【文章內(nèi)容簡介】 滿足各種要求的高性能模塊和三種 CPU適用于任一場合。 ? 模塊可擴展至最多三個擴展機架，相當(dāng)高的安裝密度。 ? 用于與 SIMATIC 其他產(chǎn)品相連的接口，集成了 MMI(人機界面 )設(shè)備，用戶友好的 Windows STEP7 編程，使得 S7300 成為對未來的安全投資。 CPU 模塊 系統(tǒng)選用的 CPU模塊為 CPU 313。它內(nèi)置 20KB RAM，最大可擴展 256KB FLASHEPROM 存儲卡，有 12KB 隨機存儲器，位操作、字操作、定時加、浮點加時間分別為 、 2s、 3s、 60s，最大模擬量 I/O 通道數(shù)為 32 個，最大配置 1個機架 8 塊模塊，使用的是軟件時鐘，有定時器 64 個，位存儲器 2048bit，可用模塊：組織塊 (OB)13 個，功能塊 (FB)128 個，功能調(diào)用 (FC)128 個，數(shù)據(jù)塊 (DB)127個，系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊 (SDB)6 個，系統(tǒng)功能塊 (SFC)34 個，系統(tǒng)功能塊 (SFB)沒有。 CPU 313 是具有更大存儲器、低成本的解決方案。 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。 1) RUNP：可編程運行方式。 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。在此位置鑰匙不能拔出。 2) RUN：運行方式。 CPU不掃描用戶程序，可以用變成裝置讀出并監(jiān)控 PLC的 CPU中的程序，但不能改變裝置存儲器中的程序。在此位置可以拔出鑰匙，防止程序正常運行時被改變操作方式。 3) STOP：停止方式。 CPU 不掃描用戶程序，可以通過編程裝置從 CPU 中讀出，也可以下 載程序到 CPU中。在此位置可以拔出鑰匙。 4) MERS：該位置瞬間接通，用以清除 CPU 存儲器。 CPU 模塊面板上有 6個 LED 指示燈，顯示運行狀態(tài)和故障。 模擬量輸入模塊 系統(tǒng)中從檢測裝置過來的模擬量需經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換才能輸入到 CPU 處理，這就要求 PLC 有模擬量輸入處理模塊。 SM 331 模擬量輸入 [簡稱模入 (AI)] 模塊目前有三種規(guī)格型號，即 128 ?AI 位模塊、 168 ?AI 位模塊和 122 ?AI 位模塊 。系統(tǒng)選用了 128 ?AI 位模入模塊，其端子接線圖如圖 21 所示。 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。 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。被測模擬量的精度是所設(shè)定的積分時間的正函數(shù)。 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。SM 331 的 8 個模擬量輸入通道共用一個積分式 A/D 轉(zhuǎn)換部件。 某一通道開始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起到再次開始轉(zhuǎn)換的時間是模入模塊的循環(huán)時間。 SM 331 的每兩個輸入通道構(gòu)成一個輸入通道組，可以按通道組任意選擇測量 5 方法和測量范圍。模塊上需要接 24V 的直流電壓 L+，有反接保護作用。不用的通道要在組態(tài)軟件中屏蔽掉，以免受干擾。 模擬量輸出模塊 經(jīng)過 CPU處理后的結(jié)果是數(shù)字量，而執(zhí)行機構(gòu)能接收的信號是模擬信號，這就要求 PLC 配有模擬量輸出模塊。 SM 332 模擬量輸出 [簡稱模出 (AO)]模塊目前有 3 種規(guī)格型號： 124 ?AO 位模塊、 122 ?AO 位模塊和 164 ?AO 位模塊。系統(tǒng)選用 124 ?AO 的模出模塊，其端子接線圖如圖 22 所示。 圖 22 SM 332 124 ?AO 位模入模塊端子接線圖 SM 332 可以輸出電壓，也可以輸出電流。在輸出電壓時，可以采用 2 線回路和 4 線回路與負載連接。 4 線回路的精度高，因此采用 4 線回路，它與負載的接線如圖 23 所示。 6 圖 23 通過 4 線回路將負載與隔離的模出模塊連接 電源模塊 PS 307 電源模塊是西門子公司為 S7300 專配的 DC24V電源， PS 307 系列模塊除輸出額定電流不同外 (有 10A)，其工作原理和參數(shù)都一樣。系統(tǒng)選用10A 的電源模塊。 PS 307 10A 模塊基本電路如圖 24 所示。 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。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 模塊提供負載電源。 圖 24 PS 307 電源模塊 (10A)基本電路圖 7 控制對象特性 一階單容上水箱特性 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 25 所示，電動調(diào)節(jié)閥由 S7300PLC 手動輸出，通 圖 25 上水箱液位控制系統(tǒng)原理圖 過階躍響應(yīng)測試確定系統(tǒng)的對象模型的各參數(shù)。階躍響應(yīng)測試法是系統(tǒng)在開環(huán)運行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動改變對象的輸入信號 (階躍信號 )。同時，記錄對象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)已給定對象模型的結(jié)構(gòu)形式，對實驗數(shù)據(jù)進行處理，決定模型中各參數(shù)。 由階躍響應(yīng)確定一階過程參數(shù)有兩種方法，一種是直角坐標圖解法，一種是半對數(shù)坐標圖解法。畢業(yè)設(shè)計運用直角坐標圖解法確定系統(tǒng)一階系統(tǒng)的參數(shù)。系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖 26 所示， t=0 時曲線斜率最大，之后斜率減小，逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值 h(∞ )，該曲線可用一階有時延環(huán)節(jié)來近似。 圖 26 一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 如圖 25 所示，設(shè)水箱進水口的進水量為 Q1，出水口出水量 Q2，水箱液面高度為 h。出水閥 4 固定于某一開度值。 根據(jù)物料動態(tài)平衡的關(guān)系，求得： 122 QRhdt hdCR ????? (21) 8 在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得： 11)()()(221 ????? TsKCsR RsQ sHsG (22) 式中， T 為水箱的時間常數(shù) (閥 4 的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù) )， T=R2*C，K=R2 為過程放大倍數(shù)， R2 為閥 4 的液阻， C 為水箱的容量系數(shù)。令輸入量Q1(s)=R0/s， R0 為常量，則輸出液位的高度為 TsKRsKRTss KRsH 1)1()( 000 ????? (23) 根據(jù)上式，需要確定的參數(shù)是過程放大系數(shù) K 和水箱的時間常數(shù) T。 當(dāng) t=T 時， 有 ）（）（）（ ??????? ? hKReKRTh 632063201 010 (24) 即 )1()( 0 TteKRth ??? (25) 當(dāng) t→∞時， h(∞ )=KR0，因而有 K=h(∞ )/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值 /階躍輸入。 過 t=0 作曲線切線，該切線與 h(∞ )線交于一點，則這段切線在時間軸上的投影即為時間常數(shù) T，見圖 26。 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。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 。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。 表 21 第一次穩(wěn)定后的紀錄值 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。，由此得到的 變化曲線如圖 27 所示。 表 22 增加 PLC 手動輸出后的過程參數(shù) t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(cm) 組態(tài)讀數(shù)(cm) 9 圖 27 增加輸出值后的變化曲線 進入新的平衡狀態(tài)，這時的數(shù)據(jù)如表 23 所示。 表 23 新的平衡狀態(tài)的數(shù)據(jù) PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 51 再將輸出儀表調(diào)回到系統(tǒng)第一次平衡前的位置，紀錄階躍響應(yīng)過程參數(shù)的曲線如圖 28 所示，階躍響應(yīng)過程參數(shù)如表 24。 表 24 輸出調(diào)回到原來的位置的階躍響應(yīng)參數(shù) t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(cm) 組態(tài)讀數(shù) (cm) 圖 28 調(diào)回到第一次平衡時的曲線 10 由上述的實驗可以根據(jù)前面所說的方法求出一階環(huán)節(jié)的參數(shù) T 和 K。 )(6 3 ??? hT 86)0()()( 00 ?????? R hhRhK 二階雙容下水箱對象特性 二階雙容水箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 29。這是由兩個一階非周期慣性環(huán)節(jié)串聯(lián) 圖 29 上水箱下水箱系統(tǒng)圖 起來的，被調(diào)量是第二水槽的水位 h2。當(dāng)輸入量有一個階 躍增加 ΔQ1時。被調(diào)量變化的反應(yīng)曲線如圖 210 所示的 Δh2曲線。它不再是簡單的指數(shù)曲線，而是呈 11 圖 210 被調(diào)量變化的反映曲線 S 型的一條曲線。由于多了一個容器，就使調(diào)節(jié)對象的飛升特性在時間上更加落后一步。在圖中 S 型曲線的拐角 P 上作切線，它在時間軸上截出一段時間 OA，這段時間可以近似地衡量由于多了一個容量而使飛升過程向后推遲的程度，因此稱容量滯后，通常以τ c代表之。 設(shè)上水箱進水口的流量為雙容水箱的輸入量，下水箱的高度 h2為輸出量，根據(jù)物料動態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，其傳遞函數(shù)為 seSTST KSGSQ SH ????????? )1)(1()()( )(2112 (26) 式中 K=R3， T1=R2C1， T2=R3C2， R R3分別為閥 5 和閥 6 的液阻， C1和 C2分別為上水箱和下水箱的容量系數(shù)。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。 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。系統(tǒng)的被調(diào)量 — 水箱的水位趨于平衡后，紀錄 PLC 的輸出值、水箱液位 h2和 PLC 的測量顯示值如表 25 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。 表 25 輸出增加后的階躍響應(yīng)參數(shù) t(秒 ) 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 水箱水位h1(cm) 組態(tài)讀 數(shù)(cm) 12 圖 211 輸出值增加后的二階系統(tǒng)的過程變化曲線 進入新的平衡狀態(tài)，這時的數(shù)據(jù)如表 27 所示。 表 27 新的平衡狀態(tài)的數(shù)據(jù) PLC 輸出值 水箱水位高度 h1 組態(tài)顯示值 0~100 cm cm 64 再將輸出儀表調(diào)回到系統(tǒng)第一次平衡前的位置，紀錄階躍響應(yīng)過程參數(shù)的曲線如圖 212 所示。 圖 212 達到新的平衡的曲線 由曲線 211 上得出 h2(t)穩(wěn)態(tài)值的漸近線 h2(∞ )為 ， )()( 212 ??? hth tt時曲線上的點和對應(yīng)的時間 t1 為 3`17``， )()( 222 ??? hth tt 時曲線上的點和對應(yīng)的時間 t2 為 7`35``。利用近似公式計算式 (2－ 6)中的參數(shù) K、 T1 和 T2，具體如下： 13 )(h 02 ???? RK 階躍輸入值輸入穩(wěn)態(tài)值 tt 2121 ???? TT )()( 21221 21 ???? TT TT 最后求出 K=， T1= ， T2=。對于式 (26)所示的二階過程，t1/t2。當(dāng) t1/t2= 時，為一階環(huán)節(jié)；當(dāng) t1/t2= 時，過程的傳遞函數(shù)2)1()( ?? TSKSG (此時 )( 2121 ???? ttTT )。 14 3 PID 控制算法介紹 PID 控制算法 典型的 PID 模擬控制系統(tǒng)如圖 31 所示。圖中 ??tsp 是給定值， ??tpv 為反饋量，??tc 為系統(tǒng)輸 出量， PID 控制器的輸入輸出關(guān)系式為： ? ? in itia lDtICMdtdeTe dtTeKtM ????????? ?