【正文】 譯 .傳感器和信號調(diào)節(jié)［ M］ .北京 : 清華大學(xué)出版社 , 2021. [7] 顧戰(zhàn)松 .可編程控制器原理及應(yīng)用［ M］ .北京 :國防工業(yè)出版社 , 1996. [8] 刑新田 .基于智能儀表和 PLC 的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［ D］ .中山大學(xué) , 2021. [9] 王恒強(qiáng) .S7200 PLC 液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［ J］ .探索。在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。 *****老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我們設(shè)計(jì)能力以及全面的考慮問題能力有了很大的提升。 在此過程中我發(fā)現(xiàn)到修改完善程序的重要性。純比例調(diào)節(jié)雖然動偏差比 PI 調(diào)節(jié)小，但余差大，而純積分調(diào)節(jié)質(zhì)量最差，所以一般不單獨(dú)使用 。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相配合，構(gòu)成比例微分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。 微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比，可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： dtedTu D )(??? （ 53） 式中： u? —— 調(diào)節(jié)器的輸出變化值； DT —— 微分時(shí)間； dted )(? —— 偏差信號變化的速度。如果把積分時(shí)間放到最大， PI 調(diào)節(jié)器就喪失了積 分作用，成了一個(gè)純比例調(diào)節(jié)器。 因?yàn)閱渭兊姆e分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，所以積分調(diào)節(jié)很少單獨(dú)使用，一般都和比例作用組合在一起，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱 PI 調(diào)節(jié)器，其作用特性可用下式表示： ?????????? )1(1 e dtTekuuu IpIPPI （ 52） 這里，表示 PI 調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個(gè)：比例度 P 和積分時(shí)間 IT 。 放大倍數(shù) PK 是可調(diào)的，所以比例調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。 比例控制 在人工調(diào)節(jié)的實(shí)踐中，如果能使閥門的開度與被調(diào)參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調(diào)參數(shù)趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡狀態(tài)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 （ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 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)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 圖 通訊設(shè)置 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 ：完成所有想到的變量定義，對于沒有想到的后面設(shè)計(jì)過程中遇到再進(jìn)行定義。組態(tài)王提供三重意義上的冗余功能，即雙設(shè)備冗余、雙機(jī)冗余和雙網(wǎng)絡(luò)冗余。 組態(tài)王 采用分級和分區(qū)保護(hù)的雙重保護(hù)策略。組態(tài)王的遠(yuǎn)程撥號與組態(tài)王原有驅(qū)動程序無縫連接，硬件設(shè)備端無需更改程序。 全面支持 OPC 標(biāo)準(zhǔn)（組態(tài)王 既可以作為 OPC 服務(wù)器，也可以作為 OPC客戶端）開發(fā)人員可以從任何一個(gè) OPC 服務(wù)器直接獲取動態(tài)數(shù)據(jù)，并集成到組基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 態(tài)王中；同時(shí)組態(tài)王作為 OPC 服務(wù)器，可向其他符合 OPC 規(guī)范的廠商的控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。 組態(tài)王 支持 Windows 標(biāo)準(zhǔn)的 Active X 控件（主要為可視控件），包括Microsoft 提 供的標(biāo)準(zhǔn) Active X 控件和用戶自制的 Active X 控件。報(bào)警和事件具有多種輸出方式：文件、數(shù)據(jù)庫、打印機(jī)和報(bào)警窗，并且可以利用控 件等工具輕松瀏覽和打印報(bào)警數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。 組態(tài)王 報(bào)警系統(tǒng)全新改版，具有方便、靈活、可靠、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。 圖庫全新改版，提供具有屬性定義向?qū)У膱D庫精靈，基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 用戶只需稍做調(diào)整即能制作具有個(gè)性化的圖形。工程管理器的主要功能包括：新建、刪除工程，對工程重命名，搜索指定路徑下的所有組態(tài)王工程，修改工程屬性，工程的備份、恢復(fù)，數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入導(dǎo)出，切換到組態(tài)王開發(fā)或運(yùn)行環(huán)境等。 本次設(shè)計(jì)選用的組態(tài)王 kingview：由北京亞控科技發(fā)展有限公司開發(fā)，該公司成立于 1997 年，目前在國產(chǎn)軟件市場中占據(jù)著一定地位。對應(yīng)于原有的 HMI（人機(jī)接口軟件， Human Machine Interface）的概念，組態(tài)軟件還是一個(gè)使用戶能快速建立自己的 HMI 的軟件工具或 開發(fā)環(huán)境 。不同之處在于，工業(yè)控制中形成的組態(tài)結(jié)果是用在 實(shí)時(shí)控制 的。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計(jì)算機(jī)控制中。 “組態(tài) (Configure)”的含義是 “配置 ”、 “設(shè)定 ”、 “設(shè)置 ”等意思，是指用戶通過類似 “搭積木 ”的簡單方式來完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計(jì)算機(jī)程序，也就是所謂的 “組態(tài) ”。除菜單欄外，用戶可根據(jù)需要決定其他窗口的取舍和樣式設(shè)置。實(shí)現(xiàn) STEP 7 各種功能所需的 SIMATIC 軟件工具都集成在 STEP 7 中。 STEP 7 具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等。選用電池模塊能延長存 貯時(shí)間到 200天（ 10年壽命）。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 例如為信息加注時(shí)間標(biāo)記，記錄機(jī)器運(yùn)行時(shí)間或?qū)^程進(jìn)行時(shí)間控制 。的 A/B 相增量編碼器 B) CPU224/224XP/226 6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器（ 30KHz），具有 CPU221/222 相同的功能。 /輸出點(diǎn) ： CPU 221 具有 6 個(gè)輸入點(diǎn)和 4 個(gè)輸出點(diǎn)， CPU 222 具有 8 個(gè)輸入點(diǎn)和 6 個(gè)輸出點(diǎn)， CPU 224 具有 14 個(gè)輸入點(diǎn)和 10 個(gè)輸出點(diǎn)， CPU 224XP 具有 14 個(gè)輸入點(diǎn)和 10 個(gè)輸出點(diǎn)， CPU 226 具有 24 個(gè)輸入點(diǎn)和 16 個(gè)輸出點(diǎn)。它價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，有豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，具有很高的性能 /價(jià)格比。 SIMATIC S7400 PLC S7400 PLC 是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。 西門子 S7 系列 PLC 體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。 S7200PLC 可提供 4 個(gè)不同的基本型號與 8 種 CPU 可供選擇使用?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入， PLC 在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了 PLC 的應(yīng)用。從控制規(guī)模上來說， 這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。該草案中對可編程控制器的定義是“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。電動調(diào)節(jié)閥還提供手動操作，它的上部有個(gè)手柄，和軸連在一起，在系統(tǒng)掉電時(shí)可進(jìn)行基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 手動控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。具有連線簡單，結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕、阻力小、動作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)位置反饋信號與輸入信號相等時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開度。 圖 UYS100A22 壓力變送器 執(zhí)行單元 執(zhí)行單元是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來自調(diào)節(jié)單元的輸出信號，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。測量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個(gè)電容器。 4～ 20mA、 0～5v、 0～ 10mA 等 標(biāo)準(zhǔn)信號 輸出方式由用戶根據(jù)需要任選。設(shè)計(jì)中涉及到液位的檢測和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。 所以 系統(tǒng) 應(yīng)用的是 西門子 S7200 系列的 PLC，其結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活且易于維護(hù)。目前，其傳輸速率依設(shè)備廠家的不同而 ~45Mbps 之間。但是可編程控制器有以下特點(diǎn)： 由于可以直接利用已有的配電網(wǎng)絡(luò)作為傳輸線路，所以不用進(jìn)行額外布線，從而大大減少了網(wǎng)絡(luò)的投資，降低了成本。 圖 所示過程的微分方程為 1QdthdC ??? （ 26） 式中： C—— 貯罐的容量系數(shù)。 如果將圖 所示貯罐的出口閥 2 換成定量泵，則為圖 所示。具有純時(shí)延單容過程的階躍響應(yīng)曲線如圖 曲線 2 所示，它與無時(shí)延單容過程的階躍響應(yīng)曲線在形狀上完全相同，僅差一純時(shí)延 0t 。如皮帶運(yùn)輸機(jī)的物料傳輸過程，管道輸送、管道反應(yīng)和管道的混合過程等。其物理意義是：引起單位被 控量變化時(shí)被控過程貯存兩變化的大小。這里，介紹后一種方法。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位 h 與流量之間為非線形關(guān)系。其流出量為 2Q ，它取決于用戶的需要改變閥 2 開度可以改變 2Q 。 單相泵 閥 1 電動閥 液位傳感器 進(jìn)水口 儲水箱 水箱 出水口 溢水口 出水口 LT LC 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 單容水箱對象特性 所謂單容過程，是指只有一個(gè)貯蓄容量的過程。 系統(tǒng)的控制框圖如圖 所示。單相泵正常運(yùn)行，打開閥 1，打開上水箱的出水閥，電動調(diào)節(jié)閥以一定的開度來控制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過將壓力變 送器檢測到的電信號送入 PLC 中，經(jīng)過 A/D 變換成數(shù)字信號，送入數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器中，經(jīng) PID 算法后將控制量經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換成與電動調(diào)節(jié)閥開度相對應(yīng)的電信號送入電動調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。 ，一個(gè)好的方案會讓系統(tǒng)更加完美，所以方案的選取也非常重要。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。 系統(tǒng)在國內(nèi)生產(chǎn)生活的應(yīng)用十分廣泛，但是國內(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。 近幾十年來，在自動 控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，美國、德國、日本等技術(shù)領(lǐng)先國家，生產(chǎn)開發(fā)出一系列性能優(yōu)異、實(shí)用性強(qiáng)的液位控制器以及和應(yīng)的儀器儀表，并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。液位控制系 統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的，蓄水槽、污水處理廠等都需要液位元的控制。 在我國隨著社會的發(fā)展，很早就實(shí)行了自動控制。隨著現(xiàn)在工業(yè)控制的要求越來越高，一般的自動化控制已經(jīng)也不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)控制的需求，所以我們就又引入了可編程邏輯控制（又稱 PLC）。s function to facilitate the monitoring of the system has strong working capabilities. Keywords： S7200 PLC , Kingview , PID control , level control 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目 錄 1 緒論 ......................................................................................................................... 1 題研究背景、意義和目的 .............................................................................. 1 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r .............................................................................. 1 課題研究的主要內(nèi)容 ...................................................................................... 2 2 控制方案設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) .......................................................................................................... 2 單容水箱液位自動調(diào)節(jié) ........................................................................ 2 單容水箱對象特性 ..............................................................................