畢業(yè)論文--基于PLC控制的水塔水位PID供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)論文-基于PLC控制的水塔水位PID供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要供水是一個(gè)關(guān)系國計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè)。隨著社會(huì)的開展和人民生活水平的提高，對城市供水提出了更高的要求，有一個(gè)水箱需要維持一定的水位，該水塔里的水以變化的速度流出。這就需要有一個(gè)輸入控制液體閥以不同的速度給水塔供水，以維持水位的變化，這樣才能使水塔不斷水。研究設(shè)計(jì)的基于PLC控制的水塔水位PID供水系統(tǒng),以西門子公司的S7-200系列中PLC-CPU226為根底，結(jié)合模擬量模塊EM235、液位傳感器、輸入控制液壓閥、輸出控制液壓閥等，組成一個(gè)基于S7-200系列中PCL-CPU226的水塔水位控制系統(tǒng)，能完成邏輯控制、水位調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采樣等功

2、能,實(shí)現(xiàn)對水塔的水位進(jìn)行控制及檢測。在設(shè)計(jì)中大量運(yùn)用PLC中PID來實(shí)現(xiàn)水塔水位的控制，為了精確地實(shí)現(xiàn)對水位的控制 ，建立成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水塔中的進(jìn)、出水的水位自動(dòng)控制。關(guān)鍵詞： 可編程控制器PLC，水塔水位，PID控制 Water TOWERS pid CONTROL SYSTEM DESIGNABSTRACTWater supply is an important industry of the people's livelihood. With the social development and people's living standards, urban w

3、ater supply to a higher demand, there is a need to maintain a certain water tank water level, the water towers in order to change the speed of the outflow. This requires a liquid input control valve to the different speeds of water towers in order to maintain the water level changes, so that continu

4、ous water towers. ? In the system, only the use of proportion and integral control, the loop gain and time constant can be calculated through the preliminary engineering, but also the need for further adjustments to achieve optimal control. System startup, shut down the outlet for moving the liquid

5、control valve control input, so that the water level reached 75% of full water level, and then open the outlet, while the liquid input control valve to switch from manual to automatic mode. This switch from a digital control input. The design of Siemens S7-200 series PLC-CPU226-based light simulatio

6、n module E235, liquid level sensors, type of hydraulic control valves, hydraulic valves, such as output control, based on the formation of a S7-200 series PCL -CPU226 water level control system of the towers, the water level of the towers to monitor and control. Keywords: Programmable Logic Controll

7、er PLC, Water Towers, PID Control目錄前言1第1章 水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的概述21.1 水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與開展21.2 水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成21.3 水位控制系統(tǒng)效率及運(yùn)行模式分析3第2章 PLC結(jié)構(gòu)和工作原理42.1 PLC組成與根本結(jié)構(gòu)4 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4 PLC的根本工作原理52.2 PLC的主要應(yīng)用62.3 S7-200 系列可編程控制器6 S7-200 PLC系統(tǒng)組成7 S7-200系列PLC元件功能72.4 PID控制器簡介9 PID控制器的結(jié)構(gòu)及原理9 數(shù)字式PID控制10 數(shù)字式PID控制的實(shí)現(xiàn)12第3章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)143.

8、1 系統(tǒng)的工作原理14 設(shè)計(jì)分析14 可行性試驗(yàn)15 可行性分析163.2 水位閉環(huán)控制系統(tǒng)16 PLC的選擇17 供水的控制方法18第4章 PLC中PID控制器的實(shí)現(xiàn)204.1 PID算法204.2 PID應(yīng)用214.3 PLC實(shí)現(xiàn)PID控制的方式214.4 PLC PID控制器的實(shí)現(xiàn)224.5 PID指令及回路表24第5章系統(tǒng)硬件開發(fā)設(shè)計(jì)265.1 可編程控制器的選型265.3 EM235模擬量模塊28 EM235的安裝使用29 EM235的工作程序編制295.4 硬件連接圖305.5 控制系統(tǒng)I/O地址分配30第6章 系統(tǒng)軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)316.1 水位PID控制的邏輯設(shè)計(jì)316.2 梯形圖

9、編程356.3 控制程序386.4 聯(lián)機(jī)39結(jié) 論40謝 辭41參考文獻(xiàn)42附錄43外文資料翻譯46前言在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、液位、流量、和開關(guān)量等都是常用的主要被控參數(shù)。其中，水位控制越來越重要。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速開展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕那么給人民生活帶來極大的不便，重那么可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的根底設(shè)施之一。任何時(shí)候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對給水系統(tǒng)提出的根本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為根本儲(chǔ)水設(shè)備，由一級(jí)或二級(jí)水泵從地

10、下市政水管補(bǔ)給。傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點(diǎn)?？删幊炭刂破鱌LC是根據(jù)順序邏輯控制的需要而開展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。鑒于其種種優(yōu)點(diǎn)，目前水位控制的方式被PLC控制取代。同時(shí)，又有PID控制技術(shù)的開展，因此，如何建立一個(gè)可靠平安、又易于維護(hù)的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會(huì)需要對容器中的液位水位進(jìn)行自動(dòng)控制。比方自動(dòng)控制水塔、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動(dòng)補(bǔ)水控制、自動(dòng)電熱水器、電開水機(jī)的自動(dòng)進(jìn)水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實(shí)

11、際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的根本要求。因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。采用PLC和PID技術(shù)能很好的解決以上問題，使水位控制在要求的位置。本論文側(cè)重介紹“水塔水位PID控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及相關(guān)內(nèi)容，使水塔水塔維持一定的水位。通過對變頻器內(nèi)置PID模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳液位傳感器反響量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化，采取PID調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用輸入液體控制閥連續(xù)調(diào)節(jié)和輸出控制閥分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水塔供水且有效節(jié)能。水位PID控制系統(tǒng)集PLC控制技術(shù)、PID技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)測試技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水

12、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 第1章 水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的概述 水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與開展節(jié)能是我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)能否保持可持續(xù)開展的一個(gè)重大問題.水位控制廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與民用生活，其用電量大，是節(jié)能研究的主要內(nèi)容之一.對變頻調(diào)速水位控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況研究發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)在這方面普遍采用恒水位或恒壓力變頻調(diào)速PID控制技術(shù)，取得了一定的應(yīng)用效果.但由于這類控制系統(tǒng)無視了水泵-電機(jī)組效率，致使水泵-電機(jī)組經(jīng)常處于低效區(qū)運(yùn)行圖1-1；另外，單目標(biāo)的恒水位或恒

13、壓力控制不能保證電機(jī)經(jīng)常處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)以充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能成效，造成了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中效率不高，節(jié)能效果未能充分表達(dá),這也是變頻調(diào)速控制技術(shù)多年來一直難以大規(guī)模采用的原委之一.水位控制類變頻調(diào)速效率優(yōu)化問題屬于一類復(fù)雜的多變量、離散性強(qiáng)的非線性系統(tǒng)控制問題，要求控制 圖1-1 水塔水位控制系統(tǒng)模型系統(tǒng)在滿足用水要求的同時(shí)，又要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)，采用傳統(tǒng)的控制策略很難獲得簡便、實(shí)用的解決方法.本文結(jié)合水位控制類系統(tǒng)的特點(diǎn)，運(yùn)用水位控制理論與最優(yōu)控制方法，以系統(tǒng)效率最大及滿足用水要求為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種水位控制以改善這類系統(tǒng)的控制策略與運(yùn)行方式，同時(shí)給出采用PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)的此水位

14、控制。水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成水位自動(dòng)控制系統(tǒng)由PLC核心控制部件、上下位的水位檢測電路、上下水位信號(hào)傳送給PLC水泵電動(dòng)機(jī)控制電路PLC控制啟停及主備切換、設(shè)備監(jiān)控臺(tái)四局部組成。水位控制系統(tǒng)效率及運(yùn)行模式分析水位控制系統(tǒng)的效率主要由水泵的效率、電動(dòng)機(jī)的效率和管道損失決定，本文主要研究水泵-電機(jī)組的效率問題.由于水位控制系統(tǒng)的非線性、滯后性與時(shí)變性，采用傳統(tǒng)的PID控制容易實(shí)現(xiàn)單目標(biāo)，即水位恒定或水泵-電機(jī)組高效運(yùn)行，而無法兩者兼顧.為此引入模糊控制，使系統(tǒng)能夠最快地響應(yīng)用戶的用水要求并最大限度地工作在高效區(qū)，以期能充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能成效，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率.在分析變頻調(diào)速水位控制

15、的節(jié)能問題時(shí)，以不同轉(zhuǎn)速下提供相同容積圖1-2 控制系統(tǒng)框圖的水作比擬得出圖1-2：水泵消耗的軸功率與異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比，由此可知，水泵-電機(jī)組的效率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成反比；其次，結(jié)合水泵與電機(jī)的效率特性，為使系統(tǒng)經(jīng)常高效運(yùn)行，不失一般性，設(shè)：水泵-電機(jī)組的高效率區(qū)為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 0.61.0n N n N為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 ；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n 0.8n N時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的效率最正確.圖1給出了水位控制系統(tǒng)控制模型圖，H表示水位高度，依水位高度將水箱劃分為A、B、C三區(qū).A、C區(qū)分別為水位極高、極低區(qū)域，是高位、低位警戒區(qū)；B區(qū)為高效運(yùn)行區(qū)，是系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行的區(qū)域.系統(tǒng)總的控制模式為：當(dāng)

16、HA時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行減機(jī)模式；當(dāng)HB時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能模式；當(dāng)HKn3dtn0.61.0n N系統(tǒng)節(jié)能模式是本文的研究重點(diǎn)，根據(jù)此圖可設(shè)計(jì)一個(gè)水位控制器，使變頻器的輸出頻率即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著水位的變化而自動(dòng)改變，使系統(tǒng)能夠在最快地響應(yīng)用戶用水要求的同時(shí)，在時(shí)間上最大限度地工作在高效區(qū)，這樣，系統(tǒng)運(yùn)行的效率就可以提高，此時(shí)的系統(tǒng)工作于最正確狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，到達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定性與快速性的較好結(jié)合。第2章 PLC結(jié)構(gòu)和工作原理PLC組成與根本結(jié)構(gòu)PLC是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，從廣義上講，PLC也是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只不過它比一般計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的輸入/輸出接口，具

17、有更適用于控制要求的編程語言，具有更適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境的抗干擾性能。因此，PLC是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)，它的實(shí)際組成與一般微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大局部組成。 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前PLC種類多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件和微機(jī)相似。主要包括CPU、存儲(chǔ)器RAM和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。圖2-3 PLC結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1所示。PLC控制系統(tǒng)有輸入量PLC輸出量組成，外部的各種開關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)、傳

18、感器檢測的各種信號(hào)均作為PLC的輸入量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子輸入到內(nèi)部存放器中，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其他各種運(yùn)算，處理后送到輸出端子，作為PLC的輸出量對外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。由此可見，PLC的根本結(jié)構(gòu)由控制局部、輸入和輸出局部組成。 PLC的根本工作原理由于PLC以微處理器為核心，故具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大的不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，假設(shè)有鍵按下或I/O變化，那么轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，假設(shè)無那么繼續(xù)掃描等待。PLC那么是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個(gè)程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描

19、，如果無跳轉(zhuǎn)指令，那么從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符號(hào)后返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。PLC的工作過程就是PLC的掃描循環(huán)工作過程，一個(gè)循環(huán)掃描周期主要可分為3個(gè)階段，輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。如圖1-2所示PLC的掃描工作過程。圖2-3 PLC的掃描工作過程2.2 PLC的主要應(yīng)用經(jīng)過20多年的工業(yè)運(yùn)行，PLC迅速滲透到工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，從PLC的功能來看，它的應(yīng)用范圍大致包括以下幾個(gè)方面：1邏輯控制 PLC具有邏輯運(yùn)算功能，可以實(shí)現(xiàn)各種通斷控制。2定時(shí)控制 PLC具有定時(shí)功能。它為用戶提供幾十個(gè)甚至上千個(gè)計(jì)時(shí)器，其

20、計(jì)時(shí)時(shí)間設(shè)定值既可以由用戶程序設(shè)定，也可以由操作人員在工業(yè)現(xiàn)場通過人機(jī)對話裝置實(shí)時(shí)設(shè)定，計(jì)時(shí)器的實(shí)際計(jì)時(shí)值也可以通過人機(jī)對話裝置實(shí)時(shí)讀出或3計(jì)數(shù)控制 PLC具有計(jì)數(shù)功能。它為用戶提供幾十個(gè)甚至上千個(gè)計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)設(shè)定值的設(shè)定方式同計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間設(shè)定值一樣。計(jì)數(shù)器的實(shí)際計(jì)數(shù)值也可以通過人機(jī)對話裝置實(shí)時(shí)讀出。4步進(jìn)順序控制 PLC具有步進(jìn)順序控制功能。在新一代的PLC中，還可以IEC規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語言順序功能圖SFC編制用戶程序，PLC在實(shí)現(xiàn)按照事件或輸入狀態(tài)的順序控制相應(yīng)輸出的場合更簡便。5PID控制 PLC具有PID控制功能。PLC可以接模擬量輸入和輸出模擬量信號(hào)。通常采用專門的P

21、ID控制模塊來實(shí)現(xiàn)。6數(shù)據(jù)處理 PLC具有數(shù)據(jù)處理能力。它能進(jìn)行自述運(yùn)算數(shù)據(jù)比擬，數(shù)據(jù)傳送，數(shù)制轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)顯示和打印，數(shù)據(jù)通信等功能。新一代的大，中型PLC還能進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算，浮點(diǎn)運(yùn)算等。7通信和聯(lián)網(wǎng) 新一代的PLC都具有通信功能。它既可以對遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行控制，又能實(shí)現(xiàn)PLC和PLC，PLC和計(jì)算機(jī)之間的通信。因此，可以方便地構(gòu)成“集中管理，分散控制的分布式控制系統(tǒng)。8PLC還具有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，例如：定位控制模塊，CRT模塊等。2.3 S7-200 系列可編程控制器德國的西門子SIEMENS公司是歐洲最大的電子和電氣設(shè)備制造商，生產(chǎn)的SIMATIC可編程序控制器在歐

22、洲處于領(lǐng)先地位。其第一代可編程序控制器是于1975年投放市場的SIMATIC S3系列控制系統(tǒng)。 1979年微處理器技術(shù)被應(yīng)用到可編程序控制器中后，產(chǎn)生了SIMATIC S5系列，隨后在20世紀(jì)末又推出了S7系列產(chǎn)品。 S7-200 PLC系統(tǒng)組成 1CPU 從CPU模塊的功能來看，SIMATIC S7-200系列小型可編程序控制器的開展，大致經(jīng)歷了兩代：第一代產(chǎn)品其CPU模塊為CPU 21X，主機(jī)都可進(jìn)行擴(kuò)展，它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216。第二代產(chǎn)品其CPU模塊為CPU 22X，是在21世紀(jì)初投放市場的，速度快，具有較強(qiáng)的

23、通信能力。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元：CPU 221，CPU 222、CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加擴(kuò)展模塊。2 輸入輸出擴(kuò)展模塊 設(shè)備連接 圖2-3 I/O擴(kuò)展示意圖2 最大I/O配置的預(yù)算 在進(jìn)行I/O擴(kuò)展時(shí),各擴(kuò)展模塊在5VDC下所消耗的電流應(yīng)不大于CPU主機(jī)模板在5VDC下所能提供的最大擴(kuò)展電流. 各CPU在5VDC下所能提供的最大擴(kuò)展電流如表2-4所示。表2-4 CPU提供的最大擴(kuò)展電流1. 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)類型S7-200系列PLC的數(shù)據(jù)類型可以是字符串、布爾型0或1、整數(shù)型和實(shí)數(shù)型浮點(diǎn)數(shù)。布爾型數(shù)據(jù)指字節(jié)型無符號(hào)整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括16位符號(hào)

24、整數(shù)INT和32位符號(hào)整數(shù)DINT。2. 編程元件 1 輸入映像存放器I輸入繼電器 ?輸入映像存放器的工作原理：輸入繼電器是PLC用來接收用戶設(shè)備輸入信號(hào)的接口。PLC中的繼電器與繼電器控制系統(tǒng)中的繼電器有本質(zhì)性的差異，是軟繼電器，它實(shí)質(zhì)是存儲(chǔ)單元 輸入映像存放器的地址分配：S7-200輸入映像存放器區(qū)域有IB0IB15共16個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元。系統(tǒng)對輸入映像存放器是以字節(jié)8位為單位進(jìn)行地址分配的2 變量存儲(chǔ)器V 變量存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)變量。可以存放數(shù)據(jù)運(yùn)算的中間運(yùn)算結(jié)果或設(shè)置參數(shù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，變量存儲(chǔ)器會(huì)被經(jīng)常使用。變量存儲(chǔ)器可以是位尋址，也可按字節(jié)、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號(hào)范

25、圍根據(jù)CPU的型號(hào)有所不同，CPU221/222為V0.0V2047.7共2KB存儲(chǔ)容量，CPU224/226為V0.0V5119.7共5KB存儲(chǔ)容量 3 內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器中間繼電器M 內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器，用來保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)，其作用相當(dāng)于繼電器控制中的中間繼電器，內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器在PLC中沒有輸入/輸出端與之對應(yīng)，其線圈的通斷狀態(tài)只能在程序內(nèi)部用指令驅(qū)動(dòng)，其觸點(diǎn)不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，只能在程序內(nèi)部驅(qū)動(dòng)輸出繼電器的線圈，再用輸出繼電器的觸點(diǎn)去驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 4 特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器SM PLC中還有假設(shè)干特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器, 特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器位提供大量的狀態(tài)和控制功能，用來在CPU和用戶程

26、序之間交換信息，特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器能以位、字節(jié)、字或雙字來存取。5 定時(shí)器T PLC所提供的定時(shí)器作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的時(shí)間繼電器。每個(gè)定時(shí)器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點(diǎn)供編程使用。其設(shè)定時(shí)間由程序設(shè)置。 6 計(jì)數(shù)器C計(jì)數(shù)器用于累計(jì)計(jì)數(shù)輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點(diǎn)供編程使用，其設(shè)定值由程序賦予。 7 累加器AC 累加器是用來暫存數(shù)據(jù)的存放器，它可以用來存放運(yùn)算數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果。CPU提供了4個(gè) 32位的累加器，其地址編號(hào)為AC0AC3。累加器的可用長度為32位，可采用字節(jié)、字、雙字的存取方式，按字節(jié)、字只能存取累加器的低8位或低16位，雙字可以存

27、取累加器全部的32 位。2.4 PID控制器基于偏差的比例 Proportlonal 、積分 Integral 和微分 Derivative 的控制器簡稱為PDI控制器，它是工業(yè)過程控制中最常見的一種過程控制器。由于PID控制器算法簡單、魯棒性強(qiáng)，因而被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、熱工和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。盡管工業(yè)自動(dòng)化飛速開展，但是PID控制技術(shù)仍然是工業(yè)過程控制的根底。根據(jù)日本有關(guān)調(diào)查資料顯示，在現(xiàn)今使用的各種控制技術(shù)中，PID控制技術(shù)占84.5%，優(yōu)化PID控制技術(shù)占6.8%，現(xiàn)代控制技術(shù)占1.6%，手動(dòng)控制占.66%，人工智能 Al 控制技術(shù)占0.6%。如果把PID控制技術(shù)和優(yōu)化

28、PID控制技術(shù)加起來，那么占到了90%以上，而文獻(xiàn)指出，工業(yè)過程控制中，95%以上的回路具有PID結(jié)構(gòu)。因此，可以毫不夸張地說，隨著工業(yè)現(xiàn)代化和其他各種先進(jìn)控制技術(shù)的開展，PID控制技術(shù)仍然不過時(shí)，并且它還占著主導(dǎo)地位。同時(shí)，由于工業(yè)過程對象的精確模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，因而在用PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，又往往難以得到最正確的控制效果。 PID控制器的結(jié)構(gòu)及原理PID控制器是一種基于偏差“過去、現(xiàn)在和未來信息估計(jì)的有效而簡單的控制算法。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖如圖2-5示。圖2-5 PID控制系統(tǒng)原理圖整個(gè)系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。作為一種線性控制器，PID控制器根據(jù)給

29、定值SV和實(shí)際輸出值PV構(gòu)成控制偏差，即e t r t y t 2. 1 然后對偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。由圖2-5得到PID控制器的理想算法為 2. 2 或者寫成常見傳遞函數(shù)的形式為： 2. 3 其中，、Ti、Td分別為PID控制器的比例增益、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。式 .2.2 和式 .2.3 是我們在各種文獻(xiàn)中最經(jīng)常看到的PID控制器的兩種表達(dá)形式。各種控制作用 即比例作用、積分作用和微分作用 的實(shí)現(xiàn)在表達(dá)式中表述的很清楚，相應(yīng)的控制器參數(shù)包括比例增益凡、積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)路。這三個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到PID控制系統(tǒng)的控制效果好壞

30、。PID控制在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有PID調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用proportional 比例 、Integral 積分 、Derivative 微分 控制方式，稱之為pID控制。PID控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有以下優(yōu)點(diǎn):理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。PID控制器是一種線性控制器，它是對給定值:r t 和實(shí)際輸出值只t 之間的偏差e t :e t y t 一r t 2.4 經(jīng)比例 P 、積分 I 和微分 D 運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量u t ，對被

31、控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如下圖，圖中u O為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。PID控制原理圖PID控制器規(guī)律為： 2.5中：為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式： PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下:l 比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號(hào)的作用，偏差e t 一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對當(dāng)前變化的一種反映。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)凡的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。2 積分環(huán)節(jié):說明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對時(shí)間的

32、積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)不，不越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之那么越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。3 微分環(huán)節(jié):對偏差信號(hào)的變化趨勢 變化速率 做出反響，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。但過大的幾對于干擾信號(hào)的抑制能力卻將減弱。PID的三種作用是相互獨(dú)立，互不影響。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用

33、，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字PID控制算法是通過對式2.6離散化來實(shí)現(xiàn)的。用一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)nT代表連續(xù)時(shí)間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到PID位置控制算法表達(dá)式: 2.7式中:T為采樣周期;n為采樣序號(hào);e n 為第n時(shí)刻的偏差信號(hào);e n一l 為第n一1時(shí)刻的偏差信號(hào)。PI

34、D位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計(jì)算本次與上次的偏差信號(hào)e n 和e n一l ，而且還要把歷次的偏差信號(hào)e j 相加，計(jì)算繁鎖，占用內(nèi)存大;另一方面計(jì)算機(jī)輸出的控制量u n 對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，u n 可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。為此實(shí)際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為2.8: 2.8式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量：增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的控制增量Au n 僅與最近幾次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，必要時(shí)可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比擬好的控制效果。 數(shù)字式PID控制

35、的實(shí)現(xiàn)PID控制器是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制器，在工業(yè)過程控制中得到了普遍的應(yīng)用。過去的PID控制器通過硬件模擬實(shí)現(xiàn)，但隨著微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，特別是現(xiàn)代嵌入式微處理器的大量應(yīng)用，原先PID控制器中由硬件實(shí)現(xiàn)的功能都可以用軟件來代替實(shí)現(xiàn)，從而形成了數(shù)值PID算法，實(shí)現(xiàn)了由模擬PDI控制器到數(shù)字PID控制器的轉(zhuǎn)變。數(shù)字PID控制器在實(shí)際應(yīng)用中可分為兩種:位置式PID控制器和增量式PID控制器。應(yīng)用中，位置式PID控制器和增量式PID控制器的算法實(shí)現(xiàn)分別如圖2-和圖2-圖2-所示。圖2-位置式PID算法實(shí)現(xiàn) 圖2- 增量式PID 算法實(shí)現(xiàn)第3章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的水塔、水箱供水的

36、根底上，參加了PLC及液壓變送器等器件利用PLC和組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)水塔水位的控制提供了一種實(shí)用的水塔水位控制方案。控制系統(tǒng)組成系統(tǒng)的工作原理在系統(tǒng)中，只使用比例和積分控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可以通過工程計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整到達(dá)最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口，用于動(dòng)控制輸入控制液體閥，使水位到達(dá)滿水位的75%，然后翻開出水口，同時(shí)輸入控制液體閥從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。這種切換由一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。 設(shè)計(jì)分析圖3-1設(shè)計(jì)分析示意圖“水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對象為水泵，容器為水塔或儲(chǔ)液罐。水位高度正常情況下控制在C、D之間，如圖1a。當(dāng)水位在低于C點(diǎn)時(shí)，水泵開始進(jìn)水，如圖1b

37、。當(dāng)水位高于D點(diǎn)時(shí)，水泵停止進(jìn)水，如圖1c。當(dāng)水位低于C點(diǎn)并到達(dá)B點(diǎn)時(shí)就報(bào)警，采取手動(dòng)啟動(dòng)水泵，如圖1d。當(dāng)水位超過D點(diǎn)并到達(dá)E點(diǎn)時(shí)上限報(bào)警，采取強(qiáng)制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖1e。 可行性試驗(yàn)圖為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報(bào)警確認(rèn)燈、水位指示燈以及報(bào)警確認(rèn)開關(guān)組成。接通電源時(shí)，電源指示燈亮，當(dāng)水塔中水深處于不同位置時(shí)，水位指示燈B、C、D、E情況不同。圖3-2水塔水位控制器外觀圖當(dāng)水位處于B點(diǎn)之下，指示燈B、C、D、E全亮，報(bào)警電路開始報(bào)警，即下限報(bào)警。 當(dāng)水位處于B、C之間，指示燈B滅，C、D、E亮，水泵開始進(jìn)水。 當(dāng)水位處于C、D之間，指示燈B、C滅，C、D亮，保持

38、狀態(tài)，即保持進(jìn)水。 當(dāng)水位處于D、E之間，指示燈B、C、D滅，E亮，停進(jìn)狀態(tài)，即水泵不工作。 當(dāng)水位處于E點(diǎn)之上，指示燈B、C、D、E全滅，水泵不工作，報(bào)警電路開始溢出報(bào)警，即上限報(bào)警。報(bào)警電路可以手動(dòng)關(guān)閉，只要按下報(bào)警確認(rèn)開關(guān)，就可以解除報(bào)警的蜂鳴聲。此時(shí)，報(bào)警確認(rèn)燈亮起。處理完故障時(shí)，必須關(guān)閉報(bào)警確認(rèn)燈，報(bào)警確認(rèn)電路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測故障的功能。 可行性分析 此方案采用純硬件電路設(shè)計(jì)，防止了軟件程序設(shè)計(jì)中的不穩(wěn)定因素，提高了實(shí)際運(yùn)用中的可靠性。同時(shí)，對于不同類型的液體，此系統(tǒng)均有良好的兼容性。當(dāng)水塔中液體改變時(shí)，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調(diào)節(jié)到一個(gè)數(shù)量級(jí)上就可以很方便的實(shí)現(xiàn)此液體的

39、水位控制操作。試驗(yàn)證明，此水塔水位控制器不僅實(shí)現(xiàn)了對水塔水位的精確控制，而且，此系統(tǒng)更具有工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際性。3.2 水位閉環(huán)控制系統(tǒng)圖3- 供水系統(tǒng)控制原理圖M1、M2水泵 Y0-Y3液位開關(guān) F1手閥 F2電磁閥 為了精確的實(shí)現(xiàn)對水位的控制，必須建立閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)水塔中的進(jìn)、出水的水位可以自動(dòng)控制水泵，使水位處于動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)。供水系統(tǒng)的根本原理如圖1所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過在水塔中的三個(gè)液壓變送器，將水位值變換為420 mA電流信號(hào)進(jìn)入PLC，把該信號(hào)和PLC中的設(shè)定值的程序進(jìn)行比擬，并執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對水塔中的水位進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)PLC出現(xiàn)故障時(shí)，還有一套手動(dòng)控制來

40、進(jìn)行對水塔水位控制。手動(dòng)控制采用交流接觸器。 上水箱液位低于Y3時(shí)，M1、M2同時(shí)工作，F(xiàn)2翻開。液位上升至Y2時(shí)，M2停止，F(xiàn)2關(guān)閉，M1繼續(xù)工作。液位上升至Y1時(shí)，M1也停止。翻開F1手閥使上水箱放水，液位下降。當(dāng)液位又低于Y1時(shí)M1起開工作，如F1開度較大下水量大于上水量，使液位繼續(xù)下降至Y2時(shí)，M2啟開工作同時(shí)F2翻開，使上水量大幅上升，保持液位。Y0為下水箱缺水報(bào)警開關(guān)下水箱液位低于Y0時(shí)意味著水泵進(jìn)水口缺水，此時(shí)應(yīng)自動(dòng)切斷電源并報(bào)警。圖3- 水位閉環(huán)控制圖PLC的由于該系統(tǒng)為中型PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，要求PLC能夠提供可編程邏輯分析和PID功能，應(yīng)選用中達(dá)公司生產(chǎn)的臺(tái)達(dá)DVP14ES

41、00R可編程邏輯控制器。臺(tái)達(dá)DVP14ES00R具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出及通信單元，可用于較為惡劣的環(huán)境中。主要配件有中央處理器CPU，電源單元PSE，I/O單元。包括數(shù)字輸入板IDPG、數(shù)字輸出板ODPG、附屬單元。 供水的控制方法圖3- 給水泵控制原理圖系統(tǒng)的硬件接線圖如下圖。從整個(gè)流程中可以看到兩套控制方式：由一臺(tái)可編程序控制器來控制兩臺(tái)水泵的自動(dòng)運(yùn)行。由交流接觸器來控制兩臺(tái)水泵的手動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)換項(xiàng)開關(guān)KKl打到手動(dòng)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕SBl，1#泵起動(dòng)運(yùn)行向水塔注水，由于設(shè)置了順序開啟和逆序關(guān)閉，在1#泵沒有開起的情況下，2#泵不能起動(dòng)運(yùn)行，而在兩個(gè)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，2#泵在沒有停止的情況下，1#

42、泵不能夠停止?，F(xiàn)在1#泵運(yùn)行的時(shí)候，按下起動(dòng)按鈕SB2，2#泵起動(dòng)運(yùn)行向水塔注水。此時(shí)，控制臺(tái)上的水位燈，由水塔中的液位變送器將水位變換為420mA電流信號(hào)輸入到PLC中，經(jīng)IDPG將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該信號(hào)與水位給定值進(jìn)行比擬，由PLC輸出一個(gè)控制信號(hào)經(jīng)ODPG轉(zhuǎn)換控制信號(hào)點(diǎn)亮此時(shí)水塔水位所在的水位燈。當(dāng)換項(xiàng)開關(guān)KK1打到自動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)水塔中水位的情況，通過在水塔中的液位變送器送出的420 mA電流信號(hào)由PLC接受并對其于給定值進(jìn)行比擬，執(zhí)行事先編譯好的程序。程序流程是：在水塔中無水時(shí)，1#、2#泵同時(shí)開起，對水塔進(jìn)行注水；水位到達(dá)低水位時(shí)，控制臺(tái)上的低水位燈點(diǎn)亮；水位到達(dá)中水位時(shí)，2#

43、泵停止，1#泵繼續(xù)運(yùn)行，中水位燈點(diǎn)亮；水位到達(dá)高水位時(shí)，1#、2#泵都停止，高水位燈點(diǎn)亮。而當(dāng)下水箱水位到達(dá)報(bào)警水位的時(shí)候，報(bào)警器開始報(bào)警，并切斷1#、2#泵的運(yùn)行。系統(tǒng)各種功能的實(shí)現(xiàn)1水位顯示及報(bào)警功能 為了及時(shí)觀測到水塔中的水位，特別在控制臺(tái)上安裝了4盞水位顯示燈，并將它們與PLC連接，根據(jù)變送器給PLC的信號(hào)，由PLC輸出信號(hào)開啟這4盞水位燈來顯示當(dāng)前水塔水位的情況。其中一盞燈是報(bào)警燈，在下水箱缺水的時(shí)候進(jìn)行報(bào)警，提醒工作人員前來處理。2手動(dòng)/自動(dòng)功能 為了系統(tǒng)能正常運(yùn)行，設(shè)置兩套手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行方式。手動(dòng)方式是利用繼電器-接觸器控制，可以在環(huán)境比擬惡劣的條件下繼續(xù)工作，自動(dòng)方式是利用PL

44、C來控制。3組態(tài)軟件功能 在這里利用組態(tài)軟件的采集數(shù)據(jù)的功能，對水塔的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過實(shí)際的數(shù)字和圖表反映出現(xiàn)在的水位狀況。第4章 PLC中PID控制器的實(shí)現(xiàn)PID算法PID ProPortiona1IntegralDerivative 是工業(yè)控制常用的控制算法，無論在溫度、流量等慢變化過程，還是速度、位置等快速變化的過程，都可以得到很好的控制效果。PID控制算法一般由【比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)】組成。積分項(xiàng)的作用是消除系統(tǒng)靜差，而微分項(xiàng)那么改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。PLC技術(shù)不斷增強(qiáng)，運(yùn)行速度不斷提高;不但可以完成順序控制的功能，還可以完成復(fù)雜的閉環(huán)控制。圖4.是常見閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成。4

45、-1 閉環(huán)控制系統(tǒng)作為閉環(huán)控制的重要特征，采用了“誤差的概念，即:在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，利用給定輸入sP t 與實(shí)際輸出c t 經(jīng)過測量裝置裝置轉(zhuǎn)換后的反響量Pv t 之間的差值e t 作為控制量，來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。在實(shí)際閉環(huán)控制系統(tǒng)中，誤差e t 一個(gè)很小的變化量。因此，為了對系統(tǒng)進(jìn)行更精確的控制，消除系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)的輸出誤差，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，需要對誤差進(jìn)行放大 比例調(diào)節(jié)P 、積分 積分調(diào)節(jié)I 、微分 微分調(diào)節(jié)D ，才能有效地控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用來對誤差進(jìn)行放大、積分、微分等處理的裝置稱為“調(diào)節(jié)器，當(dāng)調(diào)節(jié)器具有“放大、“積分、“微分功能

46、時(shí)，即成為PID調(diào)節(jié)器。在變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐中，經(jīng)常采用PID控制器、軟件PID以及變頻器內(nèi)置PID來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)功能，三種方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用PID算法的PLC實(shí)現(xiàn)方法。PID應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要用閉環(huán)控制方式來控制溫度、液位、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。無論是使用模擬控制器的模擬控制系統(tǒng)，還是使用計(jì)算機(jī)包括PLC的數(shù)字控制系統(tǒng)，PID控制都等到了廣泛的應(yīng)用。PID控制簡單易懂，使用中不必能清楚系統(tǒng)的數(shù)字模型。有人稱贊它是控制領(lǐng)域的常青樹是不無道理的。PID控制器是比例-積分-微分控制 Proportional-Integral-Derivat

47、ive 的簡稱,之所以得到廣泛應(yīng)用是因?yàn)樗哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)：1不需要精確地控制系統(tǒng)數(shù)字模型。由于非線性和時(shí)變性很多工業(yè)控制對象難以得到其準(zhǔn)確的數(shù)字模型，因此不能使用控制理論中的設(shè)計(jì)方法。對于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比擬滿意的效果。2有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分、微分控制三者有效地結(jié)合就可以滿足不同的控制要求。根據(jù)被控制對象的具體情況，還可以采用各種PID控制的變種和改良的控制方式，如PI、PD、帶死區(qū)的PID、積分別離PID、變速積分PID等。3PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序簡單，工程上易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。在PLC控制

48、系統(tǒng)中，經(jīng)常采用模擬量輸入/輸出模塊實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字化處理，本系統(tǒng)選擇S7-20O系列EM235模擬量模塊，對管網(wǎng)壓力信號(hào)進(jìn)行采樣，并通過變頻器調(diào)整液壓閥輸入與輸出。PLC實(shí)現(xiàn)PID控制的方式用PLC對模擬量進(jìn)行PID控制時(shí)，可以采用以下幾種方法：使用PID過程控制模塊這種模塊的PID控制程序是PLC生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的，并存放在模塊中，用戶在使用時(shí)只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路，但是這種模塊的價(jià)格較高，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。使用PID功能指令現(xiàn)在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。它們實(shí)際上是用于PID控制的子程序，與

49、模擬量的輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于是用PID過程控制模塊的效果，但是價(jià)格廉價(jià)得多。 3 用自編的程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制有的PLC沒有PID過程控制模塊和PID控制用的功能指令，有時(shí)雖然可以使用PID控制指令，但希望采用某種改良的PID控制算法。在上述情況下都需要用戶編制PID控制程序。PLC PID控制器的實(shí)現(xiàn)PLC的PID控制器的設(shè)計(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律為根底，將其數(shù)字化，寫成離散形勢的PID控制方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3-1所示。圖中為給定值，為反響量，c t 為系統(tǒng)的輸入量，PID控制器的輸入輸出關(guān)系式為：式中，

50、 控制器的輸出，為輸出的初始值， 誤差信號(hào)， 比例系數(shù)， 積分時(shí)間常數(shù)， 微分時(shí)間常數(shù)。圖4-2 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖上式中等號(hào)右邊前3項(xiàng)分別是比例、積分、微分局部，它們分別與誤差、誤差積分和微分成正比。如果取其中一項(xiàng)或兩項(xiàng)，可以組成P、PD或PI控制器。假設(shè)采樣周期為，系統(tǒng)開始運(yùn)行的時(shí)刻為t 0，用矩形積分來近似精確積分，用差分近似精確微分，將上式離散化，第n次采樣時(shí)控制器的輸出為：式中， 第n-1次采樣誤差值。 積分系數(shù)。 微分系數(shù)。在S7-200PLC中，實(shí)際使用的PID算法為：式中： 第n次采樣的調(diào)節(jié)器輸出 比例項(xiàng) 積分項(xiàng) 微分項(xiàng) 基于PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖-2所示，圖中虛線局部在

51、PLC內(nèi)。這圖中的、分別為模擬量、在第n次采樣的數(shù)字量。圖4-3 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)方框在許多控制器系統(tǒng)內(nèi)，可能只需要P、I、D中的一種或兩種控制器類型。例如，可能只要求比例控制或積分控制，通過設(shè)置參數(shù)可對回路控制類型進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)只適用比例和積分控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可以通過工程計(jì)算初步確定，但還需要近一步調(diào)整已到達(dá)最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口。用手動(dòng)控制液體閥，使水位到達(dá)滿水位的75%，然后翻開出水口，同時(shí)輸入控制液體閥從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。這種切換有一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。PID指令及回路表S7-200的PID指令圖如圖3-4所示。圖4-4 PID指令圖指令中TBL是回路

52、表的起始地址，LOOP是回路編號(hào)。編譯時(shí)如果指令指定的回路表起始地址或回路號(hào)超出范圍，CUP將產(chǎn)生編譯錯(cuò)誤范圍錯(cuò)誤，引起編譯失敗。PID指令對回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查，應(yīng)保證過程變量、給定值等不超限?；芈繁硪姳?-1.過程變量與給定值是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。每次完成PID運(yùn)算后，都要更新回路表內(nèi)的輸出值，它被限制在0.01.0之間。表4-1 PID指令的回路表偏移地址變量格式類型描述0過程變量雙字實(shí)數(shù)輸入應(yīng)在0.01.0之間4給定值雙字實(shí)數(shù)輸入應(yīng)在0.01.0之間8輸出值雙字實(shí)數(shù)輸入/輸出應(yīng)在0.01.0之間12增益雙字實(shí)數(shù)輸入比例常數(shù)，可

53、正可負(fù)16采樣時(shí)間雙字實(shí)數(shù)輸入單位為s，必須為正20積分時(shí)間雙字實(shí)數(shù)輸入單位為min，必須為正24微分時(shí)間雙字實(shí)數(shù)輸入單位為min，必須為正28上一次的積分值雙字實(shí)數(shù)輸入/輸出應(yīng)在0.01.0之間32上一次過程變量雙字實(shí)數(shù)輸入/輸出最近一次運(yùn)算的過程變量值如果PID指令中的算術(shù)運(yùn)算發(fā)生錯(cuò)誤，特殊存儲(chǔ)器位SM1.1溢出或非法數(shù)值被置1，并將終止PID指令的執(zhí)行。要想消除這種錯(cuò)誤，在下一次執(zhí)行PID運(yùn)算之前，應(yīng)改變引起運(yùn)算錯(cuò)誤的輸入值，而不是更新輸出值。第5章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5.1 可編程控制器的選型s，S7-200還有日期時(shí)間中斷功能。還可 提供兩個(gè)獨(dú)立4KHZ 的脈沖輸出，通過 圖5-1 水位PI

54、D控制工藝圖驅(qū)動(dòng)單元可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的位置控制。點(diǎn)對點(diǎn)接口PPI可以連接編程設(shè)備、操作員界面和具有串行接口的設(shè)備，用戶程序有三級(jí)口令保護(hù)。較強(qiáng)的功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)動(dòng)中，還是連成網(wǎng)絡(luò)皆能完成各種控制任務(wù)。它的使用范圍可以覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)控制。其應(yīng)用領(lǐng)域包括各種機(jī)床、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、食品化工工業(yè)、環(huán)保、電梯等。S7-200系列有CUP21X和CPU22X兩代產(chǎn)品。其中CPU22X型PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種根本型號(hào)。本設(shè)計(jì)選用CPU226型PLC。功能模塊選用EM235。CPU226主機(jī)共有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，可連接7個(gè)

55、擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O或35路模擬I/O點(diǎn)。13KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。CPU226輸入電路采用了雙向光電耦合器，DC24V極性可任意選擇，系統(tǒng)設(shè)置1M為I0B輸入端子的公共端，2M為I1B輸入端子的公共端。在晶體管輸出電路中采用了MOSFET功率驅(qū)動(dòng)器件，并將數(shù)字量輸出分為兩組，每組有一個(gè)獨(dú)立公共端，共有1L、2L兩個(gè)公共端，可接入不同的負(fù)載電源。CPU226可用于較高要求的控制系統(tǒng)，更多的I/O點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能使其完全適應(yīng)于復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。圖5-1為CPU226外部電路連接圖。5-1 CPU226外部電路連接圖5.3

56、 EM235模擬量模塊圖5- EM235模塊模擬量I/O連線示意圖如圖5-所示為模擬量I/O組合模塊EM2354路模擬量輸入、1路模擬量輸出I/O連接示意圖。24V DC電源正極接入模塊左下方L+端子，負(fù)極接入M端子。EM235模塊的上部端子排為標(biāo)注A、B、C、D的四路模擬量輸入接口，可分別接入標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)。為電壓輸入時(shí)，如A口所示，電壓正極接入A+端，負(fù)極接入A-端，RA端懸空。為電流輸入時(shí)，如B口所示須將RB與B+短接。然后與電流信號(hào)輸出端相連，電流信號(hào)輸入端那么接入B-接口。假設(shè)4個(gè)接口未能全部使用，如C口所示，未用的接口要將C+與C-端用短路子短接，以免收到外部干擾。下部端子為一路模擬量輸出的3個(gè)接線端子MO、VO、IO，其中MO為數(shù)字接地接口，VO為電壓輸出接口，IO為電流輸出接口。假設(shè)為電壓負(fù)載，那么將負(fù)載接入MO、VO接口假設(shè)為電流負(fù)載那么接入M