【導(dǎo)讀】PLC的一般特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，可靠性極高、編程簡單方便、使用方便、維護(hù)方便、設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。本水塔水位控制系統(tǒng)采用PLC為控制核心，具備開啟和全部停。止功能，這是一種PLC控制的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。應(yīng)用此控制系統(tǒng)能顯著提。高勞動(dòng)效率，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。但是隨著世界人口的不斷增長，人們生活用水的。能進(jìn)行性進(jìn)行了需求分析。主要實(shí)現(xiàn)方法是通過傳感器檢測水塔水位的實(shí)際水。位低于或高于某個(gè)設(shè)定值是，就會(huì)發(fā)出危險(xiǎn)報(bào)警的信號(hào)。

　　

【正文】 （ 2）有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分、微分控制三者有效地結(jié)合就可以滿足不同的控制要求。根據(jù)被控制對(duì)象的具體情況，還可以采用各種 PID 控制的變種和改進(jìn)的控制方式 ，如 PI、 PD、帶死區(qū)的 PID、積分分離 PID、變速積分 PID 等。 （ 3） PID 控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序簡單，工程上易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。 在 PLC 控制系統(tǒng)中，經(jīng)常采用模擬量輸入 /輸出模塊實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字化處理，本系統(tǒng)選擇 S720O系列 EM235 模擬量模塊，對(duì)管網(wǎng)壓力信號(hào)進(jìn)行采樣，并通過變頻器調(diào)整液壓閥輸入與輸出。 [14] PLC 實(shí)現(xiàn) PID 控制的方式 用 PLC對(duì)模擬量進(jìn)行 PID控制時(shí)，可以采用以下幾種方法： (1)使用 PID 過程控制模塊 這種模塊的 PID控制程序是 PLC 生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的，并存放在模 塊中，用戶在使用時(shí)只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路，但是這種模塊的價(jià)格較高，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。 (2)使用 PID 功能指令 現(xiàn)在很多 PLC 都有供 PID控制用的功能指令，如 S7200 的 PID 指令。它們實(shí)際上是用于 PID 控制的子程序，與模擬量的輸入 /輸出模塊一起使用，可以得到類似于是用 PID 過程控制模塊的效果，但是價(jià)格便宜得多。 (3) 用自編的程序?qū)崿F(xiàn) PID 閉環(huán)控制 有的 PLC 沒有 PID 過程控制模塊和 PID控制用的功能指令，有時(shí)雖然可以使用 PID 控制指令，但希 望采用某種改進(jìn)的 PID 控制算法。在上述情況下都需要用戶編制 PID 控制程序。 PLC PID 控制器的實(shí)現(xiàn) PLC 的 PID 控制器的設(shè)計(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)的 PID 控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化，寫成離散形勢(shì)的 PID 控制方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。 在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 42 所示。圖中 ()spt 為給定值， ()pvt 為反饋量， c(t)為系統(tǒng)的輸入量， PID控制器的輸入輸出關(guān)系式為： 00111( ) ( ) ( ) ( )tc DM t K e t e t d t d e t d t MTT??? ? ? ?????? 式中， ()Mt — 控制器的輸出， 0M 為輸出的初始值， ()et = ( ) ( )sp t pv t? — 誤差信號(hào)， cK — 比例系數(shù)， 1T — 積分時(shí)間常數(shù)， DT — 微分時(shí)間常數(shù)。 圖 42 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 上式中等號(hào)右邊前 3 項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、誤差積分和微分成正比。如果取其中一項(xiàng)或兩項(xiàng)，可以組成 P、 PD 或 PI 控制器。 假設(shè)采樣周期為 ST ，系統(tǒng)開始運(yùn)行的時(shí)刻為 t=0，用矩形積分來近似精確積分，用差分近似精確微分，將上式離散化，第 n 次采樣時(shí)控制器的輸出為： 1 1 01 ()nn c n j D n njM K e K e K e e M??? ? ? ? ?? 式中， 1ne? — 第 n1次采樣誤差值。 1K — 積分系數(shù)。 DK — 微分系數(shù)。 在 S7200PLC 中，實(shí)際使用的 PID 算法為： ( ) ( ) ( ) ( )p I DM n M n M n M n? ? ? 式中： ()Mn 第 n次采樣的調(diào)節(jié)器輸出 ()pMn 比例項(xiàng) ( ) ( )pCM n K e n? ()IMn 積分項(xiàng) 0( ) ( )nI i i jjM n K e n K e??? ? ()DMn 微分項(xiàng) ? ? ? ?( ) 1DdM n K e n e n? ? ????? 基于 PLC 的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 42所示，圖中虛線部分在 PLC 內(nèi)。這圖中的 nsp 、 npv 、 ne 、 nM 分別為模擬量 ()spt 、 ()pvt 、 ()et 、 ()Mt 在第 n 次采樣的數(shù)字量。 圖 43 PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框 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。 [15] 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 44 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。回路表見 附錄 表 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 ～ 。 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 。 第 5 章 系統(tǒng)硬件 開發(fā) 設(shè)計(jì) 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。 [16] 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 51 為CPU226 外部電路連接圖。 [17] 圖 51 CPU226 外部電路連接圖 EM235 模擬量模塊 圖 52 EM235 模塊模擬量 I/O 連線示意圖 如圖 52 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)。 傳感器接線的長度應(yīng)盡可能的短，并使用屏蔽雙絞線。 敷設(shè)線路時(shí)應(yīng)使用電纜槽，避免將導(dǎo)線彎成銳角。 避免將信號(hào)線與電源線平行接近布置。 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。 [18] 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。 [19] 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。 (5)處理后模擬量的輸出工作。 [20] 硬件連接圖 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 51 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 第 6 章 系統(tǒng)軟件 應(yīng)用 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 體情況需進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)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