【導讀】供水是一個關系國計民生的重要產(chǎn)業(yè)。隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提。的水以變化的速度流出。這就需要有一個輸入控制液體閥以不同的速度給水塔。供水，以維持水位的變化，這樣才能使水塔不斷水。在設計中大量運用PLC中PID來實現(xiàn)水塔水位的控制，為了精確地

　　

【正文】 26 第 5 章 系統(tǒng)硬件 開發(fā) 設計 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、不同型號的 PLC，功能和結構均有所不同，但工作原理和組成基本相同。本設計選用西門子公司的 S7200 PLC系列，其具結構緊湊，價格低廉，有極高的性價比，適用于小型控制系統(tǒng)。它采用超高電容保護內存數(shù)據(jù)，省去了鋰電池，系統(tǒng)雖小卻可以處理模擬量（ 12 點模擬輸入 /4點模擬輸出）。 S7200 最多有4 個中斷控制的輸入，輸入響應時間小于 ，每條二進制指令的處理時間僅為 ， S7200還有日期時間中斷功能。還 可 提供兩個獨立4KHZ 的脈沖輸出，通過 圖 51 水位 PID 控制工藝圖 驅動單元 可以實現(xiàn)步進電機的位置控制。點對點接口（ PPI）可以連接編程設備、操作員界面和具有串行接口的設備，用戶程序有三級口令保護。較強的功能使其無論在獨立運動中，還是連成網(wǎng)絡皆能完成各種控制任務。它的使用范圍可以覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動控制。其應用領域包括各種機床、紡織機械、印刷機械、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。本設計選用 CPU226 型 PLC。功能模塊選用 EM235。 CPU226 主機共有 24 個輸入點和 16 個輸出點，可連接 7 個擴展模塊，最大擴展至 248 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬 I/O 點。 13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 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27 MOSFET 功率驅動器件，并將數(shù)字量輸 出分為兩組，每組有一個獨立公共端，共有 1L、 2L 兩個公共端，可接入不同的負載電源。 CPU226 可用于較高要求的控制系統(tǒng)，更多的 I/O 點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能使其完全適應于復雜的中小型控制系統(tǒng)。圖 51 為 CPU226 外部電路連接圖。 圖 51 CPU226外部電路連接圖 28 EM235 模擬量模塊 圖 52 EM235 模塊模擬量 I/O 連線示意圖 如圖 53 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，負極接入 M 端子。 EM235 模塊的上部端子排為標注 A、 B、 C、 D 的四路模擬量輸入接口，可分別接入標準電壓、電流信號。為電壓輸入時，如 A 口所示，電壓正極接入 A+端，負極接入 A端， RA 端懸空。為電流輸入時，如 B 口所示須將 RB 與 B+短接。然后與電流信號輸出端相連，電流信號輸入端則接入 B接口。若 4 個接口未能全部使用，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。若為電壓負載，則將負載接入MO、 VO 接口若為電流負載則接入 MO、 IO 接口。 在進行接線時應注意以下幾點。 （ 1） 傳感器接線的長度應盡可能的短，并使用屏蔽雙絞線。 （ 2） 敷設線路時應使用電纜槽，避免將導線彎成銳角。 （ 3） 避免將信號線與電源線平行接近布置。 29 （ 4） 使用高質量的 24V DC 傳感器電源，以保證無噪聲及穩(wěn)定運行。 EM235 的安裝使用 EM235 安裝使用的一般過程如下 : (l)根據(jù)輸入信號的類型及變化范圍設置 DIP 開關，完成模塊的配置工作。必要時進行校準工作。 (2)完成硬件的接線 工作。注意輸入、輸出信號的類型不同，采用不同的接入方式。為防止空置端對接線端的干擾，空置端應短接。接線還應注意傳感器的線路盡可能的短，且應使用屏蔽雙絞線，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)時的位置，并由安裝位置確定模塊的編號。 57 一200 擴展單元安裝時在主機的右邊依次排列，并從模塊 O 開始編號。模塊安裝完畢后，將模塊自帶的接線排插入主機上的擴展總線插口。 (4)為了在主機中進行輸入模擬量轉換后數(shù)字數(shù)據(jù)的處理及為了輸出需要在模擬量單元中轉換為模擬量的數(shù)字量，要在主機中安排一定 的存儲單元。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變?yōu)槟M量輸出的數(shù)字量。而在主機的變量存儲區(qū) V 區(qū)存放處理產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)。擴展模塊的編址方法依 57 一 200 系列 PLC 技術手冊中有關規(guī)定。 EM235 的工作程序編制 EM235 的工作程序編制一般包含以下內容 : (1) 設置初始化子程序。在該子程序中完成采樣次數(shù)的預置及采樣和單元清零的工作，為開始工作做好準備。 (2)設置模塊檢測子程序。該子程序檢查模塊的連接正確性及模塊工作的正確性。 (3)設置 子程序完成采樣及相關的計算工作。 (4)工程所需的有關該模擬量的處理程序。 (5)處理后模擬量的輸出工作。 30 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 21 I/O 分配表 編號 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，手動自動切換 0 為手動， 1 為自動 2 AIW0 輸入模擬量 液位傳感器的值 31 第 6 章 系 統(tǒng) 軟件 應用 設計 系統(tǒng)的自動控制功能主要是通過軟件來實現(xiàn)的 ,結合前面所述變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的控制要求 ,利用定時器中斷功能實現(xiàn) PID控制的定時采樣及輸出控制 ,三臺水泵切換信號的生成、接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等都由程序控制。在程序設計時充分考慮到負載均衡性原則 ,采取 “先入先出 ”的排隊策略 ,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恒定值是采用數(shù)字式方式直接在程序中設定的。生活供水時系統(tǒng)設定值為滿量程的 70%,消防供水時系統(tǒng)設定值為滿量程的 90。 PID 回路增益和時間常數(shù)初步設 定為 :增益 kc=、采樣時間 ts= s、積分時間 ti=30 效果。 為了恒定供水 ,在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率 ,當變頻器達到上限頻率且一臺水泵還不能滿足恒壓要求時 ,則把變頻運行的水泵切換到工頻上運行 ,同時需要變頻啟動第二臺或第三臺水泵 ,直到滿足供水要求。判斷需不需要啟動新水泵的標準就是變頻器的輸出頻率是否達到設定的上限值。為了判斷變頻器工作頻率達上限值的準確性 ,應濾去偶然的頻率波動起的頻率達到上限的情況。變頻器控制水泵電機的每一次 啟動均為軟啟動 ,并規(guī)定各臺水泵必須交替使用 ,任一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過 3 h,因此每次需啟動新水泵時 ,將現(xiàn)行運行的水泵從變頻器上切除 ,并換上工頻電源運行 ,將變頻器復位并用于新運行水泵的啟動。三臺水泵的工作循環(huán)控制是使用水泵號加 1的方法實現(xiàn) (到 3在加 1時等于零 ),即用水泵的總數(shù)結合水泵號實現(xiàn)水泵的輪換工作。 水位 PID 控制的邏輯設計 水位 PID 控制程序分為 3 部分，每部分流程圖如下： （ 1） 主程序調用模塊，如圖 62 是所示。 （ 2） 主程序調用子程序 0，如圖 63 所示。 生活供水時系統(tǒng)設定為滿量程的 70%，本系 統(tǒng)中的增益和時間常數(shù)為 :增益 Kc=，采樣時間 Ts=1s，積分時間Ti=30min。 （ 3）中斷子程序模塊，如圖 64 所示。 其作用主要用于 PID 的相應計算，在 PLC32 的常閉繼電器 的作用下工作，它包括 :設定回路輸入及輸出選項、設定回路參數(shù)、設定循環(huán)報警選項、為計算指定內存區(qū)域、指定初始化子程序及中斷程序。 圖 61 水位 PID控制 實現(xiàn)方式 圖 62 主程序調用模塊 首次掃描 ●調用子程序 0 進行啟動計算機和初始化 ●條用子程序 0 初始化定時中斷 主程序結束 主程序開始 33 圖 63 主程序調用子程序 0 啟動子程序 設置 PID 參數(shù) 裝入回路設定值 =75% 回路增益 = 裝入回路采樣 1S 裝入積分時間 30min 設定定時中斷時間為 100ms 子程序 0 結束 34 圖 64 中斷子程序模塊 其中，各符號名說明如下： nM 在第 n 采樣時刻， PID 回路輸出的計算值 cK PID 回路增益 ne 在第 n 采樣時刻的偏差值 1ne? 在第 n1 采樣時刻的偏差值 1K 積分項的比例常數(shù) MX 積分項的前值 KD 微分項的比例常數(shù) 啟動中斷子程序 0 定時中斷計數(shù)器值加 1 中斷子程序 0結束 計數(shù)器值 到達了嗎 計算 PID 公式 11()n c n n n nM K e K e M X K D e e ?? ? ? ? ? 對輸出值限制 反饋仿真 是 否 35 梯形圖 編程 （ 1） 主程序部分 。 （ 2） 子程序 SBR_0。 36 （ 3） 中斷程序 INT_0。 37 38 控制程序 //主程序（ OBI） LD //首次掃描時 CALL 0 //調用初始話子程序 //子程序 0 LD MOV_R , VD104 //裝入給定值 75% MOV_R , VD112 //裝入回路增益 MOV_R , VD118 //裝入采樣時間 MOV_R , VD120 //裝入積分時間 30min MOV_R , VD124 //關閉微分作用 MOV_R 100, VD34 //設置定時中斷 0 的時間間隔為 100ms ATCH 0, 10 //設置 定時中斷以執(zhí)行 PID ENI //允 許中斷，子程序 0 結束 //中斷程序 0 LD I_DI AIW0, ACO //單極性模擬量經(jīng) A/D 轉換后存入累加器 DI_R AC0, AC0 //32 位整數(shù)轉換為實數(shù) DIV_R AC0, AC0 /R , AC0 //標準化累加器中的實數(shù) MOV_R ACO, VD100 //存入回路表 LD //在自動方式下，執(zhí)行 PID 指令 PID VB100, 0 //回路表的起始地址為 VB100，回路號為 0 LD MUL_R VD108, AC0 //PID 控制器的輸出值送入累加器 *R , AC0 //將累加器中的數(shù)據(jù)標準化 ROUND AC0, AC0 //實數(shù)轉換為 32 位整數(shù) DI_I AC0, AC0 MOV_W AC0, AQW0 //將 16 位整數(shù)寫入到模擬量輸出（ D/A）寄存器 39 聯(lián)機 （ 1） 聯(lián)機硬件圖（如圖 64） 64 聯(lián)機硬件圖 （ 2） 運行 單擊水泵控制按鈕，系統(tǒng)啟動時關閉出水口，用手動控制水泵后的輸入輸出控制液體閥，使水位達到滿水位的 75%，這時系統(tǒng)裝載 PID 參數(shù)和連接 PID 中斷服務程序。裝入回路設定值 VD104，回路增益 VD112，回路采樣時間 VD118，積分時間 VD120，同時設定定時中斷 0 的時間（ SMB34）間隔 100ms,設定定時中斷執(zhí)行 PID 程序 INT_0。關 閉微分作用 VD124。 在中斷處，將過程變量（ PV）轉換為標準化的實數(shù)。首先將整數(shù)轉換成雙整數(shù)（ AIW0→AC0 ） ，將雙整數(shù)轉換為實數(shù)，而后將數(shù)值標準化（ AC0， →AC0 ） ,最后將標準化后的 PV存入回路表（ AC0→VD100 ）。 而 控制手動到自動的切換， 0 代表手動， 1 代表自動。 自動方式下將