摘要
测控系统网络化已经向自动检测、智能控制、远程操控深入发展。在传统的测控系统领域中大量的测试单元（仪器仪表）和测试点之间、中央处理器等方面的信息交换量越来越大，配合越来越密切的情况下，无线网络技术给测控系统提供了有力的技术支持，使得软硬件各自的优势互补，测控系统网络化发展和应用成为必然。
本设计是基于组态王的占空比PID温度控制系统的设计。通过组态王软件强大的监控界面显示功能、数据库、命令语言、数据库、仿真等，RS232串行接口转换器实现与无线通信平台完成通信，完成后通过牛顿7012采集电压，并转换成为温度进行界面设计，并编写PID占空比程序进行外部控制，设置以固定时间T0为加热周期，如10秒，根据PID数字输出，去调节10秒内的加热时间的百分比，加热比例为T1/T0，若10秒内加热10%，则T0=10秒，T1=1秒，以改变加热功率。控制时，根据PID数字输出，算出加热比，经过DA输出5VDC时通电，0VDC时断电，以此来实现温度的占空比PID控制。
目录
1 绪论 1
2 系统简介 2
2.1 系统结构 2
2.2 硬件原理 4
2.3 控制原理 5
3 组态软件概述 7
3.1 组态软件应用的背景 7
3.2 组态软件的特点和功能 7
3.3 组态软件现状和使用组态软件的步骤 8
3.4 KingviewV6.55概述 9
4 界面设计编程 11
4.1 设备连接 11
4.2 主要界面设计 11
4.3 变量设置 13
4.4 动画连接 13
总结 15
参考文献 16
1 绪论
基于组态王的占空比PID温度控制系统设计主要包括：采集温度控制箱的温度数据；和微机进行串口连接，使能够把采集到的温度数据显示在微机平台；进行调试，完成与无线通信模块连线之间的网络测控系统，确保不同占空比下温度的PID控制。
无线通信是利用电磁波信号的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。尤其在分布距离较远且数据传输量不大时，无线通信网络的优势更为明显，为网络测控系统提供了信息交换平台。
组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环，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。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。随着组态软件自身以及控制系统的发展，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。OPC（OLE for Process Control）的出现，以及现场总线尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间的互连，降低了开发I/O设备驱动软件的工作量。I/O驱动软件也逐渐向标准化的方向发展。
因此本系统设计采用组态王组态软件实现功能设计和测试，当程序在调试时，使用实验箱I/O设备模拟下位机向画面程序提供数据，为画面程序的调试提供方便。组态王提供一个设备接口，用来模拟实际设备向程序提供数据，供用户调试。用户如果对控制效果不满意，可以在线反复修改“P，I，D参数”，用计算机实现PID控制，把模拟PID控制规律数字化，进一步与计算机的逻辑判断功能相结合，使PID控制满足生产过程提出的要求。
本论文所设计的基于无线控制网络的电加热炉温度控制系统具有控制精度高、控制温度范围大、升温速度快等优点。因此对于一个具体的控制对象或者对象模型来说，单凭现场调试不仅需要大量反复的实验，而且需要调试者对PID控制方式有深入的了解
2 系统简介 2.1 系统结构 （1）系统整体结构 本课程设计利用实验室的无线通信控制网络平台实现电加热炉（电烤箱）的温度控制，控制算法采用PID控制算法，无线模块为台湾威达（ICP）无线通信模块SST900EXT，通信距离1km；波特率最大19200；232/485通信接口；计算机用RS232口通信，也可以通过USB转RS232转换器进行连接。 - 7044：数字量模块，4DI（开关量）/8DO（OC门）；485接口；地址设为3。
- 7012： 模拟量输入模块，16位隔离；485接口；地址设为2；电压输入0~10VDC对应0~32767数字量。
- 7021：模拟量输出模块，12位隔离；485接口；地址设为1；电压输出：0~4095对应0~10VDC。
硬件平台原理图如图2.1所示，实物图如图2.2所示。 
图2.1 无线通信控制网络平台原理  
图2.2 无线通信控制网络平台实物图 （2）温度控制系统电路连接 温度控制系统使用7012和7021两个控制模块实现。温度控制系统连线如下图2.3所示。 图2.3 温度控制系统连接图
2.2 硬件原理 无线通信硬件原理图和实验箱温度控制原理图如下图2.4、2.5所示。 
图2.4 无线通信控制网络电路图 
图2.5 实验箱温度控制电路图 2.3 控制原理 （1）典型计算机控制系统原理图如图2.6所示。  图2.6 计算机控制系统原理图
对于温度控制系统，r是设定温度值；数字控制器是PID控制器；执行机构是调压模块；被控对象是电加热炉；y是实际温度值，测量变送包括PT100传感器和变送器（本设计系统对应0~100℃变送为0~10VDC电压）。 - 电热炉模型如图2.7所示，控制曲线如图2.8所示。
 
图2.7 电热炉模型  图2.8 控制曲线 （3）加热电压控制方式 本温度控制系统的执行器为电热炉电压调节模块，设计中加热电压控制为占空比控制方式，以固定时间T0为加热周期，如5秒，根据PID数字输出，去调节5秒内的加热时间的百分比，如图9，加热比例为T1/T0，若5秒内加热10%，则T0=5秒，T1=0.5秒，以改变加热功率。控制时，根据PID数字输出，算出加热比，经过DA输出5VDC时通电；0VDC时断电。如图2.9所示。  图2.9 占空比
3 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，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。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（Human Machine Interface，人机接口软件）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。 在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术日臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易的得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。 组态的英文是“Configuration”,简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中的某一具体任务的过程。与硬件生产相对照，组态与组装类似。 3.1 组态软件应用的背景 组态软件由早先单一的人机界面向数据处理机方向发展，管理的数据项越来越大，实时数据库事的作用进一步加强。随着组态软件自身以及控制系统的发展，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。OPC（OLE for Process Control）的出现，以及现场总线尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间的互连，降低了开发I/O设备驱动软件的工作量。I/O驱动软件也逐渐向标准化的方向发展。组态软件是一个完全意义上的工业级软件平台，现已广泛应用于化工、电力、国属粮库、邮电通信、环保、水处理、冶金和食品等各个行业，并且作为首家国产监控组态软件应用于国防、航空航天等关键领域。 3.2 组态软件的特点和功能一般来说，组态软件是数据采集监控系统（Supervisory Control and Data Acquisition, 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。 组态软件的主要特点是： （1）延续性和可扩性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需要很多修改就可方便的完成软件的更新和升级。 （2）封装性 。通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户的方法包装起来，对于用户，不需要掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。 （3）通用性。每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。 目前看到的所有组态软件都能实现如下的类似功能: 几乎所有运行于32位Windows平台的组态软件都采用类似的资源浏览器的窗口结构，并对工业控制系统中的各种资源（设备、标签、画面等）进行配置和编辑；处理数据报警及系统报警；提供多种数据驱动程序；各类报表的生成和打印输出；使用脚本语言提供二次开发的功能；存储历史数据并支持历史数据的查询等。 3.3 组态软件现状和使用组态软件的步骤 （1）组态软件的现状 目前应用比较广泛的国外组态软件有WondWare的InTouch、西门子公司的WinCC、澳大利亚的CiTech、美国Interlution公司的Fix、意大利LogoSystem的LogView等。 这些软件系统主要有数据采集与控制信息发送、报警处理和历史趋势显示与记录功能，但是针对国内的需要，这些系统还有明显的弱点：本地化差，虽然部分系统已经汉化，但是中国市场中某些行业规范，它们很难满足；价格昂贵，这些系统价格昂贵，很难为国内一般应用所接受。 同国外系统相比，大部分国产通用系统具有较高的性能价格比，本地化能力较强，如三维科技公司的力控、北京亚控科技公司的组态王等。但多数产品仍有诸如与MIS集成能力差、GIS功能薄弱、多任务调度能力差、事故追忆和诊断能力缺乏等致命的弱点，要满足企业级和行业部门级大型集中监控管理GIS系统的要求，还需要相当长的时间。 （2）使用组态软件的一般步骤 如何把具体的工程应用在组态王软件中进行完整、严密的开发，使组态软件能够在正常工作，主要包括以下几个典型的组态步骤： （1)：将所有I/O点的参数收集齐全，并填写表格，以备在监控组态软件和PLC上组态时使用。 （2):搞清楚所使用的I/O设备的生产商、种类、型号、使用的通信接口类型，采用的通信协议，以便在定义I/O设备时做出准确选择。 （3):将所有I/O点的I/O标识收集齐全，并填写表格，I/O标识是唯一地确定一个I/O点的关键字，组态软件通过向I/O设备发出I/O标识来请求其对应的数据。在大多数情况下I/O标识是I/O点的地址或位号名称。 （4):根据工艺过程绘制、设计画面结构和画面草图。 （5):按照第一步统计出的表格，建立实时数据库，正确组态各种变量参数。 （6):根据第一步和第二步的统计结果，在实时数据库中建立实时数据库变量与I/O点一对一的对应关系，即定义数据连接。 （7):根据第四步的画面结构和画面草图，组态每一幅静态的操作画面（主要是绘图）。 （8):将操作画面中的图形对象与实时数据库变量建立动画连接，规定动画属性和幅度。 （9):视用户需求，制作历史曲线，报警显示，以及开发报表系统。之后，还需要加上安全权限设置。 （10):对组态内容进行分段和总体调试，视调试情况进行相应修改。 （11):将全部内容调试完成以后，对上位软件进行最后完善，让系统投入正式运行。 3.4 KingviewV6.55概述 组态王 KingviewV6.5软件是运行于Windows2000/NT4.0(补丁6)/XP简体中文版的中文界面的人机界面软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件使用方便，功能强大，性能优异，运行稳定，质量可靠。 组态王KingviewV6.5软件包括以下三部分组成： 工程管理器（ProjManager） ； 工程浏览器（TouchExplorer）； 工程浏览器（TouchExplorer）； 在“组态王”软件中，用户建立的每一个应用程序为一个工程。在每一个工程的路径下，生成了一些重要的数据文件，这些数据文件不允许直接修改，必须通过工程管理器或工程浏览器来修改。 （1）工程管理器 对于系统集成商和用户来说，一个系统开发人员可能保存有很多个组态王工程，对于这些工程的集中管理以及新开发工程中的工程备份等都是比较繁琐的事情。工程管理器是应用程序的管理系统，具有很强的管理功能，主要作用是为用户集中管理本机上的组态王工程。工程管理器的主要功能包括：新建工程、删除工程，搜索指定路径下的所有组态王工程，修改工程属性，工程的备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。 工程管理器实现了对组态王各种版本工程的集中管理，使用户在进行工程开发和工程的备份、数据词典的管理上方便了许多。 （2）工程浏览器 工程浏览器是组态王的一个重要组成部分，它将图形画面、命令语言、设备驱动程序、配方、报警、网络等工程元素集中管理，工作人员可以一目了然地查看工程的各个组成部分。工程浏览器简便易学，操作界面和Windows中的资源管理器非常类似，为工程的管理提供了方便高效的手段。组态王开发系统内嵌于组态王工程浏览器，又称为画面开发系统，是应用程序的集成开发环境，工程人员在这个环境里进行系统开发。 利用“工程管理器”界面：单击菜单“工具/切换到开发系统”命令或工程管理器工具条上的“开发”按钮或快捷菜单“切换到开发系统”命令或双击工程信息显示区中显示的工程条目后，进入组态王开发系统（即工程浏览器），同时将自动关闭工程管理器。 （3）画面运行系统 在组态王中，工程浏览器（TouchExplorer）和画面运行系统（TouchView）是各自独立的Windows应用程序，均可单独使用。一个工程可以同时被编辑和运行，这对于工程的调试是非常方便的。同时两者又相互依存，在工程浏览器内嵌的画面制作开发系统中设计开发的画面应用程序必须在画面运行系统的运行环境中才能运行。
4 界面设计编程 4.1 设备连接 
首先进行上位机与下位机之间的连接。连接成功标志图如4-1所示。
图4.1 设备连接图 4.2 主要界面设计 （1）启动组态王工程管理器，选择菜单“文件”中的“新建工程”，建立一个工程文件；进行界面设计中控件与各种参数连接；进行调试界面变得友好， 简洁。 本系统主界面界面设计如图3.2所示。
图4.2 主界面设计
（2）选择菜单“文件”中的“新画面”，建立一个新画面，命名为“电热炉数学模型”如图4.2所示。
图4.2 电热炉数学模型图
- 选择菜单“文件”中的“新画面”，建立一个新画面，命名为“PID温度控制原理图”如图4.3所示。
图4.3 PID温度控制原理图
4.3 变量设置 打开工程浏览器，点击“数据词典”，再点击“新建”建立“设定温度”、“当前温度”、“P”、“I”、 “D”、“输出”等变量。其中变量类型和寄存器是最关键的，在组态王和下位机之间传输的变量都是I/O类型的，只在组态王内部需要的是内存型的。寄存器和数据类型要与程序中一致，否则组态王就不能起到监控作用了。比如“设定温度”的寄存器为AI,数据类型为float。“当前温度”的寄存器为AO,数据类型为float。变量设置见图4.4所示。 
图4.4 变量设置 4.4 动画连接 打开主界面，双击需要设定值，出现如图 4.5 所示的动画连接画 面。在模拟值输如左边打钩，出现模拟值输入连接画面。点击表达式框右边的问号，选择变量 。输出格式中设置合适整数位数和小数，显示格式设置为十进制，最后点击“确定” 。 动画连接见图4.5所示。 
图4.5 动画连接
总结 从本次设计选题，查阅资料，设计题目，完成设计以及论文的撰写用了两周多的时间。这是一次难得的实践机会，通过本次课程设计，我们对工业控制控了解进一步加深。 本次设计研究的是温度控制，采用PID算法控制，经过运行结果分析得到的PID控制规律为：P越大，被控量上升速度变快，稳态误差减小，但是超调量增大，震荡次数增加，调节时间增长，动态性能变坏。增益过大还会使闭环控制不稳定，反之亦然。积分系数I增大，减小了稳态误差，提高了控制精度，在纯比例控制的基础上增加积分控制，被控量最终等于设定值，稳态误差会被消除。但I过大时会导致：系统动态性能变差，超调量变大。如果I过小，则会导致消除误差的速度非常慢。微分控制系数D有超前和预测作用，在温度尚未超过稳态值之前，根据被控量变化的趋势，微分系数D就能提前采取措施，减小超调量。适当的微分控制作用，可以使超调量减小，调节时间缩短，增加系统的稳定性。增大D的值以后，系统超调量变小，震荡周期缩短，震荡幅度减小。但当D过大时，会使超调量变大，响应曲线变化迟缓。
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