【正文】 書 基于組態(tài)的 PLC 液位 控制系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè) 自動化 學(xué)生姓名 ***** 班級 ***** 學(xué)號 ***** 指導(dǎo)教師 ***** 完成日期 ***** 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 ： 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位變量是最常見、最廣泛的過程參數(shù)之一。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、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。 關(guān)鍵詞： S7200 系列 PLC，組態(tài)王， PID 控制，液位控制。在自動化控制的工業(yè)生產(chǎn)過程中，一個很重要的控制參數(shù)就是液位。 液位控制系 統(tǒng)它使我們的生活、生產(chǎn)都帶來了不可想象的變化。還在黃河治水中也的到了利用，通過液位控制系統(tǒng)檢測黃河的水位的高低，以免由于黃河水位的過高而在不了解的情況下，給我們?nèi)嗣駧砩ｋU和財產(chǎn)損失。 除了傳統(tǒng)的 PID 控制系統(tǒng)外，近年來隨著智能儀表和 PLC 的發(fā)展，加入智能型控制的系統(tǒng)也得以應(yīng)用。國外的液位控制器正朝著高精度、智能化等力一向快速發(fā)展。智能化、自適應(yīng)的控制系統(tǒng)，國內(nèi)還沒有相關(guān)的成熟技術(shù)。 課題 研究的主要內(nèi)容 ，其系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)?shù)闹匾?，直接關(guān)系到控制結(jié)果的正確與否。 2 控制方案設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計 單容水箱液位自動調(diào)節(jié) 在這個部分中控制的是上水箱的液位。經(jīng)過運算后即輸出控制信號給電動調(diào)節(jié)閥，使其開度 增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲水量，液位升高。水箱 的液位經(jīng)過壓力變送器檢測轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號輸入到 PLC的輸入接口，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換成控制量 PV，給定值 SP 與控制量 PV 經(jīng)過 PLC的 CPU 的減法運算成了偏差信號 e ,又輸入到 PID 調(diào)節(jié)器中，又開始了新的調(diào)節(jié)。 所謂自衡過程，是指過程在擾動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠起自身重新恢復(fù)平衡的過程。 (a) (b) (c) 圖 液位被控過程及其階躍響應(yīng) 根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有 dtdhA ?? 21 （ 21） 將公式 （ 21） 表示成增量式為 1Q1 h 1 2 2Q X h t t 0 0 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 5 dthdA ????? 21 （ 22） 式中： 1Q? 、 2Q? 、 hd? —— 分別表示為偏離某一平衡狀態(tài) 10Q 、 20Q 、 0h?的增量； A—— 貯蓄截面積。 為了求單容過程的數(shù)學(xué)模型，需消去中間變量 2Q 。 c s1Q 1 ( s )Y ( s )1R 2Q 2 ( s ) 圖 方框圖 單容液位過程的傳遞 函數(shù)為 11)()()(001210 ????? sTKCsR RsQ sHsW （ 24） 式中： 0T —— 過程的時間常數(shù)， CRT 20 ? ； 0K —— 過程的放大系數(shù)， 20 RK ? ； C—— 過程的容量系數(shù)，或稱過程容量。 從上述分析可知，液阻 2R 不但影響過程的時間常數(shù) 0T ，而且還影響過程的放大系數(shù) 0K ，而容量系數(shù) C 僅影響過程的時間常數(shù)。 圖 純時延單容過程及其響應(yīng)曲線 圖 所示，流量 1Q 通過長度為 l 的管道流入貯罐。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 7 所謂無自衡過程，是指過程在擾動的作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠其自身能力不能重新恢復(fù)平衡的過程。當(dāng)流入量 1Q 發(fā)生階躍變化時，液位 h 即發(fā)生變化。 圖 單容過程及其響應(yīng)曲線 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 8 當(dāng)過程具有純時延時，則其傳遞函數(shù)為 stesTsW 000 1)( ?? （ 28） 硬件設(shè)計 控制單元 控制單元是整個系統(tǒng)的心臟。 PLC 可以輕松地滲透到每個家庭，為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展創(chuàng)造極大的空間。更高速率的 PLC 產(chǎn)品正在研制之中。 檢測單元 在過程控制系統(tǒng)中，檢測環(huán)節(jié)是比較重要的一個環(huán)節(jié)。 靜壓投入式液位變送器（液位計）適用于石油化工、 冶金 、 電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的液位測量。 使傳感器測得壓力為 ： hg..? ，顯然通過測取壓力 P ，可以得到液位深度。壓力變送器和絕對壓力變送器的工作原理和差壓變送器相同，所不同的是低壓室壓力是大氣壓或真空。執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來自調(diào)節(jié)器的信號轉(zhuǎn)變成推力或位移，對調(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。 用于兩位切斷、調(diào)節(jié)的場合。 圖 ZDRO 電動 O 型球閥 來自 PLC 的 420mA 信號 iI 與位置反饋信號 fI 進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開度，同時輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號 fI 。 1968 年，美國最大的汽車制造商 —— 通用汽車公司從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件后，立即引起了開發(fā)熱潮?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。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。 在這時期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。 我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的 CF 系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的 DKK 及 D 系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的 S 系列、蘇州電子計算機(jī)廠生產(chǎn)的 YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。 SIMATIC S7200 PLC S7200 PLC 是超小型化的 PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。各刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用。與 S7200 PLC 比較， S7300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（ ~）的指令運算速度；用浮點數(shù)運算比較有效地實現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運算；一個帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的 軟件 工具方 便用戶給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值；方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在 S7300 操作系統(tǒng) 內(nèi)，人機(jī)對話的編程要求大大減少。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或升級時，只要適當(dāng)?shù)卦黾右恍┠０澹隳苁瓜到y(tǒng)升級和充分滿足需要?？捎米髫?fù)載電源。 ： 允許以極快的速度對過程信號的上升沿作出響應(yīng)?？墒褂梅抡嫫鳎ㄟx件）對本機(jī)輸入信號進(jìn)行仿真，用于調(diào)試用戶程序。 電池模塊 用于長時間數(shù)據(jù)后備。 4 軟件設(shè)計 STEP 7Micro/WIN 編程 STEP 7Micro/WIN 編程軟件簡介 STEP 7 編程軟件是基于 windows 的應(yīng)用軟件， 用于西門子系列工控產(chǎn)品包括 SIMATIC S M C7 和基于 PC 的 WinCC,是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具，是 SIMATIC 工業(yè)軟件的重要組成部分。 在 STEP 7 中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。 STPE 7Micro/WIN 編程軟件的主界面元素如圖 所示。 主程序：調(diào)用輸入子程序，調(diào)用計算子程序，調(diào)用輸出子程序 // 調(diào)用輸入子程序 SBR0，采集 PV 信號，同時設(shè)定 SP 值 LD CALL SBR0 // 調(diào)用子程序 1，初始化 PID 參數(shù)，同時使能定時中 斷 0，調(diào)用定時中斷程序 0，進(jìn)行 PID 計算 LD CALL SBR1 Network 3 // Network Title // 調(diào)用子程序 2 將 PID 的計算結(jié)果送輸出 LD CALL SBR2 TITLE=子程序 0 采集 PV 值，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)工程量 // 讀入采集口 AIW0 數(shù)據(jù)到 PID0，工程量標(biāo)準(zhǔn)化。 “監(jiān)控（ Supervisory Control） ”，即 “監(jiān)視和控制 ”，是指通過計算機(jī)信號對自動化設(shè)備或過程進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理 組態(tài)軟件是有專業(yè)性的。人機(jī)界面生成 軟件 就叫 工控 組態(tài)軟件。 工控組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都是內(nèi)置 編譯系統(tǒng) ，提供類 BASIC語言 ，有的支持 VB，現(xiàn)在有的組態(tài)軟件甚至支持 C高級語言。組態(tài)軟件的出現(xiàn)使用戶可以利用組態(tài)軟件的功能，構(gòu)建一套最適合自己的應(yīng)用系統(tǒng)。 組態(tài)王 具有如下十大特點： 對于系統(tǒng)集成商和用戶來說，一個系統(tǒng)開發(fā)人員可能保存有很多個組態(tài)王工程，對于這些工程的集中管理以及新開發(fā)工程中的工程備份等都是比較煩瑣的事情。 A）支持無限色和過渡色 組態(tài)王 調(diào)色板支持無限色，支持二十四種過渡色效果， 組態(tài)王的任一種繪圖工具都可以使用無限色，大部分圖形都支持過渡色效果，巧妙地利用無限色和過渡色效果，可以使您輕松構(gòu)造面無限逼真、美觀的畫面。另外，組態(tài)王 支持多種圖形格式，如 Gif 、 Jpg、 Bmp 等，用戶可以充分利用 已有的資源，輕松構(gòu)造自己功能強(qiáng)大且美觀的應(yīng)用系統(tǒng)。包括：基于事件的報警、報警分組管理、報警優(yōu)先級、報警過濾、新增死區(qū)和延時概念等功能，以及通過網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程報警管理。提供報表工具條，操作簡單明了，比如：日報表的組態(tài)只需用戶選擇需要的變量和每個變量的收集間隔時間；提供報表模板，方便用戶調(diào)入其它的表格。一般的 Active X 控件都具有屬性、方法、事件，用戶通過控件的這些屬性、事件、方法來 完成工作。并且組態(tài)王提供 SDK 開發(fā)包，用戶可以自己利用 VC， VB 編制程序，利用組態(tài)王的 OPC接口來訪問組態(tài)王的變量和變量的域。 B）開發(fā)中進(jìn)行硬件測試 開發(fā)系統(tǒng)中有硬件測試界面，在不啟動運行系統(tǒng)的情況 下，能測試對硬件設(shè)備的讀寫操作，并且 IO 變量支持時間戳和質(zhì)量戳，能隨時判斷數(shù)據(jù)采集的時間和檢查通訊質(zhì)量的好壞。 組態(tài)王 完全基于網(wǎng)絡(luò)的概念，是一種真正的客戶 服務(wù)器模式，支持分布式歷史數(shù)據(jù)庫和分布式報警系統(tǒng)，組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種柔性結(jié)構(gòu)，可以將整個應(yīng)用程序分配給多個服務(wù)器，如指定 報警服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器，這樣可以提高項目的整體容量結(jié)構(gòu)并改善系統(tǒng)的性能。采用冗余后，系統(tǒng)運行時將更加穩(wěn)定、可靠，對各種情況都能應(yīng)付自如 。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 23 圖 主界面設(shè)計 完成對基本的定義，才可以 進(jìn)行動畫連接，即讓動畫動起來。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被 控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “積分項 ”。 （ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。這就是說，在控制器中僅引入 “比例 ”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “微分項 ”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其特點 比例調(diào)節(jié)作用，一般用字母 P 來表示。純比例調(diào)節(jié)只能用于干擾較小、滯后較 小，而時間常數(shù)又不太小的對象。 由于它是在比例調(diào)節(jié)（粗調(diào)）的基礎(chǔ)上，有加上一個積分調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)），所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。在生產(chǎn)實際中，有經(jīng)驗的工人總是既根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度大?。ū壤饔茫?，同時又根據(jù)偏差變化速度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于一個固定不變的偏差，不管其有多大，微分做用的輸出總是零，這是微分作用的特點。適當(dāng)選取這三個參數(shù)值，就可以獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。很多以前在學(xué)習(xí)過程中不明白的地方，在 PLC 調(diào)試過程中，終于得以解決。就是這樣還要仔細(xì)檢查自己的程序。通過參數(shù)的設(shè)定調(diào)整了調(diào)節(jié)的時間，因為要進(jìn)行適合參數(shù)的確定，根據(jù)理論經(jīng)過了多次的試驗，基本完成了本次設(shè)計。對 趙 老師的感激之情是無法用言語表達(dá)的。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 31 參考文獻(xiàn) [1] 劉祖潤 .自動控制原理［ M］ .機(jī)械工程出版社 , . 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