【正文】 ................................................................................................................................... 36 3 1 緒論 液位控制問題是工業(yè)生產(chǎn)過程中的一類常見問題，例如在飲料、食品加工，溶液過建，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程都需要對液位進行適當?shù)目刂?。其發(fā)展經(jīng)歷了一下幾個方面： 局部自動化階段（ 50 年代） 過程計算機控制系統(tǒng)階 段（ 60 年代） 集中控制、多參數(shù)控制階段 (70 年代 ) 集散控制階段（ 80 年代） 目前過程控制正走向高階級段的未來，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看，過程控制是朝著綜合化、智能化的方向發(fā)展，即計算機集成制造系統(tǒng)：以智能控制理論為基礎(chǔ)，以計算機及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對企業(yè)的經(jīng)營、計劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實現(xiàn)從原料進庫到產(chǎn)品出廠的自動化、整個生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展， PLC 從單純的數(shù)字量控制發(fā)展到簡單的模擬量控制和數(shù)字量控制相結(jié)合，部分代替了單回路儀表的功能?？梢哉f，沒有 PLC 就沒有現(xiàn)代制造業(yè)。 PLC 廠家積極向過程自動控制領(lǐng)域拓展。 組態(tài)軟件的發(fā)展概況及趨勢 隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，它具有適應(yīng)性強、開放型好、易于擴展、經(jīng)濟及開發(fā)周期短等優(yōu)點。 本文研究的主要內(nèi)容 （ 1）一個系統(tǒng)是否能達到預(yù)期的控制效果，其系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相當?shù)闹匾?，直接關(guān)系到控制結(jié)果的正確與否。S7200 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。 （ 2）用掃描方式接受現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)，并存入映像寄存器。輸出方式有三種：繼電器方式、晶體管方式和晶閘管方式。要保證右水箱閘板開度大約下水箱閘板開度，這樣控制效果好些。 11 雙容水箱對象特性 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控過程往往是由多個容積和阻力構(gòu)成，這種過程稱為多容過程。產(chǎn)生容量時延的原因主要是兩個容積之間存在阻力 ，所 以使 2h 的響應(yīng)時間向后推移。 圖 31串級控制系統(tǒng)方框圖 R主參數(shù)的給定值； C1被控的主參數(shù)； C2副參數(shù) f1(t)作用在主對象上的擾動 f2(t)作用在副對象上的擾動 串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點 串級控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個定值控制系統(tǒng)，因此，主變量在干擾作用下的過渡過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過渡過程具有相同的品質(zhì)指標。 ，有時兩個互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一個介質(zhì)進行控制 鑒于串級控制方式所具有的這一優(yōu)勢，本設(shè)計最終采用串級控制方式來控制水箱液位。 18 故而，比例系數(shù) Kp 選擇必須恰當，才能過渡時間少，靜差小而又穩(wěn)定 的效果。 實際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加 快調(diào)節(jié)過程。 微分部分的作用由微分時間常數(shù) Td 決定。 輸出 =比例項 +積分項 +微分項 ： dtdeKM i n i t a le d tKeKMDIPt ?????? ?)( 其中： tM 是作為時間函數(shù)的回路輸出 ； K 是回路增益 ； e 是回路誤差 (設(shè)定值和過程變量之間的差 )； Minitial 是回路輸出的初始值 ； 為了能讓數(shù)字計算機處理這個控制算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值。 Rraw 是現(xiàn)實世界數(shù)值的未標準化的或原始的實數(shù)值表達式 。這一過程，是將 PV 和 SP 轉(zhuǎn)換為標準值的逆過程。 21 其中： xM 是調(diào)整過的偏差的數(shù)值 ； nMP 是在采樣時間 n時回路輸出的比例項的數(shù)值 ； nMD 是在采樣時間 n 時回路輸出的微分項的數(shù)值 ； nM 是在采樣時間n時回路輸出的數(shù)值 ； 這樣調(diào)整積分前值，一旦輸出回到范圍后，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。單相泵正常運行，打開閥 1，打開 倆 水箱 連通 閥，電動調(diào)節(jié)閥以一定的開度來控制進入水箱的水流量，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。 在這里，執(zhí)行機構(gòu)仍然是電動調(diào)節(jié)閥，依舊由 PLC 經(jīng)過 PID 算法后控制它的開度以控制水管里的水流量，控制兩個水箱的水位。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動化儀表有限公司生產(chǎn)的中控儀表 SP0018G 壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量程為 010KPa，精度為 ，由 24V 直流電源供電，可以從 PLC 的電源中獲得，輸出 為 420mA 直流。 來自 PLC 的模擬量輸出 DC420mA 信號 Ii與位置反饋信號 If 進行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開度，同 時輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號 If。在輸入的偏差信號 e? 為階躍信號。 MCGS 交互界面設(shè)計流程 建立 MCGS 新工程 首先在計算機上安裝“ MCGS 組態(tài)軟件” ,在 Windows 桌面上，會有 “ Mcgs 組態(tài)環(huán)境”與“ Mcgs 運行環(huán)境” 圖標。雙溶水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有積極的指導(dǎo)作用，為研究更加復(fù)雜的系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。他們是我們的良師益友，是我們前進路上的指明燈，讓我們每天都在成長，每天都在進步，借此機會，對他們表示衷心的感謝。最后感謝所有在這次畢業(yè)論文中給予過我?guī)椭娜恕? 因為是第一次 對自己的實踐進行嚴格檢驗，所以在設(shè)計中難免有出錯或者是不完整之處，還請邊老師多多指導(dǎo)，我會盡我最大的能力去修改、去完善。 如圖 75 建立文字框： 鼠標點擊工具條中 “ 工具箱 ” 按鈕，打開系統(tǒng)圖符 工具箱。副比例系數(shù)、副采樣時間、積分時間、微分時間通過實數(shù)傳送指令傳送到寄存器上，這部分是?？刂破鳌Ｋ捎媚K化設(shè)計，本系統(tǒng)主要包括 CPU 模塊、模擬量輸入模塊 、模擬量輸出模塊和電源模塊。 系統(tǒng)中用到的調(diào)節(jié)閥是 QS智能型調(diào)節(jié)閥，所用到的執(zhí)行機構(gòu)為電動執(zhí)行機構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動。設(shè)計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。這里的擾動主要是水箱的出水閥的擾動，有時是認為的因素，有時是機械的因素，擾動總是不可避免的。 22 5 控制系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計 水箱液位的自動調(diào)節(jié) 在這個部分中控制的是 左右 箱的液位。如果使用積分控制，積分項前值要根據(jù) PID 運算結(jié)果更新?；芈份敵鍪? 和 之間的一個標準化了的實數(shù)值。簡化算式是： 輸出 =比例項 +積分項 +微分項 ： )( 1????????? nnDxnInPn eeKMeKeKM 其中： nM 是在采樣時間 n 時，回路輸出的計算值 ； PK 是回路增益 ； ne 是采樣時刻 n的回路誤差值 ； 1?ne 是回路誤差的前一個數(shù)值 (在采樣時刻 n1)； IK是積分項的比例常數(shù) ； xM 是積分項的前一個數(shù)值 (在采樣時刻 n1)； DK 是微分項的比例常數(shù) ； :是將現(xiàn)實世界的值的實數(shù)值表達形式轉(zhuǎn)換成 之間的標準化值。偏差 (e)是設(shè)定值 (SP)和過程變量 (PV)的差 。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。當 Ti 較小時，則積分的作用較強，這時系統(tǒng)過渡時間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差所需的時間較短。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。若采用串級控制，使等效對象的時間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作效率，加快反映速度，可以得到較好的控制質(zhì)量。 同理，無自衡多容過程的數(shù)學(xué)模型為 圖 2210無自衡能力的雙容過程 t t t 14 nTssTsW )1( 11)( 00 ?? （ 2212） 當然無自衡多容過程具有純時延時，則其數(shù)學(xué)模型為 stn eTssTsW 0)1( 11)(00??? （ 2213） 15 3 串級控制 串級控制系統(tǒng)概述 圖 31 是串級控制系統(tǒng)的方框圖。與單容過程比較，多容過程受到擾動后，被控參數(shù) 2h 的變化速度并不是一開始就最大，而是要經(jīng)過一段時延之后才達到最大值。 為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為 PI 或 PID 控制。經(jīng)計算機算出的控制控制量通過 D/A 轉(zhuǎn)換成 1～ 5V 的控制電信號，通過改變調(diào)節(jié)閥的開度向水箱。 I/O 模塊將外部輸入信號變換成 CPU 能接受的信號，或?qū)?CPU的輸出信號變換成需要的控制信號去驅(qū)動控制對象，以確保整個系統(tǒng)正常的工作。 7 圖 211PLC的原理圖 CPU模塊 CPU 是 PLC 的核心組成部分，與通用微機的 CPU 一樣，它在 PLC 系統(tǒng)中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，故稱為“電腦”。右側(cè)： S7200 CPU22 EM235 擴展模塊、 I/O接口。組態(tài)軟件指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專業(yè)軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式（而不是編程方式）提供良好用戶開發(fā)界面和簡捷的使用方法，其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊可以非常 容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層地各項功能，并能同時支持各種硬件廠家地計算機和 I/O 設(shè)備，與高性能地工控計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，向控制層和管理層提供軟、硬件地全部接口，進行系統(tǒng)集成。在提高生產(chǎn)力、全球化、創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展的要求推動下，信息、通訊、控制和動力的融合是自動化發(fā)展的必有之路。因為阻容元件等的體積很難縮小而抗干擾措施需要這些分立元件。 PLC 在長期應(yīng)用中，經(jīng)受了考驗，幾乎成為高可靠性的代名詞。最早的 PLC 主要作用是代替繼電器。它不僅在傳統(tǒng)地工業(yè)改造中起到了提高質(zhì)量，節(jié)約原材料和能源，減少環(huán)境污染等十分重要的作用，而且正在成為新建的規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的組成部分。 此方法使用簡單可靠，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位控制問題。 I 基于 PLC 的雙溶水箱液位串級控制 【摘要】 本文 首介紹了一種基于 PLC 的雙溶水箱液位竄級控制的設(shè)計。通過 整個系統(tǒng)各個部分的介紹和 講解 PLC 的過控制指令 PID 指令 來控制水箱水位。 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢 過程控制是一門與工業(yè)生產(chǎn)過程聯(lián)系十分緊密的科學(xué)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速前進，過程控制也在日新月異地發(fā)展。隨著電子元器件的發(fā)展， 1969年前后發(fā)明了 PLC（ Programmable Logic Controller）。因此，可靠性和抗干擾能力都很強。但小型化是有限度的，并不是越小越好。目前自動化領(lǐng)域主要 的發(fā)展方向是企業(yè)層和車間層的融合。監(jiān)控層的軟件功能由監(jiān)控組態(tài)軟件來實現(xiàn)。 控制系統(tǒng)面板左側(cè)：電源： 220V AC 單相電源、空氣開關(guān)、對象系統(tǒng)流程圖。 圖 211為 PLC 的原理圖。如輸入 /輸出電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串 /并行轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、誤碼校驗、 A/D 或 D/A 變換以及其他功能模塊等。水箱里液位的變化，由壓力傳感器轉(zhuǎn)換成 4～ 20mA 的標準電信號，在 I/O接口的 A/D 轉(zhuǎn)換成二進制編碼的數(shù)學(xué)信號后，送入計算機端口。 本系統(tǒng)的控制目的，不僅要使右 上水箱的液位等于給定值，而且當擾動出現(xiàn)在左上水箱時，由于它們的時間常數(shù)均小于右上水箱，故在右上水箱的液位未發(fā)生明顯變化前，擾動所產(chǎn)生的影響已通過內(nèi)回路的控制及時地被消除。 圖 2210 所示為流量 1Q 有一階躍變化時，被控量 2h 的響應(yīng)曲線。同上所述，所示過程的數(shù)學(xué)模型為 )1( 11)( )()( 0120 ??? 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