【正文】 S7200PLC 可提供 4 個(gè)不同的基本型號(hào)與 8 種 CPU 可供選擇使用。 SIMATIC S7200 PLC S7200 PLC 是超小型化的 PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制等。可以預(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入， PLC 在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的 CF 系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的 DKK 及 D 系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的 S 系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的 YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了 PLC 的應(yīng)用。 我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)， 這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。 在這時(shí)期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。這個(gè)時(shí)期可編程 控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。該草案中對(duì)可編程控制器的定義是“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 1968 年，美國(guó)最大的汽車制造商 —— 通用汽車公司從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件后，立即引起了開發(fā)熱潮。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥還提供手動(dòng)操作，它的上部有個(gè)手柄，和軸連在一起，在系統(tǒng)掉電時(shí)可進(jìn)行基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 手動(dòng)控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。 圖 ZDRO 電動(dòng) O 型球閥 來(lái)自 PLC 的 420mA 信號(hào) iI 與位置反饋信號(hào) fI 進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開度，同時(shí)輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào) fI 。具有連線簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕、阻力小、動(dòng)作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。 用于兩位切斷、調(diào)節(jié)的場(chǎng)合。當(dāng)位置反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相等時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開度。執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)轉(zhuǎn)變成推力或位移，對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力或位移，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積，以達(dá)到最終調(diào)節(jié)被控介質(zhì)的目的。 圖 UYS100A22 壓力變送器 執(zhí)行單元 執(zhí)行單元是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來(lái)自調(diào)節(jié)單元的輸出信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的自動(dòng)控制。壓力變送器和絕對(duì)壓力變送器的工作原理和差壓變送器相同，所不同的是低壓室壓力是大氣壓或真空。測(cè)量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個(gè)電容器。 使傳感器測(cè)得壓力為 ： hg..? ，顯然通過測(cè)取壓力 P ，可以得到液位深度。 4～ 20mA、 0～5v、 0～ 10mA 等 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 輸出方式由用戶根據(jù)需要任選。 靜壓投入式液位變送器（液位計(jì)）適用于石油化工、 冶金 、 電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的液位測(cè)量。設(shè)計(jì)中涉及到液位的檢測(cè)和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。 檢測(cè)單元 在過程控制系統(tǒng)中，檢測(cè)環(huán)節(jié)是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 所以 系統(tǒng) 應(yīng)用的是 西門子 S7200 系列的 PLC，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活且易于維護(hù)。更高速率的 PLC 產(chǎn)品正在研制之中。目前，其傳輸速率依設(shè)備廠家的不同而 ~45Mbps 之間。 PLC 可以輕松地滲透到每個(gè)家庭，為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展創(chuàng)造極大的空間。但是可編程控制器有以下特點(diǎn)： 由于可以直接利用已有的配電網(wǎng)絡(luò)作為傳輸線路，所以不用進(jìn)行額外布線，從而大大減少了網(wǎng)絡(luò)的投資，降低了成本。 圖 單容過程及其響應(yīng)曲線 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 當(dāng)過程具有純時(shí)延時(shí)，則其傳遞函數(shù)為 stesTsW 000 1)( ?? （ 28） 硬件設(shè)計(jì) 控制單元 控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。 圖 所示過程的微分方程為 1QdthdC ??? （ 26） 式中： C—— 貯罐的容量系數(shù)。當(dāng)流入量 1Q 發(fā)生階躍變化時(shí)，液位 h 即發(fā)生變化。 如果將圖 所示貯罐的出口閥 2 換成定量泵，則為圖 所示。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 所謂無(wú)自衡過程，是指過程在擾動(dòng)的作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠其自身能力不能重新恢復(fù)平衡的過程。具有純時(shí)延單容過程的階躍響應(yīng)曲線如圖 曲線 2 所示，它與無(wú)時(shí)延單容過程的階躍響應(yīng)曲線在形狀上完全相同，僅差一純時(shí)延 0t 。 圖 純時(shí)延單容過程及其響應(yīng)曲線 圖 所示，流量 1Q 通過長(zhǎng)度為 l 的管道流入貯罐。如皮帶運(yùn)輸機(jī)的物料傳輸過程，管道輸送、管道反應(yīng)和管道的混合過程等。 從上述分析可知，液阻 2R 不但影響過程的時(shí)間常數(shù) 0T ，而且還影響過程的放大系數(shù) 0K ，而容量系數(shù) C 僅影響過程的時(shí)間常數(shù)。其物理意義是：引起單位被 控量變化時(shí)被控過程貯存兩變化的大小。 c s1Q 1 ( s )Y ( s )1R 2Q 2 ( s ) 圖 方框圖 單容液位過程的傳遞 函數(shù)為 11)()()(001210 ????? sTKCsR RsQ sHsW （ 24） 式中： 0T —— 過程的時(shí)間常數(shù)， CRT 20 ? ； 0K —— 過程的放大系數(shù)， 20 RK ? ； C—— 過程的容量系數(shù)，或稱過程容量。這里，介紹后一種方法。 為了求單容過程的數(shù)學(xué)模型，需消去中間變量 2Q 。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位 h 與流量之間為非線形關(guān)系。 (a) (b) (c) 圖 液位被控過程及其階躍響應(yīng) 根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有 dtdhA ?? 21 （ 21） 將公式 （ 21） 表示成增量式為 1Q1 h 1 2 2Q X h t t 0 0 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 dthdA ????? 21 （ 22） 式中： 1Q? 、 2Q? 、 hd? —— 分別表示為偏離某一平衡狀態(tài) 10Q 、 20Q 、 0h?的增量； A—— 貯蓄截面積。其流出量為 2Q ，它取決于用戶的需要改變閥 2 開度可以改變 2Q 。 所謂自衡過程，是指過程在擾動(dòng)作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠起自身重新恢復(fù)平衡的過程。 單相泵 閥 1 電動(dòng)閥 液位傳感器 進(jìn)水口 儲(chǔ)水箱 水箱 出水口 溢水口 出水口 LT LC 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 單容水箱對(duì)象特性 所謂單容過程，是指只有一個(gè)貯蓄容量的過程。水箱 的液位經(jīng)過壓力變送器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號(hào)輸入到 PLC的輸入接口，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換成控制量 PV，給定值 SP 與控制量 PV 經(jīng)過 PLC的 CPU 的減法運(yùn)算成了偏差信號(hào) e ,又輸入到 PID 調(diào)節(jié)器中，又開始了新的調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)的控制框圖如圖 所示。經(jīng)過運(yùn)算后即輸出控制信號(hào)給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使其開度 增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲(chǔ)水量，液位升高。單相泵正常運(yùn)行，打開閥 1，打開上水箱的出水閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以一定的開度來(lái)控制進(jìn)入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過將壓力變 送器檢測(cè)到的電信號(hào)送入 PLC 中，經(jīng)過 A/D 變換成數(shù)字信號(hào)，送入數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器中，經(jīng) PID 算法后將控制量經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換成與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)送入電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制通道中的水流量。 2 控制方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單容水箱液位自動(dòng)調(diào)節(jié) 在這個(gè)部分中控制的是上水箱的液位。 ，一個(gè)好的方案會(huì)讓系統(tǒng)更加完美，所以方案的選取也非常重要。 課題 研究的主要內(nèi)容 ，其系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)?shù)闹匾苯雨P(guān)系到控制結(jié)果的正確與否。所以，發(fā)展先進(jìn)的液位控制技術(shù)是我們必須重視的趨勢(shì)。智能化、自適應(yīng)的控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)的成熟技術(shù)。 系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)生活的應(yīng)用十分廣泛，但是國(guó)內(nèi)的液位控制器的發(fā)展水平仍然不 高，同先進(jìn)國(guó)家的差距仍然很大。國(guó)外的液位控制器正朝著高精度、智能化等力一向快速發(fā)展。 近幾十年來(lái)，在自動(dòng) 控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，美國(guó)、德國(guó)、日本等技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家，生產(chǎn)開發(fā)出一系列性能優(yōu)異、實(shí)用性強(qiáng)的液位控制器以及和應(yīng)的儀器儀表，并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。 除了傳統(tǒng)的 PID 控制系統(tǒng)外，近年來(lái)隨著智能儀表和 PLC 的發(fā)展，加入智能型控制的系統(tǒng)也得以應(yīng)用。液位控制系 統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的，蓄水槽、污水處理廠等都需要液位元的控制。還在黃河治水中也的到了利用，通過液位控制系統(tǒng)檢測(cè)黃河的水位的高低，以免由于黃河水位的過高而在不了解的情況下，給我們?nèi)嗣駧?lái)生命危險(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失。 在我國(guó)隨著社會(huì)的發(fā)展，很早就實(shí)行了自動(dòng)控制。 液位控制系 統(tǒng)它使我們的生活、生產(chǎn)都帶來(lái)了不可想象的變化。隨著現(xiàn)在工業(yè)控制的要求越來(lái)越高，一般的自動(dòng)化控制已經(jīng)也不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)控制的需求，所以我們就又引入了可編程邏輯控制（又稱 PLC）。在自動(dòng)化控制的工業(yè)生產(chǎn)過程中，一個(gè)很重要的控制參數(shù)就是液位。s function to facilitate the monitoring of the system has strong working capabilities. Keywords： S7200 PLC , Kingview , PID control , level control 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目 錄 1 緒論 ......................................................................................................................... 1 題研究背景、意義和目的 .............................................................................. 1 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r .............................................................................. 1 課題研究的主要內(nèi)容 ...................................................................................... 2 2 控制方案設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) .......................................................................................................... 2 單容水箱液位自動(dòng)調(diào)節(jié) ........................................................................ 2 單容水箱對(duì)象特性 ................................................................................ 4 硬件設(shè)計(jì) .......................................................................................................... 8 控制單元 ................................................................................................ 8 檢測(cè)單元 ...................................................................................