【正文】 本次設(shè)計的雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)，采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，主、副調(diào)節(jié)器都采用PID控制，所以在 0B35中主要是對 PID功能模塊 FB41進行調(diào)用，所創(chuàng)建的 OB35組織塊如圖 16所示： 圖 16(A) 組織塊 0B3526圖 16(B) 組織塊 OB35 通信設(shè)置西門子 S7400系列的 PLC，與 PC。PID 的調(diào)用可以在 OB35中完成， 一般設(shè)置時間為 200MS。其數(shù)據(jù)塊DB41如圖 14所示：24圖 14 數(shù)據(jù)塊 DB41 創(chuàng)建功能塊 FB41 FB41為西門子 PLC內(nèi)部已經(jīng)定義好的實現(xiàn) PID控制的功能模塊。檢測數(shù)據(jù)通過總線傳輸給 CPU，最后，在 4號槽中放置通信模塊，進行通訊連接、程序下載。如圖 11所示：圖 11 BIOCK 設(shè)置單擊下一步按鈕，輸入項目的名稱為水箱液位串級控制系統(tǒng)，單擊完成按鈕生成項目。如圖 10所示：21圖 10 CPU 添加單擊下一步按鈕，選擇需要生成的邏輯塊，至少需要生成作為主程序的組織塊OB1。當程序下載、調(diào)試完成以后，PLC 系統(tǒng)就可以執(zhí)行各種自動任務(wù)了。STEP7提供了幾種不同的版本以適應(yīng)不同的應(yīng)用和需求，具體見表1：18表1 STEP 7軟件版本圖 7顯示了 STEP7軟件是如何對 PLC硬件進行編程和組態(tài)的，如圖 7所示：圖 7 STEP 7 編程過程圖中的編程設(shè)備可以是 PG（編程器）或者 PC，它通過編程電纜與 PLC的 CPU模塊相連。它是SIEMENS SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分。功能模塊有高速計數(shù)模塊等。信號模塊用來傳送數(shù)字量及模擬量信號。每一類模塊都有各種不同的型號可選擇。S7系列PLC用DIN標準導(dǎo)軌安裝，各模塊用總線連接器連接在一起，系統(tǒng)配置靈活、維護簡便、易擴展。所以PID調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)描述如公式(4)可見: [e(t) ] (4)173 控制系統(tǒng)下位機硬件配置和程序設(shè)計 S7400PLC 概述SIMATIC S7400是通用可編程控制器，它廣泛地應(yīng)用于自動化領(lǐng)域，涉及多個行業(yè)，可用于組建集中式或分布式結(jié)構(gòu)的測控系統(tǒng)，重點在于為生產(chǎn)制造工程中的系統(tǒng)解決方案提供一個通用的自動化平臺，性能優(yōu)良，運行可靠。微分部分顯然對系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的作用。微分部分的作用由微分時間常數(shù)Td決定。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對髙階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。它是根據(jù)偏差的變化趨勢（變化速度）進行控制。為了實現(xiàn)這一作用，可在PI控制器的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，形成PID控制器。微分部分 微分部分的數(shù)學(xué)式表達如公式(3)可見： (3)實際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過程。當Ti較小時，則積分的作用較強，這時系統(tǒng)過渡時間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差所需的時間較短。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。16積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)式表達如公式（2）可見： (2)從積分部分的數(shù)學(xué)表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就不斷的增加；只有在偏差e(t)=0時，它的積分才能是一個常數(shù)，控制作用才是一個不會增加的常數(shù)。控制 作用的強弱取決于比例系數(shù) Kp，比例系數(shù) Kp越大，控制作用越強，則過渡過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就越??；但是 Kp越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 PID 控制算法分析 典型的 PID控制結(jié)構(gòu)如圖 6所示： 圖 6 PID 控制結(jié)構(gòu)圖比例部分 比例部分的數(shù)學(xué)式表達如公式（1）可見： (1)在模擬 PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間作出反應(yīng)。 PID 控制算法特點技術(shù)成熟；PID 調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方法，它的結(jié)構(gòu)靈活，不僅可實現(xiàn)常規(guī)的 PID調(diào)節(jié)，而且還可根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用PI、PD、帶死區(qū)的 PID控制等；不需求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型； 控制效果好。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，簡稱 PID控制，又稱 PID調(diào)節(jié)。由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故它的穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。被調(diào)量為下水位H。要保證中水箱閘板開度大約下水箱閘板開度，這樣控制效果好些。經(jīng)計算機算出的控制量通過D/A轉(zhuǎn)換成1~5V的控制電信號,加到功放上,通過改變調(diào)節(jié)閥的開度向水箱。本系統(tǒng)由雙容水箱作為控制對象,水箱的液位h1和h2作為被控量。鑒于串級控制方式所具有的這一優(yōu)勢，本設(shè)計最終采用串級控制方式來控制水箱液位。應(yīng)用于純滯后較大的對象當對象純滯后較大，有時可以用串級控制系統(tǒng)來改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量應(yīng)用于擾動變化激烈而且幅度大的對象串級控制系統(tǒng)的副回路對于進入其中的擾動具有較強的校正能力。串級控制方案主要適用場合如下：應(yīng)用于容量滯后較大的對象當對象的容量滯后較大時。 串級控制系統(tǒng)的適用場合與單回路回饋控制系統(tǒng)比較，串級控制系統(tǒng)有許多優(yōu)點。但是串級控制系統(tǒng)和單回路系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上從對象中引入一個中間變量（副變量）構(gòu)成了一個13回路，因此具有一系列的特點。圖 3 串級控制系統(tǒng)方框圖其控制系統(tǒng)方框圖中各參數(shù)的含義如下所示：R主參數(shù)的給定值； C1被控的主參數(shù) ； C2副參數(shù)；f1(t)作用在主對象上的擾動； f2(t)作用在副對象上的擾動。 水箱液位串級系統(tǒng)控制方案設(shè)計 串級控制系統(tǒng)概述圖 3是串級控制系統(tǒng)的方框圖。變送器可以連接各種設(shè)計的遠傳密封組件，以便用于如高粘度物料燈特殊應(yīng)用場合。盡管有大量的設(shè)定選項，但操作仍十分簡單。可通過控制鍵，HART通訊，PROFIBUSPA或基金會現(xiàn)場總線接口進行參數(shù)設(shè)定。可編程，即傳感器連接、測量范圍等也可編程。其工作原理如圖2所示： 圖 2 工作原理圖SITRANS TH100溫度測量儀表的優(yōu)點有：二線制變送器。這樣得到的信號又在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為與負載無關(guān)的4~20mA的直流電流。再將與輸入變量成正比的電壓經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的多路調(diào)制器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。通過一臺PC，使用SIPROM T 軟件和SITRANS TH100/TH200 調(diào)制解調(diào)器，可以進行參數(shù)調(diào)整。由于設(shè)計緊湊，它可以安裝在B 型(DIN43729) 或更大的連接頭上。它的主要特點如下：帶有 16位微處理器的信號快速處理系統(tǒng)；自動識別傳感器的類型與存儲在 Smartplug智能模塊中的標定數(shù)據(jù)；PROFIBUSPA 或 HERT通訊；簡單的菜單操作、帶兩行的 LCD顯示；自動監(jiān)控功能；所有輸出信號的內(nèi)部仿真輸出功能；監(jiān)控傳感器在使用中的感應(yīng)電流和電級的在線功能；脈沖的模擬量輸出和數(shù)字量輸出，儀表狀態(tài)，極限值，流向和頻率的輸出；禁止或允許累積量清零，禁止或能關(guān)閉測量儀表。SITRANS FM Intermag 2 電磁變送器分為一體型和分離型，適用于恒定電磁場的INTERMAG2變送器可以應(yīng)用于流速可達 12米/秒和最小電導(dǎo)率為 3μS/cm 的介質(zhì)。 電磁流量變送器電磁流量變送器的型號是 SITRANS FM Intermag 2，它是一個基于微處理器，并帶有數(shù)字顯示及多種語言的變送器。一些故障信號即可通過接線輸出，也可通過HART、現(xiàn)場總線接口輸出。通過故障信號的指示，例如執(zhí)行器隔膜的損壞、動作滯后等，用戶可利用適當?shù)木S護策略保證系統(tǒng)可靠。可實現(xiàn)測量（一些極值可調(diào)整）和監(jiān)控的功能，包括：行程累積行程方向改變次數(shù)報警計數(shù)死區(qū)自調(diào)整閥門極限位置（例如：閥座的磨損）10最高/ 最低溫度下的運行小時數(shù)（按照溫度范圍）壓電閥運行次數(shù)閥門定位時間執(zhí)行機構(gòu)泄漏智能電氣閥門定位器SIPART PS2 有更多的額外監(jiān)測功能，狀態(tài)顯示源自故障信號的監(jiān)測。現(xiàn)代壓電技術(shù)的使用，使SIPART PS2 只在動作的時候消耗氣體，這就意味它在很短時間內(nèi)就可以收回本身投資。SIPART PS2 的特點就是耗氣量極少。亦可從PROFIBUS （SIPART PS2 PA ）總線信號中獲取電源。裝在直行程執(zhí)行機構(gòu)上的組件檢測的角度誤差被自動地校正。壓電閥將控制指令轉(zhuǎn)換為氣動位移增量，當控制偏差很大時（高速區(qū)），定位器輸出一個連續(xù)信號；當控制偏差不大（低速區(qū)），定位器輸出連續(xù)脈沖；當控制器偏差在允許誤差范圍內(nèi)（自適應(yīng)或可調(diào)死區(qū)狀態(tài)），則沒有控制指令輸出。如果微處理器檢測到偏差，它就用一個五步開關(guān)程序來控制壓電閥，壓電閥進而調(diào)節(jié)進入執(zhí)行機構(gòu)氣室的氣流量。做為實現(xiàn)這種功能的標準配置已經(jīng)集成二進制輸入到基型產(chǎn)品中。智能電氣閥門定位器驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)使閥門開度達到與給定值相同的位置。 （3）溫度變送器： PA溫度變送器把 PT100的檢測信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后傳送給 DP鏈路。總線控制柜總線控制柜有以下幾部分構(gòu)成：（1）直流電源：采用直流穩(wěn)壓電源，給主控單元和 DP從站供電。電源控制臺（僅早期控制系統(tǒng)需依賴電源控制臺，升級后的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)本身已集成電源控制部分）電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護，帶有漏電保護空氣開關(guān)、電壓型漏電保護器、電流型漏電保護器。靜音式空氣壓縮機用于給氣動調(diào)節(jié)閥提供氣源，電動機的動力通過三角膠帶傳帶動空壓機曲軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)連桿帶動活塞做往復(fù)運動，使汽缸、活塞、閥組所組成的密閉空間容積產(chǎn)生周期變8化，完成吸氣、壓縮、排氣的空氣壓縮過程，壓縮空氣經(jīng)繞有冷卻翅片的排氣銅管、單向閥進入儲氣罐。電磁閥型號為：ZS15；工作壓力：最小壓力為 0Kg/㎝ 2，最大壓力為 10Kg/㎝ 2 ；工作溫度：－5～80℃。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。其中一只為三相380V恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻 220V輸出驅(qū)動。水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為 16CQ8P，流量為 32升/分，揚程為 8米，功率為 180W。由 CPU直接發(fā)送的數(shù)字信號控制閥門的開度，本氣動調(diào)節(jié)閥自動進行零點校正，使用和校正都非常方便。執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)閥：采用 SIEMENS帶 PROFIBUSPA通訊協(xié)議的氣動調(diào)節(jié)閥，用來進行控制回路流量的調(diào)節(jié)。輸出：4～20mA 標準信號。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來對調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量。六個 Pt100傳感器的檢測信號中檢測鍋爐內(nèi)膽溫度的一路到 SIEMENS帶 PROFIBUSPA通訊協(xié)議的溫度變送器，直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；另外五路直接接至 SM331模擬量輸入模塊。壓力傳感器用來對上、中、下水箱的液位進行檢測，其精度為 ，因為為二線制，故工作時需串接 24V直流電源。其中儲水箱底有一個出水閥，當水箱需要更換水時，將球閥打開讓水直接排出。管道：整個系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。在實驗過程中根據(jù)不同的實驗需要選擇不同的滯后時間。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度。模擬鍋爐：此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）組成。儲水箱尺寸為：長寬高=68cm52㎝43㎝。上、中水箱尺寸均為：d=25cm,h=20 cm； 下水箱尺寸為：d=35cm,h=20 cm。水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。系統(tǒng)動力支路分兩路：一路由三相（380V 交流）磁力驅(qū)動泵、氣動調(diào)節(jié)閥、交流電磁閥、西門子電磁流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由西門子變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（220V 變頻） 、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成。 62 雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)總體設(shè)計 FCS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)組成及簡介本現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是基于 PROFIBUS通訊協(xié)議、在傳統(tǒng)過程控制裝置的基礎(chǔ)上升級而成的新一代過程控制系統(tǒng)。 利用 WINCC組態(tài)軟件編寫水箱液位串級控制系統(tǒng)的上位機監(jiān)控程序。第六部分 結(jié)束語總結(jié)設(shè)計最后達到的效果，分析本次設(shè)計過程中的得失。第四部分 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計本部分介紹了監(jiān)控軟件的發(fā)展歷程以及其在過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢，給出了組態(tài)軟件 WINCC的功能特點及應(yīng)用場合，并用 WINCC實現(xiàn)了監(jiān)控界面的設(shè)計。第二部分 控制要求、任務(wù)分析詳細介紹雙容水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點及工作原理；建立雙容水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)實際對象畫出系統(tǒng)框圖；選擇、確定適合的被控變量、測量參數(shù)及操作變量等。下面從每一章的角度具體講述研究的主要內(nèi)容。目前世界上有不少專業(yè)廠商生產(chǎn)和提供各種組態(tài)軟件產(chǎn)品。監(jiān)控層的軟件功能由監(jiān)控組態(tài)軟件來實現(xiàn)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且常在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。監(jiān)控組態(tài)軟件在新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)起到越來越重要的作用?？傊?PLC順應(yīng)企業(yè)融合的需要，向標準化、多功能方向不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展功能不斷增強，發(fā)展前景非常樂觀。目前自動化領(lǐng)域主要的發(fā)展方向是企4業(yè)層和車間層的融合。在功能方面只有某些在 PLC基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的 PAC系統(tǒng)才能夠滿足全廠控制的要求。PLC 保持了靈活、可靠和高性價比的優(yōu)勢。同時，為了使用更加方便，功能