【正文】 基于智能儀表、PLC 與 HMI 組成的液位控制系統(tǒng)具有抗干。整個液位控制系統(tǒng)運行效果達(dá)到了我們的預(yù)期目標(biāo)，由此證明我們的設(shè)計方案是可行的。 h 10 t/min0 1 3 5 7 9 圖 62 液位曲線圖第七章 結(jié)論在智能儀表、西門子工控產(chǎn)品 PLC 和組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上，我們成功設(shè)計出穩(wěn)定可靠的液位控制系統(tǒng)。第六章 系統(tǒng)運行結(jié)果連接好實驗裝置，接通實驗裝置的電源，然后在上位機(jī)中打開組態(tài)王組態(tài)環(huán)境，打開“單容水箱液位控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入運行環(huán)境，進(jìn)入本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。if(menuindex==1)showpicture(歷史曲線)。42 圖 59 報警設(shè)置菜單設(shè)置：雙擊圖標(biāo)出現(xiàn)菜單定義窗口，如圖 510 所示設(shè)置。 圖 57 開始按鈕動畫連接如圖 58 所示，為水箱反應(yīng)器的動畫連接窗口。 （a）實時曲線界面40 （b）歷史曲線界面 （c）報警界面設(shè)計 圖 56 其他界面的簡單設(shè)計（4）命令定義41在開發(fā)的界面中雙擊所需設(shè)置命令的反應(yīng)器或按鈕，會出現(xiàn)動畫連接彈出窗口，在窗口中對該部分可進(jìn)行設(shè)置命令。如圖 55 所示。具體創(chuàng)建方法如下：雙擊新建圖標(biāo)，在彈出的窗口中輸入新畫面的名稱以及其他的信息，如圖54 所示。如圖 53 所示。其中單容水箱液位控制系統(tǒng)為我們所建立的工程。雙擊桌面圖標(biāo)，打開工程管理器，建立工程，并設(shè)置好工程保存路徑等。由于創(chuàng)建方法基本相同，故這里不再詳細(xì)介紹了。這些變量均是在組態(tài)王的工程瀏覽器中的數(shù)據(jù)字典中定義的,如圖 51 所示的液位變量定義?？筛鶕?jù)實際情況添加控制變量。 組態(tài)王開發(fā)如表 51 所示為控制系統(tǒng)接線表 表 51 控制系統(tǒng)接線表測量或控制量 測量或控制量標(biāo)號 使用 PLC 端口 使用智能儀表端口下水箱液位 LT3 AI0 AI0電動調(diào)節(jié)閥 QSVP16K AO0 AO0熟悉單容水箱的工作原理以后就可以確定在組態(tài)王中的變量，由于我們控制的主要的是單容水箱中的液位，所以水箱液位就可以確定一個變量，設(shè)為I/O 實型。操作者可以充分利用 Excel 的功能以不同方34式對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制圖表并打印輸出。Excel 是 Windows 下最為流行的電子表格程序，功能非常強(qiáng)大。例如：日報表的組態(tài)只需用戶選擇需要的變量和每個變量的收集間隔時間。用戶可以根據(jù)工程的需要任意改變報表的外觀。在定義數(shù)據(jù)庫變量時，只要把 I/O 變量連接到外部設(shè)備上，按照設(shè)備安裝向?qū)У奶崾揪涂梢酝瓿稍O(shè)備的配置工作，就可以和組態(tài)王交換數(shù)據(jù)了。數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”最核心的部分，是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。 組態(tài)王特點組態(tài)王軟件特點：包括了大量常用硬件的驅(qū)動程序，使繁雜的硬件接口方面的工作由組態(tài)王軟件去完成，用戶只需簡單安裝驅(qū)動程序，并按指定格式讀取或輸出數(shù)據(jù)即可，無須在控制過程中去考慮硬件的使用和設(shè)置，因此，用戶在使用前，一定要仔細(xì)閱讀與本硬件相關(guān)驅(qū)動及使用說明，并按指定方式配置，設(shè)置變量，才能順利地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和輸出。 工程瀏覽器：工程瀏覽器是一個工程開發(fā)設(shè)計工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設(shè)備及相關(guān)變量、動畫鏈接、命令語言以及設(shè)定運行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具。組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu)由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。組態(tài)王圖形界面開發(fā)功能使用方便，對 I/O 設(shè)備廣泛支持。本控制系統(tǒng)選用北京亞控公司的組態(tài)王系列組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計。這種控制系統(tǒng)充分利用了計算機(jī)和 PLC 的特點,實現(xiàn)了優(yōu)勢互補,得到了廣泛應(yīng)用。目前的很多自動控制系統(tǒng)中,常常選用 PLC 作為的控制設(shè)備,用于數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別和輸出控制。人機(jī)界面（HMI Human Machine Interface）以其美觀易懂、操作人性化等顯著特點，正好滿足這種需求而得到廣泛的應(yīng)用。 step(sys) sys = tf(1,[1 1])。Inputdelay39。28 Step7 編程界面簡介圖 412 為 PLC 編程軟件界面 （a） （b）29 （c） 圖 412 STEP7 編程界面 MATLAB 系統(tǒng)仿真根據(jù)前文所得出的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真，得出單容水箱階躍響應(yīng)曲線如圖 413 所示。 操作系統(tǒng) OB1FB1FC1SFBSFCFC2FB1 其他 OB 圖4－11 結(jié)構(gòu)化編程 結(jié)構(gòu)化編程可以對單個的程序部分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化, 簡化程序組織, 使程序修改更容易, 大規(guī)模的程序更易于被理解。在其他OB 塊中可有中斷組織塊。圖4 11即是結(jié)構(gòu)化編程的簡單示意圖, 圖中FB1, FC1 在OBl 中直接調(diào)用, FB1 中又調(diào)用FC2?，F(xiàn)在普遍使用的是結(jié)構(gòu)化編程, 即將復(fù)雜的自動化任務(wù)分解為能夠反映過程的工藝、功能或可以反復(fù)使用的小任務(wù), 并將相應(yīng)的程序分別編在不同的程序塊(OB , FC 或FB) 中。Step 7 的用戶程序允許線性編程和結(jié)構(gòu)化編程。系統(tǒng)中提供的OB 塊、SFC 塊和SFB 塊可以讓用戶設(shè)置和訪問一些重要的系統(tǒng)功能, 其中OB 塊是操作系統(tǒng)和用戶程序之間的界面 [5]。在S7 系列 PLC 的CPU 中, 有兩種不同的程序總被執(zhí)行 : 操作系統(tǒng)和用戶程序。Step 7 還提供了標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)控制模塊FM 355, 可以實現(xiàn)定值控制、串級控制、比例控制和三分量控制等多種功能。圖49為系統(tǒng)接線原理圖，圖410為控制程序流程圖。PID模塊輸入?yún)?shù)如表41所示。由于本控制系統(tǒng)實現(xiàn)的控制功能較簡單, 故只用Step 7 內(nèi)置PID 功能塊即可。因為在本設(shè)計方案中要多次用到PID 連續(xù)量控制, 故這里有必要對FB41作些簡要介紹。參照上一實驗步驟進(jìn)行操作。 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V 開關(guān)電源，給S7300PLC及壓力變送器上電，按下啟動按鈕，合上單相Ⅰ空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥上電。 h 1022 5 t/min 0 2 4 圖 46： 單容水箱液位測量曲線 S7300PLC 控制 將“SA41 S7300PLC 控制”掛件掛到屏上，并用MPI 通訊電纜線將S7300PLC 連接到計算機(jī)CP5611 專用網(wǎng)卡，并按照下圖47控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。 合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少智能儀表的輸出量，使下水箱的液位處于某一平衡位置，記錄上位機(jī)曲線。 打開上位機(jī)組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)入組態(tài)運行環(huán)境，進(jìn)入本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。將“LT3 下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門F1F1F18全開，將下水箱出水閥門F111開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。電磁閥型號為：2W16025 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/㎝ 2 ，最大壓力為7Kg/㎝2；工作溫度：－5～80℃；工作電壓：24VDC。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動泵,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。 圖44 電動調(diào)節(jié)閥 水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為16CQ8P，流量為30 升/分，揚程為8 米，功率為180W。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等20優(yōu)點，電源為單相220V，控制信號為4～20mADC 或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。19 圖42 S7300PLC控制系統(tǒng)框圖如圖43為S7300PLC掛件。其中SM331 為8 路模擬量輸入模塊， SM332 為4 路模擬量輸出模塊。在本裝置中采用了S7300PLC控制系統(tǒng)，使用SA41S7300PLC可編程控制器掛件。如圖41為SA12智能儀表掛件。本實驗采用SA12掛件。AI818 型儀表為PID 控制型，輸出為4～20mADC 信號；而AI708 型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點型開關(guān)量信號。通過實驗建模，傳?遞函數(shù)中各參數(shù)為：K=，T=12 min， =1 s。 圖 35 單容水箱的階躍響應(yīng)曲線17 （a ）無滯后特性響應(yīng)曲線（ b）具滯后特性響應(yīng)曲線如果對象具有滯后特性時，其階躍響應(yīng)曲線則為圖35（b） ，在此曲線的拐點D處作一切線，它與時間軸交于B點，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于A點。若令Q 1(s)作階躍擾動，即 ，X 0=常數(shù)，則式(310)可改寫為s1)( （311）TsKTKsH1/ 0?????對上式取拉氏反變換得 （312）)()(/0teXth?當(dāng)t→ ∞ 時，h（∞）h（0）=KX 0，因而有 （313）階 躍 輸 入輸 出 穩(wěn) 態(tài) 值??)(K當(dāng)t=T時，則 有 （314）)(.)1()(0 ???hKXeXTh式（312）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖35（a）所示，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應(yīng)的時間，就是水箱的時間常數(shù)T。但為了簡化起見，經(jīng)線性化處理后，可近似認(rèn)為Q 2與h 成正比關(guān)系，而與閥F1td211611的阻力R成反比，即 （39）RhQ??2式中：，稱為液阻。在平衡時，Q 1=Q2， ；0?dth當(dāng)Q1發(fā)生變化時，液位h 隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q 2也發(fā)生變化。若將Q1作為被控過程的輸入變量，h 為其輸出變量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h 與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。閥門F1F12和F18全開，設(shè)下水箱流入量為Q1，改變電動調(diào)節(jié)閥V1的開度可以改變Q1的大小，下水箱的流出量為Q2，改變出水閥F111的開度可以改變Q2。一種是分析法，即根據(jù)過程的機(jī)理，物料或能量平衡關(guān)系求得它的數(shù)學(xué)模型；另一種是用實驗的方法15確定。 表 31 臨界比例度法的整定公式控制器 pKiTdP PI .PID 除了 ZN 整定公式外，后人還研究出多種 PID 參數(shù)整定公式，例如 RZN 整定公式、Kappatao 整定公式、CohenCoon 整定公式、AMIGO 整定公式等 [4]，本文不做深入介紹。頻率響應(yīng)法也就是上文提到的臨界比例度法。這樣，Nyquist曲線上的極限點被確定，系統(tǒng)的頻域傳遞函數(shù)1()Gj???就可以通過一次調(diào)節(jié)試驗辨識。由于系統(tǒng)等幅振蕩，可知 ，其中()uKGj??臨界增益 被稱為臨界比例系數(shù)， 為過程傳遞函數(shù)。簡單起見180?o假設(shè)設(shè)定值SV=0。如果在閉環(huán)系統(tǒng)中將控制器設(shè)為純比例控u?制，當(dāng)比例增益達(dá)到足夠高時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。??A?圖33 Nyquist曲線系統(tǒng)的Nyquist曲線如圖33所示。對于線性時不變系統(tǒng)，如果輸入信號是正弦信號，則穩(wěn)定后輸出信號為同頻率的正弦信號，只有幅度和相位發(fā)生變化。整定公式本身包含了 PID 控制器的設(shè)計過程，可以直接應(yīng)用于 PID 自整定控制器中。 PID 參數(shù)整定公式PID 參數(shù)自整定包括提取過程動態(tài)特性和 PID 控制器的設(shè)計兩部分。臨界比例度法雖然非常簡單易用，在工程上也曾經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在許多的缺陷。實驗的最終目的，是要使閉環(huán)cKcK系統(tǒng)做臨界等幅振蕩，此時的比例增益 就被稱為臨界增益，記為 而此時uK系統(tǒng)的振蕩周期被稱為臨界振蕩周期，記為 。這種方法不像飛升曲線法那樣依賴于對象的數(shù)學(xué)模型，而是通過實驗由經(jīng)驗公式得到 PID 控制器的最優(yōu)整定參數(shù)。首先，它難以確定最大斜率處，并且能夠利用的系統(tǒng)信息不足；其次，飛升曲線法只限定與FOPDT 模型，對