【正文】 由于本控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制功能較簡(jiǎn)單, 故只用Step 7 內(nèi)置PID 功能塊即可。在S7 系列 PLC 的CPU 中, 有兩種不同的程序總被執(zhí)行 : 操作系統(tǒng)和用戶程序。圖4 11即是結(jié)構(gòu)化編程的簡(jiǎn)單示意圖, 圖中FB1, FC1 在OBl 中直接調(diào)用, FB1 中又調(diào)用FC2。Inputdelay39。這種控制系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)和 PLC 的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),得到了廣泛應(yīng)用。 工程瀏覽器：工程瀏覽器是一個(gè)工程開發(fā)設(shè)計(jì)工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設(shè)備及相關(guān)變量、動(dòng)畫鏈接、命令語(yǔ)言以及設(shè)定運(yùn)行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具。用戶可以根據(jù)工程的需要任意改變報(bào)表的外觀。 組態(tài)王開發(fā)如表 51 所示為控制系統(tǒng)接線表 表 51 控制系統(tǒng)接線表測(cè)量或控制量 測(cè)量或控制量標(biāo)號(hào) 使用 PLC 端口 使用智能儀表端口下水箱液位 LT3 AI0 AI0電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 QSVP16K AO0 AO0熟悉單容水箱的工作原理以后就可以確定在組態(tài)王中的變量，由于我們控制的主要的是單容水箱中的液位，所以水箱液位就可以確定一個(gè)變量，設(shè)為I/O 實(shí)型。雙擊桌面圖標(biāo)，打開工程管理器，建立工程，并設(shè)置好工程保存路徑等。如圖 55 所示。if(menuindex==1)showpicture(歷史曲線)?；谥悄軆x表、PLC 與 HMI 組成的液位控制系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)用性很。第六章 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果連接好實(shí)驗(yàn)裝置，接通實(shí)驗(yàn)裝置的電源，然后在上位機(jī)中打開組態(tài)王組態(tài)環(huán)境，打開“單容水箱液位控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)入本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。 （a）實(shí)時(shí)曲線界面41 （b）歷史曲線界面 （c）報(bào)警界面設(shè)計(jì) 圖 56 其他界面的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)（4）命令定義42在開發(fā)的界面中雙擊所需設(shè)置命令的反應(yīng)器或按鈕，會(huì)出現(xiàn)動(dòng)畫連接彈出窗口，在窗口中對(duì)該部分可進(jìn)行設(shè)置命令。其中單容水箱液位控制系統(tǒng)為我們所建立的工程?？筛鶕?jù)實(shí)際情況添加控制變量。例如：日?qǐng)?bào)表的組態(tài)只需用戶選擇需要的變量和每個(gè)變量的收集間隔時(shí)間。 組態(tài)王特點(diǎn)組態(tài)王軟件特點(diǎn)：包括了大量常用硬件的驅(qū)動(dòng)程序，使繁雜的硬件接口方面的工作由組態(tài)王軟件去完成，用戶只需簡(jiǎn)單安裝驅(qū)動(dòng)程序，并按指定格式讀取或輸出數(shù)據(jù)即可，無(wú)須在控制過(guò)程中去考慮硬件的使用和設(shè)置，因此，用戶在使用前，一定要仔細(xì)閱讀與本硬件相關(guān)驅(qū)動(dòng)及使用說(shuō)明，并按指定方式配置，設(shè)置變量，才能順利地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和輸出。本控制系統(tǒng)選用北京亞控公司的組態(tài)王系列組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。 step(sys) sys = tf(1,[1 1])。在其他OB 塊中可有中斷組織塊。系統(tǒng)中提供的OB 塊、SFC 塊和SFB 塊可以讓用戶設(shè)置和訪問(wèn)一些重要的系統(tǒng)功能, 其中OB 塊是操作系統(tǒng)和用戶程序之間的界面 [5]。PID模塊輸入?yún)?shù)如表41所示。 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S7300PLC及壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。將“LT3 下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。 圖44 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ8P，流量為30 升/分，揚(yáng)程為8 米，功率為180W。20 圖42 S7300PLC控制系統(tǒng)框圖如圖43為S7300PLC掛件。本實(shí)驗(yàn)采用SA12掛件。若令Q 1(s)作階躍擾動(dòng)，即 ，X 0=常數(shù)，則式(310)可改寫為s1)( （311）TsKTKsH1/ 0?????對(duì)上式取拉氏反變換得 （312）)()(/0teXth?當(dāng)t→ ∞ 時(shí)，h（∞）h（0）=KX 0，因而有 （313）階 躍 輸 入輸 出 穩(wěn) 態(tài) 值??)(K當(dāng)t=T時(shí)，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(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)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(dòng)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(diǎn)被確定，系統(tǒng)的頻域傳遞函數(shù)1()Gj???就可以通過(guò)一次調(diào)節(jié)試驗(yàn)辨識(shí)。??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(jiǎn)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(jiǎn)潔，只要知道過(guò)程對(duì)象的函數(shù)模型，即可根據(jù)公式算得 PID 控制器的三個(gè)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(shí)間可以被有效的減小。但積分作用的引入同時(shí)使信號(hào)產(chǎn)生相位滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)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(shí)間， 為微分時(shí)間。 S7300PLC 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 23 和 24。根據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容的不同，PLC 的存儲(chǔ)空間一般分為以下 3 個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)、用戶程序存儲(chǔ)區(qū)、系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)。 PLC 的基本結(jié)構(gòu)PLC 專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)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(diǎn)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國(guó)通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。開關(guān)量 模擬量 信號(hào) 信號(hào) 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(jī)接口電路 開關(guān)量 模擬量 顯示器 打印機(jī) 輸出信號(hào) 輸出信號(hào) 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(lái)，智能儀表大體上能實(shí)現(xiàn)如下一些功能：自動(dòng)校正零點(diǎn)、滿度和切換量程可進(jìn)行多通道、多參數(shù)巡回檢測(cè)自動(dòng)修正各類測(cè)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(jī)界面的設(shè)計(jì)。所以，發(fā)展先進(jìn)的液位控制技術(shù)是我們必須重視的趨勢(shì)。近年來(lái)液位控制系統(tǒng)取得了很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、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(shí)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(wèn)題，還能簡(jiǎn)化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實(shí)現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。系統(tǒng)采用 PID 算法，實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)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(jì)方案。微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)（單片機(jī)）為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，組成新一代“智能化儀表” ，在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)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(cè)量電路相比較，取得了巨大進(jìn)展。除了傳統(tǒng)的 PID 控制系統(tǒng)外，近年來(lái)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(guó)相關(guān)控制器大量依靠國(guó)外的成熟技術(shù)，這些都是必須正視的現(xiàn)實(shí)。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(jì)。我國(guó)的智能儀表行業(yè)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究、國(guó)防建設(shè)以及社會(huì)發(fā)展等各個(gè)方面日益增長(zhǎng)的迫切需求。還可通過(guò)串行接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，完成更復(fù)雜的測(cè)量和控制任務(wù)。為改變這一狀況，美國(guó)通用汽車公司（GM）在 1968 年公開招標(biāo)，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置。 7 PLC 的分類 對(duì)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(jìn)行。當(dāng)然，上述分類的標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器基本上由 ROM（只讀存儲(chǔ)器）、EPROM（可擦除的只讀存儲(chǔ)器）及 RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）組成。S7300PLC 是模塊式中小型 PLC，電源、CPU 和其他模塊都是獨(dú)立的，可以通過(guò) 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(biāo)準(zhǔn)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(cè)量值的差值，u 為控制量，d 為系統(tǒng)中擾動(dòng)量。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) 的大小， 越小，iTi積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。dTd此外，微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒(méi)有變化時(shí)，微分作用的輸出為零。13K?TP圖 32 飛升曲線再根據(jù)飛升曲線法的經(jīng)驗(yàn)公式可得控制器各參數(shù)。然后再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(hào)與輸出信號(hào)之間的相移。由此方程可知uK()uGj?。 圖34 單容自衡水箱特性測(cè)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(cè)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(shí)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(guò)RS485 串口通信協(xié)議與上位計(jì)算機(jī)通訊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)閥。22 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(guò)RS485/232 轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口2，并按照?qǐng)D45的控制屏接線圖連接實(shí)驗(yàn)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(hào)的控制對(duì)象, 可以通過(guò)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(dú)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(wú)關(guān)的CPU 的功能和順序, 包括處理熱啟動(dòng)、刷新輸入和輸出的過(guò)程印表、調(diào)用用戶程序、檢測(cè)中斷并調(diào)用中斷、檢測(cè)并處理錯(cuò)誤、管理存儲(chǔ)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。,)。33人機(jī)界面產(chǎn)品的基本功能：(1) 過(guò)程可視化(2) 操作員對(duì)過(guò)程的控制(3) 顯示報(bào)警(4) 數(shù)據(jù)歸檔(5) 報(bào)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(guó)內(nèi)的MCGS、組態(tài)王等產(chǎn)品。 運(yùn)行系統(tǒng)：工程運(yùn)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(dòng)畫設(shè)計(jì)顯示動(dòng)態(tài)畫面，實(shí)現(xiàn)人與控制設(shè)備的交互操作。 報(bào)表能夠進(jìn)行組態(tài)，例如有日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表、實(shí)時(shí)報(bào)表的組態(tài)，操作簡(jiǎn)單，功能齊全。根據(jù)水箱的進(jìn)水閥設(shè)置內(nèi)存離散的變量，定義為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。如圖 52 所示。39 （a） （b）40 圖 55 主界面開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程依此方法完成對(duì)實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、報(bào)警界面等的設(shè)計(jì)，如圖 56 所示。if(menuindex==2)showpicture(報(bào)警界面)44對(duì)其他的按鈕、畫面等的定義設(shè)置，均可按照上述方法來(lái)做，這里就不再詳