【正文】 ...................................... 42 附 錄 ........................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 外文資料翻譯 .......................................................................................... 46 1 前 言 在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、液位、流量、和開(kāi)關(guān)量等都是常用的主要被控參數(shù)。其中，水位控制越來(lái)越重要。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來(lái)越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來(lái)極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(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)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲(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)的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點(diǎn)?？删幊炭刂破鳎?PLC）是根據(jù)順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來(lái)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)，目前水位控制的方式被 PLC 控制取代。同時(shí)，又有 PID 控制技術(shù)的發(fā)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)控制。比如自動(dòng)控制水 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)水控制、自動(dòng)電熱水器、電開(kāi)水機(jī)的自動(dòng)進(jìn)水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實(shí)際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。采用 PLC 和 PID 技術(shù)能很好的解決以上問(wèn)題，使水位控制在要求的位置。 本論文側(cè)重介紹 “水塔 水位 PID 控制系統(tǒng) ”的軟件設(shè)計(jì)及 相關(guān)內(nèi)容，使 水塔 水塔 維持一定的水位。 通過(guò)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)，根據(jù)用水量的變化，采取 PID 調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用輸入液體控制閥連續(xù)調(diào)節(jié)和輸出控制閥分級(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 控制系統(tǒng) 集 PLC 控制技術(shù)、 PID 技術(shù)、 電子電力技術(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。 采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(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，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)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。 2 第 1 章 水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的 概述 水位控制系統(tǒng) 現(xiàn)狀與 發(fā)展 節(jié)能是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)能否保持可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重大問(wèn)題 .水位控制廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與民用生活，其用電量大，是節(jié)能研究的主要內(nèi)容之一 .對(duì)變頻調(diào)速水位控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況研究發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)在這方面普遍采用恒水位或恒壓力變頻調(diào)速 PID 控制技術(shù)，取得了一定的應(yīng)用效果 .但由于這類控制系統(tǒng)忽視了水泵 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 11]；另外，單目標(biāo)的恒水位或恒壓力控制不能保 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)速控制系統(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)速控制技術(shù)多年來(lái)一直難以大規(guī)模采用的原委之一 .水位控制類變頻調(diào)速效率優(yōu)化問(wèn)題屬于一類復(fù)雜的多變量、離散性強(qiáng)的非線性系統(tǒng)控制問(wèn)題， 要求控制 圖 11 水塔水位控制系統(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)，采用傳統(tǒng)的控制策略很難獲得簡(jiǎn)便、實(shí)用的解決方法 .本文結(jié)合水位控制類系統(tǒng)的特點(diǎn)，運(yùn)用水位控制理論與最優(yōu)控制方法，以系統(tǒng)效率最大及滿足用水要求為目標(biāo)， 設(shè)計(jì)一種水位控制以改善這類系統(tǒng)的控制策略與運(yùn)行方式，同時(shí)給出采用 PLC 控制程序?qū)崿F(xiàn)的此水位控制。 水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng) 的 組成 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)由 PLC（核心控制部件）、 高低位的水位檢測(cè)電路、高低水位信號(hào)傳送給 PLC 水泵電動(dòng)機(jī)控制電路（ PLC 控制啟停及主備切換）、設(shè)備監(jiān)控臺(tái)四部分組成。 3 水位控制系統(tǒng)效率及運(yùn)行模式分析 水位控制系統(tǒng)的效率主要由水泵的效率、電動(dòng)機(jī)的效率和管道損失決定，本文主要研究水泵 電機(jī)組的效率問(wèn)題 .由于水位控制系統(tǒng)的非線性、滯后性與時(shí)變性，采用傳統(tǒng)的 PID 控制容易 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(wú)法兩者兼顧 .為此引入模糊控制，使系統(tǒng)能夠最快地響應(yīng)用戶的用水要求并最大限度地工作在高效區(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)速水位控制的節(jié)能問(wèn)題時(shí)，以不同轉(zhuǎn)速下提供相同容積 圖 12 控制系統(tǒng)框圖 的水作比較得出 [圖 12]：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=～ N(n N 為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 )；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速 n= N時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的效率最佳 .圖 1 給出了水位控制系統(tǒng)控制模型圖， 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)分別為水位極高、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)總的控制模式為：當(dāng) H∈ A 時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行減機(jī)模式；當(dāng) H∈ B 時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能模式；當(dāng) H∈ C時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行加機(jī)模式 .系統(tǒng)效率 η∝ K∫n3dtn∈ ～ N 系統(tǒng)節(jié)能模式是本文的研究重點(diǎn)，根據(jù)此圖可設(shè)計(jì)一個(gè)水 位控制器，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)間上最大限度地工作在高效區(qū)，這樣，系統(tǒng)運(yùn)行的效率就可以提高，此時(shí)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。 4 第 2 章 PLC 結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC 組成與基本結(jié)構(gòu) PLC 是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，從廣義上講， PLC 也是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只不過(guò)它比一般計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過(guò)程相連接的輸入 /輸出接口，具有更適用于控制要求的編程 語(yǔ)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)控制用的專用計(jì)算機(jī)，它的實(shí)際組成與一般微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。 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，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和 工作原理都大致相同，硬件和微機(jī)相似。主要包括 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)備接口 等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 圖 23 PLC 結(jié)構(gòu)示 意圖 5 如圖 11 所示。 PLC 控制系統(tǒng)有輸入量 —PLC—輸出量組成，外部的各種開(kāi)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)行各種控制。由此可見(jiàn)， PLC 的基本結(jié)構(gòu)由控制部分、輸入和輸出部分組成。 PLC 的基本工作原理 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)有很大的不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見(jiàn)的鍵盤(pán)掃描 方式或 I/O 掃描方式，若有鍵按下或 I/O 變化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無(wú)則繼續(xù)掃描等待。 PLC 則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對(duì)每個(gè)程序， CPU 從第一條指令 開(kāi)始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)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(guò)程就是 PLC 的掃描循環(huán)工作過(guò)程，一個(gè)循環(huán)掃描周期主要可分為 3 個(gè)階段，輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。如圖 12 所示 PLC 的掃描工作過(guò)程 。 圖 23 PLC 的掃描工作過(guò)程 6 PLC 的主要應(yīng)用 經(jīng)過(guò) 20 多年的工業(yè)運(yùn)行， PLC 迅速滲透到工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，從 PLC 的功能來(lái)看，它的應(yīng)用范圍大致包括以下幾個(gè)方面： （ 1）邏輯控制 PLC 具有邏輯運(yùn)算功能，可以實(shí)現(xiàn)各種通斷控制。 （ 2）定時(shí)控制 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)間設(shè)定值既可以由用戶程序設(shè)定，也可以由操作人員在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)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)值也可以通過(guò)人 ——機(jī)對(duì)話裝置實(shí)時(shí)讀出或 （ 3）計(jì)數(shù)控制 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)間設(shè)定值一樣。計(jì)數(shù)器的實(shí)際計(jì)數(shù)值也可以通過(guò)人 ——機(jī)對(duì)話裝置實(shí)時(shí)讀出。 （ 4）步進(jìn)（順序）控制 PLC 具有步進(jìn)（順序）控制功能。在新一代的 PLC中，還可以 IEC 規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言 ——順序功能圖（ SFC）編制用戶程序， PLC 在實(shí)現(xiàn)按照事件或輸入狀態(tài)的順序控制相應(yīng)輸出的場(chǎng)合更簡(jiǎn)便。 （ 5） PID 控制 PLC 具有 PID 控制功能。 PLC 可以接模擬量輸入和輸出模擬量信號(hào)。通常采用專門的 PID 控制模塊來(lái)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。它既可以對(duì)遠(yuǎn)程 I/O 進(jìn)行控制，又能實(shí)現(xiàn) PLC 和 PLC， PLC 和計(jì)算機(jī)之間的通信。因此，可以方便地構(gòu)成 “集中管理，分散控制 ”的分布式控制系統(tǒng)。 （ 8） PLC 還具有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，例如：定位控制模塊， CRT 模塊等。 S7200 系列可編程控制器 德國(guó)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 可編程序控制器在歐洲處于領(lǐng)先地位。其第一代可編程序控制器是于1975 年投放市場(chǎng)的 SIMATIC S3 系列控制系統(tǒng)。 1979 年微處理器技術(shù)被應(yīng)用到可編程序控制器中后，產(chǎn)生了 SIMATIC S5 系列，隨后在 20 世紀(jì)末又推出了 S7 系列7 產(chǎn)品。 S7200 PLC 系統(tǒng)組成 1． CPU 模塊 從 CPU模塊的功能來(lái)看， SIMATIC S7200 系列小型可編程序控制器的發(fā)展，大致經(jīng)歷了兩代： 第一代產(chǎn)品其 CPU模塊為 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(chǎng)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 22CPU 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 （ 1） 設(shè)備連接 圖 23 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 下所能提供的最大擴(kuò)展電流如表 24 所示 。 表 24 CPU 提供的最大擴(kuò)展電流 S7200 系列 PLC 元件功能 1. 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)類型 S7200 系列 PLC 的數(shù)據(jù)類型可以是字符串、布爾型（ 0 或 1）、整數(shù)8 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(wú)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(lái)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控制系統(tǒng)中的繼電器有本質(zhì)性的差別，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： S7200 輸入映像寄存器區(qū)域有 IB0～ 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)器主要用于存儲(chǔ)變量。可以存放數(shù)據(jù)