【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 樣的特殊功能單 元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車(chē)、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了 PLC 的應(yīng)用。目前，我國(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的 CF 系列、杭州機(jī)床電器廠生 產(chǎn)的 DKK 及 D系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的 S 系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的 YZ 系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無(wú)錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國(guó)比較著名的 PLC 生產(chǎn)廠家。可以預(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入， PLC 在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。 8 西門(mén)子 S7200控制系統(tǒng) 圖 25西門(mén)子 S7200 SIMATIC S7200 系列是西門(mén)子公司 20 世紀(jì) 90 年代投入市場(chǎng)的小型可編程序控制器，適用于各行各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。 S7200 系列的 強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。 S7200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1）極高的可靠性； （ 2）極豐富的指令集； （ 3）易于掌握； （ 4）便捷的操作； （ 5）豐富的內(nèi)置集成功能； （ 6）實(shí)時(shí)特性； （ 7）強(qiáng)勁的通訊能力； （ 8）豐富的擴(kuò)展模塊。 S7200 PLC 硬件系統(tǒng)的配置方式：主機(jī)中包含一定量的輸入 /輸出點(diǎn) ,同時(shí)還可以擴(kuò)展 I/O 模塊和各種功能模塊。 西門(mén)子 S7200 完整 的 系統(tǒng)組成 ： （ 1） 基本單元包括 CPU、存儲(chǔ)器、基本輸入 /輸出點(diǎn)和電源等，是 PLC 的主要部分。 （ 2） 擴(kuò)展單元是主機(jī) I/O 點(diǎn)數(shù)量不能滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的要求時(shí)，用戶(hù)可根據(jù)需要擴(kuò)展各種 I/O 模塊。 （ 3） 特殊功能模塊是當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時(shí) ,需要擴(kuò)展功能模塊 ,它們是完成某種特殊任務(wù)的一些裝置。 9 （ 4） 相關(guān)設(shè)備是為充分和方便的利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開(kāi)發(fā)和使用的一些設(shè)備。 （ 5） 工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設(shè)備而開(kāi)發(fā)的與之配套的程序。 S7200 系列是專(zhuān)為工業(yè)場(chǎng)合設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由 CPU、電源、存儲(chǔ)器和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。 CPU一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片上。 CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出接口電路相連接。 存儲(chǔ)器有兩種類(lèi)型：只讀類(lèi)型的存儲(chǔ)器 EEPROM 和讀寫(xiě)隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM，它們集成在 CPU 模塊內(nèi)部。輸入輸出單元包含兩部分：一是與被控設(shè)備相連的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。輸入輸出接口電路都采用了電氣隔離技術(shù)，具有很高的可靠性和極強(qiáng)的抗干擾能力。 CPU 模塊 CPU 是可編程控制器的控制中樞，相 當(dāng)于人的大腦。 CPU 一般由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成。這些電路通常都被封裝在一個(gè)集成的芯片上。 CPU通過(guò)地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出接口電路連接。 CPU 的功能有 :它在系統(tǒng)監(jiān)控程序的控制下工作，通過(guò)掃描方式，將外部輸入信號(hào)的狀態(tài)寫(xiě)入輸入映象寄存區(qū)域， PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶(hù)指令，按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算等，然后將結(jié)果送到輸出映像寄存區(qū)域。 I/O 單元及 I/O 擴(kuò)展接口 （ 1） I/O 單元 PLC 內(nèi)部輸入電路作用是將 PLC 外部電路（如行程 開(kāi)關(guān)、按鈕、傳感器等）提供的符合 PLC輸入電路要求的電壓信號(hào)，通過(guò)光電耦合電路送至 PLC內(nèi)部電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容波濾的方式提高抗干擾能力，輸入響應(yīng)時(shí)間一般在 — 15ms 之間。根據(jù)輸入信號(hào)形式的不同，可分為模擬量 I/O 單元、數(shù)字量I/O 單元兩大類(lèi)。根據(jù)輸入單元形式的不同，可分為基本 I/O 單元、擴(kuò)展 I/O單元兩大類(lèi)。 PLC 的基本組成如圖 32所示。 10 圖 26 PLC 的基本組成部分 （ 2） I/O 擴(kuò)展接口 可編程控制器利用 I/O 擴(kuò)展接口使 I/O 擴(kuò)展單元與 PLC 的基本單元實(shí)現(xiàn)連接，當(dāng)基本 I/O 單元的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠使用時(shí)，可以用 I/O擴(kuò)展單元來(lái)擴(kuò)充開(kāi)關(guān)量 I/O 點(diǎn)數(shù)和增加模擬量的 I/O 端子。 電源部分 電源單元的作用是把外部電源（ 220V 的交流電源）轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。外部連接的電源，通過(guò) PLC 內(nèi)部配有的一個(gè)專(zhuān)用開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流 /直流供電電源轉(zhuǎn)化為 PLC 內(nèi)部電路需要的工作電源（直流 5 伏、正負(fù) 12伏、 24 伏），并為外部輸入元件（如接近開(kāi)關(guān)）提供 24V 直流電源（僅供輸入端點(diǎn)使用），而驅(qū)動(dòng) PLC 負(fù)載的電源由用戶(hù)提供 。 西門(mén)子 S7200的工作原理 S7200 采用循環(huán)掃描方式， 一個(gè)掃描周期一般包括五個(gè)階段 :輸入處理、執(zhí)行程序、處理通訊請(qǐng)求、執(zhí)行 CPU 自診斷測(cè)試和寫(xiě)輸出。 輸入處理階段對(duì)個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行輸入掃描，并將各掃描結(jié)果分別寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的映像寄存器中。 在執(zhí)行程序階段， CPU 從第一條指令開(kāi)始順序取指令并執(zhí)行，直到最后一條指令結(jié)束。執(zhí)行指令時(shí)從映像寄存器中讀取各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，每條指令的執(zhí)行是對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果送到輸出映像寄存器中。 在掃描周期的信息處理階段， CPU 自動(dòng)檢測(cè)并處理各通訊端口接收到的任何信息。即檢查是否有編程器、計(jì)算機(jī)等的通信請(qǐng)求， 若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，在這一階段完成數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。 CPU 自診斷階段， CPU 檢測(cè)主機(jī)硬件，同時(shí)也檢查所有的輸入輸出模塊的狀 11 態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)異常，則停機(jī)并顯示出錯(cuò)。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。 寫(xiě)輸出階段， CPU 用輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)幾乎同時(shí)集中對(duì)輸出點(diǎn)進(jìn)行刷新，通過(guò)輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備所能接受的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備。掃描周期執(zhí)行的任務(wù)依賴(lài)于 CPU 的工作模式， S7200 CPU 有兩種操作模式： STOP模式和 RUN 模式。對(duì)于掃描周期， STOP 模式和 RUN 模式的主要差別是在 RUN 模式下運(yùn)行用戶(hù)程序，而在 STOP 模式下不運(yùn)行用戶(hù)程序。 12 第三章 算法設(shè)計(jì) 水箱液位控制系統(tǒng)原理框圖 本論文對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，所謂簡(jiǎn)單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)變送單元（檢測(cè)元件及變送器）、以個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，也稱(chēng)為單回路控制系統(tǒng)。 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象、 液位 變送裝置、 調(diào)節(jié) 器和執(zhí)行器。對(duì)于不同對(duì)象的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用 相同的方框圖表示： 圖 31控制系統(tǒng)框圖 由這個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通用的框圖設(shè)計(jì)出水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖如 ： 圖 32系統(tǒng)原理框圖 這是單回路水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)保持一個(gè)參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。 液位變送器 + PID 控制器 電動(dòng)控制閥 電動(dòng)控制 閥閥器 閥 電動(dòng)控制 閥閥器 閥器 液位 _ 水箱 被控變量 擾動(dòng) —— 偏差 操縱 變量 調(diào)節(jié) 器 執(zhí)行器 被控對(duì)象 液位 變送器 擾動(dòng)通道 擾動(dòng) 13 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 該系統(tǒng)主要是自衡的非振蕩過(guò)程，即在外部階躍輸入信號(hào)作用下，過(guò)程原有的平衡狀態(tài)被破壞，并在外部信號(hào)作用下自動(dòng)的非震蕩地穩(wěn)定到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)，這一大類(lèi)是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)的過(guò)程。 （ 1） 確定過(guò)程的輸入變量和輸出變量 如下圖所示，流入水箱的流量 1F 是由進(jìn)料閥 1來(lái)控制的；流出水箱的流量 2F 取決于水箱液位 L 和出料閥 2的開(kāi)度，而出料閥的開(kāi)庫(kù)是隨 用戶(hù)的需要而改變的。這里，液位 L 是被控變量（即輸出變量），進(jìn)料閥 1為控制系統(tǒng)中的控制閥，它所控制的進(jìn)料流量 1F 是過(guò)程的控制輸入（即操縱量），出料流量2F 是外部擾動(dòng)。本設(shè)計(jì)以進(jìn)料流量 1F 作為輸入變量。 （ 2）根據(jù)過(guò)程內(nèi)在 原 理，列寫(xiě)原始方程 根據(jù)物料平衡關(guān)系，當(dāng)過(guò)程處于原有穩(wěn)定狀態(tài)是，水箱液位保持不變，其靜態(tài)方程為： 10F 20F =0 （ 1— 6） 10F 、 20F 分別為原穩(wěn)定狀態(tài)下水箱的進(jìn)料流量和出料流量，當(dāng)進(jìn)料流量1F 突然增大是，水箱原來(lái)的平衡狀態(tài)被破壞，此時(shí)進(jìn)料量大于出料量，多余的液體在水箱內(nèi)儲(chǔ)存起來(lái)，使其液位升高。設(shè)水箱液體的儲(chǔ)存量為 V，則 單位時(shí)間內(nèi)出料流量與進(jìn)料流量之差等于水箱液體儲(chǔ)存量的凈增量。 其 動(dòng)態(tài)方程為： 1F 2F =dtdv （ 1— 7） 1F = 110 FF ?? 、 1202 FFF ??? ， 1F? 、 2F? 分別為 1F 和 2F 的增量。設(shè)水箱截面積為 A，則有 V=AL，其增量形式為 dV=AdL，即： 2 L 1F 2F 1 t L(? ) L(t) L(0) 圖 33水箱液位過(guò)程及其階躍響應(yīng)曲線 14 dtdLAdtdV? （ 1— 8） 將 1F = 110 FF ?? 、 1202 FFF ??? 和式（ 1— 8）代入式（ 1— 7），得 ： dt LdAFFFF ??????? 220210 （ 1— 9） 將式（ 1— 9）減去式（ 1— 6）可得用新增量形式表示的動(dòng)態(tài)方程式，為： dtLdAFF ????? 21 （ 1— 10） （ 3）消去中間變量，簡(jiǎn)化，求的微分方程式 中間變量式原始方程式中出現(xiàn)的一些既不是輸入變量也不是輸出變量的工藝變量。式（ 1— 10）中， 2F? 為中間變量。 2F 與輸出變量 L的關(guān)系可表示為： 2F = Lk k ：比例系數(shù) （ 1— 11） 當(dāng)只考慮液位與流量均在有限小的范圍內(nèi)變化式，就可以認(rèn)為出料流量與液位變化呈線性關(guān)系。將式（ 1— 11）改寫(xiě)成增量形式： LLkF ??? 02 2 令RLk 12 ?，則有： RLF ??? 2 （ 1— 12） 將式（ 1— 12）代入式（ 1— 10）中，即得 ： 1FRLdt ldRA ????? （ 1— 13） 式（ 1— 13）即為水箱液位過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。由此可見(jiàn)，這是一個(gè)一階微風(fēng)方程，液位過(guò)程為一階過(guò)程。將該式寫(xiě)成的一階過(guò)程的微風(fēng)方程的 標(biāo)準(zhǔn)形式： )()()( txKtydt tydRC ????? （ 1— 14） 或 )()()( txKtydt tydT ????? （ 1— 15） T 為一階過(guò)程的時(shí)間常數(shù)， RCT? ,具有時(shí)間量綱； K 為一階過(guò)程的放大系數(shù)，具有放大倍數(shù)的量綱； )(ty 為一階過(guò)程的輸出變量； )(tx 為一階過(guò)程的輸入變量； R 為阻力系數(shù)， R =液位的變化量 / 出料流量的變化量； C 為容量系數(shù)， C =儲(chǔ)存的物料變化量 / 液位的變化量。 當(dāng)被控變量的檢測(cè)地點(diǎn)與產(chǎn)生擾動(dòng)的地點(diǎn)之間由一段物料傳輸距離時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)滯后。在控制過(guò)程中，若進(jìn)料閥安裝在與水箱進(jìn)料口有一段距離，則當(dāng)進(jìn)料 15 閥開(kāi)度變化而引起進(jìn)料流量變化后，液體需要經(jīng)過(guò) 一段傳輸時(shí)間 0? 才能流入水箱，使液位發(fā)生變化并被檢測(cè)出來(lái)。顯然液體流經(jīng)這段距離所需時(shí)間 0? 完全是傳輸滯后造成的。純滯后一階過(guò)程的微風(fēng)方程為： )()()( 0??????? txKtydt tydT 具有純滯后的一階過(guò)程的特性與放大系數(shù) K 、時(shí)間常數(shù) T 和純滯后時(shí)間 0? 有關(guān) 綜上所述，水箱液位控制系統(tǒng)是一個(gè)一階 自衡過(guò)程，其特性可用放大