【正文】 ....................................................................................................................... 22 心得 ............................................................................................................................................... 23 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 24 1 1 緒論 PLC 的產(chǎn)生、定義及現(xiàn)狀 PLC 的產(chǎn)生、定義 一、可編程控制器的產(chǎn)生 20 世紀(jì) 60 年代，在世界技術(shù)改造的沖擊下，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器。它采用了可編程的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)計(jì)算等面向用戶的指令，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 20 世紀(jì)80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。 上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為 30~40%。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。 過程控制的發(fā)展 進(jìn)入 90 年代以來，自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展很快，并取得了驚人的成就，已成為國家高科技的重要分支。生產(chǎn)過程中的噶參數(shù)靠人工觀察，生產(chǎn)過程的操作也靠人工去執(zhí)行?？v觀過程控制的發(fā)展歷史，大致經(jīng)歷了下述幾個(gè)階段： 50 年代前后，過程控制開始得到發(fā)展。 在 60 年代，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)過程控制提出了新的要求；隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展也為自動(dòng)化技術(shù)工具的完善提供了條件，開始了過程控制的第二階段。對(duì)全工廠或整個(gè)工藝流程的集中控制、應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行多參數(shù)綜合控制，或者用多臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和經(jīng)營管理，是這一階段的主要特征。但就以各類型水罐、水池的液位控制來說 ， 許多項(xiàng)目沒有達(dá)到自動(dòng)化的程度 ， 有的在設(shè)計(jì)上雖然設(shè)置有較為精密儀表和其它電氣設(shè)備 ， 但是沒有達(dá)到充分的開發(fā)和合理的配置 ， 自動(dòng)化程序較低 ， 有許多電氣及儀表裝置 ， 在系統(tǒng)中只起到了液位顯示及報(bào)警功能 ， 其液位控制全憑生產(chǎn)運(yùn)行人員根據(jù)系統(tǒng)工藝流程 ， 人為地手動(dòng)或電動(dòng)操作水罐或水池的進(jìn)出口閥門來實(shí)現(xiàn)液位控制 ， 使其液位保持在正常 的生產(chǎn)狀態(tài)范圍內(nèi)。作為該領(lǐng)域的另一個(gè)重要組成部分工控軟件 ， 也受到越來越多的工 程技術(shù)人員的重視 ， 正在向著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。為改變這一狀況 ， 國內(nèi)外許多專家、學(xué)者、工程技術(shù)人員對(duì)工控軟件進(jìn)行了積極的探索 ， 然而目前的工控軟件仍存在兩方面的主要問題 :一是工控軟件缺乏通用性，工控公司只提供特定 設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序 ， 一旦設(shè)備更新或變動(dòng) ， 系統(tǒng)就必須重新設(shè)計(jì)；二是國外工控軟件價(jià)格昂貴 ， 使許多國內(nèi)用戶特別是高校及中小型企業(yè)難以接受 ， 以至于不得不花費(fèi)許多精力去開發(fā)各自專用的測控軟件 ]2[ 。開發(fā)人員通常不需要 編制具體的指令和代碼 ， 只要利用組態(tài)軟件包中的工具 ， 通過硬件組態(tài) (硬件配置 )、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖像組態(tài)等工作 4 即可完成所需應(yīng)用軟件的開發(fā)工作，利用組態(tài)軟件 MCGS(Monitor and Control Generated System 通用監(jiān)控系統(tǒng) )開發(fā)了液位監(jiān)控系統(tǒng) ， 采用計(jì)算機(jī)采集、處理數(shù)據(jù)、根據(jù) MCGS 的液位實(shí)時(shí)曲線輸出來改變參數(shù)的值 ， 使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定到設(shè)定值 ， 從而提高了工作效率。 目前 ， MCGS 組態(tài)軟件已經(jīng)在石油、化工、電力等多種工程領(lǐng)域獲得成功的應(yīng)用。 本文研究的主要內(nèi)容 可編程程序控制器（ Programmable Logic Controller，簡稱 PLC）具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能豐富等強(qiáng)大優(yōu)勢，目前，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等的發(fā)展， PLC 在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍。 工業(yè)過程的復(fù)雜性以及對(duì)于控制日益提高的要求，各種先進(jìn)控制算法越來越多的深入到控制領(lǐng)域，隨著越來越多的 PLC 產(chǎn)品生產(chǎn)出來， PLC 控制系統(tǒng)越來越開放。 本課題的設(shè)計(jì)是先通過工控組態(tài)軟件 MCGS 在組態(tài)環(huán)境下做出一個(gè)關(guān)于上下水箱液 5 位控制的動(dòng)態(tài)連接界面，接著應(yīng)用 SIEMENS（西門子）公司的 S7200 系列進(jìn)行程序的編寫，在 MCGS 組態(tài)環(huán)境中設(shè)置完全正確的情況下將組態(tài)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)界面和編寫的 PLC程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接。 6 2 西門子 S7200PLC 介紹 SIMATIC S7200 系列是西門子公司 20 世紀(jì) 90 年代投入市場的小型可編程序控制器，適用于 各行各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化。 一個(gè)完整的系統(tǒng)組成： （ 1） 基本單元包括 CPU、存儲(chǔ)器、基本輸入 /輸出點(diǎn)和電源等，是 PLC 的主要部分。 （ 5） 工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設(shè)備而開發(fā)的與之配 套的程序。 存儲(chǔ)器有兩種類型：只讀類型的存儲(chǔ)器 EEPROM 和讀寫隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM，它們集成在 CPU 模塊內(nèi)部。 輸入處理階段對(duì)個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行輸入掃描，并將各掃描結(jié)果分別寫入對(duì)應(yīng)的映像寄存器中。即檢查是否有編程器、計(jì)算機(jī)等的通信請(qǐng)求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，在這一階段完成數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。 寫輸出階段， CPU 用輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)幾乎同時(shí)集中對(duì)輸出點(diǎn)進(jìn)行刷新，通過輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備所能接受的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備。 PID 指令的功能是進(jìn)行 PID 計(jì)算，其指令格式如下： PID 指令梯形圖 8 圖 21 PID 梯形圖 當(dāng) EN 有效時(shí)，根據(jù) PID 參數(shù)表中的輸入信息和組態(tài)信息，進(jìn)行 PID 運(yùn)算。一般是調(diào)用一個(gè)子程序，在子程序中對(duì) PID 參數(shù)表進(jìn)行初始化處理。由于水箱水位不能過高也不能過低，過高會(huì)造成危險(xiǎn)，過低將導(dǎo)致供水不足。 控制流程圖 圖 33 控制系統(tǒng)流程圖 系統(tǒng)模塊選擇與地址分配 根據(jù)控制要求，水箱水位監(jiān)測需要一個(gè)模擬量輸入點(diǎn)； PLC 控制變頻器需要一個(gè)模擬量輸出點(diǎn)；上下限報(bào)警需要兩個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。另外還要選取模擬量輸入 /輸出模塊。 L L L3 為三根母線， N 為零線，運(yùn)行時(shí) QF 接通與母線的連接，然后又 PLC 內(nèi)部的程序根據(jù)判斷條件選擇性的接通 KM KM2，以控制水泵的轉(zhuǎn)速。 圖 35 控制回路原理圖 PLC 編寫程序 （ 1）主程序： 13 為 1 時(shí)，進(jìn)行 PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)； 為 0 時(shí)，進(jìn)行手動(dòng)控制 （ 2）子程序 Ai_in（將 32 位整數(shù)轉(zhuǎn)換為 0 到 1 的實(shí)數(shù)） （ 3）子程序 Ao_out（將 0 到 1 的實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化為 32 位整數(shù)） 14 （ 4）子程序 PID_control （ 5） 注釋：符號(hào)表 15 （ 6） 偏移地址說明 偏移地址 域 格式 類型 說明 0 過程值 PV 雙字 /格式 輸入 0~ 范圍 4 VD204 SV 設(shè)定 雙字 /格式 輸入 ~ 范圍 8 VD208 輸出 OP 雙字 /格式 輸入 /輸出 0~ 12 VD212 增益 K 雙字 /格式 輸入 正數(shù)或負(fù)數(shù) 16 VD216 采樣時(shí)間 Ts 雙字 /格式 輸入 秒 20 VD220 積分時(shí)間 Ti 雙字 /格式 輸入 分鐘 24 VD224 微分時(shí)間 Td 雙字 /格式 輸入 分鐘 28 積分前項(xiàng) 雙字 /格式 入 /出 不占用 32 過程變量前項(xiàng) 雙字 /格式 入 /出 不占用 16 4 PID 調(diào)節(jié)控制規(guī)律 PID 調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過程 PID 控制的原理和特點(diǎn) 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，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。如果用一個(gè)數(shù)學(xué)式來表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫成： eKu p??? （ 41） 式中 u? —— 調(diào)節(jié)器的輸出變化值； e? —— 調(diào)節(jié)器的輸入，即偏差； pK —— 比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。 比例積分調(diào)節(jié) 對(duì)于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調(diào)節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的辦法是引入積分調(diào)節(jié)。但是，積分時(shí)間太小，積分作用就太強(qiáng)，過程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時(shí)間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。比如當(dāng)看到偏差變化很大時(shí)，就估計(jì)到即將出現(xiàn)很大的偏差而過量地打開（關(guān)閉）調(diào)節(jié)閥，以克服這個(gè)預(yù)計(jì)的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動(dòng)，意味著有“超前”作用，因而能比較有效地改善容量滯后比較大的調(diào)節(jié)對(duì)象的調(diào)節(jié)質(zhì)量。 由于實(shí)際微分器的比例度不能改變，固定為 100%，微分作用也只在