【正文】 傳感器輸出 4~20mA 電流信號，通過負(fù)載電阻 250Ω轉(zhuǎn)換成 1~5V電壓信號。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時，設(shè)定值與控制變量平衡， PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為零，電動調(diào)節(jié)閥就維持在那個開度，流量也不變，同時水箱的液位也維持不變。為了實現(xiàn) 手動方式到自動方式的無擾動切換，轉(zhuǎn)換前必須把當(dāng)前的手動控制 23 輸出值寫入回路表的 nM 欄。 回路輸出轉(zhuǎn) 換為對應(yīng)的實數(shù)的指令序列如下： L MD108 //將回路輸出送入累加器 22 R //僅雙極性數(shù)才有此語句 *R 64 //單極性變量應(yīng)乘以 32 將代表回路輸出的實數(shù)轉(zhuǎn)換成 16 位整數(shù)的指令序列如下： RND //將實數(shù)轉(zhuǎn)換為 32 位整數(shù) T PQW0 //將 16 位整數(shù)寫入模擬輸出 (D/A)寄存器 ? 正作用與反作用 增益為正時為正作用回路，反之為反作用電路。 （ 2） 使用 PID 指令 表 31 擴充臨界比例法 PID 參數(shù)計算公式 控制度 調(diào)節(jié)規(guī)律 crTT crC KK crI TT crDTT PI PID PI PID PI PID PI PID 模擬調(diào)節(jié)器 PI PID S7300 提供 PID 控制用的 PID 功能指令，它們實際上是用于 PID 控制的子程序，與模擬量輸入 /輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用 PID 過程控制模塊的效果，但是價格便宜得多。在設(shè)計中用到一種在工程中廣泛應(yīng)用的擴充臨界比例法來整定 PID 參數(shù) ,它是一種基于系統(tǒng)臨 界振蕩參數(shù)的閉環(huán)整定法。 18 對于過程控制系統(tǒng)裝置，雙級水箱液位控制比單級水箱液位控制困難，會遇到許多的問題，滯后時間比較長，對于環(huán)境的變化多少會受一定的影響，如想要好的控制效果就要引入新的控制系統(tǒng)，運用單回路控制系統(tǒng)來控制是不能達(dá)到控制精度和要求。 比例積分調(diào)節(jié) 積分作用則是一種記憶 ,對誤差進(jìn)行累積 ,有利于消除靜差。采用增量型算式計算 M(n)的優(yōu)點是 :編程簡單，歷 史數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲單元少，運算速度快。比例積分作用則需要稍長的時間。 開啟單向泵電源開關(guān)，啟動動力支路，將 PLC 的輸出值迅速上升到小于等于60，將被控參數(shù)液位高度控制在 15cm 處。開啟單向泵電源開關(guān)，啟動動力支路，將被控參數(shù)液位高度控制在 。 PS 307 10A 模塊基本電路如圖 24 所示。 A/D 轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法。 S7300 的 CPU 模塊的方式選擇開關(guān)都一樣，有 4 種工作方式，通過可卸的專用鑰匙控制選擇。模塊式 PLC 由機架和模塊組成， S7300 是模塊化的中小型 PLC，適用于中等性能的控制要求。 (4) 智能控制 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實時性、容錯性以及對控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。 6) 成本可與繼電器控制盤競爭。 畢業(yè)論文（設(shè)計）工作計劃 2021． 12 看關(guān)于單片機原理的書籍； 看關(guān)于自動控制關(guān)于比例積分微分有關(guān)書籍； 看有關(guān)顯示電路，輸出控制電路和故障報警電路的書籍； 制定開題報告； 開始編寫論文： a 編寫所用到的各種元器件的原理和簡單介紹 b 完成主題設(shè)計思路 完成電路圖設(shè)計； 編寫主程序； 完成裝置的調(diào)試工作； 完成設(shè)計總結(jié) 接受任務(wù)日期 2021 年 12 月 6 日 要求完成日期 2021 年 3 月 8 日 學(xué) 生 (簽名 ) 2021 年 3 月 8 日 指 導(dǎo) 教 師 (簽名 ) 年 月 日 院長 (主任 ) (簽名 ) 年 月 日 I 摘 要 本次畢業(yè)設(shè)計的課題是基于 PLC 的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計。 可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller， PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 7) 輸入可為市電 8) 輸出可為市電，容量要求在 2A 以上，可直接驅(qū)動接觸器等。智能控制對于復(fù)雜的工業(yè)過程往往可以取得很好的控制效果。品種繁多的 CPU模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動控制任務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時更換模塊也很方便。 1) RUNP：可編程運行方式。被測模擬量的精度是所設(shè)定的積分時間的正函數(shù)。 PS 307 10A 模塊的輸入接單相交流系統(tǒng)，輸入電壓 120/230V， 50/60HZ，在輸入和輸出之間有可靠的隔離。上水箱的水位趨于平衡，平衡后輸出值、水箱水位高度和測量顯示值如表 21 所示。系統(tǒng)的被調(diào)量 — 水箱的水位趨于平衡后，紀(jì)錄 PLC 的輸出值、水箱液位 h2和 PLC 的測量顯示值如表 25 所示。比例作用則最終達(dá)不到設(shè)定值，而有余差。 PID 調(diào)節(jié)的各個環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過程 水箱液位控制系統(tǒng)目前主要采用 PID(比例積分微分 )控制方式，這種方式，對不同的控制對象要用不同的 PID參數(shù)。但積分作用如果太強 ,會引起較大超調(diào)或振蕩 ,且在實際當(dāng)中會經(jīng)常碰到積分飽和現(xiàn)象。串級控制系統(tǒng)、前饋補償控制、大時延預(yù)估控制等一類較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)就是適應(yīng)上述要求而產(chǎn)生的。這種方法實質(zhì)上是模擬調(diào)節(jié)器中采用的穩(wěn)定邊界法的推廣，用來整定離散 PID 算式中的 T、 KC、 TI和TD參數(shù)。 （ 3） 用自編的程序?qū)崿F(xiàn) PID 閉環(huán)控制 有的可編程控制器沒有 PID 過程控制模塊有的雖然有 PID 控制用的功能指 21 令，但是希望采用某種改進(jìn)的 PID 控制算法。對于增益為 的積分控制或微分控制，如果積分或微分時間為正，為正作用回路，反之為反作用回路。 PID 指令對回路表內(nèi)的值進(jìn)行下列操作，保證檢測到能流從 0 到 1 的正跳變時，從手動方式無擾動地切換到自動方式： 1) 令給定值 ( nSP )=過程變量 )( nPV 。 系統(tǒng)的控制框圖如 圖 41 所示。 零點和量程調(diào)整： 零點和量程調(diào)整電位器位于中繼箱內(nèi)的另一側(cè)。 圖 43 壓力變送器的接線圖 26 接線說明：傳感器為二線制接法，它的端子位于中繼箱內(nèi)，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源 24V+接中繼箱內(nèi)正端 (+)，中繼箱內(nèi)負(fù)端 (— )接負(fù)載電阻的一端，負(fù)載電阻的另一端接 24V。經(jīng)過運算后即輸出控制信號給電動調(diào)節(jié)閥，使其開度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲水量，液位升高。 PID 指令中的 TBL 是回路表的起始地址， LOOP 是回路編號 (見圖 35)， PID 指令有一個能流記憶位，用該位檢測到 EN 端的能流從0 到 1 正跳變時，指令將執(zhí)行一系列的操作，使 PID 從手動方式切換到自動方式。這一部用下式將回路輸出轉(zhuǎn)換成實數(shù)： Spano ffsetMR nS ca l ??? )( 式中， RScal 是回路輸出對應(yīng)的實數(shù)值， Mn 是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實數(shù)值， Offset與 Span 與上述的定義相同。但這種模塊的價格昂貴，一般在大型系統(tǒng)中使用。反復(fù)調(diào)試直到滿意為止。但是在有些情況下，例如有些被控過程的動特性決定了它很難控制，又例如有些工藝過程對控制質(zhì)量的要求很高，此時單回路控制系統(tǒng)就滿足不了要求，需要開發(fā)和運用新的控制系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高控制 質(zhì)量。 ? 的臨界值可以根據(jù)實驗測定。采用平移法保存這些數(shù)據(jù)?？梢钥闯霰壤e分微分作用效果為最佳，能迅速地使 T(s)達(dá)到設(shè)定值 1。由式中的 K、 T1和 T2須從由實驗求得的階躍響應(yīng)曲線上求出。 在一階單容上水箱對象特性測試實驗中，先設(shè)定輸出值的大小，這個值根據(jù)出水閥門的開度大小來設(shè)定，初次設(shè)定的值為 46。系統(tǒng)選用10A 的電源模塊。 圖 21 SM 331 端子接線圖 SM 331 模入模塊主要由 A/D 轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補償電路、恒流源、光電隔離元件、邏輯電路組成。 CPU 313 是具有更大存儲器、低成本的解決方案。 3 2 S7300 中小型 PLC 和控制對象介紹 西門子 PLC 控制系統(tǒng) 西門子的中小型 PLC S7300 系列采用模塊式結(jié)構(gòu)，用搭積木的方法來組成系統(tǒng)。目前，比較成熟的自適應(yīng)控制分三類： A、自整定調(diào)節(jié)器及其它簡單自適應(yīng)控制器； B、模型參考自適應(yīng)控制； C、自校正調(diào)節(jié)與控制。 5) 數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機。 （ 3）采樣時間 Ts=；積分時間 Ti=30S；微分時間 Td=0S。 可編程邏輯控制器實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，基本構(gòu)成 為： 電源 、 中央處理單元 (CPU)、 存儲器 、 輸入輸出接口電路 、 功能模塊 、 通信模塊 。 9) 擴展時原系統(tǒng)改變最小。常見的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級遞階智能控制、專家控制、人工 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制等。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴大和更為復(fù)雜的時候，可以增加模塊，對 PLC 進(jìn)行擴展。 CPU掃描用戶程序，既可以用編程裝置從 CPU 4 中讀出，也可以由編程裝置裝入 CPU中，用編程裝置可以監(jiān)控程序的運行。 SM 331 可選用 4 檔積分時間： 、 、 20 和 100ms，相對應(yīng)的以位表示的精度： 1 1 14。輸出電壓允許范圍 20( %5? )V，最大上升時間 ，最大殘留紋波 150mV， PS 307 可安裝 在導(dǎo)軌上，除了給 S7300 供電，也可給 I/O 模塊提供負(fù)載電源。 表 21 第一次穩(wěn)定后的紀(jì)錄值 PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 46 迅速增加 PLC 手動輸出值，增加 5%的輸出量，此引起的階躍響應(yīng)的過程參數(shù)如表 22 所示。 表 25 二階雙容下水 箱對象特性實驗第一次穩(wěn)定后的紀(jì)錄值 PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 54 迅速增加 PLC 手動輸出值，增加 10%的輸出量，這時的階躍響應(yīng)過程參數(shù)如表 26 所示，它的過程變化曲線如圖 211 所示。 15 圖 32 P、 PI、 PID 調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 為了方便計算機實現(xiàn) PID控制算式，必須把微分方程式 (31)改寫成差分，作如下的近似，即 ?? ?? njt jTeedt 00 )( (32) T nenedtde )1()( ??? (33) 其中 T為控制周期， n為控制周期序號 (n=0， 1， 2， 比例控制與其調(diào)節(jié)過程 比例作用實際上是一種線性放大 (縮小 ) 功能。在 I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比。 串級控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖 33 所示。下面就對擴充臨界比例法進(jìn)行簡單的介紹。在上述情況下，都需要用戶自己編制 PID 控制程序。選擇作用或反作用的原則是保證系統(tǒng)是負(fù)反饋而不是正反饋。 2) 令上一次的過程變量 )( 1?nPV =過程變量的當(dāng)前值 )( nPV 。 其中 SP 為給定信號，由用戶通過計算機設(shè)定，PV為控制變量，它們的差是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號，經(jīng)過 PLC 的 PID 程序運算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號經(jīng)過 PLC 的 D/A 轉(zhuǎn)換成 4~20mA 的模擬電信號后輸出到電動調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設(shè)定值。校正時打開中繼箱蓋，即可進(jìn)行調(diào)整，左邊的 (Z)為調(diào)零電位器，右邊的 (R)為調(diào)增益電位器。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 0~10KPa，精度為 %? ，由 24V直流電源供電，可以從 PLC 的電源中獲得，輸出為 4~20mA直流，接線如圖 43 所示。 當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時，壓力變送器檢測到的信號小于設(shè)定值，設(shè)定值與反饋值的差就是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號。 控制方式與出錯處理 S7300 的 PID 指令沒有設(shè)置控制方式，執(zhí)行 PID 指令為“自動”方式，不執(zhí)行 PID 指令為“手動”方式。這一過程是將 PV與 SV轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值的逆過程。 在 PLC 中的 PID 控制的編程 可編程控制器對模擬量進(jìn)行 PID 控制，可以采用以下幾種方法： （ 1） 使用 PID 過程控制模塊 這種模