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⑶从降低原料、成品、动力损耗来考虑。
⑷从介质的性质考虑，以保证在控制阀是去能源是所处的状态能够避免原材料或产品的浪费。而且要注意原料或产品是否易凝、易结晶、易聚合的物料时，以防控制阀失去能源时，会造成不良的效果。
考虑到生产的安全，当煤气系统中断或控制器发生故障无信号输出，致使执行器的阀芯恢复到无能源的初始状态时，不至于发生事故，而且焦炉煤气具有易燃、易爆的性质时，为防止在异常情况下产生爆炸，燃料和空气流量执行器都应选用气开式，一旦发生事故，则立即处于关闭状态，不再提供燃料，以免造成浪费，从而有利于降低原料成本和节能。
在串级控制系统中，主副控制器的正反作用的选择顺序应该是先副后主。 副控制器的正反作用要根据要根据副环的具体情况决定，而与主环无关。考虑问题的出发点与单回路控制系统相同，即为了使副回路构成一个稳定的系统，副环的开环放大倍数的符号必须为“负”，也就是说，副环内所有各环节放大倍数的符号的乘积应为“负”。因此，只要知道了控制阀、副对象和副变送器的放大倍数符号，就可以很容易的确定副控制器的正反作用。
副控制器正、反作用确定后，就可以确定主控制器的正、反作用，主控制器的正、反作用要根据主环的所包括的各个环节的情况来确定。主环内包括主控制器、副回路、主对象和主变送器。对于副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待，因为副回路是一随动系统，对它的要求是：副变量能快捷的跟踪给定值（即随主控制器输出的变化而变化），因此，整个副回路可视为一放大倍数未正的环节来看待。这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数为“负”的要求，就可以确定主控制器的正反作用。实际上，主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为“正”的环节，因此，主控制器的正反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选负作用；反之，当主对象放大倍数为“负”时，主控制应选正作用。
所以根据以上分析，炉温串级控制系统的副环中，煤气流量变送器的符号为“正”，对象煤气流量符号也为“正”，煤气阀为气开式，所以符号为“正”，所以根据副环内所有各环节放大倍数的符号的乘积应为“负”的要求，煤气流量控
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制器为反作用方式。主环中把副环看是放大倍数为“正”，而炉温变送器的符号应为“正”，炉温对象的符号也为“正”，炉温控制器的调节阀为气开式，所以符号为“正”。由此可见，根据炉温控制器的符号为正也是反作用方式。
3.5 PLC的选择
控制器是常规仪表控制系统中的核心环节。担负着整个控制系统的“指挥”工作，正确地选用控制器，可以大大改善和提高整个过程控制系统的控制品质，该控制系统包含流量、温度两种控制器，所以必须根据实际的工艺要求选择合适的控制器。
本设计选用的是西门子系列可编程控制器。PLC是可编程控制器的英文缩写，它是综合了计算机、自动化技术与继电器逻辑控制概念而开发的一代新型工业控制器，是专为工业环境应用而设计的。它可以取代传统的继电器完成开关量控制，比如将行程开关、按钮开关、无触点开关或敏感元件作为输入信号，输出信号可控制电动阀门、开关、电磁阀和步进电机等执行机构。它采用可编程的存储器，在其内部存储，执行逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入和输出控制各类型的机械和生产过程实现自动化。
PLC及其相关的外围设备都应该以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。它的主要功能有：⑴在线数据采集和输出；⑵控制功能，包括条件控制、顺序控制、逻辑控制、定时、计数等；⑶数据处理功能，既能进行基本数学、逻辑运算，还可以通过编程实现复杂的控制算法；⑷输入/输出信号调制功能；⑸通信、联网功能，可进行远程控制、多台PLC间联网通信、外部器件与PLC的信号处理单元之间实现程序和数据交换等；⑹支持人机界面功能；⑺编程、调试等。
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过电气控制系统来实现的。
PLC的特点是：⑴可靠性高，抗干扰能力强；⑵配套齐全，功能完善，适用性强；⑶操作简单，易学易用，深受工程技术人员欢迎；⑷系统的设计、建造工作量小，维护方便、易于改造；⑸体积小、质量轻、功耗低。
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S7-200是一种小型的可编程控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络节能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯功能、丰富的扩展模块。
S7-200包括集成的24V电源、高速脉冲输出、通信口、模拟电位器、EEPROM存储器模块、电池模块、高速计数器以及CPU模块。该系统中配置了模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块、高速计数模块、监控模块、所有输入/输出模块，全部采用光电隔离，大大提高了系统抗干扰能力。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设备、民用设备、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
本设计选用西门子公司S7-200系列PLC中的过程控制器CPU224作为整个加热炉控制系统的核心。本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。I/O端子排可以很容易的整体拆卸。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU 224具有1个RS-485通信口，支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。若采用24V DC电源，则24V DC输入，24V DC输出；若采用100—230V AC电源，则24V DC输入，继电器输出。它是具有较强控制能力的控制器，该产品具有标准化程度高、可靠性高、操作性强、可维护性好、可扩展性好等特点。
3.6 通信协议的选择
在监控设备的开发过程中，需要考虑与S7-200系列PLC的通讯方式。S7-200系列PLC支持的通讯方式有：PPI、MPI、Profibus和自由口。采用MPI协议需要相应的CP卡或MPI卡支持，如CP5511 PCMCIA；若采用Profibus协议，则需要Profibus-DP模块EM277；若采用自由口方式，则在PLC中以及上位机中都需
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要编写通讯程序，实现起来较困难，同时也会占用PLC有限的程序存储空间；若采用PPI协议，则上位机只需要按照PPI协议进行通讯即可，PLC中不需要编写通讯程序，这对于像竹节纱控制系统来说，极大地节省了PLC有限的程序存储空间。
PPI通信协议是西门子公司专为S7-200系列PLC开发的通讯协议。内置于S7-200CPU中。PPI协议物理上基于RS-485口，通过屏蔽双绞线就可以实现PPI通讯。PPI协议是一种主-从协议。主站设备发送要求到从站设备，从站设备响应，从站不能主动主动发出信息。主站靠PPI协议管理的共享连接来与从站通讯。PPI协议并不限制与任意一个从站的通讯的主站的数量，但在一个网络中，主站不能超过32个。PPI协议最基本的用途是让西门子STEP7-Micro/WIN编程软件上传和下载程序和西门子人机界面与PC通信。
PPI协议是一个主从协议：主站向从站发出请求，从站做出应答。从站不主动发出信息，而是等候主站向其发出请求或查询，要求应答。PPI协议不限制能够与任何一台从站通讯的主站数目；但是，无法在网络中安装32台以上主站。PPI协议是不公开的，可以通过监听PPI协议的通信数据，与Profibus标准进行对比分析，归纳总结就可以得到PPI协议的报文格式。另外，通讯设置采用8个数据位，1个停止位，偶校验，波特率可自行选择。
PPI协议通讯采用主从方式，允许多主站，主站可以是PC机，也可以是HMI、PLC等设备，但是一个网络上不允许超过32台主站，从站为PLC。每一条完整的PPI指令的实现需要四次子指令操作，主站发出读写指令，从站响应并发出响应信息，主站收到此信息后发出确认信息，从站收到确认信息后完成读写操作并返回相应的数据。主从站这样来回的收发两次数据即完成一次读写数据的操作。
综上所述，本设计选用PPI通信协议来实现S7-200 PLC与上位机监控系统之间的通讯。
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第四章 环形加热炉温度控制系统的软件设计
环形加热炉控制系统是采用西门子PLC系统和组态王监控系统来实现的，整个系统包括了硬件系统和软件系统，下面详细介绍软件系统。
4.1 编程软件step7简介
Step7是用于西门子S7-200系列PLC创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用多种编程语言：
(1)梯形图(LAD) (2)功能块图(FBD) (3)语句表(STL) 4.1.1 梯形图编程语言简介
本设计主要利用梯形图进行编程，故下面着重介绍一下梯形图编程语言。 梯形图编程语言是在继电器-接触控制系统电路图基础上简化了符号演变而来的，在简化的同时还加进了许多功能强而又使用灵活的指令，时目前应用最广泛的一种可编程控制器编程语言。按在梯形图（LAD）中，程序被分为网络的一些程序段。每个梯形图网络是由一个或多个梯级组成。梯形图程序区段的结构对应于继电器开关操作的梯级。在梯形图编辑器中，背景窗口是逻辑网格。在它的左边有所谓的左汇流条。这些左汇流条对应于梯级的相线(L线路)。正如在梯级中一样，只有接至电源及接至左汇流条的梯形图目标将在梯形图编程期间被“编辑”，对应于中线的右汇流条不进行显示。但是，在内部，所有的线圈和FB、FC输出都接在它上面，从而建立起电流通路。编程语言梯形图的基本目标是为了构建PLC的组织单元节(Network)，可以加入大量的触点、线圈以及基本功能、基本功能块、导出功能块等。当生成链路时，与其它链路的目标重叠是允许的。
在梯形图中，并没有真实的电流流动。为了便于分析PLC的周期扫描原理及信息存储空间分布的规律，假想在梯形图中有“电流”流动，这就是“能流”。能流在梯形图中只能作单方向流动（从左向右流动），层次的改变只能先上后下。梯形图程序区段中的各个目标的处理次序由节中数据流来确定。添加在左汇流条的网格从上至下进行处理。在程序区段中的彼此独立的网格按放置次序依次进行处理。
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