【正文】 的遠(yuǎn)傳密封組件，以便用于如高粘度物料燈特殊應(yīng)用場(chǎng)合。不同型號(hào)的DS III壓力變送器可以用來(lái)測(cè)量：表壓、絕對(duì)壓力、差壓、液位、流量。 水箱液位串級(jí)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 串級(jí)控制系統(tǒng)概述圖 3是串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個(gè)控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值 R，它的輸出 m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出 m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù) C1。圖 3 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖其控制系統(tǒng)方框圖中各參數(shù)的含義如下所示：R主參數(shù)的給定值； C1被控的主參數(shù) ； C2副參數(shù)；f1(t)作用在主對(duì)象上的擾動(dòng)； f2(t)作用在副對(duì)象上的擾動(dòng)。 串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，因此，主變量在干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程和單回路定值控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。但是串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上從對(duì)象中引入一個(gè)中間變量（副變量）構(gòu)成了一個(gè)13回路，因此具有一系列的特點(diǎn)。串級(jí)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有： 副回路的干擾抑制作用 發(fā)生在副回路的干擾，在影響主回路之前即可由副控制器加以校正； 主回路響應(yīng)速度的改善 副回路的存在，使副對(duì)象的相位滯后對(duì)控制系統(tǒng)的影響減小，從而改善了主回路的響應(yīng)速度； 魯棒性的增強(qiáng) 串級(jí)系統(tǒng)對(duì)副對(duì)象及調(diào)節(jié)閥特性的變化具有較好的魯棒性； 副回路控制的作用 副回路可以按照主回路的需要對(duì)于質(zhì)量流和能量流實(shí)施精確的控制。 串級(jí)控制系統(tǒng)的適用場(chǎng)合與單回路回饋控制系統(tǒng)比較，串級(jí)控制系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。如串級(jí)控制系統(tǒng)能改善對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性、提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量；能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)；能提高系統(tǒng)的工作頻率以及對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)等等。串級(jí)控制方案主要適用場(chǎng)合如下：應(yīng)用于容量滯后較大的對(duì)象當(dāng)對(duì)象的容量滯后較大時(shí)。若采用串級(jí)控制，使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作效率，加快反應(yīng)速度，則得到好的控制質(zhì)量。應(yīng)用于純滯后較大的對(duì)象當(dāng)對(duì)象純滯后較大，有時(shí)可以用串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量應(yīng)用于擾動(dòng)變化激烈而且幅度大的對(duì)象串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于進(jìn)入其中的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的校正能力。應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的對(duì)象在有些生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一個(gè)介質(zhì)進(jìn)行控制。鑒于串級(jí)控制方式所具有的這一優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)最終采用串級(jí)控制方式來(lái)控制水箱液位。 水箱液位串級(jí)系統(tǒng)流程分析雙容水箱是兩個(gè)串聯(lián)在一起的水箱，整個(gè)系統(tǒng)有上水箱、中水箱、儲(chǔ)水箱及管和閥門組成。本系統(tǒng)由雙容水箱作為控制對(duì)象,水箱的液位h1和h2作為被控量。水箱里液位的變化,由壓力傳感器轉(zhuǎn)換成4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào),在由I/O接口的A/D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼的數(shù)字信號(hào)后,送入計(jì)算機(jī)端口。經(jīng)計(jì)算機(jī)算出的控制量通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成1~5V的控制電信號(hào),加到功放上,通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度向水箱。水從上水箱進(jìn)入，上水箱閘板開(kāi)度8毫米，進(jìn)入中水箱，中水箱閘板開(kāi)度56毫米。要保證中水箱閘板開(kāi)度大約下水箱閘板開(kāi)度，這樣控制效果好些。水流入量Qi由調(diào)節(jié)閥u控制，流出量Qo則由用戶通過(guò)14閘板來(lái)改變。被調(diào)量為下水位H。雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示：圖 4 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 水箱液位串級(jí)系統(tǒng)邏輯框圖分析 雙容水箱液位控制系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖 5所示:圖 5 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖這是一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)，有兩個(gè)水箱相串聯(lián)，控制的目的是使下水箱的液位高度等于給定值所期望的高度；具有減少或消除來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)的影響。由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故它的穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。 水箱液位串級(jí)系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì) 控制算法選擇本設(shè)計(jì)采用的是工業(yè)控制中最常用的 PID控制規(guī)律，內(nèi)環(huán)與外環(huán)的控制算法采用PID算法，PID 算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，外環(huán) PID的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入，內(nèi)環(huán)跟隨外環(huán)的輸出。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID控制，又稱 PID調(diào)節(jié)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，主 調(diào) 節(jié) 器 副 調(diào) 節(jié) 器 氣 動(dòng) 閥 上 水 箱 中 水 箱液 位 變 送 器 2液 位 變 送 器 1給 定 值 二 次干 擾 一 次干 擾???? 1h2h（ ） 液 位15在長(zhǎng)期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。 PID 控制算法特點(diǎn)技術(shù)成熟；PID 調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方法，它的結(jié)構(gòu)靈活，不僅可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的 PID調(diào)節(jié)，而且還可根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用PI、PD、帶死區(qū)的 PID控制等；不需求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型； 控制效果好。雖然計(jì)算機(jī)控制是非連續(xù)的，但由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越來(lái)越快，因此用數(shù)字 PID完全可代替模擬調(diào)節(jié)器，并且能得到比較滿意的效果。 PID 控制算法分析 典型的 PID控制結(jié)構(gòu)如圖 6所示： 圖 6 PID 控制結(jié)構(gòu)圖比例部分 比例部分的數(shù)學(xué)式表達(dá)如公式（1）可見(jiàn)： (1)在模擬 PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間作出反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂?作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) Kp，比例系數(shù) Kp越大，控制作用越強(qiáng)，則過(guò)渡過(guò)程越快，控制過(guò)程的靜態(tài)偏差也就越??；但是 Kp越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例系數(shù) Kp選擇必須恰當(dāng)，才能過(guò)渡時(shí)間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。16積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)式表達(dá)如公式（2）可見(jiàn)： (2)從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就不斷的增加；只有在偏差e(t)=0時(shí)，它的積分才能是一個(gè)常數(shù)，控制作用才是一個(gè)不會(huì)增加的常數(shù)?？梢?jiàn)，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)Ti越大，積分的積累作用越弱，這時(shí)系統(tǒng)在過(guò)渡時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩；但是增大積分常數(shù)Ti會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過(guò)程，消除偏差所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)Ti較小時(shí)，則積分的作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡時(shí)間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過(guò)消除偏差所需的時(shí)間較短。所以必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來(lái)確定Ti。微分部分 微分部分的數(shù)學(xué)式表達(dá)如公式(3)可見(jiàn)： (3)實(shí)際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過(guò)程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做出立即響應(yīng)（比例環(huán)節(jié)的作用），而且要根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正。為了實(shí)現(xiàn)這一作用，可在PI控制器的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，形成PID控制器。 微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)（變化速度）進(jìn)行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對(duì)髙階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感，對(duì)那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。微分部分的作用由微分時(shí)間常數(shù)Td決定。Td越大時(shí)，則它抑制偏差e(t)變化的作用越強(qiáng)；Td越小時(shí)，則它反抗偏差e(t)變化的作用越弱。微分部分顯然對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的作用。適當(dāng)?shù)剡x擇微分常數(shù)Td，可以使微分作用達(dá)到最優(yōu)。所以PID調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)描述如公式(4)可見(jiàn): [e(t) ] (4)173 控制系統(tǒng)下位機(jī)硬件配置和程序設(shè)計(jì) S7400PLC 概述SIMATIC S7400是通用可編程控制器，它廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域，涉及多個(gè)行業(yè)，可用于組建集中式或分布式結(jié)構(gòu)的測(cè)控系統(tǒng)，重點(diǎn)在于為生產(chǎn)制造工程中的系統(tǒng)解決方案提供一個(gè)通用的自動(dòng)化平臺(tái)，性能優(yōu)良，運(yùn)行可靠。 S7400PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，模塊種類的品種繁多，功能齊全，應(yīng)用范圍十分廣泛，可用于集中形式的擴(kuò)展，也可用于帶ET200M分布式結(jié)構(gòu)的配置。S7系列PLC用DIN標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，各模塊用總線連接器連接在一起，系統(tǒng)配置靈活、維護(hù)簡(jiǎn)便、易擴(kuò)展。S7400PLC主要模塊有中央處理器單元（CPU）模塊、信號(hào)（SM）模塊、通信（CP）模塊、功能（FM）模塊；輔助模塊有電源（PS）模塊、接口（IM）模塊。每一類模塊都有各種不同的型號(hào)可選擇。CPU模塊是PLC的核心，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)并執(zhí)行用戶程序，存取其他模塊的數(shù)據(jù)，一般還具有某種類型的通信功能。信號(hào)模塊用來(lái)傳送數(shù)字量及模擬量信號(hào)。通信模塊可提供PROFIBUS、以太網(wǎng)等通信連接形式。功能模塊有高速計(jì)數(shù)模塊等。 STEP 7軟件的介紹STEP 7是用于 SIMATIC S7300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形邏輯圖、功能塊圖和語(yǔ)句表。它是SIEMENS SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分。STEP 7以其強(qiáng)大的功能和靈活的編程方式廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)。STEP7提供了幾種不同的版本以適應(yīng)不同的應(yīng)用和需求，具體見(jiàn)表1：18表1 STEP 7軟件版本圖 7顯示了 STEP7軟件是如何對(duì) PLC硬件進(jìn)行編程和組態(tài)的，如圖 7所示：圖 7 STEP 7 編程過(guò)程圖中的編程設(shè)備可以是 PG（編程器）或者 PC，它通過(guò)編程電纜與 PLC的 CPU模塊相連。用戶可以在 STEP 7中編寫(xiě)程序和對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài)，并將用戶程序和硬件組態(tài)信息下載到 CPU，或者從 CPU上載到 PG或者 PC。當(dāng)程序下載、調(diào)試完成以后，PLC 系統(tǒng)就可以執(zhí)行各種自動(dòng)任務(wù)了。STEP 7版本 適用場(chǎng)合STEP 7Micro/DOS STEP 7Micro/WIN S7200系列PLC的編程、組態(tài)軟件包STEP 7 Lite S7300、C7系列PLC、ET200X和ET200S系列分布式I/O的編程、組態(tài)軟件包STEP 7 Basis S7300/S7400、M7300/M7400和C7系列的編程、組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)軟件包19 硬件組態(tài) 硬件配置 硬件主要由以下幾部分別組成：電源模塊：PS 407 4A控制器：CPU 4123HDP/PA 耦合器：IM 157 PA模擬量輸入輸出模塊：IM 1531通信模塊：CP 4431傳感器模塊：四類傳感器 變頻器模塊：西門子變頻器 硬件配置原理圖 水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的原理圖如圖 8所示：圖 8 控制系統(tǒng)原理框圖 項(xiàng)目建立20 首先雙擊桌面上的 STEP 7圖標(biāo)，進(jìn)入 SIMATICManager窗口，進(jìn)入主菜單“文件” ，選擇“新建項(xiàng)目向?qū)А?，彈出標(biāo)題為 STEP7向?qū)?“新建項(xiàng)目”的小窗口，如圖 9所示： 圖 9 新建項(xiàng)目界面單擊下一步按鈕，彈出圖 9所示向?qū)?，在新?xiàng)目中添加 CPU模塊的型號(hào)為 CPU4123H。如圖 10所示：21圖 10 CPU 添加單擊下一步按鈕，選擇需要生成的邏輯塊，至少需要生成作為主程序的組織塊OB1。在程序的語(yǔ)言選擇上選擇 LAD語(yǔ)言，即梯形圖語(yǔ)言。如圖 11所示：圖 11 BIOCK 設(shè)置單擊下一步按鈕，輸入項(xiàng)目的名稱為水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)，單擊完成按鈕生成項(xiàng)目。如圖 12所示：22圖 12 項(xiàng)目名稱 硬件組態(tài)在 STEP7軟件硬件組態(tài)中選擇機(jī)架，機(jī)架導(dǎo)軌 1號(hào)槽中放置電源模塊，2 號(hào)槽中放置 CPU控制器模塊，在 CPU模塊的 DP通訊接口上連接 DP總線，DP 總線上連接分布式I/O模塊、變頻器和 DP/PA耦合器，耦合器通過(guò) PA總線連接壓力、溫度、流量、電氣閥門定位器四個(gè) PA總線儀表。檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳輸給 CPU，最后，在 4號(hào)槽中放置通信模塊，進(jìn)行通訊連接、程序下載。其組態(tài)好硬件如圖 13所示：23圖 13 系統(tǒng)硬件配置圖 程序設(shè)計(jì) 創(chuàng)建數(shù)據(jù)塊 DB41 在進(jìn)行 OB1正式編程前，需要建立一個(gè)數(shù)據(jù)塊，成為 DB41，用以存放變量，并對(duì)變量進(jìn)行聲明，為變量分配好地址，設(shè)定好初始值，為編程做好前提準(zhǔn)備。其數(shù)據(jù)塊DB41如圖 14所示：24圖 14 數(shù)據(jù)塊 DB41 創(chuàng)建功能塊 FB41 FB41為西門子 PLC內(nèi)部已經(jīng)定義好的實(shí)現(xiàn) PID控制的功能模塊。在 STEP7軟件中，F(xiàn)B41 稱為連續(xù)控制的 PID用于控制連續(xù)變化的模擬量， PID的初始化可 以通過(guò)在 OB100中調(diào)用一次，將參數(shù) COMRST置 位，當(dāng)然也可在別的地方初始化它，關(guān)鍵的是要 控制 COMRST。PID 的調(diào)用可以在 OB35中完成， 一般設(shè)置時(shí)間為 200MS。其FB41塊如圖 15所示：圖 15 功能塊 FB41 創(chuàng)建組織塊 OB35創(chuàng)建組織塊 OB35來(lái)編寫(xiě)主程序，是用 STEP 7軟件中的 FBD模塊來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)程序25的。本次設(shè)計(jì)的雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)，采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，主、副調(diào)節(jié)器都采用PID控制，所以在 0B35中主要是對(duì) PID功能模塊 FB41進(jìn)行調(diào)用，所創(chuàng)建的 OB35組織塊如圖 16所示： 圖 16(A) 組織塊 0B3526圖 16(B) 組織塊 OB35 通信設(shè)置西門子 S7400系列的 PLC，與