【正文】 原理 第 節(jié) PLC控制組件 S7300PLC 控制系統(tǒng)： S7300 是采用模塊化結(jié)構(gòu)的中小型 PLC，包括一個(gè)CPU3152DP主機(jī)模塊、一個(gè) SM331模擬量輸入模塊和一個(gè) SM332模擬量輸出模塊，以及一塊西門(mén)子 CP5611專用網(wǎng)卡和一根 MPI網(wǎng)線。 由于串級(jí)控制系統(tǒng)具有主、副兩臺(tái)調(diào)節(jié)器，因此它的投運(yùn)和整定比簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)要復(fù)雜一些。當(dāng)控制精度要求較高，簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能滿足要求時(shí)，串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)往往會(huì)取得比較滿意的結(jié)果，調(diào)節(jié)質(zhì)量會(huì)大大提高。串級(jí)控制系統(tǒng)是比較常見(jiàn)的一種復(fù)雜控制系統(tǒng)。其主調(diào)節(jié)器 2 接受主參數(shù)信號(hào)，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器 1 的外給定信號(hào)。 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 共 31 頁(yè) 第 2 章 基本知識(shí)介紹 第 節(jié)液位水槽裝置的基本原理 液位水槽裝置簡(jiǎn)單介紹 在本設(shè)計(jì)中，用水槽 1 和水槽 2 構(gòu)成液位 L1 與液位 L2 的串級(jí)控制系統(tǒng)。 （ 7）具有歸納、整理技術(shù)資料，撰寫(xiě)技術(shù)論文的能力。 （ 5）具有根據(jù)調(diào)研、收集和查閱到的資料來(lái)分析判斷確定論文 /設(shè)計(jì)方案的能力。 （ 3）具有使用儀表使用手冊(cè)、查閱相應(yīng)資料的能力。 . 本設(shè)計(jì)主要基本要求包括： （ 1）正確理解系統(tǒng)應(yīng)用的目的和要求、掌握工程應(yīng)用的一般程序。本實(shí)驗(yàn)裝置建成后，可以形成一套獨(dú)特的真實(shí)工業(yè)對(duì)象過(guò)程控制系統(tǒng)全仿真工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置。工業(yè)自動(dòng)化可分為機(jī)械自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化，過(guò)程控制系統(tǒng)是指對(duì)連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程如化工石油石化冶金電站輕工等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中以流體為主的有關(guān)的物理量（溫度、壓力、流量及液位等四個(gè)參數(shù)）的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。這期間產(chǎn)品的規(guī)模增大功能不斷的完善，大中型產(chǎn)品多數(shù)有 CRT顯示功能，采用標(biāo)準(zhǔn)軟件，增加高級(jí)編程語(yǔ)言等。 典型的產(chǎn)品：西門(mén)子公司的 SIMATIC S6系列 GOULD 公司的 M84， 884等 （ 4）開(kāi)放階段： 80年代中期開(kāi)始至現(xiàn)在。 典型的產(chǎn)品： MODICON 公司的 184， 284和 384 西門(mén)子公司的 SIMATIC S3 系列 日本立石公司（ OMRON）的 SYSMAC－ C系列等 日本三菱公司的 FX1系列和 FX2系列等 （ 3）通訊階段： 70年代末期到 80年代中期。 典型的產(chǎn)品： MODICON 公司的 084 ALLENBADLEY公司的 PDQ－ II DEC公司的 PDP－ 14 日本日立公司的 SCY－ 022 （ 2）擴(kuò)展階段： 70年代中期到 70年代末期。 產(chǎn)品主要用于邏輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)運(yùn)算， CPU 由中小規(guī)模的 集成電路組成，控制功能較簡(jiǎn)單。 PLC 的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展是分不開(kāi)的，他們推動(dòng)了 PLC的發(fā)展，而 PLC的發(fā)展又對(duì)這些高新技術(shù)提出了更高更新的要求。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類(lèi)似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)言，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元都以繼電器命名。 20 世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 共 31 頁(yè) PLC 的歷史和發(fā)展過(guò)程 世界上公認(rèn)的第一臺(tái) PLC 是 1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（ DEC)研制的。 PLC 在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運(yùn)算和處理后，其結(jié)果再寫(xiě)入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。 PLC 在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫(xiě)入各對(duì)應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。在每次掃描過(guò)程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采樣和對(duì)輸 出狀態(tài)的刷新等工作。即在 PLC 運(yùn)行時(shí)， CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按指令步序號(hào)（或地址號(hào)）作周期性循環(huán)掃描，如無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。而有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)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)，專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)。它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置；具有體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活通用、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的西門(mén)子 S7200系列 PLC作為主控制器，完成一套過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，涵蓋了《可編程控制器》、《信號(hào)和信息處 理》、《傳感技術(shù)》、《工程檢測(cè)》、《模式識(shí)別》、《控制理論》、《自動(dòng)化技術(shù)》、《智能控制》、《過(guò)程控制》、《自動(dòng)化儀表》、《計(jì)算機(jī)應(yīng)用和控制》、《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》等課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究。為了滿足自動(dòng)化、冶金、化工等專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室水槽液位控制的要求 ,我們對(duì)其進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了水槽裝置 PLC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)內(nèi)部參數(shù)變化和克服外界干擾的能力，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 共 31 頁(yè) 第 1 章 緒論 第 節(jié) 水槽裝置的概述 液位控制常采用 PID控制，該控制方法具有響應(yīng)迅速、穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)發(fā)生變化或受到外界干擾時(shí)，參數(shù)整定就比較困難，給學(xué)生實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很大的不便。 第 節(jié) 西門(mén)子 PLC 簡(jiǎn)介 可編程控制器概述 可編程控制器（ Programmable Controller）簡(jiǎn)稱 PC，個(gè)人計(jì)算機(jī) (Personal Computer)也簡(jiǎn)稱 PC，為了避免混在一起，人們將最初用于邏輯控制的可編程器叫做 PLC（ Programmable Logic Controller）， 通常也稱為可編程控制器。 國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC）曾于 1982 年 11 月頒發(fā)了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一搞，1985 年 1 月發(fā)表了第二稿， 1987 年 2 月頒發(fā)了第三稿。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)器執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操 作的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程。 ” PLC 的指導(dǎo)思想 PLC 是采用 “ 順序掃描，不斷循環(huán) ” 的方式進(jìn)行工作的。然后重新返回第一條指令，開(kāi)始下一輪新的掃描。 PLC掃描一個(gè)周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。 輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過(guò)一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)輸出設(shè)備工作。限于當(dāng)時(shí)的元件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的 PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡(jiǎn)單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。因而人們稱可編程控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。 PLC的發(fā)展經(jīng)歷了以下四個(gè)階段： （ 1）初始階段：第一臺(tái) PLC的問(wèn)世到 70年代中期。因?yàn)樗芡瓿蛇壿嬤\(yùn)算功能，又被稱為可編程序邏輯控制器（ PLC）。 產(chǎn)品主要在控制功能上得到較大的發(fā)展，來(lái)自兩個(gè)方面： ① 從可編程序控制器發(fā)展的控制器－完成的是邏輯運(yùn)算及擴(kuò)展了其它運(yùn)算功能，稱之為可編程序控制器（ Programmable control）即 PC（ PLC）； ② 從模擬儀表發(fā)展的控制器－完成的是模擬運(yùn)算及擴(kuò)展其它邏輯運(yùn)算功能，稱之為單回路或多回路控制器（數(shù)字調(diào)節(jié)儀表）。 與計(jì)算機(jī)通訊的發(fā)展 相聯(lián)系，初步形成了分布式的通訊網(wǎng)絡(luò)體系，但各制造廠各自為政，通訊系統(tǒng)自成體系，產(chǎn)品的功能得到發(fā)展，可靠性也大大提高。 開(kāi)放系統(tǒng)的提出，使 PLC得到了較大的發(fā)展，主要表現(xiàn)在通訊系統(tǒng)的開(kāi)放，通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化使各廠家的產(chǎn)品可以通訊。 典型的產(chǎn)品： 西門(mén)子公司的 SIMATIC S5 系列 ALLEN－ BRADLEY 公司的 PLC－ 5等 第 節(jié) 主要任務(wù) 為使工科學(xué)生在校期間就受到良好的工程實(shí)踐鍛煉，建設(shè)具有實(shí)際工程環(huán)境的實(shí)南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 共 31 頁(yè) 驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)基地一直是自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要目標(biāo)。過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置是根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)及相關(guān)專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)，基于過(guò)程控制基礎(chǔ)上集 PLC技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控為一體的先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置。成果形式提供水槽裝置可編程控制器控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。 （ 2）熟悉某一種類(lèi)型 PLC的特點(diǎn)、使用及程序編制。 （ 4）了解計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的基本使用方法。 （ 6）初步具備 運(yùn)用自動(dòng)化裝置選型的能力。 （ 8）具有闡述論證論文 /設(shè)計(jì)成果的能力，并通過(guò)答辯。水槽 1的液位 L1 為副變量，水槽 2 的液位 L2 為主變量。而副調(diào)節(jié)器 1 則是根據(jù)副參數(shù)與主調(diào)節(jié)器來(lái)的給定信號(hào)去 調(diào)節(jié)閥，達(dá)到控制的目的。由于它具有主、副兩臺(tái)調(diào)節(jié)器，且有一個(gè)副環(huán)，它具有許多簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)所不具有的優(yōu)點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)，串級(jí)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量要比簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量高。但是，如何更好地發(fā)揮串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)，以提高質(zhì)量，這就與副參數(shù)的選擇，或者說(shuō)與副回路的構(gòu)成有著密切的關(guān)系。 L 1 T槽 1L 2 T槽 2槽 1 槽 2槽 槽 槽槽 槽1234S PL R C1 0 1L R C1 0 12 圖 21 水槽液位 串級(jí)控制系統(tǒng)工藝流程圖 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 共 31 頁(yè) 液位水槽裝置各設(shè)備的選型 表 21 液位水槽裝置設(shè)備選型 名稱 型號(hào) 規(guī)格 精度 數(shù)量 制造廠家 中央處理器模塊（ CPU） CPU312 IFM 內(nèi)存 RAM 擴(kuò)展到64K 1 模擬量輸入模塊（ AI） SM331 處理 2 點(diǎn)輸入信號(hào)。其中 SM331 為 8路模擬量輸入模塊， SM332為 4路模擬量輸出模塊。 第 節(jié) PLC 的功能、特點(diǎn) PLC 是面向用戶專為在工作環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)。 （ 1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) PLC 是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，要能適應(yīng)這樣一個(gè)具有很強(qiáng)的電噪聲、電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)、極端溫度和濕度很大的工業(yè)環(huán)境中，那么，在 PLC 硬件設(shè)計(jì)方面，首先應(yīng)對(duì)器件嚴(yán)格篩選和優(yōu)化，而且在電路結(jié)構(gòu)及工藝上采取了一些獨(dú)特的方 式。 （ 2）編程簡(jiǎn)單、直觀 PLC是面向現(xiàn)場(chǎng)，考慮到大多數(shù)電氣技術(shù)人員熟悉繼電器控制線路的特點(diǎn)，在 PLC的設(shè)計(jì)上，沒(méi)有采用微機(jī)控 制中常用的匯編語(yǔ)言，而是采用一種面向控制過(guò)程的梯形圖語(yǔ)言。電氣工程師和具有一定知識(shí)的電工工藝人員都可以在很短的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。近年來(lái)又發(fā)展了面向?qū)ο蟮捻樋亓鞒虉D語(yǔ)言（ Sequential Function Chart） ,使編程更簡(jiǎn)單方便。 PLC 可連接成為功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，低速網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離達(dá) 500~2500m，高速網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離為 500~1000m,網(wǎng)上結(jié)點(diǎn)可達(dá) 1024 個(gè)，并且高速網(wǎng)絡(luò)和低速網(wǎng)絡(luò)可以級(jí)連，兼容性好。在從繼電器控制系統(tǒng)改造到 PLC 系統(tǒng)的情況下， PLC 小的模塊結(jié)構(gòu)使之能安裝在繼電器箱附近并將連線接向已有接線端，而且改換很方便，只要將 PLC 的輸入 /輸出端子連向已有的接線端子排即可。 從一開(kāi)始， PLC 便以易維護(hù)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。 總之，在工業(yè)應(yīng)用中使用 PLC 的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。 第 節(jié) PLC 發(fā)展趨勢(shì) PLC 總的發(fā)展趨勢(shì)是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。 （ 1）產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩個(gè)方向發(fā)展 大型 PLC 采用微處理器系統(tǒng)，可同時(shí)進(jìn)行多任務(wù)操作，處理速度提高，特別是增強(qiáng)了過(guò)程控制和數(shù)據(jù)處理功能。 小型 PLC 的整個(gè)結(jié)構(gòu)向小型模塊結(jié)構(gòu)發(fā)展，增加了配置的靈活性，操作使用十分簡(jiǎn)便。 （ 2）編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語(yǔ)言趨向標(biāo)準(zhǔn)化 1985 年，世界上張楚了第一 臺(tái)光筆編程器，近幾年來(lái)，不少?gòu)S家先后開(kāi)發(fā)了各種特色的智能編程器，可進(jìn)行在線編程。 （ 3）發(fā)展多樣化 PLC 發(fā)展的多樣化主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：產(chǎn)品類(lèi)型、編程語(yǔ)言和應(yīng)用領(lǐng)域。 （ 5）網(wǎng)絡(luò)與通訊能力增強(qiáng) 計(jì)算機(jī)與 PLC 之間以及各個(gè) PLC 之間的聯(lián)網(wǎng)和通訊的能力不斷增強(qiáng)。目前，工業(yè)中普遍采用金子塔結(jié)構(gòu)的多級(jí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。 第 節(jié)設(shè)計(jì)中裝置的相關(guān)介紹 第 節(jié)電容式差壓變送器的介紹 電容式差壓變送器的檢測(cè)元件采用電容式壓力傳感器，組成分測(cè)量和放大兩大部分。 整機(jī)的精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、抗振性強(qiáng)，其基本誤差一般 為 17