【正文】 ...................... 31 水位 PID 控制的邏輯設(shè)計 ....................................................... 31 梯形圖編程 ............................................................................... 35 控制程序 ................................................................................... 38 聯(lián)機 ........................................................................................... 39 結(jié) 論 ..................................................................................................... 40 謝 辭 ..................................................................................................... 41 參考文獻 .................................................................................................. 42 附 錄 ........................................................................ 錯誤 !未定義書簽。其中，水位控制越來越重要。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴重的生產(chǎn)事故及損失。任何時候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對給水系統(tǒng)提出的基本要求。傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點。鑒于其種種優(yōu)點，目前水位控制的方式被 PLC 控制取代。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會需要對容器中的液位（水位）進行自動控制。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。特別是在實際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。采用 PLC 和 PID 技術(shù)能很好的解決以上問題，使水位控制在要求的位置。 通過對變頻器內(nèi)置 PID 模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠傳液位傳感器反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化，采取 PID 調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用輸入液體控制閥連續(xù)調(diào)節(jié)和輸出控制閥分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，實現(xiàn)水塔供水且有效節(jié)能。 采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、 降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。 水塔水位自動控制系統(tǒng) 的 組成 水位自動控制系統(tǒng)由 PLC（核心控制部件）、 高低位的水位檢測電路、高低水位信號傳送給 PLC 水泵電動機控制電路（ PLC 控制啟停及主備切換）、設(shè)備監(jiān)控臺四部分組成。 4 第 2 章 PLC 結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC 組成與基本結(jié)構(gòu) PLC 是微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，從廣義上講， PLC 也是一種計算機系統(tǒng)，只不過它比一般計算機具有更強的與工業(yè)過程相連接的輸入 /輸出接口，具有更適用于控制要求的編程 語言，具有更適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境的抗干擾性能。 PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 目前 PLC 種類多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計算機，所以其結(jié)構(gòu)和 工作原理都大致相同，硬件和微機相似。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 PLC 控制系統(tǒng)有輸入量 —PLC—輸出量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為 PLC 的輸入量，它們經(jīng) PLC 外部輸入端子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng) PLC 內(nèi)部邏輯運算或其他各種運算，處理后送到輸出端子，作為 PLC 的輸出量對外圍設(shè)備進行各種控制。 PLC 的基本工作原理 由于 PLC 以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作 方式卻與微機有很大的不同。 PLC 則是采用循環(huán)掃描的工作方式。 PLC 的工作過程就是 PLC 的掃描循環(huán)工作過程，一個循環(huán)掃描周期主要可分為 3 個階段，輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。 圖 23 PLC 的掃描工作過程 6 PLC 的主要應(yīng)用 經(jīng)過 20 多年的工業(yè)運行， PLC 迅速滲透到工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，從 PLC 的功能來看，它的應(yīng)用范圍大致包括以下幾個方面： （ 1）邏輯控制 PLC 具有邏輯運算功能，可以實現(xiàn)各種通斷控制。它為用戶提供幾十個甚至上千個計時器，其計時時間設(shè)定值既可以由用戶程序設(shè)定，也可以由操作人員在工業(yè)現(xiàn)場通過人 ——機對話裝置實時設(shè)定，計時器的實際計時值也可以通過人 ——機對話裝置實時讀出或 （ 3）計數(shù)控制 PLC 具有計 數(shù)功能。計數(shù)器的實際計數(shù)值也可以通過人 ——機對話裝置實時讀出。在新一代的 PLC中，還可以 IEC 規(guī)定的用于順序控制的標準化語言 ——順序功能圖（ SFC）編制用戶程序， PLC 在實現(xiàn)按照事件或輸入狀態(tài)的順序控制相應(yīng)輸出的場合更簡便。 PLC 可以接模擬量輸入和輸出模擬量信號。 （ 6）數(shù) 據(jù)處理 PLC 具有數(shù)據(jù)處理能力。新一代的大，中型 PLC還能進行函數(shù)運算，浮點運算等。它既可以對遠程 I/O 進行控制，又能實現(xiàn) PLC 和 PLC， PLC 和計算機之間的通信。 （ 8） PLC 還具有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，例如：定位控制模塊， CRT 模塊等。其第一代可編程序控制器是于1975 年投放市場的 SIMATIC S3 系列控制系統(tǒng)。 S7200 PLC 系統(tǒng)組成 1． CPU 模塊 從 CPU模塊的功能來看， SIMATIC S7200 系列小型可編程序控制器的發(fā)展，大致經(jīng)歷了兩代： 第一代產(chǎn)品其 CPU模塊為 CPU 21X，主機都可進行擴展，它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的 CPU單元： CPU 212， CPU 214， CPU 215 和 CPU 216。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的 CPU單元： CPU 221， CPU 22CPU 224 和 CPU 226，除 CPU 221 之外，其他都可加擴展模塊 。 表 24 CPU 提供的最大擴展電流 S7200 系列 PLC 元件功能 1. 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)類型 S7200 系列 PLC 的數(shù)據(jù)類型可以是字符串、布爾型（ 0 或 1）、整數(shù)8 型和實數(shù)型（浮點數(shù)）。 2. 編程元件 （ 1） 輸入映像寄存器 I（輸入繼電器） 輸入映像寄存器的工作原理：輸入繼電器是 PLC 用來接收用戶設(shè)備輸入信號的接口。系統(tǒng)對輸入映像寄存器是以字節(jié)（ 8位）為單位進行地址分配的 ?？梢源娣艛?shù)據(jù)運算的中間運算結(jié)果或設(shè)置參數(shù)，在進行數(shù)據(jù)處理時，變量存儲器會被經(jīng)常使用。 （ 4） 特殊標志位存儲器 SM PLC中還有若干特殊標志位存儲器 , 特殊標志位存儲器位提供大量的狀態(tài)和控制功能，用來在 CPU和用戶程序之間交換信息，特殊標志位存儲器能以位、字節(jié)、字或雙字來存取。每個定時器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點供編程使用。 （ 6） 計數(shù)器 C 計數(shù)器用于累計計數(shù)輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個數(shù)。 （ 7） 累加器 AC 9 累加器是用來暫存數(shù)據(jù)的寄存器，它可以用來存放運算數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果。累加器的可用長度為 32 位，可采用字節(jié)、字、雙字的存取方式，按字節(jié)、字只能存取累加器的低 8 位或低 16 位，雙字可以存取累加器全部的 32 位。由于 PID 控制器算法簡單、魯棒性強，因 而被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機械、熱工和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。根據(jù)日本有關(guān)調(diào)查資料顯示，在現(xiàn)今使用的各種控制技術(shù)中， PID 控制技術(shù)占%，優(yōu)化 PID 控制技術(shù)占 %，現(xiàn)代控制技術(shù)占 %，手動控制占 .66%，人工智能 (Al)控制技術(shù)占 %。因此，可以毫不夸張地說，隨著工業(yè)現(xiàn)代化和其他各種先進控制技 術(shù)的發(fā)展，PID 控制技術(shù)仍然不過時，并且它還占著主導(dǎo)地位。 PID 控制器的結(jié)構(gòu)及原理 PID 控制器是一種基于偏差 “過去、現(xiàn)在和未來 ”信息估計的有效而簡單的控制算法。 圖 25 PID 控制系統(tǒng) 原理 圖 10 整個系統(tǒng)主要由 PID 控制器和被控對象組成。由圖 25 得到 PID 控制器的理想算法為 ?????? ??? ?01p )()(1)(KU (t ) dt tdeTdtteTte d (2. 2) 或者寫成常見傳遞函數(shù)的形式為 ： )()11()( 1 sEsTsTKsU dp ??? (2. 3) 其中，、 Ti、 Td 分別為 PID 控制器的比例增益、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。各種控制作用 (即比例作用、積分作用和微分作用 )的實現(xiàn)在表達式中表述的很清楚，相應(yīng)的控制器參數(shù)包括比例增益凡、積分時間常數(shù) Ti 和微分時間常數(shù)路。 數(shù)字式 PID 控制 在供水系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實現(xiàn)閉環(huán)控制保 證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。 PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。 PID 控制器是一種線性控制器，它是對給定值 :r(t)和實際輸出值只 t)之間的偏差 e(t): e(t)=y(t)一 r(t) )()11()(1 sEsTsTKsU dp ??? () 經(jīng)比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)運算后通過線性組合構(gòu)成控制量 u(t)， 對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。 11 圖 26 PID 控制原理圖 PID 控制器規(guī)律為： ?????? ??? ? dt tdeTdtteTteKty Dp )()(1)()(1 （ ） 式 中： pK 為比例系數(shù)； 1T 為積分時間常數(shù)； DT 為微分時間常數(shù)。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對當前變化的一種反映。 2)積分環(huán)節(jié) :表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關(guān)，即與偏差對時間的積分成線性關(guān)系。積分環(huán)節(jié)主要用于消 除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 3)微分環(huán)節(jié) :對偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )做出反應(yīng)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。但過大的幾對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。改變一個調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會影響其他的調(diào) 節(jié)作用。如果能將它們的作用作適當?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準確的運行，從而獲得滿意的控制效果。數(shù)字 PID 控制算法是通過對式 （ ） 離散化來實現(xiàn)的。n 為采樣序號 。e(n 一 l)為 第 n 一 1 時刻的偏差信號。另一方面計算機輸出的控制量 u(n)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障， u(n)可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。DI P D P TTK K K KTT?? 增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的控制增量 Au(n)僅與最近幾次采樣有關(guān)，所以誤動作時影響較小，必要時可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。過去的 PID 控制器通過硬件模擬實現(xiàn)，但隨著微型計算機的出現(xiàn)，特別是現(xiàn)代嵌入式微處理器的大量應(yīng)用，原先 PID 控制器中由硬件實現(xiàn)的功能都可以用軟件來代替實現(xiàn)，從而形成了數(shù)值 PID 算法，實現(xiàn)了由模擬 PDI 控制器到數(shù)字 PID 控制器的轉(zhuǎn)變。 應(yīng)用中，位置式 PID 控制器和增量式 PID 控制器的算法實現(xiàn)分別如圖 27 和13 圖 2 圖 28 所示 。 控制系統(tǒng)組成 系統(tǒng)的工作原理 在系統(tǒng)中，只使用比例和積分控制，其回路增益和時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定，但還需要進一步調(diào)整達到最優(yōu)控制效果。這種切換由一個輸入的數(shù)字量控制。水位高度正常情況下 控制 在 C、 D 之間，如圖 1（ a）。當水位高于 D 點時，水泵停止進水，如圖 1（ c）。當水位超過 D 點并到達 E點時上限 報警 ，采取強制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖 1（ e）。接通電源時，電源指示燈亮，當水塔中水深處于不同位置時，水位指示燈 B、 C、 D、 E 情況不同。 ② 當水位處于 B、 C 之間，指示燈 B 滅， C、 D、 E 亮，水泵開始進水。 ④ 當水位處于 D、 E 之間，指示燈 B、 C、 D 滅， E 亮，停進狀態(tài)，即水泵不工作。 16 ⑥ 報警 電路可以手動關(guān)閉，只要按下 報警 確認開關(guān)，就可以解除 報警 的蜂鳴聲。處理完故障時，必須關(guān)閉 報警 確認燈， 報警 確認電路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測故障的功能。同時，對于不同類型的液體，此系統(tǒng)均有良好的兼容性。試驗證明，此水塔水位 控制 器