【文章內(nèi)容簡介】 PLC 的定義 美國電氣制造商協(xié)會 NEMA 經(jīng)過四年的調(diào)查工作，于 1980 年首先將其正式命名為 PLC Programmable Logic Controller，并給 PLC 作了如下定義 “ PLC是一個數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲存指令。用來執(zhí)行諸如邏輯，順序，計時， 計數(shù)與演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入 /輸出模塊，以控制各種機械或工作程序。一部數(shù)字電子計算機若是從事執(zhí)行 PLC 的功能，亦被視為 PLC ，但不包括鼓式或類似的機械式順序控制器。” 國際電工委員會 ICE 在 1982 年 11月頒發(fā)了對 PLC的標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，在 1985 年 1月頒發(fā)了對PLC 的標(biāo)準(zhǔn)草案第二稿， 1987 年 2 月也頒發(fā)了對 PLC 的標(biāo)準(zhǔn)草案第三稿。草案中對 PLC 定義如下：“可編程控制器 PLC 是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編基于 PLC 的串級控制系統(tǒng)設(shè)計（論文題目） 2 程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并 通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。” PLC 的發(fā)展現(xiàn)狀 1969 年，第一臺可編程邏輯控制器 PDP14 由 美國數(shù)字設(shè)備公司研制出 ， 并 在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這是第一代可編程邏輯控制器，稱 Programmable，是世界上公認(rèn)的第一臺 PLC。 1969年，美國研制出世界第一臺 PDP14。 1971年，日本研制出第一臺 DCS8。 1973年，德國研制出第一臺 PLC。 1974年，中國研制出第一臺 PLC。 20 世紀(jì) 70 年代初 由于 微處理器 的出現(xiàn)， 可編程邏輯控制器引入微處理器，使可編程邏輯控制器增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。 從此之后 可編程邏輯控制器 成 為 了 微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個人計算機發(fā)展起來后，為了方便 和 反映可編程控制器的功能特點，可編程邏輯控制器定名為 Programmable Logic Controller。 20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程邏輯控制器進(jìn)入實用化發(fā)展階段， 此時， 可編程控制器 與 計算機技術(shù) 相互結(jié)合 ， 讓 可編程控制器功能發(fā)生 重大的變化，邏輯 運算速度 更快 、體積 更小 、抗干擾 能力更強 、 實現(xiàn)了 模擬量運算 和 PID 控制 功能 ，這使得 可編程控制器 逐步占據(jù)了 現(xiàn)代工業(yè) 控制 的 主導(dǎo)地位 。 20 世紀(jì) 80 年代初，可編程邏輯控制器在 工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的國家 獲得廣泛應(yīng)用。 同時 世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，可編程邏輯控制器 的 產(chǎn)量 也隨之增加 。 20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是可編程邏輯控制器發(fā)展 最快 的時期， 每 年可編程邏輯控制器 的 產(chǎn)量保 持 40%~30 增長率 。在這時期，可編程邏輯控制器在處理 邏輯 運算 、 模擬量 計算、 人機接口 等方面 能力 上得到了提高和改進(jìn) ，可編程邏輯控制器逐漸 在 過程控制領(lǐng)域 占據(jù)主導(dǎo)地位 ，取代了 DCS系統(tǒng)在過程控制領(lǐng)域 的 統(tǒng)治地位。 20 世紀(jì)末期，可編程邏輯控制器 在滿足 現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展需要的特點 上有了更進(jìn)一步的的提高 。在 這個時期大型機和超小型機 得到了發(fā)展 、可編程邏輯控制器 的也增加了 特殊功 能單元 ，并出現(xiàn)了與 可編程邏輯控制器 相兼容的 各種人機界面單元、通信單元，使可編程邏輯控制器的工業(yè)控制 過程中的應(yīng)用更加廣泛 。 寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 作為離散控制的 主要 產(chǎn)品， PLC 在我國的應(yīng)用已有 30 年的歷史， PLC 自 從 20 世紀(jì) 70 年代后期進(jìn)入中國以來，應(yīng)用十分 廣泛 。 PLC進(jìn)入中國時最初是成套設(shè)備引 進(jìn)應(yīng)用，由于 PLC 價格昂貴，引進(jìn)的 PLC 主要用于冶金、電力、自動化生產(chǎn)線等大 型 設(shè)備 ， 在引進(jìn)國外 PLC 產(chǎn)品的過程中，我國相關(guān)單位消化、吸收 PLC 的關(guān)鍵技術(shù)，試圖對 PLC 進(jìn)行國產(chǎn)化。到 80 年代 ， 在上海、北京、西安、廣州、長春等 20 多家科研單位、大專院校和工廠研制和生產(chǎn) PLC 產(chǎn)品，具體的單位有：上海自力電子設(shè)備廠、中科院北京計算機所及自動化所、上海香島機電 公司、長春一汽、上海工業(yè)自動化儀表研究所、成都機床電器研究所、上海起重電器廠、大連組合機床研究所、北京機械工業(yè)自動化研究所等單位。但終因缺乏資金和后續(xù)研究力量、生產(chǎn)技術(shù)相對落后，都沒有成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，PLC 產(chǎn)品運作是否成功不是由簡單的一兩種因素決定的。 近 10年來，隨著 PLC 價格的不斷降低和用戶需求的不斷 增大 ，越來越多的中小 型 設(shè)備開始采用 PLC 進(jìn)行控制 。國產(chǎn) PLC 在技術(shù)特點上與西門子和三菱類似或與其兼容 。 目前國產(chǎn) PLC廠商眾多，主要集中于臺灣、北京，浙江、江蘇和深圳，臺灣的品牌有：永宏、臺達(dá)、盟立、士林、豐煒、智國、臺安。 但 各個廠商規(guī)模也不一樣，北京和利時和浙大中控都是在DCS 系統(tǒng)具有優(yōu)勢之后，再滲透 PLC 市場，和利時已于 2021 年開始推廣 PLC ，現(xiàn)在在國內(nèi)已經(jīng)有一定知名度，浙大中控從最近開始推廣 PLC，杭州還有浙大中自生產(chǎn) PLC。但是 PLC生產(chǎn) 無論是從規(guī)模 上 還是產(chǎn)品系列上都無法與國際大廠商 相 抗衡，而且國產(chǎn) PLC 生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的 PLC 主要集中于中小型 PLC， 而且 也有很多是貼牌生產(chǎn)或是仿造生產(chǎn)，真正自主研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)只是其中的一部分 ， 國產(chǎn)廠商中臺灣廠商比大陸廠商做得好，其中大陸廠商中 PLC銷售額達(dá)到兩三千萬都是比較好的 。 過程控制常用的控制算法 過程控制在石油、化工、電力、冶金等 相關(guān)領(lǐng)域都 有廣泛的應(yīng)用。 20 世紀(jì) 50 年代，過程控制主要用 是為了通過 保持 參數(shù)變量 不變 從而 保證 產(chǎn)品數(shù)量與 質(zhì)量穩(wěn)定。 60 年代， 由于 各種檢測裝置 、組合儀表的 產(chǎn)生 ，過程控制開始過渡到 檢測監(jiān)視 集中 化 、操作控制 集中化 。 70 年代，自動化 管理與 過程控制最優(yōu)化相結(jié)合 ，產(chǎn)生了 計算機多級控制系統(tǒng) 。 80 年代，過程信息 處理與 過程控制系統(tǒng)相結(jié)合，功能 變得更加強大 。 工業(yè)中的過程控制是指以溫度、壓力、流量、液位和成分等工藝參數(shù)作為被控變量的自動控制。過程控制的控制 方法十分廣泛，常用的包含有 單回 路控制，多回 路控制 ，純滯后控制， 模型預(yù)測控制 ， 模糊控制 等。 基于 PLC 的串級控制系統(tǒng)設(shè)計（論文題目） 4 單回路控制 單回路控制系統(tǒng)又稱單回路反饋控制系統(tǒng)，在所有的反饋控制系統(tǒng)中單回路控制系統(tǒng)是最簡單最基本的一種，因此它又被稱為簡單控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)有 4 個基本環(huán)節(jié)組成，分別為：被控對象、測量變送裝置、控制器、控制閥，是一個簡單的 PID 控制。 多回路控制 在工業(yè)控制過程中，由于被控對象的動態(tài)特性或工藝操作的的特殊要求，為了提高控制系統(tǒng)的精度，這時往往需要在單個 PID 控制的基礎(chǔ)上，構(gòu)成多回路控制系統(tǒng)，其中具有廣泛應(yīng)用的是串級控制和前饋反饋控制。 純滯后控制 在工業(yè)控制過程中，由于物料傳送的延時，能量的流失，使得被控對象具有純滯后的特性，而這種滯后又會影響控制系統(tǒng)的控制性能。當(dāng)被控對象的滯后時間 ? 和被控對象的時間常數(shù) T 的比值大于 時，采用常用的 PID 控制會讓系統(tǒng)的超調(diào)量非常大，使細(xì)牙痛的穩(wěn)態(tài)性能變差。故工業(yè)上常用施密斯預(yù)估計控制或大林算法進(jìn)行控制。 模型預(yù)測控制 預(yù)測控制是一種先進(jìn)的控制技術(shù)，和常用的 PID 控制不同，預(yù)測控制不是僅僅根據(jù)偏差來確定控制器的輸出，而是根據(jù)當(dāng)前值與過去值的偏差和由預(yù)測模型預(yù)測的未來的輸出值，來優(yōu)化確定當(dāng)前的輸出值的控制策略。 模糊控制 模糊控制 又稱 模糊 邏輯 控制 ，是從屬于智能控制的范疇的一種以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種非線性的計算機數(shù)字控制技術(shù)。所謂模糊控制 ,就是在控制方法上用計算機模擬操作者的控制動作，不是純粹采用純數(shù)學(xué)建模的方法，而是結(jié)合專家的知識和思維 ,進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想決策的過程，在想代工業(yè)中應(yīng)用廣泛。 寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 串級控制的工業(yè)應(yīng)用 和一般的單回路反饋控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)擁有許多優(yōu)點。串級控制系統(tǒng)能改善被控對象的動態(tài)特性、提高控制系統(tǒng)的控制性能、提高控制系統(tǒng)的控制精度，同時能迅速克服副回路的二次擾動，提高系統(tǒng)的工作頻率，以及對負(fù) 荷變化的適應(yīng)性較強等。 用于克服被控過程較大的容量滯后 在過程控制系統(tǒng)中， 存在一些 被控 對象 的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等 變化緩慢的 參數(shù)時，如果 系統(tǒng)的 控制要求較高，采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。利用串級控制系統(tǒng) 的 二次 副 回路 可以 改善動態(tài)過程，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對過程的影響，提高系統(tǒng)工作頻率 ， 加快響應(yīng)速度。在構(gòu)造二次回路時，應(yīng)該選擇一個滯后較小 環(huán)節(jié)作為 的副回路，副回路保證快速動作 。 用于克服被控過程的純滯后 如果 被控過程中存在純滯后 ，就 會嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，使控制 系統(tǒng)不能 達(dá)到 生產(chǎn)工藝的要求。使用串級控制系統(tǒng)，在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路 。 當(dāng)擾動作用于副回路時，在它影響主參數(shù)之前，由副回路實現(xiàn)對主要擾動的控制，從而克服純滯后的影響。把主要擾動 信號 包含在副回路中，提高副回路對系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對主被控量的影響 ，改善控制系統(tǒng)的控制 性能 。 用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動 串級控制系統(tǒng)的副回路對于回路內(nèi)的擾動具有很強的抑制能力。只要在設(shè)計時把變化劇烈幅度大的擾動包含在副回路中，就可以大大減小這種變化激烈而幅度大的擾動對主參數(shù)的影響。 用于克服 被控過程的非線性 在過程控制 過程 中，一般的被控 量 都存在著一定的非線性。這 使得 負(fù)載變化時整個系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動態(tài) 性能 。單回路系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，由于串級控制系統(tǒng)的副回路是隨動控制系統(tǒng)，具有一定的自適應(yīng)性，在一定程度上可以補償非線性對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。 基于 PLC 的串級控制系統(tǒng)設(shè)計（論文題目） 6 畢業(yè)設(shè)計的主要任務(wù) 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，由于被控對象的動態(tài)特性或工藝操作條件等原因，對控制系統(tǒng)提出了一些特殊的要求，這是需要在 PID控制的基礎(chǔ)上，構(gòu)成多回路控制系統(tǒng)，串級控制在工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。串級控制是在單回路 PID 控制的基 礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種控制結(jié)構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)中同時有幾個因素影響一個被控變量時，如只控制其中一個因素，將難以滿足系統(tǒng)的控制性能，串級控制在原控制回路中增加一個控制內(nèi)回路，用以控制可能引起被控量變化的其他因素，可有效降低被控變量的時滯，提高系統(tǒng)的快速性。 本設(shè)計要求能自學(xué)西門子 PLC S7200 系列的可編程控制器的相關(guān)內(nèi)容及控制方法，在 STEP7與組態(tài)環(huán)境下，對一水箱系統(tǒng)的液位進(jìn)行串級控制，要求在規(guī)定的時間內(nèi)達(dá)到液位控制精度要求，需完成水箱對象的分析整定，控制器的設(shè)計，并對結(jié)果進(jìn)行分析討論。 本課題的主要任務(wù)：了 解串級控制的設(shè)計方法及 PLC 控制技術(shù)目前在工業(yè)控制中應(yīng)用及相關(guān)的產(chǎn)品，通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料熟悉西門子 PLC 的工業(yè)控制應(yīng)用，及編程技術(shù)。以此為基礎(chǔ)能對一水箱液位對象進(jìn)行 PLC 控制，使液位控制效果達(dá)到預(yù)先給定的要求。使控制系統(tǒng)滿足 %15?? ，控制系統(tǒng)在 的控制度下的調(diào)節(jié)時間較小，穩(wěn)態(tài)誤差 cmess ? 。 本課題的目標(biāo)：對容水箱液位對象進(jìn)行 PLC 串級控制，使液位控制效果達(dá)到預(yù)先給定的要求，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較。 寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 2 串級控制介紹 串級控制的意義 串級控制是基于單回路 PID控制基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種控制方法。當(dāng)系統(tǒng)中存在多個干擾信號，只控制一個干擾信號不能滿足控制要求。主回路是定值控制系統(tǒng)，對主控制器的輸出而言，副回路是隨動控制系統(tǒng)，對進(jìn)入副回路的擾動而言主，副回路是定值控制系統(tǒng)。串級控制在該基礎(chǔ)上，在原有的控制回路中，增加一個或幾個采用 PID控制的內(nèi)回路，這種具有一個執(zhí)行機構(gòu)和多個控制器的，并且 這些控制器一個接一個串聯(lián)起來，錢一個控制器的輸出作為后一個控制器的輸入，執(zhí)行機構(gòu)最后的控制器控制的系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)。 串級控制相對于其他控制方法的優(yōu)勢 串級控制系統(tǒng)增加了副回路，使性能得到改善，表現(xiàn)在以下幾個方面： ⑴ 抗擾性能 定性分析：當(dāng)擾動進(jìn)入副回路后，首先，副回路被控量檢測到擾動信號的影響，并通過副回路的控制作用及時調(diào)節(jié)操縱變量，使副被控量恢復(fù)到副設(shè)定值，從而使二次擾動對主回路被控量的影響減少，即副回路對擾動進(jìn)行粗調(diào)，主環(huán)回路再對擾動進(jìn) 行細(xì)調(diào)。因此，串級控制能迅速克服進(jìn)入副回路擾動信號的影響。 ⑵ 動態(tài)性能 由于副回路的作用，串級控制系統(tǒng)的副回路動態(tài)特性得到了改善，從而提高了整個控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。其主要影響可以從副回路的副被控對象的時間常數(shù)和相位兩方面對主回路產(chǎn)生影響。 由于副回路的作用，串級控制系統(tǒng)中含有兩個時間常數(shù)，根據(jù)控制理論中的錯開原理，如果一個控制系統(tǒng)中含有多個時間常數(shù)，只