【導(dǎo)讀】S-100實訓(xùn)裝置是以工業(yè)過程控制為設(shè)計藍本；以PLC為核心的實驗裝置。通過該裝置，學(xué)生可以進行傳感、檢測、控制系統(tǒng)的實驗，提高學(xué)生的動手能力，學(xué)生的工程認知和實踐能力具有重要意義。PLC監(jiān)視控制的運行操作方法設(shè)計開發(fā)的內(nèi)容包括：登陸界面，趨勢曲線界面，系統(tǒng)投運實驗，能夠進行PID控制系統(tǒng)實驗，實現(xiàn)了開發(fā)要求的相應(yīng)功能。檢測變送器將被控量轉(zhuǎn)換為4～20mA信號，通過PLC模擬量輸入通道A. 司開發(fā)的組態(tài)王是一個非常優(yōu)秀的軟件。監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。目前有大量的關(guān)于下位PLC+上位PC機的自動化系統(tǒng)研究成果。趙航[3]利用組態(tài)王與PLC，設(shè)計水位監(jiān)控系統(tǒng)。在“組態(tài)王”中組態(tài)，實現(xiàn)報警、實時趨勢、歷史趨勢、參數(shù)修改、手／自。態(tài)，以計算機信息圖形界面為人機交互界面，采用PLC進行控制。以解決的關(guān)鍵問題是PLC的控制對象模擬。鍋爐的液位、出水溫度、進水壓力、流量通過測量變送接至PLC的。器為變頻器和可控硅。

　　

【正文】 形式 序號 名 稱 I/ O 備 注 輸 出 1 低位水箱下限位 S01 2 高位水箱上限位 S02 3 啟動按鈕 SB1 4 停止按鈕 SB2 5 供水壓力 AIW2 S06 6 高位水箱液位 AIW4 S04 輸 出 1 變頻器啟動 INV 2 溢流電磁閥 YV 3 運行指示燈 HL1 4 停止指示燈 HL2 5 變 頻器頻率 AQW0 INV 6 調(diào)壓模塊功率 AQW1 EH 7 電動閥開度 AQW4 YM 表 31 線號表 序號 連接位置 （數(shù)字輸入） 序號 連接位置 （模擬輸入） 1 1M→ DC24V 29 A+→ S07（ SIG） 2 30 A→ DC24V 3 → S01（ NO） 31 RA→ A+ 4 → S02（ NO） 32 B+→ S06（ SIG） 5 2M→ DC24V 33 B→ DC24V 6 → SB1（ NO） 34 RB→ B+ 7 → SB2（ NO） 35 C+→ S04（ SIG） 8 SB1（ NC）→ DC24V+ 36 C→ DC24V 9 SB2（ NC）→ DC24V+ 37 RC→ C+ 天津科技大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 22 10 S01（ COM）→ DC24V+ 38 S04（ +）→ DC24V+ 11 S02（ COM）→ DC24V+ 39 S04（ ）→ DC24V 12 40 S06（ +）→ DC24V+ 13 41 S07（ +）→ DC24V+ 序號 連接位置 （數(shù)字輸出） 序號 連接位置 （模擬輸出） 18 1M→ DC24V 42 M0→ INV（ ） 19 1L→ DC24V+ 43 VO→ INV（ +） 20 → INV（ RUN） 44 M1→ EH（ ） 21 → YV（ +） 45 V1→ EH（ +） 22 → HL1（ +） 47 M2→ YM（ ） 23 → HL2（ +） 47 V2→ YM（ +） 24 2M→ DC24V 48 YM（ DC+）→ DC24V+ 25 2L→ DC24V+ 26 INV（ COM）→ DC24V 27 HL1（ ）→ DC24V 28 HL2（ ）→ DC24V 表 32 接線對 照表 根據(jù)線號表與接線對照表在接線面板上連接實際接線圖。 圖 35 控制機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)接線圖 如圖 35 所示，為 S100 實訓(xùn)裝置在做控制系統(tǒng)試驗時的 控制機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu) ，無論是做壓力控制實驗，還是做液位控制實驗，該接線圖的接線端子都會用到，控制器與執(zhí)行器接線圖中包括， S7200PLC 接線， EM232 模擬量擴展模塊接線，EM231 模擬量擴展模塊接線，變頻器接線，電動調(diào)節(jié)閥接線，上位水箱和下位水箱中浮球開關(guān)的接線，溢流電磁閥接線等實際端子接線。 二、控制系統(tǒng)接線訓(xùn)練 液位控制系統(tǒng)實驗中液位變送器接線圖 如圖 36 所示， S100 實訓(xùn)裝置在做液位控制系統(tǒng)實驗中超聲波液位變送器在接線面板上的實際端子接線圖 天津科技大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 23 圖 36 液位變送器接線 壓力 實驗中 壓力變送器接線圖 如圖 37 所示為 S100 實訓(xùn)裝置在做壓力控制系統(tǒng)試驗時，擴散硅壓力變送器在接線平面板的實際端子接線圖。 圖 37 壓力變送器接線圖 第三節(jié) 系統(tǒng) PID 參數(shù)實驗設(shè)計 一、 系統(tǒng)實驗前知識準備 控制規(guī)律及控制器參數(shù) 要設(shè)定控制器參數(shù)，先要了解各個參數(shù)對控制系統(tǒng)的作用。 （ 1）比例控制規(guī)律 P 控制規(guī)律： eku P??? (31) 比例增益 KP 是可調(diào)節(jié)參數(shù)，比例增益 KP 的穩(wěn)態(tài)特性是在開環(huán)控制中，當比例增益 KP 越大時 ?u 就越大，同時對系統(tǒng)的控制作用越強，同樣在開環(huán)控制系統(tǒng)中比例增益 KP 表現(xiàn)出的動態(tài)特性為反應(yīng)快，調(diào)節(jié)及時，而在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，比例增益 KP 表現(xiàn)出的系統(tǒng)特性為容易產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。 （ 2）積分控制規(guī)律 I 天津科技大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 24 控制規(guī)律： ?? ??? edtTedtku II 1 (32) 在積分控制規(guī)律中 TI 表示積分時間是可調(diào)節(jié)參數(shù)，在控制系統(tǒng)中的動態(tài)特性 :設(shè)e 階躍輸出 A，得到式 33，當 t=0 時 ?u（ t=0） =0，所以積分控制不能單獨使用； 控制規(guī)律：II ATu ??? 1 (33) 積分時間 TI 在控制系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)特性，表現(xiàn)為積分時間 TI 越大，積分作用就越弱；積分時間 TI 的系統(tǒng)特性表現(xiàn)為能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差。 （ 3）微分控制規(guī)律 D 控制規(guī)律： dtduTuD?? (34) 微分時間 TD 在系統(tǒng)中的動態(tài)特性如圖 38 所示理想狀態(tài)下在 t0 時對系加階躍信號干擾，希望微分控制能繼續(xù) 對系統(tǒng)產(chǎn)生作用，實際在 t0 之后無作用。所以，微分控制不能單獨使用。 圖 38 TD 的動態(tài)特性 微分時間 TD 的穩(wěn)態(tài)特性：如圖 39 所示，圖中 TD3 的作用最強，當 TD 越大時，微分作用就越強；微分時間 TD 表現(xiàn)出的系統(tǒng)特性為可以減小最大偏差。 ?u TD1 TD2 TD3 天津科技大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 25 圖 39 TD 的動態(tài)特性 （ 4） PID 控制器 疊加在一起得到式 35，即 PID 控制規(guī)律。 PID 控制規(guī)律： ???????? ???? ? dtdeTe d tTeKu DIP1 (35) KP、 TI、 TD 為 PID 控制器的可調(diào)節(jié)參數(shù)。 一般對系統(tǒng)進行過渡過程實驗時需要加入階躍干擾信號，用階躍干擾信號進行實驗是因為，階躍信號具有兩大特點一個是因為簡單，即數(shù)學(xué)計算簡單，工程實時簡單；一個是危險。 在階躍輸入作用下系統(tǒng)的過渡過程形式如圖 310 所示。包括：發(fā)散振蕩過程、等幅振蕩過程、衰減振蕩過程、單調(diào)過程 。 其中發(fā)散振蕩過程說明控制作用太強 ，等幅振蕩過程說明控制作用強，衰減振蕩過程說明控制作用適當，單調(diào)過程說明控制作用弱。 控制器參數(shù)對控制作用及過渡過程的影響： KP 越大控制作用越強 ， TI 越大控制作用越弱， TD 越大控制作用越強， 因此對發(fā)散振蕩過程 ，需要減小 KP 或 減小 TD；對等幅振蕩過程，需要增大 KP 或增大 TD，對衰減振蕩過程，需要減小TI；對單調(diào)過程，需要增大 KP 或增大 TD。 圖 310 振蕩 曲線 二、 PID 控制訓(xùn)練設(shè)計 本課題基于 S100 實訓(xùn)裝置的上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行 PID 控制實驗。 在 S100 實訓(xùn)裝置的手動投運穩(wěn)定后，切換到自動投運，這時可以對 PID 控制中的 KP、 TI、 TD 逐個變換進行系統(tǒng)過渡過程實驗體會 PID 控制過程各個參數(shù)對系統(tǒng)的影響。 b 等幅振蕩過程 a 發(fā)散振蕩過程 c 衰減振蕩過程 d 單調(diào)過程 天津科技大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 26 以液位監(jiān)控系統(tǒng)的 PID 控制實驗為例： 液位的 PID 控制為比例積分控 制，即 PI 控制，當系統(tǒng)穩(wěn)定時，加入階躍干擾信號，液位會很快的回到設(shè)定值，系統(tǒng) 重新 穩(wěn)定，觀察加入干擾后液位的實時趨勢曲線變化；改變 KP，設(shè)置一個較小的值，再加入一個階躍干擾信號，觀察加入干擾后液位的實時趨勢曲線變換；改變 KP，設(shè)置一個較大的值，再加入一個階躍干擾信號，觀察液位的實時趨勢曲線變化，通過以上實驗體會比例增益 KP 對控制系統(tǒng)的影響。 積分控制實驗，以液位為例， 當系統(tǒng)穩(wěn)定時，加入階躍干擾信號，液位會很快的回到設(shè)定值，系統(tǒng) 重新 穩(wěn)定，觀察加入干擾后液位的實時趨勢曲線變化；改變 TI，設(shè)置一個較大的值，再加 入一個階躍干擾信號，觀察加入干擾后液位的實時趨勢曲線變換；改變 TI，設(shè)置一個較小的值，觀察液位的實時趨勢曲線變化，通過以上實驗體會比例增益 TI 對控制系統(tǒng)的影響。 第四章 S100 實訓(xùn)裝置實驗系統(tǒng)軟件開發(fā) 第一節(jié) 實驗監(jiān)控系統(tǒng)軟件的構(gòu)架 圖 41 實驗監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 41 為整個 S100 實訓(xùn)裝置實驗監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖，加深部分為本課題主要研究內(nèi)容。 1. 登陸界面 S100 實訓(xùn)裝置實驗監(jiān)控系統(tǒng)在登陸界面中，可以選擇具體實驗項目，這里系 統(tǒng) 啟動 實驗主界面 實驗項目選擇 實驗管理 實時報表 實時趨勢曲線 參數(shù)設(shè)置 實驗指導(dǎo)書 報警畫面 學(xué)生登陸 PID 控制 自動化儀表的校驗 登陸界面 實驗項目選擇界面 天津科技大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 27 主要進行的是控制系 統(tǒng)實驗，依據(jù)不同的用戶，可以根據(jù)不同的用戶進行限制權(quán)限。具體到本課題設(shè)計中，就是在主界面中，實驗管理員，可以根據(jù)不同的實驗對學(xué)生進行權(quán)限的限制。 在登陸界面選擇實驗后會切換到相應(yīng)的實驗界面如選擇壓力控制實驗，會切換到壓力控制實驗界面，選擇液位控制實驗，會切換到液位控制實驗界面，在實驗界面中，有些按鈕是無法使用的，要管理員改變登陸權(quán)限后才能使用，如選擇壓力控制實驗時，只能調(diào)節(jié)與壓力相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，選擇流量控制實驗時只能調(diào)