【導(dǎo)讀】本次畢業(yè)設(shè)計的課題是基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計。入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊。求的特點，提出了基于串級技術(shù)和PLC控制器的雙容液位控制系統(tǒng)。壓力變送器、電動調(diào)節(jié)閥、PID指令。

　　

【正文】 測到能流從 0 到 1 的正跳變時，從手動方式無擾動地切換到自動方式： 1) 令給定值 ( nSP )=過程變量 )( nPV 。 2) 令上一次的過程變量 )( 1?nPV =過程變量的當(dāng)前值 )( nPV 。 3) 令積分和 )(MX =輸出值 ( nM )。 PID 的能流記憶位的默認(rèn)值為 1，在啟動 CPU 或從 STOP 方式轉(zhuǎn)換到 RUN方式時它被置位。進(jìn)入 RUN 方式后 PID 指令首次有效時，沒有檢測到使能為的正跳變，就不會執(zhí)行無擾動的切換操作。 編譯時如果指令指定 的回路起始地址或回路號超出范圍， CPU 將生成編譯錯誤 (范圍錯誤 )，引起編譯失敗。 PID 指令對回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查，應(yīng)保證過程變量不超限?；芈繁硪姳?32。 表 32 PID 指令的回路表 偏移地址 變量 格式 類型 描述 0 過程變量PVn 雙字實數(shù) 輸入 應(yīng)在 ~ 之間 4 給定值 SPn 雙字實數(shù) 輸入 應(yīng)在 ~ 之間 8 輸出值 Mn 雙字實數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ~ 之間 12 增益 Kc 雙字實數(shù) 輸入 比例常數(shù)，可正可負(fù) 16 采樣時間 Ts 雙字實數(shù) 輸 入 單位為 s，必須為正數(shù) 20 積分時間 TI 雙字實數(shù) 輸入 單位為 min，必須為正數(shù) 24 微分時間 TD 雙字實數(shù) 輸入 單位為 min，必須為正數(shù) 28 上一次的積 分值 MX 雙字實數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ~ 之間 32 上一次過程變量 PVn1 雙字實數(shù) 輸入 /輸出 最近一次運算的過程變量值 23 4 控制方案設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計的課題的液位控制系統(tǒng)原理圖如圖 21 和 25 所示。因為有兩個水箱，所以把它分成兩個部分來分別設(shè)計。 系統(tǒng)設(shè)計 上水箱液位的自動調(diào)節(jié) 在這個部分中 控制的是上水箱的液位。系統(tǒng)原理圖如圖 25 所示。單相泵正常運行，打開閥 1 和閥 2，打開上水箱的出水閥，電動調(diào)節(jié)閥以一定的開度來控制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過將壓力變送器檢測到的電信號送入 PLC中，經(jīng)過 A/D 變換成數(shù)字信號，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 D/A轉(zhuǎn)換成與電動調(diào)節(jié)閥開度相對應(yīng)的電信號送入電動調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。 當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時，壓力變送器檢測到的信號小于設(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。經(jīng)過運算后即輸出控制信號給電動調(diào)節(jié)閥，使其開 度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲水量，液位升高。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時，設(shè)定值與控制變量平衡， PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為零，電動調(diào)節(jié)閥就維持在那個開度，流量也不變，同時水箱的液位也維持不變。 系統(tǒng)的控制框圖如圖 41 所示。 其中 SP 為給定信號，由用戶通過計算機(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，經(jīng)過 PLC 的 PID 程序運算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號經(jīng)過 PLC 的 D/A 轉(zhuǎn)換成 4~20mA 的模擬電信號后輸出到電動調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，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)過壓力變送器檢測轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號輸入到 PLC 的輸入接口，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換成控制量 PV，給定值 SP 與控制量 PV 經(jīng)過 PLC 的 CPU的減法運算成了偏差信號 e ,又輸入到 PID 調(diào)節(jié)器中，又開始了新的調(diào)節(jié)。所以系統(tǒng)能實時地調(diào)節(jié)水箱的液位。 圖 41 上水箱液位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖 上水箱下水箱液位串級控制系統(tǒng) 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動 24 較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡單的單閉環(huán)反饋控制不能實現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級閉環(huán)反饋系統(tǒng)。 在這里，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然是電動調(diào)節(jié)閥，依舊由 PLC 經(jīng)過 PID 算法后控制它的開度以控制水管里的水流量，控制兩個水箱的水位。它有兩個 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。 整個系統(tǒng)的配置如圖 42 所示。 圖 42 系統(tǒng)配置圖 1上水箱壓力變送器 2下水箱壓力變送器 3模入單元 4模出單元 5回路控制板 6CPU 單元 7電動調(diào)節(jié)閥 硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件的設(shè)計包括檢測單元、執(zhí)行單元和控制單元的設(shè)計，他們互 相連接，組成一個完整的系統(tǒng)。 檢測單元 在過程控制系統(tǒng)中，檢測環(huán)節(jié)是比較重要的一個環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或開口容器中液位的高低，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)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)過程順利進(jìn)行。 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 0~10KPa，精度為 %? ，由 24V 直流電源供電，可以從 PLC 的電源中獲得，輸出為 4~20mA直流，接線如圖 43 所示。 圖 43 壓力變送器的接線圖 25 接線說明：傳感器為二線制接法，它的端子位于中繼箱內(nèi)，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源 24V+接中繼箱內(nèi)正端 (+)，中繼箱內(nèi)負(fù)端 (— )接負(fù)載電阻的一端，負(fù)載電阻的另一端接 24V。傳感器輸出 4~20mA 電流信號，通過負(fù)載電阻 250Ω轉(zhuǎn)換成 1~5V 電壓信號。 零點和量程調(diào)整： 零點和量程調(diào)整電位器位于中繼箱內(nèi)的另一側(cè)。校正時打開中繼箱蓋，即可進(jìn)行調(diào)整， 左邊的 (Z)為調(diào)零電位器，右邊的 (R)為調(diào)增益電位器。 圖 44 壓力變送器工作原理圖 壓力變送器的工作原理見圖 44。大氣壓力為 PA，選定的零液位處壓力為 PB，零液位至液面高度為 H，其產(chǎn)生的壓差Δ P 為 gHPPP AB ????? (41) 式中，ρ為水的密度， g 為重力加速度。根據(jù)式 (41)，利用壓力變送器將 PB轉(zhuǎn)換成 DC4~20mA 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號送入 PLC 中，便得知被測的液位。 執(zhí)行單元 執(zhí)行單元是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)不可缺少 的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來自調(diào)節(jié)單元的輸出信號，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程的物料或能量實現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。 執(zhí)行器的工作原理見圖 45，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。 圖 45 執(zhí)行器的工作原理圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來自調(diào)節(jié)器的信號轉(zhuǎn)變成推力或位移，對調(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。由圖 45 可見來自調(diào)節(jié)器的信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號制式后，與來自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反 饋信號比較，其信號差值輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確 26 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)位置反饋信號與輸入信號相等時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開度。 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)為電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成框圖如圖 46 所示。 圖 46 電動調(diào)節(jié)閥組成框圖 主要技術(shù)參數(shù)： 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 型式：智能型直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu) 輸入信號： 0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC 輸入阻抗： 250Ω /500Ω 輸出信號： 4~20mADC 輸出最大負(fù)載： 500Ω 信號斷電時的閥位：可任意設(shè)置為保持 /全開 /全關(guān) /0~100%間的任意值 電源： 220V177。 10%/50Hz 來自 PLC 的模擬量輸出 DC4~20mA 信號 Ii與位置反饋信號 If進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開度，同時輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號 If。當(dāng) Ii=If時，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)閥處于某一開度，即 Q=KIi，式中 Q 為輸出軸的位移， K 為比例常數(shù)。電動調(diào)節(jié)閥還提供 手動操作，它的上部有個手柄，和軸連接在一起，在系統(tǒng)掉電時可進(jìn)行手動控制，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)計的重要部分。系統(tǒng)選用的 S7300PLC 的各個模塊分別是 CPU 31SM 331 128 ?A 位模擬量輸入模塊、 SM 332 124? 位模擬量輸出模塊、 PS 307 電源模塊，這些模塊在前面已經(jīng)作了詳細(xì)的介紹。模塊的選擇是根據(jù)系統(tǒng)的實際要求 選擇的，能滿足系統(tǒng)的要求，符合節(jié)省成本的要求。 軟件設(shè)計 系統(tǒng)的編程分塊進(jìn)行，分主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)的指令序列如下： 要設(shè)定水位的高度為滿水位的 75%，過程變量與回路輸出均為單級性模擬量， 27 取值范圍為 ~。如果采用 PI 控制，給定值為 ，選取控制器的參數(shù)初值KC=50， T=6s， TI=3s。 //主程序 (OB1) A //首次掃描時 CALL 0 //調(diào)用初始化子程序 //子程序 0 A L + 000e+001 //裝入給定值 75% T MD104 //放入回路表中對應(yīng)的位存儲器 L +50 //裝入回路增益 T MD112 //放入回路表中對應(yīng)的位存儲器 L +6 //裝入采樣時間 6s T MD116 //放入回 路表中對應(yīng)的位存儲器 L +3 //裝入積分時間 3s T MD120 //放入回路表中對應(yīng)的位存儲器 L + 000e+000 //關(guān)閉微分時間 T MD124 //放入回路表中對應(yīng)的位存儲器 L 100 //設(shè)置定時中斷 0 的時間間隔為 100ms T MB34 //放入對應(yīng) 的特定位存儲器中 ATCH 0， 10 //設(shè)置定時中斷以執(zhí)行 PID 指令 ENI //允許中斷，子程序 0 結(jié)束 //中斷程序 0 A L PIW0 //單極性模擬量經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后存入累加器 DTR //32 位整數(shù)轉(zhuǎn)換為實數(shù) /R //標(biāo)準(zhǔn)化累加器中的實 數(shù) T MD100 //存入回路表 A //在自動方式下，執(zhí)行 PID 指令 PID MB100， 0 //回路表的起始地址 VB100，回路號為 0 A L MD108 //PID 控制器的輸出值送入累加器 *R //將累加器中的數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 RND //實數(shù)轉(zhuǎn)換為 32 位整數(shù) DTI PQW0 //將 16 位整數(shù)寫入到模擬量輸出 (D/A)積存器 PLC 輸出控制電動調(diào)節(jié)閥開度的指令序列如下： L +001 //要輸出電動調(diào)節(jié)閥的開度 15% T MD 80 //放進(jìn)位存儲器，地址是雙字 80 CALL UNSCALE //調(diào)用系統(tǒng)功能 SFC106，把它轉(zhuǎn)換為輸出量 IN := MD80 HI_LIM := +002 //上限值 100% LO_LIM := +000 //下限值 0% BIPOLAR := FALSE RET_VAL := MW84 //如果出錯就會在位存儲器 MW84 中的值為 1， 28 不出錯就為 0 OUT := MW86 //輸出值 L MW 86 T AO0 //把轉(zhuǎn)換后的值送到電動調(diào)節(jié)閥的地址 29 5 實驗情況介紹 上水箱液位比例調(diào)節(jié) 首先設(shè)定給定值為 150，調(diào)整 P 參數(shù) KC 為 80