基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),基于,plc,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) I 摘 要 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是基于 PLC 的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，筆者主 要負(fù)責(zé)的是控制算法的設(shè)計(jì)，因此在論文中設(shè)計(jì)用到的 PID 算法提到得較多。 本文的主要內(nèi)容包括：水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析， S7-300 可編程控 制器的硬件掌握，PID 參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng)用 PID 控制 算法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和應(yīng)用 PLC 語(yǔ)句編程來(lái)控 制水箱水位。 關(guān)鍵詞：S7-300 西門(mén)子 PLC、控制對(duì)象特性、PID 控制算法、擴(kuò)充臨界比例法、 壓力變送器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、PID 指令。 Abstract This graduation project topic is based on the PLC fluid position control system design. In the design, I am control the algorithm which the author primary cognizance the design, therefore designs in the paper with to the PID algorithm mentions many. The this article main content includes: water tank characteristic determination and experimental curve analysis，the S7-300 programmable controller hardware grasps， PID parameter installation and each parameter control performance comparison，experimental curve analysis obtains which using the PID control algorithm and overall system each part of introduction and programs using the PLC sentence controls the water tank water level. Key words: SIMATIC S7-300 PLC, the controlled member characteristic, the PID control algorithm, the expansion critical ratio method, the pressure change delivering, the electrically operated regulating valve. II 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT.I 第 1 章 緒論 .1 1.1 PLC 的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀 .1 1.2 過(guò)程工業(yè)控制算法的應(yīng)用現(xiàn)狀 .2 1.3 PID 控制的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀 .3 1.4 論文的研究?jī)?nèi)容 .5 第 2 章 S7-300 中小型 PLC 和控制對(duì)象介紹 .6 2.1 西門(mén)子 PLC 控制系統(tǒng) .6 2.1.1 CPU 模塊 .7 2.1.2 模擬量輸入模塊 .8 2.1.3 模擬量輸出模塊 .9 2.1.4 電源模塊 .10 2.2 控制對(duì)象特性 .11 2.2.1 一階單容上水箱特性 .11 2.2.2 二階雙容下水箱對(duì)象特性 .14 第 3 章 PID 控制算法介紹 .18 3.1 PID 控制算法 .18 3.2 PID 調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程 .20 3.2.1 比例控制與其調(diào)節(jié)過(guò)程 .21 3.2.2 比例積分調(diào)節(jié) .21 3.2.3 比例積分微分調(diào)節(jié) .22 3.3 串級(jí)控制 .22 3.4 擴(kuò)充臨界比例法 .24 III 3.5 在 PLC 中的 PID 控制的編程 .25 3.5.1 回路的輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化 .26 3.5.2 變量的范圍 .28 3.5.3 控制方式與出錯(cuò)處理 .29 第 4 章 控制方案設(shè)計(jì) .31 4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) .31 4.1.1 上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié) .31 4.1.2 上水箱下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng) .32 4.2 硬件設(shè)計(jì) .33 4.2.1 檢測(cè)單元 .33 4.2.2 執(zhí)行單元 .34 4.2.3 控制單元 .36 4.3 軟件設(shè)計(jì) .36 第 5 章 實(shí)驗(yàn)情況介紹 .39 5.1 上水箱液位比例調(diào)節(jié) .39 5.2 上水箱液位比例積分調(diào)節(jié) .40 5.3 上水箱液位比例積分微分調(diào)節(jié) .41 第 6 章 結(jié)論 .43 參考文獻(xiàn) .44 致謝 .46 1 第 1 章 緒論 1.1 PLC 的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀 可編程控制器出現(xiàn)前，繼電器控制在工業(yè)控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是繼電 器控制系統(tǒng)具有明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備體積大、可靠性低、故障查找困難以及維修不 方便。由于接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝和流程改變時(shí)必須改變接線，因此，其通用性 和靈活性較差。 20 世紀(jì) 60 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但由于價(jià)格高、輸 入輸出電路不匹配、編程難度大以及難以適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè) 控制領(lǐng)域獲得推廣。20 世紀(jì) 60 年代末，美國(guó)汽車(chē)制造工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，為適應(yīng)生 產(chǎn)工藝不斷更新的需要，1968 年美國(guó)通用汽車(chē)公司(GM)提出了研制新型邏輯順序 控制裝置的十項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)。主要內(nèi)容是： 1)編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序。 2)維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)。 3)可靠性高于繼電器控制裝置。 4)體積小于繼電器控制盤(pán)。 5)數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)。 6)成本可與繼電器控制盤(pán)競(jìng)爭(zhēng)。 7)輸入可為市電 8)輸出可為市電，容量要求在 2A 以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器等。 9)擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小。 10) 用戶存儲(chǔ)器大于 4KB。 這些實(shí)際上提出了將繼電器控制的簡(jiǎn)單移動(dòng)、使用方便、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)與計(jì) 算機(jī)的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，將繼電接觸器控制的硬連 線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)的軟件邏輯編程的設(shè)想。美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)中標(biāo)，并于 1969 年研制出第一臺(tái)可編程控制器 PDP-14，在美國(guó)通用汽車(chē)公司的生產(chǎn)線上試 用成功，并取得了滿意的效果，可編程控制器自此誕生。 2 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器(Programmable Logic Controller.以下簡(jiǎn) 稱PLC) 由原來(lái)簡(jiǎn)單的邏輯量控制，逐步具備了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能，同時(shí)，還 具有抗干擾性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、體積小、編程方便、修改容易、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大等顯 著優(yōu)點(diǎn)，它可以與計(jì)算機(jī)一起組成功能完備的控制系統(tǒng)。PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域得 到了廣泛的應(yīng)用，在PLC組成的控制系統(tǒng)中，一般由上、下位機(jī)組成主從式控制 系統(tǒng)。PLC作為下位機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別、輸入輸出控制等，上位機(jī)(微 型計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制機(jī))，完成采集數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、分析處理、復(fù)雜運(yùn)算、狀態(tài) 顯示以及打印輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。微型計(jì)算機(jī)與PLC組成的主從式 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)和功能，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。 PLC的定義如下： “可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為 工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏 輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬 式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè) 備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原理設(shè)計(jì)。 S7-300的CPU具有豐富的指令功能，編程十分方便。采用PLC作為液位控制 系統(tǒng)的核心，克服了以往儀表控制的單回路調(diào)節(jié)器的缺點(diǎn)，可以由用戶自己定義 PID參數(shù)，控制液位變化曲線，同時(shí)利用PLC控制邏輯量的優(yōu)點(diǎn)，與輸入、輸出信 號(hào)通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)連鎖，可以對(duì)各種故障情況及時(shí)做出反應(yīng)，使控制系統(tǒng)更 加安全可靠。 1.2 過(guò)程工業(yè)控制算法的應(yīng)用現(xiàn)狀 畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于PLC 的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),在其中我主要負(fù)責(zé)的是控制算法 的設(shè)計(jì)。 過(guò)程控制在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，在理論的研究與生產(chǎn)的實(shí)踐中發(fā)展出很多 的控制算法，主要有下列幾種： (1) PID控制算法 大量的事實(shí)證明，傳統(tǒng)的PID控制算法對(duì)于絕大部分工業(yè)過(guò)程的被控對(duì)象(高 達(dá)90%)可取得較好的控制結(jié)果。采用改進(jìn)的PID算法或者將PID算法與其他算法進(jìn) 行有機(jī)的結(jié)合往往可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。 3 (2) 預(yù)測(cè)控制 預(yù)測(cè)控制是直接從工業(yè)過(guò)程控制中產(chǎn)生的一類(lèi)基于模型的新型控制算法。它 高度結(jié)合了工業(yè)實(shí)際的要求，綜合控制質(zhì)量比較高，因而很快引起工業(yè)控制界以 及學(xué)術(shù)界的廣泛興趣與重視。預(yù)測(cè)控制有三要素，即預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋 校正。它的機(jī)理表明它是一種開(kāi)放式的控制策略,體現(xiàn)了人們?cè)谔幚韼в胁淮_定性 問(wèn)題時(shí)的一種通用的思想方法。 (3) 自適應(yīng)控制 在過(guò)程工業(yè)中，不少的過(guò)程是時(shí)變的，如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器， 則控制系統(tǒng)的性能會(huì)不斷惡化，這時(shí)就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)時(shí)變的過(guò) 程。它是辨識(shí)與控制的結(jié)合。目前，比較成熟的自適應(yīng)控制分三類(lèi)：A 、自整定 調(diào)節(jié)器及其它簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制器；B、模型參考自適應(yīng)控制；C、自校正調(diào)節(jié)與控 制。自適應(yīng)控制己在工程實(shí)際中得到了不少的應(yīng)用，但它至今仍然有許多待進(jìn)一 步解決的問(wèn)題( 特別在參數(shù)估計(jì)方面)，這些問(wèn)題不解決，自適應(yīng)控制的廣泛應(yīng)用仍 將遇到許多困難。 (4) 智能控制 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)過(guò)程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的 魯棒性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性以及對(duì)控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。另外，被控工 業(yè)過(guò)程日趨復(fù)雜，過(guò)程嚴(yán)重的非線性和不確定性，使許多系統(tǒng)無(wú)法用數(shù)學(xué)模型精 確描述。沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型作前提，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。智能控 制對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程往往可以取得很好的控制效果。常見(jiàn)的智能控制方法有以 下幾種：模糊控制、分級(jí)遞階智能控制、專家控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人 智能控制等。這些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。研究表明將它 們相互交叉結(jié)合或與傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合將會(huì)產(chǎn)生更佳的效果。智能控制在家電 行業(yè)及工業(yè)過(guò)程中取得了許多成功的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)外，模糊控制與人工神經(jīng)元網(wǎng) 絡(luò)也在石化、鋼鐵、冶金、食品等行業(yè)取得了成功的應(yīng)用。 1.3 PID 控制的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀 PID 控制技術(shù)的發(fā)展可以分為兩個(gè)階段。20 世紀(jì) 30 年代晚期微分控制的加入 標(biāo)志著 PID 控制成為一種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)也是 PID 控制兩個(gè)發(fā)展階段的分水嶺。第一個(gè) 4 階段為發(fā)明階段 (19001940)PID 控制的思想逐漸明確，氣動(dòng)反饋放大器被發(fā)明， 儀表工業(yè)的重心放在實(shí)際 PID 控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。1940 年以后是第二階段 革新階段。在革新階段，PID 控制器已經(jīng)發(fā)展成一種魯棒的、可靠的、易于應(yīng)用 的控制器。儀表工業(yè)的重心是使 PID 控制技術(shù)能跟上工業(yè)技術(shù)的最新發(fā)展。從氣 動(dòng)控制到電氣控制到電子控制再到數(shù)字控制，PID 控制器的體積逐漸縮小，性能 不斷提高。一些處于世界領(lǐng)先地位的自動(dòng)化儀表公司對(duì) PID 控制器的早期發(fā)展做 出重要貢獻(xiàn)，甚至可以說(shuō) PID 控制器完全是在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中被發(fā)明并逐步完善 起來(lái)的。值得指出的是，1939 年 Taylor 儀器公司推出的一款帶有所謂“Preact” 功能的名為“Fulscope”的氣動(dòng)控制器以及同時(shí)期 Foxboro 儀器公司推出的帶有所 謂“Hyper-re-set ”功能的“Stabilog”氣動(dòng)控制器都是最早出現(xiàn)的具有完整結(jié)構(gòu)的 PID 控制器。 “Pre-act”與“Hyper-re-set”功能實(shí)際都是在控制器中加入了微分控 制。PID 控制至今仍是應(yīng)用最廣泛的一種實(shí)用控制器。各種現(xiàn)代控制技術(shù)的出現(xiàn) 并沒(méi)有削弱 PID 控制器的應(yīng)用，相反，新技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)于 PID 控制技術(shù)發(fā)展起了 很大的推動(dòng)作用。一方面，各種新的控制思想不斷被應(yīng)用于 PID 控制器的設(shè)計(jì)之 中，或者是用新的控制思想設(shè)計(jì)出具有 PID 結(jié)構(gòu)的新控制器，PID 控制技術(shù)被注 入了新的活力。另一方面，某新控制技術(shù)的發(fā)展要求更精確的 PID 控制，從而刺 激了 PID 控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展。 總結(jié)近年來(lái) PID 控制的發(fā)展趨勢(shì)，可以將 PID 控制的發(fā)展分為兩個(gè)大方向： 傳統(tǒng) PID 控制技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展和各種新型控制技術(shù)與 PID 控制的結(jié)合。傳統(tǒng) PID 控制的發(fā)展包括自整定技術(shù)，變?cè)鲆婵刂坪妥赃m應(yīng)控制。傳統(tǒng) PID 控制的發(fā)展可 以改善 PID 控制的效果,使 PID 控制器的自動(dòng)化程度和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力不斷提高。 各種新型控制技術(shù)與 PID 控制的結(jié)合包括新控制技術(shù)應(yīng)用于 PID 控制器的設(shè)計(jì)與 整定之中，或者是使用新的控制思想設(shè)計(jì)出具有 PID 結(jié)構(gòu)的新控制器。諸如模糊 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新型控制技術(shù)與 PID 控制的結(jié)合擴(kuò)大了 PID 控制器的應(yīng)用范圍， 對(duì)于解決非線性和不確定系統(tǒng)控制等采用傳統(tǒng) PID 控制器難以有效控制的情況收 到了很好的效果。 在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制的發(fā)展歷程中，PID 控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的 基本控制方式。在本世紀(jì) 40 年代以前，除在最簡(jiǎn)單的情況下可采用開(kāi)關(guān)控制外， 它是唯一的控制方式。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是電子計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā) 5 展，涌現(xiàn)出許多新的控制方式。然而直到現(xiàn)在，PID 控制由于它自身的優(yōu)點(diǎn)仍然 是得到最廣泛應(yīng)用的基本控制方式。 PID 控制具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1) 原理簡(jiǎn)單，使用方便。 2) 適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等 各種生產(chǎn)部門(mén)。按 PID 控制進(jìn)行工作的自動(dòng)調(diào)節(jié)器早已商品化。在具體 實(shí)現(xiàn)上它們經(jīng)歷了機(jī)械式、液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電子式等發(fā)展階段，但始 終沒(méi)有脫離 PID 控制的范疇。系統(tǒng)中所用的 PLC 是 S7-300 系列的 PLC，其中配有 PID 的控制模塊和專門(mén)的 PID 控制功能指令，方便進(jìn)行 PID 控制。 3) 魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感。 在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般采用兩種 PID 控制算法：一種是含 有理想微分的 PID 控制，另一種是含有實(shí)際微分的 PID 控制。 1.4 論文的研究?jī)?nèi)容 本文的主要內(nèi)容包括：水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析， S7-300 可編程控制 器的硬件掌握，PID 參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng)用 PID 控制算 法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和應(yīng)用 PLC 語(yǔ)句編程來(lái)控制 水箱水位。 6 第 2 章 S7-300 中小型 PLC 和控制對(duì)象介紹 2.1 西門(mén)子 PLC 控制系統(tǒng) 西門(mén)子的中小型 PLC S7-300 系列采用模塊式結(jié)構(gòu)，用搭積木的方法來(lái)組成系 統(tǒng)。模塊式 PLC 由機(jī)架和模塊組成，S7-300 是模塊化的中小型 PLC，適用于中等 性能的控制要求。品種繁多的 CPU 模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任 務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時(shí)更換模塊也很方便。 當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和更為復(fù)雜的時(shí)候，可以增加模塊，對(duì) PLC 進(jìn)行擴(kuò)展。簡(jiǎn)單實(shí)用 的分布式結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)能力，使其應(yīng)用十分靈活。 S7-300 的 CPU 模塊集成了過(guò)程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序。每個(gè) CPU 都 有一個(gè)編程用的 RS-485 接口，可以和計(jì)算機(jī)連接，PLC 作為下位機(jī)，利用計(jì)算機(jī) 作為上位機(jī)進(jìn)行編程。功能強(qiáng)大的 CPU 的 RAM 存儲(chǔ)容量為 512KB，有 8192 個(gè) 存儲(chǔ)器位，512 個(gè)定時(shí)器和 512 個(gè)計(jì)數(shù)器，數(shù)字量通道最大為 65536 點(diǎn)，模擬量 通道最大為 4096 個(gè)，由于使用 Flash EPROM，CPU 斷電后無(wú)需后備電池可以長(zhǎng) 時(shí)間保持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，使 S7-300 成為完全無(wú)維護(hù)的控制設(shè)備。 S7-300 系列 PLC 的主要特點(diǎn)是： （1） 功能強(qiáng) 極強(qiáng)的計(jì)算性能，完善的指令集，MPI 接口和通過(guò) SIMECLAMS 聯(lián)網(wǎng) 的網(wǎng)絡(luò)功能，使 S3-300 功能更強(qiáng)。 強(qiáng)勁的內(nèi)部集成功能，全面的故障診斷功能、口令保護(hù)，便利的連接系 統(tǒng)和無(wú)槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)。 快速，極其快速的指令處理大大地縮短了循環(huán)周期。 （2） 通用，著眼未來(lái) 滿足各種要求的高性能模塊和三種 CPU 適用于任一場(chǎng)合。 模塊可擴(kuò)展至最多三個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，相當(dāng)高的安裝密度。 用于與 SIMATIC 其他產(chǎn)品相連的接口，集成了 MMI(人機(jī)界面)設(shè)備， 7 用戶友好的 Windows STEP7 編程，使得 S7-300 成為對(duì)未來(lái)的安全投資。 2.1.1 CPU 模塊 S7-300 PLC 有 CPU 312IFM、CPU 314、CPU 314IFM、CPU 315/315- 2DP、CPU 316-2DP、CPU 318-2DP 等 8 種不同的處理單元可供選擇。CPU 314IFM 帶有集成的數(shù)字和模擬輸入/輸出模塊的緊湊型 CPU，用于要求快速反應(yīng) 和特殊功能的裝備。CPU 313、CPU 314、CPU 315 模塊上不帶集成的 I/O 端口， 其存儲(chǔ)容量、指令速度、可擴(kuò)展的 I/O 點(diǎn)數(shù)、計(jì)時(shí)器/ 定時(shí)器數(shù)量、軟件塊數(shù)量隨 序號(hào)的遞增而增加。CPU 315-2DP、CPU 316-2DP、CPU 318-2DP 都具有現(xiàn)場(chǎng)總 線擴(kuò)展功能。 系統(tǒng)選用的 CPU 模塊為 CPU 313。它內(nèi)置 20KB RAM，最大可擴(kuò)展 256KB FLASH-EPROM 存儲(chǔ)卡，有 12KB 隨機(jī)存儲(chǔ)器，位操作、字操作、定時(shí)加、浮點(diǎn) 加時(shí)間分別為 0.6s、2s、3s、60s，最大模擬量 I/O 通道數(shù)為 32 個(gè)，最大配置 1 個(gè) 機(jī)架 8 塊模塊，使用的是軟件時(shí)鐘，有定時(shí)器 64 個(gè)，位存儲(chǔ)器 2048bit，可用模 塊：組織塊(OB)13 個(gè)，功能塊(FB)128 個(gè)，功能調(diào)用(FC)128 個(gè)，數(shù)據(jù)塊(DB)127 個(gè)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊(SDB)6 個(gè)，系統(tǒng)功能塊(SFC)34 個(gè)，系統(tǒng)功能塊(SFB)沒(méi)有。CPU 313 是具有更大存儲(chǔ)器、低成本的解決方案。 S7-300 的 CPU 模塊的方式選擇開(kāi)關(guān)都一樣，有 4 種工作方式，通過(guò)可卸的專 用鑰匙控制選擇。 1) RUN-P：可編程運(yùn)行方式。CPU 掃描用戶程序，既可以用編程裝置從 CPU 中讀出，也可以由編程裝置裝入 CPU 中，用編程裝置可以監(jiān)控程序的運(yùn)行。 在此位置鑰匙不能拔出。 2) RUN：運(yùn)行方式。CPU 不掃描用戶程序，可以用變成裝置讀出并監(jiān)控 PLC 的 CPU 中的程序，但不能改變裝置存儲(chǔ)器中的程序。在此位置可以拔出鑰匙， 防止程序正常運(yùn)行時(shí)被改變操作方式。 3) STOP：停止方式。CPU 不掃描用戶程序，可以通過(guò)編程裝置從 CPU 中讀 出，也可以下載程序到 CPU 中。在此位置可以拔出鑰匙。 4) MERS：該位置瞬間接通，用以清除 CPU 存儲(chǔ)器。CPU 模塊面板上有 6 個(gè) LED 指示燈，顯示運(yùn)行狀態(tài)和故障。 8 2.1.2 模擬量輸入模塊 系統(tǒng)中從檢測(cè)裝置過(guò)來(lái)的模擬量需經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換才能輸入到 CPU 處理，這 就要求 PLC 有模擬量輸入處理模塊。 SM 331 模擬量輸入 簡(jiǎn)稱模入(AI) 模塊目前有三種規(guī)格型號(hào)，即 位128AI 模塊、 位模塊和 位模塊。系統(tǒng)選用了 位模入模塊，其端168AI12AI 128AI 子接線圖如圖 2-1 所示。 圖 2-1 SM 331 端子接線圖 SM 331 模入模塊主要由 A/D 轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開(kāi)關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、 光電隔離元件、邏輯電路組成。A/D 轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積 分方法。被測(cè)模擬量的精度是所設(shè)定的積分時(shí)間的正函數(shù)。SM 331 可選用 4 檔積 分時(shí)間：2.5、16.7、20 和 100ms，相對(duì)應(yīng)的以位表示的精度： 8、12、12、14。SM 331 的 8 個(gè)模擬量輸入通道共用一個(gè)積分式 A/D 轉(zhuǎn)換部件。 某一通道開(kāi)始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起到再次開(kāi)始轉(zhuǎn)換的時(shí)間是模入模塊的循環(huán)時(shí)間。 SM 331 的每?jī)蓚€(gè)輸入通道構(gòu)成一個(gè)輸入通道組，可以按通道組任意選擇測(cè)量 9 方法和測(cè)量范圍。模塊上需要接 24V 的直流電壓 L+，有反接保護(hù)作用。不用的通 道要在組態(tài)軟件中屏蔽掉，以免受干擾。 2.1.3 模擬量輸出模塊 經(jīng)過(guò) CPU 處理后的結(jié)果是數(shù)字量，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)能接收的信號(hào)是模擬信號(hào)，這 就要求 PLC 配有模擬量輸出模塊。 SM 332 模擬量輸出簡(jiǎn)稱模出(AO)模塊目前有 3 種規(guī)格型號(hào)： 位模124AO 塊、 位模塊和 位模塊。系統(tǒng)選用 的模出模塊，其端子12AO164AO124A 接線圖如圖 2-2 所示。 圖 2-2 SM 332 位模入模塊端子接線圖124AO SM 332 可以輸出電壓，也可以輸出電流。在輸出電壓時(shí)，可以采用 2 線回路 和 4 線回路與負(fù)載連接。4 線回路的精度高，因此采用 4 線回路，它與負(fù)載的接 線如圖 2-3 所示。 10 圖 2-3 通過(guò) 4 線回路將負(fù)載與隔離的模出模塊連接 2.1.4 電源模塊 PS 307 電源模塊是西門(mén)子公司為 S7-300 專配的 DC24V 電源，PS 307 系列模 塊除輸出額定電流不同外(有 2、5、10A)，其工作原理和參數(shù)都一樣。系統(tǒng)選用 10A 的電源模塊。 PS 307 10A 模塊基本電路如圖 2-4 所示。PS 307 10A 模塊的輸入接單相交流 系統(tǒng)，輸入電壓 120/230V，50/60HZ ，在輸入和輸出之間有可靠的隔離。輸出電 壓允許范圍 20( )V，最大上升時(shí)間 2.5s，最大殘留紋波 150mV，PS 307 可安%5 裝在導(dǎo)軌上，除了給 S7-300 供電，也可給 I/O 模塊提供負(fù)載電源。 圖 2-4 PS 307 電源模塊(10A)基本電路圖 11 2.2 控制對(duì)象特性 2.2.1 一階單容上水箱特性 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2-5 所示，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥由 S7-300PLC 手動(dòng)輸出，通 圖 2-5 上水箱液位控制系統(tǒng)原理圖 過(guò)階躍響應(yīng)測(cè)試確定系統(tǒng)的對(duì)象模型的各參數(shù)。階躍響應(yīng)測(cè)試法是系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)運(yùn) 行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動(dòng)改變對(duì)象的輸入信號(hào) (階躍信號(hào)) 。同時(shí)，記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)已給定對(duì)象模 型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，決定模型中各參數(shù)。 由階躍響應(yīng)確定一階過(guò)程參數(shù)有兩種方法，一種是直角坐標(biāo)圖解法，一種是 半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖解法。畢業(yè)設(shè)計(jì)運(yùn)用直角坐標(biāo)圖解法確定系統(tǒng)一階系統(tǒng)的參數(shù)。系 統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖 2-6 所示，t=0 時(shí)曲線斜率最大，之后斜率減小，逐漸上升 到穩(wěn)態(tài)值 h( )，該曲線可用一階有時(shí)延環(huán)節(jié)來(lái)近似。 圖 2-6 一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 12 如圖 2-5 所示，設(shè)水箱進(jìn)水口的進(jìn)水量為 Q1，出水口出水量 Q2，水箱液面高 度為 h。出水閥 4 固定于某一開(kāi)度值。 根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系，求得： (2-1)122RhdtCR 在零初始條件下，對(duì)上式求拉氏變換，得： (2-2)1)(21TsKsQHG 式中，T 為水箱的時(shí)間常數(shù)(閥 4 的開(kāi)度大小會(huì)影響到水箱的時(shí)間常數(shù))， T=R2*C，K=R 2 為過(guò)程放大倍數(shù)，R 2 為閥 4 的液阻，C 為水箱的容量系數(shù)。令輸 入量 Q1(s)=R0/s，R0 為常量，則輸出液位的高度為 (2-3)TsKRTsRH1)1()000 根據(jù)上式，需要確定的參數(shù)是過(guò)程放大系數(shù) K 和水箱的時(shí)間常數(shù) T。 當(dāng) t=T 時(shí)， 有 (2-4)）（）（）（ hReKRTh6320632010 即 (2-5)()(Ttt 當(dāng) t時(shí)，h()=KR 0，因而有 K=h()/R 0=輸出穩(wěn)態(tài)值 /階躍輸入。 過(guò) t=0 作曲線切線，該切線與 h() 線交于一點(diǎn)，則這段切線在時(shí)間軸上的投 影即為時(shí)間常數(shù) T，見(jiàn)圖 2-6。 在一階單容上水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，先設(shè)定輸出值的大小，這個(gè)值根據(jù) 出水閥門(mén)的開(kāi)度大小來(lái)設(shè)定，初次設(shè)定的值為 46。開(kāi)啟單向泵電源開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)動(dòng) 力支路，將被控參數(shù)液位高度控制在 15.85cm。上水箱的水位趨于平衡，平衡后 輸出值、水箱水位高度和測(cè)量顯示值如表 2-1 所示。 表 2-1 第一次穩(wěn)定后的紀(jì)錄值 PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0100 cm cm 46 17.0 15.85 13 迅速增加 PLC 手動(dòng)輸出值，增加 5%的輸出量，此引起的階躍響應(yīng)的過(guò)程參 數(shù)如表 2-2 所示。 ，由此得到的變化曲線如圖 2-7 所示。 表 2-2 增加 PLC 手動(dòng)輸出后的過(guò)程參數(shù) t(秒) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水 箱 水 位 h1(cm) 17.0 18.1 19.1 19.7 20.2 20.4 20.7 21.1 21.2 21.3 組 態(tài) 讀 數(shù) (cm) 15.88 16.85 17.93 18.56 19.02 19.29 19.53 19.85 19.99 20.01 圖 2-7 增加輸出值后的變化曲線 進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，這時(shí)的數(shù)據(jù)如表 2-3 所示。 表 2-3 新的平衡狀態(tài)的數(shù)據(jù) PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0100 cm cm 51 21.2 20.15 再將輸出儀表調(diào)回到系統(tǒng)第一次平衡前的位置，紀(jì)錄階躍響應(yīng)過(guò)程參數(shù)的曲線如 圖 2-8 所示，階躍響應(yīng)過(guò)程參數(shù)如表 2-4。 表 2-4 輸出調(diào)回到原來(lái)的位置的階躍響應(yīng)參數(shù) t(秒) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水 箱 水 位 h1(cm) 17.0 18.1 19.1 19.7 20.2 20.4 20.7 21.1 21.2 21.3 組 態(tài) 讀 數(shù) (cm) 15.88 16.85 17.93 18.56 19.02 19.29 19.53 19.85 19.99 20.01 14 圖 2-8 調(diào)回到第一次平衡時(shí)的曲線 由上述的實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)前面所說(shuō)的方法求出一階環(huán)節(jié)的參數(shù) T 和 K。06.2)(63.0hT800RK 2.2.2 二階雙容下水箱對(duì)象特性 二階雙容水箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2-9。這是由兩個(gè)一階非周期慣性環(huán)節(jié)串聯(lián) 圖 2-9 上水箱下水箱系統(tǒng)圖 起來(lái)的，被調(diào)量是第二水槽的水位 h2。當(dāng)輸入量有一個(gè)階躍增加 Q1 時(shí)。被調(diào)量 15 變化的反應(yīng)曲線如圖 2-10 所示的 h2 曲線。它不再是簡(jiǎn)單的指數(shù)曲線，而是呈 圖 2-10 被調(diào)量變化的反映曲線 S 型的一條曲線。由于多了一個(gè)容器，就使調(diào)節(jié)對(duì)象的飛升特性在時(shí)間上更加落 后一步。在圖中 S 型曲線的拐角 P 上作切線，它在時(shí)間軸上截出一段時(shí)間 OA， 這段時(shí)間可以近似地衡量由于多了一個(gè)容量而使飛升過(guò)程向后推遲的程度，因此 稱容量滯后，通常以 c 代表之。 設(shè)上水箱進(jìn)水口的流量為雙容水箱的輸入量，下水箱的高度 h2 為輸出量，根 據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過(guò)程中的時(shí)延，其傳遞函數(shù)為 (2-6)seSTKSGQH)1)()( 2112 式中 K=R3，T 1=R2C1，T 2=R3C2，R 2、R 3 分別為閥 5 和閥 6 的液阻，C 1 和 C2 分別 為上水箱和下水箱的容量系數(shù)。由式中的 K、T 1 和 T2 須從由實(shí)驗(yàn)求得的階躍響應(yīng) 曲線上求出。 開(kāi)啟單向泵電源開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)動(dòng)力支路，將 PLC 的輸出值迅速上升到小于等于 60，將被控參數(shù)液位高度控制在 15cm 處。系統(tǒng)的被調(diào)量水箱的水位趨于平衡 后，紀(jì)錄 PLC 的輸出值、水箱液位 h2 和 PLC 的測(cè)量顯示值如表 2-5 所示。 16 表 2-5 二階雙容下水箱對(duì)象特性實(shí)驗(yàn)第一次穩(wěn)定后的紀(jì)錄值 PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0100 cm cm 54 15.5 13.8 迅速增加 PLC 手動(dòng)輸出值，增加 10%的輸出量，這時(shí)的階躍響應(yīng)過(guò)程參數(shù)如 表 2-6 所示，它的過(guò)程變化曲線如圖 2-11 所示。 表 2-5 輸出增加后的階躍響應(yīng)參數(shù) t(秒) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水 箱 水 位 h1(cm) 15.4 15.8 16.3 16.8 17.2 18.4 19.2 19.8 20.2 20.6 組 態(tài) 讀 數(shù) (cm) 13.71 14.12 14.57 15.11 16.14 16.74 17.47 17.95 18.52 18.92 圖 2-11 輸出值增加后的二階系統(tǒng)的過(guò)程變化曲線 進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，這時(shí)的數(shù)據(jù)如表 2-7 所示。 表 2-7 新的平衡狀態(tài)的數(shù)據(jù) PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0100 cm cm 64 22.6 21.35 17 再將輸出儀表調(diào)回到系統(tǒng)第一次平衡前的位置，紀(jì)錄階躍響應(yīng)過(guò)程參數(shù)的曲線如 圖 2-12 所示。 圖 2-12 達(dá)到新的平衡的曲線 由曲線 2-11 上得出 h2(t)穩(wěn)態(tài)值的漸近線 h2()為 7.65cm， 時(shí)曲線上的點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t1 為 317， 時(shí))(4.0)(212th )(8.0)(22hth 曲線上的點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t2 為 735。利用近似公式計(jì)算式 (26)中的參數(shù) K、T 1 和 T2，具體如下： 5.76)(h02RK階 躍 輸 入 值輸 入 穩(wěn) 態(tài) 值 31.t221T0.)5.t74.()(221 最后求出 K=76.5，T 1=85.8s，T 2=216.2s。對(duì)于式(2-6)所示的二階過(guò)程， 0.32t1/t2= 0 /如果模擬數(shù)值為正 JMP 0 /直接轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù) NOT /反之 ORD 16#FFFF0000 /將 AC0 內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展，擴(kuò)展為 32 位 負(fù)數(shù) LBL 0 DTR /將 32 位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù) 轉(zhuǎn)換的下一步是實(shí)數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成 0.01.0 之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)。可用下面的公 式對(duì)給定值及過(guò)程變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化： (3-1)setPanRwNormOfS)/( 式中，R Norm 是標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)化實(shí)數(shù)值；R Raw 是標(biāo)準(zhǔn)化前的原始值或?qū)崝?shù)值；偏移 量 Offset 對(duì)單極性變量為 0.0，對(duì)雙極性變量取 0.5；取值范圍 Span 等于變量的最 大值減去最小值，單極性變量的典型值為 32 000，雙極性變量的典型值為 64 000。 下面是將上述的轉(zhuǎn)換后得到的 AC0 中的雙極性實(shí)數(shù) (其 Span=64 000)轉(zhuǎn)換成 0.01.0 之間的實(shí)數(shù)的指令序列。 /R 64 000.0 /累加器中的實(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 +R 0.5 /加上偏移值，使其在 0.01.0 T MD100 /將標(biāo)準(zhǔn)化后的值存入回路表內(nèi) 回路輸出即 PID 控制器的輸出，它是 0.01.0 之間的實(shí)數(shù)。將回路輸出送 給 D/A 轉(zhuǎn)換器之前，必須轉(zhuǎn)換成 16 位二進(jìn)制整數(shù)。這一過(guò)程是將 PV 與 SV 轉(zhuǎn)換 成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值的逆過(guò)程。這一部用下式將回路輸出轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)： SpanofsetMRnScal )( 式中，R Scal 是回路輸出對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)值，M n 是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值，Offset 與 Span 與上述的定義相同。 28 回路輸出轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)的指令序列如下： L MD108 /將回路輸出送入累加器 -R 0.5 /僅雙極性數(shù)才有此語(yǔ)句 *R 64 000.0 /單極性變量應(yīng)乘以 32 000.0 將代表回路輸出的實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成 16 位整數(shù)的指令序列如下： RND /將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為 32 位整數(shù) T PQW0 /將 16 位整數(shù)寫(xiě)入模擬輸出(D/A)寄存器 正作用與反作用 增益為正時(shí)為正作用回路，反之為反作用電路。對(duì)于增益為 0.0 的積分控制 或微分控制，如果積分或微分時(shí)間為正，為正作用回路，反之為反作用回路。選 擇作用或反作用的原則是保證系統(tǒng)是負(fù)反饋而不是正反饋。 3.5.2 變量的范圍 過(guò)程變量與給定值是 PID 運(yùn)算的輸入值，在回路表中它們只能被 PID 指令讀 取而不能改寫(xiě)。每次完成 PID 運(yùn)算后，都要更新回路表中的輸出值 Mn。它被限制 在 0.01.0 之間。從手動(dòng)控制切換到 PID 自動(dòng)控制方式時(shí)，回路表內(nèi)的輸出值可以 用來(lái)初始化輸出值。 如果使用積分控制，上一次的積分值 MX(積分和)要根據(jù) PID 運(yùn)算的結(jié)果來(lái)更 新，更新后的數(shù)值作為下一次運(yùn)算的輸入。當(dāng)輸出值超出范圍(小于 0.0 或大于 1.0)， 根據(jù)下列公式進(jìn)行調(diào)整： 當(dāng)控制器輸出)(0.1nMDPX 0.1nM 或 當(dāng)控制器輸出n . 其中的 MX 是調(diào)整后的積分和， 是 n 次采樣時(shí)控制器的輸出值， 和nP 分別是第 n 次采樣時(shí) 中的比例項(xiàng)和微分項(xiàng)。nMDn 通過(guò)調(diào)整積分和 MX，使輸出 回到 0.01.0 之間，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性nM 能。MX 也應(yīng)限制在 0.01.0 之間，每次 PID 運(yùn)算結(jié)束時(shí)，將 MX 寫(xiě)入回路表，供 下一次 PID 運(yùn)算使用。 29 在執(zhí)行 PID 指令前，用戶可修改回路表上一次的積分值 MX，以解決某些情 況下 MX 引起的問(wèn)題。手工調(diào)整 MX 時(shí)必須嚴(yán)格小心，而且寫(xiě)入回路表的 MX 必 須是 0.01.0 之間的實(shí)數(shù)。回路表內(nèi)的過(guò)程變量的差值用于 PID 計(jì)算的微分部分， 用戶不應(yīng)修改它。 3.5.3 控制方式與出錯(cuò)處理 S7-300 的 PID 指令沒(méi)有設(shè)置控制方式，執(zhí)行 PID 指令為“自動(dòng)”方式，不執(zhí) 行 PID 指令為“手動(dòng)”方式。 PID 指令中的 TBL 是回路表的起始地址，LOOP 是回路編號(hào)(見(jiàn)圖 3-5)，PID 圖 3-5 PID 指令 指令有一個(gè)能流記憶位，用該位檢測(cè)到 EN 端的能流從 0 到 1 正跳變時(shí)，指令將 執(zhí)行一系列的操作，使 PID 從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。為了實(shí)現(xiàn)手動(dòng)方式到自 動(dòng)方式的無(wú)擾動(dòng)切換，轉(zhuǎn)換前必須把當(dāng)前的手動(dòng)控制輸出值寫(xiě)入回路表的 欄。nM PID 指令對(duì)回路表內(nèi)的值進(jìn)行下列操作，保證檢測(cè)到能流從 0 到 1 的正跳變時(shí)， 從手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式： 1) 令給定值( )=過(guò)程變量 。nSP)(nV 2) 令上一次的過(guò)程變量 =過(guò)程變量的當(dāng)前值 。1 )(nPV 3) 令積分和 =輸出值( )。)MXn PID 的能流記憶位的默認(rèn)值為 1，在啟動(dòng) CPU 或從 STOP 方式轉(zhuǎn)換到 RUN 方 式時(shí)它被置位。進(jìn)入 RUN 方式后 PID 指令首次有效時(shí)，沒(méi)有檢測(cè)到使能為的正 跳變，就不會(huì)執(zhí)行無(wú)擾動(dòng)的切換操作。 30 編譯時(shí)如果指令指定的回路起始地址或回路號(hào)超出范圍，CPU 將生成編譯錯(cuò) 誤(范圍錯(cuò)誤 )，引起編譯失敗。PID 指令對(duì)回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查， 應(yīng)保證過(guò)程變量不超限?；芈繁硪?jiàn)表 3-2。 表 3-2 PID 指令的回路表 偏移地址 變量 格式 類(lèi)型 描述 0 過(guò)程變量 PVn 雙字實(shí)數(shù) 輸入 應(yīng)在 0.01.0 之間 4 給定值 SPn 雙字實(shí)數(shù) 輸入 應(yīng)在 0.01.0 之間 8 輸出值 Mn 雙字實(shí)數(shù) 輸入/輸出 應(yīng)在 0.01.0 之間 12 增益 Kc 雙字實(shí)數(shù) 輸入 比例常數(shù)，可正可負(fù) 16 采樣時(shí)間 Ts 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 s，必須為正數(shù) 20 積分時(shí)間 TI 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 min，必須為正數(shù) 24 微分時(shí)間 TD 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 min，必須為正數(shù) 28 上一次的積分 值 MX 雙字實(shí)數(shù) 輸入/輸出 應(yīng)在 0.01.0 之間 32 上一次過(guò)程變 量 PVn-1 雙字實(shí)數(shù) 輸入/輸出 最近一次運(yùn)算的過(guò)程變量值 31 第 4 章 控制方案設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題的液位控制系統(tǒng)原理圖如圖 2-1 和 2-5 所示。因?yàn)橛袃蓚€(gè)水箱， 所以把它分成兩個(gè)部分來(lái)分別設(shè)計(jì)。 4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1.1 上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié) 在這個(gè)部分中控制的是上水箱的液位。系統(tǒng)原理圖如圖 2-5 所示。單相泵正 常運(yùn)行，打開(kāi)閥 1 和閥 2，打開(kāi)上水箱的出水閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以一定的開(kāi)度來(lái)控 制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過(guò)將壓力變送器檢測(cè)到的電信號(hào)送入 PLC 中， 經(jīng)過(guò) A/D 變換成數(shù)字信號(hào)，送入數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器中，經(jīng) PID 算法后將控制量經(jīng)過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換成與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)送入電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水 流量。 當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時(shí)，壓力變送器檢測(cè)到的信號(hào)小于設(shè)定值，設(shè)定 值與反饋值的差就是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)。經(jīng)過(guò)運(yùn)算后即輸出控制信號(hào)給 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使其開(kāi)度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲(chǔ)水量， 液位升高。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時(shí)，設(shè)定值與控制變量平衡，PID 調(diào)節(jié)器的輸 入偏差信號(hào)為零，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥就維持在那個(gè)開(kāi)度，流量也不變，同時(shí)水箱的液位 也維持不變。 系統(tǒng)的控制框圖如圖 4-1 所示。其中 SP 為給定信號(hào)，由用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定， PV 為控制變量，它們的差是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò) PLC 的 PID 程序 運(yùn)算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò) PLC 的 D/A 轉(zhuǎn)換成 420mA 的模擬電信號(hào)后 輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設(shè) 定值。水箱的液位經(jīng)過(guò)壓力變送器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號(hào)輸入到 PLC 的輸入接 口，再經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換成控制量 PV，給定值 SP 與控制量 PV 經(jīng)過(guò) PLC 的 CPU 的 減法運(yùn)算成了偏差信號(hào) e ,又輸入到 PID 調(diào)節(jié)器中，又開(kāi)始了新的調(diào)節(jié)。所以系統(tǒng) 能實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)水箱的液位。 32 圖 4-1 上水箱液位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖 4.1.2 上水箱下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng) 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過(guò)程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動(dòng) 較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡(jiǎn)單的單閉環(huán)反饋控制不 能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級(jí)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)圖如圖 2-9 所示，該系統(tǒng)中，上水箱液位作為副調(diào) 節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象，下水箱液位作為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象。控制框圖如圖 3-9 所示。這 里的擾動(dòng)主要是水箱的出水閥的擾動(dòng)，有時(shí)是認(rèn)為的因素，有時(shí)是機(jī)械的因素， 擾動(dòng)總是不可避免的。主回路和副回路結(jié)合有效地抑制環(huán)境的擾動(dòng)。 在這里，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，依舊由 PLC 經(jīng)過(guò) PID 算法后控制它的 開(kāi)度以控制水管里的水流量，控制兩個(gè)水箱的水位。它有兩個(gè) PID 回路，分別是 PID1 和 PID2。 PID1 為外環(huán)，控制下水箱的液位，它的輸出值作為 PID2 的設(shè)定值， PID2 控制上水箱的液位。 整個(gè)系統(tǒng)的配置如圖 4-2 所示。 圖 4-2 系統(tǒng)配置圖 1-上水箱壓力變送器 2-下水箱壓力變送器 3-模入單元 4-模出單元 5-回路控制板 6-CPU 單元 7-電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 33 4.2 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括檢測(cè)單元、執(zhí)行單元和控制單元的設(shè)計(jì)，他們互相連接， 組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。 4.2.1 檢測(cè)單元 在過(guò)程控制系統(tǒng)中，檢測(cè)環(huán)節(jié)是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或 開(kāi)口容器中液位的高低，通過(guò)液位測(cè)量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù) 量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之達(dá)到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過(guò)程順 利進(jìn)行。設(shè)計(jì)中涉及到液位的檢測(cè)和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)通 道中的水流量，控制水箱的液位。 液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激光式、 放射性式等。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn) 的中控儀表 SP0018G 壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量程為 010KPa， 精度為 ，由 24V 直流電源供電，可以從 PLC 的電源中獲得，輸出為%0.1 420mA 直流，接線如圖 4-3 所示。 圖 4-3 壓力變送器的接線圖 接線說(shuō)明：傳感器為二線制接法，它的端子位于中繼箱內(nèi)，電纜線從中繼箱 的引線口接入，直流電源 24V+接中繼箱內(nèi)正端(+)，中繼箱內(nèi)負(fù)端()接負(fù)載電阻 的一端，負(fù)載電阻的另一端接 24V-。傳感器輸出 420mA 電流信號(hào)，通過(guò)負(fù)載電 阻 250 轉(zhuǎn)換成 15V 電壓信號(hào)。 零點(diǎn)和量程調(diào)整： 零點(diǎn)和量程調(diào)整電位器位于中繼箱內(nèi)的另一側(cè)。校正時(shí)打開(kāi)中繼箱蓋，即可 34 進(jìn)行調(diào)整，左邊的(Z)為調(diào)零電位器，右邊的 (R)為調(diào)增益電位器。 圖 4-4 壓力變送器工作原理圖 壓力變送器的工作原理見(jiàn)圖 4-4。大氣壓力為 PA，選定的零液位處壓力為 PB，零液位至液面高度為 H，其產(chǎn)生的壓差 P 為 (4-1)gHAB 式中， 為水的密度，g 為重力加速度。根據(jù)式(4-1)，利用壓力變送器將 PB 轉(zhuǎn)換 成 DC420mA 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入 PLC 中，便得知被測(cè)的液位。 4.2.2 執(zhí)行單元 執(zhí)行單元是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來(lái)自調(diào)節(jié)單 元的輸出信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而 控制流入或流出被控過(guò)程的物料或能量實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。 執(zhí)行器的工作原理見(jiàn)圖 4-5，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)兩部分組成。 圖 4-5 執(zhí)行器的工作原理圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)轉(zhuǎn)變成推力或位移，對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)根據(jù)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)的推力或位移，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積，以達(dá)到最終調(diào)節(jié) 被控介質(zhì)的目的。由圖 4-5 可見(jiàn)來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號(hào)制式 35 后，與來(lái)自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號(hào)比較，其信號(hào)差值輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確定 執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作，改變調(diào)節(jié)閥 的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。當(dāng)位置反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相等時(shí)，系 統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開(kāi)度。 系統(tǒng)中用到的調(diào)節(jié)閥是 QS 智能型調(diào)節(jié)閥，所用到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行機(jī) 構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成框圖如圖 4-6 所示。 圖 4-6 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成框圖 主要技術(shù)參數(shù)： 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 型式：智能型直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu) 輸入信號(hào)：010mA/420mADC/05VDC/15VDC 輸入阻抗：250/500 輸出信號(hào)：420mADC 輸出最大負(fù)載：500 信號(hào)斷電時(shí)的閥位：可任意設(shè)置為保持/全開(kāi)/全關(guān)/0100%間的任意值 電源：220V10%/50Hz 來(lái)自 PLC 的模擬量輸出 DC420mA 信號(hào) Ii 與位置反饋信號(hào) If 進(jìn)行比較，其 差值經(jīng)放大后，控制伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度， 同時(shí)輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào) If。當(dāng) Ii=If 時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn) 動(dòng)，調(diào)節(jié)閥處于某一開(kāi)度，即 Q=KIi，式中 Q 為輸出軸的位移，K 為比例常數(shù)。 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥還提供手動(dòng)操作，它的上部有個(gè)手柄，和軸連接在一起，在系統(tǒng)掉電 時(shí)可進(jìn)行手動(dòng)控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。 36 4.2.3 控制單元 控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。在系統(tǒng)中，PLC 是控制的中心元件，它的選擇 是控制單元設(shè)計(jì)的重要部分。 系統(tǒng)應(yīng)用的是西門(mén)子 S7-300 系列的 PLC，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活且易于維護(hù)。 它采用模塊化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要包括 CPU 模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模 塊和電源模塊。PLC 可以與計(jì)算機(jī)連接，便于計(jì)算機(jī)對(duì) PLC 進(jìn)行編程和管理。 系統(tǒng)選用的 S7-300PLC 的各個(gè)模塊分別是 CPU 313、SM 331 位模擬128A 量輸入模塊、SM 332 位模擬量輸出模塊、PS 307 電源模塊，這些模塊在前124 面已經(jīng)作了詳細(xì)的介紹。模塊的選擇是根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求選擇的，能滿足系統(tǒng) 的要求，符合節(jié)省成本的要求。 4.3 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的編程分塊進(jìn)行，分主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)的指令序列如下： 要設(shè)定水位的高度為滿水位的 75%，過(guò)程變量與回路輸出均為單級(jí)性模擬量， 取值范圍為 0.01.0。如果采用 PI 控制，給定值為 0.75，選取控制器的參數(shù)初值 KC=50，T=6s，T I=3s。 /主程序(OB1) A M0.1 /首次掃描時(shí) CALL 0 /調(diào)用初始化子程序 /子程序 0 A M0.0 L +7.500 000e+001 /裝入給定值 75% T MD104 /放入回路表中對(duì)應(yīng)的位存儲(chǔ)器 L +50 /裝入回路增益 T MD112 /放入回路表中對(duì)應(yīng)的位存儲(chǔ)器 L +6 /裝入采樣時(shí)間 6s T MD116 /放入回路表中對(duì)應(yīng)的位存儲(chǔ)器 37 L +3 /裝入積分時(shí)間 3s T MD120 /放入回路表中對(duì)應(yīng)的位存儲(chǔ)器 L +0.000 000e+000 /關(guān)閉微分時(shí)間 T MD124 /放入回路表中對(duì)應(yīng)的位存儲(chǔ)器 L 100 /設(shè)置定時(shí)中斷 0 的時(shí)間間隔為 100ms T MB34 /放入對(duì)應(yīng)的特定位存儲(chǔ)器中 ATCH 0，10 /設(shè)置定時(shí)中斷以執(zhí)行 PID 指令 ENI /允許中斷，子程序 0 結(jié)束 /中斷程序 0 A M0.0 L PIW0 /單極性模擬量經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后存入累加器 DTR /32 位整數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù) /R 32000.0 /標(biāo)準(zhǔn)化累加器中的實(shí)數(shù) T MD100 /存入回路表 A I0.0 /在自動(dòng)方式下，執(zhí)行 PID 指令 PID MB100，0 /回路表的起始地址 VB100，回路號(hào)為 0 A M0.0 L MD108 /PID 控制器的輸出值送入累加器 *R 32000.0 /將累加器中的數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 RND /實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為 32 位整數(shù) DTI PQW0 /將 16 位整數(shù)寫(xiě)入到模擬量輸出(D/A) 積存器 PLC 輸出控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的指令序列如下： L 1.500000e+001 /要輸出電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度 15% T MD 80 /放進(jìn)位存儲(chǔ)器，地址是雙字 80 CALL UNSCALE /調(diào)用系統(tǒng)功能 SFC106，把它轉(zhuǎn)換為輸出量 IN := MD80 HI_LIM := 1.000000e+002 /上限值 100% LO_LIM := 0.000000e+000 /下限值 0% BIPOLAR := FALSE 38 RET_VAL := MW84 /如果出錯(cuò)就會(huì)在位存儲(chǔ)器 MW84 中的值為 1， 不出錯(cuò)就為 0 OUT := MW86 /輸出值 L MW 86 T AO0 /把轉(zhuǎn)換后的值送到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的地址 39 第 5 章 實(shí)驗(yàn)情況介紹 5.1 上水箱液位比例調(diào)節(jié) 首先設(shè)定給定值為 150，調(diào)整 P 參數(shù) KC 為 80，系統(tǒng)穩(wěn)定后，加擾動(dòng)改變?cè)O(shè)定 值為 130，曲線在經(jīng)過(guò)幾次波動(dòng)穩(wěn)定下來(lái)后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，余差為 83.6，曲 線如圖 5-1(a)所示；減小 KC，加擾動(dòng)，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線得系統(tǒng)的余差為 107.8， 曲線如圖 5-1(b)所示；增大 KC，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線得系統(tǒng)的余差為 77.5，曲線如 圖 5-1(c)所示。經(jīng)過(guò)這樣的過(guò)程，選擇合適的 KC 為 80，在這時(shí)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程曲 線是最好的。 (a) (b) (c) 圖 5-1 對(duì)于比例調(diào)節(jié)過(guò)程的影響 40 5.2 上水箱液位比例積分調(diào)節(jié) 在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入積分環(huán)節(jié)，在界面上設(shè)置 KI 為 80，觀察得到 被控制量回到設(shè)定值，說(shuō)明在 PI 控制下，系統(tǒng)對(duì)階躍擾動(dòng)無(wú)余差存在。 固定比例放大系數(shù) KC 為 50，改變 PI 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)值 TI，加階躍擾 動(dòng)后被調(diào)量的輸出波形如圖 5-2 所示，不同的 TI 值對(duì)應(yīng)的超調(diào)量 p 如表 5-1 所 示。 TI=10 TI=1 TI=0.5 圖 5-2 加階躍擾動(dòng)后 TI 分別等于 10、1、0.5 時(shí)被調(diào)量的輸出波形 表 5-1 不同 TI 時(shí)的超調(diào)量 積分時(shí)間常數(shù) TI 大 中 小 超調(diào)量 p 5.31 42.19 33.63 41 固定 TI 于 3.00，改變 KC，加擾動(dòng)后的被調(diào)量輸出的動(dòng)態(tài)波形如圖 5-3 所示， 不同值 下的超調(diào)量 p 如表 5-2 所示。 Kc=80 Kc=50 Kc=10 圖 5-3 固定 TI 改變 KC 為 80、加階躍擾動(dòng)后被調(diào)量的輸出波形 表 5-2 不同 時(shí)的超調(diào)量 比例 P 大 中 小 超調(diào)量 p 8.14 7.41 4.90 由以上的實(shí)驗(yàn)得出 PI 調(diào)節(jié)時(shí)在 KC 為 50，T I 為 1 時(shí)，系統(tǒng)對(duì)階躍響應(yīng)的過(guò)渡 過(guò)程是最好的。 5.3 上水箱液位比例積分微分調(diào)節(jié) 在 PI 調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，