【正文】 當(dāng)生產(chǎn)工藝和流程改變時必須改變接線，因此，其通用性和靈活性較差。 20 世紀(jì) 60 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但由于價格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大以及難以適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得推 廣。 20 世紀(jì) 60 年代末，美國汽車制造工業(yè)競爭激烈，為適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要， 1968 年美國通用汽車公司 (GM)提出了研制新型邏輯順序控制裝置的十項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)。主要內(nèi)容是： 1) 編程方便，可現(xiàn)場修改程序。 2) 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)。 3) 可靠性高于繼電器控制裝置。 4) 體積小于繼電器控制盤。 5) 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)。 6) 成本可與繼電器控制盤競爭。 7) 輸入可為市電 8) 輸出可為市電，容量要求在 2A 以上，可直接驅(qū)動接觸器等。 9) 擴(kuò)展時原系統(tǒng)改變最小。 10) 用戶存儲器大于 4KB。 這些實(shí)際上提出了將繼電器控制的簡單移動、使用方便 、價格低的優(yōu)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，將繼電接觸器控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)的軟件邏輯編程的設(shè)想。美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)中標(biāo)，并于 1969 年研制出第一臺可編程控制器 PDP14，在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，并取得了滿意的效果，可編程控制器自此誕生。 PLC的定義如下：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和 輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原理設(shè)計(jì) [1]。 過程工業(yè)控制算法的應(yīng)用現(xiàn)狀 過程控制在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，在理論的研究與生產(chǎn)的實(shí)踐中發(fā)展出很多的控制算法，主要有下列幾種： (1) PID控制算法 大量的事實(shí)證明，傳統(tǒng)的 PID控制算法對于絕大部分工業(yè)過程的被控對象 (高達(dá)90%)可取得較好的控制結(jié)果，可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。 2 (2) 預(yù)測控制 預(yù)測控制是直接從工業(yè)過程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型控制算法。它高度結(jié)合了工業(yè)實(shí)際的要求 ，綜合控制質(zhì)量比較高，因而很快引起工業(yè)控制界以及學(xué)術(shù)界的廣泛興趣與重視。預(yù)測控制有三要素，即預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。 (3) 自適應(yīng)控制 在過程工業(yè)中，不少的過程是時變的，如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器，則控制系統(tǒng)的性能會不斷惡化，這時就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來適應(yīng)時變的過程。它是辨識與控制的結(jié)合。目前，比較成熟的自適應(yīng)控制分三類： A、自整定調(diào)節(jié)器及其它簡單自適應(yīng)控制器； B、模型參考自適應(yīng)控制； C、自校正調(diào)節(jié)與控制。 (4) 智能控制 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實(shí)時性 、容錯性以及對控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。智能控制對于復(fù)雜的工業(yè)過程往往可以取得很好的控制效果。常見的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級遞階智能控制、專家控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制等。這些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足，它們相互交叉結(jié)合或與傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合將會產(chǎn)生更佳的效果 [3]。 PID 控制的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀 PID 控制技術(shù)的發(fā)展可以分為兩個階段。第一個階段為發(fā)明階段 (1900～1940)PID 控制的思想逐漸明確，氣動反饋放大器被發(fā)明，儀表工業(yè)的重心放在實(shí)際 PID 控制 器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。 1940 年以后是第二階段 —— 革新階段。在革新階段，PID 控制器已經(jīng)發(fā)展成一種最魯棒的、可靠的、易于應(yīng)用的控制器。從氣動控制到電氣控制到電子控制再到數(shù)字控制， PID 控制器的體積逐漸縮小，性能不斷提高各種現(xiàn)代控制技術(shù)的出現(xiàn)并沒有削弱 PID 控制器的應(yīng)用，相反，新技術(shù)的出現(xiàn)對于 PID 控制技術(shù)發(fā)展起了很大的推動作用。一方面，各種新的控制思想不斷被應(yīng)用于 PID 控制器的設(shè)計(jì)之中，或者是用新的控制思想設(shè)計(jì)出具有 PID 結(jié)構(gòu)的新控制器， PID 控制技術(shù)被注入了新的活力。另一方面，某新控制技術(shù)的發(fā)展要求更精確的 PID 控制，從而刺激了 PID 控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展。 總結(jié)近年來 PID 控制的發(fā)展趨勢，可以將 PID 控制的發(fā)展分為兩個大方向：傳統(tǒng) PID 控制技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展和各種新型控制技術(shù)與 PID 控制的結(jié)合。 PID 控制具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1) 原理簡單，使用方便。 2) 適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等 3) 魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感 [5]。 論文的研究內(nèi)容 本文的主要內(nèi)容包括：水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析， S7300 可編程控制器的硬件掌握， PID 參數(shù)的整定及各個參數(shù)的控 制性能的比較，應(yīng)用 PID 控制算法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個系統(tǒng)各個部分的介紹和應(yīng)用 PLC 語句編程來控制水箱水位。 3 2 S7300 中小型 PLC 和控制對象介紹 西門子 PLC 控制系統(tǒng) 西門子的中小型 PLC S7300 系列采用模塊式結(jié)構(gòu)，用搭積木的方法來組成系統(tǒng)。模塊式 PLC 由機(jī)架和模塊組成， S7300 是模塊化的中小型 PLC，適用于中等性能的控制要求。品種繁多的 CPU 模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動控制任務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時更換模塊也很方便。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和更為復(fù) 雜的時候，可以增加模塊，對 PLC 進(jìn)行擴(kuò)展。簡單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)能力，使其應(yīng)用十分靈活。 S7300 的 CPU 模塊集成了過程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序。每個 CPU 都有一個編程用的 RS485 接口，可以和計(jì)算機(jī)連接， PLC 作為下位機(jī)，利用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行編程。功能強(qiáng)大的 CPU 的 RAM 存儲容量為 512KB，有 8192個存儲器位， 512 個定時器和 512 個計(jì)數(shù)器，數(shù)字量通道最大為 65536 點(diǎn)，模擬量通道最大為 4096 個，由于使用 Flash EPROM， CPU 斷電后無需后備電池可以長時間保 持動態(tài)數(shù)據(jù)，使 S7300 成為完全無維護(hù)的控制設(shè)備。 S7300 系列 PLC 的主要特點(diǎn)是： （ 1） 功能強(qiáng) ? 極強(qiáng)的計(jì)算性能，完善的指令集， MPI 接口和通過 SIMECLAMS 聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能，使 S3300 功能更強(qiáng)。 ? 強(qiáng)勁的內(nèi)部集成功能，全面的故障診斷功能、口令保護(hù)，便利的連接系統(tǒng)和無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)。 ? 快速，極其快速的指令處理大大地縮短了循環(huán)周期。 （ 2） 通用，著眼未來 ? 滿足各種要求的高性能模塊和三種 CPU 適用于任一場合。 ? 模塊可擴(kuò)展至最多三個擴(kuò)展機(jī)架，相當(dāng)高的安裝密度。 ? 用于與 SIMATIC 其他產(chǎn)品相連的接口，集成了 MMI(人機(jī)界面 )設(shè)備，用戶友好的 Windows STEP7 編程，使得 S7300 成為對未來的安全投資 [7]。 CPU 模塊 系統(tǒng)選用的 CPU 模塊為 CPU 313。它內(nèi)置 20KB RAM，最大可擴(kuò)展 256KB FLASHEPROM 存儲卡，有 12KB 隨機(jī)存儲器，位操作、字操作、定時加、浮點(diǎn)加時間分別為 、 2s、 3s、 60s，最大模擬量 I/O 通道數(shù)為 32 個，最大配置 1個機(jī)架 8 塊模塊，使用的是軟件時鐘，有定時器 64 個，位存儲器 2048bit，可用模塊：組織塊 (OB)13 個，功能塊 (FB)128 個 ，功能調(diào)用 (FC)128 個，數(shù)據(jù)塊 (DB)127個，系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊 (SDB)6 個，系統(tǒng)功能塊 (SFC)34 個，系統(tǒng)功能塊 (SFB)沒有。 CPU 313 是具有更大存儲器、低成本的解決方案。 S7300 的 CPU 模塊的方式選擇開關(guān)都一樣，有 4 種工作方式，通過可卸的專用鑰匙控制選擇。 1) RUNP：可編程運(yùn)行方式。 CPU 掃描用戶程序，既可以用編程裝置從 CPU 4 中讀出，也可以由編程裝置裝入 CPU 中，用編程裝置可以監(jiān)控程序的運(yùn)行。在此位置鑰匙不能拔出。 2) RUN：運(yùn)行方式。 CPU 不掃描用戶程序，可以用變成裝置讀出并監(jiān)控 PLC的 CPU 中的程序，但不能改變裝置存儲器中的程序。在此位置可以拔出鑰匙，防止程序正常運(yùn)行時被改變操作方式。 3) STOP：停止方式。 CPU 不掃描用戶程序，可以通過編程裝置從 CPU 中讀出，也可以下載程序到 CPU 中。在此位置可以拔出鑰匙。 4) MERS：該位置瞬間接通，用以清除 CPU 存儲器。 CPU 模塊面板上有 6個 LED 指示燈，顯示運(yùn)行狀態(tài)和故障 [10]。 模擬量輸入模塊 系統(tǒng)中從檢測裝置過來的模擬量需經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換才能輸入到 CPU 處理，這就要求 PLC 有模擬量輸入處理模塊。 SM 331 模擬量輸入 [簡稱模入 (AI)] 模塊目前有三種規(guī)格型號，即 128 ?AI 位模塊、 168 ?AI 位模塊和 122 ?AI 位模塊。系統(tǒng)選用了 128 ?AI 位模入模塊，其端子接線圖如圖 21 所示。 圖 21 SM 331 端子接線圖 SM 331 模入模塊主要由 A/D 轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、光電隔離元件、邏輯電路組成。 A/D 轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法。被測模擬量的精度是所設(shè)定的 積分時間的正函數(shù)。 SM 331 可選用 4 檔積分時間： 、 、 20 和 100ms，相對應(yīng)的以位表示的精度： 1 1 14。SM 331 的 8 個模擬量輸入通道共用一個積分式 A/D 轉(zhuǎn)換部件。某一通道開始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起到再次開始轉(zhuǎn)換的時間是模入模塊的循環(huán)時間。 SM 331 的每兩個輸入通道構(gòu)成一個輸入通道組，可以按通道組任意選擇測量 5 方法和測量范圍。模塊上需要接 24V 的直流電壓 L+，有反接保護(hù)作用。不用的通道要在組態(tài)軟件中屏蔽掉，以免受干擾 [7]。 模擬量輸出模塊 經(jīng)過 CPU 處理后的結(jié)果是數(shù) 字量，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)能接收的信號是模擬信號，這就要求 PLC 配有模擬量輸出模塊。 SM 332 模擬量輸出 [簡稱模出 (AO)]模塊目前有 3 種規(guī)格型號： 124 ?AO 位模塊、 122 ?AO 位模塊和 164 ?AO 位模塊。系統(tǒng)選用 124 ?AO 的模出模塊，其端子接線圖如圖 22 所示。 圖 22 SM 332 124 ?AO 位模入模塊端子接線圖 SM 332 可 以輸出電壓，也可以輸出電流。在輸出電壓時，可以采用 2 線回路和 4 線回路與負(fù)載連接。 4 線回路的精度高，因此采用 4 線回路，它與負(fù)載的接線如圖 23 所示。 6 圖 23 通過 4 線回路將負(fù)載與隔離的模出模塊連接 電源模塊 PS 307 電源模塊是西門子公司為 S7300 專配的 DC24V 電源， PS 307 系列模塊除輸出額定電流不同外 (有 10A)，其工作原理和參數(shù)都一樣。系統(tǒng)選用10A 的電源模塊。 PS 307 10A 模塊基本電路如圖 24 所示。 PS 307 10A 模塊的輸入接單相交流系統(tǒng)，輸入電壓 120/230V， 50/60HZ，在輸入和輸出之間有可靠的隔離。輸出電壓允許范圍 20( %5? )V，最大上升時間 ，最大殘留紋波 150mV， PS 307 可安裝在導(dǎo)軌上，除了給 S7300 供電，也可給 I/O 模塊提供負(fù)載電源 [15]。 圖 24 PS 307 電源模塊 (10A)基本電路圖 7 控制對象特性 一階單容上水箱特性 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 25 所示，電動調(diào)節(jié)閥由 S7300PLC 手動輸出，通 圖 25 上水箱液位控制系統(tǒng)原理圖 過階躍響 應(yīng)測試確定系統(tǒng)的對象模型的各參數(shù)。階躍響應(yīng)測試法是系統(tǒng)在開環(huán)運(yùn)行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動改變對象的輸入信號 (階躍信號 )。同時，記錄對象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)已給定對象模型的結(jié)構(gòu)形式，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，決定模型中各參數(shù)。 由階躍響應(yīng)確定一階過程參數(shù)有兩種方法，一種是直角坐標(biāo)圖解法，一種是半對數(shù)坐標(biāo)圖解法。畢業(yè)設(shè)計(jì)運(yùn)用直角坐標(biāo)圖解法確定系統(tǒng)一階系統(tǒng)的參數(shù)。系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖 26 所示， t=0 時曲線斜率最大，之后斜率減小，逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值 h(∞ )，該曲線可用一階有時延環(huán) 節(jié)來近似。 圖 26 一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 如圖 25 所示，設(shè)水箱進(jìn)水口的進(jìn)水量為 Q1，出水口出水量 Q2，水箱液面高度為 h。出水閥 4 固定于某一開度值。 根據(jù)物料動態(tài)平衡的關(guān)系，求得： 122 QRhdthdCR ????? (21) 8 在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得： 11)( )()( 2 21 ????? Ts KCsR RsQ sHsG (22) 式中， T 為水箱的時間常數(shù) (閥 4 的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù) )， T=R2*C，K=R2 為過程放大倍數(shù)， R2 為閥 4 的液阻， C 為水箱的容量系