水塔水位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、123/133水塔水位PID操縱系統(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)的進(jìn)展和人民生活水平的提高，對(duì)都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)輸入操縱液體閥以不同的速度給水塔供水，以維持水位的變化，如此才能使水塔不斷水。研究設(shè)計(jì)的基于PLC操縱的水塔水位PID供水系統(tǒng),以西門子公司的S7-200系列中PLC-CPU226為基礎(chǔ)，結(jié)合模擬量模塊EM235、液位傳感器、輸入操縱液壓閥、輸出操縱液壓閥等，組成一個(gè)基于S7-200系列中PLC-CPU226的水塔水位操縱系統(tǒng)，能完成邏輯操縱、水位調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采樣等功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)水塔

2、的水位進(jìn)行操縱及檢測(cè)。在設(shè)計(jì)中大量運(yùn)用PLC中PID來實(shí)現(xiàn)水塔水位的操縱，為了精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的操縱 ，建立成閉環(huán)操縱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水塔中的進(jìn)、出水的水位自動(dòng)操縱。關(guān)鍵詞： 可編程操縱器PLC，水塔水位，PID操縱 Water TOWERS pid CONTROL SYSTEM DESIGNABSTRACTWater supply is an important industry of the peoples livelihood. With the social development and peoples living standards, urban water supply to a

3、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 continuous water towers.

4、 PLC-based research and design of the towers level PID control the water supply system to Siemens S7-200 series PLC-CPU226-based light simulation module EM235, liquid level sensors, type of hydraulic control valve, hydraulic valve control output and so on, based on the formation of a S7-200 series o

5、f the PCL-CPU226 towers water level control system, to complete logic control, water regulation and function of data sampling, etc., to achieve the level of the water tower for control and detection. In the design of PID make extensive use of PLC to achieve the level of control towers, in order to a

6、chieve precise level of control, into a closed-loop control system, the water tower in progress, the water level of automation.Key words: Programmable Logic Controller PLC, Water Towers, PID Control目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232467823 前言 PAGEREF _Toc232467823 h 1 HYPERLINK l _Toc232467824 第1

7、章 水塔水位自動(dòng)操縱系統(tǒng)的概述 PAGEREF _Toc232467824 h 2 HYPERLINK l _Toc232467825 1.1 水位操縱系統(tǒng)現(xiàn)狀與進(jìn)展 PAGEREF _Toc232467825 h 2 HYPERLINK l _Toc232467826 1.2 水塔水位自動(dòng)操縱系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc232467826 h 2 HYPERLINK l _Toc232467827 1.3 水位操縱系統(tǒng)效率及運(yùn)行模式分析 PAGEREF _Toc232467827 h 3 HYPERLINK l _Toc232467828 第2章 PLC結(jié)構(gòu)和工作原理 PAGEREF

8、 _Toc232467828 h 4 HYPERLINK l _Toc232467829 2.1 PLC組成與差不多結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc232467829 h 4 HYPERLINK l _Toc232467830 2.1.1 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc232467830 h 4 HYPERLINK l _Toc232467831 2.1.2 PLC的差不多工作原理 PAGEREF _Toc232467831 h 5 HYPERLINK l _Toc232467832 2.2 PLC的要緊應(yīng)用 PAGEREF _Toc232467832 h 6 HYPERLINK l

9、 _Toc232467833 2.3 S7-200 系列可編程操縱器 PAGEREF _Toc232467833 h 6 HYPERLINK l _Toc232467834 2.3.1 S7-200 PLC系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc232467834 h 7 HYPERLINK l _Toc232467835 2.3.1 S7-200系列PLC元件功能 PAGEREF _Toc232467835 h 7 HYPERLINK l _Toc232467836 2.4 PID操縱器簡介 PAGEREF _Toc232467836 h 9 HYPERLINK l _Toc232467837 2

10、.4.1 PID操縱器的結(jié)構(gòu)及原理 PAGEREF _Toc232467837 h 9 HYPERLINK l _Toc232467838 2.4.2 數(shù)字式PID操縱 PAGEREF _Toc232467838 h 10 HYPERLINK l _Toc232467839 2.4.3 數(shù)字式PID操縱的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc232467839 h 12 HYPERLINK l _Toc232467840 第3章 水塔水位操縱系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc232467840 h 14 HYPERLINK l _Toc232467841 3.1 系統(tǒng)的工作原理 PAGEREF _

11、Toc232467841 h 14 HYPERLINK l _Toc232467842 3.1.1 設(shè)計(jì)分析 PAGEREF _Toc232467842 h 14 HYPERLINK l _Toc232467843 3.1.2 可行性試驗(yàn) PAGEREF _Toc232467843 h 15 HYPERLINK l _Toc232467844 3.1.3 可行性分析 PAGEREF _Toc232467844 h 16 HYPERLINK l _Toc232467845 3.2 水位閉環(huán)操縱系統(tǒng) PAGEREF _Toc232467845 h 16 HYPERLINK l _Toc232467

12、846 3.2.1 PLC的選擇 PAGEREF _Toc232467846 h 18 HYPERLINK l _Toc232467847 3.2.2 供水的操縱方法 PAGEREF _Toc232467847 h 18 HYPERLINK l _Toc232467848 第4章 PLC中PID操縱器的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc232467848 h 20 HYPERLINK l _Toc232467849 4.1 PID算法 PAGEREF _Toc232467849 h 20 HYPERLINK l _Toc232467850 4.2 PID應(yīng)用 PAGEREF _Toc2324678

13、50 h 21 HYPERLINK l _Toc232467851 4.3 PLC實(shí)現(xiàn)PID操縱的方式 PAGEREF _Toc232467851 h 21 HYPERLINK l _Toc232467852 4.4 PLC PID操縱器的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc232467852 h 22 HYPERLINK l _Toc232467853 4.5 PID指令及回路表 PAGEREF _Toc232467853 h 24 HYPERLINK l _Toc232467854 第5章系統(tǒng)硬件開發(fā)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc232467854 h 26 HYPERLINK l _Toc23

14、2467855 5.1 可編程操縱器的選型 PAGEREF _Toc232467855 h 26 HYPERLINK l _Toc232467856 5.3 EM235模擬量模塊 PAGEREF _Toc232467856 h 28 HYPERLINK l _Toc232467857 5.3.1 EM235的安裝使用 PAGEREF _Toc232467857 h 29 HYPERLINK l _Toc232467858 5.3.2 EM235的工作程序編制 PAGEREF _Toc232467858 h 29 HYPERLINK l _Toc232467859 5.4 硬件連接圖 PAGER

15、EF _Toc232467859 h 30 HYPERLINK l _Toc232467860 5.5 操縱系統(tǒng)I/O地址分配 PAGEREF _Toc232467860 h 30 HYPERLINK l _Toc232467861 第6章 系統(tǒng)軟件應(yīng)用設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc232467861 h 31 HYPERLINK l _Toc232467862 6.1 水位PID操縱的邏輯設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc232467862 h 31 HYPERLINK l _Toc232467863 6.2 梯形圖編程 PAGEREF _Toc232467863 h 35 HYPERLINK

16、l _Toc232467864 6.3 操縱程序 PAGEREF _Toc232467864 h 38 HYPERLINK l _Toc232467865 6.4 聯(lián)機(jī) PAGEREF _Toc232467865 h 39 HYPERLINK l _Toc232467866 結(jié) 論 PAGEREF _Toc232467866 h 40 HYPERLINK l _Toc232467867 謝 辭 PAGEREF _Toc232467867 h 41 HYPERLINK l _Toc232467868 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc232467868 h 42 HYPERLINK l _Toc

17、232467869 附錄43 HYPERLINK l _Toc232467870 外文資料翻譯 PAGEREF _Toc232467870 h 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)量等差不多上常用的要緊被控參數(shù)。其中，水位操縱越來越重要。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速進(jìn)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，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴(yán)峻的生產(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)中最重要的基礎(chǔ)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(duì)給水系統(tǒng)提出的差不多要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采納水塔

18、、層頂水箱等作為差不多儲(chǔ)水設(shè)備，由一級(jí)或二級(jí)水泵從地下市政水管補(bǔ)給。傳統(tǒng)的操縱方式存在操縱精度低、能耗大、可靠性差等缺點(diǎn)?？删幊滩倏v器（PLC）是依照順序邏輯操縱的需要而進(jìn)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)，目前水位操縱的方式被PLC操縱取代。同時(shí)，又有PID操縱技術(shù)的進(jìn)展，因此，如何建立一個(gè)可靠安全、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(duì)容器中的液位（水位）進(jìn)行自動(dòng)操縱。比如自動(dòng)操縱水塔、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)水操縱、自動(dòng)電熱水器、電開水機(jī)的自動(dòng)進(jìn)水操縱等。盡管各種水位

19、操縱的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特不是在實(shí)際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是操縱系統(tǒng)的差不多要求。因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)精度高、穩(wěn)定性好的水位操縱系統(tǒng)就顯得日益重要。采納PLC和PID技術(shù)能專門好的解決以上問題，使水位操縱在要求的位置。本論文側(cè)重介紹“水塔水位PID操縱系統(tǒng)”的硬件、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(duì)變頻器內(nèi)置PID模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳液位傳感器反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，依照用水量的變化，采取PID調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用輸入液體操縱閥連續(xù)調(diào)節(jié)和輸出操縱閥分級(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操縱系統(tǒng)集PLC操縱技術(shù)、PID技術(shù)、電子電力技

20、術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)于一體。采納該系統(tǒng)進(jìn)行供水能夠提高供水系統(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，因此研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，關(guān)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)操縱系統(tǒng)的概述1.1 水位操縱系統(tǒng)現(xiàn)狀與進(jìn)展節(jié)能是我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)能否保持可持續(xù)進(jìn)展的一個(gè)重大問題.水位操縱廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與民用生活，其用電量大，是節(jié)能研究的要緊內(nèi)容之一.對(duì)變頻調(diào)速水位操縱系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況研究發(fā)覺，目前國內(nèi)在這方面普遍采納恒水位或恒壓力變頻調(diào)速PID操縱技術(shù)，取得了一定的應(yīng)用效果.但由于這類操縱系統(tǒng)忽視了水泵-

21、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)的恒水位或恒壓力操縱不能保證電機(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)能功效，造成了變頻調(diào)速操縱系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中效率不高，節(jié)能效果未能充分體現(xiàn),這也是變頻調(diào)速操縱技術(shù)多年來一直難以大規(guī)模采納的緣故之一，水位操縱類變頻調(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)操縱問題，要求操縱 圖1-1 水塔水位操縱系統(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)，采納傳統(tǒng)的操縱策略專門難獲得簡便、有用的解決方法.本文結(jié)合水位操縱類系統(tǒng)的特點(diǎn)，運(yùn)用水位操縱理論與最優(yōu)操縱方法，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

22、水位操縱以改善這類系統(tǒng)的操縱策略與運(yùn)行方式，同時(shí)給出采納PLC操縱程序?qū)崿F(xiàn)的此水位操縱。水塔水位操縱系統(tǒng)模型如圖1-1。1.2 水塔水位自動(dòng)操縱系統(tǒng)的組成水位自動(dòng)操縱系統(tǒng)由PLC（核心操縱部件）、高低位的水位檢測(cè)電路（液位傳感器）、輸入操縱液壓閥、輸出操縱液壓閥等部分組成。1.3 水位操縱系統(tǒng)效率及運(yùn)行模式分析水位操縱系統(tǒng)的效率要緊由水泵的效率、電動(dòng)機(jī)的效率和管道損失決定，本文要緊研究水泵-電機(jī)組的效率問題。由于水位操縱系統(tǒng)的非線性、滯后性與時(shí)變性，采納傳統(tǒng)的PID操縱容易實(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。為此引入模糊操縱，使系統(tǒng)能夠最快地響應(yīng)用戶的用水要求并最大限

23、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)能功效，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在分析變頻調(diào)速水位操縱的節(jié)能問題時(shí)，以不同轉(zhuǎn)速下提供相同容積圖1-2 操縱系統(tǒng)框圖的水作比較得出圖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)的效率最佳。圖1-1給出了水位操縱系統(tǒng)操縱模型圖，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)分不為

24、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)總的操縱模式為：當(dāng)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)HC時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行加機(jī)模式.系統(tǒng)效率Kn3dtn0.61.0n N系統(tǒng)節(jié)能模式是本文的研究重點(diǎn)，依照此圖可設(shè)計(jì)一個(gè)水位操縱器，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)刻上最大限度地工作在高效區(qū)，如此，系統(tǒng)運(yùn)行的效率就能夠提高，現(xiàn)在的系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，達(dá)到系統(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2.1 PLC組成與差不多結(jié)構(gòu)PLC是微機(jī)

25、技術(shù)和繼電器常規(guī)操縱概念相結(jié)合的產(chǎn)物，從廣義上講，PLC也是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只只是它比一般計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的擴(kuò)展性與工業(yè)過程相連接的輸入/輸出接口，具有更適用于操縱要求的編程語言，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)操縱用的專用計(jì)算機(jī)，它的實(shí)際組成與一般微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)差不多相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。 2.1.1 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，但差不多上以微處理器為核心用做工業(yè)操縱的專用計(jì)算機(jī)，因此其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件和微機(jī)相似。要緊包括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

26、口等。其內(nèi)部也是采納總線結(jié)構(gòu)來進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。圖2-1 PLC結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。PLC操縱系統(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)、傳感器檢測(cè)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)部寄存器中，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(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行各種操縱。由此可見，PLC的差不多結(jié)構(gòu)由操縱部分、輸入和輸出部分組成。2.1.2 P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)有專門大的不同。微機(jī)一般采納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，若有鍵按下或I/O變

27、化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無則接著掃描等待。PLC則是采納循環(huán)掃描的工作方式。對(duì)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，假如無跳轉(zhuǎn)指令，則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的工作過程確實(shí)是PLC的掃描循環(huán)工作過程，一個(gè)循環(huán)掃描周期要緊可分為3個(gè)時(shí)期，輸入刷新時(shí)期、程序執(zhí)行時(shí)期、輸出刷新時(shí)期。如圖2-2所示PLC的掃描工作過程。圖2-2 PLC的掃描工作過程2.2 PLC的要緊應(yīng)用通過20多年的工業(yè)運(yùn)行，PLC迅速滲透到工業(yè)操縱的各個(gè)領(lǐng)域，從PLC的功能來看，它的應(yīng)用范

28、圍大致包括以下幾個(gè)方面：（1）邏輯操縱 PLC具有邏輯運(yùn)算功能，能夠?qū)崿F(xiàn)各種通斷操縱。（2）定時(shí)操縱 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，其計(jì)時(shí)時(shí)刻設(shè)定值既能夠由用戶程序設(shè)定，也能夠由操作人員在工業(yè)現(xiàn)場通過人機(jī)對(duì)話裝置實(shí)時(shí)設(shè)定，計(jì)時(shí)器的實(shí)際計(jì)時(shí)值也能夠通過人機(jī)對(duì)話裝置實(shí)時(shí)讀出或（3）計(jì)數(shù)操縱 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)刻設(shè)定值一樣。計(jì)數(shù)器的實(shí)際計(jì)數(shù)值也能夠通過人機(jī)對(duì)話裝置實(shí)時(shí)讀出。（4）步進(jìn)（順序）操縱 PLC具有步進(jìn)（順序）操縱功能。在新一代的PLC中，還能夠IEC規(guī)定的用于順序操縱的標(biāo)準(zhǔn)化語言順序功能圖（

29、SFC）編制用戶程序，PLC在實(shí)現(xiàn)按照事件或輸入狀態(tài)的順序操縱相應(yīng)輸出的場合更簡便。（5）PID操縱 PLC具有PID操縱功能。PLC能夠接模擬量輸入和輸出模擬量信號(hào)。通常采納專門的PID操縱模塊來實(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)比較、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。它既能夠?qū)h(yuǎn)程I/O進(jìn)行操縱，又能實(shí)現(xiàn)PLC和PLC，PLC和計(jì)算機(jī)之間的通信。因此，能夠方便地構(gòu)成“集中治理，分散操縱”的分布式操縱系統(tǒng)。（8）PLC還具有許多專門功能模塊，適

30、用于各種專門操縱的要求，例如：定位操縱模塊，CRT模塊等。2.3 S7-200 系列可編程操縱器 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可編程序操縱器在歐洲處于領(lǐng)先地位。其第一代可編程序操縱器是于1975年投放市場的SIMATIC S3系列操縱系統(tǒng)。 1979年微處理器技術(shù)被應(yīng)用到可編程序操縱器中后，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。2.3.1 S7-200 PLC系統(tǒng)組成 1CPU模塊 從CPU模塊的功能來看，SIMATIC S7-200系列小型可編程序操縱器的進(jìn)展，大致經(jīng)歷了兩代：第一代產(chǎn)品其CPU模塊為

31、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

32、的最大擴(kuò)展電流如表2-4所示。表2-1 CPU提供的最大擴(kuò)展電流2.3.1 S7-200系列PLC元件功能1. 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)類型S7-200系列PLC的數(shù)據(jù)類型能夠是字符串、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)整數(shù)（INT）和32位符號(hào)整數(shù)（DINT）。2. 編程元件 （1） 輸入映像寄存器I（輸入繼電器） 輸入映像寄存器的工作原理：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操縱系統(tǒng)中的繼電器有本質(zhì)性的差不，是軟繼電器，它實(shí)質(zhì)是存儲(chǔ)單元 輸入映像寄存器的地址分配：S7-200輸入映像寄存器區(qū)域有IB0

33、IB15共16個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元。系統(tǒng)對(duì)輸入映像寄存器是以字節(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)器要緊用于存儲(chǔ)變量。能夠存放數(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)器能夠是位尋址，也可按字節(jié)、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號(hào)范圍依照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，用來保存操縱繼電器的中間操作狀態(tài)，其作用相當(dāng)于繼電器操縱中的中間繼電器，內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器在

34、PLC中沒有輸入/輸出端與之對(duì)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） 專門標(biāo)志位存儲(chǔ)器SM PLC中還有若干專門標(biāo)志位存儲(chǔ)器, 專門標(biāo)志位存儲(chǔ)器位提供大量的狀態(tài)和操縱功能，用來在CPU和用戶程序之間交換信息，專門標(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)于繼電器操縱系統(tǒng)中的時(shí)刻繼電器。每個(gè)定時(shí)器可提供許多對(duì)常開和常閉觸點(diǎn)供編程使用。其設(shè)定時(shí)刻由程序設(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

35、提供許多對(duì)常開和常閉觸點(diǎn)供編程使用，其設(shè)定值由程序給予。（7） 累加器AC 累加器是用來暫存數(shù)據(jù)的寄存器，它能夠用來存放運(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，可采納字節(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，雙字能夠存取累加器全部的32 位。2.4 PID操縱器簡介基于偏差的比例(Proportlonal)、積分(Integral)和微分(Derivative)的操縱器簡稱為PID操縱器，它是工業(yè)過程操縱中最常見的一種過程操縱器。由于PID操縱器算法簡單、魯棒性強(qiáng)，因而被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)

36、械、熱工和輕工等工業(yè)過程操縱系統(tǒng)中。盡管工業(yè)自動(dòng)化飛速進(jìn)展，然而PID操縱技術(shù)仍然是工業(yè)過程操縱的基礎(chǔ)。依照日本有關(guān)調(diào)查資料顯示，在現(xiàn)今使用的各種操縱技術(shù)中，PID操縱技術(shù)占84.5%，優(yōu)化PID操縱技術(shù)占6.8%，現(xiàn)代操縱技術(shù)占1.6%，手動(dòng)操縱占66%，人工智能(Al)操縱技術(shù)占0.6%。假如把PID操縱技術(shù)和優(yōu)化PID操縱技術(shù)加起來，則占到了90%以上，而文獻(xiàn)指出，工業(yè)過程操縱中，95%以上的回路具有PID結(jié)構(gòu)。因此，能夠毫不夸張地講，隨著工業(yè)現(xiàn)代化和其他各種先進(jìn)操縱技術(shù)的進(jìn)展，PID操縱技術(shù)仍然只是時(shí)，同時(shí)它還占著主導(dǎo)地位。同時(shí)，由于工業(yè)過程對(duì)象的精確模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變

37、化，因而在用PID操縱器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，又往往難以得到最佳的操縱效果。2.4.1 PID操縱器的結(jié)構(gòu)及原理PID操縱器是一種基于偏差“過去、現(xiàn)在和以后”信息可能的有效而簡單的操縱算法。常規(guī)PID操縱系統(tǒng)原理圖如圖2-4示。圖2-4 PID操縱系統(tǒng)原理圖整個(gè)系統(tǒng)要緊由PID操縱器和被控對(duì)象組成。作為一種線性操縱器，PID操縱器依照給定值SV和實(shí)際輸出值PV構(gòu)成操縱偏差： 即e(t)=r(t)-y(t) (2. 1)然后對(duì)偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成操縱量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操縱。由圖2-5得到PID操縱器的理想算法為 SKIPIF 1 0 (2. 2)或者寫成常見傳遞函數(shù)的形式為： SKIPI

38、F 1 0 (2. 3)其中，Ti、Td分不為PID操縱器的比例增益、積分時(shí)刻常數(shù)和微分時(shí)刻常數(shù)。式(2.2)和式(2.3)是我們?cè)诟鞣N文獻(xiàn)中最經(jīng)?？吹降腜ID操縱器的兩種表達(dá)形式。各種操縱作用(即比例作用、積分作用和微分作用)的實(shí)現(xiàn)在表達(dá)式中表述的專門清晰，相應(yīng)的操縱器參數(shù)包括比例增益凡、積分時(shí)刻常數(shù)Ti和微分時(shí)刻常數(shù)路。這三個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將阻礙到PID操縱系統(tǒng)的操縱效果好壞。2.4.2 數(shù)字式PID操縱在供水系統(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)操縱保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。在連續(xù)操縱系統(tǒng)中，常采納proportional(比例)、Integr

39、al(積分)、Derivative(微分)操縱方式，稱之為PID操縱。PID操縱是連續(xù)操縱系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的操縱方式。具有以下優(yōu)點(diǎn):理論成熟，算法簡單，操縱效果好，易于為人們熟悉和掌握。PID操縱器是一種線性操縱器，它是對(duì)給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t):e(t)=y(t)一r(t) SKIPIF 1 0 (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)成操縱量u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操縱，故稱PID操縱器。系統(tǒng)由模擬PID操縱器和被控對(duì)象組成，其操縱系統(tǒng)原理框圖如圖2-5所示，圖中u(t)為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。圖2-5 PID操縱原理圖

40、PID操縱器規(guī)律為： SKIPIF 1 0 （2.5）式中： SKIPIF 1 0 為比例系數(shù)； SKIPIF 1 0 為積分時(shí)刻常數(shù)； SKIPIF 1 0 為微分時(shí)刻常數(shù)。相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式： SKIPIF 1 0 （2.6）PID操縱器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下:l)比例環(huán)節(jié):成比例地反映操縱系統(tǒng)偏差信號(hào)的作用，偏差e(t)一旦產(chǎn)生，操縱器立即產(chǎn)生操縱作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前變化的一種反映。比例環(huán)節(jié)不能完全消除系統(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):表明操縱器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)刻有關(guān)，即與偏差對(duì)時(shí)刻的積分成線性關(guān)系。只要

41、偏差存在，操縱就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)要緊用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)刻常數(shù)越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。3)微分環(huán)節(jié):對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)做出反應(yīng)，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)刻。微分環(huán)節(jié)要緊用來操縱被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)刻，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。但過大的偏差信號(hào)關(guān)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，互不阻礙。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只阻礙一種調(diào)節(jié)作用，可不能阻礙其他的調(diào)節(jié)

42、作用。然而，關(guān)于大多數(shù)系統(tǒng)來講，單獨(dú)使用一種操縱規(guī)律都難以獲得良好的操縱性能。假如能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，能夠使調(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得中意的操縱效果。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入操縱領(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操縱算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字PID操縱算法是通過對(duì)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)刻，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位置操縱算法表達(dá)式: SKIPIF 1 0 （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-l)為第n-1時(shí)刻的偏差

43、信號(hào)。PID位置操縱算法采納全量輸出，一方面需要計(jì)算本次與上次的偏差信號(hào)e(n)和e(n-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)輸出的操縱量u(n)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差，假如位置傳感器出現(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，這是不同意的。為此實(shí)際操縱中多采納增量式PID操縱算法，其表達(dá)式為（2.8）: SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 （2.8）式中： SKIPIF 1 0 為調(diào)節(jié)器輸出的操縱增量： SKIPIF 1 0 增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的操縱增量Au(n)僅與最近幾次采樣有關(guān)，因此誤動(dòng)作時(shí)

44、阻礙較小，必要時(shí)能夠通過邏輯推斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的操縱效果。2.4.3 數(shù)字式PID操縱的PID操縱器是操縱系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種操縱器，在工業(yè)過程操縱中得到了普遍的應(yīng)用。過去的PID操縱器通過硬件模擬實(shí)現(xiàn)，但隨著微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，特不是現(xiàn)代嵌入式微處理器的大量應(yīng)用，原先PID操縱器中由硬件實(shí)現(xiàn)的功能都能夠用軟件來代替實(shí)現(xiàn)，從而形成了數(shù)值PID算法，實(shí)現(xiàn)了由模擬PDI操縱器到數(shù)字PID操縱器的轉(zhuǎn)變。數(shù)字PID操縱器在實(shí)際應(yīng)用中可分為兩種:位置式PID操縱器和增量式PID操縱器。應(yīng)用中，位置式PID操縱器和增量式PID操縱器的算法實(shí)現(xiàn)分不如圖2-6和圖2-7所示。

45、圖2-6位置式PID算法實(shí)現(xiàn) 圖2-7 增量式PID 算法實(shí)現(xiàn)第3章 水塔水位操縱系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的水塔、水箱供水的基礎(chǔ)上，加入了PLC及液壓變送器等器件。利用PLC和組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)水塔水位的操縱，提供了一種有用的水塔水位操縱方案。隨著社會(huì)的進(jìn)展和人民生活水平的提高，對(duì)都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)輸入操縱液體閥以不同的速度給水塔供水，以維持水位的變化，如此才能使水塔不斷水。3.1 系統(tǒng)的工作原理在系統(tǒng)中，只使用比例和積分操縱，其回路增益和時(shí)刻常數(shù)能夠通過工程計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整達(dá)到最優(yōu)操縱效果。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)

46、閉出水口，用于動(dòng)操縱輸入操縱液體閥，使水位達(dá)到滿水位的75%，然后打開出水口，同時(shí)輸入操縱液體閥從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。這種切換由一個(gè)輸入的數(shù)字量操縱。設(shè)計(jì)分析 如圖3-1，“水塔水位自動(dòng)操縱系統(tǒng)”的操縱對(duì)象為水泵，容器為水塔或儲(chǔ)液罐。水位高度正常情況下操縱在C、D之間，如圖3-1。當(dāng)水位在低于C點(diǎn)時(shí)，水泵開始進(jìn)水，如圖3-1。當(dāng)水位高于D點(diǎn)時(shí)，水泵停止進(jìn)水，如圖3-1。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3-1。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3-1。圖3-1設(shè)計(jì)分析示意圖3.1.2 可行性試驗(yàn)圖3-2為水塔水位操縱器的外觀正

47、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水塔水位操縱器外觀圖當(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， HYPERLINK /search.php?searchtype=con

48、tent&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報(bào)警電路開始溢出 HYPERLINK /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報(bào)警，即上限 HYPERLINK /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&c

49、atid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報(bào)警。報(bào)警電路能夠手動(dòng)關(guān)閉，只要按下報(bào)警確認(rèn)開關(guān)，就能夠解除報(bào)警的蜂鳴聲?，F(xiàn)在，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(cè)故障的功能。3.1.3 可行性分析 此方案采納純硬件電路設(shè)計(jì)，幸免了軟件程序設(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)，關(guān)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)上就能夠?qū)ｉT方便的實(shí)現(xiàn)此液體的水位操縱操作。試驗(yàn)證明，此水塔水位操縱器

50、不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)水塔水位的精確操縱，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)操縱系統(tǒng)圖3-3 供水系統(tǒng)操縱原理圖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(duì)水位的 HYPERLINK /index.php?gid=280 t _blank 操縱，必須建立閉環(huán) HYPERLINK /index.php?gid=280 t _blank 操縱系統(tǒng)。依照水塔中的進(jìn)、出水的水位能夠自動(dòng) HYPERLINK /index.php?gid=280 t _blank 操縱水泵，使水位處于動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)。供水系統(tǒng)的差不多原理如圖3-3所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過在水塔中

51、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)行比較，并執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對(duì)水塔中的水位進(jìn)行自動(dòng)操縱。當(dāng)PLC出現(xiàn)故障時(shí)，還有一套手動(dòng)操縱來進(jìn)行對(duì)水塔水位操縱。手動(dòng)操縱采納交流接觸器。 上水箱液位低于Y3時(shí)，M1、M2同時(shí)工作，F(xiàn)2打開。液位上升至Y2時(shí)，M2停止，F(xiàn)2關(guān)閉，M1接著工作。液位上升至Y1時(shí)，M1也停止。打開F1手閥使上水箱放水，液位下降。當(dāng)液位又低于Y1時(shí)M1起動(dòng)工作，如F1開度較大下水量大于上水量，使液位接著下降至Y2時(shí)，M2啟動(dòng)工作同時(shí)F2打開，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Y

52、0時(shí)意味著水泵進(jìn)水口缺水，現(xiàn)在應(yīng)自動(dòng)切斷電源并報(bào)警。圖3-4 水位閉環(huán) HYPERLINK /index.php?gid=280 t _blank 操縱圖3.2.1 PLC的選擇由于該系統(tǒng)為中型PLC自動(dòng)操縱系統(tǒng)，要求PLC能夠提供可編程邏輯分析和PID功能，故選用中達(dá)公司生產(chǎn)的臺(tái)達(dá)DVP14ES00R可編程邏輯操縱器。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。要緊配件有中央處理器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。3.2.2 供水的操縱方法圖3-5 給水泵操縱原理圖系統(tǒng)的硬件接線圖如圖3-5所示。從整

53、個(gè)流程中能夠看到兩套操縱方式：由一臺(tái)可編程序操縱器來操縱兩臺(tái)水泵的自動(dòng)運(yùn)行。由交流接觸器來操縱兩臺(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#泵不能夠停止。現(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。現(xiàn)在，操縱臺(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)行比較，由PLC輸出一個(gè)操縱信號(hào)經(jīng)ODPG轉(zhuǎn)換操縱信號(hào)點(diǎn)亮現(xiàn)

54、在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)將依照水塔中水位的情況，通過在水塔中的液位變送器送出的420 mA電流信號(hào)由PLC同意并對(duì)其于給定值進(jìn)行比較，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(duì)水塔進(jìn)行注水；水位到達(dá)低水位時(shí)，操縱臺(tái)上的低水位燈點(diǎn)亮；水位到達(dá)中水位時(shí)，2#泵停止，1#泵接著運(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(cè)到水塔中的水位，特不在操縱臺(tái)上安裝了4盞水位顯示燈，并將它們與

55、PLC連接，依照變送器給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-接觸器操縱，能夠在環(huán)境比較惡劣的條件下接著工作，自動(dòng)方式是利用PLC來操縱。3組態(tài)軟件功能 在那個(gè)地點(diǎn)利用組態(tài)軟件的采集數(shù)據(jù)的功能，對(duì)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操縱器的實(shí)現(xiàn)4.1 PID算法PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工業(yè)操縱常用的操縱算法

56、，不管在溫度、流量等慢變化過程，依舊速度、位置等快速變化的過程，都能夠得到專門好的操縱效果。PID操縱算法一般由【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)則改善系統(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;不但能夠完成順序操縱的功能，還能夠完成復(fù)雜的閉環(huán)操縱。圖4-1是常見閉環(huán)操縱系統(tǒng)的構(gòu)成。4-1 閉環(huán)操縱系統(tǒng)作為閉環(huán)操縱的重要特征，采納了“誤差”的概念，即:在閉環(huán)操縱系統(tǒng)中，利用給定輸入sP(t)與實(shí)際輸出c(t)通過測(cè)量裝置裝置轉(zhuǎn)換后的反饋量Pv(t)之間的差值e(t)作為操縱量，來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操縱。在實(shí)際閉環(huán)操縱系統(tǒng)中，誤差e(t)一個(gè)專門小的變化

57、量。因此，為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更精確的操縱，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(duì)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)，才能有效地操縱系統(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)操縱系統(tǒng)中，用來對(duì)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”功能時(shí)，即成為PID調(diào)節(jié)器。在變頻恒壓供水自動(dòng)操縱系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐中，經(jīng)常采納PID操縱器、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。4.2 PID應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要用

58、閉環(huán)操縱方式來操縱溫度、液位、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。不管是使用模擬操縱器的模擬操縱系統(tǒng)，依舊使用計(jì)算機(jī)（包括PLC）的數(shù)字操縱系統(tǒng)，PID操縱都等到了廣泛的應(yīng)用。PID操縱簡單易明白，使用中不必能清晰系統(tǒng)的數(shù)字模型。有人贊揚(yáng)它是操縱領(lǐng)域的常青樹是不無道理的。PID操縱器是比例-積分-微分操縱(Proportional-Integral-Derivative)的簡稱,之因此得到廣泛應(yīng)用是因?yàn)樗哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)：（1）不需要精確地操縱系統(tǒng)數(shù)字模型。由于非線性和時(shí)變性專門多工業(yè)操縱對(duì)象難以得到其準(zhǔn)確的數(shù)字模型，因此不能使用操縱理論中的設(shè)計(jì)方法。關(guān)于這一類系統(tǒng)，使用PID操縱能夠得到比較中意的效果

59、。（2）有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。積分操縱能夠消除系統(tǒng)的靜差，微分操縱能夠改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分、微分操縱三者有效地結(jié)合就能夠滿足不同的操縱要求。依照被操縱對(duì)象的具體情況，還能夠采納各種PID操縱的變種和改進(jìn)的操縱方式，如PI、PD、帶死區(qū)的PID、積分分離PID、變速積分PID等。（3）PID操縱器的結(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操縱系統(tǒng)中，經(jīng)常采納模擬量輸入/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(duì)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。4.3 PLC實(shí)現(xiàn)PID操縱的方式用PLC對(duì)模擬量進(jìn)行PID

60、操縱時(shí)，能夠采納以下幾種方法：使用PID過程操縱模塊這種模塊的PID操縱程序是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)，使用起來特不方便，一塊模塊能夠操縱幾路甚至幾十路閉環(huán)回路，然而這種模塊的價(jià)格較高，一般在大型操縱系統(tǒng)中使用。使用PID功能指令現(xiàn)在專門多PLC都有供PID操縱用的功能指令，如S7-200的PID指令。它們實(shí)際上是用于PID操縱的子程序，與模擬量的輸入/輸出模塊一起使用，能夠得到類似因此用PID過程操縱模塊的效果，然而價(jià)格廉價(jià)得多。(3) 用自編的程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)操縱有的PLC沒有PID過程操縱模塊和PID操縱用的功能指令，有時(shí)盡管能夠使用PID操縱