【正文】 .................................................... 28 第 6 章 系統(tǒng)軟件應用設計 ...................................................................................... 29 水位 PID 控制的邏輯設計 ................................................................................ 29 梯形圖編程 ..................................................................................................... 33 控制程序 ......................................................................................................... 33 聯(lián)機 ................................................................................................................ 33 第 7 章 結(jié) 論 .............................................................................................................. 35 本課題研究結(jié)論 ................................................................................................. 35 課題存在問題與展望 .......................................................................................... 35 致 謝 ............................................................................................................................ 36 參考文獻 ...................................................................................................................... 37 附錄 .............................................................................................................................. 38 第 1章 引 言 水塔的作用：一是蓄水，在供水量不足時，起著調(diào)節(jié)補充的作用。和傳感技術(shù)設計出一套適合水塔水位控制的方案。 近幾十年來 自動控制技術(shù)迅猛發(fā)展 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 交通運輸 國防建設和航空 航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛的應用。需要對溫度、壓力、物位、流量、成分等參數(shù)進行控制。 PLC 及其有關(guān)的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 早期的可編程控制器稱作 可編程邏輯控制器 （ Programmable Logic Controller,PLC），它主要用來代替 繼電器 實現(xiàn)邏輯控制。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展 它給工業(yè)自動化帶來了革命性的變革。 盡管軟 PLC 技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ沁@項技術(shù)的實現(xiàn)需要解決一些重要的問題。而要讓WindowsNT 具有硬實時性，必須對它進行擴展，使得 PC 的控制任務具有最高的優(yōu)先級，不因為 NT 的系統(tǒng)功能和用戶程序的調(diào)用而 被搶占。在實際開發(fā)中也可使用其他的操作系統(tǒng)作為平臺。但是，這些問題可以通過改變運行環(huán)境、改進執(zhí)行算法等方法加以解決。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。輸出線 圈之運算結(jié)果則存入內(nèi)存中對應之位置，暫不反應至輸出端 Yn。 2 、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已發(fā)生調(diào)整，逐漸有勞動力密集型轉(zhuǎn)化為技術(shù)密集型，大量的新設備被采用，這些設備很多都和 PLC 控制相關(guān)，需大量的高技術(shù)人才。 ①可靠性高，抗干擾能力強； ②編程直觀、簡單； ③適應性好； ④功能完善，接口功能強。 PLC 的發(fā)展 PLC 自 1969 年美國數(shù)據(jù)設備公司（ DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行 美國 、日本、德國 的可編程序控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強大。但是當工作模式改變時，就必須改變系統(tǒng)的硬件接線，控制柜中的物件以及接線都要作相應的變動，改造工期長、費用高，用戶寧愿扔掉舊控制柜，另做一個新控制柜使用，阻礙了產(chǎn)品更新?lián)Q代。到 80年代在上海、北京、西安、廣州、長春等 20 多家科研單位、大專院校和工廠研制和生產(chǎn) PLC 產(chǎn)品，但終因缺乏資金和后續(xù)研究力量、生產(chǎn)技術(shù)相對落后，都沒有成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化， PLC 產(chǎn)品運作是否成功不是由簡單的一兩種因素決定的。在引進國外 PLC 產(chǎn)品的過程中，我國也曾組織了相關(guān)單位消化、吸收 PLC 的關(guān)鍵技術(shù)，試圖對 PLC 進行國產(chǎn)化。 PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 主要包括一片 CPU，存儲區(qū)和用來接收輸入 /輸出數(shù)據(jù)的相應電路。中央處理單元 (CPU)，如下圖 21所示 。PLC 中常采用的 CPU 有三類： 1) 通用微處理器（如 Z80、 808 80286 等） 2) 單片微處理器（如 803 8096 等） 3) 位片式微處理器 (如 AMD29W 等 ) 小型 PLC：大多采用 8 位通用微處理器和單片微處理器 中型 PLC：大多采用 16 位通用微處理器或單片微 處理器 大型 PLC：大多采用高速位片式微處理器（ 32 位） 小型 PLC 為單 CPU 系統(tǒng)，中、大型 PLC 則大多為雙 CPU 或多 CPU系統(tǒng)。 （ 1）系統(tǒng)存儲器用來存放由 PLC 生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM 內(nèi)，用戶不能更改。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務采用 PLC 編程語言編寫的各種用戶程序。 （ 3） EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除只讀存儲器?，F(xiàn)在有許多 PLC 直接采用 EEPROM 作為用戶存儲器。它和硬件一起決定了該 PLC性能。根 據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在掉電時用后備電池維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在掉電時可保存數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域稱為保持數(shù)據(jù)區(qū)。當 PLC 提供的用戶存 儲器容量不夠用，許多 PLC 還提供有存儲器擴展功能。采用電子寫碼，可以現(xiàn)場編碼。在運行狀態(tài)，PLC 通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。其典型值為1100ms 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描 用戶程序 (梯形圖 )。通過 CAN 總線接口，運動控制器可以連接 I/O 擴展模塊。第三種方法是為機器制造商制作一個專門的操作接口，這個專門的操作接口可以通過一個靈活的接口板，非常容易地連接到光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)中去。編程器主要用來進行用戶指令表方式輸入，使用不 夠方便。只有程序進行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。（ 1） CPU執(zhí)行指令的速度（ 2）指令本身占有的時間（ 3）指令條數(shù)，現(xiàn)在的 PLC 掃描速度都是非?？斓摹?PLC 的工作過程就是 PLC的掃描循環(huán)工作過程，一個循環(huán)掃描周期主要可分為 3 個階段，輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。 （ 2） 模擬量控制 在工業(yè)出產(chǎn)進程傍邊，有許多接連改變的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸方位操控模塊。數(shù)據(jù) 處置普通用于大型操控系統(tǒng)，如無人操控的柔性制造系統(tǒng)；也可用于進程操控系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型操控系統(tǒng)。 （ 6）通信和聯(lián)網(wǎng) PLC 通訊含 PLC 間的通訊及 PLC 與其它智能設備間的通訊。布爾型數(shù)據(jù)指字節(jié)型無符號整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括16位符號整數(shù)（ INT）和 32 位符號整數(shù)（ DINT）。 （ 2） 變量存儲器 V 變量存儲器主要用于存儲變量。 （ 5） 定時 器 T PLC 所提供的定時器作用相當于繼電器控制系統(tǒng)中的時間繼電器。計數(shù)器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點供編程使用，其設定值由程序賦予。 [9] 第 3 章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設計 傳統(tǒng)水塔水位控制 圖 31 傳統(tǒng)水塔水位控制布局圖 工作原理 通過指示燈模擬上水水泵，結(jié)合鈕子開關(guān)模擬水位監(jiān)測信號，模擬了水塔自動上水控制，當水池水位低于水池低位界面（ s1 為 ON）時，電磁閥 Y打開進水（ Y為 ON），定時器開始定時， 4S 后，如果 S1還不為 OFF，那么閥 Y指示燈閃爍，表示閥 Y沒有進水，出現(xiàn)故障， S3 為 ON 后，閥 Y 關(guān)閉 (Y為 OFF)。因此如何利用有效的水源和電能保證各行各業(yè)正常供水，已是迫在眉睫。這種切換由一個輸入的數(shù)字量控制。當水位高于 D 點時，水泵停止進水，如圖（ c）。接通電源時，電源指示燈亮，當水塔中水深處于不同位置時，水位指示燈 B、 C、 D、 E情況不同 。 ④ 當水位處于 D、 E 之間，指示燈 B、 C、 D 滅， E 亮，停進狀態(tài)，即水泵不工作。處理完故障時，必須關(guān)閉 報警 確認燈， 報警 確認電路復位，恢復其監(jiān)測故障的功能。試驗證明，此水塔水位 控制 器不僅實現(xiàn)了對水塔水位的精確 控制 ，而且，此系統(tǒng)更具有工業(yè)生產(chǎn)的實際性。當 PLC 出現(xiàn)故障時，還有一套手動控制來進行對水塔水位控制。液位上升至 Y1時， M1也停止。 圖 36 水位閉環(huán) 控制 圖 第 4 章 PLC 中 PID 控制器的實現(xiàn) PID 算法 PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工業(yè)控制常用的控制算法，無論在溫度、流 量等慢變化過程，還是速度、位置等快速變化的過程，都可以得到很好的控制效果。不但可以完成順序控制的功能，還可以完成復雜的閉環(huán)控制。因此，為了對系統(tǒng)進行更精確的控制，消除系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)的輸出誤差，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應性能，需要對誤差進行放大 (比例調(diào)節(jié) P)、積分 (積分調(diào)節(jié) I)、微分 (微分調(diào)節(jié) D)，才能有效地控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)，保證系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能。無論是使用模擬控制器的模擬控制系統(tǒng)，還是使用計算機（包括 PLC）的數(shù)字控制系統(tǒng)， PID 控制都等到了廣泛的應用。由于非線性和時變性很多工業(yè)控制對象難以得到其準確的數(shù)字模型，因此不能使用控制理論中的設計方法。根據(jù)被控制對象的具體情況，還可以采用各種 PID 控制的變種和改進的控制方式 ，如 PI、 PD、帶死區(qū)的 PID、積分分離 PID、變速積分 PID 等。 (2)使用 PID 功能指令 現(xiàn)在很多 PLC 都有供 PID控制用的功能指令，如 S7200 的 PID 指令。 PLC PID 控制器的實現(xiàn) PLC 的 PID 控制器的設計是以連續(xù)系統(tǒng)的 PID 控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化，寫成離散形勢的 PID 控制方程，再根據(jù)離散方程進行控制程序設計。如果取其中一項或兩項，可以組成 P、 PD 或 PI 控制器。 在 S7200PLC 中，實際使用的 PID 算法為： ( ) ( ) ( ) ( )p I DM n M n M n M n? ? ? 式中： ()Mn 第 n次采樣的調(diào)節(jié)器輸出 ()pMn 比例項 ( ) ( )pCM n K e n? ()IMn 積分項 0( ) ( )nI i i jjM n K e n K e??? ? ()DMn 微分項 ? ? ? ?( ) 1DdM n K e n e n? ? ????? 基于 PLC 的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 42所示，圖中虛線部分在 PLC 內(nèi)。 [15] 本系統(tǒng)只適用比例和積分控制，其回路增益和時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定，但還需要近一步調(diào)整已達到最優(yōu)控制效果。 PID 指令及回路表 S7200 的 PID 指令圖如圖 44 所示?；芈繁硪?附錄 表 41. 過程變量與給定值是 PID運算的輸入值，在回路表中它們只能被 PID 指令讀取而不能改寫。 第 5 章 系統(tǒng)硬件 開發(fā) 設計 可編程控制器的選型 可編程控制器產(chǎn)品