【正文】 ........ 17 S7200 系列 CPU224 和 EM235 介紹 ........................... 18 4 PID 算法原理及指令介紹 .......................................... 20 PID 算法介紹 ................................................. 20 PID 回路指令 ................................................. 22 5 系統(tǒng)建模及仿真 .................................................. 26 系統(tǒng)建模 .................................................... 26 系統(tǒng)仿真 .................................................... 28 ,1 MATLAB 語言中 Simulink 交互式仿真環(huán)境簡(jiǎn)介 ................. 28 系統(tǒng)仿真 ................................................ 29 第 6 章 系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn) ............................................... 31 硬件設(shè)計(jì) .................................................... 31 繪制控制接線示意圖 ...................................... 31 6, I/O 資源分配 ............................................. 31 寧夏理工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) IV 軟件設(shè)計(jì) .................................................... 32 STEP 7 Micro/Win SP6 編程軟件介紹 ................... 32 恒液位 PID 控制系統(tǒng)的 PLC 控制流程 ........................ 33 編寫控制程序 ............................................ 34 程序清單 ................................................ 37 結(jié)束語 ............................................................. 38 參考文獻(xiàn) ........................................................... 39 致謝 ............................................................... 40 寧夏理工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 鹽酸儲(chǔ)罐恒液位控制任務(wù) 如圖 所示為 某化工廠稀鹽酸儲(chǔ)罐，該罐為鋼襯聚四氟乙烯 儲(chǔ)罐，罐體高 6 米，容量為 50 立方米，重 500 千克。 圖 稀鹽酸儲(chǔ)罐工藝流程圖 寧夏理工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 本文研究的意義 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位是最常見、最廣泛的過程參數(shù)之一。 本文應(yīng)用一臺(tái) PLC 通過 PID 模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐液位的恒定控制 ， 較傳統(tǒng)的控制方 法硬件接線簡(jiǎn)單，易于改變參數(shù)，而且更加快速、準(zhǔn)確。 5. 對(duì) 被控對(duì)象 進(jìn)行建模及 系統(tǒng) 仿真 。但隨著生產(chǎn)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，所需的儲(chǔ)罐數(shù)量變多，體積變大，原先的測(cè)量方法的弊端愈發(fā)變得突出， 如 法蘭式液位變送器需要保溫，施工及維護(hù)工作量較大 ； 吹氣式 液位檢測(cè) 用的吹氣管要特殊訂貨，且還要定期更換，吹氣式要消耗儀表氣，有能耗，還需要敷設(shè)氣源管 。 系統(tǒng)功能分析 由 任務(wù)分析 可知，系統(tǒng)具有以下功能： PID 手 /自動(dòng)切換 手動(dòng)控制主要用于安裝、調(diào)試和正常運(yùn)行下的故障處理。因此，對(duì)它必須給予足夠的重視。 D. 從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。反過來，如果控制閥口徑選的太小，在正常情況下都在大開度下工作，閥的特性也不好。控制器參數(shù)是根據(jù)具體的對(duì)象特性整定得到的。 4) 結(jié)構(gòu)形式的選擇 控制閥有直通單座、直通雙座、角形、高壓、三通、蝶閥、和隔膜閥等不 同結(jié)構(gòu)形式，這要根據(jù)生產(chǎn)過程的不同需要和控制系統(tǒng)的不同特點(diǎn)來進(jìn)行選用。 由第 第 2 項(xiàng)可以看出，當(dāng)控制閥安裝上閥門定位器之后，加大了輸出功率，提高了反應(yīng)速度，并且由于它與控制閥之間構(gòu)成了一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，能根據(jù)控制器來的信號(hào)準(zhǔn)確定位，這就大大改善了控制閥的動(dòng)、靜態(tài)特性。適用于對(duì)泄露量要求嚴(yán)格、閥前后壓差低及有一定粘度和含少量纖維寧夏理工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 介質(zhì)的場(chǎng)合。高檔的現(xiàn)代新型儀表大多依賴進(jìn)口，開發(fā)生產(chǎn)高檔先進(jìn)的液位儀表仍然是國內(nèi)儀表行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。 2） 對(duì)于腐蝕性液體 ,粘稠性液體 ,易氣化液體 ,含懸浮物液體等 ,宜選用平法蘭式差壓變送器 。 該產(chǎn)品具有極高的性價(jià)比，被廣泛應(yīng)用于電力、冶金 、石油、制藥、造紙等行業(yè)，與我國推行的“ IBC”標(biāo)準(zhǔn)要求符合。 擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變量小 用戶存儲(chǔ)器至少能擴(kuò)展到 4KB（適應(yīng)當(dāng)時(shí) 汽車裝配過程的需要） 十項(xiàng)指標(biāo)的核心要求是采用軟布線（編程）方式代替繼電控制的硬接線方式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線的流程控制。 國際工委員會(huì)（ IEC）曾于 1982 年 11 月頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿， 1985年 1月又發(fā)表了第二稿， 1987 年 2月頒布了第三稿。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 一是設(shè)備集中，設(shè) 備的功率要求較小，如機(jī)床，這時(shí)需選用局部式結(jié)構(gòu)，低電壓高密度輸入 /輸出模板。集散控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、調(diào)試、擴(kuò)展和維護(hù)等方面都有極大的優(yōu)越性。 （ 1） 對(duì)輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)的估計(jì) 為了正確地估計(jì)輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)，需要了 解下面問題 :對(duì)開關(guān)量輸入需按參數(shù)等級(jí)分類統(tǒng)計(jì)；對(duì)開關(guān)量輸出需按輸出功率要求及其他參數(shù)分類統(tǒng)計(jì)；對(duì)模擬量輸出 /輸入需按點(diǎn)數(shù)進(jìn)行粗估。 程序中的各條指令最后都是以機(jī)器語言的形式存放在內(nèi)存中的?？蛇x擇西門子 S7200 系列 的 CPU224 和一個(gè)模擬量擴(kuò)展 模塊 EM235 即可滿足要求。 PID 控制算法簡(jiǎn)單易懂，使用時(shí)可以不必弄清楚系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，只要能檢測(cè)出偏差就可以對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、無靜差的穩(wěn)定控制。計(jì)算偏差要使用反饋信號(hào)，所以 PID 控制是閉環(huán)控制，由式（ ）可以看出， PID 控制算法由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)構(gòu)成。只需要保存積分項(xiàng)前值 MX 即可。如果增益為負(fù)，那么是反作用回路。 PID 回路指令根據(jù)輸入和表（ TAL）中的配置信息，對(duì)相應(yīng)的 LOOP 執(zhí)行 PID 回路計(jì)算。為了達(dá)到無擾動(dòng)切換，在轉(zhuǎn)變到自動(dòng)控制前，必須把手動(dòng)方式下的輸出值填入回路表中的 nM 欄。如果指令指定的回路表起始地址或 PID 回路號(hào)操作數(shù)超出范圍，那么在編 譯期間， CPU將產(chǎn)生編譯錯(cuò)誤，導(dǎo)致編譯失敗。轉(zhuǎn)換的第一步是把 16位整數(shù)值轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)值。在這種情況下，就需要采用間接試驗(yàn)的方法，即建立一個(gè)與所研究的對(duì) 象或過程（一般稱為系統(tǒng)或原型）相似的模型，通過模型間接地研究原型的規(guī)律性。 流出量與流入量之差為 0i d V d hQ Q Ad t dt?? ? ? ? ? （ ） 式中， V 為液槽液體儲(chǔ)存量； iQ? 由調(diào)節(jié)閥開度變化 u? 引起，當(dāng)閥門前后壓差不變時(shí)，有 iuQ K u? ? ? （ ） 其中 uK 為閥門流量系數(shù)。初步確定的增益和時(shí)間常數(shù)為： 增益： ? 采樣時(shí)間： ? 秒 寧夏理工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 積分時(shí)間： 30iT? 分 要求系統(tǒng)超調(diào)量 %? 小于 15%，調(diào)節(jié)時(shí)間小于 3Min，上升時(shí)間小于 1Min 系統(tǒng)仿真 應(yīng)用 simulink 交互式仿真環(huán)境對(duì) 對(duì)象 進(jìn)行仿真如 圖 所示 ： 圖 儲(chǔ)罐液位控制系統(tǒng)框圖 其中 PID 參數(shù)為 P=,I=,D=0。一般情況下，在只有一個(gè) PID時(shí)采用默認(rèn)參數(shù)，即 PID 回路 0。 （ 2） 只 設(shè)置了下位控制系統(tǒng)，而沒有建立上位監(jiān)控畫面，控制效果不能直觀反映出來。從選題、定題、撰寫提綱，到論文的反復(fù)修改、潤色直至定稿，導(dǎo)師始終認(rèn)真負(fù)責(zé)地給予我深刻而細(xì)致地指導(dǎo)。 t?€ 戯憤焿驆罳騙 ^萡 P ? 躀 cP縮蒕 \ ?nP砫 }?C?Z豸值 ?箾殶竛吐 K?M轂 ?藑琶 qv栃 ?? 譇 橒 忋喏曚 NI 耔 nENB?% ? *H?棐鑉濤 3 峽 {Z乙 v徻 3?珄 餖 朮 爟 \ ♀ ?W 圐葴 ^逑 \ 辢鈁 e? ?籋 鰫 . 僂 ? p~蟇 7硏楓 {pg裋 .1瑡 2陹 ?泝 Z祘 ?$賕 ?諑矽 ?| D 蚈 /盰 ,vDl E 嵮禋 T羈 8? p~蟇 7硏楓 {pg裋 .1 瑡 2 陹 ?泝 Z祘 ?$賕 ?諑矽 ?| D 蚈 / 盰 , vDlE 嵮禋 T? NI 耔 nENB峢 mT鸏 s眑 +? 該Ζ |紖 ? !汩 ?膾 f 抙氄宨澻 S箔 X M竴玐訨 ?V?腡 ?,B衹絵 2 n吞 輷匽之 銻蚗 v 枉 h5d i: t 詮 I? 懣忋忑殆 懛 嗕 寒絫 赸 l 偎蠽れ Mヌ n?~鈹舤 Y? 忩 eF39。H ga}厏 a堳膷 Q? h芛 vf ?? ?瘐 ?c+粂 鰌 q惦 e z 赸 l偎蠽れ Mヌ n?~鈹舤 Y? 忩 eF39。 我要感謝我的導(dǎo)師。 較傳統(tǒng)控制方式控制精度高，接線簡(jiǎn)單 、 編程容易，易于修改 、維 護(hù) 方便 。 STEP 7Micro/WIN SP6 可以完全兼容所有 S7200 CPU (CPU21x 和 22x)． STEP 7Micro/WIN SP6 可以毫無限制的打開老版本軟件 STEP 7Micro/WIN 或 所編寫的程序． STEP 7Micro/WIN SP6 創(chuàng)建的項(xiàng)目不能使用老版本的軟件打開或上載． STEP 7Micro/WIN SP6 的主要新功能和改進(jìn)為： 1. 支持新的 TD400 C 2. 支持 TS Adapter IE teleservice adapter 3. 優(yōu)化了 modem 向?qū)ВС?modem 模塊 EM241 新功能 STEP 7Micro/WIN SP6 支持的操作系統(tǒng)： ? Microsoft WindowsXP Home ? Microsoft WindowsXP Proffesional ? Microsoft Vista HomeBasic ? Microsoft Vista HomePremium ? Microsoft Vista Business ? Microsoft Vista Ultimate 寧夏理工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 恒液位 PID 控制系統(tǒng)的 PLC 控制流程 圖 系統(tǒng)流程圖 寧夏理工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 34 編寫控制程序 使用向?qū)渲?PID 參數(shù)如下 進(jìn)入向?qū)?，并指定回路?hào) 如圖一所示進(jìn)入 PID 向?qū)А? 本工程的特點(diǎn)是：在系統(tǒng)中，被控對(duì)象的慣性比較大，故系統(tǒng)僅采用比例和積分控制，其增益和時(shí)間常數(shù)可以通過工程計(jì)算初步確定。根據(jù)物料平衡關(guān)系，在正常工作情況狀態(tài)下，初始時(shí)刻處于平衡狀態(tài)： i?0 ， 0hh? ，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度發(fā)生變化 u?時(shí)，液位隨之發(fā)生變化。這一過程，是給定值或過程變量的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換的逆過程。給定 值和過程變量都可能是現(xiàn)實(shí)世界的值，它們的大小、范圍和工程單位都可能不一樣。選擇期望的環(huán)路控制類型通過設(shè)置常量參數(shù)的數(shù)值來進(jìn)行。同計(jì)數(shù)器指令相似， PID 指令有一個(gè)使能位。在程序中最多可以用 8條 PID 指令。采樣周期 sT 是重新計(jì)算輸出的時(shí)間間隔，而積分時(shí)間常數(shù) IT 控制積分項(xiàng)在整個(gè)輸出結(jié)果中影響的程序。式（ ）離散形式為 10()1n C n I D n nnM K e K e K e e Mii ?? ? ? ? ??? （ ） 式中 nM 在第 n 采樣時(shí)刻 PID 回路輸出的計(jì)算值； CK PID 控制回路增益 ne 在第 n 采樣時(shí)刻 PID 控制回路的偏差 1?ne 在第 1?n 采樣時(shí)刻 PID 控制回路的偏差 IK PID 控制回路積分項(xiàng)系數(shù) DK PID 控制回路微分項(xiàng)系數(shù) 0M PID 控制回路初始值 式（ ）中，積分項(xiàng)是包括從第 1 個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差。 PID 算法介紹 PID 是比例（ P）、