【導(dǎo)讀】各類流體的液位高度進行檢測和控制。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變等特點，它對控制調(diào)節(jié)器要求極高。在工程實際中，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，PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定。性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為液位控制的主要技術(shù)之一。目前常用的可編程。功能強大得到業(yè)內(nèi)人十的普遍認可。人機接口的一種智能軟件包，充分利用了Window圖形功能設(shè)備，界面一致性好，關(guān)鍵詞：S7-200系列PLC，組態(tài)王，PID控制，液位控制。

　　

【正文】 ； PID 調(diào)節(jié)控件（對過程量進行閉環(huán)控制，可實現(xiàn)三種 pid控制算法：標(biāo)準型，歸一參數(shù)型，和近似微分型）。 全面支持 OPC 標(biāo)準（組態(tài)王 既可以作為 OPC 服務(wù)器，也可以作為 OPC客戶端）開發(fā)人員可以從任何一個 OPC 服務(wù)器直接獲取動態(tài)數(shù)據(jù)，并集成到組基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 20 態(tài)王中；同時組態(tài)王作為 OPC 服務(wù)器，可向其他符合 OPC 規(guī)范的廠商的控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。 OPC 節(jié)省了不同廠商的控制系統(tǒng)相連的工作量和費用。并且組態(tài)王提供 SDK 開發(fā)包，用戶可以自己利用 VC， VB 編制程序，利用組態(tài)王的 OPC接口來訪問組態(tài)王的變量和變量的域。 A） 支持遠程撥號組態(tài)王 支持與遠程設(shè)備間通過撥號方式進行通訊。組態(tài)王的遠程撥號與組態(tài)王原有驅(qū)動程序無縫連接，硬件設(shè)備端無需更改程序。利用遠程撥號能實時顯示現(xiàn)場設(shè)備運行狀況，隨時打印，報警和歷史數(shù)據(jù)自動上傳等功能。 B）開發(fā)中進行硬件測試 開發(fā)系統(tǒng)中有硬件測試界面，在不啟動運行系統(tǒng)的情況 下，能測試對硬件設(shè)備的讀寫操作，并且 IO 變量支持時間戳和質(zhì)量戳，能隨時判斷數(shù)據(jù)采集的時間和檢查通訊質(zhì)量的好壞。 C）支持網(wǎng)絡(luò) DDE，組態(tài)王 版本支持 win2021 操作系統(tǒng)下的 DDEshare方式，實現(xiàn)組態(tài)王與 excel 和 vb 程序間通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換。 組態(tài)王 采用分級和分區(qū)保護的雙重保護策略。新增用戶組和安全區(qū)管理，999 個不 同級別的權(quán)限和 64 個安全區(qū)形成雙重保護，另外組態(tài)王能記錄程序運行中操作員的所有操作。 組態(tài)王 完全基于網(wǎng)絡(luò)的概念，是一種真正的客戶 服務(wù)器模式，支持分布式歷史數(shù)據(jù)庫和分布式報警系統(tǒng)，組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種柔性結(jié)構(gòu)，可以將整個應(yīng)用程序分配給多個服務(wù)器，如指定 報警服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器，這樣可以提高項目的整體容量結(jié)構(gòu)并改善系統(tǒng)的性能。 組態(tài)王 提供全面的冗余功能，能夠有效地減少數(shù)據(jù)丟失的可能，增加了系統(tǒng)的可靠性， 方便了系統(tǒng)維護。組態(tài)王提供三重意義上的冗余功能，即雙設(shè)備冗余、雙機冗余和雙網(wǎng)絡(luò)冗余。對于這三種冗余方式，設(shè)計者可綜合運用，可以同時采取或采取其中的任意一種或兩種。采用冗余后，系統(tǒng)運行時將更加穩(wěn)定、可靠，對各種情況都能應(yīng)付自如 。 組態(tài)王人機界面開發(fā) ，新建工程： 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 21 圖 組態(tài)王工程管理界 面 ：把地理上分散的物理硬件在軟件變成集中的邏輯硬件。 圖 通訊設(shè)置 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 22 ：完成所有想到的變量定義，對于沒有想到的后面設(shè)計過程中遇到再進行定義。 圖 變量定義 ：完成各種需要畫面的繪制。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 23 圖 主界面設(shè)計 完成對基本的定義，才可以 進行動畫連接，即讓動畫動起來。 圖 動畫連接 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 24 5 系統(tǒng)調(diào)試 PID 控制的原理和特點 ： 工程實際中，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，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被 控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 （ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 （ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn) 態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “積分項 ”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 （ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會 出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “超前 ”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例 ”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “微分項 ”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分（ PD）控制器能改善基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 25 系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 比例控制 在人工調(diào)節(jié)的實踐中，如果能使閥門的開度與被調(diào)參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調(diào)參數(shù)趨于穩(wěn)定，達到平衡狀態(tài)。這種閥門開度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)節(jié)規(guī)律，稱為比例調(diào)節(jié)。 比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其特點 比例調(diào)節(jié)作用，一般用字母 P 來表示。如果用一個數(shù)學(xué)式來表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫成： eKu p??? （ 51） 式中 u? —— 調(diào)節(jié)器的輸出變化值； e? —— 調(diào)節(jié)器的輸入，即偏差； pK —— 比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。 放大倍數(shù) PK 是可調(diào)的，所以比例調(diào)節(jié)器實際上是一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。 比例調(diào)節(jié)作用雖然及時、作用強，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全回復(fù)到給定值，調(diào)節(jié)精度不高，所以有時稱比例調(diào)節(jié)為“粗調(diào)”。純比例調(diào)節(jié)只能用于干擾較小、滯后較 小，而時間常數(shù)又不太小的對象。 K=18 K=20 圖 比例控制 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 26 比例積分調(diào)節(jié) 對于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調(diào)節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的辦法是引入積分調(diào)節(jié)。 因為單純的積分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，所以積分調(diào)節(jié)很少單獨使用，一般都和比例作用組合在一起，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱 PI 調(diào)節(jié)器，其作用特性可用下式表示： ?????????? )1(1 e dtTekuuu IpIPPI （ 52） 這里，表示 PI 調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個：比例度 P 和積分時間 IT 。而且比例度不僅影響比例部分，也影響積分部分，使總的輸出既具有調(diào)節(jié)及時、克服偏差有力的特點，又具有克服余差的性能。 由于它是在比例調(diào)節(jié)（粗調(diào)）的基礎(chǔ)上，有加上一個積分調(diào)節(jié)（細調(diào)），所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。但是，積分時間太小，積分作用就太強，過程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時間放到最大， PI 調(diào)節(jié)器就喪失了積 分作用，成了一個純比例調(diào)節(jié)器。 K=20 TI=50 K=20 TI=70 圖 比例積分控制 比例積分微分調(diào)節(jié) 微分調(diào)節(jié)的作用主要是用來克服被調(diào)參數(shù)的容量滯后。在生產(chǎn)實際中，有經(jīng)驗的工人總是既根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度大小（比例作用），同時又根據(jù)偏差變化速度的大小進行調(diào)節(jié)。比如當(dāng)看到偏差變化很大時，就估計到即將出基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 27 現(xiàn)很大 的偏差而過量地打開（關(guān)閉）調(diào)節(jié)閥，以克服這個預(yù)計的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動，意味著有“超前”作用，因而能比較有效地改善容量滯后比較大的調(diào)節(jié)對象的調(diào)節(jié)質(zhì)量。 微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比，可用數(shù)學(xué)表達式表示為： dtedTu D )(??? （ 53） 式中： u? —— 調(diào)節(jié)器的輸出變化值； DT —— 微分時間； dted )(? —— 偏差信號變化的速度。 度 越大，微分時間 DT 越長，則調(diào)節(jié)器 從上式可知，偏差變化的速的輸出變化就越大。對于一個固定不變的偏差，不管其有多大，微分做用的輸出總是零，這是微分作用的特點。 K=20 TI=70 TD=5 K=20 TI=70 TD=2 圖 比例積分微分控制 由于實際微分器的比例度不能改變，固定為 100%，微分作用也只在參數(shù) 變化時才出現(xiàn)，所以實際微分器也不能單獨使用。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相配合，構(gòu)成比例微分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。 比例積分微分調(diào)節(jié)又稱 PID 調(diào)節(jié)，它可由下式表示： dted )(?基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 28 ])(1[1udt edTe dtTek DIp ??????? ? （ 54） PID 調(diào)節(jié)中，有三個調(diào)節(jié)參數(shù)，就是比例度 P、積分時間 IT 、微分時間 DT 。適當(dāng)選取這三個參數(shù)值，就可以獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。 由分析可知， PID 三作用調(diào)節(jié)質(zhì)量最 好， PI 調(diào)節(jié)第二， PD 調(diào)節(jié)有余差。純比例調(diào)節(jié)雖然動偏差比 PI 調(diào)節(jié)小，但余差大，而純積分調(diào)節(jié)質(zhì)量最差，所以一般不單獨使用 。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 29 結(jié) 論 通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我對 PLC 和組態(tài)王 的了解有了進一步增強，加深了對 PLC 和組態(tài)王的理解，并對它們產(chǎn)生了濃厚的興趣，但我也深深的知道自己的不足之處，比如說對應(yīng)用指令的不熟悉，大大地加深了我的程序復(fù)雜程度。很多以前在學(xué)習(xí)過程中不明白的地方，在 PLC 調(diào)試過程中，終于得以解決。可以看出它對理論教學(xué)起到了必要的補充和拓寬作用，對培養(yǎng)既具有扎實理論功底又具有相當(dāng)實踐能力的人才必不可少。 在此過程中我發(fā)現(xiàn)到修改完善程序的重要性。當(dāng)時編完一個程序后感覺是正確的。就是這樣還要仔細檢查自己的程序?？紤]到各種可能發(fā)生的情況。經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計讓我們設(shè)計能力以及全面的考慮問題能力有了很大的提升。 液位控制有滯后的環(huán)節(jié)，在具體的調(diào)試時，調(diào)節(jié)過程比較緩慢。通過參數(shù)的設(shè)定調(diào)整了調(diào)節(jié)的時間，因為要進行適合參數(shù)的確定，根據(jù)理論經(jīng)過了多次的試驗，基本完成了本次設(shè)計。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 30 致 謝 本課題在選題及研究過程中得到 趙 老師的悉心指導(dǎo)。 *****老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。 趙 老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時 四 載，卻給以終生受益無窮之道。對 趙 老師的感激之情是無法用言語表達的。 感謝 謝 *****的 老師對我的教育培養(yǎng)。在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。老師為我提供了良好的研究條件，謹向各位同仁表示誠摯的敬意和謝忱。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 31 參考文獻 [1] 劉祖潤 .自動控制原理［ M］ .機械工程出版社 , . 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