【導(dǎo)讀】本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，筆者主。法提到得較多，PLC方面的知識(shí)較少。分的介紹和講解PLC的過(guò)控制指令PID指令來(lái)控制水箱水位。關(guān)鍵詞：FX2系列PLC，控制對(duì)象特性，PID控制算法，擴(kuò)充臨界比例法，PID指令，

　　

【正文】 是現(xiàn)實(shí)世界數(shù)值的未標(biāo)準(zhǔn)化的或原始的實(shí)數(shù)值表達(dá)式 。 偏移量對(duì)于單極性為 。 對(duì)于雙極性為 。 跨度是最大可能值減去最小可能值： 3 PID 調(diào)節(jié)及串級(jí)控制系統(tǒng) 25 對(duì)于單極性數(shù)值 (典型值 )為 32,000。 對(duì)于雙極性數(shù)值 (典型值 )為 64,000。 二 、 回路輸出值轉(zhuǎn)換成刻度整數(shù)值 回路輸出值一般是控制變量，比如，在汽車(chē)速度控制中，可以是油閥開(kāi)度的設(shè)置?；芈份敵鍪? 和 之間的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)值。在回路輸出可以用于驅(qū)動(dòng)模擬輸出之前，回路輸出必須轉(zhuǎn)換成一個(gè) 16位的標(biāo)定整數(shù)值。這一過(guò)程，是將 PV 和 SP 轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)值的逆過(guò)程。第一步是使用下面給出的公式，將回路輸出轉(zhuǎn)換成一個(gè)標(biāo)定的實(shí)數(shù)值： RScal = ( nM 偏移量 ) * 跨度 其中： RScal 是回路輸出經(jīng)過(guò)標(biāo)定的實(shí)數(shù)值 nM 是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值 偏移量對(duì)于單極性值為 ，對(duì)于雙極性值為 跨度值域大小，可能的最大值減去可能的最小值 對(duì)于單極性為 32,000 (典型值 ) 對(duì)于雙極性為 64,000 (典型值 ) 變量的范圍 過(guò)程變量和設(shè)定值是 PID 運(yùn)算的輸入值。因此回路表中的這些變量只能被 PID指令讀而不能被改寫(xiě)。輸出變量是由 PID 運(yùn)算產(chǎn)生的，所以在每一次 PID 運(yùn)算完成之后，需更新回路表中的輸出值， 輸出值被限定在 之間。當(dāng) 輸出由手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)?PID(自動(dòng) )控制時(shí)，回路表中的輸出值可以用來(lái)初始化輸出值。 如果使用積分控制，積分項(xiàng)前值要根據(jù) PID運(yùn)算結(jié)果更新。 這個(gè)更新了的值用作下一次 PID運(yùn)算的輸入，當(dāng)計(jì)算輸出值超過(guò)范圍 (大于 或小于 )，那么積分項(xiàng)前值必須根據(jù)下列公式進(jìn)行調(diào)整： )( nnx MDMPM ??? 當(dāng)計(jì)算輸出 ?nM 或 )( nnx MDMPM ??? 當(dāng)計(jì)算輸出 ?nM 其中： xM 是調(diào)整過(guò)的偏差的數(shù)值 ； nMP 是在采樣時(shí)間 n 時(shí)回路輸出的比例項(xiàng)的數(shù)值 ； nMD 是在采樣時(shí)間 n 時(shí)回路輸出的微分項(xiàng)的數(shù)值 ； 3 PID 調(diào)節(jié)及串級(jí)控制系統(tǒng) 26 nM 是在采樣時(shí)間 n時(shí)回路輸出的數(shù)值 ； 這樣調(diào)整積分前值，一旦輸出回到范圍后，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。而且積分項(xiàng)前值也要限制在 之間，然后在每次 PID 運(yùn)算結(jié)束之后。把積分項(xiàng)前值寫(xiě)入回路表，以備在下次 PID 運(yùn)算中使用。用戶(hù)可以在執(zhí) 行 PID 指令以前修改回路表中積分項(xiàng)前值。在實(shí)際運(yùn)用中，這樣做的目的是找到由于積分項(xiàng)前值引起的問(wèn)題。手工調(diào)整積分項(xiàng)前值時(shí)，必須小心謹(jǐn)慎，還應(yīng)保證寫(xiě)入的值在 之間。 27 4 控制方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 上水箱液位的自動(dòng)調(diào)節(jié) 在這個(gè)部分中控制的是上水箱的液位。系統(tǒng)原理圖如圖 所示。單相泵正常運(yùn)行，打開(kāi)閥 1和閥 2，打開(kāi)上水箱的出水閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以一定的開(kāi)度來(lái)控制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過(guò)將壓力變送器檢測(cè)到的電信號(hào)送入 PLC 中，經(jīng)過(guò) A/D 變換成數(shù)字信號(hào)，送入數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器中，經(jīng) PID 算法后將控制量經(jīng)過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換成與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)送入電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。 28 當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時(shí)，壓力變送器檢測(cè)到的信號(hào)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(hào)。經(jīng)過(guò)運(yùn)算后即輸出控制信號(hào)給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使其開(kāi)度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲(chǔ)水量，液位升高。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時(shí)，設(shè)定值與控制變量平衡， PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)為零，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥就維持在那個(gè)開(kāi)度，流量也不變，同時(shí)水箱的液位也維持不變。 系統(tǒng)的控制框圖 如圖 所示。其中 SP 為給定信號(hào)，由用戶(hù)通過(guò)計(jì)算機(jī)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(hào)，經(jīng)過(guò) PLC 的 PID 程序運(yùn)算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò) PLC的 D/A 轉(zhuǎn)換成 420mA 的模擬電信號(hào)后輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設(shè)定值。水箱的液位經(jīng)過(guò)壓力變送器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號(hào)輸入到 PLC 的輸入接口，再經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換成控制量 PV，給定值 SP與控制量 PV經(jīng)過(guò) PLC 的 CPU 的減法運(yùn)算成出水口 閥 3 閥 2 電動(dòng)調(diào)節(jié) 閥 壓力表 閥 1 出水口 閥 6 下水箱液位傳感器 上水箱液位傳感器 閥 4 進(jìn)水口 溢水口 溢水口 儲(chǔ)水箱 單向泵 出水口 進(jìn)水口 系統(tǒng)原理圖 29 了偏差信號(hào) e ,又輸入到 PID 調(diào)節(jié)器中，又開(kāi)始了新的調(diào)節(jié)。所以 系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)水箱的液位。 上水箱下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng) 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過(guò)程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動(dòng)較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡(jiǎn)單的單閉環(huán)反饋控制不能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級(jí)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)圖如圖 所示，該系統(tǒng)中，上水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象，下水箱液位作為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象。這里的擾動(dòng)主要是水箱的出水閥的擾動(dòng)，有時(shí)是認(rèn)為的因素，有時(shí)是機(jī)械的因素，擾動(dòng)總是不可避免的。主回路和副回路結(jié)合有效地抑制環(huán)境的擾動(dòng)。 在這里，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，依舊由 PLC 經(jīng)過(guò) PID 算法后控制它的開(kāi)度以控制水管里的水流量，控制兩個(gè)水箱的水位。它有兩個(gè) PID 回路，分別是PID1 和 PID2。 PID1 為外環(huán)，控制下水箱的液位，它的輸出值作為 PID2 的設(shè)定值，PID2 控制上水箱的液位。 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括檢測(cè)單元、執(zhí)行單元和控制單元的設(shè)計(jì)，他們互相聯(lián)系，組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。 檢測(cè)單元 在過(guò)程控制系統(tǒng)中，檢測(cè)環(huán)節(jié)是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或開(kāi)口容器中液位的高低，通過(guò)液位測(cè)量可知 道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)主對(duì)象 副對(duì)象 執(zhí)行器 PID1 PID2 A/D D/A 主變送器 副變送器 A/D SP + —— —— PV e 圖 上下水箱控制方框圖 30 量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之達(dá)到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過(guò)程順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)中涉及到液位的檢測(cè)和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。 液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激光式、放射性式等。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動(dòng)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 010KPa，精度為 ，由 24V 直流電源供電，可以從 PLC 的電源中獲得，輸出為 420mA 直流。 執(zhí)行單元 執(zhí)行單元是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來(lái)自調(diào)節(jié)單元的輸出信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過(guò)程的物料或能量實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。 執(zhí)行器的工作原理，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)轉(zhuǎn)變成推力或位移，對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力或位移，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積，以達(dá)到最終調(diào)節(jié)被控介質(zhì)的目的。來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號(hào)制式后，與來(lái)自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號(hào) 比較，其信號(hào)差值輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。當(dāng)位置反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相等時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開(kāi)度。 系統(tǒng)中用到的調(diào)節(jié)閥是 QS智能型調(diào)節(jié)閥，所用到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成框圖。 來(lái)自 PLC 的模擬量輸出 DC420mA 信號(hào) Ii 與位置反饋信號(hào) If進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，同時(shí)輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā) 生器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào) If。當(dāng) Ii=If 時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)閥處于某一開(kāi)度，即 Q=KIi，式中 Q為輸出軸的轉(zhuǎn)角， K 為比例常數(shù)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥還提供手動(dòng)操作，它的上部有個(gè)手柄，和軸連在一起，在系統(tǒng)掉電時(shí)可進(jìn)行手動(dòng)控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。 控制單元 控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。在系統(tǒng)中， PLC 是控制的中心元件，它的選擇是控制單元設(shè)計(jì)的重要部分。 系統(tǒng)應(yīng)用的是 三菱 FX2 系列的 PLC，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活且易于維護(hù)。它采用模塊化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要包括 CPU 模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和 31 電源模塊 。 軟件設(shè)計(jì) 現(xiàn)在以上水箱的液位控制系統(tǒng)為例，畫(huà)出其流程圖如圖 。 上電 X1 開(kāi)始 X2 檢測(cè) X3 A/D轉(zhuǎn)換 X4 傳送 X5 PID調(diào)節(jié) X6 D/A轉(zhuǎn)換 X7 循環(huán) X8 重新啟動(dòng) X9 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 開(kāi)始燈閃爍 Y0 輸入設(shè)定值 Y1，并啟動(dòng)水泵 Y2 上限報(bào)警 Y3，下限報(bào)警 Y4 A/D 轉(zhuǎn)換輸出 Y5 Y1 與 Y5 進(jìn)行偏差計(jì)算輸出 Y6 進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)輸出 Y7 D/A轉(zhuǎn)換輸出 Y8 閥門(mén)開(kāi)度 圖 上水箱流程圖 32 5 運(yùn)行 上水箱液位比例調(diào)節(jié) 以圖 所示的液位比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，被調(diào)參數(shù)是上水箱的液位 。在輸入的偏差信號(hào) e? 為階躍信號(hào)。 當(dāng)比例調(diào)節(jié)器的 pK 小于 1 時(shí)，其比例調(diào)節(jié)器的 實(shí)驗(yàn) 特性 圖 為圖 （ a）所示；當(dāng)比例調(diào)節(jié)器的 pK 大于 1時(shí)，其比例調(diào)節(jié)器的 實(shí)驗(yàn) 特性圖 為圖 （ b）所示。 上水箱液位比例積分調(diào)節(jié) 當(dāng)輸入信號(hào)為階躍變化時(shí)，才用 PI 調(diào)節(jié)器的情況。我們得到了 PI 調(diào)節(jié)器的實(shí)驗(yàn)的變化曲線圖，如圖 所示。 上水箱液位比例積分微分調(diào)節(jié) 對(duì)上水箱進(jìn)行比例積分微分調(diào)節(jié)即 PID 調(diào)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)輸入信號(hào)為階躍 號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)的 PID 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線圖如圖 所示。 比例調(diào)節(jié)器 e? u? （ a） （ b） 圖 比例調(diào)節(jié)器的實(shí)驗(yàn)特性圖 0 0 0 33 圖 階躍輸入后 PI調(diào)節(jié)器的實(shí)驗(yàn)變化曲線 + = t t t t e? Pu? Iu? PIu? 0 0 0 0 34 6 結(jié)論 通過(guò)本次畢業(yè)論文的創(chuàng)作， 我知道了液位控制系統(tǒng)在生活中的重要性?；赑LC 的液位控制系統(tǒng)能讓我們?cè)谏钪杏龅奖容^危險(xiǎn)的場(chǎng)合中變得安全化、智能化。對(duì)于前人以前的所做的液位控制系統(tǒng)本系統(tǒng)更加的人性化，可以隨時(shí)修改液位的設(shè)定值。但本論文有許多不足之處，在 PLC 的編程方面做得不夠理想，希望大家指正。 35 致 謝 本課題在選題及研究過(guò)程中得到 李 老師的悉心指導(dǎo)。 李 老師多次詢(xún)問(wèn)研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開(kāi)拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。 李 老師一絲不茍 的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時(shí)三載，卻給以終生受益無(wú)窮之道。對(duì) 李 老師的感激之情是無(wú)法用言語(yǔ)表達(dá)的。 感謝 謝 老師、 王 老師、 程 老師等對(duì)我的教育培養(yǎng)。他們細(xì)心指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)與研究，在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。老師為我提供了良好的研究條件，謹(jǐn)向各位同仁表示誠(chéng)摯的敬意和謝忱。 參考文獻(xiàn) 36 參考文獻(xiàn) [1]王樹(shù)青編著，《工業(yè)過(guò)程控制工程》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京， 2021 [2]施仁、劉文江、鄭輯先編著，《自動(dòng)儀表與過(guò)程控制》，電子工業(yè)出版社，北京 1995 [3]邵裕森編著， 《過(guò)程控制及儀表》，上海交通大學(xué)出版社，上海， 199 7 [4]王永初編著，《自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)》，機(jī)械工業(yè)出版社，北京， 1983年 [5]黃俊飲編著，《靜、動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的實(shí)用建模過(guò)程》，機(jī)械工業(yè)出版社，北京， 1988 [6]金以慧編著，《過(guò)程控制》，青華大學(xué)出版社，北京， 1993年 [7]帥克寬等編著，《過(guò)程參數(shù)檢測(cè)》，中國(guó)計(jì)量出版社，北京， 1990 [8]尹宏業(yè)編著，《可編程控制器應(yīng)用》，航天出版社，北京， 1998 [9]吳麗編著，《電氣控制與 PLC實(shí)用教程》，黃河水利出版社，河南， 2021 [10]顧戰(zhàn)松編著，《可編程控制器原理及應(yīng)用》，國(guó)防工業(yè)出版社，北京， 1996 [11]尤田 涑 編著，《參數(shù)檢測(cè)與過(guò)程控制》，浙江大學(xué)出版社，浙江， 1997