【文章內(nèi)容簡介】 了自動(dòng)化的范圍。 3. 集散控制階段（ 20 世紀(jì) 70 年代中期至今） 20 世紀(jì) 70 年代，隨著大規(guī)模集成電路出現(xiàn)及微處理器的問世，計(jì)算機(jī)的性價(jià)比和可靠性大為提高，采用了冗余技術(shù)和自診斷措施的工業(yè)計(jì)算機(jī)完全滿足工業(yè)控制對(duì)可靠性的要求，為新的過程 控制儀表、裝置與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了強(qiáng)有力的支持。此時(shí)的大型生產(chǎn)過程一般都是分散系統(tǒng)，這樣可以使生產(chǎn)過程控制分散進(jìn)行，將發(fā)生故障和危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)分散?；凇凹泄芾恚稚⒖刂啤崩砟?，在數(shù)字儀表和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的集散型控制系統(tǒng)（ DCS, Distributed Control System）在大型生產(chǎn)過程控制中得到廣泛應(yīng)用。過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也由單變量控制系統(tǒng)發(fā)展到多變量系統(tǒng)，由生產(chǎn)過程的定值控制發(fā)展到最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。 到 20 世紀(jì) 90 年代以后，隨著測量儀表數(shù)字化、通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化和集散型控制技 術(shù) 日益成熟、現(xiàn)場總線技術(shù)以及基于現(xiàn)場總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化分布式控制系統(tǒng)逐步推廣、使用，使過程控制系統(tǒng)的開放性、兼容性和現(xiàn)場儀表與裝置的智能化水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。工廠自動(dòng)化（ FA）、計(jì)算機(jī)集成過程控制（ CIPS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ CIMS）和企業(yè)資源綜合規(guī)劃（ ERP）等方案的規(guī)劃和實(shí)施，正在成為提高工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵手段。 本課題研究的內(nèi)容與目的 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，主要是針對(duì)單容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，涉及到液位的動(dòng)態(tài)控制、控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、 PLC 控制、 位式控制算法 、壓力變送器和 電磁閥 等 一系列的知識(shí)。設(shè)計(jì)單容液位控制系統(tǒng)中，控制方式采用了 位式控制 算法，控制核心為 S7300 系列的 CPU313C2DP 以及 PLC 內(nèi)部 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，檢測元件為壓力傳感器，執(zhí)行器為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。通過以上的器件設(shè)備、 位式 控制算法和上位機(jī)的組態(tài)等，實(shí)現(xiàn)液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 本課題研究內(nèi)容： （ 1）控制器的算法 （ 2）通過 PLC 實(shí)現(xiàn) 液位自動(dòng) 控 制 （ 3）對(duì)輸入變量的轉(zhuǎn)換與歸一化 （ 4）組態(tài) 軟件的使用 （ 5）實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)液位的實(shí)時(shí)監(jiān)控 2 液位 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 液位控制 系統(tǒng) 的系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)是 在對(duì)課題進(jìn)行深入分析，對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行調(diào)查之后所進(jìn)行的基礎(chǔ)性工作，是軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的前提。硬件的合理選用，對(duì)于整個(gè)課題的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，既要合理、適合，也要經(jīng)濟(jì)適用。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)用 S7300 PLC 作為控制器，通過變頻器控制電機(jī)速度，同時(shí)由變送器和四個(gè)液位檢測開關(guān)收集液位信號(hào)反饋給 PLC 來進(jìn)行進(jìn)一步控制，從而實(shí)現(xiàn)使液位保持在設(shè)定值附近的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 單容水箱的液位控制系統(tǒng)如下圖 21 所示。 圖 21 液位 控制 系統(tǒng) PLC 的選型 S7300 是模塊化的通用型 PLC，適用于中等性能的控制要求。 SIMATIC S7300編程序控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。其 CPU 集成了過程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序。不需附加任何硬件、軟件、編程，就可建立一個(gè) MPI 網(wǎng)絡(luò)。若有 PROFIBUSDP 接口，就可建立一個(gè) DP 網(wǎng)絡(luò)。 S7300 可大范圍擴(kuò)展各種功能模塊，很好的滿足自動(dòng)控制任務(wù)。簡單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界 面網(wǎng)絡(luò)能力，使其應(yīng)用十分靈活。且指令集成功能強(qiáng)大，可用于復(fù)雜控制。其功能較S7200 要強(qiáng)大很多。而且，就其價(jià)格而言，又較 S7400 要經(jīng)濟(jì)得多。所以， S7300是本次 設(shè)計(jì)中控制器的首選。 CPU 型號(hào)的選擇 S7300 有 20 種不同等級(jí)的 CPU，分別使用于不同等級(jí)的控制要求。 CPU 313C2 DP 帶集成數(shù)字量輸入 /輸出和 PROFIBUS DP 主站 /從站接口的緊湊型 CPU，帶有與過程相關(guān)的功能，可以完成具有特殊功能的任務(wù)，可以連接單獨(dú)的 I/O 設(shè)備。該控制器配置為： 16DI/16DO? DC24V、 Flash EPROM 微存儲(chǔ)器卡（ MMC）、一個(gè) MPI 接口和一個(gè) DP 總線接口。 相比之下， CPU 312C 適用于對(duì)處理能力 有較高要求的小型應(yīng)用； CPU 313C 滿足對(duì)處理能力和響應(yīng)時(shí)間要求較高的場合，但不帶主站 /從站接口； CPU 312 適用于全集成自動(dòng)化的基本型 CPU 及中等處理速度的小規(guī)模應(yīng)用； CPU 314 適用于中等處理量的應(yīng)用；而 CPU 3152 DP、 CPU 3152 PN/DP、 CPU 3172DP、 CPU 3172 PN/DP及 CPU 3193 PN/DP，固然有較高的性能，可用于要求較高的應(yīng)用，但對(duì)于本設(shè)計(jì)來說是不經(jīng)濟(jì)的，也是不必要的。 CPU 313C2DP 實(shí)物如圖 22 所示。 圖 22 CPU 313C2DP 圖 23 SM334 模擬量輸入 /輸出模塊 模擬量 模塊（ SM）的確定 S7300 的模擬量 I/O 模塊包括模擬量輸入模塊 SM33模擬量輸出模塊 SM332和模擬量輸入輸出模塊 SM334 和 SM335，通常選用 SM334 系列的模塊。 它既有模擬量輸入通道，又有模擬量輸出通道 ，用于連接模擬量傳感器和執(zhí)行器 。這種模塊 目前 有SM334 AI4/AO2? 8/8 位 和 SM334 A4/AO2? 12 位兩個(gè)型號(hào)。 這里選用的是 SM334 AI4/AO2?8/8 位的模塊，它具有 4 個(gè)輸入、 2 個(gè)輸出，精度是 8 位。它是不可編程的，通過硬件連線來定義測量和輸出類型。 實(shí)物如圖 23 所示。 模擬量輸入模塊用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 CPU 內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)，其主要部分是 A/D 轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入模塊的輸入信號(hào)一般是模擬量變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓、電流信號(hào)。各模擬量通道轉(zhuǎn)換是 順序執(zhí)行的，每個(gè)模擬量通道的輸入信號(hào)是被依次 輪流轉(zhuǎn)換的。由圖 24 知，模擬量輸入模塊由多路開關(guān)、 A/D 轉(zhuǎn)換器、光隔離元件、內(nèi)部電源和邏輯電路組成。 圖 24 SM334 模擬量輸入模塊 原理圖 SM334 模擬量輸入模塊的接線如圖 25 所示。 圖 25 SM334 模擬量輸入端子接線圖 模擬量輸出模塊用于將 CPU 送給它的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為成比例的電流信號(hào)或電壓信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)或控制，其主要轉(zhuǎn)換部分是 D/A 轉(zhuǎn)換器。如圖 26 所示。 圖 26 SM334 模擬量輸出模塊原理圖 電源模塊的選用 電源模塊選用的是 PS307 2A，電源效率是 83%。模塊輸入電壓為單相交流 120/230V， 50/60Hz；輸出電壓為 DC24V，具有短路和斷路保護(hù)。正常狀態(tài)時(shí)，綠色LED 亮；當(dāng)輸出電路過載時(shí)， LED 指示燈會(huì)閃爍；如果輸出端斷路，則輸出電壓為 0，此時(shí) LED 變暗。輸入電壓過高，可能損壞模塊；輸入欠壓，模塊關(guān)閉，停止工作。如圖 27 所示。 圖 27 電源模塊 變頻器 的選型 變頻器選用的是 MICROMASTER 420 系列， MM 420 是用于控制三相交流電機(jī)速度的變頻器系列。本變頻器由微處理器控制，并采用絕緣柵雙極型晶體管 作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和功能多樣性。具有易于安裝、調(diào)試，快速相應(yīng)，正常狀態(tài)下無跳閘運(yùn)行，更好的動(dòng)態(tài)特性，過 /欠電壓保護(hù)，短路保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。 本變頻器必須可靠接地，斷開電源后可進(jìn)行電源及電機(jī)端子的接線，接線方法如圖 28 所示。 圖 28 電動(dòng)機(jī)和電源接線方法 變送器 的確定 可采用擴(kuò)散硅液位變送器，用于 收集液位信號(hào)，產(chǎn)生 4~20mA 模擬信號(hào)，作為模擬量輸入信號(hào)傳遞給 PLC，進(jìn)行進(jìn)一步控制。液位變送器包括一個(gè)表頭，兩邊都有蓋子，打開蓋子，一邊的表內(nèi)部可以調(diào)節(jié)零點(diǎn)或滿量程，另 一邊內(nèi)部用于接線。如圖