【正文】 ，或相連成網(wǎng)絡(luò)，皆能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 PLC 在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相 4 應(yīng)的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。全過程掃描一次所需的時間為掃描周期。即在 PLC 運行時， CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，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，直至程序結(jié)束。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器 （ Programmable Logic Controller） ，簡稱 PLC，它主要用來代替繼電器實 現(xiàn)邏輯控制。 本課題研究內(nèi)容： （ 1）通過 PLC 實現(xiàn) PID 控制器 （ 2）對輸入變量的轉(zhuǎn)換與歸一化 （ 3）熟悉 力控組態(tài) 軟件的使用 （ 4）實現(xiàn)上位機對液位的實時監(jiān)控 3 2 PLC 液位控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 隨 著我國科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，社會高度信息化，新的高科技技術(shù)不斷應(yīng)用到各個方面中，使得智能化已成為一種發(fā)展的必然趨勢。與計算機技術(shù)相結(jié)合，形成工業(yè)控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng) DCS（ Distributed Control System） 、現(xiàn)場總總線控制系統(tǒng) FCS(Fieldbus Control System)、這將使 PLC 功能更強，可靠性更高，使用更方便，適用面更廣。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。 PLC 變頻 控制系統(tǒng)的概述及發(fā)展 在工業(yè)工程生產(chǎn)過程控制中，如液位控制等，有許多元器件需要很精確的控制，并且在生產(chǎn)過程中，為了方便系統(tǒng)的維護，往往需要隨時知道各個關(guān)鍵部件的運行狀況，以便工作人員進(jìn)行維護，而在生產(chǎn)設(shè)備中安裝大量的傳感器顯然會增加無謂的成本，這時我們就需要一種即可以精確的控制生產(chǎn)設(shè)備，有可以隨時可以監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)的控制設(shè)備。而且可以在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用，加強了操作人員的安全系數(shù)，同時提高了工作效率。 1 1 緒論 課題的提出 近幾十年來，自動控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究與發(fā)展上也已趨于完備，而控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周圍的事物。在各種機械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，已成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要控制裝置之一。 摘 要 基于西門子 PLC 變頻控制系統(tǒng)，采用西門子 S7200PLC,其擴展輸入模塊 EM231，模擬輸出模塊 EM232，利用其內(nèi)部的 PID 控制指令，配合三菱 D700 系列變頻器 和電機，同時采用壓力變送器來檢測管網(wǎng)壓力，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 液位控制是工業(yè)控制中的一個重要問題，針對液位控制過程中存在大滯后、時變、非線性的特點，在液位控制系統(tǒng)設(shè)計中采用 PLC 內(nèi)部數(shù)字 PID控制器，進(jìn)行輸入量的歸一化轉(zhuǎn)換， PID 計算，輸出量轉(zhuǎn)換工程量等操作。在人們生活 以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題，液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少，例如居民生活用水的供應(yīng) , 飲料、食品加工 , 溶液過濾 , 化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程 , 通常需要使用蓄液池 , 蓄液池中的液位需要維持合適的高度 , 既不能太滿溢出造成浪費 , 也不能過少而無法滿足需求。而 PID 控制（比例、積分和微分控制）是目前采用最多的控制方法，在液位控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了液位模擬量的數(shù)字 PID 控制，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性大大提高。繼電器在工業(yè)過程控制中是經(jīng)常用到的執(zhí)行元件，但是我們對繼電器發(fā)出命令后，如果想知道它的運行狀態(tài)等信息就無能為力了，而且繼電器有機械磨損、老化和容易受環(huán)境影響的不利因 素，今年來計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，使計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，從而使控制技術(shù)的功能發(fā)生了飛躍。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 課題研究的內(nèi)容與目的 PLC 變頻 控制系統(tǒng)中，主要是對一水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，涉及到液位的動態(tài)控制、控制系統(tǒng)的建模、 PLC 控制、 PID 算法、傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列的知識。智能化也往往是從設(shè)備自動控制系統(tǒng)開始。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，還可以進(jìn)行算術(shù)運算和模擬量控制等，因此，美國電器制造協(xié)會（ NEMA）于 1980年正式將這種裝置命名為可編程控制器 （ Programmable Controller） ，簡稱 PC。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。當(dāng) PLC處于停止（ STOP）狀態(tài)時（自診斷）、通信操作、輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新，一直循環(huán)掃描工作。 輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)輸出設(shè)備工作。另外，其豐富的 CPU 類型及電壓等級，使其在解決用戶的自動化問題時，具有很強的適應(yīng)性。 狀態(tài)指示燈：位于機身左側(cè)，顯示 CPU 的工作方式、本機 I/O 的狀態(tài)及系統(tǒng)錯誤狀態(tài)。擴展接口提 供 PLC 主機與輸入、輸出擴展模塊的借口，做擴展系統(tǒng)之用，主機與擴展模塊之間由導(dǎo)軌固定，并用擴展電纜連接；模式選擇開關(guān)具有 RUN、 STOP 及 TERM 等 3種狀態(tài)；模擬量電位器可用于定時器的外設(shè)定及脈沖輸出等場合。除此之外，要對 S7200 進(jìn)行實際的編程和調(diào)試，必須在運行編程軟件的計算機和 S7200CPU 間配備下列設(shè)備中的一種： （ 1） 一條 PC/PPI 電纜或 PPI 多主站電纜，其價格便宜，用得最多。該軟件還具有語法檢查功能，可在編程中檢查用戶程序的語法錯誤。支持梯形圖 （ LAD） 、指令表（ STL）和功能塊圖（ FBD）等 3 種編程語言，可以在三者之間隨時切換。 除此之外，該軟件還具有運動控制、 PID 自整定等其他功能。 6 圖 22 PLC 編程主界面 程序塊 程序塊有可執(zhí)行文件的代碼和注釋組成，可執(zhí)行的代碼由主程序 （ OB1） 、可選的子程序和中斷程序組成。數(shù)據(jù)被編譯并下載到 PLC，注釋被忽略。 符號表 符號表允許程序員用符號來代替存儲器的地址，符號地址便于記憶，使程序更容易理解。交叉引用表不下載到 PLC，程序編譯成功后才能看到交叉引用表的內(nèi)容。這是單主站模式，一臺 PLC 和 PC 直接連接， PC 接口為 RS232 串口。如圖 23 所示： 設(shè)置完所有的參數(shù)后，單擊工具條中的“下載”按鈕，把修改后的參數(shù)下載到PLC。 在 S7200 中 ， PID 功能是通過 PID 指令功能塊實現(xiàn)。因此每個 PID 功能塊在調(diào)用時需要指定兩個要素： PID 控制回路號以及控制回路表 的起始地址（以 VB 表示）。 PID 功能塊只接受 之間的實數(shù)（實際上就是百分比）作為反饋、給定與控制輸出的有效數(shù)值，如果是直接使用 PID 功能塊編程，必須保證數(shù)據(jù)在這個范圍之內(nèi)，否則會出錯。 PID 控制的效果就是看反饋（也就是控制對象）是否跟隨設(shè)定值（給定），是否響應(yīng)快速、穩(wěn)定，是否能夠抑制閉環(huán)中的各種擾動而回復(fù)穩(wěn)定。 新版編程軟件 STEP 7 Micro/WIN 內(nèi)置了一個 PID 調(diào)試控制面板工具，具有圖形化的給定、反饋、調(diào)節(jié)器輸出波形顯示，可以用于手動調(diào)試 PID 參數(shù)。在誤差 出現(xiàn)時，比例控制能立即給出控制信號，使被控量朝誤差減小的方向變化。但是 Kc 過大會使超調(diào)量增大，振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時間加長，導(dǎo)致動態(tài)性能變壞， Kc 過大甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分項有減小誤差的作用，一直要到系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，這時誤差恒為零，比例部分和微分部分均為零，積分部分才不再變化，并且剛好等于穩(wěn)態(tài)時需要的控制器的輸出值。因此積分作用很少單獨使用，它一般與比例和微分聯(lián)合使用，構(gòu)成 PI 或 PID 控制器。在圖中啟動過程的上升階段，當(dāng) c(t)c(∞ )時被控量尚感未超過其穩(wěn)態(tài)值，超調(diào)量還沒有出現(xiàn)。但是 Td 太大可 10 引起頻率較高的振蕩，或使被控量接近穩(wěn)態(tài)值時變化緩慢。 采樣周期 Ts 采樣同期 Ts 越小，采樣值越能反映模擬量的變化情況。不同的 PID 指令不能使用相同的回路編號。 （ 21） 式中： M（ t） —— PID 回路的輸出，是時間的函數(shù)； Kc —— PID 回路的增益； e（ t） —— PID 回路的偏差（給定值與過程變量之差）； Mo —— PID 回路的初始值； 為了能讓數(shù)字計算機處理這個控制算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值。 PID 控制回路的選擇 在許多控制系統(tǒng)中，只需要一種或兩種回路控制類型。 如果不需要積分回路，可以把積分時間 Ti 設(shè)為無窮大。上位機也可對相應(yīng)的地址進(jìn)行賦值，來設(shè)定相關(guān)參數(shù)。 （ 2 擴散硅差壓變送器， 壓力變送器的主要參數(shù)，擴散硅壓力變送器輸出4mA～ 20mA 信號。 表 22 單容上水箱液位調(diào)節(jié)閥 PID 單回路控制檢測點清單 序號 位號或代號 設(shè)備名稱 用途 原始信號類型 工程量 1 2 FV101 LT103 電動調(diào)節(jié)閥 壓力變送器 閥位控制 上水箱液位 2～ 10VDC 4～ 20mADC AO AI 0～ 100％ 注： 為了使系統(tǒng)監(jiān)控方便，最終信號全部為 210V 信號。 S7200 PID 回路沒有內(nèi)裝模式控制，只有在使能位進(jìn)入 PID 方框時才執(zhí)行 PID 計算。為了順利轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣幽Ｊ娇刂?，在轉(zhuǎn)換至自動控制之前由手動控制的輸出值必須作為 Mn 寫入回路表中對應(yīng)Mn 的地址中。 PID 回路輸入變量的轉(zhuǎn)化與標(biāo)準(zhǔn)化 PID 回路有兩個輸入量，即給定值（ SP）與過程變量（ PV）。 轉(zhuǎn)化公式如式 23 (23) 式中 Rnorm—— 工程實際的歸一化值； Rraw —— 工程實際值的實數(shù)形式值，未歸一化處理； Offset—— 調(diào)整值。由于調(diào)整值不為 0，在系統(tǒng)中 Span=320216400=25600。這一過程，是給定值或過程變量的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換的逆過程。其中主要用到得指令是：運算指令、轉(zhuǎn) 換指令、傳遞指令等。在增加了 PID 自動調(diào)諧后，回路表現(xiàn)已擴展到 80 個字節(jié)， PID 回路表 如表 21 所示。 （ 3）參數(shù)初始化子程序（ SBR_1） 參數(shù)初始化子程序是初始化 PID 參數(shù)，同時使能定時中斷 0，設(shè)置定時中斷時間為 100ms，將定時中斷事件與 INT_0 子程序關(guān)聯(lián)。 19 3 液位過程控制系統(tǒng)的組態(tài)界面及動畫連接 創(chuàng)建組態(tài)畫面 進(jìn)入開發(fā)系統(tǒng)后，可以為每個工程建立無限數(shù)目的畫面，在每個畫面上可以組態(tài)相互關(guān)聯(lián)的靜態(tài)或動態(tài)圖形，這些畫面是由開發(fā)系統(tǒng)提供的豐富的圖形對象組成的。 創(chuàng)建窗口對話框如圖 31 所示。 2．說明 輸入與窗口相關(guān)的說明文字（可選）。 1．打開圖庫 圖庫的操作方式有： （ 1）選擇菜單命令“工具 [T]/圖庫 [C]”。它 的 圖 形 是“ 矢量 ” 的 ， 任 意 放 大 和 縮 小不會失真，同時精靈圖庫中的圖形對象的動畫定義可以直接進(jìn)行變量選取。 3．圖庫中的對象 點擊進(jìn)入圖庫對話框，如圖 32 所示。 圖 33 液位控制系統(tǒng)組態(tài)界面 1．在工程項目的窗口項上右鍵單擊鼠標(biāo)，在右鍵菜單 中選擇新建窗口命令。 4． 系統(tǒng)所需圖庫如表下所示。 動畫連接的創(chuàng)建方法 創(chuàng)建并選擇連接對象，如線、填充圖形、文本、按鈕、子圖等的動畫連接創(chuàng)建方法有以下幾種： 1．先選中圖形對象，然后在屬性設(shè)置導(dǎo)航欄中，點擊按鈕 切換到動畫頁，選擇相應(yīng) 的動畫功能。 使用后三種方法創(chuàng)建動畫連接，會彈出“動畫連接”。 1．垂直拖動：拖動連接使圖形對象的垂直位置與變量數(shù)值相關(guān)聯(lián)。 3．窗口顯示：窗口顯示能使按鈕或其它圖形對象與某一窗口建立連接，當(dāng)用鼠標(biāo)點擊按鈕或圖形對象時，自動顯示連接的窗口。 顏色動畫 該類動作分為：邊線、實體文本、條件、閃爍、垂直填充、水平填充六大類。 3．條件：條件變化連接是指圖形對象的填充色或文本的前景色隨著邏輯表達(dá)式的值的變化而改變。 5．垂直填充：垂直填充連接可以使具有填充形狀的圖形對象的填充比例隨著變量或表達(dá)式值的變化而改變。 尺寸動畫 可以把變量值與圖形對象的水平、垂直方向運動或自身旋 轉(zhuǎn)運動連接起來，以形象地 表 現(xiàn)客觀世界物體運動的狀態(tài)；也可以把變量與圖形對象的尺寸大小連接，讓變量反映對象外觀的變化。 3