【正文】 (4)解算用戶邏輯 即執(zhí)行用戶程序。 (3)輸入現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài) 完成前兩步工作后 PLC 便掃描各個(gè)輸入點(diǎn)，讀入各點(diǎn)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，如開關(guān)的通斷狀態(tài)、形成現(xiàn)場(chǎng)的內(nèi)存映象。在與編程器通信過(guò)程中，編程器把指令和修改參數(shù)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤碼進(jìn)行相應(yīng)指示，編程器還可以向主機(jī)發(fā)送運(yùn)行、停止、清內(nèi)存等監(jiān)控命令。因此，PLC 工作過(guò)程大致可以分為以下五步： (1)自診斷 自診斷功能可使 PLC 系統(tǒng)防患于未然，而在發(fā)生故障時(shí)能盡快的修復(fù)，為此 PLC每次掃描用戶程序以前都對(duì) CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出模塊等進(jìn)行故障診 斷，若自診斷正常便繼續(xù)進(jìn)行掃描，而一旦發(fā)現(xiàn)故障或異?，F(xiàn)象則轉(zhuǎn)入處理程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，關(guān)閉全部輸出，然后停機(jī)并顯示出錯(cuò)的信息。 當(dāng)采用梯形圖編程時(shí)， PLC 的工作過(guò)程是用戶的梯形圖程序的執(zhí)行過(guò)程，是在系統(tǒng)軟件的控制下順次掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，按用戶程序解算控制邏輯，然后順序向各個(gè)輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。梯形圖是按自上而下，從左到右的順序執(zhí)行，全部程序執(zhí)行完后又返回到開始進(jìn)行循環(huán)。 梯形圖中的各元素是按自上而下，從左到右的順序進(jìn)行排列，最左邊的豎線稱為起始母線，也稱左母線，其中的各觸點(diǎn)是根據(jù)一定的控制要求進(jìn)行連接，最后以繼電器線圈結(jié)束。為了滿足他們的傳統(tǒng)習(xí)慣，通常 PLC 不采用微機(jī)的編程語(yǔ)言，而常常采用面向控制過(guò)程、面向問題的 “自然語(yǔ)言 ”編程，這些編程語(yǔ)言有梯形圖 LAD（ ladder Diagram)、語(yǔ)句表 STL（ Statement List)、功能塊圖（ FBD)、邏輯方程式或布爾代數(shù)式等。 （ 11）對(duì)電源的要求不高，允許波動(dòng)的范圍較寬。 （ 9）輸入輸出接口電路已設(shè)計(jì)好，輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。 （ 7）擴(kuò)展方便、通用性好，接線簡(jiǎn)單，通過(guò)選配相應(yīng)的模塊便可適用于各種控制系統(tǒng)。 （ 5）縮短了設(shè)計(jì)、施工、投產(chǎn)調(diào)試的周期。 （ 3）可靠性高，通信能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)。 PLC 的優(yōu)點(diǎn) （ 1) 編程方便，易于使用。掃描周期的長(zhǎng)短與用戶程序的長(zhǎng)短有關(guān)。 PLC 的組成 PLC 主要有單板機(jī)、輸入、輸出接口、電源、擴(kuò)展接口和編程器接口等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示： 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 圖 41 可編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖 PLC 的工作原理 PLC 的工作過(guò)程一般分為：輸 入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。 李濤： 基于 PLC 的水廠濾池自動(dòng) 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 18 第 4 章 濾池自動(dòng)控制所需的主要硬件設(shè)備 設(shè)備清單 整個(gè)濾池控制系統(tǒng)所需要的硬件設(shè)備需求如下表所示： 表 41 設(shè)備清單列表 序號(hào) 名稱 型號(hào) 數(shù)量 1 PLC 1756L1M1 LOGIX5550 6 2 PLC 機(jī)架 1756A17 6 3 PLC 電源 1756BATM 6 4 PC 機(jī) 神舟 E8 D1 1 5 PLC 與 PC 通信模塊 RS232 6 6 開關(guān)量輸入模塊 EDA9150A 6 7 開關(guān)量輸出模塊 TEPLCH1 XBTN200 6 8 模擬量輸入模塊 1756R4011 6 9 模擬量輸出模塊 1756R4021 6 此次設(shè)計(jì)的水廠濾池，每個(gè)濾池都有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng) PLC 和相應(yīng)的 I/O 模塊組成，以保證濾池的正常工作，其中有一臺(tái) PLC 作為主要的控制器，其主要功能是 用于和各個(gè)現(xiàn)場(chǎng) PLC 的通信，收集反沖洗水泵，鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備的開關(guān)量信號(hào)，協(xié)調(diào)各格濾池的反沖洗。 以兩臺(tái)控制器組成的濾池控制系統(tǒng)，在凈水廠濾池自動(dòng)化中有較強(qiáng)的實(shí)際意義，不僅可以在它的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展成為多控制器濾池系統(tǒng)，用來(lái)適應(yīng)大型水廠的需要，而且還可以用于老舊中小型水廠的擴(kuò)建、改造。每個(gè)濾池控制器的機(jī)制都可以與此反沖控制器進(jìn)行溝通。 簡(jiǎn)化后的反沖洗過(guò)程中的兩控制器的控制作用階段分得很清晰，便于控制器集中完成控制任務(wù)，不僅簡(jiǎn)化了協(xié)調(diào)過(guò)程，對(duì)于簡(jiǎn)化突發(fā)故障的處理也很有意義。沖洗完畢，反沖洗系統(tǒng)控制器回給濾池控制器一個(gè)標(biāo)識(shí)，進(jìn)入第三階段。所有閥門到位后，濾格控制器向反沖洗系統(tǒng)控制器傳遞一個(gè)標(biāo)識(shí)，進(jìn)入第二階段。 圖 36 調(diào)整后的反沖洗過(guò)程 第一階段由濾池控制器控制，也是先關(guān)閉進(jìn)水閥，開足清水閥，液位降到設(shè)定的反沖洗水位后關(guān)閉出水閥，再打開排污閥，反沖水閥和反沖氣閥。 修改后的反沖洗過(guò)程共分為三個(gè)階段 :反沖洗前的開、關(guān)閥階段，反沖洗階段，反沖洗后的關(guān)、開閥階段。去掉這個(gè)條件后得到的通訊方案得到了大大的簡(jiǎn)化。因此必須對(duì)上述的反沖洗過(guò)程做一些簡(jiǎn)單的修改，目的就是為了能簡(jiǎn)化通訊機(jī)制。而且當(dāng)系統(tǒng)中多于兩臺(tái)控制器時(shí)，通信機(jī)制的 個(gè)數(shù)又會(huì)成倍增加，尤其是在大系統(tǒng)中的應(yīng)用時(shí)，如此數(shù)量龐大的通信機(jī)制使溝通的編程實(shí)現(xiàn)變得十分困難。原因是因?yàn)樯鲜龅耐ㄐ艡C(jī)制只是一部分，實(shí)際的工程中還涉及了故障報(bào)警，故障處理等問題，需要添加大量通信機(jī)制。這一系列的通信機(jī)制，就是兩套控制器（濾池控制器、反沖洗控制器）之間實(shí)現(xiàn)通信協(xié)調(diào)的方法。同樣，還要有一個(gè)通信機(jī)制，通知反沖洗系統(tǒng)主控制器開反沖水泵。故在此也要建立一個(gè)通信機(jī)制，用來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)有一個(gè)濾池正在進(jìn)行反沖洗時(shí)，其它濾池不能進(jìn)行反沖洗，以阻止濾池控制器控制濾池進(jìn)入反沖洗狀態(tài)。但這里無(wú)須考慮此問題，因?yàn)檫B接控制器的網(wǎng)絡(luò)自身的通訊協(xié)議己能夠確保信號(hào)傳送的可靠性。標(biāo)識(shí)的值隨 正常過(guò)濾 關(guān)進(jìn)水閥 關(guān)出水閥 開排污閥 開反沖水閥 開反沖水泵 關(guān)反沖氣閥 開反沖氣閥 開鼓風(fēng)機(jī) 關(guān) 排污閥 開進(jìn)水泵 關(guān)鼓風(fēng)機(jī) 關(guān)反沖氣閥 關(guān)沖水閥 停水泵 關(guān)反沖氣閥 李濤： 基于 PLC 的水廠濾池自動(dòng) 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 16 著狀態(tài)的變化而變化。整個(gè)過(guò)程用簡(jiǎn)化圖表示，如圖 35 所示 圖 35 調(diào)整前的反沖洗過(guò)程 在這樣一個(gè)看似很簡(jiǎn)單其實(shí)很繁瑣的過(guò)程中，需要濾池控制器和反沖洗 控制器之間有很好的協(xié)調(diào)關(guān)系，保證有些時(shí)候相關(guān)的閥門能及時(shí)的開啟和關(guān)閉，以確保正常的濾池過(guò)濾和反沖洗過(guò)程的順利進(jìn)行，因此他們之間可以設(shè)定一個(gè)可靠的通信機(jī)制，通過(guò)這個(gè)機(jī)制來(lái)向其他的控制器傳遞自己當(dāng)前的狀態(tài)和正在執(zhí)行的操作，這些通信機(jī)制可以用“O”、 “1”來(lái)表示。打開反沖水閥，開啟反沖水泵，水洗 6 分鐘，完成后關(guān)閉反沖水閥，停水泵，關(guān)閉排污閥。先開反沖氣閥、鼓風(fēng)機(jī)，氣沖開始。具體的閥門開關(guān)順序應(yīng)為：在濾池控制器得到反沖洗信號(hào)后，首先關(guān)閉進(jìn)水閥，并將清水閥開至最大，當(dāng)液位下降至最低限制液位時(shí)，濾池退出正常的過(guò)濾過(guò)程，進(jìn)入反沖洗 過(guò)程，此時(shí)，出水閥關(guān)閉，排污閥打開，待排污閥信號(hào)到位后準(zhǔn)備開始反沖洗。故 出水閥的液位控制流程圖可以簡(jiǎn)化成下圖： 圖 34 出水閥的液位控制流程圖 否 是 否 是 是 是 否 開出水閥 T2秒 關(guān)出水閥 T2秒 液位低于低限？ 液位正在上升？ 開始 采 樣（周期為 T1） 液位正在下 降？ 液位高于高限？ 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 現(xiàn)場(chǎng)控制器與反沖洗控制器的鏈接 在濾池的反沖洗過(guò)程中，需要開關(guān)一系列的閥門，這就需要控制濾池的現(xiàn)場(chǎng)控制器與反沖洗控制器之間有很好的鏈接協(xié)調(diào)的關(guān)系，具體閥門的開關(guān)過(guò)程為：在正常過(guò)濾的過(guò)程中，進(jìn)水閥和出水閥應(yīng)該打開，反沖氣閥、反沖水閥和排污閥則應(yīng)關(guān)閉。比如：液位高于設(shè)定值，而正處于下降狀態(tài)，則閥門不動(dòng)作。這樣就可以對(duì)連續(xù)兩次采樣的值作一個(gè)比較，判斷液位的升降。所以，如果能夠判斷液位的變化趨勢(shì)，就可以進(jìn)一步減少閥門動(dòng)作。 至此，液位控制己經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但仍然可以進(jìn)一步優(yōu)化該控制，繼續(xù)減低閥門的動(dòng)作頻率。閥門的動(dòng)作時(shí)間也不必很長(zhǎng)，有整個(gè)開啟 (或關(guān)閉 )時(shí)間的 5%即可。 假設(shè)這個(gè)速度是在閥門 90%開啟度的時(shí)候達(dá)到的，那么閥門每改變百分之一的開度，對(duì)濾速的影響為 厘米 /秒。具體兩個(gè)時(shí)間如何確定，可以先估算，再具體調(diào)試。采樣周期和動(dòng)作時(shí)間的結(jié)合，極大的降低了閥門的動(dòng)作頻率，系統(tǒng)也更加穩(wěn)定了。單純的比例控制在對(duì)付滯后系統(tǒng)時(shí)確實(shí)很困難。液位的滯后性較強(qiáng)， PLC在檢測(cè)到其改變 (由低于設(shè)定變?yōu)楦哂谠O(shè)定，或 反之 )前，會(huì)不斷發(fā)出閥門動(dòng)作信號(hào)，直至動(dòng)作到底。這樣一來(lái)， PLC 就可以通過(guò)控制動(dòng)作信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，控制閥門的動(dòng)作時(shí)間了。也就是說(shuō)，閥門每次的動(dòng)作時(shí)間都是相同的，不可更改。這首先要求電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改變。 實(shí)際上開關(guān)閥的開與關(guān)不是瞬時(shí)完成的 ，而是有一個(gè)動(dòng)作時(shí)間。 這就是雙位調(diào)節(jié)導(dǎo)致閥門頻繁開關(guān)的原因。 雙位調(diào)節(jié)可以看作是一個(gè)極端的比例系數(shù)很大的比例控制，對(duì)任何一個(gè)偏差，不論大小，都會(huì)產(chǎn)生飽和滿載的輸出。這一點(diǎn)在實(shí)際工程中非常重要，許多場(chǎng)合都必須刻意避免閥門頻繁動(dòng)作。 根據(jù)實(shí)際情況和普遍的應(yīng)用，采用雙液位控制是最簡(jiǎn)單的，所謂雙液位控制就是當(dāng)濾池液位高于設(shè)定時(shí)，閥門打開，液位低于設(shè)定時(shí)，閥門關(guān)閉。所以，可以對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制的 PID 計(jì)算結(jié)果，對(duì)開關(guān)閥無(wú)效。 現(xiàn)場(chǎng)濾池控制器 由于本設(shè)計(jì)采用的是恒水位設(shè)計(jì)，因此保持濾池水位的大致不變是濾池控制器最主要的任務(wù)之一，大多數(shù)的水廠濾池的液位都是通過(guò)濾池調(diào)節(jié)閥來(lái)控制的，典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息來(lái)及時(shí)的進(jìn)行調(diào)整處理，從而實(shí)現(xiàn)濾池水位的大致不變， 以來(lái)自液位計(jì)的液位信號(hào)作為反饋信息， PLC 作為控制器，調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器 形成一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其模型可以簡(jiǎn)化成下圖： 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 圖 33 濾池液位控制框圖 但是在水廠濾池中，濾池的水位不用控制的那么精確不變，只要穩(wěn)定在一個(gè)大致的范圍就好了，如果用以上的控制方法，不僅加大了設(shè)備的成本，而且安裝起來(lái)特別繁瑣，所以實(shí)際應(yīng)用中，只要用開關(guān)閥來(lái)代替調(diào)節(jié)閥就可以了，開關(guān)閥的液位控制仍然適用閉環(huán)反饋的基本原理，但具體情況與調(diào)節(jié)閥的有很大的不同。增量式 PID 數(shù)字控制器不會(huì)出現(xiàn)飽和，而且當(dāng)計(jì)算機(jī)故障時(shí)能保持前一個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，因此增量式算法比位置式算法得到更廣泛的應(yīng)用。故本系統(tǒng)使用的是增量式 PID 控制算法，因此下面將討論如何建立增量式 PID 控制算法的數(shù)學(xué)模型。 數(shù)字 PID 控制器的算法通?？梢苑譃槲恢檬?PID 控制算法和增量式 PID 控制算法，因?yàn)槲恢檬剿惴▽?duì)偏差進(jìn)行累加，然后給出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置控制量。只要采樣周期 T取得足夠小，這種逼近就可以相當(dāng)精確。 （ 3） 微分環(huán)節(jié) 能夠反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，即偏差信號(hào)的變化速率，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早起修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)， PID 控 制器中各校正環(huán)節(jié)的作用如下： （ 1） 比例環(huán)節(jié) 及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，以減少偏差。+ Kdde(t)dt （ ） 式中， Kp 為比例系數(shù)； Ki為積分系數(shù)， Ki=Kp/Ti。 式 () 也可寫成： U(t)=Kpe(t)+Ki∫to e(231。 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 R(t)與實(shí)際輸出值 C(t)構(gòu)成控制偏差： e(t)==r(t)－ c(t) () 將偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)通過(guò)組合構(gòu)成控制量對(duì)被控對(duì)象 進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器，其控制規(guī)律為： U(t)=Kp[ E(t)+ 1Ti ?t dttE0)( + ()dEtTddt ] () 式中， e(t)為系統(tǒng)偏差； Kp 為比例系數(shù) 。 PID 控制解決了自動(dòng)控制理論所要解決的最為基本的問題，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。 圖 31 濾池自控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D PID 控制算法的基本原理 PID(proportional Integral Differential)控制算法就 是經(jīng)典的閉環(huán)控制，按比例、積分、微分進(jìn)行控制的控制器稱為 PID 控制器。 整個(gè)濾池的運(yùn)行可在以下二種方式下工作： (1)半自動(dòng)控制； (2)PLC 自動(dòng)控制； (3)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制。 （ 3）濾池控制站點(diǎn)：根據(jù)單格濾池?cái)?shù)量進(jìn)行配置，每格濾池一個(gè)，對(duì)單個(gè)濾池設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，使用一臺(tái) PC 機(jī)作為上位機(jī)，配有專為用戶開發(fā)的監(jiān)控軟件。 （ 2）濾池公共部分控制站點(diǎn)：對(duì)反沖洗（每個(gè)濾池的反沖洗，均可在 2 種狀態(tài)下進(jìn)行： ① 自動(dòng)反沖洗： ② 半自動(dòng)反沖洗。