PLC上水箱PID液位控制系統(tǒng)

目錄目錄 1一．PLC介紹 21.1PLC的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀 2二.S7-200中小型PLC和控制對(duì)象介紹 42.1.1CPU模塊 4三PID控制算法介紹 53.1PID控制算法 53.2PID調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程 6四控制方案設(shè)計(jì) 74.1系統(tǒng)設(shè)計(jì) 74.1.1上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié) 84.2硬件設(shè)計(jì) 84.2.1檢測(cè)單元 84.2.2執(zhí)行單元 94.2.3控制單元 94.3軟件設(shè)計(jì) 104.4具體操作步驟 104.5基于MCGS的組態(tài)畫面 12五實(shí)驗(yàn)情況介紹 135.1上水箱液位比例調(diào)節(jié) 135.2上水箱也為比例積分調(diào)節(jié) 145.3上水箱液位比例積分微分調(diào)節(jié) 14六.課程設(shè)計(jì)總結(jié) 15七.參考資料 16一．PLC介紹1.1PLC的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀1985年國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)PLC的定義如下：可編程控制器是一種進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制器，它采用了可以編程序的存儲(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)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程。④PLC是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，所以它在數(shù)學(xué)處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢(shì)。繼電器在控制系統(tǒng)中主要起兩種作用：（1）邏輯運(yùn)算（2）弱電控制強(qiáng)電。⑤PLC是集自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置，已躍居工業(yè)自動(dòng)化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，可編程控制器和工控機(jī)是人們不得不提的兩類控制設(shè)備，它們是大多數(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備?？删幊炭刂破骱凸た貦C(jī)的最新技術(shù)發(fā)展是工程師對(duì)設(shè)備應(yīng)用性能要求的完美體現(xiàn)：控制器的硬件標(biāo)準(zhǔn)化，以及用戶的各種控制要求通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行改變。

可編程控制器是一種利用計(jì)算機(jī)原理為順序控制專門設(shè)計(jì)的、通用的、使用方便的裝置。它采用了專用設(shè)計(jì)的硬件，而使用性能都是通過(guò)控制程序來(lái)確定的。

PLC目前的技術(shù)發(fā)展水平已大大超過(guò)其出現(xiàn)時(shí)技術(shù)水平，并定位在不同的層面。PLC適合低成本自動(dòng)化項(xiàng)目和作為大型DCS系統(tǒng)的I/O站，據(jù)預(yù)測(cè)，2000年我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)170億至207億人民幣，其中工控機(jī)占40億左右、PLC占30億左右，再加上DCS系統(tǒng)、FCS系統(tǒng)和NCC系統(tǒng)（占60億）中使用的PLC和工控機(jī)，可以看出其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中舉足輕重的作用。這兩類控制設(shè)備在各領(lǐng)域的自動(dòng)化中扮演了不可缺少的角色。

目前，可編程控制器的主流廠商有A-B、Siemens和Modicon、Mitsubishi等。工控機(jī)的主流廠商有上?？堤┛?、北京康拓和研華、艾訊等。

PLC在其技術(shù)發(fā)展的歷程中，為了適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要和用戶二次開(kāi)發(fā)的需要，都積極地發(fā)展高可靠性、網(wǎng)絡(luò)化和高性能的用戶開(kāi)發(fā)軟件方面的技術(shù)性能。以下將重點(diǎn)介紹PLC在硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)方面技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

PLC的硬件技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展

PLC的最終用戶為冶金、采礦、水泥、石油、化工、電力、機(jī)械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保等行業(yè)，其主要的用途為：

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順序控制

順序控制是應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，它包括單機(jī)控制、多機(jī)群控制、自動(dòng)生產(chǎn)線控制，如注塑機(jī)、印刷機(jī)械、訂書機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配機(jī)械、包裝生產(chǎn)、電鍍流水線和電梯控制等。

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運(yùn)動(dòng)控制

應(yīng)用在電力拖動(dòng)系統(tǒng)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制。

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過(guò)程控制

采用模擬量模塊能控制物理參數(shù)，例如溫度、壓力、速度和流量等，并提供PID等閉環(huán)控制的功能。

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數(shù)據(jù)處理

可以支持?jǐn)?shù)控機(jī)床的控制和管理、多軸控制等。

由于自動(dòng)化系統(tǒng)的要求日益提高，傳統(tǒng)的提供I/O點(diǎn)服務(wù)的PLC和工控機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足復(fù)雜的工藝要求。因此，PLC和工控機(jī)在硬件系統(tǒng)上有了根本的變化。

PLC系統(tǒng)在模塊上的技術(shù)發(fā)展有：

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處理器模塊

配備大容量?jī)?nèi)存，為滿足實(shí)時(shí)控制的要求而優(yōu)化設(shè)計(jì)，除了一般的I/O掃描和控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換外，支持大型的集成控制、通訊、并行運(yùn)算、處理器獨(dú)立后臺(tái)程序和處理器輸入中斷等功能。如A-B公司的ControlLogix處理器模塊在它的內(nèi)核中設(shè)計(jì)有通信功能，借助于它的無(wú)源數(shù)據(jù)總線，系統(tǒng)的瓶頸得以消除。這種靈活的結(jié)構(gòu)允許多個(gè)處理器、網(wǎng)絡(luò)以及I/O在一個(gè)機(jī)架中搭配使用而沒(méi)有限制。

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信息協(xié)處理器模塊

讀取主處理器的數(shù)據(jù)表和狀態(tài)文件，或通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言程序?qū)?shù)據(jù)寫入主處理器，程序可以在實(shí)時(shí)多任務(wù)環(huán)境下以及獨(dú)立于PLC處理器的方法，單獨(dú)在協(xié)處理器中運(yùn)行?！?/p>

網(wǎng)絡(luò)適配模塊

在現(xiàn)場(chǎng)總線與處理器之間提供通訊接口，以便PLC處理器和I/O模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換。

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具有特殊功能的I/O模塊

如A-B公司在其產(chǎn)品中提供了智能變送器模塊、溫度控制模塊、稱重模塊、開(kāi)環(huán)速度控制模塊、塑料制造模塊、力矩控制模塊、絕對(duì)編碼模塊、可組態(tài)流量計(jì)模塊、電流同步模塊等。這些模塊的設(shè)計(jì)考慮了特殊行業(yè)的需要，使得復(fù)雜的控制功能以模塊化的方式得以解決，提高了可靠性和專業(yè)水平。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用環(huán)境要求PLC具有很高的可靠性，而可靠性是靠電磁兼容特性（EMC）和容錯(cuò)技術(shù)來(lái)保證的。PLC要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的電磁兼容檢測(cè)，如輻射敏感度檢測(cè)、諧波/電壓波動(dòng)/電壓驟降檢測(cè)、靜電/快速脈沖/雷擊檢測(cè)、電磁干擾檢測(cè)等。EMC保證了設(shè)備在本質(zhì)上的抗干擾特性。但是，要保證控制設(shè)備不出故障是不可能的。因此，采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)要求不能停機(jī)、不能失控的高可靠系統(tǒng)是十分重要的。目前重要的容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)有Watchdog和雙機(jī)熱備（包括主機(jī)、模塊和通訊介質(zhì)的熱備）。熱備系統(tǒng)的工作對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是透明的：即當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，所有對(duì)故障點(diǎn)的切除和數(shù)據(jù)的備份都是在最短的控制周期內(nèi)自動(dòng)完成的。此項(xiàng)技術(shù)的完成包括了設(shè)備硬件和軟件二個(gè)方面圖2

PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨者微機(jī)的軟硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)生了革命性的技術(shù)進(jìn)步。而PLC作為工業(yè)控制的設(shè)備基礎(chǔ)，通過(guò)技術(shù)的不斷革新，在工業(yè)控制中的地位日益加強(qiáng)，并且成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制技術(shù)進(jìn)步的主要工具S7-200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：*極高的可靠性*極豐富的指令集*易于掌握*便捷的操作*豐富的內(nèi)置集成功能*實(shí)時(shí)特性*強(qiáng)勁的通訊能力二.S7-200中小型PLC和控制對(duì)象介紹2.1.1CPU模塊集成的24V負(fù)載電源：可直接連接到傳感器和變送器（執(zhí)行器），CPU221，222具有180mA輸出，CPU224，CPU224XP，CPU226分別輸出280，400mA。可用作負(fù)載電源。不同的設(shè)備類型CPU221~226各有2種類型CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。本機(jī)數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)CPU221具有6個(gè)輸入點(diǎn)和4個(gè)輸出點(diǎn)，CPU222具有8個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)，CPU224具有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，CPU224XP具有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，CPU226具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)。本機(jī)模擬最輸入/輸出點(diǎn)CPU224XP具有2個(gè)輸入點(diǎn)，1個(gè)輸出點(diǎn)。中斷輸入允許以極快的速度對(duì)過(guò)程信號(hào)的上升沿作出響應(yīng)。高速計(jì)數(shù)器CPU221/2224個(gè)高速計(jì)數(shù)器（30KHz），可編程并具有復(fù)位輸入，2個(gè)獨(dú)立的輸入端可同時(shí)作加、減計(jì)數(shù)，可連接兩個(gè)相位差為90°的A/B相增量編碼器CPU224/224XP/2266個(gè)高速計(jì)數(shù)器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。CPU222/224/224XP/226可方便地用數(shù)字量和模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展?？墒褂梅抡嫫鳎ㄟx件）對(duì)本機(jī)輸入信號(hào)進(jìn)行仿真，用于調(diào)試用戶程序。*豐富的擴(kuò)展模塊電池模塊用于長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)后備。用戶數(shù)據(jù)（如標(biāo)志位狀態(tài)，數(shù)據(jù)塊，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器）可通過(guò)內(nèi)部的超級(jí)電容存貯大約5天。選用電池模塊能延長(zhǎng)存貯時(shí)間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲(chǔ)器模塊的卡槽中。三PID控制算法介紹3.1PID控制算法過(guò)程控制――對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制。模擬控制系統(tǒng)圖5-1-1基本模擬反饋控制回路被控量的值由傳感器或變送器來(lái)檢測(cè)，這個(gè)值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過(guò)執(zhí)行器作用于過(guò)程?？刂埔?guī)律用對(duì)應(yīng)的模擬硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制規(guī)律的修改需要更換模擬硬件。微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)圖5-1-2微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)基本框圖以微型計(jì)算機(jī)作為控制器?？刂埔?guī)律的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)軟件來(lái)完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可。數(shù)字控制系統(tǒng)DDC圖5-1-3DDC系統(tǒng)構(gòu)成框圖DDC(DirectDigitalCongtrol)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用于過(guò)程控制的最典型的一種系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)通過(guò)過(guò)程輸入通道對(duì)一個(gè)或多個(gè)物理量進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)確定的控制規(guī)律(算法)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)輸出通道直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使各被控量達(dá)到預(yù)定的要求。由于計(jì)算機(jī)的決策直接作用于過(guò)程，故稱為直接數(shù)字控制。DDC系統(tǒng)也是計(jì)算機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中最普遍的一種形式3.2PID調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程一、模擬PID控制系統(tǒng)組成圖5－1－4模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖二、模擬PID調(diào)節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù)PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。1、PID調(diào)節(jié)器的微分方程式中2、PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)三、PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1、比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)3、微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，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，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。四控制方案設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)單水箱液位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由一個(gè)水箱,一個(gè)液位傳感器,一個(gè)出水閥門,一個(gè)入水閥門以及作為控制器的計(jì)算機(jī)組成。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,水泵將水抽出后經(jīng)過(guò)入水閥門進(jìn)入柱形水箱,然后通過(guò)出水閥門流出。柱形水箱的進(jìn)水流量和出水流量可分別由比例閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖1該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的被控對(duì)象是裝有入水閥門和出水閥門的單個(gè)水箱,被控量是液位。單容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠模擬實(shí)際生產(chǎn)中的罐狀容器(蓄液池或貯液缸),完成一些典型的液位控制實(shí)驗(yàn)。例如:隨機(jī)出水的的單水箱供液系統(tǒng)液位控制實(shí)驗(yàn)和隨機(jī)入水的單水箱排液系統(tǒng)液位控制實(shí)驗(yàn)等。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2-1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3-1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4~20mA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)，他們互相聯(lián)系，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0~10KPa，精度為，由24V直流電源供電，可以從PLC的電源中獲得，輸出為4~20mA直流。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，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。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。來(lái)自PLC的模擬量輸出DC4~20mA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為輸出軸的轉(zhuǎn)角，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。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。4.3軟件設(shè)計(jì)4.4具體操作步驟1.PLC單元地址分配VD400：測(cè)量值顯示單元；VD404：設(shè)定值顯示單元；VD408：輸出值顯示單元數(shù)據(jù)寄存器單元地址分配偏移地址功能描述0PVn過(guò)程變量測(cè)量值（實(shí)數(shù)）0.0～1.04設(shè)定值0.0～1.08輸出值0.0～1.012增益Kc16采樣時(shí)間20積分時(shí)間Ti24微分時(shí)間Td28積分前項(xiàng)值32過(guò)程變量前值2..打開(kāi)S7-200PLC編程軟件Step7，建立工程，并錄入程序3.step7編程軟件的調(diào)試程序輸入完以后，在編程界面下，我們點(diǎn)擊“View”下的“Communicabions”將出對(duì)話框，在對(duì)話框中我們可以通過(guò)調(diào)整波特率、端口號(hào)、地址來(lái)看是否通訊成功。如果沒(méi)有成功將出現(xiàn)提示，成功了，如下圖所示：點(diǎn)擊OK即可。然后編譯，把程序下載到PLC中。4.5基于MCGS的組態(tài)畫面MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是一套基于windows95/98/NT操作系統(tǒng)(或更高版本)，用來(lái)可快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，它為用戶提供了從設(shè)備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報(bào)警處理、流程控制、動(dòng)畫顯示、報(bào)表輸出等解決實(shí)際工程問(wèn)題的完整方案和操作工具。MCGS組態(tài)軟件具有多任務(wù)、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用VC++語(yǔ)言編程，通過(guò)OLE技術(shù)向用戶提供VB編程接口，提供豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)件、動(dòng)畫構(gòu)件、策略構(gòu)件，用戶可隨時(shí)方便地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)的功能[18]。工程創(chuàng)建的一般過(guò)程為：工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析：分析工程項(xiàng)目的系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和監(jiān)控對(duì)象的特征，明確監(jiān)控要求和動(dòng)畫顯示方式，分析工程中的設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分清哪些變量是要求與設(shè)備連接的，哪些變量是軟件內(nèi)部用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)及動(dòng)畫顯示的。工程各項(xiàng)搭建框架：MCGS稱為建立新工程。主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動(dòng)窗口（封面窗口退出后接著顯示的窗口）名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫(kù)文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)定動(dòng)畫刷新的周期。經(jīng)過(guò)此步操作，即在MCGS組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結(jié)構(gòu)框架。封面窗口和啟動(dòng)窗口也可等到建立了用戶窗口后，再行建立。設(shè)計(jì)菜單基本體系：為了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)及工作流程進(jìn)行有效地調(diào)度和控制，通常要在主控窗口內(nèi)編制菜單。編制菜單分兩步進(jìn)行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對(duì)各級(jí)菜單命令進(jìn)行功能組態(tài)。在組態(tài)過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)對(duì)菜單的內(nèi)容進(jìn)行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。制作動(dòng)畫顯示畫面：動(dòng)畫制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)屬性設(shè)置兩個(gè)過(guò)程。前一部分類似于“畫畫”，用戶通過(guò)MCGS組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動(dòng)畫構(gòu)件庫(kù)，在用戶窗口內(nèi)“組合”成各種復(fù)雜的畫面。后一部分則設(shè)置圖形的動(dòng)畫屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動(dòng)畫圖形的驅(qū)動(dòng)源。編寫控制流程程序：在運(yùn)行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊（稱為策略塊），由這些模塊實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構(gòu)件（稱之為“腳本程序”功能構(gòu)件），使用簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言，編寫工程控制程序。完善菜單按鈕功能：包括對(duì)菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警信息輸出等功能；建立工程安全機(jī)制等。編寫程序調(diào)試工程：利用調(diào)試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動(dòng)畫顯示和控制流程是否正確。連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。此項(xiàng)操作在設(shè)備窗口內(nèi)進(jìn)行。在上位機(jī)工程的設(shè)計(jì)上，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)際工程的分析，主要設(shè)計(jì)的窗口是：液位控制，報(bào)警曲線直接加在其中。五實(shí)驗(yàn)情況介紹5.1上水箱液位比例調(diào)節(jié)以圖5.1所示的液位比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，被調(diào)節(jié)參數(shù)是上水箱的液位。在輸入的偏差信號(hào)為階越信號(hào)。當(dāng)比例調(diào)節(jié)器的小于1時(shí)，其比例調(diào)節(jié)器的實(shí)驗(yàn)特性圖為圖5.1（a）所示：當(dāng)比例調(diào)節(jié)器的大于1時(shí)，其比例調(diào)節(jié)器的實(shí)驗(yàn)特性圖為圖5.1（b）所示。圖5.1比例調(diào)節(jié)器的實(shí)驗(yàn)特性圖5.2上水箱也為比例積分調(diào)節(jié)當(dāng)輸入信號(hào)為階越變化時(shí)，才用PI調(diào)節(jié)器的情況。我們得到了PI調(diào)節(jié)器的實(shí)驗(yàn)的變化曲線圖，如圖5.2所示。5.3上水箱液位比例積分微分調(diào)節(jié)對(duì)上水箱進(jìn)行比例積分微分調(diào)節(jié)即PID調(diào)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)輸入信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)的PID節(jié)約相應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線如圖5.3所示.六.課程設(shè)計(jì)