【正文】 制正走向高級(jí)階段的未來(lái)，不論是從過(guò)程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過(guò)程控制發(fā)展的必要性、可能性來(lái)看，過(guò)程控制是朝著綜合化、智能化的方向發(fā)展，即計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)：以智能控制理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對(duì)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)、計(jì)劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)庫(kù)到產(chǎn)品出廠的自動(dòng)化、整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。 PLC的發(fā)展概況及趨勢(shì)PLC 的發(fā)展是提高生產(chǎn)力的要求推動(dòng)的。維護(hù)不便升級(jí)換代困難。最早的 PLC 用于邏輯(順序)控制內(nèi)存小功能單一。仍然需要單回路儀表或者 OCS。PLC 的網(wǎng)絡(luò)能力從無(wú)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的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。因此，可靠性和抗干擾能力都很強(qiáng)。幾乎所有大型的順序控制、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(ProgrammableAutomationController)。PLC 網(wǎng)絡(luò)中 應(yīng)用也非常廣泛。但小型化是有限度的，并不是越少越好。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(shì)。在功能方面只有某些在 PLC 基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的 PAC 系統(tǒng)才能夠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?PLC 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(lái)越重要的作用。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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)的重要作用。監(jiān)控層的軟件功能由監(jiān)控組態(tài)軟件來(lái)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。第二章 控制要求、任務(wù)分析詳細(xì)介紹雙容水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)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(shí)際對(duì)象畫出系統(tǒng)框圖；選擇、確定適合的被控變量、測(cè)量參數(shù)及操作變量等。第四章 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章介紹了監(jiān)控軟件的發(fā)展歷程以及其在過(guò)程控制系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，給出了組態(tài)王的功能特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，并用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。62 水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)組成本裝置由被控對(duì)象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。被控對(duì)象被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、上、中、下三個(gè)串接圓筒形有機(jī)玻璃水箱、 電加熱鍋爐(由不銹鋼鍋和鍋爐夾套構(gòu)成)、冷熱水交換盤管和敷塑不銹鋼管路組成。 上、中、下水箱采用淡藍(lán)色圓筒型有機(jī)玻璃，不但堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直能接觀察到液位的變化和記錄結(jié)果。每個(gè)水箱有三個(gè)槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過(guò)濾網(wǎng)罩，防止兩套動(dòng)力支路進(jìn)水時(shí)有雜物進(jìn)入泵中。做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。 盤管：長(zhǎng) 37 米（43 圈） ，可做溫度純滯后實(shí)驗(yàn)，在盤管上有兩個(gè)不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，因而有兩個(gè)不同的滯后時(shí)間。盤管出來(lái)的水既可以回流到鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)完成流量滯后實(shí)驗(yàn)。有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。檢測(cè)裝置壓力傳感器、變送器：采用 SIEMENS 帶 PROFIBUSPA 通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離7技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。溫度傳感器：本裝置采用六個(gè) Pt100 傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套以及盤管的水溫。Pt100 傳感器精度高，熱補(bǔ)償性能較好。渦輪流量計(jì)型號(hào)：LWGY10，流量范圍：0～ 3/h，精度：%。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對(duì)變頻支路及盤管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量，調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測(cè)采用 SIEMENS 帶 PROFIBUSPA通訊接口的檢測(cè)和變送一體的電磁式流量計(jì)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。變頻器：本裝置采用 SIEMENS 帶 PROFIBUSDP 通訊接口模塊的變頻器，其輸入電壓為單相 AC220V，輸出為三相 AC220V。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)。三相移相調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為 4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。 電磁閥：在本裝置中作為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。控制器控制器采用 SIEMENS 公司的 S7400 CPU，型號(hào)為 4123H，本 CPU 既具有能進(jìn)行多點(diǎn)通訊功能的 MPI 接口，又具有 PROFIBUSDP 通訊功能的 DP 通訊接口?？諌簷C(jī)設(shè)有氣量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣壓超過(guò)額定排氣壓力時(shí)，壓力開8關(guān)會(huì)自動(dòng)切斷電源使空壓機(jī)自動(dòng)停止工作，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體壓力因外部設(shè)備的使用而下降到額定排壓以下 時(shí)，氣壓開關(guān)自動(dòng)復(fù)位，空壓機(jī)又重新工作，使儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮空氣壓力保持在一定范圍內(nèi)。儀表綜合控制臺(tái)包含了原有的常規(guī)控制系統(tǒng)，由于它預(yù)留了升級(jí)接口，因此它在總線控制系統(tǒng)中的作用就是為上位控制系統(tǒng)提供信號(hào)。本系統(tǒng)由雙容水箱作為控制對(duì)象,水箱的液位h1和h2作為被控量。經(jīng)計(jì)算機(jī)算出的控制量通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成1~5V的控制電信號(hào),加到功放上,通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥的開度向水箱。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。被調(diào)量為下水位H。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)。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)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出 m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù) C1。 串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，因此，主變量在干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程和單回路定值控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。串級(jí)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有： 11副回路的干擾抑制作用 發(fā)生在副回路的干擾，在影響主回路之前即可由副控制器加以校正； 主回路響應(yīng)速度的改善 副回路的存在，使副對(duì)象的相位滯后對(duì)控制系統(tǒng)的影響減小，從而改善了主回路的響應(yīng)速度； 魯棒性的增強(qiáng) 串級(jí)系統(tǒng)對(duì)副對(duì)象及調(diào)節(jié)閥特性的變化具有較好的魯棒性； 副回路控制的作用 副回路可以按照主回路的需要對(duì)于質(zhì)量流和能量流實(shí)施精確的控制。如串級(jí)控制系統(tǒng)能改善對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性、提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量；能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)；能提高系統(tǒng)的工作頻率以及對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)等等。若采用串級(jí)控制，使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作效率，加快反應(yīng)速度，可以得到較好的控制質(zhì)量。4．應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的對(duì)象在有些生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一個(gè)介質(zhì)進(jìn)行控制。 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(jiǎn)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(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)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(lái)越快，因此用數(shù)字 PID 完全可代替模擬調(diào)節(jié)器，并且能得到比較滿意的效果。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。故而，比例系數(shù) Kp選擇必須恰當(dāng)，才能過(guò)渡時(shí)間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。可見，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。積分常數(shù)Ti越大，積分的積累作用越弱，這時(shí)系統(tǒng)在過(guò)渡時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩；但是增大積分常數(shù)Ti會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過(guò)程，消除偏差所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來(lái)確定Ti。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做出立即響應(yīng)（比例環(huán)節(jié)的作用），而且要根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正。 微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。但微分的作用對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感，對(duì)那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。Td越大時(shí)，則它抑制偏差e(t)變化的作用越強(qiáng)；Td越小時(shí)，則它反抗偏差e(t)變化的作用越弱。適當(dāng)?shù)剡x擇微分常數(shù)Td，可以使微分作用達(dá)到最優(yōu)。 S7400PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，模塊種類的品種繁多，功能齊全，應(yīng)用范圍十分廣泛，可用于集中形式的擴(kuò)展，也可用于帶ET200M分布式結(jié)構(gòu)的配置。S7400PLC主要模塊有中央處理器單元（CPU）模塊、信號(hào)（SM）模塊、通信（CP）模塊、功能（FM）模塊