【正文】 ...........................................21 智能儀表控制 ...............................................21 S7300PLC 控制 ..............................................22 iv iv PLC 程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 ....................................................................................................23 PID 功能 ....................................................23 控制程序設(shè)計(jì) ...............................................26 程序總體結(jié)構(gòu) ...............................................27 STEP7 編程界面簡(jiǎn)介 ..............................................................................................28 MATLAB 系統(tǒng)仿真 .................................................................................................30第五章 人機(jī)界面設(shè)計(jì) .....................................................................................................................................32 組態(tài)軟件簡(jiǎn)介 ............................................................................................................32 組態(tài)王人機(jī)界面開(kāi)發(fā) ................................................................................................33 組態(tài)王簡(jiǎn)介 .................................................33 組態(tài)王特點(diǎn) .................................................33 組態(tài)王開(kāi)發(fā) .................................................34第六章 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果 .....................................................................................................................................43第七章 結(jié)論 .....................................................................................................................................................44參考文獻(xiàn) ...........................................................................................................................................................45致謝 ...................................................................................................................................................................46 1 第一章 前言 課題研究背景、意義和目的 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，液位變量是最常見(jiàn)、最廣泛的過(guò)程參數(shù)之一。在石油工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類(lèi)流體、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求極高。 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制。PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為液位控制的主要技術(shù)之一。微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，引起了儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革，以微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，組成新一代“智能化儀表” ，在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)儀表的常規(guī)測(cè)量電路相比較，取得了巨大進(jìn)展。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問(wèn)題，還能簡(jiǎn)化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實(shí)現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，儀表的智能化程度將越來(lái)越高，不但能完成多種物理量的精確顯示，同時(shí)可以帶變送輸出、繼電器控制輸出、通訊、數(shù)據(jù)保持等多種功能?？删幊炭刂破?Programmable Logic ControllerPLC)是一種應(yīng)用廣泛非常的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合液位控制的要求。目前常用的可編程控制器中，西門(mén)子公司的 S7300PLC 以其編程軟件 STEP7 的簡(jiǎn)潔易用和通信網(wǎng)絡(luò)的功能強(qiáng)大得到業(yè)內(nèi)人士的普遍認(rèn)可。 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 近幾十年來(lái)，控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在起研究和發(fā)展上也已趨于完備，控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周遭的事物。液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少 2 的，舉凡蓄水槽、污水處理廠等都需要液位元的控制。使用液位控制系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)維持液位高度，工作人員可以輕易在操作室獲知整個(gè)設(shè)備的儲(chǔ)水狀況，大大減低工作人員工作的危險(xiǎn)性，同時(shí)更提高了工作的效率及簡(jiǎn)便性。除了傳統(tǒng)的 PID 控制系統(tǒng)外，近年來(lái)隨著智能儀表和 PLC 的發(fā)展，加入智能型控制的系統(tǒng)也得以應(yīng)用。近年來(lái)液位控制系統(tǒng)取得了很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、光電液位開(kāi)關(guān)等，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。近幾十年來(lái)，在自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，美國(guó)、德國(guó)、日本等技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家，生產(chǎn)開(kāi)發(fā)出一系列性能優(yōu)異、實(shí)用性強(qiáng)的液位控制器以及相應(yīng)的儀器儀表，并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。這些先進(jìn)的控制器不僅能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境下的液位控制系統(tǒng)的控制，而且運(yùn)用先進(jìn)的算法，采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及計(jì)算機(jī)技術(shù)，使液位控制器的適用范圍更加廣泛。國(guó)外的液位控制器正朝著高精度、智能化等方向快速發(fā)展。反觀我國(guó)，雖然液位控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)生活的應(yīng)用十分廣泛，但國(guó)內(nèi)的液位控制器的發(fā)展水平仍然不高，同先進(jìn)國(guó)家的差距仍然很大。國(guó)內(nèi)液位控制器仍以常規(guī)的 PID 控制器為主，無(wú)法適用于滯后、復(fù)雜、時(shí)變的液位系統(tǒng)控制。智能化、自適應(yīng)的控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)的成熟技術(shù)。我國(guó)相關(guān)控制器大量依靠國(guó)外的成熟技術(shù)，這些都是必須正視的現(xiàn)實(shí)。所以，發(fā)展先進(jìn)的液位控制技術(shù)是我們必須重視的趨勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)液位控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，特別是高精度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 論文研究?jī)?nèi)容 本論文研究的是智能儀表與 PLC 技術(shù)在液位控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置，控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立，控制算法的選擇和參數(shù)的整定，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等，具體有以下幾方面的內(nèi)容：第一章，對(duì)液位控制系統(tǒng)應(yīng)用的背景進(jìn)行了闡述，并說(shuō)明了智能儀表和 PLC 在 3 工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，指出了本文的研究意義所在。第二章，簡(jiǎn)單概述了智能儀表以及 PLC 的基本概念以及結(jié)構(gòu)功能等基礎(chǔ)內(nèi)容。第三章，介紹了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟和方法，包括了硬件的配置，電路圖的設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的通信等內(nèi)容。第四章，研究了控制器的設(shè)計(jì)方法。采用 PID 控制算法以及臨界比例度法整定參數(shù)，最終完成控制器的設(shè)計(jì)。第五章，介紹了人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。第六章，介紹了系統(tǒng)的測(cè)試及應(yīng)用。第七章，總結(jié)全文。 4 第二章 智能儀表與可編程控制器基礎(chǔ) 智能儀表基礎(chǔ) 智能儀表的定義及發(fā)展現(xiàn)狀智能儀表是指儀表中配有微控制器，使其具有對(duì)數(shù)據(jù)、命令等進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能。隨著微控制器（包括單片機(jī)、DSP、ARM 等）技術(shù)的不斷進(jìn)步和普及，智能儀表得到了迅猛的發(fā)展。新型智能儀表在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進(jìn)步 [3]。 我國(guó)的儀表行業(yè)由于起步晚、水平低，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大。我國(guó)的智能儀表行業(yè)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究、國(guó)防建設(shè)以及社會(huì)發(fā)展等各個(gè)方面日益增長(zhǎng)的迫切需求。 智能儀表的功能總結(jié)起來(lái)，智能儀表大體上能實(shí)現(xiàn)如下一些功能：自動(dòng)校正零點(diǎn)、滿度和切換量程可進(jìn)行多通道、多參數(shù)巡回檢測(cè)自動(dòng)修正各類(lèi)測(cè)量誤差數(shù)字濾波及數(shù)據(jù)處理控制算法多種輸出形式數(shù)據(jù)通信自診斷 智能儀表的基本組成智能儀表由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分包括微控制器及其接口電路、模擬量輸入輸出電路、開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路、數(shù)據(jù)通信接口電路、人機(jī)交互通道，以及其他外圍設(shè)備。智能儀表硬件組成 5 框架圖如圖 21 所示。智能儀表的軟件，包括監(jiān)控程序、中斷服務(wù)程序以及實(shí)現(xiàn)各種算法的功能模塊。智能儀表的工作過(guò)程如下：輸入信號(hào)要經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入電路或模擬量輸入電路進(jìn)行變換、放大、整形、補(bǔ)償?shù)忍幚?。?duì)于模擬量信號(hào)，需經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)接口送入微控制器。由 CPU 對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理、計(jì)算分析等一系列工作，通過(guò)接口送至顯示器或打印機(jī)，也可輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)或經(jīng)模擬量輸出電路的 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出信號(hào)。還可通過(guò)串行接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，完成更復(fù)雜的測(cè)量和控制任務(wù)。開(kāi)關(guān)量 模擬量 信號(hào) 信號(hào) 通信數(shù)據(jù) 鍵盤(pán) 開(kāi)關(guān)量輸入電路模擬量輸入電路通信接口電路鍵盤(pán)接口電路 微控制器及其接口電路開(kāi)關(guān)量輸出電路模擬量輸出電路顯示器接口電路打印機(jī)接口電路 開(kāi)關(guān)量 模擬量 顯示器 打印機(jī) 輸出信號(hào) 輸出信號(hào) 圖 21 智能儀表硬件組成框架圖。 可編程控制器基礎(chǔ)PLC 即可編程邏輯控制器，英文全稱是 Programmable Logic Controller，是一種專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算 6 等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC 以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)。 PLC 的歷史和發(fā)展趨勢(shì)20 世紀(jì) 20 年代起，人們把各種繼電器、定時(shí)器、接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來(lái)組成控制系統(tǒng)，控制各種機(jī)械設(shè)備，這就是傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。到 20 世紀(jì) 60 年代，汽車(chē)生產(chǎn)流水線的自動(dòng)控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的。20 世紀(jì) 60 年代末，美國(guó)的汽車(chē)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各生產(chǎn)廠家汽車(chē)型號(hào)不斷更新，它必然要求加工的生產(chǎn)線亦隨之改變，以及對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)重新配置，這樣，繼電器控制系統(tǒng)就需要經(jīng)常更新和安裝，阻礙了更新周期的縮短。為改變這一狀況，美國(guó)通用汽車(chē)公司（GM）在 1968 年公開(kāi)招標(biāo)，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置。1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國(guó)通用汽車(chē)公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車(chē)公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國(guó)家的高度重視。1971 年日本從美國(guó)引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)，很快研制了日本第一臺(tái) PLC。1973 年西歐國(guó)家也研制出它們的第一臺(tái) PLC。我國(guó)從 1974 年開(kāi)始研制，于 1977 年開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用 [1]。目前比較著名的 PLC 生產(chǎn)廠家有日本的三菱公司、歐姆龍公司、富士電機(jī)、松下電工，德國(guó)的西門(mén)子，法國(guó)的 TE 公司、施耐德公司，韓國(guó)的三星公司、LG 公司和美國(guó)的 AB、通用（GE）公司。PLC 現(xiàn)在的發(fā)展很快，總的趨勢(shì)是向高集成度、小體積、大容量、高速度、使用方便、高