河南工程学院毕业论文基于PLC的温度模糊控制设计与实现.docVIP

目 录摘 要1ABSTRACT2第1章 绪论11.1温度控制系统的研究背景11.2温度控制系统的研究现状11.3温度控制系统的基本控制要求21.4本论文的主要内容3第2章 系统硬件设计42.1系统总体方案设计42.2系统硬件设计4第3章系统软件设计103.1模糊控制器设计103.2程序流程图143.3程序设计15第4章组态设计254.1 OPC与PLC连接254.2 WinCC组态软件264.3 系统测试结果30第5章总结与展望335.1 总结335.2 展望33参考文献34致 谢35河南工程学院本科毕业设计摘 要在工业控制的各个领域，温度控制都有着广泛的应用。如钢铁厂、火电厂、化工厂等锅炉的温度控制系统。由于控制过程复杂且干扰多，具有大时滞性，不确定性，因此，要求有先进的控制系统和理论。常用的控制算法有PID算法，但它适用于线性的控制系统，需要不断调整参数。智能控制算法对于非线性的控制系统控制效果比较好，例如模糊PID算法。通过计算偏差与偏差变化率，查询模糊规则表，得出PID控制器的参数。本文就是采用这种控制算法对温度进行控制。本文基于西门子S7-200 PLC，设计了一个温度自动控制系统。利用OPC技术实现了PLC和WinCC组态软件的数据通信和控制，对温度控制过程进行实时监控、报警和分析。本文主要完成以下方面的工作。首先介绍了温度控制系统的研究背景和研究现状，然后介绍了模糊PID算法，最后介绍了本系统的硬件系统和软件系统的设计、组装和配置过程，以 PLC为控制核心，PT100温度传感器测量温度，通过变送器转换为电流信号，输入模拟量模块。经过模糊PID程序运算得出PID参数，占空比输出控制中间继电器接通，实现对温度精确控制的目的。本系统将PLC、WinCC组态软件和实物模型三者结合在一起，通过这三者之间的通讯和监控，实现了对温度的自动控制，增强了系统的自动化水平，具有重要的实际意义。关键词：温度控制；模糊PID；S7-200 PLC；WinCCABSTRACTIn all areas of industrial control, temperature control has a wide range of applications. Such as steel plants, thermal power plants, chemical plants and other boiler temperature control system. As the control process is complex and interference, with large delay, uncertainty, therefore, requires advanced control systems and theory. Commonly used control algorithms have PID algorithms, but it is suitable for linear control systems and requires constant adjustment of parameters. Intelligent control algorithm for non-linear control system control effect is better, such as fuzzy PID algorithm. By calculating the deviation and deviation rate of change, query fuzzy rules table, obtained PID controller parameters. This paper is to use this control algorithm to control the temperature.Based on Siemens S7-200 PLC, this paper designs a temperature automatic control system. Using OPC technology to achieve the PLC and WinCC configuration software data communication and control, the temperature control process for real-time monitoring, alarm and analysis. This article mainly completes the following work.Firstly, the research background and research status of the temperature control system are introduced. Then the fuzzy PID algorithm is introduced. Finally, the hardware system and the software system are designed, assembled and configured. The PLC is the control core and the PT100 temperature sensor measures the temperature , Through the transmitter into a current signal, enter the analog module. After the fuzzy PID program to calculate the PID parameters, duty cycle output control intermediate relay connected to achieve the purpose of precise temperature control.The system combines the PLC, the WinCC configuration software and the physical model together to realize the automatic control of the temperature through the communication and monitoring between the three, and enhance the automation level of the system, which is of great practical significance.Key words: temperature control, fuzzy PID, S7-200 PLC, WinCC2第1章 绪论温度作为一种非常重要的参数，与科学实验和工业生产都紧密相连，具有不可忽略的影响，发挥着重要作用；对温度进行精确的控制，不仅影响到工业生产过程的质量，还对试验结果的好坏起着不可忽略的关键作用，特别是在机械加工、食品生产、石油勘探、冶金冶炼等行业中；温度控制系统的工艺过程一般都是复杂多变的，影响因素很多，易干扰等特点，因此急需研究先进的控制理论，幵发更为智能化的控制技术1。1.1温度控制系统的研究背景可编程逻辑控制器PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业应用而设计。它性能卓越，满足各种各样的要求。组态软件是数据采集监控系统SCADA的软件平台，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统；它操作简单、功能强大，可以设置多种多样的项目类别；组态方式灵活，可以为用户快速方便的构成自动控制系统的数据采集和监控功能2。西门子视窗控制中心WinCC是上个世纪九十年代进入市场的HMI/SCADA软件，它可以为用户提供适用于工业自动化控制的图像显示、数据归档、报表以及报警等功能；WinCC内包含PLC驱动程序，与上位机连接方便。它可以方便的建立模拟工业现场的独特人机界面，满足各种不同的需要。1.2温度控制系统的研究现状温度控制存在于生产生活的方方面面，在很多领域发挥着重要的作用。温度控制系统经过两百多年的发展，人们对温度控制系统的研究越来越深入，对控制性能的要求越来越高，比如精度高，稳定性好，因此，温度控制技术飞速发展。对于温度控制系统，目前常用的包括以下5类：基于单片机的温度控制系统，基于IPC（工控机）的温控系统，DCS（集散控制系统），FCS（现场总线控制系统）以及基于PLC的温度控制系统：单片机应用广泛，功耗较低，控制能力强，方便灵活的扩展能力，体积小，可靠性高等优点。但单片机中断源少，响应速度偏慢，不能直接与传感器对接，不适用于复杂的环境中。工控机（IPC）是一种可以用于工业或相关场合下的工业级PC机。它具有抗高温、抗振动等特性，可以在工业恶劣的环境中使用。但IPC也有自身的局限性，譬如较差的数据处理能力和较低的数据安全性，如果仅仅用IPC，会导致抗干扰能力弱，可靠性差。DCS即集散型控制系统，它具有监控功能丰富，管理协调灵活多变的优点，这种系统的控制单元通常采用双冗余的结构，性能很稳定。将DCS应用于温度控制领域，能提高自动化水平，同时具有灵活的管理能力及高可靠性，由于DCS良好的扩展性，系统的抗干扰能力和工作效率也能达到满意效果。但也不是完美的、最为理想的控制方法，主要是由于它的幵放性不高，还需要与第三方仪表或控制系统通信，而实现正常通讯的硬件成本又过高。现场总线控制系统（FCS）是一种融合了多种先进技术的综合系统，由于FCS的自主化程度高，高开放性、高智能性及集成性，不仅使用户易于安装，使用方便，节省了投资费用和维护开销，还便于用户集中管理，同时便于远程维护、诊断。将FCS应用于温度控制领域，不仅系统的智能化程度高，同时可以使系统具有更高的精度，管理方便；当然，FCS也存在不足，由于发展时间较短，目前还处在发展初期， FCS的国际标准很多，简单统计约有12种之多，众多的标准导致各个厂商不知道究竟该遵循或使用哪一种标准，限制了FCS的广泛应用。PLC是一种微处理器，同时综合计算机、自控以及通信技术等先进技术的控制专用计算机，它可以与HMI结合，做成非常友好的界面，PLC性能强大，有较强的抗干扰性，编程使用梯形图简单易学，方便用户扩充，在工业上有广泛的应用。相对于IPC、DCS、FCS等系统而言，PLC性能优越，价格实惠，尤其在发达的工业国家，PLC在各个领域都有应用 3。这5种控制系统各有优缺点，考虑到稳定性通用性，本实验采用PLC进行温度控制。1.3温度控制系统的基本控制要求温度信号经过PT100，温度变送器，变成电流信号，输入PLC。经过PLC内部模糊PID程序运算得到输出，占空比输出控制两个中间继电器线圈的通断。一个中间继电器KA1控制电阻炉加热，另一个中间继电器KA2控制电风扇降温。比例Kp，积分Ti，微分Td三个值由偏差E和偏差变化率EC查表得出，使之动态变化。设定温度为50C，温度偏差E, 偏差变化率EC较大时，在一个周期内电阻炉加热时间长，随着温度偏差E变小，偏差变化率EC变小，在一个周期内电阻炉加热时间逐渐变短。快到达50C时不再加热，防止超调量过大。电风扇开始工作，使温度稳定在50C左右。1.4本论文的主要内容本文主要内容就是设计，实现电阻炉的恒温控制，以及系统中硬件和软件的调试工作。第1章是绪论，对国内外温度控制的发展情况进行介绍，并说明研究温度控制系统的意义和目的。第2章阐述该控制系统的总体控制框图，对其中的温度检测框图和中间继电器控制框图进行分析，介绍系统的硬件，包括PLC，输入输出各种元器件的选型，温度传感器，变送器的基本结构。第3章阐述电阻炉温度控制方面应用的模糊算法，对算法的基本意义和应用进行分析，并绘制系统控制算法的框图。并介绍系统的梯形图。包括启动，停止的编程，查表程序等。第4章主要介绍WinCC组态的设计。包含按钮，指示灯，输入/输出域的调试，整体画面的搭建。并总结这次实验，分析温度曲线。第5章主要是总结与展望，总结完成的工作，不足的地方。第2章 系统硬件设计2.1系统总体方案设计根据整体的控制系统的组成部分，可分为PLC、PLC模拟量模块、中间继电器、温度变送器、温度传感器PT100、电阻炉、风扇、按钮、指示灯、上位机。温度模拟量作为PLC的输入量进行采集，通过PLC程序运算输出信号控制中间继电器，组成整个控制系统，如图1所示。图1 控制系统框图PLC是整个控制系统的核心，给PLC写入模糊控制程序，通过温度传感器PT100和温度变送器把温度信号输入PLC。通过模糊程序运算，使PLC输入控制中间继电器。从而控制电阻炉的温度，使系统稳定运行。由PLC输出控制中间继电器线圈，中间继电器线圈控制触点，完成小负载拖动大负载。温度低于设定温度时PLC控制中间继电器KA1的输出闭合，KA1线圈得电，触点闭合，电阻炉工作。温度高于设定温度时PLC控制中间继电器KA2的输出闭合，KA2线圈得电，触点闭合，电扇工作。从而控制温度的变化。2.2系统硬件设计2.2.1 PLC选型根据输入输出点数，本设计控制核心采用西门子公司的S7-200系列PLC。该系列PLC为小型PLC，有各种功能模块，便于扩展，功能也很强大。它采用晶体管输出，响应时间很快4。PLC如图2所示。图2 S7-200 PLC模拟量模块选用S7-200系列的EM235模块，为四通道模拟量输入，一通道模拟量输出。模拟量输入量程有020mA,010V,05V等多种模式，便于用户选择5。模拟量模块如图3所示。图3 模拟量模块2.2.2温度检测系统设计根据温度控制的要求，我制定了两种控制方案。方案一：温度传感器PT100检测温度，经过变送器把信号转换为PLC模拟量模块能识别的电流信号，输入PLC。方案二：AD590作为温度传感器，设计电路，进行焊接，再把信号输入PLC。因为PT100性能稳定，便于接线，维护。工业上大多数使用PT100（或PT1000）作为温度传感器。综上所述，我选用方案一，以PT100作为温度传感器，组成温度控制系统的信号输入。PT100温度传感器，在0C时电阻大约100，在100C时电阻大约138.5，可以近似的看成线性变化6。温度曲线如图4所示。图4 PT100温度曲线但电阻信号PLC模块EM235无法识别，需要经过转换。温度变送器就是把电阻信号转换为420mA电流或者05V/010V的电压信号，能被PLC模块识别。本设计采用的温度变送器为0100C,420mA输出的电流。采用420mA输出，而不采用020mA,是为了当电流输出为0时，无法判断是硬件故障还是输出为最小值。420mA输出就不会出现这个问题。4mA对应0C，20mA对应100C，线性变化7。所以用电流可以计算出温度。温度变送器如图5所示。图5 PT100温度变送器温度信号需要经过传感器测量，转换成PLC能识别的信号才能输入PLC。PT100插入电阻炉中检测温度，电阻信号送给温度变送器，通过变送器外接电源，转换为PLC可以识别的电流信号（420mA），输入到PLC模拟量模块。完成温度信号的输入8。2.2.3温度控制系统设计温度控制由PLC触点接通，使中间继电器线圈得电，常开触点得电闭合，从而控制电阻炉和风扇的接通和闭合，使温度变化。温度控制系统硬件接线图如图6所示。图6 温度控制系统硬件接线图中间继电器如图7所示。图7 中间继电器电阻炉如图8所示。图8 电阻炉PT100插入铁心进行温度测量。2.2.4 输入输出地址与接线图PLC输入地址的分配如表1所示，输出地址的分配如表2所示。表1 输入地址地址元器件功能I0.0SB3加热I0.1SB4降温I0.3SB1停止按钮I0.5SB2启动按钮表2 输出地址地址元器件功能Q0.0KA2,HL2风扇Q0.1KA1,HL1电阻炉Q0.3HL3高温报警灯Q0.4HL4低温报警灯PLC的接线图如图9所示。图9 系统硬件接线图第3章系统软件设计3.1模糊控制器设计本章重点介绍模糊控制理论在电阻炉温度控制中的可行性，先对模糊控制简要描述，其次确定该理论能用在温度控制中，然后采用专家经验法得出的模糊规则表，确定模糊控制为控制核心，模糊控制对数学模型没有太高的要求，通过模糊判据就能实现温度控制。3.1.1模糊控制理论简介经典控制和现代控制的传统自动控制理论都有一个共同点，就是有准确的被控数学模型，才能设计，建立控制器。但是有很多复杂的因素会阻碍数学模型的构建9。在这种情况下，模糊控制理论有着极大的优势，模糊控制其实就是依据具体操作人员长期积累的工作经验，来实时实地的模拟操作控制系统的实际运行状态。模糊理论是在20世纪60年代L.A.zadeh教授创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的。上个世纪70年代，Mamdani将模糊控制应用在了蒸汽机上，模糊控制开始在实践中运行。因为模糊控制不需要知道被控对象精确的数学模型，而且操作过程中系统的稳定性即鲁棒性很强，可以参考专家经验和实际数据来控制系统，这使得模糊控制在各个领率得到了快速的发展10。3.1.2 模糊控制系统组成与原理模糊控制系统由模糊控制器、输入/输出接口、执行机构、被控对象和测量装置等五部分组成。如图10所示。图10 模糊控制系统结构图被控对象就是电阻炉，检测装置是PT100温度传感器，模糊控制器就是输入PLC中的模糊程序。执行机构是中间继电器。模糊控制有两个重要的参数：e和ec。设定温度为T0(50C)，输出温度为T1,其偏差量为：e= T0-T1偏差模糊化，设偏差量e的模糊子集为e=负大，负小，零，正小，正大设定它对应的语言变量，写成：NB(Negative Big)= 负大NS(Negative Small)=负小Z0(Zero)=零PS（Positive Small）=正小PB（Positive Big）=正大E和EC的基本论域为-3,+3，并均匀分成7档，为模糊集上的论域：-3，-2，-1,0,1,2,3，模糊子集元素对应为NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。掌握了对应的E和EC，模糊规则语言可以表示为：if E is and EC is then U is 11。3.1.3控制器的设计目前温度的控制大多数采用PID控制，这种控制方法简单、便于实现，但对其参数整定比较难，现实中我们只能根据经验来手动调整参数，且一组参数不能完全适应过程中各个阶段，还容易产生较大的超调。因此在实际生产中常规的PID控制器不能达到理想的控制效果，而模糊控制却可以。应对处理此类繁杂体系中的非线性与模型非精确性的特点，模糊控制获得了很大的市场。所以本文章采用模糊控制PID进行电阻炉温度控制，用PLC作为控制核心。由模糊控制器得出参数，输入PID控制器，完成对温度的控制。如图11所示。图11 模糊PID控制结构图控制系统采用2输入3输出的模糊控制器。温度设定值与测量值的偏差e和偏差变化率ec作为输入量, Kp、Ti、Td作为输出量。控制过程为控制器计算出温度值偏差e以及偏差变化率ec,并以此作为PLC的输入变量,经模糊控制器输出Kp、Ti、Td给PID控制器进行调节12,通过中间继电器控制电阻炉和风扇。Kp、Ti、Td论域等级为Kp=Ti=Td=-3,-2,-1,0,1,2,3,模糊化子集为KP=TI=TD=NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。根据控制经验，得出控制规则表。如表3、4、5所示。表3 Kp的模糊规则e /ecNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSZEZENMPBPBPMPSPSZENSNSPMPMPMPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNMNBPBZEZENMNMNMNBNB表4 Ti的模糊规则e /ecNBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNMNMNSZEZENMNBNBNMNMNSZEZENSNBNMNSNSZEPSPSZENMNMNSZEPSPMPBPSNMNSZEPSPSPMPBPMZEZEPSPSPMPBPBPBZEZEPSPMPMPBPB表5 Td的模糊规则e /ecNBNMNSZEPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZENSZENSNMNMNSNSZEZEZENSNSNSNSNSZEPSZEZEZEZEZEZEZEPMPBNBPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB由表的模糊规则可写成条件语句，即If e=A iand ec= B i then Kp or Ti or Td =C i其中A i、B i是定义在e、ec上的X、Y上的模糊集，C i是定义在Kp、Ti、Td上Z的模糊集，共有49条规则，根据输入e、ec模糊量化后得到的X、Y可计算出Kp、Ti、Td13。如表6所示。表6 X、Y查询表X/Y-3-2-10123-3Z0Z1Z2Z3Z4Z5Z6-2Z7Z8Z9Z10Z11Z12Z13-1Z14Z15Z16Z17Z18Z19Z200Z21Z22Z23Z24Z25Z26Z271Z28Z29Z30Z31Z32Z33Z342Z35Z36Z37Z38Z39Z40Z413Z42Z43Z44Z45Z46Z47Z48研究系统的稳定性，当温度值很低（低于目标值），且温度值有更快降低的趋势时，比例系数Kp增大，应加大电阻炉加热的占空比。用模糊语句（If e=NB and ec=NB then Kp=PB）。共有49条规则。计算时公式为7（X+3）+（Y+3），即知道X（e），Y（ec），即可求出对应的Kp、Ti、Td。PID控制器用试凑法整定参数，PID凑试法：先采用先比例，后积分，再微分。首先设定比例系数Kp，适当增大比例系数，使系统输出震荡增大，减小比例系数，使输出震荡减弱；减小积分时间常数，使输出修正变快。若输出波动周期很长，即不稳定，则需增大积分时间常数；若输出快速震荡，则需要将微分时间常数降低，若波动缓慢而误差较大，则需增大微分时间常数。最后试凑出PID参数：=3TI=7.6TD=5.33.2程序流程图程序流程图如图12所示。开始将模糊控制查询表置入PLC的VD500-VD548(Kp),VD600-VD648(Ti),VD700-VD748(Td)中N是否到采样时间？到？Y将A/D设定的采样值和实际值分别放入VD250和VD255中将e和ec分别存入VD270和VD370中将输入量分别量化到输入模糊量化的论域-3,-2,-1,0,1,2,1中对应的元素，置入VW200和VW300中查询模糊控制表，得到输出量Kp,Ti,Td置入VD800,VD804,VD808中中PID输出数值，占空比输出。结束图12 程序流程图3.3程序设计3.3.1主程序设计程序由一个主程序，5个子程序组成。主程序里面包括PID模块，输入，输出控制，以及五个子程序的合集。五个子程序为E、EC、KP、TI、TD。E子程序求出e，赋值给vw200。EC子程序求出ec，赋值给VW300。KP子程序算出具体的Kp数值赋值给VD800。TI子程序算出具体的Ti数值赋值给VD804。TD子程序算出具体的Td数值赋值给VD808。子程序如图13所示。图13 子程序块3.3.2 系统的启动和停止系统分为物理按钮控制和WinCC上位机控制，不会出现干扰和影响。按下SB2按钮即I0.5，M9.0得电，进行自锁。程序启动，开始检测温度，进行输出。需要停止时按下SB1按钮即I0.3，断开M9.0，程序停止。启动停止程序如图14所示。图14 启动停止程序3.3.3 PID设定程序S7-200系列PLC编程软件自带PID编程向导，方便用户编写PID控制程序。按照向导，一步步完成PID设定。根据第2章的计算，比例增益设置为3，积分时间设置为7.6，微分时间设置为5.3。如图15所示。因为是420mA的电流输入，需要偏移量20%，输出设置为占空比输出，如图16所示。PID的参数地址设置为从VB1000开始，如图17所示。图15 PID参数设置图16 输入输出设置图17 PID参数地址编好的PID子程序如图，VD800、VD804、VD808为模糊控制器算出的比例增益、积分时间、微分时间。分别赋值给VD1012、VD1020、VD1024，实现模糊控制器的输出赋值给PID控制器。赋值程序如图18所示。图18 PID参数赋值程序3.3.4手动控制程序设计与温度报警当按下SB3按钮即I0.0，M6.1置位，M6.0接通。即Q0.1闭合，开始加热。再按一下SB3按钮，M6.1复位，M6.0复位。加热停止。即用一个按钮SB3控制加热的启动停止。降温程序和这个类似。控制程序如图19所示。图19 强制加热程序当温度低于49C，Q0.4接通，HL4灯亮，表示低温报警。当温度高于51C，Q0.3接通，HL3灯亮，表示高温报警。温度报警程序如图20所示。图20 温度报警程序3.3.5 e和ec子程序设计西门子S7-200PLC的编程软件STEP7-Micro/Win可以使用子程序和中断，还有自带的PID编程向导，十分方便。模拟量模块输入420mA对应的数字量是6400-32000，设定温度为50C即19200。19200存入VD250，AIW0是模拟量输入通道接收到的实际电流信号，不过显示为数字信号，范围是6400-32000。设定值VD250减去实际测量的量VD260，即得到偏差，存入VD270。偏差e的计算程序如图21所示。图21 e计算程序对应的模糊化X论域，表示为当温度小于等于38度（12），e赋值为-3；大于38度小于40度，e赋值为-2，依次类推。如表7所示。表7 e模糊化论域-3-2-10123X1212X1010X88X66X44X22Xe对应的程序如图22所示，根据温度偏差得出对应的数值，存入VW200。ec的模糊化方法一样。ec存入VW300。图22 e赋值程序3.3.6 Kp、Ti、Td查表程序设计第三章给出了Kp、Ti、Td的模糊查询表，程序用公式7（X+3）+（Y+3），即知道X（e），Y（ec），即可求出对应的Kp、Ti、Td。输出的模糊量Kp需要转换成清晰量，采用加权平均法（重心法）解模糊化，即可求出Kp。公式为：Kp=j=149upjKpKppjj=149upjKp （3.1）式中upjKp(j=0,1,2,49)是根据当前e和ec值进行模糊化后求得的表3中各种Kp的隶属度。Ti、Td的推理过程同上。根据模糊规则表和Kp、 Ti、Td，完成输出量的查询表。根据e和ec得出修正参数，然后带入公式，完成PID参数整定14。Kp=KP+Kqp （3.2）Ti=Ki+Kqi （3.3）Td=Kd+Kqd （3.4）图23所示为Kp的部分程序。7（VW200+3）+VW300+3得出的数再加上500，与500到548比较，得到Kp存入VD800中。VW200，VW300是e，ec。最后赋值给VD800，完成Kp的赋值。Ti，Td方法类似。最终完成VD800,VD804,VD808的赋值。VD800、VD804、VD808为模糊控制器算出的比例增益、积分时间、微分时间。分别赋值给VD1012、VD1020、VD1024，实现模糊控制器的输出赋值给PID控制器。图23 Kp查表程序第4章 组态设计4.1 OPC与PLC连接如今，工业生产向着自动化和集成化发展，一个大型自动化项目中，包含了不同厂家的各种设备。这些设备有的提供数据采集，有的实现监控功能，不同设备标准不一样，接口也不一样。有的设备还需要安装驱动才能使用，这限制了设备之间的数据交换，限制了设备各种功能的扩展。为了实现各种设备之间无阻碍的通信和连接，OPC技术应运而生15。OPC技术是用于工业自动化领域的一项技术标准。西门子推出的PC Access软件是用于S7-200 PLC的OPC软件，用于客户机测试端，检测通信的正确性。电脑端打开PC Access软件，如图24所示。图24 PC Access界面将需要的地址一个一个输入，设置好，下载到PLC，经过检测可以通信。如图25所示。图25 变量设置4.2 WinCC组态软件4.2.1 WinCC概述WinCC全称是Windows Control Center，即视窗控制中心。是西门子和微软共同研究开发的上位机组态软件，主要用于生产过程的监控。WinCC软件开发周期短，系统的扩展性好，开放性好，运行起来稳定性很高。它可以提供强大的监控画面，有可操作性，为工业现场的监控提供了方便。它图形编辑能力强，模块丰富，可以用动画效果显示实际生产过程，也可以实时报警，调出历史趋势曲线，生成多种报表。WinCC的基本功能如下：1.过程监控。作为通用的组态软件，WinCC可以对工业现场进行数据采集、监控。2.与PLC等设备通信。WinCC通过与PLC等设备通信，实现生产监控功能。3.编程接口。WinCC软件灵活方便，动画效果好，能实现复杂的输入输出功能。4.报警功能。当设备故障或者生产出现问题，WinCC可以实现报警功能，及时发现问题。5.趋势功能。WinCC能提供精确的曲线和表格，便于工作人员分析生产情况。6.报表功能。WinCC可以生成报表和打印报表，为工业控制提供了数据记录。7.二次开发功能。WinCC有二次开发功能，根据需要可以扩展现有的功能。本课题选用PC/PPI电缆（USB接口）连接WinCC和PLC。4.2.2 WinCC和PLC的连接设置第1步新建工程，命名为TEMP，变量管理的位置按右键，单机添加新的驱动程序。第2步选择OPC.chn，点击打开。第3步在OPC选项里面按右键点系统参数。第4步在local里面选择S7-200 OPCServer，点击游览服务器。第5步点击NewPLC，点击所有名称点击添加条目。如图26所示。第6步添加完成，在主界面OPC项目里S7-200OPCServer中能看到添加的所有名称。WinCC和PLC连接完成。如图27所示。图26 添加条目图27 完成连接4.2.3 WinCC组态设计在图形编辑器中创建新的画面，依次放入按钮，指示灯，静态文本，输入/输出域，图表等。以下为按钮的制作过程，选择一个按钮，缩放到合适大小，输入“启动”。双击按钮，在事件按钮鼠标中双击“按左键”。出现画面。常数选择“1”，变量选择之前设置的“START”，如图28所示。双击“释放左键”。常数选择“0”，变量选择“START”如图29所示。即完成了鼠标左键点击启动，松开鼠标左键，点动按钮的组态设置。其他按钮和这个方法一样。图28 左键设置图29 右键设置指示灯的设置如下。画一个大小合适的圈。命名为“加热指示灯”双击指示灯，在颜色里面右击背景颜色的动态，选择“动态对话框”在公式/表达式里面选择“加热”。数据类型设置为布尔型，是/真颜色设置为绿色，如图30所示。即完成了加热指示灯的设置。当加热时，指示灯绿色常亮，表示在加热。图30 指示灯设置输入输出域即显示变化的数值，比如温度，Kp、Ti、Td的数值等。实时温度的设置如下。在智能对象里面双击输入/输出域。出现一个小窗口。右键，选择属性，输入/输出。在输出值按右键，选择动态对话框，表达式/公式选择“TEMP”变量，数据类型设置为模拟量，选择合适的输出格式，如图31所示。即完成了实时温度的设置。图31 输入/输出域设置最后布置好的画面如图32所示。图32 组态画面4.3 组态与硬件调试WinCC组态画面制作好之后电脑连接PLC进行通信调试，按下机械按钮“开始”或者点击组态画面“开始”，系统开始工作。温度显示为26C，设定温度为50C。因为温度低于49C，所以低温报警灯亮。逐渐加热，温度最后快到50C时加热停止，温度有较大的滞后性，温度会升到51C以上，高温报警灯亮。超过50C风扇工作，温度慢慢降低，最后在50C上下波动，最后趋于稳定。在温度变化过程中，E和EC的变化会导致Kp，Ti，Td变化，使模糊PID控制输出最适合的参数，完成系统的调节。运行画面如图33所示。图33 系统运行画面系统实物如图34所示。图34 系统实物设置PID控制器系数Kp=3,Ti=7.6，Td=5.3，得到温度曲线为图35所示。使用模糊PID算法，得到温度曲线如图36所示。对比普通的PID温度控制曲线和模糊PID控制器温度控制曲线和，模糊PID控制器动态性能更好，稳定性，快速性更好。模糊控制