基于PLC的电阻炉温度控制系统设计
【摘要】温度是各种工业生产和科学实验中最普遍、也是最重要的热工参数之一。温度控制的精度对产品或实验结果会产生重大的影响。温度控制的模式多样，而PLC可靠性高，抗干扰能力强，易学易用，采用PLC控制是其中一种比较优越的控制。
基于PLC的电阻炉温度控制系统设计，硬件方面PLC采用了CPU型号为226的S7-200、K型热电偶和温度模块EM235。热电偶作为温度的采集元件，采集的信号经过EM235的处理后就可把数据送入PLC中进行处理。PLC的程序中采用了位置式PID算法，脉宽调制PWM方式，运用了粗调和细调的思想，程序在不同的温度段使用不同的PID参数，实现温度的自动控制。
人机界面采用的是国内的一个比较流行的组态王软件。组态王可以实现在线监控。组态项目中制作了曲线画面、报表画面、报警画面和参数监控画面，用户可方便地查询PLC的运行情况、数据采集和在线控制。
实验结果表明，采用了粗调和细调思想的程序的PLC系统，具有反应速度快，超调量小，调节迅速，精度高等特点。组态王功能强大，操作方便，有助于系统的监视与控制，表明了组态软件的具有很好的发展前景。 【关键词】温度控制 可编程控制器 PID 组态王
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目 录
1 引言 ................................................................ 4 1.1 课题研究背景 ...................................................... 4 1.2 电阻炉温度控制系统的发展状况 ...................................... 4 2 PLC的概述 .......................................................... 5 2.1 PLC的介绍 ........................................................ 5 2.2 PLC的基本组成 .................................................... 6 3 硬件配置和软件环境 .................................................. 6 3.1 实验配置 .......................................................... 6 3.1.1 西门子S7-200 .................................................... 6 3.1.2 传感器 .......................................................... 6 3.1.3 EM 235模拟量输入模块 ........................................... 6 3.2 STEP 7 Micro/WIN32软件介绍 ........................................ 7 4 控制算法描述 ........................................................ 7 4.1 PWM技术 ......................................................... 7 4.2 PID控制程序设计 ................................................... 7 4.2.1 PID控制算法 ..................................................... 8 4.2.2 PID在PLC中的回路指令 .......................................... 9 4.2.3 PID参数整定 .................................................... 11 5 程序设计 ........................................................... 12 5.1 方案设计思路 ..................................................... 12 5.2 程序流程图 ....................................................... 14 5.3 梯形图（见附录） ................................................. 15 6 组态画面设计 ....................................................... 15 6.1 组态软件概述 ..................................................... 15 6.2 组态王的介绍 ..................................................... 15 6.3 组态画面的建立 ................................................... 16 6.3.1 创建项目 ....................................................... 16 6.3.2 建立主画面 ..................................................... 18 6.3.3 建立趋势曲线画面 ............................................... 19 6.3.4 建立数据报表 ................................................... 20 6.3.5 建立报警窗口 ................................................... 22 6.3.6 建立参数监控画面 ............................................... 23 7 系统测试 ........................................................... 23
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7.1 启动组态王 ....................................................... 23 7.2 参数监控和设定 ................................................... 25 7.3 报警信息提示 ..................................................... 25 7.4 报表系统查询 ..................................................... 26 7.5 趋势曲线监控 ..................................................... 26 7.5.1 实时趋势曲线 ................................................... 26 7.5 趋势曲线监控 ..................................................... 27 7.5.1 实时趋势曲线 ................................................... 27 7.5.2 分析历史趋势曲线 ............................................... 27 结论 ................................................................. 29 参考文献 ............................................................. 31 附录 梯形图 ........................................... 错误!未定义书签。
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1 引言
1.1 课题研究背景
电阻炉温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中，温度控制占有着极为重要的地位， 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种电阻炉；燃料有煤气、天然气、油、电等[1]。电阻炉温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
可编程控制器(PLC)是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，可靠性强等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用[2]。
目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统(DCS)。但就其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的PID控制。PID控制结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型[3]。
组态王软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态王软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态王软件几天就可以完成.组态王是国内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用[4]。
1.2 电阻炉温度控制系统的发展状况
电阻炉温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。电阻炉温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对电阻炉温度控制精度要求的不断提高，电阻炉温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机(IPC)的温度控制系统，集散型温度控制系统(DCS)，现场总线控制系统(FCS)等[5]。
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PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用[6]。相对于IPC，DCS，FSC等系统而言，PLC是具有成本上的优势。因此，PLC占领着很大的市场份额，其前景也很有前途[7]。
各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短[8]。
电阻炉温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距[9]。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外电阻炉温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展[10]。
2 PLC的概述
2.1 PLC的介绍
可编程控制器是一种工业控制计算机，英文全称：Programmable Controller，为了和个人计算机(PC)区分，一般称其为PLC。可编程控制器(PLC)是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域[11]。
可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。1971年日本开始生产可编程控制器，而欧洲是1973开始的。如今，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器。可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代，见表1-1。
表 2-1 可编程控制器功能表 代次 第一代 第二代 第三代 第四代 器件 1位处理器 8位处理器及存储器 高性能8位微处理器及位片式微处理器 16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器 功能 逻辑控制功能 产品系列化 处理速度提高，向多功能及联网通信发展 逻辑、运动、数据处理、联网功能的多功能
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2.2 PLC的基本组成
PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。整体式PLC一般由CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源组成。模块式PLC一般由CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。在设计中，实物采用的是模块式的PLC，不管哪种PLC，都是属于总线式的开发结构 [12]。
3 硬件配置和软件环境
3.1 实验配置
3.1.1 西门子S7-200
S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。PLC采用的是CPU226。它具有24个输入点和16个输出点。S7-200系列的基本单元如表3-1所示[13]。
表3-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型 号 S7-200CPU221 S7-200CPU222 S7-200CPU224 S7-200CPU224XP S7-200CPU226 输入点 6 8 14 24 24 输出点 4 6 10 16 16 可带扩展模块数 0 2个扩展模块 7个扩展模块 7个扩展模块 7个扩展模块 3.1.2 传感器
热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。设计是采用的K型热电偶[14]。 3.1.3 EM 235模拟量输入模块
传感器检测到温度转换成1～5V的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里，我们选用了西
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门子EM235 4TC模拟量输入模块。
3.2 STEP 7 Micro/WIN32软件介绍
STEP 7-MWIN32编程软件是基于Windows的应用软件，是西门子公司专门为SIMTIC S7-200系列PLC设计开发的。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机功能[15]。用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状态，该软件是SIMATIC S7-200拥护不可缺少的开发工具。
4 控制算法描述
4.1 PWM技术
脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换的许多领域中。
PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF) [16]。
论文中的采样周期和加热周期都是10秒。采样后，根据温差的大小进行PID调节，转化得到一个加热时间（0-10秒）作为下一个加热周期的加热时间。例如温差大，加热时间就大，温差小，那么加热时间就小。程序采用的是粗调和微控两段式控制方式。在粗控调阶段，占空比恒为一。在微控制阶段，占空比就根据温差不停地变化。
4.2 PID控制程序设计
模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。
比例控制(P)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。其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。
在积分控制(I)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。
在微分控制(D)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。微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势。避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。
PID控制，P、I、D各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量[17]。
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4.2.1 PID控制算法
r(t) + e(t) _ PID控制环节 u(t) 被控对象 c(t) 反馈环节
图4-1 带PID控制器的闭控制系统框图
如图4-1所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差e和输入量r、输出量c的关系：
(4-1) e(t)=r(t)-c(t)控制器的输出为：
1u(t)Ke(t) PTit0e(t)dtTdde(t) (4-2) dt上式中, u(t)——PID回路的输出; Kp——比例系数P;
Ti ——积分系数I; ——微分系数D;
TdPID调节器的传递函数为：
U(S)1 D(S)KP1TdS (4-3)
E(S)TiS数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。其离散化的规律如表4-1所示：
表4-2 模拟与离散形式
模拟形式 离散化形式 e(t)r(t)c(t) de(t) dTe(n)r(n)c(n) e(n)e(n1) Te(t)dt 0te(i)TTe(i) i0i0nn
所以PID输出经过离散化后，它的输出方程为：
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TTnu(n)KPe(n)e(i)de(n)e(n1)u0Tii0T (4-4) uP(n)ui(n)ud(n)u0式4-4中，
uP(n)KPe(n) 称为比例项；
Tui(n)KpTie(i) 称为积分项；
i0nud(n)Kpni1Tde(n)e(n1) 称为微分项； T上式中，积分项e(i)是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值[17]。计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。故可利用PLC中的PID指令实现位置式PID控制算法量[18]。
4.2.2 PID在PLC中的回路指令
现在很多PLC已经具备了PID功能，STEP 7 Micro/WIN就是其中之一有的是专用模块，有些是指令形式。西门子S7-200系列PLC中使用的是PID回路指令。见表4-2。
表4-3 PID回路指令
名称 指令格式 指令表格式 梯形图 PID运算 PID PID TBL，LOOP 使用方法：当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，采用的是VB100，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路号，可以是0~7，不可以重复使用。PID回路在PLC中的地址分配情况如表4-3所示。
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表4-4 PID指令回路表
偏移地址 0 4 8 12 16 20 24 28 32 名称 过程变量（PVn） 给定值（SPn） 输出值（Mn） 增益(KC) 采样时间（TS） 采样时间（Ti） 微分时间（Td） 积分项前值（MX） 过程变量前值（PVn-1） 数据类型 实数 实数 实数 实数 实数 实数 实数 实数 实数 说明 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 比例常数，可正可负 单位为s，必须是正数 单位为min，必须是正数 单位为min，必须是正数 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间
1)回路输入输出变量的数值转换方法
在设计中，设定的温度是给定值SP，需要控制的变量是炉子的温度。但它不完全是过程变量PV，过程变量PV和PID回路输出有关。在论文中，经过测量的温度信号被转化为标准信号温度值才是过程变量，所以，这两个数不在同一个数量值，需要他们作比较，那就必须先作一下数据转换。温度输入变量的数10倍据转化。传感器输入的电压信号经过EM235转换后，是一个整数值，他的值大小是实际温度的把A/D模拟量单元输出的整数值的10倍。但PID指令执行的数据必须是实数型，所以需要把整数转化成实数。使用指令DTR就可以了。论文是从AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。其转换程序如下:
MOVW AIW0, AC1 DTR AC1, AC1 MOVR AC1, VD100
2)实数的归一化处理
因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值0.0~1.0之间，所以，在执行PID指令之前，必须把PV和SP的值作归一化处理。使它们的值都在0.0~1.0之间。归一化的公式如4-5:
RnoumRraw/SpanOffest式中, Rnoum ——标准化的实数值；
(4-5)
Rraw ——未标准化的实数值；
Span——补偿值或偏置，单极性为0.0，双极性为0.5；
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Offest ——值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000，双极性为6400。
设计中，采用的是单极性，故转换公式为:
Rnoum(Rraw/32000) (4-6)
因为温度经过检测和转换后，得到的值是实际温度的10倍，所以为了SP值和PV值在同一个数量值，我们输入SP值的时候应该是填写一个是实际温度10倍的数，即想要设定目标控制温度为100℃时，需要输入一个1000。另外一种实现方法就是，在归一化的时候，值域大小可以缩小10倍，那么，填写目标温度的时候就可以把实际值直接写进去[19]。 3)回路输出变量的数据转换
在设计中，利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。回路的输出值是在0.0~1.0之间，是一个标准化了的实数，在输出变量传送给D/A模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。这一过程是实数值标准化过程。 Rscal(MnOffest)Span (4-7) S7-200不提供直接将实数一步转化成整数的指令，必须先将实数转化成双整数，再将双整数转化成整数。程序如下：
ROUND AC1, AC1 DTI AC1, VW34
4.2.3 PID参数整定
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。
经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于电阻炉温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表4-4所示。
表4-5 温度控制器参数经验数据
被控变量 温度 规律的选择 滞后较大 比例度 20~60 积分时间（分钟） 微分时间（分钟） 3~10 0.5~3
实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。 1)整定比例控制
将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应
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曲线。
2）整定积分环节
先将步骤1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 3）整定微分环节环节
先置微分时间Td=0，逐渐加大Td，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数[20]。
根据反复的试凑，调出比较好的结果是P=120，I=3.0，D=1.0。
5 程序设计
5.1 方案设计思路
PLC采用的是的S7-200，CPU是226系列，采用了5个灯来显示过程的状态，分别是运行灯，停止灯，温度正常灯，温度过高（警示灯）灯，和加热灯，可以通过5个灯的开关状况判断加热炉内的大概情况。K型传感器负责检测电阻炉中的温度，把温度信号转化成对应的电压信号，经过PLC模数转换后进行PID调节。根据PID输出值来控制下一个周期内（10s）内的加热时间和非加热时间。在加热时间内使得继电器接通，那电阻炉就可处于加热状态，反之则停止加热[21]。 1）硬件连线如图5-1所示
图5-1 硬件连线图
2)I/O点地址分配如表5-1所示
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表5-2 I/O点地址分配
地址 I0.1 I0.2 I0.3 Q0.0 Q0.1 Q0.3 Q0.4 Q0.5 名称 启动按扭 开关按钮 保护按钮 运行灯 停止灯 温度状态指示灯（正常） 温度状态指示灯（危险） 固态继电器 功能 按下开关，设备开始运行 按下开关，设备停止运行 按下开关，终止加热 灯亮表示设备处于运行状态 灯亮表示设备处于停止状态 灯亮表示炉温在正常范围内 灯两表示炉温过高，处于危险状态 灯亮表示电阻炉正处于加热阶段 3）程序地址分配如表5-2所示
表5-3 内存地址分配
地址 VD0 VD4 VD8 VD12 VD16 VD20 VD30 VW34 VW36 说明 用户设定比例常数P存放地址 用户设定积分常数I存放地址 用户设定微分常数D存放地址 目标设定温度存放地址 系统运行时间秒存放地址 系统运行时间分钟存放地址 当前实际温度存放地址 一个周期内加热时间存放地址 一个周期内非加热时间存放地址 4）PID指令回路表如表5-3所示。
表5-4 PID指令回路表
地址 VD100 VD104 VD108 VD112 VD116 VD120 VD124 VD128 VD132 名称 过程变量（PVn） 给定值（SPn） 输出值（Mn） 增益（Kc） 采样时间（Ts） 采样时间（Ti） 微分时间（Td） 积分项前值（MX） 过程变量前值（PVn-1） 13
说明 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 比例常数，可正可负 单位为s，必须是正数 单位为min，必须是正数 单位为min，必须是正数 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间
5.2 程序流程图
程序流程图如图5-2所示，1个主程序，3个子程序。
主程序
运行PLC 初始化安全灯 I0.1=0 I0.1=？ I0.1=1 初始化运行指示灯 调用子程序0 调用子程序1 每10s调用1次子程序2 炉子加热 子程序0
初试化 温度=？ 温度<84°C 温度≥84°C 粗调 微调 返回
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子程序1 子程序2
设定目标温度 读入温度并转换 把实际温度值放于VD30中 设定PID值 调用PID指令 返回 时间寄存器加10s 设定下一周期内的加热时间 返回
图5-5 程序流程图
5.3 梯形图（见附录）
6 组态画面设计
6.1 组态软件概述
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，可为拥护提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件一般英文简称有三种，分别为HMI/MMI/SCADA。HMI/MMI翻译为人机接口软件，SCADA翻译为监视控制和数据采集软件。国内外的主要产品有wonderware公司的InTouch软件，Intellution公司的FIX软件，CIT公司的Citech软件，Simens公司的Wincc软件，亚控公司的组态王，华富计算机公司的Controx软件，力控公司的ForceControl软件和北京昆仓公司的MCGS软件[22]。
6.2 组态王的介绍
组态王开发监控系统软件是众多组态软件里面的一种，组态王是一个具有丰富功能的HMI/SCADA软件。可用于工业自动化的过程控制和管理监控。它提供了集成、灵活、易用的开发环境和广泛的功能，能够快速建立、测试和部署自动化应用，来连接、传递和记录实时信息。使用户可以实时查看和控制工业生产过程。该系统
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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,具有多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
[23]
。
6.3 组态画面的建立
论文的组态软件采用亚控公司的组态王6.53版本。组态软件提供了可视化监控画面，包括动画，实时趋势曲线，历史趋势曲线，实时数据报表，历史数据报表，实时报警窗口，历史报警窗口，配方管理等等的功能。可方便地监视系统的运行。并可在在线修改程序参数，有利于系统的性能发挥。 6.3.1 创建项目
双击组态王的快捷方式，出现组态王的工程管理器窗口，双击新建按扭，按照弹出的建立向导，填写工程名称。然后打开刚建立的工程。进入组态画面的设计,如图6-1所示。
图6-1 新建工程画面
1）新建画面
进入工程管理器后，在画面右方双击“新建”，新建画面，并设置画面属性，如图6-2所示，包括画面名称，注释，画面位置，画面风格，画面类型和背景颜色等。如下图。点击确定，就会出现，画面就会自动打开。画面的工具栏里面，可以选择工具箱，调色板，线形等在画面中显示，这些在画图的时候经常需要用上。
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图6-2 新建画面
2）新建变量
要实现组态王对S7-200的在线监控，就先必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者间的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和I/O变量两类。内存变量是组态王内部的变量，不跟被监控的设备进行交换。而I/O变量是两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200和组态王的数据交换是双向的，一者的数据发生变化，另外一者的数据也跟着变化。。所以需要在创建连接前新建一些变量，如图6-3所示。
图6-3 定义画面变量设置
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在论文中，PLC用内存VD30来存放当前的实际温度值。并规定温度超过105℃为温度过高，立刻要作出相应警示信号。
点击工程管理器中的“数据词典”再双击右边窗口的新建，在出现的定义变量口中填写相应的要求项，并可在“报警定义”中设定报警，如图6-4所示。
图6-4 定义变量报警
6.3.2 建立主画面
图6-5 主画面设置
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如图6-5所示，在该画面中，仿真实物设备的连接，通过设置开关按扭和关闭按扭来控制系统的启动和停止。旁边的指示灯，与Q0.0对应绿色表示系统在运行，红色表示系统停止运行。电阻炉的指示灯是表示电阻炉的加热状态，与Q0.5对应绿色（亮），表示系统处于加热状态，黑色（暗）表示炉正处于加热状态。炉子的温度可以在画面中显示出来。 6.3.3 建立趋势曲线画面
实时趋势曲线可在工具箱中双击后在画面直接获得。实时趋势曲线随时间变化自动卷动，可快速反应变量的新变化，但不能查询过去的情况，其画面时间跨度可以通过动画连接中“表示定义设置”，一个画面最多可以设置四条曲线，而这次设计只需要用到两条曲线，绿色曲线表示设定的温度，红色曲线表示当前实际温度。X方向表示时间，Y方向表示变量的量程百份比。Y轴上不能直接出现实际的过程值，但可以通过工具箱的文本进行对应的标记，论文中设置的量程是200oC，故0.50处的X方向表示100oC。另外，在画面中设置了返回按扭，点击就可以返回到主画面。如图6-6所示。
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图6-6 实时趋势曲线设置
历史趋势曲线可在图库管理器中得到。历史趋势曲线可以查询查询过去的情况。历史趋势曲线需要事先建立两个内存变量，分表是调整跨度和举动百分比。调整跨度是为了设置画面跨度的时间。以秒为单位，可以输入3600，表示跨度为1个小时。卷动百分比是为了控制一次卷动的时间跨度，最小值是0，最大值是100。历史趋势曲线可设置8条曲线，而这里只采用了两条。X表示时间，Y表示百分比，需要另外标识实际的温度。
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另外，画面中设置了炉温度的在某段时间内的最大值最小值和平均值，时间段可以在画面中通过按扭选择。这里需要应用到一个函数，HTGetValueAtZone，例如，需要输出最小值，那么需要输入函数HTGetValueAtZone ( 历史曲线,2, \"MinValue\" );，如图6-7所示。
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图6-7 历史趋势曲线设置
6.3.4 建立数据报表 1）建立实时数据报表
数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。数据报表有实时数据报表和历史数据报表，既能反应系统实时的运行情况，也能监测长期的系统运行状况。
在组态王的工具箱内选择“报表工具”，在数据报表画面中绘制报表，双击窗口灰色部分，在弹出的画面中填写控件名为“实时数据报表”，并设定行数和列数。
设置报表时间：在B4，C4单元中分别输入“=Date($年,$月,$日) ”和“=Time($时,$分,$秒)”，这样在系统运行的时候，B4就可以显示当前的日期，C4中就可以显示当前时间。
显示变量的实际值：利用数据改变命令语言和报表函数。选种A4单元，在数据改变命令语言中输入ReportSetCellValue(\"实时报表\, 当前实际温度VD30);，如图6-8所示。
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图6-8 命令语言设置
2）建立历史数据报表
图6-9 数据报表设置
如图6-9所示，创建历史报表和表格样式设计与实时数据报表一样，并可以通过调用历史报表查询函数实现。在画面中建立一个按扭，命名为报表查询，在“弹起时”命令语言中输入历史查询函数：ReportSetHistData2();。在设置报表的格式可以根据实际需要设置，在组态王运行的时候可以进行相应数据变量的选择。
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6.3.5 建立报警窗口 1）历史报警窗口
在工具箱中选用报警窗口工具，在面板中绘制报警窗口，添加文本等就可。如图6-10所示。由于前面已经设置了报警变量，所以当变量值超过所设置的温度时，那就会在报警画面中被记录。
图6-10 历史报警设置
2）实时报警窗口
图6-11 实时报警设置
其制作过程和历史报警窗口类似，不同的是，实时报警画面是要弹出来的，所以必须在新建画面的时候，把大小调好，并选择是“覆盖式”。画面的自动弹出，在事件命令语言中，输入showpicture(\"实时报警窗口\");\\\\本站点\\$新报警=0;，这样每次新报警有产生，就会立刻出报警画面。如上图6-11所示。
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6.3.6 建立参数监控画面
此画面可在线查看当前程序的参数，分别有设定的温度、当前实际温度、运行时间，比例系数P，积分系数I，微分系数D。可以通过手动按扭和自动按扭进行PID参数的选择。双击自动按钮，系统按程序初始的PID参数进行控制，双击手动按钮，可在线修改PID参数，并使得程序在设定的PID参数下运行。当然，也可以修改设定的目标温度值，如图6-12所示。
图6-12 参数监控与设置
7 系统测试
组态王和PLC编程软件不能同时启动，因为他们使用的是同一个端口，要想在线利用组态王监控程序，那就先必须在关闭组态王的情况下，先把PLC程序下载到PLC中，并且运行程序，再把编程软件关闭，才可以启动组态王，这样就可以利用组态王在线监控了。
7.1 启动组态王
打开组态王的项目工程管理器，点击窗口栏中“VIEW”或者在画面中点击右键，选择“切换到VIEW”，启动组态王，进入主画面。这个时候，系统会自动打开一个信息窗口，可以通过信息窗口来知道，组态王的运行情况以及和PLC的连接是否成功。如果连接不成功，会出现通信失败的提示语言，那就要查明原因，否则不能监控。如果提示连接设备成功，窗口会显示开始记录数据，那就表示可以开始系统的运行了。
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图7-1 信息窗口
进入系统的主画面后，如图7-2所示。
图7-2 启动主画面
如果没有点击启动按扭，PLC是处于待命停止阶段的，指示灯是红色的。当确定可以开始系统运行的时候，单击启动按扭，就相当于按下连在PLCI0.1口的开关，程序进入加热模式，指示灯变绿，计时开始。炉子里的灯相当于实物中电阻炉的加热指示灯，两者亮暗的步伐是同步的。如果点击关闭按扭，相当于按下PLC中与I0.2想连接的关闭开关，系统进入停止阶段。画面的下方设置了6个链接，可以点击进入选种画面。如果提示连接设备成功，窗口会显示开始记录数据，那就表示可以开始系统的运行了。
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7.2 参数监控和设定
如图7-3所示，画面的上半部分可以查询当前的实际温度和系统运行时候的PID参数，还可以观察系统运行了多少时间。下半部分设置改变系统的运行参数。点击“手动”按扭，可以在下面的PID参数栏中输入新的PID值，系统在下一采样周期就可以按照设定的参数执行。如果想恢复默认的参数值，可以点击“自动”按扭，点击按扭后，系统又恢复到原来的默认参数。按扭前的灯是用来显示系统正处于哪一种模式下运行。
图7-3 运行时参数监控设置
7.3 报警信息提示
报警窗口分为实时报警窗口和历史报警窗口。实时报警窗口是无论用户处于哪个界面，一旦满足报警条件，实时报警窗口就会弹出来，提示用户。在论文中，报警窗口中设置了两个按扭，一个是停止按扭，按下就会使程序进行停止模式，用于应急，如果用户觉得引起报警的事件还不足于停止设备的运行，那就可以点退出按扭，退出实时报警窗口。实时报警不能记录。只能显示当前的报警事件
历史报警窗口是负责记录过去系统的报警事件，它不会自己弹出来，用户需要切换到他的画面进行查询。
系统中设定了一旦温度超过105oC就报警，但实际操作中，如果没有特殊的情况，一般不会出现那么大的超调，下面的画面是人为的使系统温度过高，来测试一下报警的功能，如图7-4和图7-5所示。
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图7-4 实时报警
图7-5 历史报警画面
7.4 报表系统查询
数据报表有利于工程人员进行统计、分析和处理。组态王提供的是内嵌式报表系统，可以按自己意愿设置报表格式。
7.5 趋势曲线监控
7.5.1 实时趋势曲线
进入此画面，可以看到当前实际温度和设定目标温度两条曲线的实时走势。
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7.5 趋势曲线监控
7.5.1 实时趋势曲线
进入此画面，可以看到当前实际温度和设定目标温度两条曲线的实时走势。
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图7-7 实时趋势曲线
蓝色线表示设定温度的趋势曲线,红色表示当前实际温度的趋势曲线,通过两个曲线的比,可以清楚地监视实际温度曲线的动态特性,这可为系统调试提供一定的帮助.可以按返回按扭回到主画面。 7.5.2 分析历史趋势曲线
此画面可以记录系统自启动以来的数据变化，主要是实际温度的反应曲线。画面中可以查看时间，和对应的数值，并设定了某个区间内的最大值、最小值和平均值，这个区间是可以随意选择的。这样就可以通过画面上的按钮查看曲线任意一点或一段内的某些值，例如超调量，调节时间，振动周期和稳定误差等等。 1）两种控制的比较
如图7-8所示，该曲线是采用粗调和细调程序控制下的反应曲线，可以看出，调节时间约为10分钟，最大超调量为0.5%，就算是最大超调量也在目标的温度之内，而且调节时间很短，只有10分钟。而且稳定的温度正负不超过0.5℃，误差在允许的范围内。
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图7-8 100℃恒温控制
2）系统稳定性分析
下面来与没有使用粗调和细调控制的程序的效果比较一下。利用组态王的参数监控画面的参数修改功能，使程序从一开始就在P=120，I=3.0，D=1.0的参数下运行。得到的曲线图如下，由曲线图可知道，虽然程序能把温度控制，控制精度也算不错，但它的调节时间是大约15分钟，最大超调量是4.8%。在约90oC以前，它的曲线上升速度是不够上图的曲线快，没有充分利用加热管的作用。
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图7-9 不采用粗调和细调控制的反应曲线
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目标设定温度
当前实际温度
图7-10 60℃-90℃-60℃-90℃温度控制
图7-10是反应曲线从室温升到稳定60oC以后，运行一小时利用参数监控和设定画面中的在线修改程序功能，把设定温度从原来的60oC变为90oC，再运行一小时，然后再循环地运行一次。从图中可知道，系统具有快速反应的特点，一旦修改了设定温度，系统能快速地跟踪，而且很快就能稳定下来，在稳定的过程中，具有小超调，运行一个小时，被控变量都在允许地范围内波动，稳定性很好。由此可见，此系统具有反应迅速，抗干扰能力强，稳定性好，控制精度高的优点。
结论
基于PLC的电阻炉温度控制系统设计成功的运用了组态王和PLCS7-200设计了一个人机监控的电阻炉温度控制系统，系统采用位置式PID控制，结合了粗调和微调思想，得到了一个反应迅速，控制精度高、稳定可靠的电阻炉温度控制系统。实验表明，使用粗调和微调程序控制的系统比只使用单一PID参数控制的系统性能更为优越，它具有更小的最大超调量和调节时间。
组态王操作方便，功能强大，为我们在调试程序和系统测试的时候提供了很大的帮助。通过实时趋势曲线可以很好地了解系统的动态特性；通过历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作；报表系统反应了系统的实时和历史的运行情况；报警功能使得系统运行更为安全。设计实验结果符合我们的期望。
但是，此温度控制系统仍然存在一些不足：
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其一，系统的自适应性不够强。由于此系统散热很慢，控制与外界温度（周围气温）的改变密切相关，在不同的室温下虽然最终都能把温度控制在要求的范围内，但调节时间有时候会过大。
其二，程序采用的粗调和微调的程序，但只有两组固定的控制参数，相比现在一些智能控制系统就显得不够智能，如果采取更为先进的控制方法，控制效果可以得到进一步的提高。
其三，人机界面设计不够好，在画面布局和功能设定方面不够友好，对于工程操作人员来说显得有点复杂，不容易被弄懂。
展望未来的电阻炉温度控制系统，将朝着采用先进的控制理论、方法和技术的先进控制系统发展。高精度，高智能将是电阻炉温度控制系统追求的目标。
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