基于PLC的PID多点温度的控制的系统.doc

. .基于PLC的PID多点温度的控制的系统摘要：本设计阐述了利用西门子S7-300 PLC 扩展模拟量采集模块SM331和模拟量输出模块SM332通过PID闭环控制四点温度的智能控制系统。运用梯形图编写下位PLC程序，并用上位组态软件组态王设置参数，实现对加热系统的自动调节及对温度的保持。本系统的实用性很强，稳定性、准确度良好，程序开发容易，可以适应农业或工业生产中恒温系统的需求。Abstract: This design describes the use of Siemens S7-300PLC extended analog acquisition module and the analog output module of SM331SM332via PID closed-loop control to four point temperature intelligent control system. Application of ladder diagram to prepare lower PLC program, and the configuration software ( King ) set parameters, to achieve the automatic adjustment of heating system and temperature keeping. This system is very practical, good stability, accuracy, easy to program development, agricultural or industrial production thermostat system requirements.关键词：PLC 组态王 PID控制 恒温系统前 言20世纪70年代，诞生了两种改变整个世界及商业管理模式的计算机。产生于1976年的苹果II型，是世界上最早得到广泛使用的微型计算机。当今价值数十亿美元的个人计算机产业就是从这个当初由两名年轻人在车库里成立的小公司衍生而来的。 另外一类计算机，是由Richard Morley在1972年创造的，如今称之为可编程逻辑控制器PLC。它最初并没有像个人计算机那样得到名称上的广泛认同，但是却给制造业带来了同样意义重大的冲击。PLC通常被称为工厂级别的个人计算机。第一章 PLC的起源及开展1.1PLC起源1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求； 1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。 1969年，美国研制出世界第一台PDP-14； 1971年，日本研制出第一台DCS-8； 1973年，德国研制出第一台PLC； 1974年，中国研制出第一台PLC。1.2PLC开展20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机开展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic ControllerPLC。 20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化开展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器开展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。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，可编程逻辑控制器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。 20世纪末期，可编程逻辑控制器的开展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期开展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。1.3当前温度控制系统的开展状况 近年来，我国以信息化带动的工业化的方式正在蓬勃开展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反响炉等。由于炉子的种类及原理不同，因此，所采用的加热方式及燃料也不同，如煤气、天然气、油、电等。对于不同的生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。其控制方式有直接数字控制DDC,推断控制，预测控制，模糊控制Fuzzy，专家控制Expert Control,鲁棒控制Robust Control,推理控制等。随着工业技术的不断开展，传统的控制方式已经不能满足高精度、高速度的控制要求。如接触器温度控制仪表，其主要缺点是温度波动大，由于主要通过控制接触器的通段时间比例来改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近年来快速开展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但是控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的本钱，提高了生产效率。第二章 PLC的根本概念以及组成2.1PLC根本概念可编程逻辑控制器Programmable Logic Controller，PLC，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。2.2PLC组成根本构造可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件构造根本上与微型计算机一样，根本构成为：2.2.1电源 可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)X围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 2.2.2中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及戒备定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据存放器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出存放器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停顿运行。 为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 2.2.3存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 2.2.4输入输出接口电路 1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。 2现场输出接口电路由输出数据存放器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 2.2.5功能模块 如计数、定位等功能模块。 2.2.6通信模块第三章 PLC硬件及软件3.1PLC硬件介绍 3.3.1设备选型选择S7-300系列CPU 313C-2 DP；模拟量采集模块选择SM331；模拟量输出模块选择SM332。3.3.2设备参数CPU313C-2 DP:数字输入16路数字输出16路三个计数器外观如图3-1所示图3-1 CPU 313C-2 DP外观图模拟量采集模块SM331：4路模拟量输入4-20mA模拟量输出模块SM332：4路模拟量输出4-20mA3.2PLC安装及使用说明如图3-2为S7-300安装图图3-2 S7-300安装图模拟量模块一个通道占一个字地址。从IB256开场，给每一个模 拟量模块分配8个字。S7-300 CPU介绍：1模块诊断功能 可以诊断出以下故障：失压，熔断器熔断，看门狗故障，EPROM、 RAM故障。 模拟量模块共模故障、组态/参数错误、断线、上下溢出。 2过程中断 数字量输入信号上升沿、下降沿中断，模拟量输入超限，CPU暂 停当前程序，处理OB40。3状态与故障显示LED SF系统出错/故障显示，红色：CPU硬件故障或软件错误时亮。 BATF电池故障，红色：电池电压低或没有电池时亮。 DC 5V5V电源指示，绿色： 5V 电源正常时亮。 FRCE强制，黄色：至少有一个I/O被强制时亮。 RUN运行方式，绿色：CPU处于RUN状态时亮；重新启动 时以2 Hz的频率闪亮； HOLD单步、断点状态时以0.5Hz的频 率闪亮。 STOP停顿方式，黄色：CPU处于STOP，HOLD状态或重新启动时常亮。 BUSF总线错误，红色。4模式选择开关1RUN-P(运行-编程)位置：运行时还可以读出和修改用户程序，改变运行方式。 2RUN (运行)位置：CPU执行、读出用户程序，但是不能修改用户程序。 3STOP停顿位置：不执行用户程序，可以读出和修改用户程序。 4MRES去除存储器：不能保持。将钥匙开关从STOP状 态搬到MRES位置，可复位存储器，使CPU回到初始状态。 复位存储器操作：通电后从STOP位置扳到MRES位置，“STOPLED熄灭1s，亮1s，再熄灭1s后保持亮。放开开关，使它回到STOP 位置，然后又回到MRES，“STOPLED 以2Hz的频率至少闪动3s，表示正在执行复位，最后“STOPLED一直亮。 3.3PLC模拟量接线图3.3.1模拟量SM331接线图如图3-3所示图3-3模拟量输入模块图3-4 SM331 模拟量输入模块的模拟值双极性图3-5 SM331 模拟量输入模块的模拟值单极性3.3.2模拟量SM332接线图如图3-6所示图3-6图3-3模拟量输出模块3.4 S7-300编程软件3.4.1 S7-300编程软件介绍S7-300编程软件为西门子STEP7西门子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站创立可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进展编程操作。 在常规功能之外还具备以下的特点: DK 3964 R/RK 512 等标准协议已经集成到控制器内，不需要额外驱动 MPI 接口集成 modem 支持: 内置modem 功能，可进展远程编程、诊断或数据传输 编程不需 MPI 转换器，直接通过PC上的 RS232 口 现场总线通讯功能. 控制器功能中已集成了Profibus DP Master / Slave, Profibus FMS 和 LONWorks. 利用web server进展监控. 储存 HTML 网页、图片、PDF 文件等到控制器里供通用浏览器查看 扩展操作系统功能 如保护技术秘密，防止被非法查看或复制 用Siemens 原装Step7编程 直接运行Step7程序，毋需转换 兼容普遍使用的编程环境，使用熟悉的编程测试功能 用STL, LAD, FBD编程 使用Siemens工程工具，监视修改变量，程序状态等 一样指令集 (Siemens S7-300 和S7-400系列) 一些特殊功能，如 串口通讯、计数等可在系统功能 (SFCs)中编辑 最新版本：STEP 7 V113.4.2 STEP 7 中的编程语言 梯形图、语句表和功能块图是3 种根本编程语言，可以相互转换。1 顺序功能图(SFC) ：STEP 7 中的S7 Graph 2 梯形图(LAD) 直观易懂，适合于数字量逻辑控制。“能流(Power flow)与程序执行的方向。 3. 语句表(STL)：功能比梯形图或功能块图强。 4功能块图(FBD)：“LOGO ！系列微型PLC 使用功能块图编程。 5构造文本(ST)：STEP 7 的S7 SCL 构造化控制语言符合EN61131-3 标准。 SCL 适合于复杂的公式计算、复杂的计算任务和最优化算法，或管理大量的数据等。6S7 HiGraph 编程语言 图形编程语言 S7 HiGraph 属于可选软件包，它用状态图state graphs来描述异步、非顺序过程的编程语言。 7S7 CFC 编程语言 可选软件包CFCContinuous Function Chart，连续功能图用图形方式连接程序库中以块的形式提供的各种功能。 8编程语言的相互转换与选用 在 STEP 7 编程软件中，如果程序块没有错误，并且被正确地划分为网络，在梯形图、功能块图和语句表之间可以转换。如果局部网络不能转换，那么用语句表表示。 语句表可供喜欢用汇编语言编程的用户使用。语句表的输入快，可以在每条语句后面加上注释。设计高级应用程序时建议使用语句表。 梯形图适合于熟悉继电器电路的人员使用。设计复杂的触点电路时最好用梯形图。 功能块图适合于熟悉数字电路的人使用。 S7 SCL 编程语言适合于熟悉高级编程语言例如PASCAL 或C 语言的人使用。 S7 Graph，HiGraph 和CFC 可供有技术背景，但是没有PLC 编程S7 Graph 对顺序控制过程的编程非常方便，HiGraph 经历的用户使用。适合于异步非顺序过程的编程，CFC 适合于连续过程控制的编程。第四章 PID控制4.1 PID算法在过程控制中，按偏差的比例P、积分I和微分D进展控制的PID控制器亦称PID调节器是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比拟简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后与“二阶滞后纯滞后的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，构造改变灵活PI、PD、。PID控制算法目前大致分为三种，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 这三种PID算法虽然简单，但各有特点，根本上能满足一般控制的大多数要求。4.1.1 PID增量式算法离散化公式： u(t)= kp*(e(t)-e(t-1)+ki*e(t)+kd*(e(t)-2e(t-1)+e(t-2)对于增量式算法，可以选择的功能有：(1) 滤波的选择可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。(2) 系统的动态过程加速在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，那么这两项符号一样，而当被控量向给定值方向变化时，那么这两项的符号相反。 由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而防止了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值，仅刚开场向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。 为了加快开场的动态过程，我们可以设定一个偏差X围v，当偏差|e(t)|= 时，那么不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)-e(t-1)|，其符号与积分项一致。利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。(3) PID增量算法的饱和作用及其抑制在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例局部和微分局部计算出的控制增量可能比拟大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的局部将丧失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。 纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余局部积累起来，而一旦可能时，再补充执行。4.1.2 PID位置算法离散公式： u(t)=u(t-1)+ u(t)其中，u(t)=kp(e(t)-e(t-1)+ki*e(t)+kd*(e(t)-2e(t-1)+e(t-2)对于位置式算法，可以选择的功能有： a、滤波：同上为一阶惯性滤波 b、饱和作用抑制：(1) 遇限削弱积分法一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停顿进展增大积分项的运算。具体地说，在计算Ui时，将判断上一个时刻的控制量Ui-1是否已经超出限制X围，如果已经超出，那么将根据偏差的符号，判断系统是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。(2) 积分别离法在根本PID控制中，当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时， 由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动。特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象将更严重。为此可以采用积分别离措施，即偏差较大的时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。 另外积分别离的阈值应视具体对象和要求而定。假设阈值太大，达不到积分别离的目的，假设太小又有可能因被控量无法跳出积分别离区，只进展PD控制，将会出现残差。 离散化公式： u(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2) 当|e(t)|时 q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T) q1 = -Kp(1+2Td/T) q2 = Kp Td /T 当|e(t)|时 q0 = Kp(1+Td/T) q1 = -Kp(1+2Td/T) q2 = Kp Td /T u(t) = u(t-1) + u(t) 注：各符号含义如下 u(t); 控制器的输出值。 e(t); 控制器输入与设定值之间的误差。 Kp; 比例系数。 Ti; 积分时间常数。 Td; 微分时间常数。有的地方用Kd表示 T; 调节周期。 ; 积分别离阈值(3) 有效偏差法当根据PID位置算法算出的控制量超出限制X围时，控制量实际上只能取边际值U=Umax,或U=Umin,有效偏差法是将相应的这一控制量的偏差值作为有效偏差值计入积分累计而不是将实际的偏差计入积分累计。因为按实际偏差计算出的控制量并没有执行。 4.1.3 微分先行PID算法当控制系统的给定值发生阶跃时，微分作用将导致输出值大幅度变化，这样不利于生产的稳定操作。因此在微分项中不考虑给定值，只对被控量控制器输入值进展微分。微分先行PID算法又叫测量值微分PID算法。我们这里使用的是S7-300里提供的PID专用模块FB41模块，此模块是西门子公司已经写好的高级PID算法功能模块，我们直接拿来使用就好了。具体使用方法将在下一X详细介绍。4.2 PID参数整定 4.2.1比例系数p对系统性能的影响比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Kp太大时，系统会趋于不稳定。Kp太小，又会使系统的动作缓慢。Kp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Kc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Kp的符号就一定要取反。4.2.2积分控制Ti对系统性能的影响积分作用使系统的稳定性下降，Ti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。4.2.3微分控制Td对系统性能的影响微分作用可以改善动态特性，Td偏大时，超调量较大，调节时间较短。Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Td适宜，才能使超调量较小，减短调节时间。4.2.4 PID常用调节口诀PID常用口诀: 参数整定找最正确，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低4比1,一看二调多分析，调节质量不会低。第五章 PLC中PID控制5.1 设计中用到的功能块5.1.1功能块OB35在西门子s7_300里已经有专用的高级PID控制功能块，这里我们直接使用这个功能块来实现PID控制。S7-300 CPU可用的定时中断组织模块是OB35，在300站点的硬件组态中，翻开CPU属性设置可以看到其它的中断组织块为灰色。OB35默认的调用时间间隔为100ms 我们可以根据需要更改，定时X围是1-60000毫秒(ms)。我们设置成200ms。在OB35中实现PID控制程序,OB35是一个以固定时间间隔循环执行的组织块，Hardware Config界面里可以设置间隔时间，而这也即是PID的采样时间。应该注意设置的间隔值比OB35中程序运行时间长，否那么会造成系统异常设置中断时间间隔如下列图5-1所示图5-1 OB35中断时间设定注意：设置的时间必须大于OB35中程序执行所花费的时间。例如：如果中断时间间隔为50ms而OB35中的程序花费的时间是70ms,那么OB35中的程序还没执行完毕就产生第二次中断，程序就会出错，这显然是我们不想看到的结果。正确设置：中断时间间隔大于OB35中程序执行完毕一次所需的时间5.1.2 功能块FB41 1FB41介绍经过学习西门子S7-300PLC，我们可以使用模块FB41来实现PID控制，FB41就相当于我们常规仪表里的控制器，既然是PID控制器就应该能够设定P、I、D参数。即：比例度、积分时间、微分时间。常规仪表的面板上可以更改PID参数，又有手动/自动切换按钮等。今天我们要做的就是使用S7-300PLC 的FB41来实现PID控制。 FB41是一个功能块，它所能实现的功能PID已经由专业人员设计好，我们只要调用它，并根据我们的需要来更改相应的参数即可使用。所以我们不用理会FB41是如何实现比例运算、积分运算、微分运算等等这些问题，只需要会调用就可以了。FB41相当于一个子程序，它是用来实现PID运算的，我们只需要每隔一段时间去调用这一“子程序就可以实现PID控制。所以我们在OB35里调用FB41就可以了，调用的频率可以在属性里面设置。前面已经设置了为200ms。我们是在OB35里调用FB41的所以在OB35里可以看到FB41的端口。因此可以直接在这些端口上直接设参数。如图5-2所示图5-2 FB41设置到这里有人会问，既然可以在OB35里面可以直接给FB41端口赋参数，为什么还要背景数据块DB呢？ PLC在运行过程中会先检查，用户有没有在OB35里给FB41的端口设参数，如果有就直接使用端口上的参数，如果没有就到背景数据表里面去取参数。所以我们可以在两个地方设置参数，在数据表里面参数只能是一个固定值，不能是一个变量，所以当程序下载到PLC之后就不能更改数据表里面的参数了。给端口赋参数是一个变量，变量里面存有参数，当我们需要改变参数只需要改变相应的变量就只以了。 结合两种方法的优缺点，我们可以同时在两个地方设参数，有些参数不需要经常改变的，我们就直接在DB里面设定。要经常改变的参数就在FB41的端口上设定。2FB41背景数据块参数设置 使用FB41作PID控制时，设置参数非常烦琐，下面是单回路PID控制的参数设置实例，在表格第三列有的就是我们需要设置的，空白的我们就不用改变，按默认值就可以了。如图5-3所示图 5-3 FB41 参数设置3FB41构造原理框图与详解一个简单的PID控制系统，如图5-4右侧所示，为了保证目标值稳定在设定值上，我们举例说明使用一个单回路的PID控制来调节，从而到达目标值稳定的目的。 控制过程：传感器实时检测实际值，当实际值下降，低于给定值时，控制器输出增大，使实际值快速回到给定值。我们最关心的三个量是：(1) 给定值(也叫设定值)(2) 测量值(也叫反响值)(3) 控制器输出值而这三个量分别对应FB41框图里的(1) SP_INT(2) PV_IN或PV_PER即PV(3) LMN或LMN_PER具体看图5-4可作比照图5-4 FB41原理框图注：由图可知当PVPER_ON为1时，测量值是取之于PV_PER的，而PV_PER是经过格式化之后才与给定值进展比拟的。y1=PV_PER*100/27648y2=y1*PV_FAC+PV_OFF而 PV_FAC默认值为1 PV_OFF默认值值0所以当我们没有更改参数PV_FAC和PV_OFF的值时,即按默认值时y2=y1=PV_PER*100/276485.2模块SM331模拟量采集及工程变换程序一个温度检测系统，假设温度变送器的量程为0-100摄氏度，输出4-20mA。使用S7-300的模拟量输入模块SM331采集，输入模块的量程设置为4-20mA,转换后的模拟量值为0-27648。那么在0-27648内的任意一个模拟量值代表的温度值是多少呢？在实际工程应用中，常常遇到这样的比例计算，可以先使用数学表达式把比例关系罗列出来，然后使用PLC的程序实现这些运算即可。从数学角度：设实际电流值为y (y大于等于4，且小于等于20)，那么：温度变送器0-100量程对应的温度值=(100-0)*(y-4)/(20-4)；输入模块的模拟值=(27648-0) *(y-4)/(20-4)；温度变送器0-100量程对应的温度值=(100-0)*输入模块的模拟值/(27648-0)。采集及转换程序如图5-5所示图5-5 模拟量采集及工程变换梯形图5.3模块SM332模拟量输出及工程变换程序从数学角度：设输出温度为z，那么：输出电流值=z/(100-0)*(20-4)+4；输出模块的模拟值=z/(100-0)*(27648-0)；输出及转换程序如图5-6所示图5-6 模拟量输出及工程变换梯形图5.4 PID控制程序设计采用分四路采集并工程变换和四路输出及工程变换，PID共用FB41功能块采集周期默认为200ms。PID程序流程说明在设定好的采集周期下采集数据后，有PID专用功能块FB41运算后输出给指定对应通道来到达调节目的。在程序中利用定时中断OB35中断周期为200ms调用功能块FB41,采集变换局部放在主程序中，这样可以中断时间尽量最短，到达更高效率的运算调节。PID调节块程序如图5-7所示图5-7 PID调节功能块主要参数设置说明：1、MAN_ON:用一个bool量，如m0.0，为true那么手动，为false那么自动；2、cycle：T#100MS，这个值与ob35默认的100ms一致；3、SP_INT：MD36,是hmi发下来的设定值，0100.0的X围，real型；4、PV_IN:md76，实际测量值，比方压力，要从piw转换为0100.0的量程；5、MAN:MD,op值，也就是手动状态下的阀门输出，real型，0100.0的X围；6、GAIN:md116，PID的P啊，默认写12吧系统默认是2，调试的时候再改7、TI：MW,PID的i啊.默认写T#30S吧，调试的时候改；8、DEAD_W：md160,死区，就是sp和pv的偏差死区，0100.0的X围，默认0，调试的时候改输出：9、LMN:MD164，0100。其他参数参照图5-3可以灵活设置第六章 上位机组态编程6.1 组态王软件简介组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、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、管理层三个层次构造。其中监控层对下连接控制层，对上连接收理层，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展设计。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。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据功能。使用组态王软件开发具有以下几个特点: (1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。 (2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有屡次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。 在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面: (1)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)数据,就是创立一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比方水位、流量等。 (3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令6.2 上位机组态编程6.2.1实现功能1， 实时监测四个炉子的实际温度2， 可以设置参数，包括目标参数、比例系数、积分系数、微分系数。主画面如图6-1所示图6-1 温度监测与参数设置主画面6.2.2建立设备及变量1.建立设备在设备管理器的1上选择“新建,新建立备如图6-2所示，依次选择PLC、西门子、s7-300系列、MPI(电缆)后单击下一步，为设备命名，这里命名为“温度控制，如图6-3，地址窗口设置如图6-4所示，其余都单击下一步，直到完成。图6-2建立设备步骤1图6-3建立设备步骤2图6-4建立设备步骤32.建立变量在数据词典中双击“新建，新建变量，如图6-5所示图6-5建立变量变量类型选择I/O整形，存放器选择M存放器，数据类型选择SHORT，其余可根据每个变量实际情况灵活设置。6.2.3 画面编程新建画面并命名后，编辑画面，如图6-6所示图6-6 主画面编辑图到此，上位机组态根本完成，可以运行工程监测数据了。第七章 系统控制分析PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其构造简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的构造和参数不能完全掌握，或得不到准确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的构造和参数必须依靠经历和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进展控制的。比例P控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差Steady-stateerror。积分I控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，那么称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统SystemwithSteady-stateError。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分D控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正比关系。自动控制系统在克制误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件环节或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的方法是使抑制误差的作用的变化“超前，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而防止了被控量的严重超调。所以对有较大