【正文】 h 10 5 t/min 0 2 4 圖 46： 單容水箱液位測量曲線 S7300PLC 控制 將“SA41 S7300PLC 控制”掛件掛到屏上，并用MPI 通訊電纜線將S7300PLC 連接到計(jì)算機(jī)CP5611 專用網(wǎng)卡，并按照下圖47控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1F1F18全開，將下水箱出水閥門F111開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號為4～20mADC 或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。其中SM331 為8 路模擬量輸入模塊， SM332 為4 路模擬量輸出模塊。AI818 型儀表為PID 控制型，輸出為4～20mADC 信號；而AI708 型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點(diǎn)型開關(guān)量信號。但為了簡化起見，經(jīng)線性化處理后，可近似認(rèn)為Q 2與h 成正比關(guān)系，而與閥F1td2111的阻力R成反比，即 （39）RhQ??2式中：，稱為液阻。一種是分析法，即根據(jù)過程的機(jī)理，物料或能量平衡關(guān)系求得它的數(shù)學(xué)模型；另一種是用實(shí)驗(yàn)的方法確定。由于系統(tǒng)等幅振蕩，可知 ，其中()uKGj??臨界增益 被稱為臨界比例系數(shù)， 為過程傳遞函數(shù)。對于線性時不變系統(tǒng)，如果輸入信號是正弦信號，則穩(wěn)定后輸出信號為同頻率的正弦信號，只有幅度和相位發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)的最終目的，是要使閉環(huán)cKcK系統(tǒng)做臨界等幅振蕩，此時的比例增益 就被稱為臨界增益，記為 而此時uK系統(tǒng)的振蕩周期被稱為臨界振蕩周期，記為 。在曲線上最大斜率點(diǎn) P 處作切線，F(xiàn)OPDT 模型的參數(shù)如圖 32 所示。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時間 的大小， 越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用，直至無差，積分作用就停止，此時積分調(diào)節(jié)的輸出為常數(shù)。PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，今天它己經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的控制技術(shù)，在石化，化工，造紙等工業(yè)領(lǐng)域，甚至有 97%的常規(guī)控制器都是 PID 控制器。 S7300 型 PLC 的特性S7300PLC 是西門子公司的中型 PLC，最多可以擴(kuò)展 32 個模塊。存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序和應(yīng)用軟件。按 PLC 功能上的強(qiáng)弱可分為低檔機(jī)，中檔機(jī)，高檔機(jī)。PLC 現(xiàn)在的發(fā)展很快，總的趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向發(fā)展 [2]。20 世紀(jì) 60 年代末，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產(chǎn)廠家汽車型號不斷更新，它必然要求加工的生產(chǎn)線亦隨之改變，以及對整個控制系統(tǒng)重新配置，這樣，繼電器控制系統(tǒng)就需要經(jīng)常更新和安裝，阻礙了更新周期的縮短。由 CPU 對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理、計(jì)算分析等一系列工作，通過接口送至顯示器或打印機(jī)，也可輸出開關(guān)量信號或經(jīng)模擬量輸出電路的 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出信號。 我國的儀表行業(yè)由于起步晚、水平低，與發(fā)達(dá)國家相比差距較大。第四章，研究了控制器的設(shè)計(jì)方法。智能化、自適應(yīng)的控制系統(tǒng)，國內(nèi)還沒有相關(guān)的成熟技術(shù)。使用液位控制系統(tǒng)來自動維持液位高度，工作人員可以輕易在操作室獲知整個設(shè)備的儲水狀況，大大減低工作人員工作的危險性，同時更提高了工作的效率及簡便性。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為液位控制的主要技術(shù)之一?？删幊炭刂破?Programmable Logic ControllerPLC)是一種應(yīng)用廣泛非常的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合液位控制的要求。利用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，通過串行口和可編程控制器通信，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，儀表的智能化程度將越來越高，不但能完成多種物理量的精確顯示，同時可以帶變送輸出、繼電器控制輸出、通訊、數(shù)據(jù)保持等多種功能。近幾十年來，在自動控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，美國、德國、日本等技術(shù)領(lǐng)先國家，生產(chǎn)開發(fā)出一系列性能優(yōu)異、實(shí)用性強(qiáng)的液位控制器以及相應(yīng)的儀器儀表，并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對液位控制系統(tǒng)的要求越來越高，特別是高精度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國內(nèi)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。第六章，介紹了系統(tǒng)的測試及應(yīng)用。硬件部分包括微控制器及其接口電路、模擬量輸入輸出電路、開關(guān)量輸入輸出電路、數(shù)據(jù)通信接口電路、人機(jī)交互通道，以及其他外圍設(shè)備。 可編程控制器基礎(chǔ)PLC 即可編程邏輯控制器，英文全稱是 Programmable Logic Controller，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國家的高度重視。PLC 的容量主要指其輸入/輸出點(diǎn)數(shù)。PLC 的基本結(jié)構(gòu)圖如圖 22 所示。輸入/輸出單元從廣義上分包含兩部分：與被控設(shè)備相連接的接口電路；輸入輸出的映像寄存器。 圖 23 S3300PLC 實(shí)物圖 圖 24 S7300PLC 主要結(jié)構(gòu)示意圖 第三章 PID 控制器設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì)是基于模型控制設(shè)計(jì)過程中最重要的一步。cKiTdPID 控制器的另一種表示方式也比較常見，稱為并行結(jié)構(gòu)（Parallel form），如下所示：PID 被控對象給定值 被控參數(shù)+d+e uPVSVsKsGdip??)( （32）其時域輸出方程為： dtetettuip )()()()(?（33）式（31）與式（32）實(shí)際上可以互相轉(zhuǎn)換，兩者參數(shù)間的關(guān)系如下所式：， ， （34）pcK?ciiTdcK?此時，模型的積分時間和微分時間也相應(yīng)改變，分別為： ，1iKd PID 控制器各參數(shù)的作用PID 控制器包括積分、比例、微分三個部分，分別代表過去，現(xiàn)在，還有未來的控制作用，相應(yīng)的控制參數(shù),以式（31）為例，比例增益 、積分時間cK、微分時間 的取值影響到系統(tǒng)控制效果的好壞。因此，實(shí)際中一般不單獨(dú)使用積分器，積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI 或 PID 控制器。但是微分作用對噪聲干擾有放大作用，而這是我們在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時不希望看到的。但是飛升曲線法存在一定的弊端。首先，對于參數(shù) 和 的獲取需要花費(fèi)大量的調(diào)試時間；uKT其次，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中存在的不確定影響會給試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來一定甚至關(guān)鍵的噪聲，從影響最終的控制品質(zhì)；最后，對于那些不允許做臨界振蕩實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)，臨界比例度法根本無法應(yīng)用，否則就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。曲線上相位為 的點(diǎn)的被稱為極限180?o點(diǎn)該點(diǎn)的頻率稱為臨界振蕩頻率 ?；谝陨显砼c方法，Ziegler 和 Nichols 提出了除利用階躍響應(yīng)法外的另一種 PID 參數(shù)整定方法——頻率響應(yīng)法。液位h 的變化反映了Q1與Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過程。也可由坐標(biāo)原點(diǎn)對響應(yīng)曲線作切線OA，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)A 所對應(yīng)的時間就是該時間常數(shù)T，由響應(yīng)曲線求得K和T后，就能求得單容水箱的傳遞函數(shù)。P、I、D參數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整。 圖43 S7300PLC掛件 檢測裝置壓力傳感器、變送器：壓力傳感器用來對上、中、下水箱的液位進(jìn)行檢測，其量程為0～5KP， 級。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。 圖 45 智能儀表單容水箱液位控制系統(tǒng)接線圖 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V 開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開關(guān)，給智能儀表及電動調(diào)節(jié)閥上電。 打開 Step 7 軟件，打開“S7300”程序進(jìn)行下載，然后將 S7300PLC 置于運(yùn)行狀態(tài)，然后運(yùn)行組態(tài)軟件，打開“S7300PLC 控制系統(tǒng)”工程，然后激活組態(tài)運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)入本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。 表41 輸入?yún)?shù)參數(shù) 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)范圍 默認(rèn)值 描述COM_RST BOOL FALSE 完全重啟，當(dāng)為真時執(zhí)行重啟程序 MAN_ON BOOL TRUE 手動操作，若為真，控制環(huán)中斷，操作值手動設(shè)定 PVPER_ON BOOL FALSE 過程變量直接從外設(shè)輸入 P_SEL BOOL TRUE 為真則比例控制起作用 I_SEL BOOL TRUE 為真則積分控制起作用 D_SEL BOOL FALSE 為真則微分控制起作用 INT_HOLD BOOL FALSE 為真則積分控制的輸出不變 I_ITL_ON BOOL FALSE 為真，使積分器的輸出為I_ITLVAL CYCLE TIME =1ms T1s 采樣時間 SP_INT REAL 100~100%或者物理量 內(nèi)部的給定點(diǎn)的輸入值 PV_IN REAL 100~100%或者物理量 過程變量以浮點(diǎn)形式輸入的值 PV_PER WORD W160000 過程變量從外設(shè)直接輸入的值 MAN REAL 100~100%或者物理量 通過這個參數(shù)設(shè)定手動操作的值 GAIN REAL 比例控制增益 TI TIME =CYCLE T20s 決定積分器的響應(yīng)時間 TD TIME =CYCLE T10s 微分時間 TM_LAG TIME =CYCLE/2 T2s 微分器的延遲時間 LMN_HLM REAL 操作值的最高限 LMN_LLM REAL 操作值的最低限 PV_FAC REAL 過程變量因子，調(diào)整過程變量的范圍 PV_OFF REAL 過程變量偏置，調(diào)整過程變量的范圍 LMN_FAC REAL 操作值因子，調(diào)整操作值的范圍 LMN_OFF REAL 操作值偏置，調(diào)整操作值的范圍 I_ITLVAL REAL 100~100%或者物理量 積分器的初始化值 DISV REAL 100~100%或者物理量 輸入的擾動變量 DEADE_W REAL 100~100%或者物理量 死區(qū)寬度 控制程序設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)實(shí)際情況，利用STEP7 編寫控制程序。 用戶程序是必須由用戶自己生成并下載到CPU 中的程序, 其中包含處理特定的自動化任務(wù)所需要的所有功能, 它包括: 指定在CPU 上暖啟動和熱啟動的條件, 處理過程數(shù)據(jù), 指定對中斷的響應(yīng), 處理程序在正常運(yùn)行中的干擾等 [6]。若在用戶程序中設(shè)置了中斷, 在中斷到達(dá)時PLC 會中斷此循環(huán),自動轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷組織塊執(zhí)行中斷程序。 step(sys) （a） （b） （c） 圖 413 單容水箱階躍響應(yīng)第 5 章 人機(jī)界面設(shè)計(jì) 組態(tài)軟件簡介隨著社會的進(jìn)步，工業(yè)自動化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，控制過程也變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。 組態(tài)王人機(jī)界面開發(fā) 組態(tài)王簡介組態(tài)王（Kingview）是由北京亞控公司開發(fā)，在 PC 機(jī)上建立工業(yè)控制對象人機(jī)接口的一種智能軟件包，它以 Window2022/WindowXP/WindowNT 中文操作系統(tǒng)作為其操作平臺，充分利用了 Windows 圖形功能設(shè)備，界面一致性好，易學(xué)易用等特點(diǎn)，具有功能完備的人機(jī)接口界面和面向?qū)ο蟮膱D形開發(fā)環(huán)境，便于高效，快捷地把整個工藝過程構(gòu)成監(jiān)控畫面，以動畫的形式顯示各個控制設(shè)備的狀態(tài)，在報(bào)警和歷史趨勢方面的功能，方便了對系統(tǒng)的監(jiān)控，具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能。組態(tài)王支持多種通信方式：串口通信，數(shù)據(jù)采集板，DDE 通信，人機(jī)界面卡和網(wǎng)絡(luò)模塊。另外，提供報(bào)表模板，方便用戶調(diào)入其它的表格。工程具體開發(fā)過程如下：（1） 定義變量 對所用到的變量進(jìn)行定義。 圖 52 建立組態(tài)工程（3）界面開發(fā)點(diǎn)擊項(xiàng)目進(jìn)入工程瀏覽器，點(diǎn)擊畫面并新建系統(tǒng)所需的界面。如圖 57 所示，為開始按鈕的動畫連接設(shè)置窗口。 圖 61 運(yùn)行界面對水箱液位執(zhí)行設(shè)置，待水箱液位穩(wěn)定后改變水箱液位設(shè)定值，記錄水箱的液位曲線圖，如圖 42