基于PLC的變壓器油監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(阿蘭)

1、基于PLC的變壓器油監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)ALan摘要溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中，溫度控制占有著極為重要的地位，對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。溫度控制系統(tǒng)的工藝過程復(fù)雜多變，其有不確定性，因此對(duì)系統(tǒng)要求更為先進(jìn)的控制技術(shù)和控制理論。可編程控制器(PLC)可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是繼承計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)裝置。它其有抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜，可靠性強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，易學(xué)易用等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在

2、工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛地使用。本設(shè)計(jì)針對(duì)某變壓器生產(chǎn)廠商的變壓器油在注入、凈油、儲(chǔ)存等工藝進(jìn)行研究，選用西門子S7-300PLC為核心控制器，運(yùn)用Profi-bus-DP總線搭建了分布式I/O控制網(wǎng)絡(luò)，以MCGS軟件作為上位機(jī)開發(fā)軟件設(shè)計(jì)了操作界面，對(duì)凈油工藝進(jìn)行改進(jìn)并采用MCGS與PID并行控制策略對(duì)凈油溫度控制進(jìn)行優(yōu)化，提高了凈油效率，能耗比原來降低近40；使油品管理與使用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，很好地滿足了變壓器生產(chǎn)企業(yè)需求。關(guān)鍵詞：變壓器油；西門子PLC ；Profi-bus-工業(yè)；CMAC目錄第1章 概述31.1變壓器油在線監(jiān)測(cè)的意義31.2變壓器油在線監(jiān)測(cè)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀4第2章 控制系統(tǒng)總

3、體設(shè)計(jì)62.1 系統(tǒng)功能62.2檢測(cè)裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)7第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)93.1 可編程控制器93.2 PLC的系統(tǒng)組成與工作原理103.3 系統(tǒng)模塊的選擇163.4 硬件接線圖23第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)254.1 流程圖設(shè)計(jì)254.2 控制程序的組成274.3 PID控制程序設(shè)計(jì)31第5章 控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)425.1 MCGS介紹425.2 MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)465.3 凈油機(jī)油溫控制設(shè)計(jì)475.4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析49第6章 總結(jié)體會(huì)51參考文獻(xiàn)52致謝53第1章 概述1.1變壓器油在線監(jiān)測(cè)的意義 隨著電力需求的迅猛增大以及電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，對(duì)電力設(shè)備的常規(guī)測(cè)試、綜合分析、及時(shí)消除一些設(shè)備的絕

4、緣隱患提出了越來越高的要求。變壓器作為電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和診斷其是否有故障發(fā)生，對(duì)于提高電力系統(tǒng)的安全可靠性至關(guān)重要。變壓器生產(chǎn)廠家需要儲(chǔ)存大量變壓器油用于成品變壓器出廠時(shí)注入以及試驗(yàn)變壓器性能時(shí)使用，變壓器油在儲(chǔ)存過程中以及變壓器運(yùn)行性能試驗(yàn)后均需對(duì)油品進(jìn)行檢測(cè)，一旦檢測(cè)出油品某項(xiàng)指標(biāo)不合格就必須經(jīng)凈油機(jī)重新凈化并檢測(cè)合格后再儲(chǔ)存使用。而高真空凈油機(jī)在凈油過程中的溫度控制采用智能儀表進(jìn)行傳統(tǒng)PID控制，由于其溫度具有大慣性、大延遲的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)PID控制精度不高，超調(diào)嚴(yán)重，參數(shù)不易設(shè)置等缺點(diǎn)，導(dǎo)致凈油效率低。木文設(shè)計(jì)了以西門子300PLC為核心控制器的PLC控制系統(tǒng)，在改

5、進(jìn)凈油工藝的基礎(chǔ)上采用小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CMAC (Ccrcbcllar Model Articula-lion Controller)與PID并行控制策略對(duì)凈油機(jī)油溫控制進(jìn)行優(yōu)化，由PC機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法，得到的控制量下傳到PLC控制系統(tǒng)，通過PLC完成現(xiàn)場(chǎng)控制功能萬。采用先進(jìn)算法使得凈油過程油溫控制輸出誤差小，超調(diào)趨于零，提高了凈油效率，降低能耗近40%。 電力變壓器是電力系統(tǒng)中最重要和最昂貴的設(shè)備之一，是保證整個(gè)電力系統(tǒng)可靠供電的基礎(chǔ)。電力變壓器的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，尤其是當(dāng)下電力系統(tǒng)向超高壓、大電網(wǎng)、大容量、自動(dòng)化方向決速發(fā)展，變壓器的工作故障對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響和危

6、害也是與日俱增。本課題以初步探索變壓器等電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方便可行的技術(shù)，并在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，分析和預(yù)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)，判斷設(shè)備異常或者預(yù)判設(shè)備故障的智能診斷系統(tǒng)為目標(biāo)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的多種方法，既提高了變電站運(yùn)行的管理水平，又可以從預(yù)防性維修制過渡到預(yù)知性維修奠定基礎(chǔ)。因此，變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。1.2變壓器油在線監(jiān)測(cè)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀自二十世紀(jì)80年代以來，我國的變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。各個(gè)單位相繼研制了不同類型的監(jiān)測(cè)裝置。電力科學(xué)研究院和西安交通大學(xué)最開始結(jié)合油中氣體分析開展了用于絕緣診斷的專家系統(tǒng)的研

7、究工作。另外重慶大學(xué)也研制了電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)和變壓器油中色譜在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器油中六種溶解氣體實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。中科院研制的油中氫氣在線監(jiān)測(cè)裝置能實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油中氫氣含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。解放軍后勤工程學(xué)院和大連理工大學(xué)研制的微水在線檢測(cè)系統(tǒng)能對(duì)絕緣材料中的水分含量進(jìn)行在線檢測(cè)。寧波理工監(jiān)測(cè)設(shè)備有限公司開發(fā)MGA20OO-6系列變壓器色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用納米晶半導(dǎo)體檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)六組分溶解氣體、總烴含量和微水含量的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。國外對(duì)于變壓器油的研究始于二十世紀(jì)60年代初，美國開始使用可燃?xì)怏w總量(TCG)檢測(cè)裝置，來測(cè)定變壓器儲(chǔ)油柜油面以上的自由氣體，以判斷變壓

8、器的絕緣狀態(tài)。其后日本等國研究使用氣相色譜儀分析自由氣體同時(shí)分析油中溶解氣體，便于發(fā)現(xiàn)早期故障。目前加拿大SYPROTEC公司的HYDRAN系列監(jiān)測(cè)設(shè)備在國內(nèi)外擁有廣泛的市場(chǎng)。日本三菱公司、英國TROLX公司、愛爾蘭的PANAMETRIC公司等采用催化燃燒結(jié)型傳感器或氫燃料電池型可燃?xì)怏w傳感器開發(fā)了各式各樣的變壓器在線監(jiān)測(cè)診斷裝置，到2000年加拿大加創(chuàng)集團(tuán)公司開發(fā)的201-6型六組分在線檢測(cè)系統(tǒng)用于變壓器的故障監(jiān)控。變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)診斷裝置檢測(cè)六種溶解氣體組分(H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO)已經(jīng)成為了業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格要求，所不同的是各個(gè)產(chǎn)品對(duì)六種組分氣體檢測(cè)的原理及

9、精度和監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性的差別。第2章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)功能 由于廠家油品儲(chǔ)存系統(tǒng)總體相對(duì)集中分布在4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域相隔較遠(yuǎn)，故采用控制能力較強(qiáng)的西門子S7 - 300PLC搭建PROFIBUS - DP總線式控制網(wǎng)絡(luò)，（PROFIBUS-DP總線電纜就是連接現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的通信介質(zhì)。PROFIBUS主要應(yīng)用在工業(yè)控制中，也用于汽車各傳感器之間的通訊。其主要作用是監(jiān)控與控制。）3個(gè)ET200M構(gòu)成分布式l/O控制系統(tǒng)。主站CPU掛載的擴(kuò)展模塊主要控制變壓器靜壓測(cè)試系統(tǒng)、進(jìn)油系統(tǒng);1號(hào)從站主要控制2臺(tái)凈油機(jī)凈油操作，并通過溫度傳感器采集溫度信號(hào)經(jīng)DP總線傳輸至上位機(jī)，由上位機(jī)采用CMAC與P

10、ID并行控制策略輸出控制信號(hào)經(jīng)PLC對(duì)三相調(diào)壓模塊進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)電加熱元件對(duì)進(jìn)入凈油機(jī)的變壓器油溫度進(jìn)行控制;2號(hào)從站主要控制各油罐存放區(qū)中的油泵啟停以及試驗(yàn)注油時(shí)的定速注油系統(tǒng);3號(hào)從站主要采集各儲(chǔ)油罐中的液位信息，控制電磁閥控制的氣動(dòng)閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等閥門的動(dòng)作。控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2.2檢測(cè)裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu) 檢測(cè)裝置主要為油溫檢測(cè)裝置、超聲波液位檢測(cè)裝置、帶脈沖輸出的高精度流量計(jì)。根據(jù)廠家要求凈油過程中凈油機(jī)入口油溫需要控制在55度左右，傳統(tǒng)熱電偶的測(cè)量范圍為一200度1300度，一般測(cè)量精度在1%2%之間，而pt100熱電阻測(cè)量范圍為-200度50

11、0度。測(cè)量精度在0.2%0.3%之間，測(cè)量中低溫時(shí)精度高，穩(wěn)定性好，故溫度變送器采用華泰坤源生產(chǎn)的pt100 HTWD型熱電阻變送器，輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào);液位變送器通常分為接觸式和非接觸式兩種，考慮到變壓器油的特殊性采用格日儀表A22型智能非接觸式超聲波液位變送器作為檢測(cè)裝置，輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào);流量計(jì)采用寧遠(yuǎn)環(huán)球產(chǎn)的高精度帶脈沖輸出的渦輪流量計(jì)，因試驗(yàn)注油系統(tǒng)需要定速6噸/小時(shí)注油，并且廠家需要累積流量信息，采用帶脈沖輸出的流量計(jì)，配合PLC中的高速計(jì)數(shù)模塊便于計(jì)算出瞬時(shí)流量與累積流量信息執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要為三相調(diào)壓模塊控制的電加熱元件、油泵電機(jī)、氣動(dòng)閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。三相調(diào)壓模塊采用

12、晶谷電子生產(chǎn)的JG-TH3P150Y型固態(tài)調(diào)壓器，該調(diào)壓器具有輸入調(diào)節(jié)范圍寬、輸出調(diào)節(jié)精度高、三相對(duì)稱性好、抗干擾能力強(qiáng)、輸入輸出全隔離設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，采用低功率密度管式加熱元件，對(duì)油薄膜化效果提高明顯。 由此系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由控制部分，電源部分，按鍵部分，溫度測(cè)量部分，顯示部分，測(cè)壓裝置，狀態(tài)指示燈部分，水泵部分，報(bào)警部分等組成?；窘M成框圖如圖2.2所示。圖2.2 系統(tǒng)模塊框圖根據(jù)變壓器油監(jiān)控系統(tǒng)功能可知，控制器主要用于對(duì)按鍵信號(hào)和溫度檢測(cè)信號(hào)的接收和處理，控制顯示部分，狀態(tài)指示燈部分，水泵部分，報(bào)警部分等。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 可編程控制器1.PLC概述可編程控制器（Programmabl

13、e Controller，簡(jiǎn)稱PC）是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上，為滿足不斷發(fā)展的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)柔性控制的要求而逐步發(fā)展起來的。其功能基本限于開關(guān)量邏輯控制，僅執(zhí)行邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能所以當(dāng)時(shí)稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC）。由于可編程序控制器仍然處于不斷發(fā)展之中，因此對(duì)它下一個(gè)確切的定義是困難的。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，美國國際電工委員會(huì)(IEC)于1982年頒布了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案，1985年提交了第二版，1987年的第三版對(duì)可編程序控制器作了如下的定義“可編程序控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字

14、運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌湎嚓P(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按照易于與控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)?！?由此可見，可編程控制器是專門為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置?？傊?，可編程控制器也是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要

15、求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。3.2 PLC的系統(tǒng)組成與工作原理1. PLC的組成結(jié)構(gòu)PLC本質(zhì)上是一臺(tái)用于控制的專用計(jì)算機(jī)，因此它與一般的控制機(jī)在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性。PLC的主要特點(diǎn)是能力，也就是說，它的基本結(jié)構(gòu)主要是圍繞著適宜于過程控制的要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。整體式PLC是將中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。主機(jī)中，CPU是PLC的核心，I/O單元是連接CPU與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。組合式PLC將CPU單

16、元、輸入單元、輸出單元、智能I/O單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴(kuò)展底板。CPU底板與擴(kuò)展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10m。2. PLC的掃描工作原理 與微機(jī)等待命令的工作方式不同，PLC采用循環(huán)掃描的工作方式CPU從第一條指令開始按指令步序號(hào)作周期性的循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令,則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。 一個(gè)掃描周期主要分為三個(gè)階段： 1. 輸入刷新階段 2. 程序執(zhí)行階段 3.

17、輸出刷新階段 用戶輸出設(shè)備輸入端子輸入鎖存器輸入映象寄存器輸出映象寄存器輸出鎖存器輸出端子程序執(zhí)行用戶輸入設(shè)備寫讀讀輸入刷新 程序執(zhí)行輸出刷新一個(gè)掃描周期輸入刷新由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以亦將這兩個(gè)階段統(tǒng)稱為IO刷新階段。實(shí)際上，除了執(zhí)行程序和IO刷新外，PLC還要進(jìn)行各種錯(cuò)誤檢測(cè)(自診斷功能)并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務(wù)”。一般在程序執(zhí)行后進(jìn)行。 掃描周期的長短主要取決于程序的長短。 由于每一個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I0刷新，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象。這對(duì)于一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)不但不會(huì)造成影響，反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。但對(duì)于控制時(shí)間要求較嚴(yán)格、

18、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時(shí)采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯。目前的可編程控制器有以下幾個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)：(1)向小型化、專用化方向發(fā)展。當(dāng)前開發(fā)出許多簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)、超小型可編程控制器，以使用于單機(jī)控制和機(jī)電一體化，真正成為繼電器的替代品。(2)向大型化、復(fù)雜化、高功能、分散型、多層分布式工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。可編程控制器輸入輸出容量已超過32K，掃描速度小于1mS/千步。（3）編程語言和編程工具朝著標(biāo)準(zhǔn)化和高級(jí)化方向發(fā)展?？删幊炭刂破鲉柺罆r(shí)間雖然不長，但已步入成熟階段。這種工業(yè)專用微機(jī)系統(tǒng)是高精技術(shù)普及化的典范，使計(jì)算機(jī)進(jìn)入工業(yè)各行業(yè)，使機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)線控

19、制更新?lián)Q代?？删幊炭刂破鲗⒊蔀楣I(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)控制設(shè)備。3. PLC的優(yōu)勢(shì)PLC的主要優(yōu)點(diǎn)可概括如下:1)、高可靠性(1)所有的輸入接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。(2)各個(gè)輸入端口均采用RC濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為1020ms。(3)各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。(4)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。(5)對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。(6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟、硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取有效措施，以防止故障擴(kuò)大。(7)大型PLC還可以采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或用三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠性更進(jìn)一步提高。2)、豐

20、富的I/O接口模塊PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如:交流或直流;開關(guān)量或模擬量;電壓或電流;脈沖或電位;強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如:按鈕;行程開關(guān);接近開關(guān);傳感器及變送器;電磁線圈;控制閥等直接連接。另外，為了提高操作性能，它還有多種人機(jī)對(duì)話的接口模塊;為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。3)、采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4)、編程簡(jiǎn)單易

21、學(xué)PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5)、安裝簡(jiǎn)單，維修方便PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。4. PLC類型的選擇 西門子S7-300PLC是模擬式中小型PLC，電源、CPU和其他模塊都是獨(dú)立的，可以通過U形總線把電源（PS）、CPU和其他模塊緊

22、密固定在西門子S7-300的標(biāo)準(zhǔn)軌道上。每個(gè)模塊都有一個(gè)總線連接器，后者插在各模塊的背后。電源模塊總是安裝在機(jī)架的最左邊，CPU模塊緊靠電源模塊。CPU的右邊是可以選擇的IM接口模塊，如果只用主架導(dǎo)軌而沒有使用擴(kuò)展支架可以不選擇IM接口模塊。S7編程軟件組態(tài)主架導(dǎo)軌硬件時(shí)，電源，CPU和IM分別放在導(dǎo)軌的1號(hào)槽、2號(hào)槽和3號(hào)槽上。一條導(dǎo)軌共有11個(gè)槽號(hào)：1號(hào)槽至11號(hào)槽，其中4號(hào)槽至11號(hào)槽可以隨意放置除電源、CPU和IM以外的其他模塊。如：DI（數(shù)字量輸入）、DO（數(shù)字量輸出）、AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）、FM（功能模塊）和CP（通信模塊）等。S7-300CPU模塊CPU模塊是控

23、制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的中央控制責(zé)任，存儲(chǔ)并執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)通信功能，為U形總線提高5V電源。CPU有4種操作模式：STOP（停機(jī)），STARTUP（啟動(dòng)），RUN（運(yùn)行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通過MPI接口與其他設(shè)備通信。S7-300的CPU模塊大致可以分為以下幾類：1)、6種緊湊型CPU，帶有集成的功能和I/O：CPU312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。2)、革新的標(biāo)準(zhǔn)型CPU：CPU312、314和315-2DP。3)、5種標(biāo)準(zhǔn)的CPU：CPU313、314、315、315-2DP和316-2DP。4)、戶外型CP

24、U：CPU312IFM、314IFM、314戶外型和315-2DP。5）、大容量高端型CPU：317-2DP和CPU318-2DP。6）、主從接口安全型CPU：CPU315F-2DP3。 S7-300在生產(chǎn)過程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用PLC來測(cè)量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量物體的成分和頻率等。有的是強(qiáng)電量，例如發(fā)電機(jī)組的電流、電壓、有功功率和無功功率等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的量程的直流電流和直流電壓信號(hào)，例如DC15V和DC420mA。模擬量輸入模塊用于將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)，其主要組成部分是A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入模塊的輸

25、入信號(hào)一般都是模擬量變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電壓，直流電流信號(hào)。模擬量輸入/輸出模塊中模擬量對(duì)應(yīng)的數(shù)字稱為模擬值，模擬值用16位二進(jìn)制補(bǔ)碼來表示最高位為符號(hào)位。模擬量輸入模塊的模擬值與百分?jǐn)?shù)表示的模擬量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：雙極性模擬量量程的上下限(100%和-100%)分別對(duì)應(yīng)模擬值27648和-27648。單極性模擬量量程的上下限(100%和0%)分別對(duì)應(yīng)于模擬值27648和03.3 系統(tǒng)模塊的選擇 主控制器采用CPU325-2DP，最大I/O點(diǎn)數(shù)支持65536點(diǎn)，最大模擬量輸出點(diǎn)數(shù)支持4096點(diǎn);因部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較大配備2MB存儲(chǔ)卡，檢測(cè)液位信息的模擬量輸入模塊采用SM235 ,控制變

26、頻器模擬量輸出采用SM235模塊;高速計(jì)數(shù)器采用8通道FM350 - 2模塊，單通道輸入頻率最高可達(dá)20 KHz。從站洗用IM153一1掛載分布式1/O接口模塊。1.控制器模塊 對(duì)控制器的選擇有以下二種方案：方案一：采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是單片機(jī)的缺點(diǎn)是對(duì)于環(huán)境的要求過高。方案二：利用PLC作為控制器模塊。PLC擁有對(duì)于開關(guān)量的邏輯控制、模擬量的控制、運(yùn)動(dòng)的控制、過程的控制等各種控制功能，并且PLC擁有數(shù)據(jù)處理、通信及聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。并且PLC可靠性高，易操作，靈活

27、性高，而且PLC對(duì)于環(huán)境的要求相對(duì)較低。由此我們可以了解采用PLC控制實(shí)現(xiàn)按鍵信號(hào)和溫度檢測(cè)信號(hào)的接收和處理，控制顯示部分，加熱裝置，狀態(tài)指示燈部分，水泵部分，報(bào)警部分等，將是我們最優(yōu)的選擇。2.電源模塊對(duì)于供PLC的工作電壓一般為DC24V,電源電壓有DC24V的,也有AC220V的。市電來源方便，且經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓也較可靠，較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，所以選擇AC220V。3.溫度采集模塊溫度信號(hào)為模擬信號(hào)，本設(shè)計(jì)要對(duì)溫度進(jìn)行控制和顯示，所以要把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。該溫度采集模塊有以下二種方案：方案一：采用熱電阻傳感器。熱電阻材料特性:導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變，通過測(cè)量其阻值推算出被測(cè)物體的溫度，利用此原

28、理構(gòu)成的傳感器就是電阻溫度傳感器，這種傳感器主要用于-200500溫度范圍內(nèi)的溫度測(cè)量。純金屬是熱電阻的主要制造材料，熱電阻的材料應(yīng)具有以下特性： 電阻溫度系數(shù)要大而且穩(wěn)定，電阻值與溫度之間應(yīng)具有良好的線性關(guān)系。 電阻率高，熱容量小，反應(yīng)速度快。 材料的復(fù)現(xiàn)性和工藝性好，價(jià)格低。 熱敏電阻溫度特性 在測(cè)溫范圍內(nèi)化學(xué)物理特性穩(wěn)定。方案二：集成測(cè)溫傳感器。集成電路溫度傳感器的輸出阻抗較低，功耗也較低；熱敏電阻器通過消耗電受溫度，功耗較高。而且，長時(shí)間感受溫度使熱敏電阻器本身的溫度也升高，測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性降低?；谝陨戏治鏊赃x擇方案一。pt100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的

29、阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)PT100溫度為0時(shí)它的阻值為100歐姆，在100時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻速增長的。電阻式溫度檢測(cè)器是一種物質(zhì)材料組成的電阻，它會(huì)隨溫度升高而改變電阻值，如果它隨溫度的上升而電阻值也跟著上升就稱為正電阻系數(shù)，如果它隨溫度上升反而下降就稱為負(fù)電阻系數(shù)。大部分電阻式溫度檢測(cè)器是以金屬做成的，其中以白金做成的電阻式溫度檢測(cè)器，最為穩(wěn)定、耐酸、不會(huì)變質(zhì)、相當(dāng)線性等等，最受工業(yè)界采用。 PT-100溫度傳感器是一種以白金做成的電阻式溫度檢測(cè)器，屬于正電阻系數(shù)，在電阻和溫度變化的關(guān)系式

30、如下：R=Ro(1+aT)其中a=0.00392，Ro為100歐姆，T為攝氏溫度因此白金做成的電阻式溫度檢測(cè)器，又稱為PT-100。1：Vo=2.55mA*100(1+0.00392T)=0.225+T/1000。2：量測(cè)Vo時(shí)，不可分出任何電流，否則量測(cè)值會(huì)不準(zhǔn)。電路分析由于一般電源供應(yīng)較多零件之后，電源是帶雜訊的，因此我們使用齊納二極體作為穩(wěn)壓零件，由于7.2齊納二極體的作用，使得1K電阻和5K可變電阻之電壓和為6.5V，靠5K可變電阻的調(diào)整可決定電晶體的射極電流，而我們必須將集極電流調(diào)為2.55mA使得量測(cè)電壓V如箭頭所示為2.55+T/1000。其后的非反向放大器，輸入電阻幾乎無限大，

31、幾乎同時(shí)又放大10倍，使得運(yùn)算放大器輸出位2.55+T/100。6V齊納二極體的作用如7.2V齊納二極體的作用，我們利用它調(diào)出2.55V，因此電壓追隨器的輸出電壓V1亦為2.55V。其后差動(dòng)放大器之輸出為Vo=10（V2-V1）=10（2.55+T/100-2.55）=T/10，如果現(xiàn)在溫室為25C，則輸出電壓為2.5V。 4.報(bào)警模塊按照設(shè)計(jì)需求，當(dāng)變壓器油的溫度超過或者低于設(shè)定溫度就要報(bào)警，報(bào)警設(shè)施使用蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。之所以選用蜂鳴器，

32、是因?yàn)槁曇魣?bào)警的方式比較直觀地提醒用戶溫度已達(dá)到設(shè)定的溫度，蜂鳴器價(jià)格低廉，硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并且只需要簡(jiǎn)單的編程就可以實(shí)現(xiàn)其報(bào)警功能。5.傳感器模塊熱電偶是一種感溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、答應(yīng)誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、

33、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。6.EM 235模擬量輸入模塊EM 235模塊是組合強(qiáng)功率精密線性電流互感器、意法半導(dǎo)體（ST）單片集成變送器ASIC芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊，它可以直接將被測(cè)主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC420mA（通過250電阻轉(zhuǎn)換DC 15V或通過500電阻 轉(zhuǎn)換DC210V）恒流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，連續(xù)輸送到接收裝置（計(jì)算機(jī)或顯示儀表）。表3-1所示為如何用DIP開關(guān)設(shè)置EM 235模塊。開關(guān)1到6可選擇模擬量輸入范圍和分辨率。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍和格式。表3-1 EM 235選擇模擬量輸入范圍和分辨率的開關(guān)表單極

34、性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0到100mV25VONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mVEM235是最常用的模擬量擴(kuò)展模塊，它實(shí)現(xiàn)了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。模擬量擴(kuò)展塊提供了模擬量輸入/輸出的功能，使用與復(fù)雜的控制現(xiàn)場(chǎng)和直接與傳感器執(zhí)行器相連接，具有12位的分辨率和多

35、種輸入/輸出范圍，并且EM235模塊可直接與PT-100熱電阻相連。EM235模塊是組合強(qiáng)功率精密線性電流互感器、意法半導(dǎo)體（ST）單片集成變送器ASIC芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊，它可以直接將被測(cè)主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC4-20mA恒流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，連續(xù)輸送到接收裝置。下面以EM235為例講解模擬量擴(kuò)展模塊接線圖，如圖3.1。 圖3.1 EM235示意圖圖3.1演示了模擬量擴(kuò)展模塊的接線方法，對(duì)于電壓信號(hào)，按正、負(fù)極直接接入X和X；對(duì)于電流信號(hào)，將RX和X短接后接入電流輸入信號(hào)的“”端；未連接傳感器的通道要將X和X短接。對(duì)于某一模塊，只能將輸入端同時(shí)設(shè)置為一種量程

36、和格式，即相同的輸入量程和分辨率。3.4 硬件接線圖硬件接線圖和EM 235 CN連接圖分別如圖3.2，3.3所示： 圖3.2 硬件連接圖圖3.3 EM 235 CN連接圖第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 流程圖設(shè)計(jì) 流程圖有時(shí)也稱作輸入-輸出圖。該圖直觀地描述一個(gè)工作過程的具體步驟。流程圖對(duì)準(zhǔn)確了解事情是如何進(jìn)行的，以及決定應(yīng)如何改進(jìn)過程極有幫助。這一方法可以用于整個(gè)企業(yè)，以便直觀地跟蹤和圖解企業(yè)的運(yùn)作方式。 流程圖使用一些標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)代表某些類型的動(dòng)作，如決策用菱形框表示，具體活動(dòng)用方框表示。但比這些符號(hào)規(guī)定更重要的，是必須清楚地描述工作過程的順序。流程圖也可用于設(shè)計(jì)改進(jìn)工作過程，具體做法是先畫出事

37、情應(yīng)該怎么做，再將其與實(shí)際情況進(jìn)行比較。1. 控制系統(tǒng)子程序流程圖設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)子程序流程圖4.1所示：運(yùn)行PLC初始化PID初始化運(yùn)行指示燈調(diào)用子程序0設(shè)定溫度設(shè)定PID值 調(diào)用中斷程序讀入溫度并轉(zhuǎn)換把實(shí)際溫度值放入VD100調(diào)用PID指令輸出PID值返回子程序子程序0中斷程序圖4.1 控制系統(tǒng)子程序流程圖2. 系統(tǒng)主流程圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)主流程圖如圖4.2所示：圖4.2 系統(tǒng)主流程圖4.2 控制程序的組成控制程序主要由溫度采集程序、數(shù)據(jù)濾波程序、PID控制程序組成，溫度采集程序的作用是將溫度值轉(zhuǎn)換成PLC能夠識(shí)別的數(shù)值。數(shù)據(jù)濾波程序是為了消除干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在PID控制前，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行

38、處理，這樣是為了避免由于外部的干擾而導(dǎo)致PID運(yùn)算出錯(cuò)。因此，濾波程序是非常的重要的。1） 溫度采集程序設(shè)計(jì) 溫度采集梯形圖如圖4.4所示：圖 4.4 溫度采梯形圖溫度采集程序，由于溫度變送器送出的是4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，信號(hào)采集模塊將采集到的電流轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)過后，再通過一系列的數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，使得采集到的數(shù)據(jù)變成標(biāo)準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)，方便識(shí)別。同時(shí)采集到的數(shù)值也需要轉(zhuǎn)化成PLC的PID運(yùn)算要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型。爐溫實(shí)際溫度的檢測(cè)是要將溫度量轉(zhuǎn)化為PLC可識(shí)別的量，所以，將溫度變送器輸出的值先由16位的整型轉(zhuǎn)化為32位的雙整型，再由雙整型轉(zhuǎn)化為實(shí)型，實(shí)型小數(shù)點(diǎn)后可有6位，故比較精確。此時(shí)得

39、到測(cè)得溫度值在PLC中計(jì)算所對(duì)應(yīng)的數(shù)，將該數(shù)送入變量寄存器VD296。2）數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì) 數(shù)字濾波梯形圖如圖4.5所示：圖4.5 數(shù)字濾波梯形圖數(shù)字濾波梯形圖的程序是將每次采集到的值進(jìn)行累加，將累加后得到的值存入VD300中，進(jìn)行累加后就將得到所采集到的溫度值的總和。每次采集十組數(shù)據(jù)。下圖各個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同的功能，分別如下所示：圖4.6 網(wǎng)絡(luò)二網(wǎng)絡(luò)二是找出最大值和最小值。圖4.7 網(wǎng)絡(luò)三網(wǎng)絡(luò)三是將VB0寄存器中的數(shù)據(jù)清零。圖4.8 網(wǎng)絡(luò)四網(wǎng)絡(luò)四是將最大值和最小值從所求的總和中減去，從而實(shí)現(xiàn)，減去一個(gè)最大值和減去一個(gè)最小值，達(dá)到限幅的作用。圖4.9 網(wǎng)絡(luò)五網(wǎng)絡(luò)五是將剩下的總和求平均，從而得到設(shè)計(jì)

40、中想的到的溫度值。圖4.10 網(wǎng)絡(luò)六網(wǎng)絡(luò)六的作用是將所有使用過的寄存器初始化。數(shù)據(jù)濾波的方法有很多種，其中軟件濾波的方法包括：限幅濾波、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法（又稱滑動(dòng)平均濾波法）、中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法）、限幅平均濾波法、一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖濾波法、限幅消抖濾波法。整體思想是，將十次采集到的數(shù)據(jù)，先去掉一個(gè)最大值，然后去掉一個(gè)最小值，然后將剩下的8個(gè)數(shù)求和取平均值。4.3 PID控制程序設(shè)計(jì) 1. PID模塊介紹 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今

41、已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp， Ti和Td）即可。在很多情況下，并不一定

42、需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。 首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時(shí)變的，但通過對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。 其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。 第三，PID控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)。PID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出對(duì)廣義被控對(duì)象的控制量。圖4.11是常規(guī)P

43、ID控制系統(tǒng)的原理圖圖4.11 PID控制系統(tǒng)的原理圖2. PID控制程序設(shè)計(jì)模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是PID控制，PID在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有60多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。人們?cè)趹?yīng)用的過程中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)，PID的研究已經(jīng)到達(dá)一個(gè)比較高的程度。比例控制(P)是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。其特點(diǎn)是具有快速反應(yīng)，控制及時(shí)，但不能消除余差。在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點(diǎn)，不能快速對(duì)誤差進(jìn)行有效的控制。在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。微分控

44、制具有超前作用，它能猜測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。避免較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的長處和缺點(diǎn)，它們一起使用的時(shí)候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量。數(shù)字PID控制器控制參數(shù)的選擇，可按連續(xù)時(shí)間PID參數(shù)整定方法進(jìn)行。在選擇數(shù)字PID參數(shù)之前，首先應(yīng)該確定控制器的結(jié)構(gòu)。對(duì)允許有靜差的系統(tǒng)，可以適當(dāng)選擇P或PD控制器。一般來說，PI、PID和P控制器應(yīng)用較多。對(duì)于有滯后的對(duì)象，往往都加入微分控制?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)確定后，既可以開始選擇參數(shù)。參數(shù)的選擇要根據(jù)受控對(duì)象的具體特性和對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行。工程上，一般要求整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，對(duì)給

45、定量的變化能迅速響應(yīng)并平滑跟蹤，超調(diào)量?。辉诓煌蓴_作用下，能保證被控量在給定值；當(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)能保持穩(wěn)定等等。這些要求對(duì)控制系統(tǒng)自身性能來說，有些矛盾的。我們必須滿足主要的方面的要求，兼顧其他方面適當(dāng)?shù)恼壑小?.PID控制算法圖4.12 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3.1所示，PID控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系: 控制器的輸出為： -PID回路輸出-比例系數(shù)P-積分系數(shù)I-微分系數(shù)DPID調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)為 數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對(duì)偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)輸出值。其離散化的規(guī)律如表4-1所示：表4-1 模擬與離散形式

46、模擬形式離散化形式所以PID輸出經(jīng)過離散化后，它的輸出方程為: 式中， 稱為比例項(xiàng) 稱為積分項(xiàng) 稱為微分項(xiàng)上式中，積分項(xiàng)是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值。計(jì)算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的PID指令實(shí)現(xiàn)位置式PID控制算法量。根據(jù)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性和控制要求的不同，上式中還可以只包含比例和積分的PI調(diào)節(jié)或者只包含比例微分的PD調(diào)節(jié)。下面主要討論P(yáng)ID控制的特點(diǎn)及其對(duì)控制過程的影響、數(shù)字PID控制策略的實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)，以及數(shù)字PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制參數(shù)的整定等問題。在PID三種調(diào)節(jié)作用中，微分作用主

47、要用來減少超調(diào)量?？朔鹗?、加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度、減少超調(diào)時(shí)間，用來改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征。積分作用主要用來消除靜差、提高精度、減少超調(diào)時(shí)間，用來改善系統(tǒng)的靜態(tài)特征。比例作用可對(duì)偏差作出及時(shí)影響。若能將3種作用的強(qiáng)度做適合的調(diào)配，可以使PID速度加快、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。4. PID在PLC中的回路指令西門子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，見表3.2表3.2 PID回路指令名稱PID運(yùn)算指令格式PID指令表格式PID TBL,LOOP梯形圖使用方法：當(dāng)EN端口執(zhí)行條件存在時(shí)候，就可進(jìn)行PID運(yùn)算。指令的兩個(gè)操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的

48、是VB100，因?yàn)橐粋€(gè)PID回路占用了32個(gè)字節(jié)，所以VD100到VD132都被占用了。LOOP是回路號(hào)，可以是07，不可以重復(fù)使用。PID回路在PLC中的地址分配情況如表4-2所示。表4-2 PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據(jù)類型說明0過程變量（PVn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間4給定值（SPn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間8輸出值（Mn）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間12增益（Kc實(shí)數(shù)比例常數(shù)，可正可負(fù)16采樣時(shí)間（Ts）實(shí)數(shù)單位為s，必須是正數(shù)20采樣時(shí)間（Ti）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)24微分時(shí)間（Td）實(shí)數(shù)單位為min，必須是正數(shù)28積分項(xiàng)前值（MX）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間32過程變

49、量前值（PVn-1）實(shí)數(shù)必須在0.01.0之間5. 回路輸入輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法本文中，設(shè)定的溫度是給定值SP，需要控制的變量是爐子的溫度。但它不完全是過程變量PV，過程變量PV和PID回路輸出有關(guān)。在本文中，經(jīng)過測(cè)量的溫度信號(hào)被轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)溫度值才是過程變量，所以，這兩個(gè)數(shù)不在同一個(gè)數(shù)量值，需要他們作比較，那就必須先作一下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。傳感器輸入的電壓信號(hào)經(jīng)過EM235轉(zhuǎn)換后，是一個(gè)整數(shù)值，但PID指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)必須是實(shí)數(shù)型，所以需要把整數(shù)轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)。使用指令DTR就可以了。如本設(shè)計(jì)中，是從AIW0讀入溫度被傳感器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。其轉(zhuǎn)換程序如下:MOVW AIW0 AC0DTR AC0 AC

50、0MOVR AC0 VD1006. 實(shí)數(shù)歸一化處理因?yàn)镻ID中除了采樣時(shí)間和PID的三個(gè)參數(shù)外，其他幾個(gè)參數(shù)都要求輸入或輸出值0.01.0之間，所以，在執(zhí)行PID指令之前，必須把PV和SP的值作歸一化處理。使它們的值都在0.01.0之間。單極性的歸一化的公式： （7. PID參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被 控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行

51、調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng) 曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需 要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一

52、定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時(shí)間Ti和和微分時(shí)間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過理論計(jì)算來確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法，它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，利用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn)，其規(guī)律如表4-3所示表4-3 溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時(shí)間（分鐘）微分時(shí)間（分鐘）溫度滯后較大2

53、0603100.53根據(jù)反復(fù)的試湊，調(diào)處比較好的結(jié)果是P=15，I=2.0，D=0.5PID控制梯形圖如圖4.13所示：圖4.13 PID控制程序 PID控制程序在整個(gè)程序中是重要的組成部分，通過PID控制程序可以很好的控制加熱爐的工作狀態(tài)。PID控制程序在整個(gè)程序中是重要的組成部分，通過PID控制程序可以很好的控制加熱爐的工作狀態(tài)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。本設(shè)計(jì)采用的是閉環(huán)控制系統(tǒng)。比例增益、積分時(shí)間、比例時(shí)間，根據(jù)回路定義表的要求分別存到V

54、D332、VD340、VD344中。第 54 頁 共 54 頁第5章 控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)5.1 MCGS介紹 MCGS(Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，可運(yùn)行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系統(tǒng)。MCGS組態(tài)軟件包括三個(gè)版本，分別是網(wǎng)絡(luò)版、通用版、嵌入版。具有功能完善、操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。通過與

55、其他相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便的開發(fā)各種用于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。用戶只需要通過簡(jiǎn)單的模塊化組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù)據(jù)采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現(xiàn)場(chǎng)采集站、人機(jī)界面等專用設(shè)備。5.2 MCGS的基本功能（1）簡(jiǎn)單的可視化操作界面 MCGS采用全中文、可視化、面向窗口的開發(fā)界面，以窗口為單位，構(gòu)造用戶運(yùn)行系統(tǒng)的圖形界面，使得MCGS的組態(tài)工作既簡(jiǎn)單直觀，又靈活多變符合中國人的使用習(xí)慣和要求。用戶可以使用系統(tǒng)的默認(rèn)構(gòu)架，也可以根據(jù)自己的需要自己組態(tài)配置圖形界面，生成各種類型和風(fēng)格的圖形界面，包括DOS風(fēng)格和標(biāo)準(zhǔn)Windows風(fēng)格的圖形界面并且?guī)в袆?dòng)畫效果的工具條和狀態(tài)條等。（2）實(shí)時(shí)性強(qiáng)、良好的并行處理性能 MCGS是真正的32位系統(tǒng)充