【正文】 系統(tǒng)框圖如圖43為S7300PLC掛件。本實驗采用SA12掛件。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t→ ∞ 時，h（∞）h（0）=KX 0，因而有 （313）階 躍 輸 入輸 出 穩(wěn) 態(tài) 值??)(K當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。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。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。??A?圖33 Nyquist曲線系統(tǒng)的Nyquist曲線如圖33所示。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。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)。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。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。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。 S7300PLC 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 23 和 24。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)。 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。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。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。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。第五章，介紹了人機界面的設(shè)計。所以，發(fā)展先進的液位控制技術(shù)是我們必須重視的趨勢。近年來液位控制系統(tǒng)取得了很大的進步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位計、雷達液位計、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。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。系統(tǒng)采用 PID 算法，實現(xiàn)液位的自動控制。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。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，取得了巨大進展。除了傳統(tǒng)的 PID 控制系統(tǒng)外，近年來隨著智能儀表和 PLC 的發(fā)展，加入智能型控制的系統(tǒng)也得以應(yīng)用。我國相關(guān)控制器大量依靠國外的成熟技術(shù)，這些都是必須正視的現(xiàn)實。采用 PID 控制算法以及臨界比例度法整定參數(shù)，最終完成控制器的設(shè)計。我國的智能儀表行業(yè)還遠遠不能滿足國民經(jīng)濟、科學(xué)研究、國防建設(shè)以及社會發(fā)展等各個方面日益增長的迫切需求。還可通過串行接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，完成更復(fù)雜的測量和控制任務(wù)。為改變這一狀況，美國通用汽車公司（GM）在 1968 年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置。 PLC 的分類 對于 PLC 的分類通常可以根據(jù)他的結(jié)構(gòu)形式、容量或功能進行。當然，上述分類的標準不是固定的，而是隨著 PLC 整體性能的提高不斷變化。PLC 所用的存儲器基本上由 ROM（只讀存儲器）、EPROM（可擦除的只讀存儲器）及 RAM（隨機存儲器）組成。S7300PLC 是模塊式中小型 PLC，電源、CPU 和其他模塊都是獨立的，可以通過 U 形總線把電源（PS） 、CPU 和其他模塊緊密地固定在西門子 S7300 標準的導(dǎo)軌（Rail）上。 PID 控制器的基本結(jié)構(gòu)最典型反饋控制系統(tǒng)的方塊圖如圖 31 所示，此系統(tǒng)為單位反饋，其中偏差值 e 為給定值與測量值的差值，u 為控制量，d 為系統(tǒng)中擾動量。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) 的大小， 越小，iTi積分作用越強，反之則積分作用弱。dTd此外，微分作用反映的是變化率，當偏差沒有變化時，微分作用的輸出為零。K?TP圖 32 飛升曲線再根據(jù)飛升曲線法的經(jīng)驗公式可得控制器各參數(shù)。然后再根據(jù)經(jīng)驗公式得出相應(yīng)uT的 PID 參數(shù) [4]。系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以表述為頻率的函數(shù): （36）????jGjAe???其中 為輸入到輸出的幅值增益， 是輸入信號與輸出信號之間的相移。由此方程可知uK()uGj?。 圖34 單容自衡水箱特性測試系統(tǒng) （a）結(jié)構(gòu)圖 （b）方框圖 圖34所示為單容自衡水箱特性測試結(jié)構(gòu)圖及方框圖。將式(38)、式(39)經(jīng)拉氏變換并消去中間變量Q 2，即可得到單容水箱的數(shù)學(xué)模型為 （310）1)(10 ???TsKRCsQHW式中T為水箱的時間常數(shù)，T＝RC ；K為放大系數(shù)，K＝R ；C為水箱的容量系數(shù)。AI 系列儀表通過RS485 串口通信協(xié)議與上位計算機通訊，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控。圖42所示為S7300PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。如圖44為電動調(diào)節(jié)閥。 智能儀表控制 將“SA12 智能調(diào)節(jié)儀控制” 掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)RS485通訊口上，將控制屏右側(cè)RS485通訊線通過RS485/232 轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口2，并按照圖45的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。FB41 (CONT 　C) 命名為continuous controller , 在S7300 PLC 中用于控制輸入和輸出量為連續(xù)信號的控制對象, 可以通過參數(shù)設(shè)置, 將其設(shè)定為P, PI 或PID 控制器, 也可以組成單獨的I 控制器和D 控制器。操作系統(tǒng)用于組織與特定的控制任務(wù)無關(guān)的CPU 的功能和順序, 包括處理熱啟動、刷新輸入和輸出的過程印表、調(diào)用用戶程序、檢測中斷并調(diào)用中斷、檢測并處理錯誤、管理存儲區(qū)域、與編程設(shè)備和其它通訊伙伴之間的通訊等。程序在PLC 內(nèi)按箭頭所示方向循環(huán)執(zhí)行。,)。人機界面產(chǎn)品的基本功能：(1) 過程可視化(2) 操作員對過程的控制(3) 顯示報警(4) 數(shù)據(jù)歸檔(5) 報表系統(tǒng)(6) 配方管理系統(tǒng) 目前比較常用的組態(tài)軟件有西門子公司的 Winccflexible，以及國內(nèi)的MCGS、組態(tài)王等產(chǎn)品。 運行系統(tǒng)：工程運行界面，從采集設(shè)備中獲得通訊數(shù)據(jù)，并依據(jù)工程瀏覽器的動畫設(shè)計顯示動態(tài)畫面，實現(xiàn)人與控制設(shè)備的交互操作。 報表能夠進行組態(tài)，例如有日報表、月報表、年報表、實時報表的組態(tài)，操作簡單，功能齊全。根據(jù)水箱的進水閥設(shè)置內(nèi)存離散的變量，定義為電動調(diào)節(jié)閥。如圖 52 所示。 （a） （b） 圖 55 主界面開發(fā)設(shè)計過程依此方法完成對實時曲線、歷史曲線、報警界面等的設(shè)計，如圖 56 所示。if(menuindex==2)showpicture(報警界面)對其他的按鈕、畫面等的定義設(shè)置，均可按照上述方法來做，這里就不再詳細介紹。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對液位控制系統(tǒng)的要求愈來愈高，因此，高精度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國內(nèi)外必然發(fā)展趨勢。結(jié)合人機界面，系統(tǒng)變得美觀易懂，操作更加簡單快捷。 圖 58 水箱反應(yīng)器動畫連接窗口報警設(shè)置：雙擊報警按鈕，點擊設(shè)置，命令語言：\\本站點\水箱液位=90\\本站點\水箱液位，相應(yīng)對話框如圖 59 所示。 圖 53 創(chuàng)建界面我們主要建立了主界面、實時曲線界面、歷史曲線界面、報警界面等幾個主要的界面。 圖 51 液位變量定義按照液位控制變量的方法可以響應(yīng)創(chuàng)建水流控制、水流變量、電動調(diào)節(jié)閥這些變量。利用組態(tài)王提供的歷史數(shù)據(jù)庫編程接口和 DDE 數(shù)據(jù)交換，應(yīng)用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以方便地在 Excel 中形成報表及產(chǎn)品報告。在數(shù)據(jù)庫中存放的是變量的當前值，構(gòu)造實時數(shù)據(jù)庫需要定義相應(yīng)的外部設(shè)備及數(shù)據(jù)變量。它所使用的 PC 機開發(fā)的系統(tǒng)工程，比以往使用專用機開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更有通用性，大大減少了工控軟件開發(fā)者的重復(fù)性工作，還可以運用 PC 機豐富的軟件資源進行二次開發(fā)。人機界面是指連接可編程序控制器（PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實現(xiàn)人與機器信息交互的數(shù)字設(shè)備,由硬件和軟件兩部分組成。由于可以分別測試程序的各個部分, 查錯更為簡單, 系統(tǒng)的調(diào)試也更容易。線性化編程是指整個用戶程序都寫在OBl 中, 此種方法只有在編寫簡單程序并且僅需較少存儲區(qū)域時使用。 PLC 圖 49 系統(tǒng)接線原理圖PS CPU DI DO AI/O計算機 液位檢測信號電動調(diào)節(jié)閥反饋信號電動調(diào)節(jié)閥控制信號報警信號現(xiàn)場手動控制信號 報警 手動 自動開機初始化 輸入量化現(xiàn)場 PID 輸出給定數(shù)值 圖 410 控制程序流程圖 程序總體結(jié)構(gòu) 在Step 7 中集成了PID 調(diào)節(jié)功能塊FB41 (連續(xù)量)、FB42 (開關(guān)量) 和脈沖轉(zhuǎn)換功能塊FB43, 以便于用戶使用其PID 調(diào)節(jié)功能。 圖 47 S7300PLC 單容水箱液位控制系統(tǒng)接線圖上位機曲線，如圖 48 所示 h 5 t/min 0 1 3 48 單容水箱液位測量曲線 PLC 程序設(shè)計簡介 PID 功能在Step 7 中集成了PID 調(diào)節(jié)功能塊FB41 (連續(xù)量)、FB42 (開關(guān)量) 和脈沖轉(zhuǎn)換功能塊FB43, 以便于用戶使用其PID 調(diào)節(jié)功能。 在上位機監(jiān)控界面中將智能儀表設(shè)置為“手動”控制，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作需通過調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)。 電磁閥：在本裝置中作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24V 直流電源，輸出：4～