【正文】 要求完成日期 2021 年 3 月 8 日 學(xué) 生 (簽名 ) 2021 年 3 月 8 日 指 導(dǎo) 教 師 (簽名 ) 年 月 日 院長 (主任 ) (簽名 ) 年 月 日 I 摘 要 本次畢業(yè)設(shè)計的課題是基于 PLC 的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計。 系統(tǒng)根據(jù)雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，采用微分先行的串級控制技術(shù)、 PLC 控制器、MCCS 軟件組態(tài)實現(xiàn)了雙容水箱液位的高精度控制和實時顯示 本文的主要內(nèi)容包括：水箱的特性確定與實驗曲線分析， S7300 可編程控制器的硬件掌握， PID 參數(shù)的整定及各個參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng)用 PID 控制算法所得到的實驗曲線分析，整個系統(tǒng)各個部分的介紹和應(yīng)用 PLC 語句編程來控制水箱水位。由于接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝和流程改變時必須改變接線，因此，其通用性和靈活性較差。 2) 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)。 6) 成本可與繼電器控制盤競爭。 這些實際上提出了將繼電器控制的簡單移動、使用方便、價格低的優(yōu)點與計算機的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點結(jié)合起來，將繼電接觸器控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C的軟件邏輯編程的設(shè)想?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原理設(shè)計。預(yù)測控制有三要素，即預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。 (4) 智能控制 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實時性、容錯性以及對控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。 PID 控制的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀 PID 控制技術(shù)的發(fā)展可以分為兩個階段。從氣動控制到電氣控制到電子控制再到數(shù)字控制， PID 控制器的體積逐漸縮小，性能不斷提高各種現(xiàn)代控制技術(shù)的出現(xiàn)并沒有削弱 PID 控制器的應(yīng)用，相反，新技術(shù)的出現(xiàn)對于 PID 控制技術(shù)發(fā)展起了很大的推動作用。 PID 控制具有以下優(yōu)點： 1) 原理簡單，使用方便。模塊式 PLC 由機架和模塊組成， S7300 是模塊化的中小型 PLC，適用于中等性能的控制要求。 S7300 的 CPU模塊集成了過程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序。 ? 強勁的內(nèi)部集成功能，全面的故障診斷功能、口令保護，便利的連接系統(tǒng)和無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)。 ? 用于與 SIMATIC 其他產(chǎn)品相連的接口，集成了 MMI(人機界面 )設(shè)備，用戶友好的 Windows STEP7 編程，使得 S7300 成為對未來的安全投資。 S7300 的 CPU 模塊的方式選擇開關(guān)都一樣，有 4 種工作方式，通過可卸的專用鑰匙控制選擇。 2) RUN：運行方式。 CPU 不掃描用戶程序，可以通過編程裝置從 CPU 中讀出，也可以下 載程序到 CPU中。 模擬量輸入模塊 系統(tǒng)中從檢測裝置過來的模擬量需經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換才能輸入到 CPU 處理，這就要求 PLC 有模擬量輸入處理模塊。 A/D 轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法。 某一通道開始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起到再次開始轉(zhuǎn)換的時間是模入模塊的循環(huán)時間。 模擬量輸出模塊 經(jīng)過 CPU處理后的結(jié)果是數(shù)字量，而執(zhí)行機構(gòu)能接收的信號是模擬信號，這就要求 PLC 配有模擬量輸出模塊。在輸出電壓時，可以采用 2 線回路和 4 線回路與負載連接。 PS 307 10A 模塊基本電路如圖 24 所示。階躍響應(yīng)測試法是系統(tǒng)在開環(huán)運行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動改變對象的輸入信號 (階躍信號 )。系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖 26 所示， t=0 時曲線斜率最大，之后斜率減小，逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值 h(∞ )，該曲線可用一階有時延環(huán)節(jié)來近似。令輸入量Q1(s)=R0/s， R0 為常量，則輸出液位的高度為 TsKRsKRTss KRsH 1)1()( 000 ????? (23) 根據(jù)上式，需要確定的參數(shù)是過程放大系數(shù) K 和水箱的時間常數(shù) T。開啟單向泵電源開關(guān)，啟動動力支路，將被控參數(shù)液位高度控制在 。 表 22 增加 PLC 手動輸出后的過程參數(shù) t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(cm) 組態(tài)讀數(shù)(cm) 9 圖 27 增加輸出值后的變化曲線 進入新的平衡狀態(tài)，這時的數(shù)據(jù)如表 23 所示。這是由兩個一階非周期慣性環(huán)節(jié)串聯(lián) 圖 29 上水箱下水箱系統(tǒng)圖 起來的，被調(diào)量是第二水槽的水位 h2。由于多了一個容器，就使調(diào)節(jié)對象的飛升特性在時間上更加落后一步。 開啟單向泵電源開關(guān)，啟動動力支路，將 PLC 的輸出值迅速上升到小于等于60，將被控參數(shù)液位高度控制在 15cm 處。 表 27 新的平衡狀態(tài)的數(shù)據(jù) PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 64 再將輸出儀表調(diào)回到系統(tǒng)第一次平衡前的位置，紀(jì)錄階躍響應(yīng)過程參數(shù)的曲線如圖 212 所示。當(dāng) t1/t2= 時，為一階環(huán)節(jié)；當(dāng) t1/t2= 時，過程的傳遞函數(shù)2)1()( ?? TSKSG (此時 )( 2121 ???? ttTT )。如果取其中的一項或兩項，可以組成 P、 PD 或 PI 控制器。比例積分作用則需要稍長的時間。 1. 位置型算法 系統(tǒng)中的電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)動作是連續(xù)的，任何輸出控制量 M都對應(yīng)于調(diào)節(jié)閥的位置。 2. 增量型算式 第 (n1)時刻控制量 M(n－ 1)，即 ? ? i ni t i alDnjICMneneTTjeTTneKnM ??????? ??????? ??? )2()1()()1()( 10 (35) 將式 (2－ 10)減式 (2－ 11)得 n時刻控制量的增量 ΔM(n)為 16 ? ?? ? ? ? i n i t i a lDICi n i t i a lDICMneneneKneKneneKMneneneTTneTTneneKnM????????????????? ?????????)2()1(2)()()1()()2()1(2)()()1()()( (36) 其中 ?1?CK 稱為比例增益 ICI TTKK ? 稱為積分系數(shù) TTKK DCD ? 稱為微分系數(shù) 式 (36)中的 ΔM(n)對應(yīng)于第 n 時刻閥門位置的增量，故稱此式為增量型算式。采用增量型算式計算 M(n)的優(yōu)點是 :編程簡單，歷 史數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲單元少，運算速度快。采樣偏差一旦產(chǎn)生 ,控制器立即產(chǎn)生正比于偏差大小的控制作用 ,使被調(diào)量朝誤差減小方向變化 ,其作用大小通過比 例增益度量 ,比例增益大時響應(yīng)速度快 ,穩(wěn)態(tài)誤差小 ,但會產(chǎn)生較大的超調(diào)或產(chǎn)生不穩(wěn)定 ,而 CK 過小會使響應(yīng)速度緩慢 ,調(diào)節(jié)時間加長 ,調(diào)節(jié)精度降低。如果 M直接代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量，那么 ? 就代表使調(diào)節(jié)閥開度改變 100%即從全關(guān)到全開時所需要的被調(diào)量的變化范圍。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制的首要要求，比例帶的設(shè)置必需保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度 。 比例積分調(diào)節(jié) 積分作用則是一種記憶 ,對誤差進行累積 ,有利于消除靜差。只有當(dāng)偏差 e為零時， I調(diào)節(jié)器的輸出才會保持不變。 PI調(diào)節(jié)引入積分動作帶來消除系統(tǒng)殘差的同時，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以上的比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時的偏差方向和大小進行調(diào)節(jié)的，不管被控對象中流入流出量之間有多大的不平衡，而這個不平衡正決定著此后被調(diào)量將如何變化的趨勢。 18 對于過程控制系統(tǒng)裝置，雙級水箱液位控制比單級水箱液位控制困難，會遇到許多的問題，滯后時間比較長，對于環(huán)境的變化多少會受一定的影響，如想要好的控制效果就要引入新的控制系統(tǒng)，運用單回路控制系統(tǒng)來控制是不能達到控制精度和要求。串級控制只多了一個測量變送器，增加的儀表并不多，而控制效果卻得到了顯著的改善 。由圖可以看出，上水箱的擾動包括在副環(huán)內(nèi)，可以減小這個擾動對系統(tǒng)的影響。 擴充臨界比例法 PID 控制參數(shù)的整定是先確定采樣周期 T，再比例系數(shù) Kc，然后為積分常數(shù)TI，再就是微分常數(shù) TD。在設(shè)計中用到一種在工程中廣泛應(yīng)用的擴充臨界比例法來整定 PID 參數(shù) ,它是一種基于系統(tǒng)臨 界振蕩參數(shù)的閉環(huán)整定法。一般來說， minT 應(yīng)小于對象延遲時間τ的 1/10?？刂菩Ч脑u價函數(shù)通常采用 ??0 2 )(min dtte(最小誤差平方面積 )，那么 20 A N ADDCA N ADDCIS EIS Edttedtte)m i n ()m i n ()(m i n)(m i n0202??????????????????控制度 式中下標(biāo) DDC 和 ANA 分別表示直接數(shù)字控制系統(tǒng)和模擬調(diào)節(jié)器控制。 4) 根據(jù)選定的控制度，查表 31，計算 T =3s， CK =893， IT =， DT =。 （ 2） 使用 PID 指令 表 31 擴充臨界比例法 PID 參數(shù)計算公式 控制度 調(diào)節(jié)規(guī)律 crTT crC KK crI TT crDTT PI PID PI PID PI PID PI PID 模擬調(diào)節(jié)器 PI PID S7300 提供 PID 控制用的 PID 功能指令，它們實際上是用于 PID 控制的子程序，與模擬量輸入 /輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用 PID 過程控制模塊的效果，但是價格便宜得多。給定值通常是固定的值，如水箱液位的給定值。指令序列如下，實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的方法。 /R 64 //累加器中的實數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 +R //加上偏移值，使其在 ~ T MD100 //將標(biāo)準(zhǔn)化后的值存入回路表內(nèi) ? 回路輸出即 PID 控制器的輸出，它是 ~ 之間的實數(shù)。 回路輸出轉(zhuǎn) 換為對應(yīng)的實數(shù)的指令序列如下： L MD108 //將回路輸出送入累加器 22 R //僅雙極性數(shù)才有此語句 *R 64 //單極性變量應(yīng)乘以 32 將代表回路輸出的實數(shù)轉(zhuǎn)換成 16 位整數(shù)的指令序列如下： RND //將實數(shù)轉(zhuǎn)換為 32 位整數(shù) T PQW0 //將 16 位整數(shù)寫入模擬輸出 (D/A)寄存器 ? 正作用與反作用 增益為正時為正作用回路，反之為反作用電路。每次完成 PID 運算后，都要更新回路表中的輸出值 Mn。當(dāng)輸出值超出范圍 (小于 或大于)，根據(jù)下列公式進行調(diào)整： )( nn MDMPMX ??? 當(dāng)控制器輸出 ?nM 或 )( nn MDMPMX ??? 當(dāng)控制器輸出 ?nM 其中的 MX 是調(diào)整后的積分和， nM 是 n 次采樣時控制器的輸出值， nMP 和nMD 分別是第 n 次采樣時 nM 中的比例項和微分項。手工調(diào)整 MX 時必須嚴(yán)格小心，而且寫入回路表的 MX 必須是 ~ 之間的實數(shù)。為了實現(xiàn) 手動方式到自動方式的無擾動切換，轉(zhuǎn)換前必須把當(dāng)前的手動控制 23 輸出值寫入回路表的 nM 欄。 PID 的能流記憶位的默認值為 1，在啟動 CPU 或從 STOP 方式轉(zhuǎn)換到 RUN方式時它被置位?；芈繁硪姳?32。系統(tǒng)原理圖如圖 25 所示。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時，設(shè)定值與控制變量平衡， PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為零，電動調(diào)節(jié)閥就維持在那個開度，流量也不變，同時水箱的液位也維持不變。所以系統(tǒng)能實時地 調(diào)節(jié)水箱的液位。 PID1為外環(huán)，控制下水箱的液位，它的輸出值作為 PID2的設(shè) 定值，PID2控制上水箱的液位。液位是指密封容器或開口容器中液位的高低，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之 達到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過程順利進行。傳感器輸出 4~20mA 電流信號，通過負載電阻 250Ω轉(zhuǎn)換成 1~5V電壓信號。大氣壓力為 PA，選定的零液位處壓力為 PB，零液位至液面高度為 H，其產(chǎn)生的壓差Δ P 為 gHPPP AB ????? (41) 式中，ρ為水的密度， g 為重力加速度。 圖 45 執(zhí)行器的工作原理圖 執(zhí)行機構(gòu)首先將來