【導讀】為此本人設計了一基于S7-200PLC的紙漿濃度控制系統，該系統自動檢測紙漿濃。度，并與設定值進行比較產生偏差，經過一定的控制算法輸出控制進水電動閥門開度，4-20mA標準信號，然后通過A/D轉換后反饋到控制器，與給定值進行比較，得到偏差。并利用組態(tài)軟件MCGS設計人機界面，實現控制系統的實時監(jiān)控。模擬量輸入和一個模擬量輸出接口，故無需額外使用模擬量擴展模塊。車，輕紡，交通運輸，環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。使用情況大致可歸納為如下幾類：。改造，重量輕，能耗低。

　　

【正文】 現較復雜的控制，特別由于它是靠硬件連線邏輯構成的系統，接線復雜，當 生產工藝或對象需要改變時，原有的接線和控制盤（柜）就要更換，所以通用性和靈活性較差，因而不能完成復雜的控制方式。 20 世紀 60 年代末期，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產廠家的汽車型號不斷更新，必然要求生產線的控制系統亦隨之改變，以及對整個控制系統重新配置。為拋棄傳統的繼電接觸器控制系統的束縛，適應白熱化的市場競爭要求， 1968 年美國通用汽車公司（ GM）要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器并提出了十項招標指標。 1969 年美國數據設備公司 (DEC)根據上述要求，研制開發(fā)出世界上第一臺可編程控制器，并在 GM 公司汽車生產線上首次應用成功。當時人們把它稱為可編程邏輯控制器 PLC（ Programmable Logic Controller），主要用來取代繼電接觸器邏輯控制，系統功能僅限于執(zhí)行繼電器邏輯，計時和計數等。進入 20世紀 80 年底啊以來隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術的迅猛發(fā)展，以 16 位和 32位微處理器構成的微機化 PLC 得到了驚人的發(fā)展，使 PLC 在概念、設計、性能價格比及應用等方面都有了新的突破。不僅控制功能增強，功耗、體積減少，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且遠程 I/O 和通 訊網絡，數據處理以及圖像顯示也有了長足的發(fā)展，所有這些已經使 PLC 應用于連續(xù)生產的過程控制系統，使之稱為今天自動化技術的三大支柱之一。 PLC 的定義：可編程控制器，簡稱 PLC，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。它是一種專為工業(yè)環(huán)境而設計的數字運算操作的電子系統。它采用了可編程徐的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯看運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產過程。而有關的外圍設備，都應按易于與工業(yè)系統連成一個整體，易于擴充其功能的原則 設計。 PLC 的特點： 1，可靠性高，抗干擾能力強。工業(yè)現場的電磁干擾、電源波動、機械振動、溫度和濕度的變化，都可以導致一般通用微機不能正常工作。而 PLC 在電子線路、機械結構以及軟件結構上都吸取了生產廠家長期積累的生產控制經驗，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路， I/O 系統設計有完善的通道保護與信號調理電路；在結構上對耐熱、防潮、抗震等都有周到的考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施；在軟件上采用數字濾波等抗干擾和故障診斷措施。所以 PLC 具有較高的抗干擾能力。 2，配套齊全， 通用性強，功能完善。 PLC 發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理能力外，現在PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現，使 PLC通訊能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統變得非常容易。 3，變成方便，易于使用。 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。他接口容易，編程語言易于為工程技術人員所接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC 少量開關 量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。這些都為不熟悉電子電路、不定計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4， 設計、施工、調試周期短。 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更 13 重要的是，它使同一設備依靠改變程序來改變生產過程成為可能。并且具有強制和仿真的功能，故程序的設計、修改和調試都很方便。 5， 體積小，質量輕，維護操作方便。 PLC 體積小質量輕，便于安裝。 PLC 的輸入/輸出 系統能夠直觀地反映現場信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀地反映控制系統的運行狀態(tài)。如內部工作狀態(tài)、通訊狀態(tài)、 I/O 點狀態(tài)、異常狀態(tài)和電源狀態(tài)等，對此均有醒目的指示，非常有利于運行和維護人員對系統進行監(jiān)視。 PLC 的系統組成 PLC 實質上是一種工業(yè)控制計算機，專為工業(yè)現場應用而設計，采用了典型的計算機結構，主要由 CPU，電源，存儲器和專門設計的輸入 /輸出接口電路等組成。 PLC 的結構框圖如圖 39所示。 圖 39 PLC的系統組成 S7200 系列 PLC 的硬件系統及內部資源 硬件系統： S7200 PLC 是德國西門子公司生產的一種小型 PLC，其許多功能達到大、中型 PLC的水平，而價格卻和小型 PLC 一樣，因此，它已經推出，即受到了廣泛的關注。特別是S7200 CPU 22* 系列 PLC，由于它具有多種功能模塊和人機界面（ HMI）可供選擇，所以系統的集成非常方便，并且很容易地組成 PLC 網絡。同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統的設 計時更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務。 S7200 PLC 硬件系統的配置方式采用整體式加積木式，即主機中包含一定數量的I/O點，同時還可以擴展 I/O 模塊和各種功能模塊。一個實際的 S7200 控制系統可由多個模塊化的組件和設備組成，系統組成如圖 310所示。 編程器等外部設備 中央處理單元（ CPU） 輸 輸 入 出 接 用戶程序存儲器 接 口 口 系統程序存儲器 電源部件 14 圖 310 PLC的配置 內部資源： PLC 內部元器件是相互獨立的，在數據存儲區(qū)為每一種元器件分配一個存儲區(qū)域。其元器件包括： 1，輸入繼 電器（ I） 2，輸出繼電器（ Q) 3，通用輔助繼電器（ M） 4，特殊繼電器（ SM） 5，變量存儲器（ V） 6，局部變量存儲器（ L） 7，順序控制繼電器（ S）8，定時器（ T） 計數器（ C） 10，模擬量輸入映像寄存器（ AI）和模擬量輸出映像寄存器（ AQ） 11，高速計數器（ HC） 12，累加器（ AC）。 在本設計中采用的是 CPU 224 XP CN，它具有 14 個數字量輸入， 10 個數字量輸出，2路模擬量輸入， 1 路模擬量輸出，最大可以擴展 7 個 I/O 模塊。 S7200 CPU 224XP CN 的 I/O 口分配 表 31 PLC 的 I/O 分配 地址 名稱 功能 啟動按扭 按下開關，設備開始運行 開關按鈕 按下開關，設備停止運行 保護按鈕 按下開關，終止所有設備 運行燈 燈亮表示設備處于運行狀態(tài) 停止燈 燈亮表示設備處于停止狀態(tài) 濃度狀態(tài)指示燈（正常） 燈亮表示濃度在正常范圍內 濃度狀態(tài)指示燈（超限） 燈兩表示濃度過高 固態(tài)繼電器 用來控制紙漿泵的啟停 編程工具 CPU 主機 人機界面 通訊設備 擴展 模塊 功能 模塊 15 第 4 章 系統軟件設計 控制算法描述 模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是 PID控制， PID在工業(yè)領域的應用已經有 60多年，現在依然廣泛地被應用。人們在應用的過程中積累了許多的經驗， PID 的研究已經到達一個比較高的程度。 比例控制 (P)是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。其特點是具有快速反應，控制及時，但不能消除余差。 在積分控制 (I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分 成正比關系。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點，不能快速對誤差進行有效的控制。 在微分控制 (D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。微分控制具有超前作用，它能預測誤差變化的趨勢。避免較大的誤差出現，微分控制不能消除余差。 PID 控制， P、 I、 D 各有自己的優(yōu)點和缺點，它們一起使用的時候又和互相制約，但只有合理地選取 PID值，就可以獲得較高的控制質量。 在紙漿濃度控制系統中由于具有滯后性，故選用比例積分微分（ PID）調節(jié)規(guī)律。 其數學表達式如下： ?????? ??? ? tdiP dttdeTdtteTteKtu0)()(1)()( （式 41） 上式中 , )(tu —— PID 回路的輸出 。 Kp —— 比例系數 P。 iT —— 積分系數 I。 dT —— 微分系數 D。 PID 調節(jié)器的傳輸函數為： ?????? ???? STSTKSE SUSDdiP 11)( )()( （式 42） 數字計算機處理這個函數關系式，必須將連續(xù)函數離散化，對偏差周期采樣后，計算機輸出值。其離散化的規(guī)律如表 41所示： 16 表 41 模擬與離散形式 模擬形式 離散化形式 )()()( tctrte ?? )()()( nrne ?? dTtde)( T nene )1()( ?? ?t dtte0 )( ?? ?? ? nini ieTTie 00 )()( 所以 PID輸出經過離散化后，它的輸出方程為 : ? ?000)()()()1()()()()(unununuuneneTTieTTneKnudiPnidiP??????????? ????? ?? （式 43） 式中， )()( neKnu PP ? 稱為比例項； ???niipi ieTTKnu0 )()( 稱為積分項； ? ?)1()()( ??? neneTTKnu dpd 稱為微分項； 上式中，積分 項 ??ni e1 i)( 是包括第一個采樣周期到當前采樣周期的所有誤差的累積值。計算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項，只需要保留積分項前值，計算機的處理就是按照這種思想。故可利用 PLC中的 PID指令實現位置式 PID 控制算法量。 17 程序設計 程序流程圖 主程序 子程序 0 , 粗調 返回 細調 濃度 =？ 初始化 調節(jié)電動閥 調用子程序 0 調用子程序 1 每 10S 調用一次子程序 2 初始化運行指示燈 =？ 初始化高低限指示燈 運行 PLC 18 子程序 1 子程序 2