吸收被冷卻物體的熱量實現制冷。壓縮機是心臟，起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放出熱量的設備，將蒸發器中吸收的熱量連同壓縮機功所轉化的熱量一起傳遞給冷卻介質帶走。節流閥對制冷劑起節流降壓作用、同時控制和調節流入蒸發器中制冷劑液體的數量，并將系統分為高壓側和低壓側兩大部分。實際制冷系統中，除上述四大件之外，常常有一些輔助設備，如電磁閥、分配器、干燥器、集熱器、易熔塞、壓力控制器等部件組成，它們是為了提高運行的經濟性，可靠性和安全性而設置的。控制方案介紹概述采用前饋與反饋控制相結合的控制結構，既能發揮前饋控制對擾動的補償作用，又能保留反饋控制對偏差的控制作用，前饋-反饋控制結構如圖2.1所示。圖2.1前饋-反饋控制結構圖由圖2.1可知，前饋-反饋控制結構是在反饋的基礎上，增加了一個擾動的前饋控制，由于完全補償的條件未變，因此仍有控制原理當干因為在工業生產過程中，對被控量的調節要求有較高精度，而且要有很強的抗擾動能力，因此在控制方案的選擇上，只是使用反饋控制無法實現穩定準確的控制。根據控制特點，需要引入前饋控制，實現前饋-反饋控制。前饋控制系統在受控部位的活動發生偏差之前就發出控制指令了，反饋控制系統感受到受控部位的活動發生偏差之后才發出控制指令。例如：當體溫降低時機體穩態被打破，產熱反應的強度相對偏低（即發生偏差。.體溫降低之前機體穩態尚未被打破產熱反應的強度也尚未出現偏差，如果此時控制部位就開始發出指令使產熱反應增強，就是前饋控制。心臟和血管的活動出現了偏差，這種偏差的結果導致血壓降低，感受器感受到血壓降低后，控制部位根據這一信息發出指令，使血壓升高，就是（負）反饋控制。實驗內容分析前饋—反饋控制的原理；對被控對象和擾動通道的傳遞函數的延遲環節進行近似處理；根據設計要求完成反饋控制器和前饋控制器的設計，并用Simulink仿真驗證設計結果的正確性。系統設計與仿真控制系統的參數和要求如下：1.被控對象的傳遞函數為；2.擾動通道的傳遞函數為；3.設計要求：階躍給定響應超調量小于50%，階躍擾動對系統無影響。處理延遲環節為了便于計算將G0(s)與Gf(s)中的延遲環節用pade()函數進行近似處理，輸入如下語句指令，如圖3.1所示。圖3.1ＭＡＴＬＡＢ語句指令輸入指令后，點擊運行，得到了G0(s)與Gf(s)的傳遞函數，如圖3.2所示。3.2傳遞函數G0(s)的傳遞函數是Gf(s))的傳遞函數是反饋控制系統設計同開環控制系統相比，閉環控制具有一系列優點。但反饋回路的引入增加了系統的復雜性，而且增益選擇不當時會引起系統的不穩定。為提高控制精度，在擾動變量可以測量時，也常同時采用按擾動的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補充而構成復合控制系統。反饋控制系統是基于反饋原理建立的自動控制系統。所謂反饋原理，就是根據系統輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預期的系統性能。在反饋控制系統中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。因此，反饋控制系統又稱為閉環控制系統。反饋控制是自動控制的主要形式。在工程上常把在運行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統稱為自動調節系統，而把用來精確地跟隨或復現某種過程的反饋控制系統稱為伺服系統或隨動系統。反饋控制系統由控制器、受控對象和反饋通路組成。比較環節用來將輸入與輸出相減，給出偏差信號。這一環節在具體系統中可能與控制器一起統稱為調節器。以爐溫控制為例，受控對象為爐子；輸出變量為實際的爐子溫度;輸入變量為給定常值溫度,一般用電壓表示。爐溫用熱電偶測量，代表爐溫的熱電動勢與給定電壓相比較，兩者的差值電壓經過功率放大后用來驅動相應的執行機構進行控制。進行階躍給定響應的仿真，其仿真結構框圖，如圖3.3所示。圖3.3反饋系統仿真結構圖進行系統階躍響應仿真，并計算其性能指標，輸入如下MATLAB程序：n1=[0.94];d1=[551];G1=tf(n1,d1);tau=8;[np,dp]=pade(tau,2);Gp=tf(np,dp);n2=[121.54.932];d2=[24.630];G2=tf(n2,d2);Gc=feedback(G1*G2,Gp);set(Gc,'Td',tau);figure(1);step(Gc);holdon[y,t]=step(Gc);[sigma,tp,ts]=perf(1,y,t);[ess,b1,b2,sigma,n,pusi,T,f]=targ(y,t);sys=feedback(G1*G2*Gp,1);t=[0:0.01:500]';figure(2);[ess]=ster(0,sys,t);[ess]=ster(1,sys,t);程序執行后，可得到如圖3.4所示的階躍給定響應曲線。圖3.4階躍給定響應曲線前饋控制系統設計利用輸入或擾動信號的直接控制作用構成的開環控制系統。這類按輸入或擾動的開環控制通常與包含按偏差的閉環控制共同組成反饋-前饋控制系統，稱為復合控制系統。由于按偏差確定控制作用以使輸出量保持其在期望值的反饋控制系統，對于滯后較大的控制對象，其反饋控制作用不能及時影響系統的輸出，以致引起輸出量的過大波動，直接影響控制品質。如果引起輸出量較大波動的主要外擾動參量是可量測和可控制的，則可在反饋控制的同時，利用外擾信號直接控制輸出（實施前饋控制），構成復合控制能迅速有效地補償外擾對整個系統的影響，并利于提高控制精度。這種按外擾信號實施前饋控制的方式稱為擾動控制，按不變性原理，理論上可做到完全消除主擾動對系統輸出的影響。前饋控制系統利用輸入或擾動信號的直接控制作用構成的開環控制系統。這類按輸入或擾動的開環控制通常與包含按偏差的閉環控制共同組成反饋-前饋控制系統，稱為復合控制系統。由于按偏差確定控制作用以使輸出量保持其在期望值的反饋控制系統，對于滯后較大的控制對象，其反饋控制作用不能及時影響系統的輸出，以致引起輸出量的過大波動，直接影響控制品質。如果引起輸出量較大波動的主要外擾動參量是可量測和可控制的，則可在反饋控制的同時，利用外擾信號直接控制輸出（實施前饋控制），構成復合控制能迅速有效地補償外擾對整個系統的影響，并利于提高控制精度。這種按外擾信號實施前饋控制的方式稱為擾動控制，按不變性原理，理論上可做到完全消除主擾動對系統輸出的影響。單純前饋不存在被控變量的反饋，即對于補償的效果沒有檢驗的手段。這樣在前饋作用的控制結果并沒有最后消除被控變量偏差時，系統無法得到這一信息而做進一步的校正。其次，由于實際工業對象存在著多個干擾，為了補償它們對被控變量的影響,勢必要設計多個前饋通道,這就增加了投資費用和維護工作量。此外前饋控制模型的精度也受多種因素的限制，對象特性要受負荷和工況等因素的影響而產生漂移，必將導致干擾通道和控制通道的變化，因此一個固定的前饋模型難以獲得良好的控制品質。饋控制是按干擾進行調節的開環調節系統，在干擾發生后，被控變量未發生變化時，前饋控制器根據干擾幅值，變化趨勢，對操縱變量進行調節，來補償干擾對被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。前饋控制的特點有：前饋控制系統是開環控制系統，按干擾進行控制，控制及時，精度高，僅僅對前饋量有控制作用，前饋控制器為多用控制器，不能隨時了解被控變量變化情況。前饋控制的典型結構如圖3.5所示。圖中Gn(s)是被控對象擾動通道的傳遞函數，Dn(s)前饋控制器的傳遞函數，G(s)是被控對象控制通道的傳遞函數，n,u,y分別為擾動量、控制量、被控量。圖3.5前饋控制系統結構圖為了方便進行階躍擾動響應的仿真，特繪制出系統的對擾動的Simulink結構圖如圖3.6所示，將其文件名保存為mx071。圖3.6前饋控制系統仿真結構圖在程序文件方式下執行以下程序：[a,b,c,d]=linmod2('mx017');sys=ss(a,b,c,d);step(sys)程序執行后可得復合控制系統如圖3.7所示階躍擾動響應曲線。圖3.7階躍擾動響應曲線課程設計總結分析設計通過分析前饋-反饋控制的原理，對被控對象和擾動通道的傳遞函數的延遲環節進行近似處理，根據設計要求完成了反饋控制器和前饋控制器的設計，并用Simulink進行了仿真，驗證設計結果的正確性。采用前饋與反饋控制相結合的控制結構，既能發揮前饋控制對擾動的補償作用，又能保留反饋控制對偏差的控制作用。因為在冷凝器工作過程中，對溫度的調節要求有較高精度，而且要有很強的抗擾動能力，因此在控制方案的選擇上，只是使用反饋控制無法實現穩定準確的控制。根據控制特點，需要引入前饋控制，實現前饋-反饋控制。前饋控制系統在受控部位的活動發生偏差之前就發出控制指令了，反饋控制系統感受到受控部位的活動發生偏差之后才發出控制指令，通過這樣的設計，能夠很好的達到設計的要求。基于PLC和組態王的溫度控制系統的設計目錄第一章 系統及工控機的設計與選擇 1.1 系統整體設計方案 1.2 系統硬件各部分選型 1.3 傳感器Pt100的選型設計1.4溫度變送器選型設計第二章 PLC和HMI基礎 2.1 可編程控制器基礎 2.2 人機界面基礎 第三章 PLC控制系統硬件設計 3.1 PLC控制系統設計的基本原則和步驟 3.2 PLC的選型與硬件配置 3.3 I/O點分配及電氣連接圖 3.4 PLC控制器的設計 第四章 PLC控制系統軟件設計 4.1 PLC程序設計方法 4.2 編程軟件STEP7--Micro/WIN概述 4.3 程序設計 第五章 基于組態王的HMI設計 5.1 人機界面（HMI）設計 5.2 變量設置 5.3 動畫連接4第六章 系統運行結果及分析 6.1 系統運行 6.2 運行結果分析 第七章總結 參考文獻 摘要可編程控制器是一種應用很廣泛的自動控制裝置，它將傳統的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續工作的特點，非常適合溫度控制的要求。在工業領域，隨著自動化程度的迅速提高，用戶對控制系統的過程監控要求越來越高，人機界面的出現正好滿足了用戶這一需求。人機界面可以對控制系統進行全面監控，包括過程監測、報警提示、數據記錄等功能，從而使控制系統變得操作人性化、過程可視化，在自動控制領域的作用日益顯著。本文主要介紹了基于西門子公司S7-200系列的可編程控制器和亞控公司的組態軟件組態王的爐溫控制系統的設計方案。編程時調用了編程軟件STEP7-MicroWIN中自帶的PID控制模塊，使得程序更為簡潔，運行速度更為理想。利用組態軟件組態王設計人機界面，實現控制系統的實時監控、數據的實時采樣與處理。實驗證明，此系統具有快、準、穩等優點，在工業溫度控制領域能夠廣泛應用。關鍵詞：溫度控制可編程控制器人機界面組態AbstractProgrammableLogicController(PLC)isakindofautomaticcontrolequipmentwhichiswidelyusedintheindustrialmanufacture.Itmergesthetraditionalcontroltechnology,computerandcommunicationtechnologieswithastrongabilitytocontrol,flexibleoperation,highreliabilityandsuitableforlong-termcharacteristicsofcontinuouswork.Itisverysuitablefortemperaturecontrolrequirements.Intheindustrialfield,withtherapidincreaseinthedegreeofautomation,itismoreandmoreimportanttomonitortheprocessofcontrolsystemfortheusers.Theemergenceofhuman-machineinterfacemeetstheneedsofusers.Man-machineinterfacecancomprehensivelymonitorthecontrolsystem,includingprocessmonitoring,alarm,dataloggingandotherfunctions,sothatthecontrolsystemshavebecomeuser-friendlyoperation,theprocessofvisualizationanditwillplaymoreandmoreimportantpartinthefieldofautomaticcontrol.ThisessaymainlyintroducesadesignoftemperaturecontrolsystemwithSIMATICprogrammablelogiccontroller(PLC)andconfigurationsoftwareKingviewwhichisdevelopedbyBeijingYakongCompany.Whenprogramming,weusethePIDcontrolarithmeticsoftwaremodulewhichiscontainedintheprogramsoftwareSTEP7-MicroWINsothattheprogramlookseasierandoperatesmorequickly.Inordertomonitorthecontrolsystemandprocessdatainactualtime,wedesignedHumanMachineInterface（HMI）withtheconfigurationsoftwareKingview.Theresultofexperimentprovesthatthistemperaturecontrolsystemcouldrunquickly,accuratelyandhavegoodstability,whichistheadvantageofthecontrolsystem.Thiscontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrialtemperaturecontrolfield.

Withthecontinuousdevelopmentofautomaticscienceandtechnology,high-precision,intelligent,user-friendlytemperaturecontrolsystemistheinevitabletrendofdevelopmentathomeandabroad.Keywords:TemperatureControlPLCHMIKingview系統及工控機的設計與選擇1.1系統整體設計方案1.1.1系統整體設計原理要實現計算機控制，外部的設備（檢測機構和執行機構）都是采用的模擬量信號，但是計算機不能識別模擬量信號，只能識別是數字量信號，所以要實現計算機控制必須實現模擬量信號到數字量轉換和數字信號到模擬量信號的轉換[3]。因此，根據設計要求，本設計以IPC板卡為核心，外加研華610H工業控制計算機、Pt100溫度傳感器、SBWZ溫度變送器等其它外圍設備搭建硬件線路構成一個單閉環溫度控制系統；用工業控制計算機作控制器，通過IPC板卡的溫度采集、模數轉換和功放輸出，搭建用數據采集板卡進行現場溫度數據采集和用功放輸出板卡進行輸出控制的硬件線路，用工控機的組態軟件編寫板卡溫度量采集與監控程序并設計PID控制算法，并用組態軟件編制組態界面實現溫度的顯示控制，可以實時監測當前溫度，并進行溫度的實時控制，實現在0-100℃溫度范圍內控制精度為±0.5℃的溫度控制。工控機IPC5373低壓繼電器接觸器加熱器鍋爐PT100溫度變送器接線端子A/D轉換PCL818L系統具體組建方案：電加熱鍋爐中水的當前溫度經過Pt100熱電阻測量后得到對應電阻值變化，傳送到SBWZ溫度變送器，得到4-20mA的電流信號，經串聯一個250Ω的電阻，得到1-5V模擬電壓信號，通過研華的PCL-818L板卡的A/D轉換，將采集外部溫度傳感器和變送裝置測量現場得到的電壓信號轉換為計算機可識別的數字量信號，送入計算機，本設計用VB來讀取這個數字量信號。為達到預期目標溫度，選擇控制算法，用組態軟件自帶的控制模塊編寫一個數字PID程序，對系統進行PID參數的調節，尋找最好的適合系統的最佳的PID參數的值。實現對輸入的信號的分析處理，然后通過組態王控制算法PID算法程序進行運算調整，得出PID控制器的輸出值，經康拓IPC5373板卡的D/A轉換，將數字量信號轉換成低壓繼電器可識別的開關量信號，輸出控制中間繼電器。中間繼電器為接觸器給定控制信號，接觸器的通斷則執行了對加熱過程的控制，實現控制繼電器的接通與斷開時間，進而控制電加熱鍋爐的接通與斷開來達到控制水溫的目的，從而實現對鍋爐溫度的實時控制。如圖1所示為計算機溫度監控系統的原理框圖。工控機IPC5373低壓繼電器接觸器加熱器鍋爐PT100溫度變送器接線端子A/D轉換PCL818L 圖1計算機溫度監控系統原理框圖 根據控制要求，溫度單回路控制系統的控制參數是電加熱鍋爐中水的溫度，課題設計要求實現的目標是電加熱鍋爐中水的溫度達到設定值。在這里以研華610H工業控制計算機作為控制器，Pt100熱電阻作為溫度傳感器，SBWZ溫度變送器，PCL-818L板卡和IPC5373板卡分別作為信號輸入和控制輸出單元，完成系統的A/D和D/A轉換，電磁低壓繼電器、交流接觸器作為執行器，電加熱絲為被控對象[4]。1.1.2系統設計過程流程圖在系統設計過程中，首先應考慮控制任務中需要解決或重點探究的地方，根據任務需求，選擇系統設計中需要的硬件和軟件。在外圍硬件電路搭建完成之后，根據硬件編寫合適的控制程序。然后就可以進入到調試環節，調試，修改，調試，修改。從而達到所需要的控制效果。在本次系統設計中，評估控制任務的目的是為了考慮現場實際應用和控制要求、任務，從而確定系統設計的最后可行性方案。在方案設計完成以后，就需要選用一定的硬件和軟件了，硬件是系統的肉體，軟件是系統的靈魂，兩者結合才會是一個完美的系統設計。在硬件中，對各部分的選型，對硬件的學習、了解等都是前期必須要掌握的內容，掌握好每個部分，才能夠將部分聯系成整體。將整體系統連接起來以后，開始聯機調試，發現未處理、未考慮到的問題及時的處理，那么這套系統就可以完成了。系統設計圖如圖2所示。1.2系統硬件各部分選型1.2.1板卡選型設計板卡在系統設計中的作用就是信號處理，即模擬量到數字量的轉換，數字量到模擬量的轉換。為了能夠滿足設計要求，順利地完成本次設計，查閱了相關的資料，結合對市場上的主流板卡品牌的了解，再綜合考慮到學校實驗室的具體情況，在此設計中，模擬量到數字量的轉換即為A/D轉換，本次設計所選用的數據采集輸入板卡為研華PCL-818LA/D板卡，數字量到模擬量的轉換即為D/A轉換，本次設計所選用的數據輸出板卡為康拓IPC5373板卡。1.2.1.1模擬量輸入通道的板卡設計模擬量輸入通道主要的設備就是數據采集輸入板卡為研華PCL-818LA/D板卡，它的主要功能是實現模擬量到數字量的一個A/D轉換。研華PCL—818LA/D板卡主要技術規格[5]如下：①12位A/D分辨率。②最高可達100kS/s的采樣率。③16通道單端或8通道差分輸入。④單極性或雙極性模擬量輸入范圍。⑤雙極模擬輸入范圍。⑥可編程的增益設置：×0.5，×1，×2，×4，×8。⑦輸入范圍：±10V、±5V、±2.5V、±1.25V、±0.625V、0-10V、0-5V、0-2.5V。⑧自動模擬輸入掃描；模擬輸入支持DMA傳輸方式。⑨2通道12位多路切換模擬輸出，1通道16位通用定時/計數器。⑩16通道TTL數字輸入和16通道TTL數字輸出。PCL-818L是PCL-818系列中的入門級板卡。該板卡可以供要求低價位的用戶使用。除了采樣速率為40KHz，以及只能接受雙極性輸入外，其他功能和PCL-818HD和PCL-818HG完全相同。這樣無需更改硬件或軟件，就可以將應用升級到高性能的數據采集卡。PCL-818L具備所有數據采集卡的功能，例如，A/D、D/A轉換、DIO和定時/計數器，本卡的高規格使其在需要高速采集的情況下得到廣泛應用。PCL-818L為低電平輸入(例如，熱耦合信號測量)提供專門的高增益可編程儀表放大器。PCL-818L板卡在全部增益下最高可達到100kS/s高速采樣率。PCL-818L具有16路單端輸入和雙極性輸出，PCL-818L具有2路12位雙緩沖模擬輸出，16路數字輸入和16路數字輸出，1個通用定時/計數器。板卡完整詳細原理及規格請參見《研華PCL-818系列板卡中文手冊》。1.2.1.2數字量輸出通道的板卡設計數字量輸出通道主要的設備就是康拓IPC537332路光隔開關量功放輸出板卡，它的主要功能是實現數字量到模擬量的一個D/A轉換。IPC5373板是一種帶光電耦合器件的開關量輸出板，它可以實現PC總線與被測工業設備或數字儀器之間完全的電隔離，以消除公共地線和電源的干擾。從而使工業設備和微機系統可靠工作。此外，它還具有較強的輸出驅動能力和電平轉換能力。可直接驅動繼電器、電磁閥等。其主要技術規格[6]如下：①PC總線與用戶接口設備之間實現完全的電隔離，隔離電壓2500Vrms。②32個開關量輸出，占用4個連續口地址：154H-157H。③各輸出信號具有鎖存功能，上電復位清零。④采用達林頓管功放集電極開路輸出，負載電源5～40V，驅動電流單路最大200mA，每片達林頓管負載電流最大500mA，可直接驅動繼電器、電磁閥等。⑤用戶接口為40芯扁平電纜插座（IPC5373）或37芯D型連接器（IPC5373D），IPC5373D板上帶DC/DC，不用外接電源。詳細功能以及電路原理請參見《IPC5373使用說明書》。1.2.2工控機的選型設計工控機就是工業控制用電腦，其主要是指用在是專供工業界使用的個人電腦，可作為工業控制器使用。工業電腦基本性能與相容性與同樣規格的商用個人電腦相差無幾，但是工業電腦更多的防護措施，注重的部份在不同環境下的穩定，如防塵、防水、防靜電等。工業用電腦并不要求當前最高效能，只求達到符合系統的要求，需符合工業環境中的可靠性要求與穩定，否則用于生產線萬一遇到電腦當機，則可能造成嚴重損失，因此工業用電腦所要求的標準值都有要求符合嚴格的規范與擴充性。結合本次設計和學校實驗室的具體情況，本次設計所選用的安裝配合所選用的板卡的計算機為研華610H工控機及其配套設備。其主要技術規格如下：①4U高度，支持14槽背板。②配置300WATXPFCPS/2電源。③前端可安裝3個半高磁盤驅動器，一個3.5FDD和一個3.5磁盤驅動器。④前置USB/PS2接口。⑤前置系統狀態監測模塊。⑥能抗沖擊，振蕩，并且能在高溫下穩定工作。⑦支持ATX母板和400WPFC電源。⑧IPC的其他配件基本上都與PC機兼容，主要有CPU、內存、顯卡、硬盤、軟驅、鍵盤、鼠標、光驅、顯示器等。在此設計中，值得注意的是實驗室工控機的開關按鈕也許是組裝過或者維修過，不是只按下撥動開關就行了，而是按下“1”之后，還需要撥動它彈起來回到“0”處，才能正常的開機。1.3傳感器Pt100的選型設計傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置設備，它能感受到被測量的信息信號，并能將檢測感受到的信息信號，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。在此次系統設計中，我們的被測量是溫度信號，即鍋爐內的水溫，為此考慮設計條件，我們選擇較為成熟的Pt100。Pt100為鉑熱電阻。它的阻值會隨著溫度變化而變化，且成正比關系。Pt100的阻值與溫度的變化關系為：當Pt100溫度為0度時，它的阻值為100歐姆，在100度時它的阻值為138.5歐姆。它的工作原理是：當Pt100在0度的時候，它的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而勻速增長。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用下面這個近似的關系式來表示：Rt=Rt0[1+a（t-t0）]。式子中，Rt為溫度t時的阻值，Rt0為溫度t0時對應的電阻值，a為溫度系數。半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系為：Rt=Aet/t。式子中Rt為溫度為t時的阻值；A、B取決于半導體材料的結構的常數。相比較而言，熱敏電阻的溫度系數更大，常溫下的電阻值更高（通常在數千歐以上），但互換性較差，非線性嚴重，測溫范圍只有-50~300℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于-200~500℃范圍內的溫度測量，其特點是測量準確、穩定性好、性能可靠，在程控制中的應用極其廣泛。熱電阻實物如圖6所示。工業上常用金屬熱電阻從電阻隨溫度的變化來看，大部分金屬導體都有這個性質，但并不是都能用作測溫熱電阻，作為熱電阻的金屬材料一般要求：盡可能大而且穩定的溫度系數、電阻率要大（在同樣靈敏度下減小傳感器的尺寸）、在使用的溫度范圍內具有穩定的化學物理性能、材料的復制性好、電阻值隨溫度變化要有間值函數關系（最好呈線性關系）。1.4溫度變送器選型設計變送器（transmitter）是把傳感器的輸出信號轉變為可被控制器識別的信號（或將傳感器輸入的非電量轉換成工業用標準的電信號，同時放大以便供遠方測量和控制的信號源）的轉換器。傳感器和變送器一同構成自動控制的監測信號源。不同的物理量需要不同的傳感器和相應的變送器。SBWZ系列溫度變送器是一種小型、高精度的測溫儀表。與現場傳感器連在一起構成測溫回路。它采用二線制傳送方式（兩根導線作為電源輸入，同時作為信號輸出的公用傳輸線），將熱電阻的信號變換成線性的4-20mA輸出的電流信號。溫度變送器作為新一代測溫儀表可廣泛應用于冶金、石油、化工、電力、輕工、紡織、食品、國防以及科研等工業部門。其應用特點如下：①采用密封結構，因此耐震，耐濕，適合惡劣現場環境中安裝使用。②輸出4-20mA，補償導線費用低，信號長距離傳送過程中的抗干擾能力強。③變送器具有輸入端開路指示功能。④精度高、功耗低，使用環境溫度范圍寬，工作穩定可靠。溫度變送器技術參數如下表1所示。表1溫度變送器參數規格參數工作制式4-20ma輸出（兩線制或三線制）精度等級0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS。工作電壓DC24V±1V量程范圍-50℃-50℃；0℃-50℃;0℃-100℃;0℃-150℃;0℃-200℃;0℃-300℃;0℃-600℃工作環境溫度:-0℃~85℃,濕度:0～95%RH負載能力≤500Ω.外形尺寸45mm×41mm（1）調試步驟:在左邊輸入端接入標準電阻箱（如ZX38/11型和ZX-25a型），其中上兩路為電阻箱的公共端，在輸出端串接上標準電流表和24VDC穩壓電源。改變信號源發生器(電阻箱)，使之等于量程的下限對應阻值，調整調零電位器，使電流表的讀數為4mA，改變信號源，使之等于量程的上限對應阻值，調整調滿電位器，使電流表的讀數為20mA即可。例：輸入型號為Pt100，量程為0～100℃的溫度變送器標定，正確接線后，電阻箱輸出阻值100Ω，調整調零電位器，使電流表讀數為4mA；電阻箱輸出阻值為138.5Ω（即鉑熱電阻在100℃時對應的電阻值），調整調滿電位器，使電流表的讀數為20mA。（2）應用說明：PT100為熱電阻傳感器，采集到的電流信號給SBWZ溫度變送器，進而轉換為標準的4-20ma電流信號，然而PCL818L的模擬量輸入通道接收的是電壓信號，所以需要在其輸出端并聯上一個250Ω的電阻，轉換為1-5V電壓信號。1.5其它硬件設備選型1.5.1外部接線端子為配合各部件的整體互聯，本次設計所選用的連接現場儀表變送器與數據采集輸入板卡的接線端子為研華PCLD8115接線端子，其主要作用就是為了方便與數據采集輸入板卡之間的接線，在溫度變送器與輸入板卡之間架起一道橋梁。其主要技術規格如下：①工業接線端子板；②用于818L/818HG/1800等；③支持PCL-818系列多功能數據采集控制卡；④易于安裝的DIN導軌安裝外殼；⑤低成本螺絲端子板；⑥能在惡劣環境中可靠連接的工業端子板。為了完善系統功能，完成外圍控制硬件電路的完整搭建，還選用了以下元器件：低壓中間繼電器（24V）、交流接觸器（220V）、小型加熱鍋爐、按鈕開關、信號指示燈（220V）、空氣開關、導線若干、接線端子排和電源排插。1.5.2繼電器根據設計的要求，在選用繼電器時主要考慮工作條件以及安裝使用方便還有工作穩定性，加熱絲功率是1500W，最大工作電流I=6.8A，因此選用HH52P型小型繼電器，HH52P系列小型繼電器，配套底座PYF08A,適用于交流50Hz或60Hz，可承受電流AC：7A,DC：5A，符合鍋爐加熱絲的負載要求，線圈的承受電壓AC：6～380V，DC：5～220V，供電子設備、通訊設備、電子計算機控制設備、自動化控制裝置等動作切換電路及擴大控制范圍使用。其規格品種屬于基型、磁保持性、帶指示燈、帶浪涌抑制；電壽命：50萬次；安裝方式：插拔式；特點：體積小、容量大、壽命長。底部有八個引腳，分別為1、2、3、4、5、6、7、8，說明如下：7、8為線圈1、3、5是一組觸頭，5是公共點，5與1為常閉，5與3為常開，2、4、6為一組觸頭，6是公共點，6與2為常閉，6與4為常開，當7、8得到線圈額定電壓后，5、3閉合5、1斷開；同時6、4閉合，6、2斷開，失電后恢復原狀。1.5.3交流接觸器根據設計選用的加熱絲功率為1500W，電壓為220V，正常工作電流I=6.8A，沒有特殊要求，所以接觸器就可以選用使用廣泛的、購買方便的、價格較低的CJ20-10型交流接觸器。CJ20-10交流接觸器（以下簡稱接觸器）適用于50Hz，最大電壓至660V電流至63A的電力系統中接通與分斷電路，還可用于與適當的熱繼電器或電子式保護裝置組合成電機起動器以保護可能發生過載的電路。進線接1/L13/L25/L37/L4三相四線制，出線接2/T14/T26/T38/T4三相四線制，如果只接三相可以只用前三對觸頭；11、12和41、42是兩對常閉觸頭，接聯鎖電路和停機指示的；2324和3334是兩對常開觸頭，接自鎖電路和運行指示的。額定絕緣電壓660V，額定工作電壓220V；380V,約定發熱電流10A，接380V的三相交流電時額定工作電流10A，機械壽命1000萬次，在380V工作電壓下電壽命100萬次，在380V工作電壓下操作頻率1200次/時，接線能力截面積為1.5的銅導線。1.6PLC和HMI基礎可編程邏輯控制器是一種工業控制計算機，簡稱PLC（ProgrammableLogicController），它使用了可編程序的記憶以存儲指令，用來執行諸如邏輯、順序、計時、計數和演算等功能，并通過數字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機械或生產過程。1.6.1可編程控制器基礎可編程控制器的產生和應用20世紀60年代，計算機技術開始應用于工業領域，由于價格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應惡劣工業環境等原因，未能在工業控制領域獲得推廣。1968年，美國通用汽車公司（GM）為了適應生產工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應速度更快的新型工業控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應具備的十大條件，立即引發了開發熱潮。1969年美國數字設備公司（DEC）根據美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項技術迅速發展起來。隨著PLC功能的不斷完善，性價比的不斷提高，PLC的應用面也越來越廣。目前，PLC在國內外已經廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業。PLC的應用范圍通常可分為開關邏輯控制、運動控制、過程控制、機械加工中的數字控制、機器人控制、通信和聯網等[5]。可編程控制器的組成和工作原理PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結構上基本相同。無論是整體式還是模塊式，從硬件結構看，PLC都是由CPU、存儲器、I/O接口單元及擴展接口和擴展部件、外設接口及外設和電源等部分組成，各部分之間通過系統總線連接。PLC的基本結構如圖2-1所示：輸輸入接口中央處理單元CPU輸出接口主程序存儲單元圖2-1PLC基本結構圖1）CPU（中央處理器）CPU是PLC的核心，由運算器、控制器、寄存器、系統總線，外圍芯片、總線接口及有關電路構成。它的功能是接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等，是PLC不可缺少的組成單元。主要功能包括以下幾個方面。（1）接收從編程器或者計算機輸入的程序和數據，并送入用戶程序存儲器存儲。（2）監視電源、PLC內部各個單元電路的工作狀態。（3）診斷編程過程中的語法錯誤，對用戶程序進行編譯。（4）在PLC進入運行狀態后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，并分析、執行該指令。（5）采集由現場輸入裝置送來的數據，并存入指定的寄存器中。（6）按程序進行處理，根據運算結果，更新有關標志位的狀態和輸出狀態或數據寄存器的內容。（7）根據輸出狀態或數據寄存器的有關內容，將結果送到輸出接口。（8）響應中斷和各種外圍設備（如編程器、打印機等）的任務處理請求。2）I/O接口PLC是通過各種I/O接口模塊與外界聯系的，按I/O點數確定模塊規格及數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或機架槽數限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。PLC的對外功能主要是通過各種I/O接口模塊于外界聯系來實現的。輸入模塊和輸出模塊是PLC與現場I/O裝置或設備之間的連接部件，起著PLC與外部設備之間的傳遞信息的作用。I/O模塊分為開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。3）存儲器存儲器（內存）主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。一般包括系統程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。系統程序存儲器用于存儲整個系統的監控程序，一般采用只讀存儲器（ROM），具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲器用于存儲用戶根據工藝要求或者控制功能設計的控制程序，早期一般采用隨機讀寫存儲器（RAM），需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲器（EEPROM）或閃存(FlashMemory)，免去了后備電池的麻煩。4）電源模塊PLC中的電源，是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。電源可分直流和交流兩種類型，交流輸入220VAC或110VAC，，直流輸入通常是24V。5）智能模塊除了上述通用的I/O模塊外，PLC還提供了各種各樣的特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、位置控制、以太網、遠程I/O控制、打印機等專用型或智能型的I/O模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。I/O模塊的類型、品種與規格越多，系統的靈活性越好，模塊的I/O容量越大，系統的適應性就越強。6）編程設備常見的編程設備有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。編程設備用于輸入和編輯用戶程序，對系統作些設定，監控PLC及PLC所控制的系統的工作狀況。編程設備在PLC的應用系統設計與調試、監控運行和檢查維護中是不可缺少的部件，但不直接參與現場的控制。PLC本質上就是一臺微型計算機，其工作原理與普通計算機類似，具有計算機的許多特點。但其工作方式卻與計算機有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循環掃描的工作方式。工作時逐條順序掃描用戶程序，如果一個線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點不會立即動作，需等掃描到該觸點時才會動作[6]。可編程控制器的分類及特點根據PLC的結構形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式PLC。還可以按I/O點數分類，根據PLC的I/O點數的多少，可將PLC分為小型、中型、大型和超大型四類:I／O點數在256以下為小型PLC；I／O點數在256～1024為中型PLC；I／O點數大于1024為大型PLC；I／O點數在4000以上為超大型PLC可編程控制器有可靠性高、編程簡單易學、功能強、安裝簡單、維修方便、采用模塊化結構、接口模塊豐富、系統設計與調試周期短等特點[7]。1.7人機界面基礎隨著社會的進步，工業自動化技術迅猛發展，控制系統功能越來越強大，控制過程也變得越來越復雜，系統操作最大透明化已經成為一種需要。人機界面（HMIHumanMachineInterface）以其美觀易懂、操作人性化等顯著特點，正好滿足這種需求而得到廣泛的應用。人機界面的定義人機界面是指連接可編程控制器（PLC）、變頻器、直流調速器、儀表等工業控制設備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數或輸入操作命令，實現人與機器信息交互的數字設備,由硬件和軟件兩部分組成。人機界面產品的組成及工作原理人機界面產品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數據存貯單元等，其中處理器的性能決定了HMI產品的性能高低，是HMI的核心單元。根據HMI的產品等級不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件分為兩部分，即運行于HMI硬件中的系統軟件和運行于PC機Windows操作系統下的畫面組態軟件（如組態王等）。用戶必須先使用組態軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI產品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。人機界面產品的特點(1)系統運行過程清晰化控制過程可以動態地顯示在HMI設備上。例如：爐子加熱通斷可以通過指示燈亮滅來顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來指示等等，使整個控制系統變得形象易懂，也更加清晰。(2)系統操作簡單化操作員可以通過監控界面來控制過程。可從監控界面上啟動和停止系統、設定溫度上下限、設置PID參數等。(3)顯示報警控制過程達到臨界狀態或系統運行錯誤時會自動觸發報警，例如，當爐子溫度超出溫度上下限時自動觸發報警。(4)數據歸檔HMI系統可以記錄過程變量值和報警信息并歸檔。例如：通過歸檔數據，您可以查看過去一段時間的系統運行情況，過程變量等。(5)報表系統HMI系統可以輸出報警和過程值報表。例如，您可以在生產某一輪班結束時打印輸出生產數據[8]。PLC控制系統硬件設計在掌握了PLC的硬件構成、工作原理、指令系統以及編程環境后，就可以PLC作為主要控制器來構造PLC控制系統。本章主要從系統設計結構和硬件設計角度，介紹該項目的PLC控制系統設計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設計以及PLC控制器的設計和參數的整定。PLC控制系統設計的基本原則和步驟弄懂PLC的基本工作原理和指令系統后,就可以把PLC應用到實際的工程項目中。無論是用PLC組成集散控制系統，還是獨立控制系統，PLC控制部分的設計都可以參考圖3-1所示的步驟。PLC控制系統設計的基本原則任何一種電氣控制系統都是為了實現被控對象(生產設備或生產過程)的工藝要求，以提高生產效率和產品質量。而在實際設計過程中，設計原則往往會涉及很多方面，其中最基本的設計原則可以歸納為4點。1.設計原則(1)完整性原則。最大限度的滿足工業生產過程或機械設備的控制要求。(2)可靠性原則。確保計算機控制系統的可靠性。(3)經濟型原則。力求控制系統簡單、實用、合理。(4)發展性原則。適當考慮生產發展和工藝改進的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2.評估控制任務根據系統所需完成的控制任務，對被控對象的生產工藝及特點進行詳細分析，特別是從以下幾個方面給以考慮。(1)控制規模一個控制系統的控制規模可用該系統的I/O設備總數來衡量。當控制規模較大時,特別是開關量控制的I/O設備較多時，最適合采用PLC控制。(2)工藝復雜程度當工藝要求較復雜時,采用PLC控制具有更大的優越性.(3)可靠性要求目前,當I/O點數在20甚至更少時，就趨向于選擇PLC控制了。(4)數據處理速度若數據處理程度較低，而主要以工業過程控制為主時，采用PLC控制將非常適宜[9]。評估控制任務評估控制任務PLC機型的選擇控制柜設計及布線程序設計聯機調試PLC安裝程序檢查、調試控制流程的設計程序備份修改軟、硬件模擬運行投入使用是否滿足要求圖3-1PLC控制系統設計步驟PLC控制系統設計的一般步驟PLC控制系統設計包括硬件設計和軟件設計。所謂硬件設計，是指PLC外部設備的設計，而軟件設計即PLC應用程序的設計。整個系統的設計分以下5步進行。1.熟悉被控對象深入了解被控系統是設計控制系統的基礎。設計人員必須深入現場，認真調查研究，收集資料，并于相關技術人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設計中出現的問題。這一階段必須對被控對象所有功能全面的了解，對對象的各種動作及動作時序、動作條件、必要的互鎖與保護;電氣系統與機械、液壓、氣動及各儀表等系統間的關系;PLC與其他設備的關系，PLC之間是否通信聯網;系統的工作方式及人機界面，需要顯示的物理量及顯示方式等。2.硬件選擇具體包括如下。(1)系統I/O設備的選擇。輸入設備包括按紐、位置開關、轉換開關及各種傳感器等。輸出設備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執行器等。(2)選擇PLC。PLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。(3)PLC的I/O端口分配。在進行I/O通道分配時應給出I/O通道分配表，表中應包含I/O編號、設備代號、名稱及功能等。(4)繪制PLC外圍硬件線路圖。畫出系統其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統的電氣原理圖。到此為止系統的硬件電氣線路已經確定。(5)計數器、定時器及內部輔助繼電器的地址分配。3.編寫應用程序根據控制系統的要求，采用合適的設計方法來設計PLC程序。程序要以滿足系統控制要求為主線，逐一編寫實現各控制功能或各子任務的程序，逐步完善系統指定的功能。程序通常還應包括以下內容：(1)初始化程序。在PLC上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動作必要的準備，避免系統發生誤動作。初始化程序的主要內容有：對某些數據區、計數器等進行清零，對某些數據區所需數據進行恢復，對某些繼電器進行置位或復位，對某些初始狀態進行顯示等等。(2)檢測、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對獨立，一般在程序設計基本完成時再添加。(3)保護和連鎖程序。保護和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。4.程序調試程序調試分為2個階段，第一階段是模擬調試、第二階段是現場調試。程序模擬調試是，以方便的形式模擬產生現場實際狀態，為程序的運行創造必要的環境條件。根據產生現場信號的方式不同，模擬調試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。(1)硬件模擬法是使用一些硬件設備（如用另一臺PLC或一些輸入器件等）模擬產生現場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到PLC系統的輸入端，其時效性較強。(2)軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現場信號，其簡單易行，但時效性不易保證。模擬調試過程中，可采用分段調試的方法，并利用編程器的監控功能。現場調試。當控制臺及現場施工完畢，程序模擬調試完成后，就可以進行現場調試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時更正軟硬件方面的問題。5.編寫技術文件技術文件包括設計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、PLC程序以及使用說明書等[10]。PLC的選型與硬件配置PLC型號的選擇本溫度控制系統選擇德國西門子公司的S7-200系列的PLC。S7-200PLC屬于小型整體式的PLC,本機自帶RS-485通信接口、內置電源和I/O接口。它的硬件配置靈活，既可用一個單獨的S7-200CPU構成一個簡單的數字量控制系統，也可通過擴展電纜進行數字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴展，構成較復雜的中等規模控制系統[10]。S7-200CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型。此系統選用S7-200CPU226，CPU226集成了24點輸入/16點輸出，共有40個數字量I/O。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248點數字量或35點模擬量I/O。還有13KB程序和數據存儲空間空間，6個獨立的30KHz高速計數器，2路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。配有2個RS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為38.4kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統[11]。本溫度控制系統由于輸入/輸出點數不多，本可以使用CPU224以下的類型，不過為了能調用編程軟件STEP7里的PID模塊，只能采用CPU226及以上機種。EM231模擬量輸入模塊本溫度控制系統中，傳感器將檢測到的溫度轉換成0～41mv的電壓信號，系統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EM2314TC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，它也允許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，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。EM231模塊需要用戶通過DIP開關進行組態：SW1～SW3用于選擇熱電偶類型，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。本系統用的是K型熱電偶，所以DIP開關SW1～SW8組態為00100000；EM231具體技術指標見表3-1。表3-1EM231技術指標型號EM231模擬量輸入模塊總體特性外形尺寸：71.2mm×80mm×62mm功耗：3W輸入特性本機輸入：4路模擬量輸入電源電壓：標準DC24V/4mA輸入類型：0~10V，0~5V，±5V,±2.5V,0~20mA分辨率：12Bit轉換速度：250μS隔離：有耗電從CPU的DC5V（I/O總線）耗電10mADIP開關SW10,SW20,SW31（以K型熱電偶為例）表3-2所示為如何使用DIP開關設置EM231模塊，開關1、2和3可選擇模擬量輸入范圍。所有的輸入設置成相同的模擬量輸入范圍。表中，ON為接通，OFF為斷開。表3-2EM231選擇模擬量輸入范圍的開關表單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2.5mVONOFF0到5V1.25mV0到20mA5uA雙極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON±5V2.5mVONOFF±2.5V1.25mV熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉化為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉換為電勢和電阻的方法最為普遍。其中最常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度變化轉換為電勢變化,而熱電阻是將溫度變化轉換為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業生產中已得到廣泛應用。該系統中需要用傳感器將溫度轉換成電壓，且爐子的溫度最高達幾百度,所以我們選擇了熱電偶作為傳感器。熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一。國際標準熱電偶有S、B、E、K、R、J、T七種類型，在本系統中，我們選用了K型熱電偶，其測溫范圍大約是0～1000℃。系統里的烤爐最高溫度不過幾百度，加上一定的裕度就足夠了，另外其成本也不算高[12]。I/O點分配及電氣連接圖輸入觸點功能說明輸出觸點功能說明IO.1啟動按鈕Q0.0運行指示燈（綠）I0.2停止按鈕Q0.1停止指示燈（紅）Q0.3固態繼電器該溫度控制系統中I/O點分配表如表3-4所示。表3-4I/O點分配表2)系統整體設計方案及硬件連接圖。系統選用PLCCPU226為控制器，K型熱電偶將檢測到的實際爐溫轉化為電壓信號，經過EM231模擬量輸入模塊轉換成數字量信號并送到PLC中進行PID調節，PID控制器輸出量轉化成占空比，通過固態繼電器控制爐子加熱的通斷來實現對爐子溫度的控制。PLC和HMI相連接，實現了系統的實時監控。整個硬件連接圖如圖3-4和3-5所示。機機PLCEM231模塊固態繼電器熱電偶烤爐圖3-4系統框架圖PLC控制器的設計控制器的設計是基于模型控制設計過程中最重要的一步。首先要根據受控對象的數學模型和它的各特性以及設計要求，確定控制器的結構以及和受控對象的連接方式。然后根據所要求的性能指標確定控制器的參數值。控制系統數學模型的建立本溫度控制系統中，傳感器（電熱偶）將檢測到的溫度信號轉換成電壓信號經過溫度模塊后，與設定溫度值進行比較，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法進行修正，返回對應工況下的固態繼電器導通時間，調節電熱絲的有效加熱功率，從而實現對爐子的溫度控制。控制系統結構圖如圖3-5所示，方框圖如圖3-6所示。PLC控制器PLC控制器固態繼電器烤爐溫度模塊熱電偶圖3-5控制系統結構圖Gc(s)Go(s)R(s)+E(s)U(s)Y(s)Gc(s)Go(s)_圖3-6控制系統方框圖圖3-7中，R(s)為設定溫度的拉氏變換式；E(s)為偏差的拉氏變換式；Gc(s)為控制器的傳遞函數；Go(s)為廣義對象，即控制閥、對象控制通道、測量變送裝置三個環節的合并；該溫度控制系統是具有時滯的一階閉環系統，傳遞函數為Gs=K0T0式3-1中，QUOTEK0為對象放大系數；為對象時間常數；為對象時滯。K0=?y∞?由階躍響應法求得，=0.5；=QUOTET0=2.5分鐘；=QUOTEτ=1.2分鐘。PID控制及參數整定比例、積分、微分三種控制方式各有獨特的作用。比例控制是一種最基本的控制規律，具有反應速度快，控制及時，但控制結果有余差等特點。積分控制可以消除余差，但是工業上很少單獨使用積分控制的，因為與比例控制相比，除非積分速度無窮大，否則積分控制就不可能想比例控制那樣及時的對偏差加以響應，所以控制器的輸出變化總是滯后與偏差的變化，從而難以對干擾進行及時且有效的控制。微分作用是對偏差的變化速度加以響應的，因此，只要偏差一有變化，控制器就能根據變化速度的大小，適當改變其輸出信號，從而可以及時克服干擾的影響，抑制偏差的增長，提高系統的穩定性。但是理想微分控制器的控制結果也不能消除余差，而且控制效果要比純比例控制器更差。將三種方式加以組合在一起，就是比例積分微分（PID）控制,其數學表達式為ut=Kp式3-3中：為比例系數，為積分時間常數，為微分時間常數。根據以上的分析，本溫度控制系統適于采用PID控制。完成了上述內容后，該溫度控制系統就已經確定了。在系統投運之前，還需要進行控制器的參數整定。控制器參數整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。理論計算整定法是在已知被控對象的數學模型的基礎上，根據選取的質量指標，通過理論計算（微分方程、根軌跡、頻率法等），來求得最佳的整定參數。這類方法計算繁雜，工作量又大，而且由于用解析法或實驗測定法求得的對象數學模型都只能近似的反映過程的動態特性，整定結果的精度是不高的，因而未在工程上受到廣泛推廣。對于工程整定法，工程技術人員無需知道對象的數學模型，無需具備理論計算所需的理論知識，就可以在控制系統中直接進行整定，因而簡單、實用，在實際工程中被廣泛使用。常用的工程整定法有經驗整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經驗整定法來整定控制器的參數值。下面介紹下方法步驟。經驗整定法實質上是一種經驗湊試法，是工程技術人員在長期生產實踐中總結出來的。它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據運行經驗，先確定一組控制器參數，并將系統投入運行，通過觀察人為加入干擾（改變設定值）后的過渡過程曲線，根據各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應的控制參數值，進行反復湊試，直到獲得滿意的控制質量為止。由于比例作用是最基本的控制作用，經驗整定法主要通過調整比例度的大小來滿足質量指標。整定途徑有以下兩條：1）先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的比例度，將人為加入干擾后的過渡過程調整為4：1的衰減振蕩過程。然后再加入積分(I)作用，一般先取積分時間T1為衰減振蕩周期的一半左右。由于積分作用將使振蕩加劇，在加入的積分作用之前，要先衰減比例作用，通常把比例度增大10%-20%。調整積分時間的大小，直到出現4：1的衰減振蕩。需要時，最后加入微分（D）作用，即從零開始，逐漸加大微分時間Td，由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可以把積分時間也縮短一些。通過微分時間的湊試，使過渡時間最短，超調量最小。2）先根據表選取積分時間Ti和Td，通常取Td=(1/3-1/4)Ti，然后對比例度進行反復湊試，直至得到滿意的結果。如果開始時Ti和Td設置的不合適，則有可能得不到要求的理想曲線。這時應適當調整Ti和Td，再重復湊試，使曲線最終符合控制要求[13]。表3-5控制器參數經驗數據控制變量規律的選擇比例度（%）積分時間Ti（分鐘）微分時間Td（分鐘）溫度對象容量滯后較大，即參數受干擾后變化遲緩，應小，Ti要長，一般需要微分20-603-100.5-3通過經驗整定法的整定，PID控制器整定參數值為：比例系數=120，積分時間=3分鐘，微分時間=1分鐘。PLC控制系統軟件設計PLC控制系統的設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分，上一章已經詳細介紹了本項目硬件連接。本章在硬件設計的基礎上，將詳細介紹本項目軟件設計，主要包括軟件設計的基本步驟、方法，編程軟件STEP7--Micro/WIN的介紹以及本項目程序設計。PLC程序設計方法編寫PLC程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。1.圖解法編程圖解法是靠畫圖進行PLC程序設計。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時序流程圖法和步進順控法。（1）梯形圖法梯形圖法是用梯形圖語言去編制PLC程序。這是一種模仿繼電器控制系統的編程方法，其圖形甚至元件名稱都有繼電器電路十分相似。這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成PLC的梯形圖語言。這對于熟悉繼電器控制的人來說，是最方便的一種編程方法。（2）邏輯流程圖法邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示PLC程序的執行過程，反映輸入與輸出的關系。邏輯流程圖會使整個程序脈絡清晰，便于分析控制程序、查找故障點及調試和維修程序。（3）時序流程圖法時序流程圖法是首先畫出控制系統的時序圖（即到某一個時間應該進行哪項控制的控制時序圖），再根據時序關系畫出對應的控制任務的程序框圖，最后把框圖寫成PLC程序。這種方法很適合以時間為基準的控制系統的編程方法。（4）步進順控法步進順控法是在順控指令的配合下設計復雜的控制程序。一般比較復雜的程序都可以分成若干個功能比較簡單的程序段，一個程序可以看成整個控制過程的一步。2.經驗法編程經驗法是運用自己的或者別人的經驗進行設計。多數是設計前先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己的“試驗程序”。結合自己工程的情況，對這些“試驗程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。3.計算機輔助設計編程計算機輔助設計是通過PLC編程軟件（比如STEP7--Micro/WIN）在計算機上進行程序設計、離線或在線編程、離線仿真和在線調試等。使用編程軟件可以很方便的在計算機上離線或在線編程、在線調試，在計算機上進行程序的存取、加密以及形成EXE文件[14]。編程軟件STEP7--Micro/WIN概述STEP7--Micro/WIN編程軟件是基于Windows的應用軟件，由西門子公司專為s7-200系列可編程控制器設計開發，它功