【正文】 要與實(shí)際的引腳的距離一致。大部分芯片相鄰兩個(gè)引腳之間距離為 100mil。因此可以通過(guò)和芯片引腳距離的對(duì)比來(lái)確定其他元件的引腳距離。接下來(lái)要做的就是設(shè)計(jì)布局。布局結(jié)果的好壞將直接影響布線的效果，因此可以這樣認(rèn)為，合理的布局是 PCB 設(shè)計(jì)成功的第一步。本次電路板的元件布局大致做到了整齊、緊湊，且分布合理、均勻。Protel 99SE 有自動(dòng)布局和手動(dòng)布局二種，本次設(shè)計(jì)我采用了手動(dòng)布局來(lái)完成的。元件放置的順序通常遵循一些規(guī)則：首先放置與結(jié)構(gòu)緊密配合的固定位置的元器件，再放置元器件和大元器件。最后放置小元器件。接下一步是 PCB 的設(shè)計(jì)布線。Protel 99SE 具有自動(dòng)布線功能，考慮到自動(dòng)布線無(wú)法完成復(fù)雜電路板的布線，所以本次設(shè)計(jì)中采用自動(dòng)布線和手動(dòng)布線相結(jié)合來(lái)完成的。印制電路板的元件布局和電氣連線方向的正確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品能否可靠工作的關(guān)鍵，對(duì)同一元件和參數(shù)的電路，由于元件布局設(shè)計(jì)和電氣連線方向的不同而產(chǎn)生不同的結(jié)果。因而，必須把如何正確設(shè)計(jì)印刷電路板元件布局的結(jié)構(gòu)和正確選擇布線方向綜合起來(lái)考慮，這樣既可以消除因布線不當(dāng)而產(chǎn)生的干擾，同時(shí)便于生產(chǎn)中的安裝、調(diào)試與檢修等。20第四章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 任務(wù)提出通過(guò)學(xué)習(xí) S7200 PLC 的模擬量輸入輸出模塊的應(yīng)用，能夠編制 MSP430 程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)水箱水位恒定控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模擬量輸入模塊（EM231）具有 4 路模擬量輸入，輸入信號(hào)可以是電壓，也可以是電流，其輸入與 PLC 具有隔離，輸入信號(hào)的范圍可以由 SWSW2 和 SW3 設(shè)定。具體技術(shù)性能 圖 41 是 EM231 模擬量輸入模塊的接線，模塊上部共有 12 個(gè)端子，每 3 個(gè)點(diǎn)為一組（例如 RA、A+、A）可作為一路模擬量的輸入通道，共 4 組，對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)只用兩個(gè)端子（見圖 61 中的、A+、A） ，電流信號(hào)需用 3 個(gè)端子（見圖 41 中的 RC、C+、C） ，其中RC 與 C+端子短接。對(duì)于未用的輸入通道應(yīng)短接（見圖 41 中的 B+、B） 。模塊下部左端M、L+兩端應(yīng)接入 電源。圖 41 EM231 模擬量輸入模塊的接線模擬量輸入模塊的分辨率通常以 A/D 轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示，模擬量輸入模塊（EM231）的輸入信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)值是 12 位二進(jìn)制數(shù)。數(shù)據(jù)值的12 位在 CPU 中的存放格式如圖 42 所示。最高有效位是符號(hào)位：0 表示正值數(shù)據(jù)，1 表示負(fù)值數(shù)據(jù)。圖 42 EM23EM235 輸入數(shù)據(jù)格式21(1) 單極性數(shù)據(jù)格式 對(duì)于單極性數(shù)據(jù)，其兩個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元的低 3 位均為 0，數(shù)據(jù)值的 12 位（單極性數(shù)據(jù)）是存放在 3 14 位區(qū)域。這 12 位數(shù)據(jù)的最大值應(yīng)為 。EM231 模擬量輸入模塊 A/D轉(zhuǎn)換后的單極性數(shù)據(jù)格式的全量程范圍設(shè)置為 032022。差值 3276032022=760 則用于偏置/增益，由系統(tǒng)完成。第 15 位為 0，表示正值數(shù)據(jù)。(2) 雙極性數(shù)據(jù)格式 對(duì)于雙極性數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)單元（兩個(gè)字節(jié)）的低 4 位均為 0，數(shù)據(jù)值的 12 位（雙極性數(shù)據(jù)）是存放在 415 位區(qū)域。最高有效位是符號(hào)位，雙極性數(shù)據(jù)格式的全量程范圍設(shè)置為32022～+32022。EM232 模擬量輸出模塊總體特性 外形尺寸：功耗：3W 輸出特性本機(jī)輸出：2 路模擬量輸出電源電壓：標(biāo)準(zhǔn) DC 24V/4mA 輸出類型：177。10V、0~20mA 分辨率：12bit 轉(zhuǎn)換速度：100μs（電壓輸出） ，2ms（電流輸出）隔離：有耗電 從 CPU 的 DC 5V（I/O 總線）耗電 10mA 接線端子M 為 DC24 電源負(fù)極端，L+ 為電源正極端MO、 VO、IO；MVI1 分別為第 2 路模擬量輸出端電壓輸出時(shí)， “V”為電壓正端， “M”為電壓負(fù)端電流輸出時(shí)， “I”為電流的流入端， “M”為電流流出端 圖 43 EM232 模擬量輸出模塊 模塊上部有 7 個(gè)端子，左端起的每 3 個(gè)點(diǎn)為一組，作為一路模擬量輸出，共兩組。第一組 V0 端接電壓負(fù)載、I0 端接電流負(fù)載，M0 為公共端。第二組 VIM1 的接法與第一組類似。輸出模塊下部 M、L+兩端接入 供電電源。22圖 43 EM232 模擬量輸出模塊端子接線模擬量輸出模塊的分辨率通常以 D/A 轉(zhuǎn)換前待轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)數(shù)字量的位數(shù)表示，MSP430 運(yùn)算處理后的 12 位數(shù)字量信號(hào)（BIN 數(shù)）在 CPU 中存放的格式如圖 64 所示。最高有效位是符號(hào)位：0 表示正值數(shù)據(jù)，1 表示負(fù)值數(shù)據(jù)。圖 44EM23EM235 輸出數(shù)據(jù)格式電流輸出數(shù)據(jù)的格式 對(duì)于電流輸出的數(shù)據(jù)，其兩個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元的低 3 位均為 0，數(shù)據(jù)值的 12 位是存放在 3~14 位區(qū)域。電流輸出數(shù)據(jù)格式為 0~+32022。第 15 位為 0，表示正值數(shù)據(jù)。電壓輸出數(shù)據(jù)的格式對(duì)于電壓輸出的數(shù)據(jù)，其兩個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元的低 4 位均為 0，數(shù)據(jù)值的 12 位是存放在 4~15 位區(qū)域。電壓輸出數(shù)據(jù)的格式為32022~+32022。模擬量輸入輸出模塊 EM235 具有 4 路模擬量輸入和 1 路模擬量輸出，它的輸入信號(hào)可以是不同量程的電壓或電流。其電壓、電流的量程由開關(guān) SW1SW6 設(shè)定。EM235 有 1 路模擬量輸出，其輸出可以是電壓，也可以是電流23表 43 EM235 的技術(shù)性能EM235 模擬量混合模塊總體特性 外形尺寸：功耗：3W 輸入特性本機(jī)輸入：4 路模擬量輸入電源電壓：標(biāo)準(zhǔn) DC 24V/4mA 輸入類型： 050mV、0100mV 、0500mV、01V、05V、010V 、020mA、177。25mV、177。50mV、177。100mV、177。250mV、177。500mV、177。1V、177。、177。5V、177。10V 分辨率：12bit 轉(zhuǎn)換速度：250μs 隔離：有輸出特性本機(jī)輸出：1 路模擬量輸出電源電壓：標(biāo)準(zhǔn) DC 24V/4mA 輸出類型：177。10V、020mA 分辨率：12bit 轉(zhuǎn)換速度：100μs（電壓輸出） ，2ms（電流輸出）隔離：有耗電 從 CPU 的 DC 5V（I/O 總線）耗電 10mA PID 閉環(huán)控制運(yùn)算在過(guò)程控制中，經(jīng)常涉及到模擬量的控制，比如溫度、壓力和流量控制等。為了使控制系統(tǒng)穩(wěn)定準(zhǔn)確，要對(duì)模擬量進(jìn)行采樣檢測(cè)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。檢測(cè)的對(duì)象是被控物理量的實(shí)際數(shù)值，也稱為過(guò)程變量；用戶設(shè)定的調(diào)節(jié)目標(biāo)值，也稱為給定值?？刂葡到y(tǒng)對(duì)過(guò)程變量與給定值的差值進(jìn)行 PID 運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，形成對(duì)模擬量的控制作用。 PID 回路表 在 MSP430 中，通過(guò) PID 回路指令來(lái)處理模擬量是非常方便的，PID 功能的核心是 PID指令。PID 指令需要為其指定一個(gè) V 變量存儲(chǔ)區(qū)地址開始的 PID 回路表、PID 回路號(hào)。PID回路表提供了給定和反饋，以及 PID 參數(shù)等數(shù)據(jù)入口，PID 運(yùn)算的結(jié)果也在回路表輸出，見表 44 所示。23表 44 PID 指令回路表偏移地址 參數(shù)名 數(shù)據(jù)格式 類型 描述0 Vn 輸入 過(guò)程變量當(dāng)前值，應(yīng)在 之間4 Pn 輸入 給定值，應(yīng)在 之間8 n 輸入/輸出 輸出值，應(yīng)在 之間2 輸入 比例增益、常數(shù)、可正可負(fù)16 輸入 采樣時(shí)間，單位為 s，應(yīng)為正數(shù)20 輸入 積分時(shí)間常數(shù)，單位為 min，應(yīng)為正數(shù)24 D 輸入 微分時(shí)間常數(shù)，單位為 min，應(yīng)為正數(shù)28 X 輸入/輸出 積分項(xiàng)前值，應(yīng)在 之間32雙字、實(shí)數(shù)輸入/輸出 最近一次 PID 運(yùn)算的過(guò)程變量PID 回路有兩個(gè)輸入量，即給定值(SP)與過(guò)程變量(PV)。給定值通常是固定的值，過(guò)程變量是經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測(cè)值。給定值與過(guò)程變量都是現(xiàn)實(shí)存在的值，對(duì)于不同的系統(tǒng)，它們的大小、范圍與工程單位有很大的區(qū)別。在回路表中它們只能被 PID 指令讀取，而不能改寫。PID 指令對(duì)這些量進(jìn)行運(yùn)算之前，還要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換。每次完成 PID 運(yùn)算后，都要更新回路表內(nèi)的輸出值 ，它被限制在 之間。從手動(dòng)控制切換到 PID 自動(dòng)控制方式時(shí)，回路表中的輸出值可以用來(lái)初始化輸出值。 增益為正時(shí)為正作用回路，反之為反作用回路。如果不想要比例作用，應(yīng)將回路增益設(shè)為 ，對(duì)于增益為 的積分或微分控制，如果積分或微分時(shí)間為正，為正作用回路，反之為反作用回路。如果使用積分控制，上一次的積分值 MX（積分和）要根據(jù) PID 運(yùn)算的結(jié)果來(lái)更新，更新后的數(shù)值作為下一次運(yùn)算的輸入。MX 也應(yīng)限制在 ~ 之間，每次 PID 運(yùn)算結(jié)束時(shí)，將 MX 寫入回路表，供下一次 PID 運(yùn)算使用。⑵ PID 參數(shù)的整定方法PID 控制器有 4 個(gè)主要的參數(shù)需要整定。比例(P)部分與誤差在時(shí)間上是一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時(shí)地產(chǎn)生與誤差成正比的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。比例系數(shù) 越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。積分(I)部分與誤差的大小和誤差的歷史情況都有關(guān)系，只要誤差不為零，控制器的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，一直要到誤差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，積分部分才不再變化，因此積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是積分作用的動(dòng)作緩慢，滯后性強(qiáng)，可能給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性帶來(lái)不良影響。積分時(shí)間常數(shù) 增大時(shí)，積分作用減弱，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性可能有所改善，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。比例(P)部分與誤差在時(shí)間上是一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時(shí)地產(chǎn)生與誤差成正比的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。比例系數(shù) 越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。微分(D)部分反映了被控量變化的趨勢(shì)，微分部分根據(jù)它提前給出較大的調(diào)節(jié)作用。它較比例調(diào)節(jié)更為及時(shí)，所以微分部分具有超前和預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。微分時(shí)間常數(shù)增大時(shí)，可能24會(huì)使超調(diào)量減小，動(dòng)態(tài)性能得到改善，但是抑制高頻干擾的能力下降。如果過(guò)大，系統(tǒng)輸出量可能出現(xiàn)頻率較高的振蕩。為使采樣值能及時(shí)反映模擬量的變化，越小越好。但是太小會(huì)增加 CPU 的運(yùn)算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒(méi)有什么變化，所以也不宜將 取得過(guò)小。表 45 給出了過(guò)程控制中采樣周期的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表 45 采樣周期的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控制量 流量 壓力 溫度 液位采樣周期 15 310 1520 68 PID 回路控制指令 S7200 PLC 的 PID 指令沒(méi)有設(shè)置控制方式，執(zhí)行 PID 指令時(shí)為自動(dòng)方式；不執(zhí)行 PID指令時(shí)為手動(dòng)方式。PID 指令的功能是進(jìn)行 PID 運(yùn)算。 當(dāng) PID 指令的允許輸入 EN 有效時(shí)，即進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)控制切換，開始執(zhí)行 PID 指令。為了保證在切換過(guò)程中無(wú)擾動(dòng)、無(wú)沖擊，在轉(zhuǎn)換前必須把當(dāng)前的手動(dòng)控制輸出值寫入回路表的參數(shù)。并對(duì)回路表內(nèi)的值進(jìn)行下列操作：（1）使（給定值）=（過(guò)程變量） 。（2）使（前一次過(guò)程變量）=（過(guò)程變量的當(dāng)前值） 。（3）使 MX（積分和）=（輸出值） 。某水箱水位控制系統(tǒng)如圖 45 所示。因水箱出水速度時(shí)高時(shí)低，所以采用變速水泵向水箱供水，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的恒定控制。圖 45 水位控制系統(tǒng)圖通過(guò)首次掃描調(diào)用子程序的方式，初始化 PID 參數(shù)表并為 PID 運(yùn)算設(shè)置時(shí)間間隔（定時(shí)中斷） 。PID 參數(shù)表的首址為 VD100，定時(shí)中斷事件為 10，子程序編號(hào)為 0。通過(guò)定時(shí)中斷每隔 100ms 調(diào)用一次中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，采樣被控量的水位值并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后送入 PID 參數(shù)表，若系統(tǒng)處于手動(dòng)工作狀態(tài)，則做好切換到自動(dòng)工作方式時(shí)的準(zhǔn)備（將手動(dòng)時(shí)水泵轉(zhuǎn)速的給定值經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后送 PID 參數(shù)表作為輸出值和積分和，將手動(dòng)時(shí)的水位值標(biāo)準(zhǔn)化后送 PID 參數(shù)表作為反饋量前值） ；若系統(tǒng)為自動(dòng)工作狀態(tài)，則執(zhí)行 PID 運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成工程量后送模擬量輸出寄存器，通過(guò) D/A轉(zhuǎn)換以控制水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)水位恒定控制要求。 根據(jù)控制要求，在計(jì)算機(jī)中編寫程序，水箱水位 PLC 控制系統(tǒng)的梯形圖主程序如圖 67 所示，子程序如圖 48 所示，定時(shí)中斷子程序如圖 4圖 410 所示。 ⑴ 連接好單片機(jī)輸入輸出接線，啟動(dòng) CCS 編程軟件。⑵ 打開狀態(tài)表編輯器，錄入25VD100，VD104，VD108，VD120，VD124，VD128，VD132，，并使其進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。 ⑶ 通過(guò)強(qiáng)制操作 ，使 得電，將變頻器接入電源。調(diào)節(jié)電位器旋鈕，使變頻器頻率由 0 上升，水泵轉(zhuǎn)速逐漸上升，水箱水位逐步提高。觀察水位上升過(guò)程中，VD100、VD10VD12VD132 各存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)的變化情況。 ⑷ 待水箱水位接近 75%滿水位時(shí)，強(qiáng)制 得電，使系統(tǒng)進(jìn)入 PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)控制狀態(tài)。加大或減小水箱出水量，觀察系統(tǒng)各量的變化過(guò)程。 通過(guò)寫操作，分別改變?cè)鲆?、積分時(shí)間常數(shù)的大小，觀察系統(tǒng)的運(yùn)行效果。 實(shí)現(xiàn)水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的 java 程序(在 PC 機(jī)上運(yùn)行)package test。import 。import 。public class WaterLevel { public static void main（String[] args） { WaterBox wb = new WaterBox（）。 （ ）。 （ ）。 （）。 （）。