【導(dǎo)讀】制技術(shù)和通信技術(shù)。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(lǐng)域中實(shí)施各種控制任務(wù)時(shí)，成為一種既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案。過程控制系統(tǒng)中，80%以上的控制對(duì)象都可以用PID控制器來實(shí)現(xiàn)。件MCGS設(shè)計(jì)了一套液位控制系統(tǒng)。編程時(shí)調(diào)用了STEP7中自帶的PID模塊，使得程。序更為簡潔，運(yùn)行速度更為理想。利用可編程控制器和組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)。監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采樣與處理。實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)具有快、準(zhǔn)、穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制。領(lǐng)域中能得到廣泛運(yùn)用。

　　

【正文】 （ ） 式（ ）中， K0為對(duì)象放大系數(shù) ； T0為對(duì)象時(shí)間常數(shù)； τ為對(duì)象時(shí)滯。因此式（ ） K0 = ?y(∞)?u （ ） 由階躍響應(yīng)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(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁 PID 參數(shù)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(jīng)確定了。在系統(tǒng)投運(yùn)之前，還需要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。因?yàn)?PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類： 一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。 上述三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。在本設(shè)計(jì)中 我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法來整定控制器的參數(shù)值。下面介紹方法步驟。 經(jīng)驗(yàn)整定法實(shí)質(zhì)上是一種試湊法，它是在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的行之有效的方法，并在現(xiàn)場中得到了廣泛的應(yīng)用。這種方法的基本程序是先根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，然后人為 的 加入階躍擾動(dòng)（如改變調(diào)節(jié)器的給定值），觀察被調(diào)量或調(diào)節(jié)器輸出的階躍響應(yīng)曲線。若認(rèn)為控制質(zhì)量不滿意，則根據(jù)各整定參數(shù)對(duì)控制過程的影響改變調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣反復(fù)試驗(yàn)，直到滿意為止。 由于比例作用是最基本的控制作用，經(jīng)驗(yàn)整定法主要通過調(diào)整比例度 δ的大小來滿足質(zhì)量指標(biāo)。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(diào)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(shí)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(diào)整積分時(shí)間的大小，直到出現(xiàn) 4:1 的衰減振蕩。需要時(shí)，最后加入微分（ D）作用，即從零開始，逐漸加大微分時(shí)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(shí)間也縮短一些。通過微分時(shí)間的 湊試，使過渡時(shí)間最短，超調(diào)量最小。 先根據(jù)表選取積分時(shí)間 TI和 TD，通常取 TD=（ 1/3～ 1/4） TI，然后對(duì)比例度 δ進(jìn)行反 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁 復(fù)湊試，直到得到滿意的結(jié)果。如果開始 TI和 TD設(shè)置的不合適，則有可能得不到要求的理想曲線。這時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整 TI和 TD，再重復(fù)湊試，使曲線最終符合控制要求。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)整定參數(shù)，對(duì)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(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁 第五章 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，上一章已經(jīng)詳細(xì)的介紹了本項(xiàng)目的硬件 設(shè)計(jì) 。本章在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將詳細(xì)介紹本項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法，編程軟件 STEP 7 的介紹以及本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)程序。 PLC 程序設(shè)計(jì)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(jìn)行 PLC 程序設(shè)計(jì)。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時(shí)序流程圖法和步進(jìn)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(duì)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(guān)系。邏輯流程圖會(huì)使整個(gè)程序脈絡(luò)清晰，便于分析程序控制、查找故障點(diǎn)及調(diào)試和維修程序。 時(shí)序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時(shí)序圖（即到某一個(gè)時(shí)間應(yīng)該進(jìn)行哪項(xiàng)控制 的控制時(shí)序圖），再根據(jù)時(shí)序關(guān)系畫出對(duì)應(yīng)的控制任務(wù)的程序時(shí)序框圖，最后把框圖寫成PLC 程序。這種方法很適合以時(shí)間為基準(zhǔn)的控制系統(tǒng)的編程方法。 步進(jìn)順控法是在順控指令的配合設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制程序。一般比較復(fù)雜的程序都可以分成若干個(gè)功能比較簡單的程序段，一個(gè)程序可以看成整個(gè)控制過程的一步。 經(jīng)驗(yàn)法是運(yùn)用自己的或者別人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。多數(shù)是設(shè)計(jì)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(yàn)程序”。結(jié)合自己工程的情況，對(duì)這些 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁 “試驗(yàn)程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是通過 PLC 編程軟件（比如 STEP 7）在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。使用編程軟件可以很方便的在計(jì)算機(jī)上離線或在線編程、在線調(diào)試，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)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(chǎn)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(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)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(shù) 設(shè)置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)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(biāo)打開或選中某一對(duì)象，按 F1 可以得到該對(duì)象的在線幫助。 在 STEP 中，用項(xiàng)目來管理一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件和軟件。 STEP 7 用 SIMATIC 管理器對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行集中管理，它可以方便地瀏覽 SIMATIC S M C7 和 WinAC 的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn) 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(jié)構(gòu) STEP 是用于對(duì) SIMATIC 可編程邏輯控制器進(jìn)行組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)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(dòng) STEP 啟動(dòng) Windows 以后，將光標(biāo)選中 SIMATIC Manager 這個(gè)圖標(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目，硬件組態(tài)及參數(shù)設(shè)定，組態(tài)硬件網(wǎng)絡(luò)，編寫程序，編輯、調(diào)試程序。與 Windows Explorer 的文件夾和文件的結(jié)構(gòu)相同， SIMATIC 管理器可以在 STEP 的項(xiàng)目和庫中顯示對(duì)象等級(jí)。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁 如 圖 為一個(gè)對(duì)象等級(jí)分支圖。 (1)項(xiàng)目對(duì)象 (project) (2)站對(duì)象 (station) (3)編程模塊對(duì)象 () (4)S7/M7 程序?qū)ο?(s7 program) (5)源文件文件夾對(duì)象 (source files) (6)塊文件夾對(duì)象 (blocks) 圖 對(duì)象等級(jí)分支圖 (2)生成工程項(xiàng)目 進(jìn)入 SIMATIC 管理器，窗口如左下圖所示，點(diǎn)擊 NEXT 進(jìn)入下一步進(jìn)入 建立過程控制系統(tǒng)項(xiàng)目 所示窗口：選擇 CPU 型號(hào)為 314C2DP， MPI 地址為 2（這是為了以后建立與 MCGS 通訊而設(shè)置），點(diǎn)擊下一個(gè)。在下一個(gè)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(diǎn)擊 finish。這時(shí)候生成如圖 所示的工程名為 PLC 過程控制的工程項(xiàng)目窗口。 圖 PLC 過程控制的工程項(xiàng)目窗口 (3)編程 PID 控制模塊 圖 在窗口左邊樹形項(xiàng)目結(jié)構(gòu)中點(diǎn)擊 blocks 文件夾，在右邊窗口點(diǎn)擊右鍵，再選中 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(gè)連續(xù) PID 功能塊 FB41，并隨之創(chuàng)建一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊 DB6，在 DB36的 創(chuàng)建對(duì)話框中選擇數(shù)據(jù)塊為 instance block(背景數(shù)據(jù)塊 ) ,并選擇作為 FB41 的背景數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)符號(hào)表中的全局變量，其在 CPU 內(nèi)對(duì)應(yīng)的地址為 （見下面地址編輯部分） 。 contc是組織塊調(diào)用 的 功能塊 FB41，其 數(shù)據(jù)存放在單獨(dú)的、被指定給該功能塊的數(shù)據(jù)塊 DB6中 。 如果要設(shè)置功能塊中各參數(shù)的初始值，可打開數(shù)據(jù)塊 DB6，并在菜單欄的 view 選項(xiàng)中選擇 data view，便可在實(shí)際值一欄中設(shè)置個(gè)變量的初始值了。 把 FB41 的 MAN_ON 設(shè)為 FALSE， D_SEL、 COM_RST 設(shè)為 TRUE， Cycle 設(shè)為3s， GAIN 為比例系數(shù)， TI 為積分系數(shù)， TD 為微分系數(shù)，其余為默認(rèn)值；把 FB43 的PER_TM 設(shè)為 3s， P_B_TM 設(shè)為 200ms， RATIOFAC 設(shè)為液位比例系數(shù)， STEP3_ON、SYN_ON、 COM_RST 為 TRUE， Cycle 為 100ms，其余為默認(rèn)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(duì)于控制器中的比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)采取在線調(diào)整。 接下來就要給 PID 控制模塊的各個(gè)參數(shù)編輯地址了。 STEP 7 有一個(gè)專門的符號(hào)表， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 26 頁 表內(nèi)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(gè)有 SIMATIC 站的項(xiàng)目，就可以組態(tài)硬件了。這些組態(tài)數(shù)據(jù)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(xiàng)目。打開 SIMATIC 300 STATION 文件夾雙擊 hardware(硬件 )符號(hào)。進(jìn)入“ Hw Config”窗口如圖 所示：在左邊樹形目錄中找到一個(gè)電源模版 PS307 2A，將該模版拖至 1 號(hào)槽。同樣，查找 數(shù)字量輸出 模版 SM322，將它插入 4 號(hào)槽， 3 號(hào)槽空著，作為與其它 CPU 通訊用。 圖 組態(tài)硬件 軟件程序設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路 PLC 運(yùn)行時(shí)，將液位設(shè)定值， PID 參數(shù)值等，存入有關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器，使定時(shí)器復(fù)位；按啟動(dòng)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)換 為電信號(hào) ，模擬量輸入通道通過讀入模擬量送入 PLC；經(jīng)過程序計(jì)算后得出實(shí)際測量的壓力 P，將 P 和初始設(shè)定值相比較，根據(jù)偏差計(jì)算調(diào)整量，發(fā)出條件命令。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(wǎng)絡(luò) 1 程序中， 和 分別是啟動(dòng)和停止按鈕， 和 分別是系統(tǒng)運(yùn)行指示燈（綠燈）和系統(tǒng)停止指示燈（紅燈）。 如圖 所示。 在網(wǎng)絡(luò) 2 程序中，直接調(diào)用了編程軟件自帶的 PID 子程序，即就是用 PID 指令向?qū)Ь幊?。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(dāng)前壓力值送入 PID 模塊后輸出地模擬電壓值 AIW0； Setpoint_R 為設(shè)定值。 如圖 所示。 每個(gè) PID 回路都有兩個(gè)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(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)。即先把整數(shù)值轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)值，再把實(shí)數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，使其為 ~ 之間的實(shí)數(shù)。歸一化的公式見式（ ） R1 = (R