過程控制儀表課程設計論文報告

1、中南大學信息科學與工程學院中南大學過程控制儀表課程設計報告設計題目 液位控制系統(tǒng) 指導老師 設計者 專業(yè)班級 設計日期 2011年6月 目錄第一章 過程控制課程設計的目的和意義31.1課程設計的目的31.2課程設計的意義31.3課程設計在教學計劃中的地位和作用3第二章 液位控制系統(tǒng)的設計任務42.1設計內(nèi)容及要求42.2課程設計的要求4第三章 實驗內(nèi)容及調(diào)試中遇到的具體問題和解決的辦法53.1實驗目的53.2實驗內(nèi)容53.2.1流量單閉環(huán)控制系統(tǒng)53.2.2流量比值控制系統(tǒng)73.3實驗調(diào)試中遇到的具體問題和解決辦法8第四章 液位控制系統(tǒng)總體設計方案94.1液位控制系統(tǒng)在工業(yè)上的應用94.2液位

2、控制系統(tǒng)變送器以及開關閥的選擇114.3控制算法114.4系統(tǒng)控制主機的選擇124.5系統(tǒng)的硬件設計（單純的邏輯控制）134.5.1 水塔液位控制系統(tǒng)的主電路圖134.5.2 I/O接口的分配144.5.3 水塔液位控制系統(tǒng)的I/O設備144.5.2 控制系統(tǒng)硬件介紹15第五章 系統(tǒng)軟件設計175.1系統(tǒng)軟件設計1（單純的邏輯控制）175.1.1水塔液位控制系統(tǒng)的程序流程圖175.1.2 水塔液位控制系統(tǒng)的工作過程185.1.3 水塔液位控制系統(tǒng)的梯形圖195.2系統(tǒng)控制的程序205.3 加入PID控制的指令的軟件程序205.3.1PID控制系統(tǒng)梯形圖215.3.2PID控制系統(tǒng)的指令：24第

3、六章 收獲、體會和建議25參考文獻25第一章 過程控制課程設計的目的和意義1.1課程設計的目的本課程設計是為過程控制儀表課程而開設的綜合實踐教學環(huán)節(jié)，是對現(xiàn)代檢測技術、自動控制理論、過程控制儀表、計算機控制技術等前期課堂學習內(nèi)容的綜合應用。其目的在于培養(yǎng)學生綜合運用理論知識來分析和解決實際問題的能力，使學生通過自己動手對一個工業(yè)過程控制對象進行儀表設計與選型，促進學生對儀表及其理論與設計的進一步認識。課程設計的主要任務是設計工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)常遇到的壓力、流量、液位及溫度控制系統(tǒng)，使學生將理論與實踐有機地結合起來，有效的鞏固與提高理論教學效果。1.2課程設計的意義課程設計綜合了各門學科的知識，它將

4、我們平時課堂上所學習的知識有效的結合起來。使學生有更強的綜合運用的能力，是一個從書本到實踐的過渡，以便畢業(yè)以后能夠更好的投入到實際的工作中去。而且，自動化這個專業(yè)最后的目的就是要將這些只是靈活有效的運用于各種工業(yè)上去，如鍋爐的系統(tǒng)控制、自來水廠的水流量的控制和發(fā)電廠的一系列控制系統(tǒng)等等。1.3課程設計在教學計劃中的地位和作用所謂“學有所用”，“學以致用”，我們平時在課堂中學習了很多的知識，但是我們都知道如果沒有把知識運用于實際，那么學了也是白學。課程設計正是體現(xiàn)了這個“用”字，它是一個展示知識的平臺。通過課程設計我們能夠更好了解掌握平時課堂上所學到的知識，這也只是教學的目的?？梢姡n程設計在教

5、學計劃中有著至關重要的地位和作用，它讓我們的學習不再是紙上談兵。第二章 液位控制系統(tǒng)的設計任務2.1設計內(nèi)容及要求課程設計的主要任務是設計工業(yè)生產(chǎn)過程中遇到的液位控制系統(tǒng)，使學生將理論與實踐有機地結合起來，有效的鞏固與提高理論教學效果。具體內(nèi)容如下：1了解某種典型工業(yè)生產(chǎn)過程的工藝流程和控制要求；2分別設計典型工業(yè)生產(chǎn)過程中相應的壓力、流量、液位及溫度控制系統(tǒng)（包括控制系統(tǒng)的軟硬件的總體設計，如參數(shù)檢測變送器、控制器、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)閥的選型和控制算法的程序設計及控制系統(tǒng)參數(shù)整定）；3. 在實驗室分別調(diào)試一種壓力、流量、液位的串級或比值控制系統(tǒng)，并調(diào)節(jié)參數(shù)使控制系統(tǒng)達到要求的技術指標；4 提交系統(tǒng)

6、設計報告一份，闡述系統(tǒng)設計思想和方案，包括對所選取工業(yè)生產(chǎn)過程的工藝分析、控制要求、總體方案設計。2.2課程設計的要求本課程設計主要是通過對典型工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的典型工藝參數(shù)的測量方法、信號處理技術和控制系統(tǒng)的設計，掌握測控對象參數(shù)檢測方法、變送器的功能、測控通道技術、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法，進一步加強對課堂理論知識的理解與綜合應用能力，進而提高學生解決實際工程問題的能力?；疽笕缦? 1. 掌握變送器功能原理，能選擇合理的變送器類型型號；2. 掌握執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥的功能原理，能選擇合理的器件類型型號；3. 掌握PID調(diào)節(jié)器的功能原理，完成相應的壓力、流量

7、、液位及溫度控制系統(tǒng)的總體設計，并畫出控制系統(tǒng)的原理圖和系統(tǒng)主要程序框圖。4 通過對一個典型工業(yè)生產(chǎn)過程（如煤氣脫硫工藝過程）進行分析，并對其中的一個參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位）設計其控制系統(tǒng)。第三章 實驗內(nèi)容及調(diào)試中遇到的具體問題和解決的辦法3.1實驗目的1、控制系統(tǒng)的全貌，建立一個感性的認識。加深了解電子電動勢執(zhí)行器的結構原理和使用方法。通過對電子執(zhí)行器的測試和校驗，掌握執(zhí)行器的校驗方法，理解其相關的特性及性能指標含義。2、PID調(diào)節(jié)器的結構、工作原理，掌握調(diào)節(jié)器的使用及性能，對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行整定。3、掌握流量控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)功能，熟練的使用PID調(diào)節(jié)器，了解單閉環(huán)控制系統(tǒng)和流量

8、比值控制系統(tǒng)的規(guī)律以及性能。3.2實驗內(nèi)容3.2.1流量單閉環(huán)控制系統(tǒng)流量單閉環(huán)控制系統(tǒng)的被控量選擇的是內(nèi)容器的流量，操作變量則是內(nèi)容器的調(diào)節(jié)閥。它的工藝流圖和方塊圖如圖3.2所示。圖3.1 內(nèi)容器單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)工藝流程及方塊圖案 對于流量控制系統(tǒng)，采用的是LZ型金屬管浮子流量計，輸入050L/h，輸出420mA信號。流量控制中的電子執(zhí)行器就是用來控制流量計的閥門開度來控制流量的大小。本系統(tǒng)采用單回路的PID控制，將人為設定的流量和變送器測量的流量做比較，通過PID算法調(diào)節(jié)電子調(diào)節(jié)閥VL1的閥位開度輸出，從而使測量的流量達到要求。PID控制算式是很常用和很靈活的一種工業(yè)控制算法，對于一個不

9、確定的系統(tǒng)，通過試湊法整定PID參數(shù)，一般都可以達到很好的設計效果。并且，還可以采用PID的改進式，如積分分離和微分先行，在一些場合會達到更好的控制效果。PID湊試法： 湊試法是參考PID參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行下述先比例，后積分，再微分的整定步驟。1.首先只整定比例部分。 即將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直到得到反應快，超調(diào)小的響應曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且響應曲線已屬滿意，則只需用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。2.如果在比例調(diào)節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分時間TI為一較大值，并將經(jīng)第一步整定

10、得到的比例系數(shù)略微縮小(如縮小為原值的0.8倍)，然后減小積分時間，使在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，靜態(tài)誤差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應曲線的好壞反復改變比例系數(shù)與積分時間，以期得到滿意的控制過程與整定參數(shù)。3.若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜態(tài)誤差，但動態(tài)過程經(jīng)反復調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構成比例積分微分調(diào)節(jié)器。在整定時，可先置微分時間TD為0。在第二步整定的基礎上，增大TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。3.2.2流量比值控制系統(tǒng)本裝置中有兩個可控制的水流量，一路進夾套，一路進內(nèi)容器。一般可從中任意選擇一路流量為主動量，另一路則為從

11、動量，以此組成單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)或雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。下圖示例是以進內(nèi)容器水流量Q1為主動量、進外容器水流量Q2為從動量的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。它的工藝流圖和方塊圖如圖3.3所示。 圖3.2雙閉環(huán)流量比值控制工藝流程及方塊圖案本系統(tǒng)有兩個輸出，以進內(nèi)容器水流量Q1為主動量，進外容器水流量Q2為從動量的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中主控制器的輸出（Q1）直接決定第二個控制系統(tǒng)的輸入，故第一個系統(tǒng)稱為定常系統(tǒng)，而第二個系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)，顯然第二個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間會更長一些，控制難度會更大一些。很顯然，隨動系統(tǒng)在用PID算法進行控制時，必須去掉微分項，否則輸入發(fā)生變化就會引起輸出便或波動相當大，甚至會引起整個系統(tǒng)

12、的不穩(wěn)定。這里就可以看出定常系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)在PID控制上參數(shù)選擇的區(qū)別了。3.3實驗調(diào)試中遇到的具體問題和解決辦法實驗中主要的問題是在PID的調(diào)節(jié)上，這是一個比較漫長而且也比較細致的工作，它需要不斷的調(diào)節(jié)PID中的參數(shù)，來使系統(tǒng)達到試驗的要求，在短時間內(nèi)系統(tǒng)能夠達到穩(wěn)定的狀態(tài)，而且靜差要在1%2%。（1）如果一開始就使用湊試法，要達到接近的實驗要求效果是很困難的，因為湊試法存在很大的基數(shù)，要是很多次才能達到想要的效果。所以最開始我們只能按照實驗儀器上以及指導書上對流量控制給出的PID的參數(shù)來進行一個基本參數(shù)，然后再開始在這個范圍內(nèi)開始調(diào)節(jié)。（2）我們使用的是金屬管浮子流量計，所以根據(jù)測量的結果

13、可知，有效的工作區(qū)是在15L/h40L/h之間，所以當我們的參數(shù)設定在P=240,I=25,D=1時，各個階段的動態(tài)性能是不一樣的。a、當前值是25，設定值是30時，整個系統(tǒng)達到穩(wěn)定所用的時間是60s左右，而且穩(wěn)定后的閥門開度是29.8；b、當前值是30，設定值是35時，整個系統(tǒng)達到穩(wěn)定所用的時間是60s左右，而且穩(wěn)定后的閥門開度是35.3；c、當前值是30，設定值是25時，整個系統(tǒng)達到穩(wěn)定作用的時間是90s左右，而且穩(wěn)定后的閥門開度是25.3；從上面的數(shù)值可見，系統(tǒng)在這個PID的參數(shù)下還算是比較穩(wěn)定，但是在從2025以及3540這個階段的閥門開度的調(diào)節(jié)時，靜差就會很大了，而且達到穩(wěn)定所需的時

14、間也在100s以上，這個問題使我們在PID的調(diào)節(jié)上費了很大的功夫。首先，設定20這個閥門開度值時，系統(tǒng)很難達到這個值，而且一直不能穩(wěn)定，跳動的范圍為2123，這樣的話靜差就非常的大。分析出現(xiàn)的這個情況的原因，系統(tǒng)的穩(wěn)定線性是在15L/h40L/h之間，在值為20時，是在線性區(qū)的起始階段，所以會不穩(wěn)定。所以最后也不用去要求在這個值上的穩(wěn)定，所以最后可以確定穩(wěn)定的線性曲線是在2440這個階段。最后我們定的PID是P=240、I=25、D=1時，單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較好。（3）在比值系統(tǒng)調(diào)節(jié)時，遇到的問題更麻煩，將Q1的輸出作為隨動系統(tǒng)的輸入，經(jīng)過乘法器將隨動系統(tǒng)的輸入值減小到1/2，這樣調(diào)節(jié)出來的

15、穩(wěn)定系統(tǒng)的靜差就能減小。但是在這個比值系統(tǒng)中調(diào)節(jié)的PID就不能像單閉環(huán)系統(tǒng)一樣調(diào)節(jié)PID，而且原來單閉環(huán)系統(tǒng)的PID參數(shù)用于比值系統(tǒng)時，系統(tǒng)特別不穩(wěn)定，所以只能一直增大P值來使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定。最后能使系統(tǒng)基本穩(wěn)定是P=400、I=27、D=0時。（4）在整個實驗過程中，發(fā)現(xiàn)變送器上顯示的流量值和無紙無筆記錄儀上顯示的流量值相差很大（20左右），對于這個問題一直不知道是怎么回事，不清楚是哪個地方導致了這個誤差。在上面的實驗過程中，我們一直看的是變送器上的值，最后老師告訴我們輸出值要看記錄儀上的，因為記錄儀上的值才是反饋值。（5）還有一個比較重要的問題是，我們所用的金屬管浮子流量計，靜差的大小還要根

16、據(jù)電子執(zhí)行器的步長來定，所以有時候實際值不能達到設定值就是因為電子執(zhí)行器的步長的限制，所以有時候我們在選擇電子執(zhí)行器事也要要求其動作步長越短越好。第四章 液位控制系統(tǒng)總體設計方案4.1液位控制系統(tǒng)在工業(yè)上的應用這是一個簡單的關于水塔液位控制系統(tǒng)的示意圖：圖4.1水塔液位控制示意圖水塔液位控制系統(tǒng)的工作方式：當水池液位低于下限液位開關S1，S1此時為ON，電磁閥打開，開始往水池里注水，當經(jīng)過4s以后，若水池液位沒有超過水池下限液位開關，則系統(tǒng)發(fā)出報警，需要對電磁閥的進水處進行檢測；若系統(tǒng)正常，此時水池下限液位開關S1為OFF,表示水位高于下限水位。當水位液面高于上限水位，則S2為ON，電磁閥關閉

17、。當水塔水位低于水塔下限水位時，則水塔下限水位開關S3為ON，水泵開始工作，向水塔供水，當S3為OFF時，表示水塔水位高于水塔下限水位。當水塔液面高于水塔上限水位時，則水塔上限水位開關S4為OFF，水泵停止。當水塔水位低于下限水位，同時水池水位也低于下限水位時，水泵不能啟動。水塔液位控制系統(tǒng)框圖：調(diào)節(jié)器2液位變送器2水 泵水塔液位變送器1調(diào)節(jié)器1電磁閥水 池副調(diào)節(jié)器2副調(diào)節(jié)器1圖4.2 水塔液位控制系統(tǒng)框圖 由于電磁閥的開關是需要一個過程的，而且控制水池與水塔中水位要能使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，需要考慮很多方面。比如需要水泵的抽水量要與電磁閥門處的級水量保持一個穩(wěn)定的范圍，才不會使電磁閥的開度始終搖擺不

18、定，或者是使水泵的轉動大小變化太大，這樣會減小電動機的壽命，嚴重者還會導致電機燒壞或者是出現(xiàn)事故。4.2液位控制系統(tǒng)變送器以及開關閥的選擇通過水塔液位控制系統(tǒng)的示意圖可知，主要對變送器的選擇和電子執(zhí)行器的選擇：（1）變送器的選擇：此處需要兩個液位變送器為LSRY或者LART，液位變送器1：安裝在水池上的變送器，輸入量程為0100mm水，變送輸出為420mA；它控制這水池的上下限報警控制以及電磁閥的開度問題；液位變送器2：安裝在水塔上的變送器，輸入量程為0100mm水，變送輸出為420mA；它控制這水塔上上下限報警控制以及水泵的功率大小。（2）電子執(zhí)行器的選擇：電子式調(diào)節(jié)閥微電子大流量調(diào)節(jié)閥，電

19、動調(diào)節(jié)閥的輸入420mA電流信號，對應閥門輸出開度0100%。在我們選擇電子執(zhí)行器時要盡量選擇步長較短的電子執(zhí)行器。（3）水泵的轉動的驅動電機也需要用電子式控制方式，電動調(diào)節(jié)閥的輸入420mA電流信號，對應的電動機功率為0Pmax。4.3控制算法由以上的系統(tǒng)控制框圖可知，由于水池控制回路與說他的控制回路之間存在相互關聯(lián)，相互耦合，電磁閥和水泵是由單回路一和單回路二的輸出共同影響的，構成了雙輸入雙輸出的變量控制系統(tǒng)，因此在使用控制算法的時候就要用到解耦控制使系統(tǒng)框圖變得簡單。解耦控制的原理：解耦控制的主要目的就是通過設計解耦補償裝置，使各控制器只對各自相應的被控量施加作用，從而消除回路的相互影響

20、。就相當于將一個多變量控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣轉換成為一個對角線矩陣，這樣就可以使各控制回路之間是相互獨立的。4.4系統(tǒng)控制主機的選擇 這個系統(tǒng)用到的到的電子開關很多，所以選擇有S7200PLC來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制，雖然PLC的成本較高，但是水塔系統(tǒng)是一個較大的工程，需要比較穩(wěn)定的控制硬件來實現(xiàn)，所以相比之下，用PLC是最好的選擇。而S7200PLC是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能達到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC的一樣，由于它具有多種功能模塊和人機界面可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易的組成PLC網(wǎng)絡。同時，它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得

21、在完成控制的設計時更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務。一下有PLC的具體優(yōu)點：1、高可靠性（1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為1020ms.（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。（4）采用性能優(yōu)良的開關電源。（5）對采用的器件進行嚴格的篩選。（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。2、豐富的I/O接口模塊PLC針對不同的

22、工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：按鈕；行程開關；接近開關；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。3、采用模塊化結構為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4、編程簡單易學PLC的編程大多采用類似于繼電

23、器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。5、安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。4.5系統(tǒng)的硬件設計（單純的邏輯控制）4.5.1 水塔液位控制系統(tǒng)的主電路圖圖4.3 水塔液位控制系統(tǒng)的主電路圖4.5.2 I/O接口的分配表4-1 水塔液位控制系統(tǒng)PLC的輸入/輸出接口

24、分配表輸入信號輸入變量名輸出信號 輸出變量名I0.1水塔上限位Q0.1電磁閥I0.2水塔下限位Q0.2水泵I0.3水池上限位Q0.3水池下限指示燈a1I0.4水池下限位Q0.4水池上限指示燈a2I0.0控制開關Q0.5水塔下限指示燈a3Q0.6水塔上限指示燈a4Q0.7報警指示燈a5注意：水塔上下限位的開關是由液位變送器1給出的信號控制完成的水池的上下限位的開關是有液位變送器2給出的，他需要采用A/D轉換來實現(xiàn)PLC的邏輯控制，而上表中電子執(zhí)行器1控制電磁閥的閥門開度，電子執(zhí)行器2控制水泵電動機的功率大小。然后液位變送器的控制的解耦還是要用到PID的設定，所以我們可以用到PLC的PID回路指令

25、，此處有兩個單閉環(huán)，PID的控制指令大致相同，所以這里只以一個單閉環(huán)的PID指令為例來編寫程序4.5.3 水塔液位控制系統(tǒng)的I/O設備這是一個單體控制小系統(tǒng)，沒有特殊的控制要求，它有5個開關量，開關量輸出觸點數(shù)有8個，輸入、輸出觸點數(shù)共有13個，只需選用一般中小型控制器即可。據(jù)此，可以對輸入、輸出點作出地址分配，水塔水位控制系統(tǒng)的I/O接線圖如圖4.4所示。 圖4.4 水塔水位控制系統(tǒng)的I/O接線圖4.5.2 控制系統(tǒng)硬件介紹可編程控制器（Programmable Controller）,也稱可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），是以微處理器為核心的工

26、業(yè)自動控制通用裝置，是計算機家族的一名成員，簡稱PC，為了避免與個人電腦（也簡稱為PC）相混淆，通常將可編程控制器簡稱為PLC?？删幊炭刂破鞯漠a(chǎn)生與繼電器接觸器控制系統(tǒng)有很大的關系。繼電器接觸器控制已有上百年的歷史，它是一種用弱電信號控制強電信號的電磁開關，具有結構簡單、電路直觀、價格低廉、容易操作、易于維修的優(yōu)點。此種控制系統(tǒng)布局固定，按預先規(guī)定的時間、條件、順序工作。對于工作模式固定、要求比較簡單的場合非常適用，至今仍有廣泛的用途。但是當工作模式改變時，就必須改變控制系統(tǒng)的硬件接線，控制柜內(nèi)的物件和接線都要作相應的變動，改造工期長，費用高，用戶改造時寧愿扔掉舊控制柜，另作一個新控制柜使用，

27、阻礙了產(chǎn)品更新?lián)Q代。隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，市場競爭激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期日益縮短，工業(yè)生產(chǎn)從大批量、少品種向小批量、多品種轉換，繼電器接觸器控制難以滿足市場需要，此問題首先被美國通用汽車公司（GM公司）提了出來。通用汽車公司為適合汽車型號的不斷翻新，滿足用戶對產(chǎn)品的多樣性的需求，公開對外招標，要求制造一種新的工業(yè)控制裝置，取代傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制。其對新裝置性能提出的要求就是著名的GM10條，即 （1）編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序。（2）維護方便，最好是插件式。（3）可靠性高于繼電器控制柜。（4）體積小于繼電器控制柜（5）可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機。（6）在成本上可與繼電器控制柜競爭。（7

28、）輸入可以是交流115V。（8）輸出可以是交流115V、2A以上，可直接驅動電磁閥。（9）在擴展時，原有系統(tǒng)只要很小變更。（10）用戶程序存儲器容量至少能擴展4KB。這十項指標就是現(xiàn)代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通計算機，它與有關的外部設備，按照“易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一體”和“便于擴充功能”的原則來設計。用可編程控制器代替了繼電器接觸器的控制，實現(xiàn)了邏輯控制功能，并且具有計算機功能靈活、通用性強等優(yōu)點，用程序代替硬接線，減少了重新設計，重新接線的工作，此種控制器借鑒計算機的高級語言，利用面向控制過程，面向問題的“自然語言”編程，其標志性語言是極易為IT電器人員掌握的梯形

29、圖語言，使得不熟悉計算機的人也能方便地使用。這樣，工作人員不必在編程上發(fā)費大量的精力，只需集中精力去考慮如何操作并發(fā)揮該裝置的功能即可，輸入、輸出電平與市電接口，是控制系統(tǒng)可方便地在需要的地方運行。所以，可編程控制器廣泛地應用于各工業(yè)領域。第五章 系統(tǒng)軟件設計 5.1系統(tǒng)軟件設計1（單純的邏輯控制）5.1.1水塔液位控制系統(tǒng)的程序流程圖 根據(jù)設計的要求，得到的程序流程圖如圖5.1 圖4.5 水塔液位控制系統(tǒng)的PLC控制流程圖5.1.2 水塔液位控制系統(tǒng)的工作過程單純的邏輯控制：設水塔、水池初始狀態(tài)都為空著的，4個液位指示燈全亮。當執(zhí)行程序時，掃描到水池為液位低于水池下限液位時，電磁閥打開，開始

30、往水池離境稅，如果進水超過4秒，而水池液位沒有超過水池下限位，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會自動報警。若4秒之后水池液位按預定的超過水池下限位，說明系統(tǒng)在正常的工作，水池下限位的指示燈A1滅，此時，水池的液位已經(jīng)超過了下限位了，系統(tǒng)檢測到此信號時，由于水塔液位低于水塔水位下限，水泵開始工作，向水塔供水，當水池的液位超過水池上限液位時，水池上限指示燈A2滅，電磁閥就關閉，但是水塔現(xiàn)在還沒有裝滿，可此時水塔液位已經(jīng)超過水塔下限水位，則水塔下限指示燈A3滅，水泵繼續(xù)工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽滿時，水塔液位超過水塔上限，水塔上限指示燈A4滅，但剛剛給水塔供水的時候，水泵已經(jīng)把水池的水抽走了，此時水

31、塔液位已經(jīng)低于水池上限，水池上限指示燈A2亮。此次給水塔供水完成。經(jīng)過解耦控制技術后的PID控制回路：是兩個單回路系統(tǒng)，就水池的單回路控制系統(tǒng)而言，將水泵的功率看作是一個定值，設定水池液位為上線報警時的一半，然后通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)來驅動電子執(zhí)行器，從而達到控制電磁閥來控制水池的液位；同理，對于水塔中的液位控制也是一樣的運用。而且通過模擬量的輸入就不需要太多的數(shù)字量通道來作為開關，直接通過模擬量的大小來控制上下限報警系統(tǒng)，這樣雖然比較復雜，但是系統(tǒng)更穩(wěn)定，出現(xiàn)故障時的修整會變得容易，而且危險系數(shù)也會降低。關于上下限報警的燈控制還是沒有變化，變化的是使用電子執(zhí)行器去控制電磁閥門的開度和水泵的功率，

32、其實就是控制水泵電機的轉動頻率。5.1部分主要講了單純的可編程邏輯控制的程序設計，在5.3會有PID回路指令的程序設計，本程序只是將PID程序的主干進行了編輯，對于現(xiàn)場實際問題，還要考慮很多的影響因素。5.1.3 水塔液位控制系統(tǒng)的梯形圖圖5.2 水塔液位控制系統(tǒng)的梯形圖5.2系統(tǒng)控制的程序對于PLC來說，程序語句是相對簡單而且容易掌握的，它是由一條條指令語句組成的，下面就是水塔液位控制系統(tǒng)梯形圖對應的指令表27Network 1LD I0.0O Q0.1A I0.3= Q0.1Network 2 LD Q0.1TON T37, 40Network 3 LD I0.4= Q0.3Network

33、 4 LD T37A I0.4LPSAN T38= Q0.7LPPAN T39TON T38, 10Network 5 LD T38TON T39, 10Network 6 LD I0.3= Q0.4Network 7 LD I0.2O Q0.2A I0.1AN I0.4= Q0.2Network 8 LD I0.2A Q0.6= Q0.5Network 9 LD I0.1= Q0.65.3 加入PID控制的指令的軟件程序前面的PLC是單純的邏輯控制，沒有PID參數(shù)調(diào)節(jié)的加入，雖然在現(xiàn)實中也可以使用，但是會使電子執(zhí)行器等受到很大的損壞，所以當完成解耦控制后系統(tǒng)就變成兩個非常簡單的單閉環(huán)控制回路

34、。調(diào)節(jié)器4液位變送器2水 泵水塔液位變送器1調(diào)節(jié)器3電磁閥水 池圖4.3 經(jīng)過解耦控制后的兩個單閉環(huán)控制回路圖中調(diào)節(jié)器3與調(diào)節(jié)器4都是經(jīng)過加上了解耦補償裝置后的傳遞函數(shù)。這里就不計算解耦補償函數(shù)了。分析：以水池為例 有一處進水管和抽水管，該處我們將兩個回路作為了單獨的互不影響的閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以水泵的抽水流量是一定的，所以我們要控制水池里的水位在一個相對穩(wěn)定的值就需要對電磁閥進行控制。假設我們要控制水位在上線報警水位的一半。系統(tǒng)使用比例、積分及微分控制，假設采用下列控制參數(shù)值：Kc為0.5，Ts為0.2s，Ti為20min，Td為10min。 本程序的主程序、回路表初始化程序SBR_0、初始化

35、子程序SBR_1和中斷程序INT_0，模擬量輸入通道為AIW2，模擬量輸出通道為AQW0.I0.4是手動/自動轉換開關信號，I0.4為1時，為系統(tǒng)自動運行狀態(tài)。5.3.1PID控制系統(tǒng)梯形圖主程序PID回路表初始化子程序初始化主程序SBR_1中斷程序INT_05.3.2PID控制系統(tǒng)的指令：主程序LD SM0.1CALL SBR_0:SBR0CALL SBR_1:SBR1子程序SBR_0LD SM0.0MOVR 0.5, VD204MOVR 0.5, VD212MOVR 0.2, VD216MOVR 30.0, VD220MOVR 15.0, VD224子程序SBR_1LD SM0.0MOVB 20