【正文】 nM 分別為模擬量 ()spt 、 ()pvt 、 ()et 、 ()Mt在第 n 次采樣的數(shù)字量。 在許多控制器系統(tǒng)內(nèi)，可能只需要 P、 I、 D 中的一種或兩種控制器類型。例如，可能只要求比例控制或積分控 制，通過設(shè)置參數(shù)可對(duì)回路控制類型進(jìn)行選擇。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 24 圖 44 PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框 本系統(tǒng)只適用比例和積分控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可以通過工程計(jì)算初步確定，但還需要近一步調(diào)整已達(dá)到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口。用手動(dòng)控制液體閥，使水位達(dá)到滿水位的 75%，然后打開出水口，同時(shí)輸入控制液體閥從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。這種切換有一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。 PID 指令及回路表 S7200 的 PID 指令圖如圖 44 所示。 圖 45 PID 指令圖 指令中 TBL 是回路表的起始地址， LOOP 是回路 編號(hào)。編譯時(shí)如果指令指定的回路表起始地址或回路號(hào)超出范圍， CUP 將產(chǎn)生編譯錯(cuò)誤（范圍錯(cuò)誤），引起編譯失敗。 PID 指令對(duì)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、給定值等不超限?；芈繁硪姳?41. 過程變量與給定值是 PID 運(yùn)算的輸入值，在回路表中它們只能被 PID 指令讀取而不能改寫。每次完成 PID 運(yùn)算后，都要更新回路表內(nèi)的輸出值 nM ，它被限制在 ～ 之間。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 表 41 PID 指令的回路表 偏移地址 變量 格式 類型 描述 0 過程變量 npv 雙字實(shí)數(shù) 輸入 應(yīng)在 ～ 之間 4 給定值 nsp 雙字實(shí)數(shù) 輸入 應(yīng)在 ～ 之間 8 輸出值 nM 雙字實(shí)數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ～ 之間 12 增益 cK 雙字實(shí)數(shù) 輸入 比例常數(shù)，可正可負(fù) 16 采樣時(shí)間 sT 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 s，必須為正 20 積分時(shí)間 1T 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 min，必須為正 24 微分時(shí)間 DT 雙字實(shí)數(shù) 輸入 單位為 min，必須為正 28 上一次的積分值 雙字實(shí)數(shù) 輸入 /輸出 應(yīng)在 ～ 之間 32 上一次過程變量 雙字實(shí)數(shù) 輸入 /輸出 最近一次運(yùn)算的過程變量值 如果 PID 指令中的算術(shù)運(yùn)算發(fā)生錯(cuò)誤，特殊存儲(chǔ)器位 （溢出或非法數(shù)值）被置 1，并將終止 PID 指令的執(zhí)行。要想消除這種錯(cuò)誤， 在下一次執(zhí)行 PID運(yùn)算之前，應(yīng)改變引起運(yùn)算錯(cuò)誤的輸入值，而不是更新輸出值。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 26 第 5 章 系統(tǒng)硬件 開發(fā) 設(shè)計(jì) 硬件 系統(tǒng) 的 結(jié)構(gòu) 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)由 PLC（核心控制部件）、 PLC 擴(kuò)展模塊、 高低位的水位檢測(cè)電路 （ 液位傳感器 ） 、輸入控制液壓閥、輸出控制液壓閥等 部分組成。 如 圖51 水塔水位 PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 。 圖 51 水塔水位 PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 可編程控制器 的 選型 可編程控制器產(chǎn)品眾多，不同廠家、不同系列、不同型號(hào)的 PLC，功能和結(jié)構(gòu)均有所不同，但工作原理和組 成基本相同。本設(shè)計(jì)選用西門子公司的 S7200 PLC系列，其具結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，有極高的性價(jià)比，適用于小型控制系統(tǒng)。它采用超高電容保護(hù)內(nèi)存數(shù)據(jù)，省去了鋰電池，系統(tǒng)雖小卻可以處理模擬量（ 12 點(diǎn)模擬輸入 /4 點(diǎn)模擬輸出）。 S7200 最多有 4 個(gè)中斷控制的輸入，輸入響應(yīng)時(shí)間小于，每條二進(jìn)制指令的處理時(shí)間僅為 ， S7200 還有日期時(shí)間中斷功能。還 可 提供兩個(gè)獨(dú)立 4KHZ 的脈沖輸出，通過 驅(qū)動(dòng)單元 可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的位置控制。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口（ PPI）可以連接編程設(shè)備、操作員界面和具有串行接口的設(shè)備，用戶程序有三級(jí)口令保護(hù)。較強(qiáng)的功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)動(dòng)中，還是連成網(wǎng)絡(luò)皆洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 能完成各種控制任務(wù)。它的使用范圍可以覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)控制。其應(yīng)用領(lǐng)域包括各種機(jī)床、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、食品化工工業(yè)、環(huán)保、電梯等。 S7200 系列有 CUP21X 和 CPU22X 兩代產(chǎn)品。其中 CPU22X 型 PLC有 CPU22 CPU22 CPU224 和 CPU226 四種基本型號(hào)。本設(shè)計(jì)選用 CPU226 型 PLC。功能模塊選用 EM235。 CPU226 主機(jī)共有 24 個(gè)輸入點(diǎn)和 16 個(gè)輸出點(diǎn)，可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬 I/O 點(diǎn)。 13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。 CPU226輸入電路采用了雙向光電耦合器， DC24V 極性可任意選擇，系統(tǒng)設(shè)置 1M 為 I0B輸入端子的公共端， 2M 為 I1B 輸入端子的公共端。在晶體管輸出電路中采用了MOSFET 功率驅(qū)動(dòng)器件，并將數(shù)字量輸出分為兩組，每組有一個(gè)獨(dú)立公共端，共有 1L、 2L兩個(gè)公共端，可接入不同的負(fù)載電源。 CPU226 可用于較高要求的控制系統(tǒng)，更多的 I/O 點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能使其完全適應(yīng)于復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。圖 52 為 CPU226 外部電路連接圖。 圖 52 CPU226外部電路連接圖 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 28 EM235 模擬量模塊 圖 53 EM235 模塊模擬量 I/O 連線示意圖 如圖 53 所示為模擬量 I/O 組合模塊 EM235（ 4 路模擬量輸入、 1 路模擬量輸出） I/O 連接示意圖。 24V DC 電源正極接入模塊左下方 L+端子，負(fù)極接入 M 端子。 EM235 模塊的上部端子排為標(biāo)注 A、 B、 C、 D 的四路模擬量輸入接口，可分別接入標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)。為電壓輸入時(shí)，如 A 口所示，電壓正極接入 A+端，負(fù)極接入 A端， RA 端懸空。為電流輸入時(shí)，如 B 口所示須將 RB 與 B+短接。然后與電流信號(hào)輸出端相連，電流信號(hào)輸入端則接入 B接口。若 4 個(gè)接口未能全部使用，如 C 口所示，未用的接口要將 C+與 C端用短路子短接，以免收到外部干擾。下部端子為一路模擬量輸出的 3 個(gè)接線端子 MO、 VO、 IO，其中 MO 為數(shù)字接地接口， VO 為電壓輸出接口， IO 為電流輸出接口。若為電壓負(fù)載，則將負(fù)載接入 MO、 VO 接口若為電流負(fù)載則接入 MO、 IO 接口。 在進(jìn)行接線時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 （ 1） 傳感器接線的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能的短，并使用屏蔽雙絞線。 （ 2） 敷設(shè)線路時(shí)應(yīng)使用電纜槽，避免將導(dǎo)線彎成銳角。 （ 3） 避免將信號(hào)線與 電源線平行接近布置。 （ 4） 使用高質(zhì)量的 24V DC 傳感器電源，以保證無噪聲及穩(wěn)定運(yùn)行。 EM235 的安裝使用 EM235 安裝使用的一般過程如下 : (l)根據(jù)輸入信號(hào)的類型及變化范圍設(shè)置 DIP 開關(guān)，完成模塊的配置工作。必要時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)工作。 (2)完成硬件的接線工作。注意輸入、輸出信號(hào)的類型不同，采用不同的接入方式。為防止空置端對(duì)接線端的干擾，空置端應(yīng)短接。接線還應(yīng)注意傳感器的線路盡可能的短，且應(yīng)使用屏蔽雙絞線，要保證 24Voc 傳感器電源無噪聲、穩(wěn)定可靠。 (3)確定模塊安裝入系統(tǒng)時(shí)的位置，并由安 裝位置確定模塊的編號(hào)。 57 一200 擴(kuò)展單元安裝時(shí)在主機(jī)的右邊依次排列，并從模塊 O 開始編號(hào)。模塊安裝完畢后，將模塊自帶的接線排插入主機(jī)上的擴(kuò)展總線插口。 (4)為了在主機(jī)中進(jìn)行輸入模擬量轉(zhuǎn)換后數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的處理及為了輸出需要在模擬量單元中轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)字量，要在主機(jī)中安排一定的存儲(chǔ)單元。一般使用模擬量輸入 AIW 及模擬量輸出 AQW 單元安排由模擬量模塊送來的數(shù)字量及待送入模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量輸出的數(shù)字量。而在主機(jī)的變量存儲(chǔ)區(qū) V區(qū)存放處理產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)。擴(kuò)展模塊的編址方法依 57 一 200 系列 PLC 技術(shù)手冊(cè)中有關(guān)規(guī)定。 EM235 的工作程序編制 EM235 的工作程序編制一般包含以下內(nèi)容 : (1) 設(shè)置初始化子程序。在該子程序中完成采樣次數(shù)的預(yù)置及采樣和單元清零的工作，為開始工作做好準(zhǔn)備。 (2)設(shè)置模塊檢測(cè)子程序。該子程序檢查模塊的連接正確性及模塊工作的正確性。 (3)設(shè)置子程序完成采樣及相關(guān)的計(jì)算工作。 (4)工程所需的有關(guān)該模擬量的處理程序。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 30 (5)處理后模擬量的輸出工作。 系統(tǒng) 硬件連接圖 西門子 S7200 系列 CPU226 型硬件接線圖 ， 如圖 54： 圖 53 硬件接線圖 控制系統(tǒng) I/O 地址分配 PLC 的輸入 /輸出分配表（如表 51 所示 ） 表 21 I/O 分配表 編號(hào) 地址 說明 功能 1 路模擬量輸出 1 AQW0 輸出模擬量 控制輸入控制液壓閥 1 路數(shù)字輸入， 1 路模擬量輸入 1 按鈕，手動(dòng)自動(dòng)切換 0 為手動(dòng)， 1 為自動(dòng) 2 AIW0 輸入模擬量 液位傳感器的值 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 第 6 章 系統(tǒng) 軟件 控制 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能主要是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的 ,結(jié)合前面所述變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制要求 ,利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn) PID 控制的定時(shí)采樣及輸出控制 ,三臺(tái)水泵切換 信號(hào)的生成、接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合及報(bào)警處理等都由程序控制。在程序設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到負(fù)載均衡性原則 ,采取 “先入先出 ”的排隊(duì)策略 ,執(zhí)行變頻方式輪值 ,確保各水泵使用率基本均衡。生活及消防雙恒壓的兩個(gè)恒定值是采用數(shù)字式方式直接在程序中設(shè)定的。生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 70%,消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 90。 PID 回路增益和時(shí)間常數(shù)初步設(shè)定為 :增益kc=、采樣時(shí)間 ts= s、積分時(shí)間 ti=30 到最優(yōu)的控制效果。 為了恒定供水 ,在水壓降落時(shí)要升高 變頻器的輸出頻率 ,當(dāng)變頻器達(dá)到上限頻率且一臺(tái)水泵還不能滿足恒壓要求時(shí) ,則把變頻運(yùn)行的水泵切換到工頻上運(yùn)行 ,同時(shí)需要變頻啟動(dòng)第二臺(tái)或第三臺(tái)水泵 ,直到滿足供水要求。判斷需不需要啟動(dòng)新水泵的標(biāo)準(zhǔn)就是變頻器的輸出頻率是否達(dá)到設(shè)定的上限值。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的準(zhǔn)確性 ,應(yīng)濾去偶然的頻率波動(dòng)起的頻率達(dá)到上限的情況。變頻器控制水泵電機(jī)的每一次啟動(dòng)均為軟啟動(dòng) ,并規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用 ,任一臺(tái)泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得 超過 3h,因此每次需啟動(dòng)新水泵時(shí) ,將現(xiàn)行運(yùn)行的水泵從變頻器上切除 ,并換上工頻電源運(yùn)行 ,將變頻器復(fù)位并用于 新運(yùn)行水泵的啟動(dòng)。三臺(tái)水泵的工作循環(huán)控制是使用水泵號(hào)加 1 的方法實(shí)現(xiàn) (到 3 在加 1 時(shí)等于零 ),即用水泵的總數(shù)結(jié)合水泵號(hào)實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作。 水位 PID 控制的邏輯設(shè)計(jì) 水位 PID 控制程序分為 3 部分，每部分流程圖如下： （ 1） 主程序調(diào)用模塊，如圖 61 是所示。 （ 2） 主程序調(diào)用子程序 0，如圖 62 所示。 生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的 70%，本系統(tǒng)中的增益和時(shí)間常數(shù)為 :增益 Kc=，采樣時(shí)間 Ts=1s，積分時(shí)間Ti=30min。 （ 3）中斷子程序模塊，如圖 63 所示。 其作用主要用于 PID 的相應(yīng)計(jì)算，在 PLC洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 32 的 常閉繼電器 的作用下工作，它包括 :設(shè)定回路輸入及輸出選項(xiàng)、設(shè)定回路參數(shù)、設(shè)定循環(huán)報(bào)警選項(xiàng)、為計(jì)算指定內(nèi)存區(qū)域、指定初始化子程序及中斷程序。 圖 61 主程序調(diào)用模塊 圖 62 主程序調(diào)用子程序 0 啟動(dòng)子程序 設(shè)置 PID 參數(shù) 裝入回路設(shè)定值 =75% 回路增益 = 裝入回路采樣 1S 裝入積分時(shí)間 30min 設(shè)定定時(shí)中斷時(shí)間為 100ms 子程序 0 結(jié)束 首次掃描 ●調(diào)用子程序 0 進(jìn)行啟動(dòng)計(jì)算機(jī)和初始化 ●條用子程序 0 初始化定時(shí)中斷 主程序結(jié)束 主程序開始 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 圖 63 中斷子程序模塊 其中，各符號(hào)名說明如下： nM 在第 n 采樣時(shí)刻， PID 回路輸出的計(jì)算值 cK PID 回路增益 ne 在第 n 采樣時(shí)刻的偏差值 1ne? 在第 n1 采樣時(shí)刻的偏差值 1K 積分項(xiàng)的比例常數(shù) MX 積分項(xiàng)的前值 KD 微分項(xiàng)的比例常數(shù) 啟動(dòng) 中斷子程序 0 定時(shí)中斷計(jì)數(shù)器值加 1 中斷子程序 0結(jié)束 計(jì)數(shù)器值 到達(dá)了嗎 計(jì)算 PID 公式 11()n c n n n nM K e K e M X K D e e ?? ? ? ? ? 對(duì)輸出值限制 反饋仿真 是 否 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 34 梯形圖 編程 （ 1） 主程序部分 。 （ 2） 子程序 SBR_0。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 35