【正文】 54： 圖 53 硬件接線圖 控制系統(tǒng) I/O 地址分配 PLC 的輸入 /輸出分配表（如表 51 所示 ） 表 21 I/O 分配表 編號(hào) 地址 說明 功能 1 路模擬量輸出 1 AQW0 輸出模擬量 控制輸入控制液壓閥 1 路數(shù)字輸入， 1 路模擬量輸入 1 按鈕，手動(dòng)自動(dòng)切換 0 為手動(dòng)， 1 為自動(dòng) 2 AIW0 輸入模擬量 液位傳感器的值 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 第 6 章 系統(tǒng) 軟件 控制 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能主要是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的 ,結(jié)合前面所述變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制要求 ,利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn) PID 控制的定時(shí)采樣及輸出控制 ,三臺(tái)水泵切換信號(hào)的生成、接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合及報(bào)警處理等都由程序控制。該子程序檢 查模塊的連接正確性及模塊工作的正確性。擴(kuò)展模塊的編址方法依 57 一 200 系列 PLC 技術(shù)手冊(cè)中有關(guān)規(guī)定。模塊安裝完畢后，將模塊自帶的接線排插入主機(jī)上的擴(kuò)展總線插口。為防止空置端對(duì)接線端的干擾，空置端應(yīng)短接。 EM235 的安裝使用 EM235 安裝使用的一般過程如下 : (l)根據(jù)輸入信號(hào)的類型及變化范圍設(shè)置 DIP 開關(guān)，完成模塊的配 置工作。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 （ 1） 傳感器接線的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能的短，并使用屏蔽雙絞線。若 4 個(gè)接口未能全部使用，如 C 口所示，未用的接口要將 C+與 C端用短路子短接，以免收到外部干擾。 EM235 模塊的上部端子排為標(biāo)注 A、 B、 C、 D 的四路模擬量輸入接口，可分別接入標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)。 CPU226 可用于較高要求的控制系統(tǒng)，更多的 I/O 點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能使其完全適應(yīng)于復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 CPU226 主機(jī)共有 24 個(gè)輸入點(diǎn)和 16 個(gè)輸出點(diǎn)，可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬 I/O 點(diǎn)。 S7200 系列有 CUP21X 和 CPU22X 兩代產(chǎn)品。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口（ PPI）可以連接編程設(shè)備、操作員界面和具有串行接口的設(shè)備，用戶程序有三級(jí)口令保護(hù)。本設(shè)計(jì)選用西門子公司的 S7200 PLC系列，其具結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，有極高的性價(jià)比，適用于小型控制系統(tǒng)。要想消除這種錯(cuò)誤，在下一次執(zhí)行 PID運(yùn)算之前，應(yīng)改變引起運(yùn)算錯(cuò)誤的輸入值，而不是更新輸出值。 PID 指令對(duì)回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查，應(yīng)保證過程變量、給定值等不超限。這種切換有一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。例如，可能只要求比例控制或積分控制，通過設(shè)置參數(shù)可對(duì)回路控制類型進(jìn)行選擇。 假設(shè)采樣周期為 ST ，系統(tǒng)開始運(yùn)行的時(shí)刻為 t=0，用矩形積分來近似精確積分，用差分近似精確微分，將上式離散化，第 n 次采樣時(shí)控制器的輸出為： 1 1 01 ()nn c n j D n njM K e K e K e e M??? ? ? ? ?? (42) 式中， 1ne? — 第 n1 次采樣誤差值 ， 1K — 積分系數(shù) ， DK — 微分系數(shù)。 圖 42 水位 PID 控制 實(shí)現(xiàn)方式 在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 42 所示。 (3) 用自編的程序?qū)崿F(xiàn) PID 閉環(huán)控制 有的 PLC 沒有 PID 過程控制模塊和 PID 控制用的功能指令，有時(shí)雖然可以使用 PID 控制指令，但希望采用某種改進(jìn)的 PID 控制算法。 在 PLC 控制系統(tǒng)中，經(jīng)常采用模擬量輸入 /輸出模塊實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字化處理，本系統(tǒng)選擇 S720O 系列 EM235 模擬量模塊，對(duì)管網(wǎng)壓力信號(hào)進(jìn)行采樣，并通過變頻器調(diào)整液壓閥輸入與輸出。 （ 2）有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。有人稱贊它是控制領(lǐng)域的常青樹是不無道理的。 在變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐中，經(jīng)常采用 PID 控制器、軟件 PID 以及變頻器內(nèi)置 PID 來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)功能，三種方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用 PID 算法的 PLC 實(shí)現(xiàn)方法。 41 閉環(huán)控制系統(tǒng) 作為閉環(huán)控制的重要特征，采用了 “誤差 ”的概念，即 :在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，利用給定輸入 sP(t)與實(shí)際輸出 c(t)經(jīng)過測(cè)量裝置裝置轉(zhuǎn)換后的反饋量 Pv(t)之間的差值 e(t)作為控制量，來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。積分項(xiàng)的作用是消除系統(tǒng)靜差，而微分項(xiàng)則改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。手動(dòng)方式是利用繼電器 接觸器控制，可以在環(huán)境比較惡劣的條件下繼續(xù)工作，自動(dòng)方式是利用 PLC 來控制。而當(dāng)下水箱水位到達(dá)報(bào)警水位的時(shí)候，報(bào)警器開始報(bào)警，并切斷 2泵的運(yùn)行。此時(shí)，控制臺(tái)上的水位燈，由水塔中的液位變送器將水位變換為 4～ 20mA 電流信號(hào)輸入到 PLC 中，經(jīng) IDPG將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。從整個(gè)流程中可以看到兩套控制方式：① 由一臺(tái)可編程序控制器來控制兩臺(tái)水泵的自動(dòng)運(yùn)行。 內(nèi)存的估算。 在選擇 PLC機(jī)型時(shí)，主要考慮下面幾點(diǎn)： 功能的選擇。 圖 34 水位閉環(huán) 控制 圖 PLC 的 選擇 由于該系統(tǒng)為中型 PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)，要求 PLC 能夠提供可編程邏輯分析和 PID 功能，故選用中達(dá)公司生產(chǎn)的臺(tái)達(dá) DVP14ES00R 可編程邏輯控制器。液位上升至 Y1 時(shí)， M1 也停止。當(dāng) PLC 出現(xiàn)故障時(shí)，還有一套手動(dòng)控制來進(jìn)行對(duì)水塔水位控制。試驗(yàn)證明，此水塔水位 控制 器不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)際性。處理完故障時(shí)，必須關(guān)閉 報(bào)警 確認(rèn)燈， 報(bào)警 確認(rèn)電路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測(cè)故障的功能。 ④ 當(dāng)水位處于 D、 E 之間，指示燈 B、 C、 D 滅， E 亮，停進(jìn)狀態(tài)，即水泵不工作。接通電源時(shí)，電源指示燈亮，當(dāng)水塔中水深處于不同位置時(shí)，水位指示燈 B、 C、 D、 E 情況不同。當(dāng)水位高于 D 點(diǎn)時(shí)，水泵停止 進(jìn)水，如圖 31。這種切換由一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)城市供水提出了更高的要求， 有一個(gè)水箱需要維持一定的水位，該水塔里的水以變化的速度流出。數(shù)字 PID 控制器在實(shí)際應(yīng)用中可分為兩種 :位置式 PID 控制器和增量式 PID 控制器。為此實(shí)際控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表達(dá)式為 （ 28） : ? ? 1( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( )pU n u n u n K e n e n K e n? ? ? ? ? ? ? ? ? ?( ) 2 ( 1 ) ( 2)DK e n e n e n? ? ? ? ? （ 28） 式中： ()Un? 為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量：1 。e(n)為第 n 時(shí)刻的偏差信 號(hào) 。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn) PID 控制算法具有更大的靈活性和可靠性。 PID 的三種作用是相互獨(dú)立，互不影響。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加 大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)凡的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 25 所示，圖中 u(t)為 PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 proportional(比 例 )、 Integral(積分 )、 Derivative(微分 )控制方式，稱之為 PID 控制。式(22)和式 (23)是我們?cè)诟鞣N文獻(xiàn)中最經(jīng)?？吹降?PID 控制器的兩種表達(dá)形式。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理圖如圖 24 示。 如 果把 PID 控制技術(shù)和優(yōu)化 PID 控制技術(shù)加起來，則占到了 90%以上，而文獻(xiàn) 指出，工業(yè)過程控制中， 95%以上的回路具有 PID 結(jié)構(gòu)。 PID 控制器 簡(jiǎn)介 基于偏差的比例 (Proportlonal)、積分 (Integral)和微分 (Derivative)的控制器簡(jiǎn)稱為 PID 控制器，它是工業(yè)過程控制中最常見的一種過程控制器。計(jì)數(shù)器可提洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 供無數(shù)對(duì)常開和常閉觸點(diǎn)供編程使用，其設(shè)定值由程序賦予。 （ 5） 定時(shí)器 T PLC 所提供的定時(shí)器作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的時(shí)間繼電器。 （ 2） 變量存儲(chǔ)器 V 變量存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)變量。布爾型數(shù)據(jù)指字節(jié)型無符號(hào)整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括 16 位符號(hào)整數(shù)（ INT）和 32 位符號(hào)整數(shù)（ DINT）。 第二代產(chǎn)品其 CPU 模塊為 CPU 22X，是在 21 世紀(jì)初投放市場(chǎng)的，速度快，具有較強(qiáng)的通信能力。 S7200 系列可編程控制器 德國(guó)的西門子（ SIEMENS）公司是歐洲最大的電子 和電氣設(shè)備制造商，生產(chǎn)的 SIMATIC 可編程序控制器在歐洲處于領(lǐng)先地位。 （ 7）通信和聯(lián)網(wǎng) 新一代的 PLC 都具有通信功能。通常采用專門的 PID 控制模塊來實(shí)現(xiàn)。 （ 4）步進(jìn)（順序）控制 PLC 具有步進(jìn)（順序）控制功能。 （ 2）定時(shí)控制 PLC 具有定時(shí)功能。對(duì)每個(gè)程序， CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符號(hào)后返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。由此可見， PLC 的基本結(jié)構(gòu)由控制部分、輸入和輸出部分組成。主要包括 CPU、存儲(chǔ)器 RAM 和 ROM、輸入輸出接口電路、電源、 I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。 系統(tǒng)總的控制模式為：當(dāng) H∈ A 時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行減機(jī)模式；當(dāng) H∈ B 時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能模式；當(dāng) H∈ C 時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行加機(jī)模式 .系統(tǒng)效率 η∝ K∫n3dtn∈ ～ N 系統(tǒng)節(jié)能模式是本文的研究重點(diǎn)，根據(jù)此圖可設(shè)計(jì)一個(gè)水位控制器，使變頻器的輸出頻率即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著水位的變 化而自動(dòng)改變，使系統(tǒng)能夠在最快地響應(yīng)用戶用水要求的同時(shí)，在時(shí)間上最大限度地工作在高效區(qū)，這樣，系統(tǒng)運(yùn)行的效率就可以提高，此時(shí)的系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性與快速性的較好結(jié)合。 為此引入模糊控制，使系統(tǒng)能夠最快地響應(yīng)用戶的用水要求并最大限度地工作在高效區(qū)，以期能充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能功效，進(jìn)一步提高系統(tǒng) 的運(yùn)行效率 。 水塔水位控制系統(tǒng)模型 如 圖 11。 通 過對(duì)變頻器內(nèi)置 PID 模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳液位傳感器反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化，采取 PID 調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用輸入液體控制閥連續(xù)調(diào)節(jié)和輸出控制閥分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水塔供水且有效節(jié)能。特別是在實(shí)際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常 常會(huì)需要對(duì)容器中的液位（水位）進(jìn)行自動(dòng)控制。傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點(diǎn)。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。s livelihood. With the social development and people39。這就需要有一個(gè)輸入控制液體閥以不同的速度給水 塔供水，以維持水位的變化，這樣才能使 水 塔 不斷水。隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)城市供水提出了更高的要求， 有一個(gè)水箱需要維持一定的水位，該水 塔 里的水以變化的速度流出。 關(guān)鍵詞： 可編程控制器 PLC， 水塔水位 ， PID 控制 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) II WATER TOWERS PID CONTROL SYSTEM DESIGN ABSTRACT Water supply is an important industry of the people39。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲(chǔ)水設(shè)備，由一級(jí)或二級(jí)水泵從地下市政水管補(bǔ)給。同時(shí)，又有 PID 控制技術(shù)的發(fā)展，因此，如何建立一個(gè)可靠安全、又易于維護(hù)的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。但其原理都大同小異。 本論文側(cè)重介紹 “水塔 水位 PID 控制系統(tǒng) ”的 硬件、 軟件設(shè)計(jì)及相關(guān)內(nèi)容，使水塔 水 塔 維持一定的水位。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 第 1 章 水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的 概述 水位控制系統(tǒng) 現(xiàn)狀與 發(fā)展 節(jié)能是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)能否保持可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重大問題 .水位控制廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與民用生活，其用電量大，是節(jié)能研究的主要內(nèi)容之一 .對(duì)變頻調(diào)速水位控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況研究發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)在這方面普遍采用恒水位或恒壓力變頻調(diào)速 PID 控制技術(shù)，取得了一定的應(yīng)用效果 .但由于這類控制系統(tǒng)忽視了水泵 電機(jī)組效率，致使水泵 電機(jī)組經(jīng)常處于低效區(qū)運(yùn)行圖 11；另外，單目標(biāo)的恒水位或恒壓力控制不能保證電機(jī)經(jīng)常處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)以充分發(fā)揮變頻調(diào)速的 節(jié)能功效，造成了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中效率不高，節(jié)能效果未能充分體現(xiàn) ,這也是變頻調(diào)速控制技術(shù)多年來一直難以大規(guī)模采用的原 因