【正文】 把 I/O 變量連接到外部設(shè)備上，按照設(shè)備安裝向?qū)У奶崾揪涂梢酝瓿稍O(shè)備的配置工作，就可以和組態(tài)王交換數(shù)據(jù)了。 組態(tài)王特點組態(tài)王軟件特點：包括了大量常用硬件的驅(qū)動程序，使繁雜的硬件接口方面的工作由組態(tài)王軟件去完成，用戶只需簡單安裝驅(qū)動程序，并按指定格式讀取或輸出數(shù)據(jù)即可，無須在控制過程中去考慮硬件的使用和設(shè)置，因此，用戶在使用前，一定要仔細(xì)閱讀與本硬件相關(guān)驅(qū)動及使用說明，并按指定方式配置，設(shè)置變量，才能順利地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和輸出。組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu)由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。本控制系統(tǒng)選用北京亞控公司的組態(tài)王系列組態(tài)軟件進(jìn)行人機界面的設(shè)計。目前的很多自動控制系統(tǒng)中,常常選用 PLC 作為的控制設(shè)備,用于數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別和輸出控制。 step(sys) sys = tf(1,[1 1])。28 Step7 編程界面簡介圖 412 為 PLC 編程軟件界面 （a） （b）29 （c） 圖 412 STEP7 編程界面 MATLAB 系統(tǒng)仿真根據(jù)前文所得出的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真，得出單容水箱階躍響應(yīng)曲線如圖 413 所示。在其他OB 塊中可有中斷組織塊?，F(xiàn)在普遍使用的是結(jié)構(gòu)化編程, 即將復(fù)雜的自動化任務(wù)分解為能夠反映過程的工藝、功能或可以反復(fù)使用的小任務(wù), 并將相應(yīng)的程序分別編在不同的程序塊(OB , FC 或FB) 中。系統(tǒng)中提供的OB 塊、SFC 塊和SFB 塊可以讓用戶設(shè)置和訪問一些重要的系統(tǒng)功能, 其中OB 塊是操作系統(tǒng)和用戶程序之間的界面 [5]。Step 7 還提供了標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)控制模塊FM 355, 可以實現(xiàn)定值控制、串級控制、比例控制和三分量控制等多種功能。PID模塊輸入?yún)?shù)如表41所示。因為在本設(shè)計方案中要多次用到PID 連續(xù)量控制, 故這里有必要對FB41作些簡要介紹。 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V 開關(guān)電源，給S7300PLC及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。 合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄上位機曲線。將“LT3 下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。電磁閥型號為：2W16025 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/㎝ 2 ，最大壓力為7Kg/㎝2；工作溫度：－5～80℃；工作電壓：24VDC。 圖44 電動調(diào)節(jié)閥 水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為16CQ8P，流量為30 升/分，揚程為8 米，功率為180W。 執(zhí)行機構(gòu)電動調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。19 圖42 S7300PLC控制系統(tǒng)框圖如圖43為S7300PLC掛件。在本裝置中采用了S7300PLC控制系統(tǒng)，使用SA41S7300PLC可編程控制器掛件。本實驗采用SA12掛件。通過實驗建模，傳?遞函數(shù)中各參數(shù)為：K=，T=12 min， =1 s。若令Q 1(s)作階躍擾動，即 ，X 0=常數(shù)，則式(310)可改寫為s1)( （311）TsKTKsH1/ 0?????對上式取拉氏反變換得 （312）)()(/0teXth?當(dāng)t→ ∞ 時，h（∞）h（0）=KX 0，因而有 （313）階 躍 輸 入輸 出 穩(wěn) 態(tài) 值??)(K當(dāng)t=T時，則 有 （314）)(.)1()(0 ???hKXeXTh式（312）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖35（a）所示，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。在平衡時，Q 1=Q2， ；0?dth當(dāng)Q1發(fā)生變化時，液位h 隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q 2也發(fā)生變化。閥門F1F12和F18全開，設(shè)下水箱流入量為Q1，改變電動調(diào)節(jié)閥V1的開度可以改變Q1的大小，下水箱的流出量為Q2，改變出水閥F111的開度可以改變Q2。 表 31 臨界比例度法的整定公式控制器 pKiTdP PI .PID 除了 ZN 整定公式外，后人還研究出多種 PID 參數(shù)整定公式，例如 RZN 整定公式、Kappatao 整定公式、CohenCoon 整定公式、AMIGO 整定公式等 [4]，本文不做深入介紹。這樣，Nyquist曲線上的極限點被確定，系統(tǒng)的頻域傳遞函數(shù)1()Gj???就可以通過一次調(diào)節(jié)試驗辨識。簡單起見180?o假設(shè)設(shè)定值SV=0。??A?圖33 Nyquist曲線系統(tǒng)的Nyquist曲線如圖33所示。整定公式本身包含了 PID 控制器的設(shè)計過程，可以直接應(yīng)用于 PID 自整定控制器中。臨界比例度法雖然非常簡單易用，在工程上也曾經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在許多的缺陷。這種方法不像飛升曲線法那樣依賴于對象的數(shù)學(xué)模型，而是通過實驗由經(jīng)驗公式得到 PID 控制器的最優(yōu)整定參數(shù)。飛升曲線法非常方便簡潔，只要知道過程對象的函數(shù)模型，即可根據(jù)公式算得 PID 控制器的三個參數(shù)。 過程控制中常見 PID 參數(shù)整定方法從對象的開環(huán)響應(yīng)曲線來看大多數(shù)工業(yè)過程都能用一階慣性加純滯后(First Order Plus Delay Time)模型來近似描述，簡記為 FOPDT 模型，其傳遞函數(shù)如下所示： (35)seTKsG????1)(、 、 分別為對象模型的開環(huán)增益、純滯后時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間可以被有效的減小。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就已經(jīng)消除偏差。但積分作用的引入同時使信號產(chǎn)生相位滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。但是過大的比例增益會使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴(yán)重的情況下，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖PID 控制器基本可以由以下的傳遞函數(shù)表示： （31）1())cdiGsKTs??其中 為比例增益， 為積分時間， 為微分時間。 PID 控制器PID 控制技術(shù)是在反饋思想被實際應(yīng)用以后在工業(yè)應(yīng)中發(fā)展起來的。 S7300PLC 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 23 和 24。 PLC 的編程 常用的 PLC 程序設(shè)計方法有梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)和語句表(STL)。根據(jù)存儲內(nèi)容的不同，PLC 的存儲空間一般分為以下 3 個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)、用戶程序存儲區(qū)、系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)。它的功能是接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。 PLC 的基本結(jié)構(gòu)PLC 專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O 接口）、電源及編程器等幾大部分組成。中型 PLC：I/O 點數(shù)一般在 2561024 點之間；按照硬件的結(jié)構(gòu)形式，可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類，還有一些 PLC 將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。我國從 1974 年開始研制，于 1977 年開始工業(yè)應(yīng)用 [1]。1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。 PLC 的歷史和發(fā)展趨勢20 世紀(jì) 20 年代起，人們把各種繼電器、定時器、接觸器及其觸點按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種機械設(shè)備，這就是傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。開關(guān)量 模擬量 信號 信號 通信數(shù)據(jù) 鍵盤 開關(guān)量輸入電路模擬量輸入電路通信接口電路鍵盤接口電路 微控制器及其接口電路開關(guān)量輸出電路模擬量輸出電路顯示器接口電路打印機接口電路 開關(guān)量 模擬量 顯示器 打印機 輸出信號 輸出信號 圖 21 智能儀表硬件組成框架圖。智能儀表的工作過程如下：輸入信號要經(jīng)過開關(guān)量輸入電路或模擬量輸入電路進(jìn)行變換、放大、整形、補償?shù)忍幚怼?智能儀表的功能總結(jié)起來，智能儀表大體上能實現(xiàn)如下一些功能：自動校正零點、滿度和切換量程可進(jìn)行多通道、多參數(shù)巡回檢測自動修正各類測量誤差數(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。隨著微控制器（包括單片機、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。第五章，介紹了人機界面的設(shè)計。第二章，簡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。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。反觀我國，雖然液位控制系統(tǒng)在國內(nèi)生產(chǎn)生活的應(yīng)用十分廣泛，但國內(nèi)的液位控制器的發(fā)展水平仍然不高，同先進(jìn)國家的差距仍然很大。近年來液位控制系統(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、雷達(dá)液位計、光電液位開關(guān)等，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 近幾十年來，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。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問題，還能簡化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。在石油工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類流體、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點，它對控制調(diào)節(jié)器要求極高。系統(tǒng)采用 PID 算法，實現(xiàn)液位的自動控制。本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計） 題 目：基于智能儀表和 PLC 的液位控制系統(tǒng)設(shè)計 院 系： 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： （職 稱）二〇一零 年 四 月 摘 要 微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，引起了儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革，以微型計算機（單片機）為主體，將計算機技術(shù)和檢測技術(shù)有機結(jié)合，組成新一代“智能化儀表” ，在測量過程自動化、測量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)儀表的常規(guī)測量電路相比較，取得了巨大進(jìn)展。本文介紹了基于智能儀表、西門子 S7300 型可編程控制器（ PLC） 、組態(tài)軟件的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。關(guān)鍵詞： 液位控制；智能儀表；可編程控制器；PID；人機界面 i iAbstractNowadays intelligent measuring appliance is improving more and more has been used in more an more place of our can make Electric circuit much easier than the control can be realized much more precise and convenient. Microelectronics and puter technology continues to develop, led to fundamental changes in the structure of instruments to microputer (single chip) as the main body, the puter technology and the anic integration of detection technology to form a new generation of smart meters in Measurement of process automation, measurement data