【正文】 控制性能的比較 。其次根據(jù) 水箱的特性確定與曲線分析 。 I 基于 PLC 的雙溶水箱液位串級(jí)控制 【摘要】 本文 首介紹了一種基于 PLC 的雙溶水箱液位竄級(jí)控制的設(shè)計(jì)。文章首先介紹了 PLC 的產(chǎn)生和定義、過程控制的發(fā)展。對西門子 S7200 系列 可編程控制器的硬件 進(jìn)行掌握。 應(yīng) PID 控制算法所得到的曲線分析 。通過 整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和 講解 PLC 的過控制指令 PID 指令 來控制水箱水位。此系統(tǒng)同樣可以滿足工廠對 控制系統(tǒng)的需求，有著巨大的前景。雙溶水箱 液位的控制作為過程控制的一種，由于其自身存在滯后，對象隨負(fù)荷變化而表現(xiàn)非線性特性及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制不能達(dá)到滿意的控制效果。 PLC可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯編程及簡單的算法編程，但是對于先進(jìn)控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩陣運(yùn)算，由于算法本身的復(fù)雜性，單純依靠 PLC 編程功能已經(jīng)不能滿足要求；在這組態(tài)軟件編程語言可以彌補(bǔ)它的不足，因?yàn)檫\(yùn)用此方法非常簡單。 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢 過程控制是一門與工業(yè)生產(chǎn)過程聯(lián)系十分緊密的科學(xué)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速前進(jìn)，過程控制也在日新月異地發(fā)展。生產(chǎn)過程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少成本、改善勞動(dòng)條件、保證安全和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率重要手段，在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)起著及其重要的作用。智能化是過程控制的發(fā)展必然趨勢，對工業(yè)的發(fā)展有十分重要而現(xiàn)實(shí)的意義。最早的自動(dòng)控制采用繼電器板進(jìn)行的控制邏輯簡單、體積大。隨著電子元器件的發(fā)展， 1969年前后發(fā)明了 PLC（ Programmable Logic Controller）。完全用于邏輯（順序）控制內(nèi)存小、功能單一 .但是，在回路調(diào)節(jié)時(shí)，仍需要單回路儀表或者 OCS。 PLC 的網(wǎng)絡(luò)能力從無到有，今天已經(jīng)非常強(qiáng) 大。正是因?yàn)檫@種靈活性，用戶可以很方便地建立自己地自動(dòng)化控制系統(tǒng)。因此，可靠性和抗干擾能力都很強(qiáng)。幾乎所有大型地順序控制、重要的應(yīng)用，都是 PLC 實(shí)現(xiàn)的。 PLC 進(jìn)一步融合 OCS技術(shù)，發(fā)展到 PAC（ Programmable Automation Controller）。 PLC 網(wǎng)絡(luò)中 應(yīng)用也非常廣泛。但小型化是有限度的，并不是越小越好。同時(shí)，為了使用更加方便，功能更強(qiáng)，控制器的內(nèi)存不斷擴(kuò)大，處理能力不斷增強(qiáng)。 PLC保持了靈活、可靠和高性價(jià)比的優(yōu)勢。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)才能滿足全廠控制的要求。目前自動(dòng)化領(lǐng)域主要 的發(fā)展方向是企業(yè)層和車間層的融合?？傊琍LC 順應(yīng)企業(yè)融合的需要，向標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)，發(fā)展前景非常樂觀。監(jiān)控組態(tài)軟件在新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)起到越來越重要 的作用。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層、它不但實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制，且常在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的 5 重要作用。監(jiān)控層的軟件功能由監(jiān)控組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)。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。 （ 2）在液位控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是否與所控制的液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等，直接的影響到控制結(jié)果。 （ 4）調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，一個(gè)系統(tǒng)有了好的方案，但是如果參數(shù)整定錯(cuò)誤那也是功虧一簣 6 2 水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 水箱系統(tǒng)的組成 水箱系統(tǒng)由兩個(gè)串聯(lián)水箱、一個(gè)大水箱、一個(gè)水泵、兩個(gè)壓力變送器、管道及若干閥組成。 控制系統(tǒng)面板左側(cè)：電源： 220V AC 單相電源、空氣開關(guān)、對象系統(tǒng)流程圖。 圖 21為雙溶水箱控制實(shí)驗(yàn)臺(tái) 西門子 PLC 控制系統(tǒng) S7200系列 PLC適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化。因此 S7200 系列具有極高的性能 /價(jià)格比。 S7200 系列 PLC 可提供 4 個(gè)不同的基本型號(hào)的 8 種 CPU供您使用。 圖 211為 PLC 的原理圖。其功能是： （ 1） PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能，接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。 （ 3）診斷電源、 PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤。 I/O模塊 I/O 模塊是 CPU 與現(xiàn)成 I/O裝置或 其他外部設(shè)備之間的連接部件。如輸入 /輸出電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串 /并行轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、誤碼校驗(yàn)、 A/D 或 D/A 變換以及其他功能模塊等。 其中輸入信號(hào)要通過光電隔離，通過濾波進(jìn)入 CPU 控制板， CPU 發(fā)出輸出信號(hào)外存接口 其他接口 中央處理器 CPU ROM RAM 編輯器 CPROM EPROM RAM 其他設(shè)備 計(jì)算機(jī) A/D D/A 輸入接口 光電耦合 輸出接口 繼電器或晶管 8 至輸出端。 I/O 接線圖 圖 212 I/O接線示意圖 信號(hào)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 壓力變送器檢測水箱壓力在 0～ 5000pa 范圍內(nèi)，經(jīng)過壓力變送器轉(zhuǎn)換成 1～ 5V模擬量電壓信號(hào)，經(jīng)過模擬信號(hào)接口輸送給 EM235 擴(kuò)展模塊； 1～ 5V 模擬量信號(hào)經(jīng)過 EM235 轉(zhuǎn)換成 6400～ 32020 數(shù)量信號(hào)，再將其輸送到 PLC 中；經(jīng)過程序控制，對應(yīng) 0～ 50cm 水箱水位。 水箱壓力值 0～ 5000pa 經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成電壓值 1～ 5V,其轉(zhuǎn)換關(guān)系可用函數(shù)表達(dá)式表示 : {Y(x)1}/(x0)=(51)/(50000) (213) 化簡為 : Y(x)=+1 (214) EM235 模塊將 1～ 5V 壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為 6400～ 32020 數(shù)字信號(hào) ,其轉(zhuǎn)換關(guān)系為 : {Y(x)6400}/(x1)=(320206400)/(51) (215) 化簡為 : Y(x)=1600x4800 (216) 6400～ 32020 數(shù)字信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理為 (除以 32020)得到結(jié)果為 ～ 準(zhǔn)化處理結(jié)果 ～ 1與 0～ 50cm 水箱水位的對應(yīng)關(guān)系表達(dá)式為 : {Y(x)0}/()=(500)/() (217) 水泵驅(qū)動(dòng)模塊 水泵 左水箱 LT2 傳感器 2 AI1+ AI1 AI2+ AI2 AO+ AO LT1 傳感器 1 右水箱 EM235 + + 9 化簡為 : Y(x)= (218) 本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 : 水箱壓力值 0～ 2020pa 經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成電壓值 1～ ,其轉(zhuǎn)換關(guān)系可用函數(shù)表達(dá)式表示 : Y(x)=+1 (219) EM235模塊將 1～ 6400～ 16640數(shù)字信號(hào) ,其轉(zhuǎn)換關(guān)系為 : Y(x)=6400x (2110) 6400～ 16640數(shù)字信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理為 (除以 32020)得到結(jié)果為 ～ .標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果 ～ 與 0～ 20cm 水箱水位的對應(yīng)關(guān)系表達(dá)式為 : Y(x)= (2111) 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 雙容水箱是兩個(gè)串聯(lián)在一起的水箱，整個(gè)系統(tǒng)有左水箱、右水箱、儲(chǔ)水箱愛及管和閥門組成。水箱里液位的變化，由壓力傳感器轉(zhuǎn)換成 4～ 20mA 的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，在 I/O接口的 A/D 轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼的數(shù)學(xué)信號(hào)后，送入計(jì)算機(jī)端口。水從左水箱進(jìn)入，左水箱閘板開度 8 毫米，進(jìn)入右水箱，右水箱閘板開度 56 毫米。水流入量Qi 由調(diào)節(jié)閥 u控制，流出量 Qo則由用戶通過閘板來改變。雙溶水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 221 所示 圖 221雙溶水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 10 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 雙溶水箱液位控制系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖 222所示 （ a）結(jié)構(gòu)圖 （ b）方框圖 圖 222雙閉環(huán)液位控制系統(tǒng) 圖 222 為雙閉環(huán)串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和方框圖。 本系統(tǒng)的控制目的，不僅要使右 上水箱的液位等于給定值，而且當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)在左上水箱時(shí)，由于它們的時(shí)間常數(shù)均小于右上水箱，故在右上水箱的液位未發(fā)生明顯變化前，擾動(dòng)所產(chǎn)生的影響已通過內(nèi)回路的控制及時(shí)地被消除。由于副控回路的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無特殊要求，因而副調(diào)節(jié)器采用 P或 PI 調(diào)節(jié)器。 現(xiàn)在 ，以具有自衡能力的雙容過程為例，來討論其建立數(shù)學(xué)模型的方法。其被控量是第二只水箱的液位 2h ，輸入量為 1Q 與上述分析方法相同，根據(jù)物料平衡關(guān)系可以列出下列方程 dthdC 1121 ????? （ 224） 212 RhQ ??? （ 225） 00 0 Q 0 0 0 圖 223雙容過程及其響應(yīng)曲線 12 dthdC 2232 ???? （ 226） 323 RhQ ??? （ 227） 為了消去雙容過程的中間變量 1h 、 2Q 、 3Q ，將上述方程組進(jìn)行拉氏變換，并畫出方框圖如 229所示 。 圖 2210 所示為流量 1Q 有一階躍變化時(shí)，被控量 2h 的響應(yīng)曲線。即多容過程對于擾動(dòng)的響應(yīng)在時(shí)間上存在時(shí)延， 被稱為容量時(shí)延。容量時(shí)延可用作圖法求得，即通過 2h 響應(yīng)曲線的拐點(diǎn) D 作切線，與時(shí)間 1/C1s 1/R2 1/C2s 1/R3 — — — 圖 229 雙容過程方框圖 13 軸相交與 A，與 2 h 相交與 C， C 點(diǎn)在時(shí)間軸上的投影 B， OA即為容量時(shí)延時(shí)間 Ct ，AB 即為過程的時(shí)間常數(shù) T。 1Q 產(chǎn)生階躍變化時(shí)，液位 2h 并不立即以最大的速度變化，由于中間具有容積和阻力。同上所述，所示過程的數(shù)學(xué)模型為 )1( 11)( )()( 0120 ??? TssTsQ sHsW （ 2211） 式中： 0T —— 過程積分時(shí)間常數(shù)， 20 CT ? ； T—— 第一只水箱的時(shí)間常數(shù)。該系統(tǒng) 有主、副兩個(gè)控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值 R，它的輸出 m1 作為副調(diào)節(jié)器給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出 m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù) C1。但是串級(jí)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(gè)中間變量（副變量）構(gòu)成一個(gè)回路，因此具有一系列的特點(diǎn)。 串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。串級(jí)控制方案主要使用場合如下： 。 b. 應(yīng)用于純滯后較大的對象當(dāng)對象滯后較大，有時(shí)可以利用串級(jí)控制系統(tǒng)來改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量 副回路對于進(jìn)入其中的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的校正能力。 17 4 控制規(guī)律 控制規(guī)律選擇 本設(shè)計(jì)采用的是工業(yè)控制中最常用的 PID 控制規(guī)律，內(nèi)環(huán)與外環(huán)的控制算法采用 PID 算法， PID 算法實(shí)現(xiàn)簡單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，外環(huán) PID的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入，內(nèi)環(huán)跟隨外環(huán)的輸出。它結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。雖然計(jì)算機(jī)控制是非連續(xù)的，但由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越來越快，因此用數(shù)字 PID 完全可以代替模擬調(diào)節(jié)器，并且能得到比較滿意的效果 PID控制 調(diào)節(jié)規(guī)律 典型的 PID 控制結(jié)構(gòu)如圖 41所示： 圖 41 PID控制結(jié)構(gòu)圖 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)?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù) Kp，比例系數(shù) Kp 越大，控制作用越強(qiáng)，則過渡過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就越?。坏?Kp 越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。