plc水箱液位控制畢業(yè)論文復(fù)習(xí)課程

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。plc水箱液位控制畢業(yè)論文安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文、實(shí)習(xí)報(bào)告題目：PLC控制的水箱液位控制系統(tǒng)系部：專業(yè)：姓名班級(jí)：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：教師單位：安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院題目類型：畢業(yè)論文實(shí)習(xí)報(bào)告2011年月日PLC控制的水箱液位控制系統(tǒng)摘要在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問(wèn)題,例如居民生活用水的供應(yīng),飲料、食品加工,溶液過(guò)濾,化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要維持合適的高度,既不能太滿溢出造成浪費(fèi),也不能過(guò)少而無(wú)法滿足需求。由于液體本

2、身的屬性及控制機(jī)構(gòu)的摩擦、噪聲等的影響，控制對(duì)具有一定的純滯后和容量滯后的特點(diǎn)，液位上升的過(guò)程緩慢，呈非線性。因此液位控制裝置的可靠性與控制方案的準(zhǔn)確性是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，因此液面高度是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制，能收到很好的效果?？删幊炭刂破鳎≒LC）是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的，主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。PID控制（比例、積分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。本文主要是對(duì)一水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，涉及到液位的動(dòng)態(tài)控制、控制系統(tǒng)的建模、PLC控制、PID算法、傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列的知識(shí)。作

3、為單容水箱液位的控制系統(tǒng)，其模型為一階慣性函數(shù)，控制方式采用了PID算法，控制核心為S7-200系列的CPU222以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊，傳感器為擴(kuò)散硅式壓力傳感器，調(diào)節(jié)閥為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。選用以上的器件設(shè)備、控制方案和算法等，是為了能最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。關(guān)鍵詞PLC,PID,液位控制目錄TOCo1-3hzuHYPERLINKl_Toc286501236PLC控制的水箱液位控制系統(tǒng)PAGEREF_Toc286501236hIHYPERLINKl_Toc286501237摘要PAGEREF_Toc286501237hIHYPERLINKl_Toc2

4、86501238第一章緒論P(yáng)AGEREF_Toc286501238h-1-HYPERLINKl_Toc286501239第二章設(shè)計(jì)任務(wù)與要求PAGEREF_Toc286501239h-2-HYPERLINKl_Toc2865012402.1基本任務(wù)PAGEREF_Toc286501240h-2-HYPERLINKl_Toc2865012412.2基本要求PAGEREF_Toc286501241h-2-HYPERLINKl_Toc2865012422.3給定條件PAGEREF_Toc286501242h-2-HYPERLINKl_Toc2865012432.4主要性能指標(biāo)PAGEREF_Toc2

5、86501243h-2-HYPERLINKl_Toc2865012442.5擴(kuò)展功能PAGEREF_Toc286501244h-3-HYPERLINKl_Toc286501245第三章總體論證PAGEREF_Toc286501245h-3-HYPERLINKl_Toc2865012463.1總體方案的選擇PAGEREF_Toc286501246h-3-HYPERLINKl_Toc2865012473.1.1控制方法選擇PAGEREF_Toc286501247h-3-HYPERLINKl_Toc2865012483.1.2系統(tǒng)組成PAGEREF_Toc286501248h-4-HYPERLINK

6、l_Toc2865012493.2確定系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)PAGEREF_Toc286501249h-4-HYPERLINKl_Toc286501250第四章系統(tǒng)設(shè)計(jì)PAGEREF_Toc286501250h-5-HYPERLINKl_Toc2865012514.1建模過(guò)程PAGEREF_Toc286501251h-5-HYPERLINKl_Toc2865012524.模型參數(shù)的確定PAGEREF_Toc286501252h-6-HYPERLINKl_Toc2865012534.軟、硬件功能劃分PAGEREF_Toc286501253h-6-HYPERLINKl_Toc2865012544.系統(tǒng)

7、功能劃分、指標(biāo)分配和框圖構(gòu)成PAGEREF_Toc286501254h-7-HYPERLINKl_Toc2865012554.4.1PLC系統(tǒng)PAGEREF_Toc286501255h-7-HYPERLINKl_Toc2865012564.4.2前向通道PAGEREF_Toc286501256h-7-HYPERLINKl_Toc2865012574.4.3后向通道PAGEREF_Toc286501257h-8-HYPERLINKl_Toc286501258第五章系統(tǒng)開發(fā)PAGEREF_Toc286501258h-8-HYPERLINKl_Toc2865012595.1硬件開發(fā)系統(tǒng)配置PAGER

8、EF_Toc286501259h-8-HYPERLINKl_Toc2865012605.1.1PLC系統(tǒng)CPU、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊PAGEREF_Toc286501260h-8-HYPERLINKl_Toc2865012615.1.2前向通道傳感器PAGEREF_Toc286501261h-8-HYPERLINKl_Toc2865012625.2PID操作指令PAGEREF_Toc286501262h-9-HYPERLINKl_Toc2865012635.2.1PID算法PAGEREF_Toc286501263h-9-HYPERLINKl_Toc2865012645.2.2回路輸入

9、、輸出轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化PAGEREF_Toc286501264h-11-HYPERLINKl_Toc2865012655.2.3控制方式PAGEREF_Toc286501265h-11-HYPERLINKl_Toc2865012665.2.4ID的編程步驟PAGEREF_Toc286501266h-12-HYPERLINKl_Toc2865012675.3軟件開發(fā)PAGEREF_Toc286501267h-12-HYPERLINKl_Toc2865012685.3.1確定輸入/輸出關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，尋找合適算法PAGEREF_Toc286501268h-12-HYPERLINKl_Toc2865

10、012695.3.2調(diào)節(jié)器參數(shù)整定PAGEREF_Toc286501269h-13-HYPERLINKl_Toc2865012705.3.3程序流程圖PAGEREF_Toc286501270h-14-HYPERLINKl_Toc2865012715.3.4程序PAGEREF_Toc286501271h-14-HYPERLINKl_Toc286501272第六章連機(jī)調(diào)試PAGEREF_Toc286501272h-17-HYPERLINKl_Toc286501273第七章注意事項(xiàng)PAGEREF_Toc286501273h-18-HYPERLINKl_Toc2865012747.1安全注意事項(xiàng)PAG

11、EREF_Toc286501274h-18-HYPERLINKl_Toc2865012757.1.1防止觸電PAGEREF_Toc286501275h-18-HYPERLINKl_Toc2865012767.1.2防止?fàn)C傷PAGEREF_Toc286501276h-18-HYPERLINKl_Toc2865012777.1.3防止損壞PAGEREF_Toc286501277h-18-HYPERLINKl_Toc286501278總結(jié)PAGEREF_Toc286501278h-19-HYPERLINKl_Toc286501279致謝PAGEREF_Toc286501279h-20-HYPERLI

12、NKl_Toc286501280參考文獻(xiàn)PAGEREF_Toc286501280h-21-第一章緒論可編程控制器（簡(jiǎn)稱PLC或PC）是一種新型的具有極高可靠性的通用工業(yè)自動(dòng)化控制裝置，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它以微處理器為核心，有機(jī)地將微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)及通信技術(shù)容為一體，主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制，隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍。它具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、編程簡(jiǎn)單、使用方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今及今后工業(yè)控制的主要手段和重要的自動(dòng)化控制設(shè)備。德國(guó)西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國(guó)的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在冶金、化工

13、、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用。西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。液面高度是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制，能收到很好的效果。液位控制是工業(yè)生產(chǎn)中典型的過(guò)程控制問(wèn)題，對(duì)液位準(zhǔn)確的測(cè)量和有效的控制是一些設(shè)備優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要指標(biāo)。由于它便于直接觀察、容易測(cè)量、獲取方便、過(guò)程時(shí)間常數(shù)一般比較小、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量。在工業(yè)過(guò)程

14、控制系統(tǒng)中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，PID控制的使用率仍達(dá)90%，可見PID控制在工業(yè)過(guò)程控制中占有異常重要的地位。PID控制技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，從模擬PID控制發(fā)展到數(shù)字PID控制，技術(shù)不斷完善與成熟。尤其近十多年來(lái)，隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)智能控制的理論研究和應(yīng)用研究十分活躍，智能控制技術(shù)發(fā)展迅速，如專家控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等，現(xiàn)己成為工業(yè)過(guò)程控制的重要組成部分。由于液體本身的屬性及控制機(jī)構(gòu)的摩擦、噪聲等的影響，控制對(duì)具有一定的純滯后和容量滯后的特點(diǎn)，液位上升的過(guò)程緩慢，呈非線性。因此液位控制裝置的可靠性與控制方案的準(zhǔn)確性是影

15、響整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。本課題針對(duì)液位控制設(shè)計(jì)了一個(gè)由壓力傳感器、PLC、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成的系統(tǒng)，并采用了增量式PID算法對(duì)其控制。第二章設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1基本任務(wù)對(duì)單容水箱液位/壓力控制系統(tǒng)。這是一個(gè)單回路反饋控制系統(tǒng),控制的任務(wù)是使水箱的液位/壓力等于給定值,減小或消除來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)的影響。用液位/壓力參數(shù)為被控對(duì)象。交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪泵通過(guò)閥1向上水箱供水,調(diào)節(jié)閥2使之同時(shí)向外排水,令入水的速度大于出水的速度,達(dá)到被控參數(shù)(液位/壓力)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。2.2基本要求對(duì)單容水箱，用西門子S7-200為控制核心，輔助以單片機(jī)系統(tǒng)配套的A/D、D/A轉(zhuǎn)換單元及電路,通過(guò)執(zhí)行數(shù)字PID程序?qū)?/p>

16、現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整(設(shè)定值在單片機(jī)鍵盤上完成),使水箱的實(shí)際液位/壓力值與設(shè)定值接近,最終穩(wěn)定于設(shè)定值。組成單閉環(huán)水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，,要求水位可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，且各種測(cè)量、控制參數(shù)可在人機(jī)界面上顯示、設(shè)定。2.3給定條件控制對(duì)象：?jiǎn)稳菟錇楹诵牡乃h(huán)系統(tǒng)檢測(cè)元件：壓力式液位傳感器執(zhí)行元件：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥2.4主要性能指標(biāo)液位控制范圍：0-30cm最小區(qū)分度：1cm控制精度：液位控制的靜態(tài)誤差1cm2.5擴(kuò)展功能通訊端口采用的是RS-485總線，允許將S7-200CPU同編程器或其它一些設(shè)備連接起來(lái)。通過(guò)擴(kuò)展模塊可增加CPU的I/O點(diǎn)數(shù)，也可提供其它通訊功能。人機(jī)界面觸摸屏第三章總體論證3.1

17、總體方案的選擇單容水箱的液位控制系統(tǒng)是一階慣性系統(tǒng)，原因是此系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：，此模型為一階傳遞函數(shù)。3.1.1控制方法選擇單容水箱液位控制系統(tǒng)可歸屬于一階慣性環(huán)節(jié)，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)一階慣性環(huán)節(jié)的過(guò)渡過(guò)程控制。PID控制適用與負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又較高的控制系統(tǒng)。另外，PID算法有兩種常見的實(shí)現(xiàn)形式：位置型PID算法和增量型PID算法，結(jié)合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，以及以上對(duì)幾種控制方法的分析來(lái)看，增量式PID控制方法最適合本系統(tǒng)采用。3.1.2系統(tǒng)組成以現(xiàn)代控制理論和PLC為基礎(chǔ)，采用數(shù)字控制、顯示、A/D與D/A轉(zhuǎn)換，配合執(zhí)行器與控制閥構(gòu)成的PLC控制系統(tǒng)，在過(guò)程控制中得到越來(lái)越

18、廣泛的應(yīng)用。應(yīng)以PLC為核心組成一個(gè)專用PLC應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足檢測(cè)、控制應(yīng)用類型的功能要求。3.2確定系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)可以進(jìn)行水位設(shè)定，并自動(dòng)調(diào)節(jié)水位到給定水位值；可以調(diào)整PID控制參數(shù)，以滿足不同控制對(duì)象與控制品質(zhì)的要求；可以實(shí)時(shí)顯示給定值與水位實(shí)測(cè)值。系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如下：液位控制范圍：0-30cm最小區(qū)分度：1cm控制精度：液位控制的靜態(tài)誤差1cm第四章系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1建模過(guò)程系統(tǒng)示意圖如圖4-1所示：其具體的建模過(guò)程為：被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是液位高度h與流入量Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，有：寫成增量形式：1式中，、和分別為偏離某平衡狀態(tài)、和的增量，A為水箱的橫截面積。靜

19、態(tài)時(shí)應(yīng)有，。發(fā)生變化，液位h也隨之變化，使水箱出口處?kù)o壓力發(fā)生變化，因此也發(fā)生變化，與h的近似線性關(guān)系為：2式中，R2為閥門2的阻力系數(shù)，稱為液阻。將1、2兩式整理得：經(jīng)拉氏變換，得單容液位過(guò)程傳遞函數(shù)為：3式中，為過(guò)程放大系數(shù)，；為過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，；C為過(guò)程容量，。式3為一階傳遞函數(shù)，可知單容水箱液位控制系統(tǒng)為一階慣性系統(tǒng)。確定其放大系數(shù)和過(guò)程的時(shí)間常數(shù)便可以完整的把模型建好，以下便討論模型參數(shù)的確定過(guò)程。4.模型參數(shù)的確定由公式3我們知道，放大系數(shù)和時(shí)間常數(shù)與液阻和過(guò)程容量有關(guān)，又根據(jù)公式2可知液阻R2可由得出，而這些值可以由實(shí)驗(yàn)獲得，其具體過(guò)程如下：在不考慮容器擾動(dòng)影響的情況下，管口流出

20、處液體的速度為：D為水箱底部出水口的直徑，其測(cè)量值為0.007m，所以出水口的橫截面積S=0.00003848m2。在此實(shí)驗(yàn)中，由于出水閥開度保持不變，出水速度只與液位高度有關(guān)。因出水管的流量為，通過(guò)查閱數(shù)據(jù)，多次求平均可得液阻值為6370.207。另外，水箱底部截面積的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為0.06605m2，由此可求得過(guò)程放大系數(shù)K0=6370.207，過(guò)程的時(shí)間常數(shù)T0=420.7648。所以系統(tǒng)無(wú)時(shí)延模型為：4.軟、硬件功能劃分為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件、降低硬件成本、提高系統(tǒng)靈活性和可靠性，有關(guān)PID運(yùn)算、輸入信號(hào)濾波及大部分控制過(guò)程都可由軟件來(lái)完成，硬件的主要功能是液位信號(hào)的傳感、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)

21、換及輸出命令的執(zhí)行。4.系統(tǒng)功能劃分、指標(biāo)分配和框圖構(gòu)成根據(jù)系統(tǒng)總體方案，系統(tǒng)由四個(gè)主要功能模塊組成，其總體框圖如圖4-2所示：圖4-2水位控制系統(tǒng)總體框圖4.4.1PLC系統(tǒng)PLC系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它完成整個(gè)系統(tǒng)信息處理及協(xié)調(diào)控制功能。由于系統(tǒng)對(duì)控制速度、精度及功能的要求無(wú)特別之處，因此可以選用目前廣泛使用的MCS-51系列的單片機(jī)以及西門子S7-200系列的PLC。所以本系統(tǒng)選用了西門子S7-200系列的PLC。PLC本身的CPU不帶有A/D、D/A轉(zhuǎn)化功能，而本系統(tǒng)有模擬輸入、輸出量，所以PLC系統(tǒng)中還要包括擴(kuò)展模塊：模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊。4.4.2前向通道前向通道是信

22、息采集的通道，主要包括傳感器、信號(hào)放大等電路。由于液位變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，因此前向通道中沒有使用采樣保持電路。另外，信號(hào)的濾波可由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件，降低硬件成本。4.4.3后向通道后向通道是實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出的通道，PLC系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號(hào)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)水量的控制，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制目的。第五章系統(tǒng)開發(fā)5.1硬件開發(fā)系統(tǒng)配置5.1.1PLC系統(tǒng)CPU、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊PLC系統(tǒng)以西門子S7-200系列CPU222為系統(tǒng)的核心，外擴(kuò)EM231作為A/D轉(zhuǎn)換模塊和EM232作為D/A轉(zhuǎn)換模塊。（1）CPU：因本系統(tǒng)只有1模擬量輸入液位，1模擬量輸出電動(dòng)調(diào)

23、節(jié)閥轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，而且要有擴(kuò)展能力，所以選用PLC的型號(hào)為：西門子S7-200系列的CPU222DC/DC/DC，即直流輸入、直流輸出、晶閘管輸出型。（2）模擬量輸入模塊EM231（3）模擬量輸出模塊EM2325.1.2前向通道傳感器液位經(jīng)壓力式液位傳感器和信號(hào)放大電路產(chǎn)生0-5V的模擬電壓信號(hào)送入AD轉(zhuǎn)換器的輸入端。前向通道的設(shè)計(jì)主要是傳感器的選擇。本系統(tǒng)為液位控制系統(tǒng)，其目的是把水箱液體的高度控制在給定值，被控參數(shù)是高度h，而不同的高度會(huì)產(chǎn)生不同的液壓，所以液位控制系統(tǒng)選用壓力式液位傳感器，我們這里選用了擴(kuò)散硅式壓力傳感器。5.2PID操作指令S7-200CPU提供PID回路指令（成比例、積

24、分、微分循環(huán)），進(jìn)行PID計(jì)算。PID回路的操作取決于存儲(chǔ)在36字節(jié)回路表內(nèi)的9個(gè)參數(shù)。5.2.1PID算法PID控制器管理輸出數(shù)值，以便使偏差（e）為零，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差是給定值SP和過(guò)程變量PV的差。PID控制原則以下列公式為基礎(chǔ)，其中將輸出M（t）表示成比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)：式中，PID運(yùn)算的輸出，是時(shí)間的函數(shù)；PID回路的比例系數(shù)；PID回路的積分系數(shù)；PID回路的微分系數(shù)；PID回路的偏差；PID回路輸出的初始值。為了在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)算此控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)化成為偏差值的間斷采樣。數(shù)字計(jì)算機(jī)使用下列相應(yīng)公式為基礎(chǔ)的離散化PID運(yùn)算模式：式中，采樣時(shí)刻n的PID運(yùn)算輸

25、出值；采樣時(shí)刻n的PID回路的偏差；采樣時(shí)刻n-1的PID回路的偏差；采樣時(shí)刻的PID回路的偏差。利用計(jì)算機(jī)處理的重復(fù)性，可對(duì)上述公式進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的公式為：式中，積分項(xiàng)前值。1.比例項(xiàng)比例項(xiàng)是PID回路的比例系數(shù)及偏差的乘積，其中比例系數(shù)控制輸出計(jì)算的敏感性，而偏差是采樣時(shí)刻設(shè)定值SP及過(guò)程變量PV之間的差。為了方便計(jì)算取。CPU采用的計(jì)算比例項(xiàng)的公式為：=（SPn-PVn）式中，回路的增益；SPn采樣時(shí)刻n的設(shè)定值；PVn采樣時(shí)刻n的過(guò)程變量。2.積分項(xiàng)積分項(xiàng)與偏差和成比例。為了方便計(jì)算取。CPU采用的積分項(xiàng)公式為：式中，采樣時(shí)刻n-1的積分項(xiàng)（又稱為積分前項(xiàng)值）。3.微分項(xiàng)微分項(xiàng)MD與

26、偏差的改變成比例，為方便計(jì)算，取Kd=KcTd/Ts。計(jì)算微分項(xiàng)的公式為：5.2.2回路輸入、輸出轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化1.輸入轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化一個(gè)回路具有兩個(gè)輸入變量，設(shè)定值SP和過(guò)程變量PV。設(shè)定值通常為固定值，類似水箱液位控制的液位設(shè)定。過(guò)程變量是與回路輸出有關(guān)的量，因此可測(cè)量回路輸出對(duì)被控制系統(tǒng)的影響。在水箱液位保持在設(shè)定值的例子中，過(guò)程變量為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。設(shè)定值及過(guò)程變量均為實(shí)際數(shù)值，它們的大小、范圍及工程單位可能不同。在這些實(shí)際數(shù)值可用于PID指令之前，必須將其轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)化的、浮點(diǎn)數(shù)表示形式。實(shí)際數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)：第一步是將實(shí)際數(shù)值從16為整數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)或?qū)崝?shù)數(shù)值。數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化：下一步

27、是將數(shù)值的實(shí)數(shù)表示轉(zhuǎn)換為位于0.01.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值?？刹捎孟铝泄綄?duì)設(shè)定值及過(guò)程變量實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換：Rnorn（RrawSpan）Offset水箱液位控制系統(tǒng)中的數(shù)值為單極性，其標(biāo)準(zhǔn)化公式為：nornraw320002.輸出轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化回路輸出轉(zhuǎn)換成比例的整數(shù)數(shù)值：回路輸出是控制變量，是標(biāo)準(zhǔn)化的、位于0.0-1.0之間的實(shí)數(shù)數(shù)值。在回路輸出可用于驅(qū)動(dòng)模擬輸出之前，回路輸出必須被轉(zhuǎn)換為16位的、成比例的整數(shù)數(shù)值。這一過(guò)程是將過(guò)程變量轉(zhuǎn)化及設(shè)定值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的反過(guò)程。5.2.3控制方式S7-200PID回路沒有內(nèi)置的自動(dòng)和手動(dòng)控制方式，只要PID塊有效，就可以執(zhí)行PID運(yùn)算，從這種意義上說(shuō)，P

28、ID運(yùn)算存在一種自動(dòng)運(yùn)行方式；當(dāng)PID運(yùn)算不被執(zhí)行時(shí)，則可以說(shuō)那是一種手動(dòng)運(yùn)行方式。同其他指令，PID指令有一個(gè)使能位（即允許位），當(dāng)允許位檢測(cè)到一信號(hào)出現(xiàn)正跳變時(shí)，PID指令將進(jìn)行一系列運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)方式到自動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變。為了順利轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)方式，在轉(zhuǎn)換至自動(dòng)方式之前由手動(dòng)方式所設(shè)定的輸出值必須作為PID指令的輸入寫入回路表。PID指令對(duì)回路表內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行下列計(jì)算，保證當(dāng)檢測(cè)到0-1過(guò)渡時(shí)從手動(dòng)方式順利轉(zhuǎn)換為自動(dòng)方式：置設(shè)定值SPn=過(guò)程變量PVn置過(guò)程變量前值PVn-1=過(guò)程變量PVn置積分項(xiàng)前值MX=輸出值Mn5.2.4ID的編程步驟1.設(shè)定回路輸入及輸出選項(xiàng)回路輸入選項(xiàng)：循環(huán)進(jìn)程變量可

29、指定為字地址或已經(jīng)定義的符號(hào)。在回路計(jì)算之前，應(yīng)選好縮放比例。回路輸出選項(xiàng)：確定PID回路輸出變量是數(shù)字量還是模擬量。如果是模擬量輸出，可指定為字地址或已經(jīng)定義的符號(hào)。如果是數(shù)字量輸出，可指定為位地址或已經(jīng)定義的符號(hào)。在循環(huán)計(jì)算之后，應(yīng)選好縮放比例。2.設(shè)定回路參數(shù)在PID指令中，必須指定內(nèi)存區(qū)內(nèi)的36個(gè)字節(jié)參數(shù)表的首地址。其中，要選定過(guò)程變量、設(shè)定值、回路增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間和微分時(shí)間，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)值存入回路表中。不建議為參數(shù)表地址創(chuàng)建符號(hào)名，PID向?qū)傻拇a使用此參數(shù)表地址創(chuàng)建操作數(shù)，作為參數(shù)表內(nèi)的相對(duì)偏移量。如果為參數(shù)表地址創(chuàng)建符號(hào)名，然后改變?yōu)樵摲?hào)指定的地址，由PID向?qū)?/p>

30、的代碼將不能正確執(zhí)行。5.3軟件開發(fā)對(duì)于過(guò)程控制系統(tǒng)而言，控制方案的選擇和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是其兩個(gè)重要的內(nèi)容，如果控制方案設(shè)計(jì)的不合理，僅憑調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定無(wú)法獲得良好的控制質(zhì)量；相反，控制方案很好，但是調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不合適，也不能使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。5.3.1確定輸入/輸出關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，尋找合適算法系統(tǒng)的設(shè)定值是水箱滿水位的百分?jǐn)?shù)，過(guò)程變量是由擴(kuò)散硅壓力傳感器給出的。輸出值是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)過(guò)的角度，可以是允許最大值的0%100%。設(shè)定值可以預(yù)先設(shè)定后直接輸入回路表中。過(guò)程變量是來(lái)自壓力傳感器的單極性模擬量，回路輸出值也是一個(gè)單極性的模擬量，用來(lái)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)度，這個(gè)模擬量的范圍是

31、0.01.0，分辨率為1/32000（標(biāo)準(zhǔn)化）。5.3.2調(diào)節(jié)器參數(shù)整定系統(tǒng)整定，一般是指選擇調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD的具體數(shù)值。系統(tǒng)整定的實(shí)質(zhì)，就是通過(guò)改變系統(tǒng)參數(shù)，使調(diào)解器特性和被控過(guò)程特性配合好，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，求得最佳的控制效果。由控制理論可知，在過(guò)程控制中，通常以瞬間響應(yīng)的衰減率=0.75作為系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定儲(chǔ)備。綜合各種因素來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單易行的方法還是簡(jiǎn)易工程整定法。采用反應(yīng)曲線法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。反應(yīng)曲線法也稱動(dòng)態(tài)特性參數(shù)整定法，它是在系統(tǒng)開環(huán)情況下進(jìn)行的，利用廣義在調(diào)節(jié)閥的輸入端加入一階躍信號(hào)，利用快速顯示記錄儀在變送器的輸

32、出端記錄被控參數(shù)的響應(yīng)曲線。廣義過(guò)程的傳遞函數(shù)為：式中，為過(guò)程的時(shí)間常數(shù)；為時(shí)延時(shí)間；為自衡度。由于/T0=3.0/25=0.120.2，根據(jù)=0.75準(zhǔn)則，查表可知自衡度=1，則PID調(diào)節(jié)器的個(gè)參數(shù)為：比例度=0.102積分時(shí)間TI=6min微分時(shí)間TD=1.5min采樣時(shí)間TS=1s再由得增益=0.985.3.3程序流程圖有了前面所講述的S7-200CPU提供的PID操作指令、PID編程步驟、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥參數(shù)的整定過(guò)程，再結(jié)合水箱液位控制系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，可以從整體上來(lái)構(gòu)思和規(guī)劃出本系統(tǒng)的程序流程圖，它應(yīng)包括主程序、初始化子程序、定時(shí)中斷程序三部分：主程序OB1主程序的功能是PLC首次運(yùn)行時(shí)利

33、用SM0.1調(diào)用初始化程序SBR0。子程序SBR0子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立100ms的定時(shí)中斷，并開中斷。5.3.4程序主程序OB1：初始化子程序SBRO：定時(shí)中斷程序INTO：（a）模擬量輸入（b）PID指令（c）模擬量輸出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)閥控制方式有兩種，一是手動(dòng)控制，一是自動(dòng)控制，兩種運(yùn)行方式之間的切換由一個(gè)輸入的開關(guān)量控制，具體描述如下：I0.0位控制手動(dòng)到自動(dòng)方式的切換，0代表手動(dòng)，1代表自動(dòng)。本系統(tǒng)的程序僅有自動(dòng)控制方式的設(shè)計(jì)，I0.0=1時(shí)進(jìn)行PID“自動(dòng)”控制，把PID運(yùn)算的輸出值送到AQW0中，從而控制調(diào)節(jié)閥的開度，以使水箱的液位達(dá)到設(shè)定的水位高度。第六

34、章連機(jī)調(diào)試連機(jī)調(diào)試就是在樣機(jī)中全速運(yùn)行系統(tǒng)軟件，觀察系統(tǒng)運(yùn)行情況，并根據(jù)運(yùn)行結(jié)果修改控制參數(shù)，或?qū)?、硬件方案件進(jìn)行必要的修改，重復(fù)調(diào)試過(guò)程，直到系統(tǒng)能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求為止。本例中最主要的連機(jī)調(diào)試過(guò)程是進(jìn)行PID參數(shù)整定。不同的控制對(duì)象和控制環(huán)境需要不同的PID參數(shù)，即使是同一個(gè)控制對(duì)象和控制環(huán)境，對(duì)控制品質(zhì)的不同要求也需要對(duì)PID參數(shù)重新進(jìn)行整定。根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際情況，首先將檢測(cè)傳感器投入運(yùn)行，觀察其測(cè)量顯示的參數(shù)是否正確；其次利用調(diào)節(jié)閥手動(dòng)遙控，待被控參數(shù)在給定值附近穩(wěn)定下來(lái)后，再?gòu)氖謩?dòng)切換到自動(dòng)控制。在調(diào)節(jié)器從手動(dòng)切換到自動(dòng)運(yùn)行前必須做好細(xì)致的檢查工作，檢查調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)是否配

35、置好等。檢查完畢后，當(dāng)測(cè)量值與給定值的偏差為零時(shí)，將調(diào)節(jié)器由手動(dòng)切換到自動(dòng)，于是實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的投運(yùn)。系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行后，觀察系統(tǒng)的控制質(zhì)量指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，否則，在對(duì)調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)，以期達(dá)到較好的控制質(zhì)量的設(shè)計(jì)。第七章注意事項(xiàng)7.1安全注意事項(xiàng)7.1.1防止觸電嚴(yán)格要求系統(tǒng)可靠接地，包括現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，極低電阻不大于4歐姆。當(dāng)通電或者正在運(yùn)行時(shí)，請(qǐng)不要做任何維護(hù)或者維修活動(dòng)，不要打開機(jī)柜后門，接線箱蓋子，變頻器前蓋板否則會(huì)有觸電危險(xiǎn)。即使電源處于斷開時(shí)，除維護(hù)、維修外，請(qǐng)不要接觸任何具有超過(guò)安全電壓的裸露端子否則基礎(chǔ)各種充電回路可能造成觸電事故。請(qǐng)不要用濕手操作設(shè)定各種

36、旋鈕及按鍵，以防觸電。對(duì)于電纜，請(qǐng)不要損傷他，不要對(duì)他家過(guò)重的應(yīng)力，使它承受重物或?qū)λQ壓、否則可能會(huì)導(dǎo)致觸電。在開始布線或維修之前，請(qǐng)斷開電源，經(jīng)過(guò)十分鐘以后，用萬(wàn)用表檢測(cè)剩余電壓后進(jìn)行。7.1.2防止?fàn)C傷不要接觸熱水管道，避免高溫燙傷，在電機(jī)停止后不要立刻操作，不要驚醒任何維修工作。7.1.3防止損壞水泵運(yùn)行狀態(tài)，絕對(duì)禁止進(jìn)行水泵切換控制操作，否則可能損壞變頻器。在水箱水位沒有達(dá)到一定高度，不能啟動(dòng)調(diào)壓器輸出，否則可能損壞硬件。系統(tǒng)應(yīng)遠(yuǎn)離可燃物體，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，請(qǐng)斷開電源，否則，系統(tǒng)可能應(yīng)為電流過(guò)大導(dǎo)致火災(zāi)。各個(gè)段子上的電壓只能使用額定電壓，以防爆炸，損壞。確認(rèn)電纜與正確的段子相連接，否

37、則，可能會(huì)發(fā)生爆裂、損壞等事故?？偨Y(jié)隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展，各生產(chǎn)工藝設(shè)備相互間緊密地聯(lián)系著，各設(shè)備的生產(chǎn)操作也是相互聯(lián)系、相互影響的，所以分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用好一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，首先應(yīng)全面了解被控過(guò)程，其次根據(jù)工藝要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究，確定最佳的控制方案，最后對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、整定和投運(yùn)。依據(jù)以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟，在指導(dǎo)老師老師的引導(dǎo)和幫助下，我學(xué)習(xí)了以下水箱液位控制系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)：水箱控制系統(tǒng)的一般認(rèn)識(shí)，包括：水位控制原理、傳感器的類型、特點(diǎn)。執(zhí)行器件，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的原理與組成。水箱控制系統(tǒng)特性的了解：系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性、過(guò)渡過(guò)程；自動(dòng)控制的基本要求，如穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確

38、性等品質(zhì)指標(biāo)；受控對(duì)象的容量特性、平衡特性、時(shí)間特性。過(guò)程控制基本規(guī)律：雙位控制；傳統(tǒng)PID控制；數(shù)字控制。2控制核心，PLC系統(tǒng)的了解：PLC的一般概念。PLC的特點(diǎn)及分類。PLC的一般組成，如整體式、模塊式（CPU模塊、I/O模塊、模擬量模塊、通訊模塊等）。另外，還包括外圍接口如人機(jī)界面等。PLC在水箱控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我對(duì)系統(tǒng)建模、PID算法、PLC控制、調(diào)節(jié)閥的選定及其參數(shù)整定有了系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也遇到了一些自己不理解或不能解決的問(wèn)題，如系統(tǒng)的模型是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的，在試驗(yàn)中存在許多人為的和非人為的誤差，在計(jì)算公式中忽略了一些不是很重要的項(xiàng)目，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定過(guò)程