【正文】 by Beijing Asiacontrolled panies in the PC, the establishment of industrial control objects of a intelligent manmachine interface software package, full use of the Window graphics device interface consistency, easy to use and so on with fullfeatured manmachine interface graphical interface and objectoriented development environment to facilitate efficient and quick process constitutes the entire monitor screen to display the animation in the form of the status of the various control devices, alarms and historical trends in one39。從而我們現(xiàn)在就引入了工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制。一個系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，直接影響到了工業(yè)生產(chǎn)的安全與否、生產(chǎn)效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。引入 PLC 使控制方式更加的集中、有效、更加的及時。它使在控制中更加的安全，節(jié)約了更多的勞動力，更多的時間。而在我國液位控制系統(tǒng)也利用得相當(dāng)?shù)膹V泛，特別在鍋爐液位控制，水箱液位控制。 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 近幾十年來，控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在起研究和發(fā)展上也已趨于完備，控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周遭的事物。使用液位控制系統(tǒng)來自動維持液位高度，工作人員可以輕易在操作室獲知整個設(shè)備的儲水狀況，大大減低工作人員工作的危險性，同時更提高了工作的效率及簡便性。 近年來液位控制系統(tǒng)取得了很大的進步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位計、雷達液位計、光電液位開關(guān)等，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富 多樣性?；诮M態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 2 這些先進的控制器不僅能實現(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境下的液位控制系統(tǒng)的控制，而且運用先進的算法，采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及計算機技術(shù)，使液位控制器的適用范圍更加廣泛。 反觀我國，雖然液位控制 。國內(nèi)液位控制器仍以常規(guī)的 PID 控制器為主，無法適用于滯后、復(fù)雜、時變的液位系統(tǒng)控制。我國相關(guān)控制器大量依靠國外的成熟技術(shù)，這些都是必須正視的現(xiàn)實。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對液位控制系統(tǒng)的要求越來越高，特別是高精度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國內(nèi)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。 ，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。 ，一個系統(tǒng)有了好的方案，但是如果參數(shù)整定錯誤那也是功虧一簣。系統(tǒng)原理圖如圖 所示。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 3 圖 系統(tǒng)原理圖 當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時，壓力變送器檢測到的信號小于設(shè)定值，設(shè)定值與反饋值的差就是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時，設(shè)定值與控制變量平衡， PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為零，電動調(diào)節(jié)閥就維持在那個開度，流量也不變，同時水箱的液位也維持不變。其中 SP 為給定信號，由用戶通過計算機設(shè)定， PV為控制變量，它們的差是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號，經(jīng)過 PLC 的 PID程序運算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號經(jīng)過 PLC 的 D/A 轉(zhuǎn)換成 420mA 的模擬電信號后輸出到電動調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設(shè)定值。所以系統(tǒng)能實時地調(diào)節(jié)水箱的液位。單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類。 液位過程，圖 所示為一個單容液位被控過程，其流入量 1Q ，改變閥 1的開度可以改變 1Q 的大小。液位 h 的變化反映了 1Q 與 2Q 不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過程 .若 1Q 作為被控過程的輸入變量 ,h 為 其輸出變量 ,則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是 h與 1Q 之間的數(shù)學(xué)表達式。 在靜態(tài)時， 21 ? ， 0?dtdh；當(dāng) 1Q 發(fā)生變化時，液位 h 隨之變化，貯蓄出口處的靜壓隨之變化， 2Q 也發(fā)生變化。但為了簡化起見，經(jīng)線形變化，則可近似認(rèn)為2Q 與 h 成正比關(guān)系，而與閥 2 的阻力 2R 成反比，即 22 RdhQ ?? （ 23） 式中： 2R —— 閥 2 的阻力，稱為液阻。消去中間變量的方法很多，如可用代數(shù)代換法，可用信號流圖法，也可用畫方框圖的方法。 將式 （ 22） 、式（ 23）拉氏變換后 ,畫出圖 方框圖。 被控過程都具有一定貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 6 圖 （ b） 所示為單容液位被控過程的階躍響應(yīng)曲線。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程的純時延問題是經(jīng)常碰到的。下面以圖 為例討論純時延過程的建模 。當(dāng)進水閥開度產(chǎn)生擾動后， 1Q 需要流經(jīng)管道長度為 l 的傳輸時間 0t 后才流入貯罐，才使液位 h 發(fā)生變化。 具有純時延單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)為 )( 0100 tTQKhdt hdT ????? sts 0e1T K(s )QH (s )(s )W0010???? （ 25） 式中： 0T —— 過程的時間常數(shù)， CRT 20 ? ； 0K —— 過程的 放大系數(shù)， 20 RK ? ； 0t —— 過程的純時延時間。下面以圖 所示為例，介紹其建模方法。這樣，其流出量與液位 h 無關(guān)。由于流出量是不變的，所以貯罐液位或等速上升直至液體溢出，或者等速下降直至液位被抽干，其階躍響應(yīng)曲線如圖 所示。 過程的傳遞函數(shù)為 sTsW 00 1)( ? （ 27） 式中： 0T —— 過程的積分時間常數(shù)， CT?0 。在 液位控制系統(tǒng)中一般使用的是智能儀表或可編程控制器。 電力線是覆蓋范圍最廣的網(wǎng)絡(luò)，它的 規(guī)模是其他任何網(wǎng)絡(luò)無法比擬的。 PLC 能夠提供高速的傳輸。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于撥號上網(wǎng)和 ISDN，比 ADSL 更快 ，足以支持現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上的各種應(yīng)用。 PLC 屬于 即插即用 ，不用煩瑣的撥號過程，接入電源就等于接入網(wǎng)絡(luò) 。它采用模塊化設(shè)計，本系統(tǒng)主要包括 CPU 模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和電源模塊。液位是指密封容器或開口容器中液位的高低，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之達到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過程順利進行。 液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激光式、放射性式等。精巧的結(jié)構(gòu)，簡單的調(diào)校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便 。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 9 靜壓測量原理：當(dāng)液位 變送器 投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓力公式為： Ρ = hg..? + Po 式中： P ：變送器迎液面所受壓力 ρ：被測液體密度 g ：當(dāng)?shù)刂亓铀俣? Po ：液面上大氣壓 H ：變送器投入液體的深度 同時 ，通過導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 Po 與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po 。 壓力變送器被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在δ元件 (即敏感元件 )的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測量膜片兩側(cè)。 當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等 ，通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號。 系統(tǒng)中用到的液位變送器是 北京中西化玻儀器有限公司 UYS100A22 壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量程為 50～ 30000mm，精度等級為 ，由 24V 直流電源供電，輸出信號為 4～ 20mADC 二線制，其實物如圖 所示 。 基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 10 執(zhí)行器的工作原理，由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào) 節(jié)機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。來自調(diào)節(jié)器的信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號制式后，與來自執(zhí)行機構(gòu)的位置反饋信號比較，其信號差值輸入到執(zhí)行機構(gòu)，以確定執(zhí)行機構(gòu)作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動作，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。 系統(tǒng)中用到的調(diào)節(jié)閥是 上海恒星公 司的 ZDRO 電動 O 型球閥 。閥與執(zhí)行機構(gòu)的連接采用直連方式，電動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)置伺服系統(tǒng)，無須另配伺服放大器，輸入 420mA 信號及 220V 的 AC 電源即可控制運轉(zhuǎn)。執(zhí)行機構(gòu)可根據(jù)用戶要求另配置 UNIC、 PSQ、 HQ、 DHL 等型號電子式電動執(zhí)行機構(gòu)或 GTX、 AL 等氣活塞式執(zhí)行機構(gòu) 。當(dāng) iI = fI 時，電動機停止轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)閥處于某一開度，即 Q=K iI ，式中 Q 為輸出軸的轉(zhuǎn)角， K 為比例常數(shù)。 3 西門子 PLC 簡介 PLC 的發(fā)展 PLC 的產(chǎn)生、定義 20 世紀(jì) 60 年代，在世界技術(shù)改造的沖擊下，要求尋找一種比繼 電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器。 國際工 委員會（ IEC）曾 于 1982 年 11 月頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿， 1985 年 1 月又發(fā)表了第二稿， 1987 年 2 月頒布了第三稿。它采用了可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù) 計算等面向用戶的指令，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 PLC 的發(fā)展現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。 20 世紀(jì) 80 年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 30~40%。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。最初是在引進設(shè)備中大量使用了可編程控制器。目前，我國自己已 可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的 PLC 生產(chǎn)廠家。 西門子 PLC 的介紹與比較 德國西門子（ SIEMENS）公司生產(chǎn)的 可編程控制器 在我國的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在冶金、化工、印如 S7200），小 規(guī)模性能要求的 PLC（如 S7300）和中、高性能要求的 PLC（如 S7400）等。 S7200 PLC 的強大功能使其無論單機運行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 SIMATIC S7300 PLC S7300 是模塊化小型 PLC 系統(tǒng) ，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。西門子（ SIEMENS）公司的 PLC 產(chǎn)品包括 LOGO， S7200(CN)， S71200, S7300， S7400， 工業(yè)網(wǎng)絡(luò) ， HMI 人機界面，工業(yè)軟件 等。 S7 系列 PLC 產(chǎn)品可分為微型 PLC（種單獨 的模塊之間可進行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。 SIMATIC 人機界面（ HMI）從 S7300 中取得數(shù)據(jù)，S7300 按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。 PLC 設(shè)有操作方式選擇開關(guān)，操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時，就 S7400 PLC 采用模塊化無風(fēng)扇的設(shè)計，可靠耐用，同時可以選用多種級別（功能逐步升級）的 CPU，并配有多種 通用功能的模板，這使用戶能基于組態(tài)的 PLC 液位控制系統(tǒng)設(shè)計 13 根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。 系統(tǒng) 中 我們選用 SIMATIC S7200 系列 PLC。 SIMATIC S7200 CPU 單元 集成的 24V 負(fù)載電源：可直接連接到傳感器和變送器（執(zhí)行器）， CPU 221，222 具有 180mA 輸出， CPU 224， CPU 224XP， CPU 226 分別輸出 280， 400mA。 ： CPU 221~226 各有 2 種類型 CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。 /輸出點 ： CPU 224XP 具有 2 個輸 入點， 1 個輸出點。 ： A) CPU 221/222 4 個高速計數(shù)器（ 30KHz），可編程并具有復(fù)位輸入， 2 個獨立的輸入端可同時作加、減計數(shù)，可連接兩個相位差為 90176。 C