基于plc与wincc的啤酒清酒罐温度自动监控设计.doc

XXXX大学学士学位论文
1 绪论
1.1 项目背景及研究意义
随着科学技术的发展，自动控制系统应用的越来越多，引入电动调节阀得到了广泛的应用，可靠性大大提高，使得电动调节阀成为控制清酒罐夹套冷却液流量的重要器件。当今世界能源紧张成为全球性问题，节能更显重要，而电动调节阀的应用对电力、石油、化工、冶金、水资源等工业中的风机、水泵、压缩机等，显著提高节能效果。此外，还可以在控制室内对冷却夹套实行监控进而实现对控制系统的远程操作。
近年来，有可编程控制器来控制冷却夹套的方案已受到越来越多的重视。用户通过友好的人机界面实现对冷却夹套的冷却液流量及清酒罐内清酒温度的监视及故障报警。利用西门子组态软件WinCC V6.0编制的人机界面具有直观，操作简单方便等优点。总线采用抗干扰能力强，一般工业控制所经常采用的RS-485。控制程序运行后，能监视清酒液温度的设定值过程值和输出值，并能对冷却夹套的运行状态进行控制。这样，现场所有操作都可以在控制室内完成，最大限度的减轻了操作人员的负担，改善工作环境，提高企业的自动化水平。
设计清酒罐的温度监控系统可确保清酒罐始终工作在最佳状态，提高清酒罐的工作效率，不仅可以节省电能，而且可以实现操作人员的远程操作，使操作过程更安全可靠。同时，监控组态软件的数据采集和监控功能可以把系统的运行状态和数据采集并显示在人机交互界面上，工人在控制室就可以全面了解系统各部分的工作状况，劲儿控制其运行过程和状态。这一功能大大改善了工人工作的条件，提高了自动化程度和管理水平。
因此，清酒罐的温度监控系统不仅可以大大节约能源，而且可以提高生产自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。

1.2 WinCC的应用
西门子视窗控制中心SIMATIC WinCC(Windows Control Center)是HMI/SCADA软件中的后起之秀，1996年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国Control Engineering杂志评为最佳HMI软件，以最短的时间发展成为第三个在世界范围内成功的SCADA系统；而在欧洲，它无可争议地成为第一。
在设计思想上，SIMATIC WinCC秉承西门子公司博大精深的企业文化理念，性能最全面、技术最先进系统最开放的HMI/SCADA软件是WinCC开发者的追求。WinCC是按世界范围内使用的系统进行设计的，因此从一开始就适合与世界上各主要制造商生产的控制系统，如A-B，Modicon，GE等，并且通讯驱动程序的种类还在不断地增加。通过OPC的方式，WinCC还可以与更多的第三方控制器进行通讯。
WinCC V6.0采用标准Microsoft SQL Server 2000(WinCC V6.0以前版本采用Sybase)数据库进行生产数据的归档，同时具有Web浏览器功能，可使经历、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产，是工业企业中MES和ERP系统首选的生产实时数据平台软件。
作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成部分，WinCC确保与SMATIC S5,S7和505系列PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与STEP 7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外，WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。
性能特点
WinCC具有以下性能特点：
①创新软件技术的使用。WinCC是基于最新发展的软件技术。西门子公司与Microsoft公司的密切合作保证了用户获得不断创新的技术。
②包括所有SCADA功能在内的客户机/服务器系统。即使最基本的WinCC系统仍能够提供生成复杂可视化任务的组件和函数，生成画面、脚本、报警、趋势和报表的编辑器由最基本的WinCC系统组件简历。
③可灵活裁剪，由简单任务扩展到复杂的多用户应用，又可以应用到工业和机械制造工艺的多服务器分布式系统中。
④众多的选件和附加件扩展了基本功能。已开发的、应用范围广泛的、不同的WinCC选件和附加件，均基于开放式编程接口，覆盖了不同工业分支的要求。
⑤使用Microsoft SQL Server 2000作为其组态数据和归档数据的存储数据库，可以使用ODBC，DAO，OLE-DB，WinCC OLE-DB和ADO方便地访问归档数据。
⑥强大的标准接口(如OLC，ActiveX和OPC)。WinCC提供了OLE，DDE，ActiveX，OPC服务器和客户机等接口或控件，可以很方便地与其他应用程序交换数据。
⑦使用方便的脚本语言。WinCC可编写ANSI-C和Visual Basic脚本程序。
⑧开放API编程接口可以访问WinCC的模块。所有的WinCC模块都有一个开放的C编程接口(C-API)。这意味着可以在用户程序中集成WinCC的部分功能。
⑨具有想到的简易(在线)组态。WinCC提供了大量的向导来简易化组态工作。在调试阶段还可以进行在线修改。
⑩可选择语言的组态软件和在线语言切换。WinCC软件是基于多语言设计的。这意味着可以在英语、德语、法语、一级其他众多的亚洲语言之间进行选择，也可以在系统运行时选择所需要的语言。
⑪提供所有主要PLC系统的通讯通道。作为标准，WinCC支持所有连接SIMATIC S5/S7/505控制器的通讯通道，还包括PROFIBUS DP，DDE和OPC等非特定控制器的通讯通道。此外更广泛的通讯替你感到可以由选件和附加件提供。
⑫与基于PC的控制器SIMATIC WinAC紧密接口，软/插槽式PLC和操作、监控系统在一台PC机上相结合无疑是一个面向未来的概念。在此前提下，WinCC和WinAC实现了西门子公司基于PLC的、强大的自动化解决方案。
⑬全集成自动化TIA(Totally Integrated Automation)的部件。TIA集成了西门子公司的各种产品包括WinCC。WinCC是工程控制的窗口，是TIA的中心不见。TIA意味着在组态、变成、数据存储和通讯等方面的一致性。
⑭SIMATIC PCS7过程控制系统中的SCADA部件，如SIMATIC PCS7是TIA中的过程控制系统；PCS7是结合了基于控制器的制造业自动化优点和基于PC的过程工业自动化优点的过程处理系统(PCS)。基于控制器的PCS7对过程可视化使用标准的SIMATIC部件。WinCC作为PCS7的操作员站。
⑮符合FDA21CFR PartⅡ的要求。
⑯集成到MES和ERP中。标准接口使SIMATIC 成为在全公司范围IT环境下的一个完整部件。这超越了自动控制过程，将范围扩展到工厂监控级，为公司管理MES(制造执行系统)和ERP(企业资源管理)提供管理数据。
产品分类
1.Power Tags定义
WinCC的变量分别为内部变量和过程变量。把与外部控制器没有过程连接的变量叫做内部变量。内部变量可以无限制地使用。相反，与外部控制器(例如PLC)具有过程连接的变量叫做过程(俗称外部变量)。Power Tags是指授权使用的过程变量，也就是说，如果购买WinCC具有1024个Power Tags授权，那么WinCC项目在运行状态下，最多只能有1024个过程变量。过程变量的数目和授权使用的过程变量(Power Tags)的数目显示在WinCC管理器的状态栏中。
2.WinCC产品分类
WinCC产品分为基本系统、WinCC选件和WinCC附加件。
WinCC基本系统分为完全版和运动版。完全版包括运行和组态版本的授权，运行版仅有WinCC运行的授权。运行版可以用于显示过程信息、控制过程、报告报警事件、记录测量值和制作报表。根据所连接的外部变量数量的多少，WinCC完全版和运行版都有5种授权规格：128个、256个、1024个、8000个和65536个变量(Power Tags)。其中的Power Tags是指存在过程连接到控制器的变量，不管此变量是32位的整型数，还是1位的开关量信号，只要给此变量命名并连接到外部控制器，都被当作1个变量。相应的授权规格决定所连接的过程变量的最大数目。无过程连接的内部变量可以被无限制地使用。
3.WinCC系统构成
WinCC基本系统是很多应用程序的核心。它包含以下九大部件：
(1)变量管理器
变量管理器（tag management)管理WinCC中所使用的外部变量、内部变量和通讯驱动程序。
(2)图形编辑器
图形编辑器(graphics designer)用于设计各种图形画面。
(3)报警记录
报警记录(alarm logging)负责采集和归档报警消息。
(4)变量归档
变量归档(tag logging)负责处理测量值，并长期存储所记录的过程值。
(5)报表编辑器
报表编辑器(report designer)提供许多标准的报表，也可设计各种格式的报表，并可按照预定的时间进行打印。
(6)全局脚本
全局脚本(global script)是系统设计人员用ANSI-C及Visual Basic编写的代码，以满足项目的需要。
(7)文本库
文本库(text library)编辑不同语言版本下的文本消息。
(8)用户管理器
用户管理器(user administrator)用来分配、管理和监控用户对组态和运行系统的访问权限。
(9)交叉引用表
交叉引用表(cross-reference)负责搜索在画面、函数、归档和消息中锁使用的变量、函数、OLE对象和ActiveX控件。

1.3 可编程序控制器的应用
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。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控制器，使PLC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。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，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，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是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世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
2 系统的总体设计
2.1 啤酒的清酒工艺
目前，我国绝大部分啤酒厂均采用园柱锥底式清酒罐简称锥形罐，—般在圆柱部分焊有两到三段冷却夹套，锥底还有一冷却夹套。整个罐体除罐顶装置和罐底的進出口以外，全部用绝热材料包裹起来，用其来阻隔与外界的热交换。这样使得罐内液体与外界的热交换量和清酒液产生的生化热相比较可忽略不计，控温中通过冷却夹套由冷却介质带走的热量主要是生化热。啤酒中的主要成份是水，而水的密度随温度的变化在高于凝固点温度附近有一最大值，纯水为4℃、啤酒为3℃左右。换句话说当啤酒温度在高于3℃以上降温时，啤酒密度增大；在低于3℃时降温，啤酒密度减小。 上面所述的特点以及前面部分所讲的一些基本概念，再加上流体运动的基本规律和传热学的基本常识，是我们科学分析问题的基础。 首先，我们来看—下最简单的控制流体温度的方法。在啤酒厂中几乎都使用板式换热器使流体升温或降温，如在灌装机前降低灌装温度。为了控制啤酒温度必须用一支温度计来进行检测，然后由调节器来控制通过换热器的致冷介质流量以控制温度。显然，我们不可能将温度计装在换热器的进口，而是装在出口处，而且从出口至灌装机之间的管道还需要保温。这是一种典型的流体换热控制方式，杀菌机喷淋水的温度控制也是这种方式。在啤酒清酒罐内也类似如此，但是还是有一点区别：在板式换热器中啤酒是在压力作用下在管内流动，而在清酒罐内发酵液的流动是在重力或浮力以及二氧化碳气泡上升力的作用下流动。前者称为强迫对流，而后者称为自然对流。
在清酒罐可分为空闲阶段和储酒阶段。在空闲阶段：不控制，将温度设定一定值。储酒阶段恒温控制，在储酒阶段仍是个段的阀控制各段的阀控制各段的温度，控制温度以中、下部为主，控制均匀，以防止冻罐，直到出酒结束。

2.2 系统要求实现功能的分析
本系统基于PC Access的温度控制，分析可知本系统要求应能根据市级工业应用要求组建工业控制系统，通过设备之间的相互通讯来控制电动调节阀，进而控制冷却液流量，以达到顺利实现对清酒罐温度的工业控制目的，同时还要达到低功耗、高性价比、运行安全可靠等基本要求。
基于以上要求，本系统应具备以下功能：
1、具备人机对话功能，即具有可视的组态画面，能设置系统所需的PID参数，能控制系统的运行方式以及温度的改变等，能监视系统的运行状态，如监视清酒温度及调节阀开度。
2、变成控制整个系统的动作，以顺利实现对整个系统的监控，具有PID监控和报警显示功能，可具有远程控制的功能。
3、系统中的监控机、S7-200PLC能顺利实现互相之间的通讯，通过设备之间的相互通讯来传递控制命令和实现数据的采集，实现对整个系统的监视功能。
4、设备具有安装、调试简单、方便的特点。
2.3 单闭环控制系统
图2.1表示一个清酒罐的温度控制系统，清酒从底部进入和排出。酒液产生的热量由冷却夹套中的冷却液带走。为了保证产品质量，必须严格控制反应温度，为此采用调节阀来改变冷却液的流量，调节阀对象具有三个热容积，即夹套中的冷却液、罐壁和罐中的清酒。为简单起见，在图2.2中，把这三个容积化成了串联形式，即忽略了他们之间的相互作用（容积之间的相互作用有助于改善调节对象的调节性能）。引起温度变化的扰动因素来自两个方面：在酒液方面有它的流量、入口温度和酒液的化学组分；在冷却液方面有它的入口温度以及调节阀前的压力。在图2.3中，用和分别代表来自酒液方面和冷却液方面的扰动，它们的作用地点不同，因此对于温度的影响也很不一样。

图2.1 清酒罐的温度控制

图2.2 清酒罐温度控制系统

2.4 系统设计方案概述

2.4.1 系统组成及工作原理
系统工作原理：假定冷却夹套内冷却液入口温度恒定，冷却液流量Q与电动调节阀开度S成正比，那么，在系统外部条件不变的情况下，调节阀的开度将随清酒罐温度的增长而增大，如曲线L所示。假定为期望的给定温度，则为此时调节阀的开度，即清酒罐的实际温度与期望的设定温度持衡时，调节阀的开度为0。当由于某种原因导致清酒罐内的酒液温度上升，例如临时添加新的清酒液，罐内的温度由上升到，若调节阀开度仍为，这时候S7-200PLC操控电动调节阀增大并保持开度，经过一段时间的调节，罐内温度又回到期望的给定温度。当罐内温度达到甚至超过时，电动调节阀的开度将为，即此时调节阀完全开启，系统满负荷运行。
由此可见，如果发现清酒温度t升高，增大调节阀开度S，增大冷却液流量Q，可使清酒温度t降低，并回到期望给定的温度。如果发现清酒温度t降低，减小调节阀开度S，减小冷却液流量Q，可使清酒罐温度t升高，又回到期望的给定温度。该系统就是不断地监测清酒温度t，自动调节发开度S，使清酒罐温度t保持在给定温度上。

图2.3 系统工作原理

西门子S7-200PLC是本系统的控制中心，PLC通过模数转换器A/D采样，将温度TF转换的信号送入PLC。将反馈的温度信号与给定的温度值TG进行比较、分析，并根据已设定的比例P、积分I、微分D参数进行PID运算，其结果为电动调节发的当前开度，然后净D/A转换成模拟量，送至电动调节阀。电动调节阀根据指令信号做出相应动作，调节阀门开度，用以调节冷却液的流量，来达到调节清酒液体温度升高活降低的目的。操作人员通过对比例P、积分I、微分D参数的调节，就可以满足系统的动态、静态要求。其工作原理如图。PLC根据系统的状态，适时地发出超温，上、下限位等报警、控制信号，并将这些提示在上位机上面，以便值班、操作人员及时了解系统的工作状态，必要时进行人工干预。
2.4.2 系统设计思路
自动化领域中，人们总是希望用机器来替代人类做某些工作，如简单重复性操作或对人体有害的工作。虽然现在机器可以替代人类完成很多事情，不过还是需要有相关的设备来监视这些机器的工作是否正常，并据此作出响应的控制操作，这就是所谓的监控。工业现场中，经常要用监控技术。现在某些场合需要用一台可编程控制器灵活地控制电动调节阀的开度，以达到控制清酒罐温度的目的。针对这一需要设计了本文所介绍的系统。
本设计的目的是研究监控计算机对清酒罐的酒温进行远程监控。系统主要由安装有WinCC组态软件的计算机、PLC、电动调节阀和冷却夹套组成。电动调节阀是改变清酒液温度的重要设备。在这里用PLC作为控制核心，用安装有组态软件的计算机作为监控主机，监控主机利用西门子组态软件WinCC V6.0强大的实时数据采集与监控(SCADA)功能加以实现监视和控制清酒罐的温度。
本系统应用西门子组态软件WinCC V6.0对控制系统进行正确、合适的组态，并使之与西门子S7-200PLC之间进行通讯，S7-200PLC对清酒罐进行远程监控。在该系统中S7-200CPU作为控制核心，清酒罐作为被控对象。由于目前可用的PLC输入输出端口数量有限，所以系统参数的设定值已于编程时根据工艺要求写入程序中。
2.4.3 系统的整体结构
本系统属于温度监控系统，它整体上由两部分构成：监控部分和通讯部分。系统采用安装有西门子组态软件WinCC V6.0的计算机做监控主机。监控主机通过WinCC V6.0内集成的通讯驱动程序提供的通讯通道与控制核心PLC进行通讯，对现场电动调节阀的运行进行集中监控，统一调度。监控部分以人机对话的方式对采集的数据进行实时监控，其主要功能包括：
(1) 显示系统总结线图，可以直观的观察到计算机对电动调节阀的监视。
(2) 对运行的数据实时显示。
(3) 显示清酒罐温度过高、过低、故障等状态。
(4) 显示系统的温度报警记录运行状态。
(5) 退出运行系统。
通讯部分主要包括监控计算机与S7-200PLC之间的通讯。系统采用串行通信的方式实现设备之间的通讯。监控计算机与S7-200PLC之间通讯的实现需用PC Access来实现。在本系统中采用西门子WinCC V6.0监控组态软件进行组态，用S7-200PLC CPU224作为控制核心。
2.5 系统工作过程分析
假定系统所需软硬件已经正确地进行配置和连接，是设备正常工作所需的必备参数已经正确进行了设置。给设备接通电源。运行WinCC V6.0组态软件和已下载完成通讯控制程序的S7-200PLC CPU224。打开参数设置画面，进行清酒罐运行参数设置。犹豫组态时已给每个参数连接了一个过程变量，并为这一过程变量赋予了一个PC Access地址，此PC Access地址与S7-200 PLC CPU变量存储器的地址之间有一定的对应关系。当操作员通过监控计算机为清酒罐设定一个参数时。这一数字通过WinCC内的通讯驱动程序提供的通道传递到与所设定过程变量所对应的S7200PLC CPU224变量存储区中。
2.6 控制系统PID参数整定

2.6.1 数字PID控制
PID控制是比例积分微分控制的简称。PID控制具有原理简单，使用方便，适应性强，鲁棒性强等优点。它是一种负反馈控制，能缓解对象中的不平衡，正确的达到自动控制的目的。
PID之所以得到广泛应用是因为它具有以下优点：
（1）不需要精确的控制系统数学模型。由于非线性和时变性，很多工业控制对象难以得到其准确的数学模型，因此不能使用控制理论中的设计方法。对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。
（2）有较强的灵活性和适应性。积分控制可以消除系统的静差，微分控制可以改善系统得动态响应速度，比例、积分和微分控制三者有效的结合就可以满足不同的控制要求。根据被控对象的具体情况，还可以采用各种PID控制的改进的控制方式，如PI、PD、带死区的PID、积分分离PID、变速积分PID等。
（3）PID控制器的结构模型，程序设计简单，工程上易于实现，参数调整方便。
PID调节的实质；根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。即：调节器的输入与输出为比例-积分-微分关系。
PID控制的原理
常规的PID控制系统的原理图如图2.4所示。系统由PID控制器，被控对象和反馈检测环节组成。
比 例
积分比例
微分比例
被控对象
检测装置
r(t)
e(t)
u(t)

图2.4 PID控制系统图

控制器公式
实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制性能的要求，灵活的采用不同的控制组合，构成
比例（P）控制： （2.1）
比例+积分（PI）控制器： （2.2）
比例+积分+微分（PID）控制器：
（2.3）
其中Kp——比例系数；
TI——积分时间常数；
TD——微分时间常数。
PID控制具有很多优点：不需要被控对象的数学模型，自动控制理论中的分析和设计方法主要是建立在被控对象的线性定常数学模型的基础上的。该模型忽略了实际系统中的非线性和时变性，与实际系统有较大的差距。对于许多工业控制对象，根本就无法建立较为准确的数学模型，因此自动控制理论中的设计方法很难用于大多数控制系统。对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。PID控制器的结构典型，程序设计简单，计算工作量较小，各参数有明确的物理意义，参数调整方便，容易实现多回路控制、串级控制等复杂的控制。根据被控对象的具体情况，可以采用PID控制器的多种变种和改进的控制方式，例如PI、PD、带死区的PID、被控量微分PID、积分分离PID和变速积分PID等，但比例控制一般是必不可少的。随着智能控制技术的发展，PID控制与神经网络控制等现代控制方法结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。
PID的控制规律
1、 比例调节的特点
比例调节的显著特点就是有差调节。Kp太小虽然没有超调，系统的输出量变化缓慢，调节时间长，稳态误差与Kp成反比。增大Kp使系统反应灵敏，上升速度快，且可以减小稳态误差，但是太大会使闭环系统不稳定，震荡次数增加，调节时间长，导致动态性能变坏[3,10]。
2、积分调节的特点
积分调节的特点是无差调节。控制器中的积分作用与当前的误差大小和误差历史情况都有关，只要误差不为零控制器的输出就会因积分作用而不断变化，误差为正时积分项不断增大，反之减小。积分作用是消除稳态误差和提高控制精度，积分作用一般是必须的。因为积分时间项在分母中， 越小，积分速度越快，积分作用越强。但是积分作用有迟后特性，不像比例部分，只要误差一出现就立即起作用，积分作用太强会使系统的响应动态性能变差，超调量增大，甚至使系统不稳定，因此积分很少单独使用。
3、微分调节的特点
微分部分的输出与误差的微分（即误差的变化速率）成正比，反映了被控量的变化趋势，其作用是阻碍被控量的变化。微分具有超前和预测的特性，在超调尚未出现之前就能提前给出控制的作用。适当的微分作用可以使超调量减少，调节时间缩短，增加系统的稳定性，其缺点是对干扰噪声敏感，使系统抑制干扰的能力降低。微分时间表示了微分作用的强弱，越大，微分作用越强，但是太大可能会引起频率较高的震荡，或是被控量接近稳态值时变化缓慢。这是因为接近稳态值时，误差很小，比例部分消除误差的能力很弱。由于微分部分太强，抑制了被控制量的上升，导致被控制量上升极为缓慢，达到稳态时间长。
总结起来，不同的控制规律有不同的特点，对于相同的控制对象，不同的控制规律，有不同的控制效果，图2.5是不同控制规律时的过渡过程式曲线。

图2.5 不同控制规律时的过渡过程式曲线

2.6.2 PID参数的调整方法
为了减少需要整定的参数，可以首先采用PI控制算法。在调试开始时应设置比较保守的参数，比例增益不要太大。给出一个阶跃信号后，观察系统输出量的波形，根据输出波形提供给的信息和PID参数与系统性能的关系，反复调节PID的参数。
如果阶跃响应的超调量太大，经过多次震荡才能稳定，应减小增益，增大积分时间，如果阶跃响应没有超调，但是被控制量上升过于缓慢，过渡时间太长应按相反的方向调整参数。
如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间。
如果反复调节Kp和，超调量仍然较大，可以加入微分从0逐渐增大，反复调节这三个参数。
若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器的形式还是所整定的参数均可相互参考。表2.1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TD=(1/3～1/4)TI计算。

表2.1 经验法整定参数
系统
参数
δ(%)
TI(min)
TD(min)
温度
流量
压力
液位
20～60
40～100
30～70
20～80
3～10
0.1～1
0.4～3
—
0.5～3
—
—
—

PID控制回路的参数整定是模拟量闭环控制中的一个难点，如果初始参数选择不当，可能会出现很大的超调量，甚至使系统不稳定。西门子公司的新一代小型S7-200PLC具有PID参数自整定功能，V4.0版的编程软件Step 7-Micro/WIN增加了PID整定控制面板。这两项功能相结合，使用户能轻松地实现PID 的参数自整定。自整定能提供一组近似最优的整定参数。S7-200的V4.0 版编程软件Step 7-Micro/WIN中的PID整定控制面板用图形方式监视PID回路。该面板还可用来起动或取消自整定过程，设置自整定的参数，并将推荐的整定值或用户设置的整定值应用到实际控制中。
2.6.3 PLC实现PID控制的方式
用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：
（1）使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格较高，一般在大型控制系统中使用。
（2）使用PID功能指令。现在很多的PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。他们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，但是价格便宜。
（3）用自编的程序实现PID闭环控制。有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有的虽然可以使用PID 控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下，都需要用户自己编制PID控制程序。
3 系统所需软硬件简介
3.1 S7-200 PLC 系统简介
3.1.1 S7-200 PLC 系列功能概述
S7-200 PLC 系列是一种紧凑型可编程序控制器。系统的硬件架构由构成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。它能够控制各种设备已满足自动化控制要求。S7-200PLC除具有PLC基本的控制功能外，更在以下方面具有独到之处，这些也是为什么S7-200PLC普遍受欢迎的原因。
1、功能强大的指令集
指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、时钟指令、通讯指令以及和智能模块配合的专用指令等。
2、丰富强大的通讯功能
S7-200 PLC提供了很多种通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的S7-200之间的通讯到S7-200通过Profibus-DP网络通讯，甚至S7-200通过以太网通讯。
3、编程软件的易用性
STEP7-Micro/WIN32编程软件为用户提供了开发、编程和监控的良好环境。全中文的界面、中文的在线帮助信息、Windows的界面风格以及丰富的编程向导。让用户工作更加的方便可行。
4、不断地创新
创新是西门子公司的一贯风格，在S7-200上更是体现得淋漓尽致。永不停歇地推出新产品，使更多的需求梦想成为现实，这正是S7-200成为市场的领先者的原动力。
3.1.2 S7-200 CPU
S7-200 CPU 如图3.1所示。

图3.1 S7-200 CPU外型
S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，组成一个功能强大的PLC。西门子提供多种类型的CPU以适应各种应用要求。不同类型的CPU具有类型的CPU具有不同的数字量I/O点数、内存容量等规格参数。
目前提供的S7-200CPU有：CPU 221、CPU 222、CPU 224、CPU 226和CPU 226XM。
表3.1 S7-200CPU规格
特征
CPU 221
CPU 222
CPU 224
CPU 226
CPU 226XM
外形尺寸（mm*mm*mm）
90*80*62
90*80*62
120.5*80*62
190*80*62
190*80*62
程序存储区/字节
4096
4096
8192
8192
16384
数据存储区/字节
2048
2048
5120
5120
10240
掉电保护时间/h
50
50
190
190
190
本机I/O
6入/4出
8入/6出
14入/10出
24入/16出
24入/16出
扩展模块数量
0
2
7
7
7
高数计数器
单相/kHz
30（4路）
30（4路）
30（6路）
30（6路）
30（6路）
双相/kHz

20（2路）
20（2路）
20（4路）
20（4路）
20（4路）
脉冲输出（DC）/kHz
20（2路）
20（2路）
20（2路）
20（2路）
20（2路）
模拟电位器
1
1
2
2
2
实时时钟
配时钟卡
配时钟卡
内置
内置
内置
通讯口
1RS-485
1RS-485
1RS-485
2RS-485
2RS-485
浮点数运算
有
I\O
256（128入/128出）
对于每个型号，西门子提供DC（24V）和AC(120-220V)两种电源供电的CPU类型，如CPU224 DC/DC/DC和CPU224 AC/DC/Relay，每个种类都有自己的订货号，可以单独订货。
l DC/DC/DC:说明CPU是直流供电，直流数字量输入，数字量输出点是晶体管直流电路的类型。
l AC/DC/Relay：说明CPU是交流供电，直流数字量输入，数字量输出点是继电器触电的类型。
3.1.3 S7-200 PLC 的数据保持功能
l CPU中的内置超级电容，在不太长的断电期间内为保持数据和时钟提供电源，不需要附件；
l CPU上附加电池卡，与内置超级电容配合，长期为时钟和数据保持提供电源；
l 使用数据块，永久保存不需要更改的数据；
l 在用户程序中编程，根据需要永久保存数据。

3.1.4 S7-200 PLC的通讯和网络功能
S7-200提供了多种通讯和网络功能，包括PPI网络通讯功能、Profibus-DP网络通讯功能、自由口通讯功能、以太网通讯功能等。
S7-200支词的PPI、Profibus-DP、自由口通讯模式都是建立在RS-485硬件的基础上的。
3.2 监控组态软件Wincc V6.0
3.2.1 组态软件简介
组态软件是数据采集监控系统SCADA的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分，它具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大，组态软件由早先单一的人机界面向数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大，随着组态软件自身及控制系统的发展，监控组态软件部分地与硬件发生分离，为自动化软件的发展提供了充分发挥作用的舞台。
监控组态软件是伴随着计算机技术、DCS和PLC等工业控制技术的杜飞猛进而发展起来的。监控组态软件不仅有监控和数据采集（SCADA）功能，而且有主太、开发和开放的功能。随着个人计算机（PC）的普及和开放系统的推广，基于PC的监控组态软件在工业控制领域不断发展壮大。监控组态软件广泛运用于工业、楼宇等领域的自动化系统。
3.2.2 西门子Wincc V6.0的功能及特点
西门子公司的监控组态软件Wincc是Windows Control Center（视窗控制中心）的简称。它集成了SCADA、组态、脚本语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能。
西门子视窗控制中心SIMATIC WINCC是HMI/SCADA软件中的后起之秀。它运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可是窗口、和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。他为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。Wincc的另一个特点在于其整体开放性，它可以方便的与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需求。用户也可以将Wincc作为系统扩展的基础，通过开放式口，开放其自身需要的应用系统。
Wincc因其具有独特的设计思想而具有广阔的应用前景。它不但能用于单用户系统，还能构成多用户系统，甚至包含多个服务器和客户的内在分布系统。Wincc集生产过程和自动化于一体，实现了相互间的集成。
作为SIMATIC 全集成自动化系统的重要组成部分，Wincc确保uSTMAT