【正文】 0, AQW0 //將 16 位整數(shù)寫(xiě)入到模擬量輸出（ D/A）寄存器 39 聯(lián)機(jī) （ 1） 聯(lián)機(jī)硬件圖（如圖 64） 64 聯(lián)機(jī)硬件圖 （ 2） 運(yùn)行 單擊水泵控制按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)關(guān)閉出水口，用手動(dòng)控制水泵后的輸入輸出控制液體閥，使水位達(dá)到滿水位的 75%，這時(shí)系統(tǒng)裝載 PID 參數(shù)和連接 PID 中斷服務(wù)程序。 水位 PID 控制的邏輯設(shè)計(jì) 水位 PID 控制程序分為 3 部分，每部分流程圖如下： （ 1） 主程序調(diào)用模塊，如圖 62 是所示。生活及消防雙恒壓的兩個(gè)恒定值是采用數(shù)字式方式直接在程序中設(shè)定的。在該子程序中完成采樣次數(shù)的預(yù)置及采樣和單元清零的工作，為開(kāi)始工作做好準(zhǔn)備。 (3)確定模塊安裝入系統(tǒng)時(shí)的位置，并由安裝位置確定模塊的編號(hào)。 （ 3） 避免將信號(hào)線與電源線平行接近布置。為電流輸入時(shí)，如 B 口所示須將 RB 與 B+短接。 CPU226輸入電路采用了雙向光電耦合器， DC24V 極性可任意選擇，系統(tǒng)設(shè)置 1M 為 I0B輸入端子的公共端， 2M 為 I1B 輸入端子的公共端。它的使用范圍可以覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)控制。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。這種切換有一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。 DK — 微分系數(shù)。在上述情況下都需要用戶編制 PID 控制程序。積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分、微分控制三者有效地結(jié)合就可以滿足不同的控制要求。 21 PID 應(yīng)用 在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要用閉環(huán)控制方式來(lái)控制溫度、液位、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。 PLC 技術(shù)不斷增強(qiáng)，運(yùn)行速度不斷提高 。 系統(tǒng)各種功能的實(shí)現(xiàn) 1． 水位顯示及報(bào)警功能 為了及時(shí)觀測(cè)到水塔中的水位，特別在控制臺(tái)上安裝了 4 盞水位顯示燈，并將它們與 PLC 連接，根據(jù)變送器給 PLC 的信號(hào)，由 PLC 輸出信號(hào)開(kāi)啟這 4 盞水位燈來(lái)顯示當(dāng)前水塔水位的情況。 ② 由交流接觸器來(lái)控制兩臺(tái)水泵的手動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)液位又低于 Y1 時(shí) M1 起動(dòng)工作，如 F1 開(kāi)度較大下水量大于上水量，使液位繼續(xù)下降至 Y2 時(shí)， M2 啟動(dòng)工作同時(shí) F2 打開(kāi)，使上水量大幅上升，保持液位。根據(jù)水塔中的進(jìn)、出水的水位可以自動(dòng) 控制 水泵，使水位處于動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)。 16 ⑥ 報(bào)警 電路可以手動(dòng)關(guān)閉，只要按下 報(bào)警 確認(rèn)開(kāi)關(guān)，就可以解除 報(bào)警 的蜂鳴聲。當(dāng)水位超過(guò) D 點(diǎn)并到達(dá) E點(diǎn)時(shí)上限 報(bào)警 ，采取強(qiáng)制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖 1（ e）。 控制系統(tǒng)組成 系統(tǒng)的工作原理 在系統(tǒng)中，只使用比例和積分控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可以通過(guò)工程計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整達(dá)到最優(yōu)控制效果。另一方面計(jì)算機(jī)輸出的控制量 u(n)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障， u(n)可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜希梢允拐{(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。積分環(huán)節(jié)主要用于消 除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。 PID 控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值 :r(t)和實(shí)際輸出值只 t)之間的偏差 e(t): e(t)=y(t)一 r(t) )()11()(1 sEsTsTKsU dp ??? () 經(jīng)比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)運(yùn)算后通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量 u(t)， 對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。由圖 25 得到 PID 控制器的理想算法為 ?????? ??? ?01p )()(1)(KU (t ) dt tdeTdtteTte d (2. 2) 或者寫(xiě)成常見(jiàn)傳遞函數(shù)的形式為 ： )()11()( 1 sEsTsTKsU dp ??? (2. 3) 其中，、 Ti、 Td 分別為 PID 控制器的比例增益、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。根據(jù)日本有關(guān)調(diào)查資料顯示，在現(xiàn)今使用的各種控制技術(shù)中， PID 控制技術(shù)占%，優(yōu)化 PID 控制技術(shù)占 %，現(xiàn)代控制技術(shù)占 %，手動(dòng)控制占 .66%，人工智能 (Al)控制技術(shù)占 %。 （ 6） 計(jì)數(shù)器 C 計(jì)數(shù)器用于累計(jì)計(jì)數(shù)輸入端接收到的由斷開(kāi)到接通的脈沖個(gè)數(shù)。系統(tǒng)對(duì)輸入映像寄存器是以字節(jié)（ 8位）為單位進(jìn)行地址分配的 。 S7200 PLC 系統(tǒng)組成 1． CPU 模塊 從 CPU模塊的功能來(lái)看， SIMATIC S7200 系列小型可編程序控制器的發(fā)展，大致經(jīng)歷了兩代： 第一代產(chǎn)品其 CPU模塊為 CPU 21X，主機(jī)都可進(jìn)行擴(kuò)展，它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的 CPU單元： CPU 212， CPU 214， CPU 215 和 CPU 216。新一代的大，中型 PLC還能進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算，浮點(diǎn)運(yùn)算等。計(jì)數(shù)器的實(shí)際計(jì)數(shù)值也可以通過(guò)人 ——機(jī)對(duì)話裝置實(shí)時(shí)讀出。 PLC 則是采用循環(huán)掃描的工作方式。 PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 目前 PLC 種類多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和 工作原理都大致相同，硬件和微機(jī)相似。 通過(guò)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。 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。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來(lái)極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。 研究設(shè)計(jì)的基于 PLC 控制的水塔水位 PID 供水系統(tǒng) ,以西門子公司的 S7200系列中 PLCCPU226 為基礎(chǔ)，結(jié)合模擬量模塊 EM23液位傳感器、輸入控制液壓閥、輸出控制液壓閥等，組成一個(gè)基于 S7200 系列中 PCLCPU226 的水塔水位控制系統(tǒng)，能 完成邏輯控制、水位調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采樣等功能 ,實(shí)現(xiàn) 對(duì)水塔的水位進(jìn)行控制及檢測(cè)。在設(shè)計(jì)中大量運(yùn)用 PLC 中 PID 來(lái)實(shí)現(xiàn)水塔水位的控制，為了精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制 ，建立成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水塔中的進(jìn)、出水的水位自動(dòng)控制。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基 礎(chǔ)設(shè)施之一。比如自動(dòng)控制水 塔 、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動(dòng)補(bǔ)水控制、自動(dòng)電熱水器、電開(kāi)水機(jī)的自動(dòng)進(jìn)水控制等。 水位 PID 控制系統(tǒng) 集 PLC 控制技術(shù)、 PID 技術(shù)、 電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù) 、 測(cè)試技術(shù) 于一體。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。對(duì)每個(gè)程序， CPU 從第一條指令 開(kāi)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(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)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。 （ 4）步進(jìn)（順序）控制 PLC 具有步進(jìn)（順序）控制功能。 （ 7）通信和聯(lián)網(wǎng) 新一代的 PLC 都具有通信功能。 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。 （ 2） 變量存儲(chǔ)器 V 變量存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)變量。計(jì)數(shù)器可提供無(wú)數(shù)對(duì)常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)供編程使用，其設(shè)定值由程序賦予。 如 果把 PID 控制技術(shù)和優(yōu)化 PID 控制技術(shù)加起來(lái)，則占到了 90%以上，而文獻(xiàn) 指出，工業(yè)過(guò)程控制中， 95%以上的回路具有 PID 結(jié)構(gòu)。式()和式 ()是我們?cè)?各種文獻(xiàn)中最經(jīng)?？吹降?PID 控制器的兩種表達(dá)形式。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 26 所示，圖中 u(O 為 PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)不，不越大，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。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域12 以來(lái)，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 控制算法具有更大的靈活性和可靠性。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 （ ） : ? ? 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? ? ? ? ? （ ） 式中： ()Un? 為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量：1 。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口，用于動(dòng)控制輸入控制液體閥，使水位達(dá)到滿水位的 75%，然后打開(kāi)出水口，同時(shí)輸入控制液體閥從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。 可行性試驗(yàn) 圖 32 為水塔水位 控制 器的外觀正視圖，由電源指示燈、 報(bào)警 確認(rèn)燈、水位指示燈以及 報(bào)警 確認(rèn)開(kāi)關(guān)組成。此時(shí)， 報(bào)警 確認(rèn)燈亮起。 供水系統(tǒng)的基本原理如圖 1 所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過(guò)在水塔中的三個(gè)液壓變送器，將水位值變換為 4～ 20 mA 電流信號(hào)進(jìn)入 PLC，把該信號(hào)和 PLC 中的設(shè)定值的程序進(jìn)行比較，并執(zhí)行較后程序，通過(guò)水泵的開(kāi)關(guān)對(duì)水塔中的水位進(jìn)行17 自動(dòng)控制。 Y0 為下水箱缺水報(bào)警開(kāi)關(guān)下水箱液位低于 Y0 時(shí)意味著水泵進(jìn) 水口缺水，此時(shí)應(yīng)自動(dòng)切斷電源并報(bào)警。當(dāng)換項(xiàng)開(kāi)關(guān) KKl打到手動(dòng)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕 SBl， 1泵起動(dòng)運(yùn)行向水塔注水，由于設(shè)置了順序開(kāi)啟和逆序關(guān)閉，在 1泵沒(méi)有開(kāi)起的情況下， 2泵不能起動(dòng)運(yùn)行，而在兩個(gè)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)， 2泵在沒(méi)有停止的情況下， 1泵不能夠停止。其中一盞燈是報(bào)警燈，在下水箱缺水的時(shí)候進(jìn)行報(bào)警，提醒工作人員前來(lái)處理。不但可以完成順序控制的功能，還可以完成復(fù)雜的閉環(huán)控制。無(wú)論是使用模擬控制器的模擬控制系統(tǒng)，還是使用計(jì)算機(jī)（包括 PLC）的數(shù)字控制系統(tǒng)， PID 控制都等到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)被控制對(duì)象的具體情況，還可以采用各種 PID 控制的變種和改進(jìn)的控制方式，如 PI、 PD、帶死區(qū)的 PID、積分分離 PID、變速積分 PID 等。 PLC PID 控制器的實(shí)現(xiàn) PLC 的 PID 控制器 的設(shè)計(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)的 PID 控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化，寫(xiě)成離散形勢(shì)的 PID 控制方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。 在 S7200PLC 中，實(shí)際使用的 PID 算法為： ( ) ( ) ( ) ( )p I DM n M n M n M n? ? ? 式中： ()Mn 第 n 次采樣的調(diào)節(jié)器輸出 ()pMn 比例項(xiàng) ( ) ( )pCM n K e n? ()IMn 積分項(xiàng) 0( ) ( )nI i i jjM n K e n K e??? ? ()DMn 微分項(xiàng) ? ? ? ?( ) 1DdM n K e n e n? ? ????? 基于 PLC 的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 42 所示，圖中虛線部分在 PLC 內(nèi)。 24 PID 指令及回路表 S7200 的 PID 指令圖如圖 34 所示。 26 第 5 章 系統(tǒng)硬件 開(kāi)發(fā) 設(shè)計(jì) 可編程控制器 的 選型 可編程控制器產(chǎn)品眾多，不同廠家、不同系列、不同型號(hào)的 PLC，功能和結(jié)構(gòu)均有所不同，但工作原理和組成基本相同。其應(yīng)用領(lǐng)域包括各種機(jī)床、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、食品化工工業(yè)、環(huán)保、電梯等。在晶體管輸出電路中采用了27 MOSFET 功率驅(qū)動(dòng)器件，并將數(shù)字量輸 出分為兩組，每組有一個(gè)獨(dú)立公共端，共有 1L、 2L 兩個(gè)公共端，可接入不同的負(fù)載電源。然后與電流信號(hào)輸出端相連，電流信號(hào)輸入端則接入 B接口。 29 （ 4） 使用高質(zhì)量的 24V DC 傳感器電源，以保證無(wú)噪聲及穩(wěn)定運(yùn)行。 57 一200 擴(kuò)展單元安裝時(shí)在主機(jī)的右邊依次排列，并從模塊 O 開(kāi)始編號(hào)。 (2)設(shè)置模塊檢測(cè)子程序。生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 70%,消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 90。 （ 2） 主程序調(diào)用子程序 0，如圖 63 所示。裝入回路設(shè)定值 VD104，回路增益 VD112，回路采樣時(shí)間 VD118，積分時(shí)間 VD120，同時(shí)設(shè)定定時(shí)中斷 0 的時(shí)間（ SMB34）間隔 100ms,設(shè)定定時(shí)中斷執(zhí)行 PID 程序 INT_0。 在中斷處，將過(guò)程變量（ PV）轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)。 （ 3）中斷子程序模塊，如圖 64 所示。 為了恒定供水 ,在水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率 ,當(dāng)變頻器達(dá)到上限頻率且一臺(tái)水泵還不能滿足恒壓要求時(shí) ,則把變頻運(yùn)行的水泵切換到工頻上運(yùn)行 ,同時(shí)需要變頻啟動(dòng)第二臺(tái)或第三臺(tái)水泵 ,直到滿足供水要求。 (3)設(shè)置 子程序完成采樣及相關(guān)的計(jì)算工作。 (4)為了在主機(jī)中進(jìn)行輸入模擬量轉(zhuǎn)換后數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的處理及為了輸出需要在模擬量單元中轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)字