【導讀】制技術和通信技術。德國西門子公司SIMATICS7-300系列可編程控制器的模塊化、無。器在工業(yè)領域中實施各種控制任務時，成為一種既經濟又切合實際的解決方案。過程控制系統(tǒng)中，80%以上的控制對象都可以用PID控制器來實現。件MCGS設計了一套液位控制系統(tǒng)。編程時調用了STEP7中自帶的PID模塊，使得程。序更為簡潔，運行速度更為理想。利用可編程控制器和組態(tài)軟件，實現控制系統(tǒng)的實時。監(jiān)控、數據的實時采樣與處理。實驗證明，此系統(tǒng)具有快、準、穩(wěn)等優(yōu)點，在工業(yè)控制。領域中能得到廣泛運用。

　　

【正文】 （ ） 式（ ）中， K0為對象放大系數 ； T0為對象時間常數； τ為對象時滯。因此式（ ） K0 = ?y(∞)?u （ ） 由階躍響應法求得 ， K0=, T0=2 分鐘， τ= 分鐘。 圖 控制系統(tǒng)方框圖 PLC 控制器 鍋爐 傳感器 PID 模塊 SP PV ＋ － P GCS G0S R（ S） ＋ － E (S) U（ S） Y（ S） 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 20 頁 PID 參數整定 之前我們介紹了 PID 的控制算法，那么該液位控制系統(tǒng)就已經確定了。在系統(tǒng)投運之前，還需要進行控制器的參數整定。因為 PID 控制器的參數整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。 PID 控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類： 一是理論計算整定法。它主要是依據系統(tǒng)的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。 二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。 PID 控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。 上述三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。在本設計中 我們采用經驗整定法來整定控制器的參數值。下面介紹方法步驟。 經驗整定法實質上是一種試湊法，它是在生產實踐中總結出來的行之有效的方法，并在現場中得到了廣泛的應用。這種方法的基本程序是先根據運行經驗，確定一組調節(jié)器參數，并將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，然后人為 的 加入階躍擾動（如改變調節(jié)器的給定值），觀察被調量或調節(jié)器輸出的階躍響應曲線。若認為控制質量不滿意，則根據各整定參數對控制過程的影響改變調節(jié)器參數。這樣反復試驗，直到滿意為止。 由于比例作用是最基本的控制作用，經驗整定法主要通過調整比例度 δ的大小來滿足質量指標。整 定途徑有以下兩條： 先用單純的比例（ P）作用，即尋找合適的比例度 δ，將人為干擾后的過渡過程調整為 4:1 的衰減振蕩過程。然后再加入積分（ I）作用，一般先取積分時間 TI為衰減振蕩周期的一半左右。由于積分作用將使衰減振蕩加劇，在加入的積分作用之前，要先衰減比例作用，通常把比例度增大 10%~20%。調整積分時間的大小，直到出現 4:1 的衰減振蕩。需要時，最后加入微分（ D）作用，即從零開始，逐漸加大微分時間 TD，由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，可以把積分時間也縮短一些。通過微分時間的 湊試，使過渡時間最短，超調量最小。 先根據表選取積分時間 TI和 TD，通常取 TD=（ 1/3～ 1/4） TI，然后對比例度 δ進行反 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 21 頁 復湊試，直到得到滿意的結果。如果開始 TI和 TD設置的不合適，則有可能得不到要求的理想曲線。這時應適當調整 TI和 TD，再重復湊試，使曲線最終符合控制要求。 根據經驗整定參數，對于壓力控制系統(tǒng) P 在 30~60%之間； I 在 30~90s 之間； D在 30 以下。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 22 頁 第五章 PLC 控制系統(tǒng)軟件設計 PLC 控制系統(tǒng)的設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分，上一章已經詳細的介紹了本項目的硬件 設計 。本章在硬件設計的基礎上，將詳細介紹本項目的軟件設計，主要包括軟件設計的基本步驟、方法，編程軟件 STEP 7 的介紹以及本項目的設計程序。 PLC 程序設計方法 編寫 PLC 程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。 圖解法是靠畫圖進行 PLC 程序設計。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時序流程圖法和步進順序法。 梯形圖法是用梯形圖語言去編程 PLC 程序。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法，其圖形甚至元件名稱都有繼電器電路十分相似。這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成 PLC 的梯形圖語言。這對于熟悉繼電器控制的人來說，是最方便的一種編程方法。 邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示 PLC 程序的執(zhí)行過程，反映輸入與輸出地關系。邏輯流程圖會使整個程序脈絡清晰，便于分析程序控制、查找故障點及調試和維修程序。 時序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時序圖（即到某一個時間應該進行哪項控制 的控制時序圖），再根據時序關系畫出對應的控制任務的程序時序框圖，最后把框圖寫成PLC 程序。這種方法很適合以時間為基準的控制系統(tǒng)的編程方法。 步進順控法是在順控指令的配合設計復雜的控制程序。一般比較復雜的程序都可以分成若干個功能比較簡單的程序段，一個程序可以看成整個控制過程的一步。 經驗法是運用自己的或者別人的經驗進行設計。多數是設計前先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己的“試驗程序”。結合自己工程的情況，對這些 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 23 頁 “試驗程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。 計算機輔助設計是通過 PLC 編程軟件（比如 STEP 7）在計算機上進行程序設計、離線或在線編程、離線仿真和在線調試等。使用編程軟件可以很方便的在計算機上離線或在線編程、在線調試，在計算機上進行程序的存取、加密以及形成 EXE 文件。 編程軟件 STEP 7 概述 STEP 7 編程軟件用于西門子系列工控產品包括 SIMATIC S M C7 和基于 PC的 WinAC,是供它們編程、監(jiān)控和參數設置的標準工具，是 SIMATIC 工業(yè)軟件的重要組成部分。 STEP 7 具有以下功能：硬件配置和參數 設置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。 STEP 7 的所有功能均有大量的在線幫助，用鼠標打開或選中某一對象，按 F1 可以得到該對象的在線幫助。 在 STEP 中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。 STEP 7 用 SIMATIC 管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽 SIMATIC S M C7 和 WinAC 的數據。實現 STEP 7 各種功能所需的 SIMATIC 軟件工具都集成在 STEP 7 中。 STEP 7 的操作步驟 7 功能及結構 STEP 是用于對 SIMATIC 可編程邏輯控制器進行組態(tài)和編程的標準軟件包。它是SIMATIC 工業(yè)軟件的組成部分。 控制 PID 基本步驟 (1)啟動 STEP 啟動 Windows 以后，將光標選中 SIMATIC Manager 這個圖標，并雙擊。打開SIMATIC 管理器窗口。從這里，你可以訪問你所安裝的標準模塊和選擇模塊的所有功能。 SIMATIC 管理器用于基本的組態(tài)和編程。 SIMATIC 管理器具有下列功能：建立項目，硬件組態(tài)及參數設定，組態(tài)硬件網絡，編寫程序，編輯、調試程序。與 Windows Explorer 的文件夾和文件的結構相同， SIMATIC 管理器可以在 STEP 的項目和庫中顯示對象等級。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 24 頁 如 圖 為一個對象等級分支圖。 (1)項目對象 (project) (2)站對象 (station) (3)編程模塊對象 () (4)S7/M7 程序對象 (s7 program) (5)源文件文件夾對象 (source files) (6)塊文件夾對象 (blocks) 圖 對象等級分支圖 (2)生成工程項目 進入 SIMATIC 管理器，窗口如左下圖所示，點擊 NEXT 進入下一步進入 建立過程控制系統(tǒng)項目 所示窗口：選擇 CPU 型號為 314C2DP， MPI 地址為 2（這是為了以后建立與 MCGS 通訊而設置），點擊下一個。在下一個窗口選擇 CPU 所必須的組織塊 OB1。并輸入要建立工程的名稱，點擊 finish。這時候生成如圖 所示的工程名為 PLC 過程控制的工程項目窗口。 圖 PLC 過程控制的工程項目窗口 (3)編程 PID 控制模塊 圖 在窗口左邊樹形項目結構中點擊 blocks 文件夾，在右邊窗口點擊右鍵，再選中 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 25 頁 插入新模塊生成新的組織塊。 圖 PID 控制模塊 在右邊窗口再創(chuàng)建一個連續(xù) PID 功能塊 FB41，并隨之創(chuàng)建一個背景數據塊 DB6，在 DB36的 創(chuàng)建對話框中選擇數據塊為 instance block(背景數據塊 ) ,并選擇作為 FB41 的背景數據塊 。 之后 在 組織塊 的編程窗口中插入如圖 所示的 PID 控制模塊 。圖中 key1 對應符號表中的全局變量，其在 CPU 內對應的地址為 （見下面地址編輯部分） 。 contc是組織塊調用 的 功能塊 FB41，其 數據存放在單獨的、被指定給該功能塊的數據塊 DB6中 。 如果要設置功能塊中各參數的初始值，可打開數據塊 DB6，并在菜單欄的 view 選項中選擇 data view，便可在實際值一欄中設置個變量的初始值了。 把 FB41 的 MAN_ON 設為 FALSE， D_SEL、 COM_RST 設為 TRUE， Cycle 設為3s， GAIN 為比例系數， TI 為積分系數， TD 為微分系數，其余為默認值；把 FB43 的PER_TM 設為 3s， P_B_TM 設為 200ms， RATIOFAC 設為液位比例系數， STEP3_ON、SYN_ON、 COM_RST 為 TRUE， Cycle 為 100ms，其余為默認值。利用 FB41 和 FB43功能塊形成的 PID 控制器可以很好的控制液位。對于控制器中的比例系數，積分系數，微分系數采取在線調整。 接下來就要給 PID 控制模塊的各個參數編輯地址了。 STEP 7 有一個專門的符號表， 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 26 頁 表內定義的都是全局變量，可供所有的塊使用。 (4)組態(tài)硬件 創(chuàng)建了一個有 SIMATIC 站的項目，就可以組態(tài)硬件了。這些組態(tài)數據以后可以通過下載 （ downloading） 傳送到可編程控制器。 在開始處打開的 SIMATIC Manager 及“ getting started”項目。打開 SIMATIC 300 STATION 文件夾雙擊 hardware(硬件 )符號。進入“ Hw Config”窗口如圖 所示：在左邊樹形目錄中找到一個電源模版 PS307 2A，將該模版拖至 1 號槽。同樣，查找 數字量輸出 模版 SM322，將它插入 4 號槽， 3 號槽空著，作為與其它 CPU 通訊用。 圖 組態(tài)硬件 軟件程序設計 設計思路 PLC 運行時，將液位設定值， PID 參數值等，存入有關的數據寄存器，使定時器復位；按啟動按鈕，系統(tǒng)開始液位采樣，采樣周期為 10 秒；壓力傳感器把所測量的壓力進行標準量轉換 為電信號 ，模擬量輸入通道通過讀入模擬量送入 PLC；經過程序計算后得出實際測量的壓力 P，將 P 和初始設定值相比較，根據偏差計算調整量，發(fā)出條件命令。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 27 頁 控制程序流程圖 圖 控制程序流程圖 梯形圖程序 在網絡 1 程序中， 和 分別是啟動和停止按鈕， 和 分別是系統(tǒng)運行指示燈（綠燈）和系統(tǒng)停止指示燈（紅燈）。 如圖 所示。 在網絡 2 程序中，直接調用了編程軟件自帶的 PID 子程序，即就是用 PID 指令向導編程。上面的指令中， PV_1 為反饋值，也就是壓力液位傳感器檢測到的當前壓力值送入 PID 模塊后輸出地模擬電壓值 AIW0； Setpoint_R 為設定值。 如圖 所示。 每個 PID 回路都有兩個輸入變量，給定值 SP 和過程變量 PV。執(zhí)行 PID 指令前必須把它們轉換成標準的浮點型實數。即先把整數值轉換成浮點型實數值，再把實數值進行歸一化處理，使其為 ~ 之間的實數。歸一化的公式見式（ ） R1 = (R