畢業(yè)設(shè)計（論文）_基于PLC的水塔水位PID控制系統(tǒng)設(shè)計

1、.水塔水位PID控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要供水是一個關(guān)系國計民生的重要產(chǎn)業(yè)。隨著社會的開展和人民生活水平的提高，對城市供水提出了更高的要求，有一個水箱需要維持一定的水位，該水塔里的水以變化的速度流出。這就需要有一個輸入控制液體閥以不同的速度給水塔供水，以維持水位的變化，這樣才能使水塔不斷水。研究設(shè)計的基于PLC控制的水塔水位PID供水系統(tǒng),以西門子公司的S7-200系列中PLC-CPU226為根底，結(jié)合模擬量模塊EM235、液位傳感器、輸入控制液壓閥、輸出控制液壓閥等，組成一個基于S7-200系列中PCL-CPU226的水塔水位控制系統(tǒng)，能完成邏輯控制、水位調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采樣等功能,實現(xiàn)對水塔的水位進(jìn)行控

2、制及檢測。在設(shè)計中大量運用PLC中PID來實現(xiàn)水塔水位的控制，為了精確地實現(xiàn)對水位的控制 ，建立成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了水塔中的進(jìn)、出水的水位自動控制。關(guān)鍵詞： 可編程控制器PLC，水塔水位，PID控制 Water TOWERS pid CONTROL SYSTEM DESIGNABSTRACTWater supply is an important industry of the peoples livelihood. With the social development and peoples living standards, urban water supply to a higher

3、 demand, there is a need to maintain a certain water tank water level, the water towers in order to change the speed of the outflow. This requires a liquid input control valve to the different speeds of water towers in order to maintain the water level changes, so that continuous water towers. In th

4、e system, only the use of proportion and integral control, the loop gain and time constant can be calculated through the preliminary engineering, but also the need for further adjustments to achieve optimal control. System startup, shut down the outlet for moving the liquid control valve control inp

5、ut, so that the water level reached 75% of full water level, and then open the outlet, while the liquid input control valve to switch from manual to automatic mode. This switch from a digital control input. The design of Siemens S7-200 series PLC-CPU226-based light simulation module E235, liquid lev

6、el sensors, type of hydraulic control valves, hydraulic valves, such as output control, based on the formation of a S7-200 series PCL -CPU226 water level control system of the towers, the water level of the towers to monitor and control. Keywords: Programmable Logic Controller PLC, Water Towers, PID

7、 Control目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232467823 前言 PAGEREF _Toc232467823 h 1 HYPERLINK l _Toc232467824 第1章 水塔水位自動控制系統(tǒng)的概述 PAGEREF _Toc232467824 h 2 HYPERLINK l _Toc232467825 1.1 水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與開展 PAGEREF _Toc232467825 h 2 HYPERLINK l _Toc232467826 1.2 水塔水位自動控制系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc232467826 h 2 HYPERLINK

8、l _Toc232467827 1.3 水位控制系統(tǒng)效率及運行模式分析 PAGEREF _Toc232467827 h 3 HYPERLINK l _Toc232467828 第2章 PLC結(jié)構(gòu)和工作原理 PAGEREF _Toc232467828 h 4 HYPERLINK l _Toc232467829 2.1 PLC組成與根本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc232467829 h 4 HYPERLINK l _Toc232467830 2.1.1 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc232467830 h 4 HYPERLINK l _Toc232467831 2.1.2 PLC的根

9、本工作原理 PAGEREF _Toc232467831 h 5 HYPERLINK l _Toc232467832 2.2 PLC的主要應(yīng)用 PAGEREF _Toc232467832 h 6 HYPERLINK l _Toc232467833 2.3 S7-200 系列可編程控制器 PAGEREF _Toc232467833 h 6 HYPERLINK l _Toc232467834 2.3.1 S7-200 PLC系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc232467834 h 7 HYPERLINK l _Toc232467835 2.3.1 S7-200系列PLC元件功能 PAGEREF _T

10、oc232467835 h 7 HYPERLINK l _Toc232467836 2.4 PID控制器簡介 PAGEREF _Toc232467836 h 9 HYPERLINK l _Toc232467837 2.4.1 PID控制器的結(jié)構(gòu)及原理 PAGEREF _Toc232467837 h 9 HYPERLINK l _Toc232467838 2.4.2 數(shù)字式PID控制 PAGEREF _Toc232467838 h 10 HYPERLINK l _Toc232467839 2.4.3 數(shù)字式PID控制的實現(xiàn) PAGEREF _Toc232467839 h 12 HYPERLINK

11、 l _Toc232467840 第3章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計 PAGEREF _Toc232467840 h 14 HYPERLINK l _Toc232467841 3.1 系統(tǒng)的工作原理 PAGEREF _Toc232467841 h 14 HYPERLINK l _Toc232467842 3.1.1 設(shè)計分析 PAGEREF _Toc232467842 h 14 HYPERLINK l _Toc232467843 3.1.2 可行性試驗 PAGEREF _Toc232467843 h 15 HYPERLINK l _Toc232467844 3.1.3 可行性分析 PAGEREF

12、 _Toc232467844 h 16 HYPERLINK l _Toc232467845 3.2 水位閉環(huán)控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc232467845 h 16 HYPERLINK l _Toc232467846 3.2.1 PLC的選擇 PAGEREF _Toc232467846 h 17 HYPERLINK l _Toc232467847 3.2.2 供水的控制方法 PAGEREF _Toc232467847 h 18 HYPERLINK l _Toc232467848 第4章 PLC中PID控制器的實現(xiàn) PAGEREF _Toc232467848 h 20 HYPERLINK

13、l _Toc232467849 4.1 PID算法 PAGEREF _Toc232467849 h 20 HYPERLINK l _Toc232467850 4.2 PID應(yīng)用 PAGEREF _Toc232467850 h 21 HYPERLINK l _Toc232467851 4.3 PLC實現(xiàn)PID控制的方式 PAGEREF _Toc232467851 h 21 HYPERLINK l _Toc232467852 4.4 PLC PID控制器的實現(xiàn) PAGEREF _Toc232467852 h 22 HYPERLINK l _Toc232467853 4.5 PID指令及回路表 PA

14、GEREF _Toc232467853 h 24 HYPERLINK l _Toc232467854 第5章系統(tǒng)硬件開發(fā)設(shè)計 PAGEREF _Toc232467854 h 26 HYPERLINK l _Toc232467855 5.1 可編程控制器的選型 PAGEREF _Toc232467855 h 26 HYPERLINK l _Toc232467856 5.3 EM235模擬量模塊 PAGEREF _Toc232467856 h 28 HYPERLINK l _Toc232467857 5.3.1 EM235的安裝使用 PAGEREF _Toc232467857 h 29 HYPER

15、LINK l _Toc232467858 5.3.2 EM235的工作程序編制 PAGEREF _Toc232467858 h 29 HYPERLINK l _Toc232467859 5.4 硬件連接圖 PAGEREF _Toc232467859 h 30 HYPERLINK l _Toc232467860 5.5 控制系統(tǒng)I/O地址分配 PAGEREF _Toc232467860 h 30 HYPERLINK l _Toc232467861 第6章 系統(tǒng)軟件應(yīng)用設(shè)計 PAGEREF _Toc232467861 h 31 HYPERLINK l _Toc232467862 6.1 水位PID

16、控制的邏輯設(shè)計 PAGEREF _Toc232467862 h 31 HYPERLINK l _Toc232467863 6.2 梯形圖編程 PAGEREF _Toc232467863 h 35 HYPERLINK l _Toc232467864 6.3 控制程序 PAGEREF _Toc232467864 h 38 HYPERLINK l _Toc232467865 6.4 聯(lián)機 PAGEREF _Toc232467865 h 39 HYPERLINK l _Toc232467866 結(jié) 論 PAGEREF _Toc232467866 h 40 HYPERLINK l _Toc2324678

17、67 謝 辭 PAGEREF _Toc232467867 h 41 HYPERLINK l _Toc232467868 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc232467868 h 42 HYPERLINK l _Toc232467869 附錄 PAGEREF _Toc232467869 h 43 HYPERLINK l _Toc232467870 外文資料翻譯 PAGEREF _Toc232467870 h 46前言在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、液位、流量、和開關(guān)量等都是常用的主要被控參數(shù)。其中，水位控制越來越重要。在社會經(jīng)濟(jì)飛速開展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。

18、一旦斷了水，輕那么給人民生活帶來極大的不便，重那么可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的根底設(shè)施之一。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)提出的根本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為根本儲水設(shè)備，由一級或二級水泵從地下市政水管補給。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?？删幊炭刂破鱌LC是根據(jù)順序邏輯控制的需要而開展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。鑒于其種種優(yōu)點，目前水位控制的方式被PLC控制取代。同時，又有PID控制技術(shù)的開展，因此，如何建立一個可靠平

19、安、又易于維護(hù)的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。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(jìn)行自動控制。比方自動控制水塔、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進(jìn)水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的根本要求。因此如何設(shè)計一個精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。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。本論文側(cè)重介紹“水塔水位PID控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計及相關(guān)內(nèi)容，使水塔水塔維持一定的水位。通過對變頻器內(nèi)置PID模

20、塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳液位傳感器反響量，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。水位PID控制系統(tǒng)集PLC控制技術(shù)、PID技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)、測試技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)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。 第1章 水塔水位自動控制系統(tǒng)的概述1.1 水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與開展節(jié)能是我國社會經(jīng)濟(jì)能否保持可持續(xù)開展的一個重大問

21、題.水位控制廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與民用生活，其用電量大，是節(jié)能研究的主要內(nèi)容之一.對變頻調(diào)速水位控制系統(tǒng)的實際運行情況研究發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)在這方面普遍采用恒水位或恒壓力變頻調(diào)速PID控制技術(shù)，取得了一定的應(yīng)用效果.但由于這類控制系統(tǒng)無視了水泵-電機組效率，致使水泵-電機組經(jīng)常處于低效區(qū)運行圖1-1；另外，單目標(biāo)的恒水位或恒壓力控制不能保證電機經(jīng)常處于節(jié)能運行狀態(tài)以充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能成效，造成了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在實際運行中效率不高，節(jié)能效果未能充分表達(dá),這也是變頻調(diào)速控制技術(shù)多年來一直難以大規(guī)模采用的原委之一.水位控制類變頻調(diào)速效率優(yōu)化問題屬于一類復(fù)雜的多變量、離散性強的非線性系統(tǒng)控制問題，要

22、求控制 圖1-1 水塔水位控制系統(tǒng)模型系統(tǒng)在滿足用水要求的同時，又要實現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)，采用傳統(tǒng)的控制策略很難獲得簡便、實用的解決方法.本文結(jié)合水位控制類系統(tǒng)的特點，運用水位控制理論與最優(yōu)控制方法，以系統(tǒng)效率最大及滿足用水要求為目標(biāo)，設(shè)計一種水位控制以改善這類系統(tǒng)的控制策略與運行方式，同時給出采用PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)的此水位控制。1.2 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、上下位的水位檢測電路、上下水位信號傳送給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)控臺四局部組成。1.3 水位控制系統(tǒng)效率及運行模式分析水位控制系統(tǒng)的效率主要由水泵的效率、電動機的效率和

23、管道損失決定，本文主要研究水泵-電機組的效率問題.由于水位控制系統(tǒng)的非線性、滯后性與時變性，采用傳統(tǒng)的PID控制容易實現(xiàn)單目標(biāo)，即水位恒定或水泵-電機組高效運行，而無法兩者兼顧.為此引入模糊控制，使系統(tǒng)能夠最快地響應(yīng)用戶的用水要求并最大限度地工作在高效區(qū)，以期能充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能成效，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運行效率.在分析變頻調(diào)速水位控制的節(jié)能問題時，以不同轉(zhuǎn)速下提供相同容積圖1-2 控制系統(tǒng)框圖的水作比擬得出圖1-2：水泵消耗的軸功率與異步電動機轉(zhuǎn)速的三次方成正比，由此可知，水泵-電機組的效率與電機的轉(zhuǎn)速成反比；其次，結(jié)合水泵與電機的效率特性，為使系統(tǒng)經(jīng)常高效運行，不失一般性，設(shè)：水泵-電機組

24、的高效率區(qū)為異步電動機的轉(zhuǎn)速n=0.61.0n N(n N為電動機的額定轉(zhuǎn)速)；當(dāng)電機轉(zhuǎn)速n=0.8n N時，異步電動機的效率最正確.圖1給出了水位控制系統(tǒng)控制模型圖，H表示水位高度，依水位高度將水箱劃分為A、B、C三區(qū).A、C區(qū)分別為水位極高、極低區(qū)域，是高位、低位警戒區(qū)；B區(qū)為高效運行區(qū)，是系統(tǒng)經(jīng)常運行的區(qū)域.系統(tǒng)總的控制模式為：當(dāng)HA時，系統(tǒng)運行減機模式；當(dāng)HB時，系統(tǒng)運行節(jié)能模式；當(dāng)HC時，系統(tǒng)運行加機模式.系統(tǒng)效率Kn3dtn0.61.0n N系統(tǒng)節(jié)能模式是本文的研究重點，根據(jù)此圖可設(shè)計一個水位控制器，使變頻器的輸出頻率即電動機的轉(zhuǎn)速隨著水位的變化而自動改變，使系統(tǒng)能夠在最快地響應(yīng)用

25、戶用水要求的同時，在時間上最大限度地工作在高效區(qū)，這樣，系統(tǒng)運行的效率就可以提高，此時的系統(tǒng)工作于最正確狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，到達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定性與快速性的較好結(jié)合。第2章 PLC結(jié)構(gòu)和工作原理2.1 PLC組成與根本結(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。因此，PLC是一種工業(yè)控制用的專用計算機，它的實際組成與一般微型計算機系統(tǒng)根本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大局部組成。 2.1.1 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前P

26、LC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。主要包括CPU、存儲器RAM和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。圖2-3 PLC結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1所示。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)部存放器中，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(jìn)行各種控制。由此可見，PLC的根本結(jié)構(gòu)由

27、控制局部、輸入和輸出局部組成。2.1.2 PLC的根本工作原理由于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。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，假設(shè)有鍵按下或I/O變化，那么轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，假設(shè)無那么繼續(xù)掃描等待。PLC那么是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，那么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)束符號后返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。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

28、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。如圖1-2所示PLC的掃描工作過程。圖2-3 PLC的掃描工作過程2.2 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。2定時控制 PLC具有定時功能。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。它為用戶提供幾十個甚至上千個計

29、數(shù)器，其計數(shù)設(shè)定值的設(shè)定方式同計時器計時時間設(shè)定值一樣。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。4步進(jìn)順序控制 PLC具有步進(jìn)順序控制功能。在新一代的PLC中，還可以IEC規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)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。5PID控制 PLC具有PID控制功能。PLC可以接模擬量輸入和輸出模擬量信號。通常采用專門的PID控制模塊來實現(xiàn)。6數(shù)據(jù)處理 PLC具有數(shù)據(jù)處理能力。它能進(jìn)行自述運算數(shù)據(jù)比擬，數(shù)據(jù)傳送，數(shù)制轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)顯示和打印，數(shù)據(jù)通信等功能。新一代的大，中型PLC還能進(jìn)行函數(shù)運算，浮點運算等。7通信和聯(lián)網(wǎng)

30、新一代的PLC都具有通信功能。它既可以對遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行控制，又能實現(xiàn)PLC和PLC，PLC和計算機之間的通信。因此，可以方便地構(gòu)成“集中管理，分散控制的分布式控制系統(tǒng)。8PLC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。2.3 S7-200 系列可編程控制器 德國的西門子SIEMENS公司是歐洲最大的電子和電氣設(shè)備制造商，生產(chǎn)的SIMATIC可編程序控制器在歐洲處于領(lǐng)先地位。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)。 1979年微處理器技術(shù)被應(yīng)用到可編程序控制器中后，產(chǎn)生了SIMATIC S5系列，隨后在20世紀(jì)末又

31、推出了S7系列產(chǎn)品。2.3.1 S7-200 PLC系統(tǒng)組成 1CPU模塊 從CPU模塊的功能來看，SIMATIC S7-200系列小型可編程序控制器的開展，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(jìn)行擴(kuò)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。第二代產(chǎn)品其CPU模塊為CPU 22X，是在21世紀(jì)初投放市場的，速度快，具有較強的通信能力。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元：CPU 221，CPU 222、CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加擴(kuò)展模塊。2 輸入輸出擴(kuò)展模塊 設(shè)備連接

32、圖2-3 I/O擴(kuò)展示意圖2 最大I/O配置的預(yù)算 在進(jìn)行I/O擴(kuò)展時,各擴(kuò)展模塊在5VDC下所消耗的電流應(yīng)不大于CPU主機模板在5VDC下所能提供的最大擴(kuò)展電流. 各CPU在5VDC下所能提供的最大擴(kuò)展電流如表2-4所示。表2-4 CPU提供的最大擴(kuò)展電流2.3.1 S7-200系列PLC元件功能1. 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)類型S7-200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)型和實數(shù)型浮點數(shù)。布爾型數(shù)據(jù)指字節(jié)型無符號整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括16位符號整數(shù)INT和32位符號整數(shù)DINT。2. 編程元件 1 輸入映像存放器I輸入繼電器 輸入映像存放器的工作原理：輸入繼電器是PLC用來接收用戶設(shè)

33、備輸入信號的接口。PLC中的繼電器與繼電器控制系統(tǒng)中的繼電器有本質(zhì)性的差異，是軟繼電器，它實質(zhì)是存儲單元 輸入映像存放器的地址分配：S7-200輸入映像存放器區(qū)域有IB0IB15共16個字節(jié)的存儲單元。系統(tǒng)對輸入映像存放器是以字節(jié)8位為單位進(jìn)行地址分配的。 2 變量存儲器V 變量存儲器主要用于存儲變量?？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(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，變量存儲器會被經(jīng)常使用。變量存儲器可以是位尋址，也可按字節(jié)、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號范圍根據(jù)CPU的型號有所不同，CPU221/222為V0.0V2047.7共2KB存儲容量，CPU224/226為V0.0V5119.7共5K

34、B存儲容量 3 內(nèi)部標(biāo)志位存儲器中間繼電器M 內(nèi)部標(biāo)志位存儲器，用來保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)，其作用相當(dāng)于繼電器控制中的中間繼電器，內(nèi)部標(biāo)志位存儲器在PLC中沒有輸入/輸出端與之對應(yīng)，其線圈的通斷狀態(tài)只能在程序內(nèi)部用指令驅(qū)動，其觸點不能直接驅(qū)動外部負(fù)載，只能在程序內(nèi)部驅(qū)動輸出繼電器的線圈，再用輸出繼電器的觸點去驅(qū)動外部負(fù)載。 4 特殊標(biāo)志位存儲器SM PLC中還有假設(shè)干特殊標(biāo)志位存儲器, 特殊標(biāo)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(biāo)志位存儲器能以位、字節(jié)、字或雙字來存取。5 定時器T PLC所提供的定時器作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的時間繼電器。每個

35、定時器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點供編程使用。其設(shè)定時間由程序設(shè)置。 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)。計數(shù)器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點供編程使用，其設(shè)定值由程序賦予。 7 累加器AC 累加器是用來暫存數(shù)據(jù)的存放器，它可以用來存放運算數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果。CPU提供了4個 32位的累加器，其地址編號為AC0AC3。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。2.4 PID控制器簡介基于偏差的比例(Proportlonal)、積分(Integral)和微分(Derivati

36、ve)的控制器簡稱為PDI控制器，它是工業(yè)過程控制中最常見的一種過程控制器。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。盡管工業(yè)自動化飛速開展，但是PID控制技術(shù)仍然是工業(yè)過程控制的根底。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84.5%，優(yōu)化PID控制技術(shù)占6.8%，現(xiàn)代控制技術(shù)占1.6%，手動控制占.66%，人工智能(Al)控制技術(shù)占0.6%。如果把PID控制技術(shù)和優(yōu)化PID控制技術(shù)加起來，那么占到了90%以上，而文獻(xiàn)指出，工業(yè)過程控制中，95%以上的回路具有PID結(jié)構(gòu)。因此，可以毫不夸張地說，隨著工業(yè)

37、現(xiàn)代化和其他各種先進(jìn)控制技術(shù)的開展，PID控制技術(shù)仍然不過時，并且它還占著主導(dǎo)地位。同時，由于工業(yè)過程對象的精確模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，因而在用PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)時，又往往難以得到最正確的控制效果。2.4.1 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。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖如圖2-5示。圖2-5 PID控制系統(tǒng)原理圖整個系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。作為一種線性控制器，PID控制器根據(jù)給定值SV和實際輸出值PV構(gòu)成控制偏差， 即e(t)=r(t)-y(t) (2. 1)然后對偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)

38、成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。由圖2-5得到PID控制器的理想算法為 (2. 2)或者寫成常見傳遞函數(shù)的形式為： (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)。式(2)和式(2.2.3)是我們在各種文獻(xiàn)中最經(jīng)常看到的PID控制器的兩種表達(dá)形式。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(dá)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。這三個參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到PID控制系統(tǒng)的控制效果好壞。 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

39、地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用proportional(比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式，稱之為pID控制。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。具有以下優(yōu)點:理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。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) ()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(jìn)行控制，故稱PID控制器。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-6所示，圖

40、中u(O為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。圖2-6 PID控制原理圖PID控制器規(guī)律為： 2.5式中：為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式： 2.6PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下:l)比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差e(t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對當(dāng)前變化的一種反映。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)凡的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。2)積分環(huán)節(jié):說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。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差

41、為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)不，不越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之那么越強，易引起系統(tǒng)振蕩。3)微分環(huán)節(jié):對偏差信號的變化趨勢(變化速率)做出反響，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。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。但過大的幾對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。PID的三種作用是相互獨立，互不影響。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。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨使用一種控制規(guī)律都難以獲得

42、良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜希梢允拐{(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運行，從而獲得滿意的控制效果。自從計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機代替模擬調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字PID控制算法是通過對式2.6離散化來實現(xiàn)的。用一系列的采樣時刻點nT代表連續(xù)時間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到PID位置控制算法表達(dá)式: 2.7式中:T為采樣周期;n為采樣序號;e(n)為第n時刻的偏差信號;e(n一l)為第n一1時刻的偏差信號。PID位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計算本次與上次的偏差信號e(n)和e(n一l

43、)，而且還要把歷次的偏差信號e(j)相加，計算繁鎖，占用內(nèi)存大;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。為此實際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為2.8: 式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量：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)處理獲得比擬好的控制效果。2.4.3 數(shù)字式PID控制的實現(xiàn)PID控制器是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制器，在工業(yè)過程控制中得到了普

44、遍的應(yīng)用。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。數(shù)字PID控制器在實際應(yīng)用中可分為兩種:位置式PID控制器和增量式PID控制器。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2-7和圖2-7、圖2-8所示。圖2-7位置式PID算法實現(xiàn) 圖2-8 增量式PID 算法實現(xiàn)第3章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計在傳統(tǒng)的水塔、水箱供水的根底上，參加了PLC及液壓變送器等器件利用PLC和組態(tài)軟件來實現(xiàn)水

45、塔水位的控制提供了一種實用的水塔水位控制方案。控制系統(tǒng)組成3.1 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(jìn)一步調(diào)整到達(dá)最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動時，關(guān)閉出水口，用于動控制輸入控制液體閥，使水位到達(dá)滿水位的75%，然后翻開出水口，同時輸入控制液體閥從手動方式切換到自動方式。這種切換由一個輸入的數(shù)字量控制。3 設(shè)計分析圖3-1設(shè)計分析示意圖“水塔水位自動 HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid=280 t _blank 控制系統(tǒng)的 HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid

46、=280 t _blank 控制對象為水泵，容器為水塔或儲液罐。水位高度正常情況下 HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid=280 t _blank 控制在C、D之間，如圖1a。當(dāng)水位在低于C點時，水泵開始進(jìn)水，如圖1b。當(dāng)水位高于D點時，水泵停止進(jìn)水，如圖1c。當(dāng)水位低于C點并到達(dá)B點時就 HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _b

47、lank 報警，采取手動啟動水泵，如圖1d。當(dāng)水位超過D點并到達(dá)E點時上限 HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警，采取強制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖1e。3 可行性試驗圖3-2為水塔水位 HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid=280 t _blank 控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、 HYPERLINK

48、:/af.shejis /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警確認(rèn)燈、水位指示燈以及 HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警確認(rèn)開關(guān)組成。接通電源時，電

49、源指示燈亮，當(dāng)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。圖3-2水塔水位 HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid=280 t _blank 控制器外觀圖當(dāng)水位處于B點之下，指示燈B、C、D、E全亮， HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警電路開始 HYPERLINK :/af.shejis /sea

50、rch.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警，即下限 HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警。 當(dāng)水位處于B、C之間，指示燈B滅，C、D、E亮，水泵開始進(jìn)水。 當(dāng)水位

51、處于C、D之間，指示燈B、C滅，C、D亮，保持狀態(tài)，即保持進(jìn)水。 當(dāng)水位處于D、E之間，指示燈B、C、D滅，E亮，停進(jìn)狀態(tài)，即水泵不工作。 當(dāng)水位處于E點之上，指示燈B、C、D、E全滅，水泵不工作， HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警電路開始溢出 HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=conten

52、t&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警，即上限 HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警。 HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=content&keyword

53、s=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警電路可以手動關(guān)閉，只要按下 HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警確認(rèn)開關(guān)，就可以解除 HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=conten

54、t&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警的蜂鳴聲。此時， HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警確認(rèn)燈亮起。處理完故障時，必須關(guān)閉 HYPERLINK :/af.shejis /search.php?search

55、type=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警確認(rèn)燈， HYPERLINK :/af.shejis /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 報警確認(rèn)電路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測故障的功能。3 可行性分析 此方案采用純硬件電路設(shè)計，防止了軟件程序設(shè)計中的不

56、穩(wěn)定因素，提高了實際運用中的可靠性。同時，對于不同類型的液體，此系統(tǒng)均有良好的兼容性。當(dāng)水塔中液體改變時，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調(diào)節(jié)到一個數(shù)量級上就可以很方便的實現(xiàn)此液體的水位 HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid=280 t _blank 控制操作。試驗證明，此水塔水位 HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid=280 t _blank 控制器不僅實現(xiàn)了對水塔水位的精確 HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid=280 t _blank 控制，而且，此系統(tǒng)更具有工業(yè)生產(chǎn)的實

57、際性。3.2 水位閉環(huán) HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid=280 t _blank 控制系統(tǒng)圖3-3 供水系統(tǒng)控制原理圖M1、M2水泵 Y0-Y3液位開關(guān) F1手閥 F2電磁閥 為了精確的實現(xiàn)對水位的 HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid=280 t _blank 控制，必須建立閉環(huán) HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid=280 t _blank 控制系統(tǒng)。根據(jù)水塔中的進(jìn)、出水的水位可以自動 HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid=280 t

58、 _blank 控制水泵，使水位處于動態(tài)的平衡狀態(tài)。供水系統(tǒng)的根本原理如圖1所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過在水塔中的三個液壓變送器，將水位值變換為420 mA電流信號進(jìn)入PLC，把該信號和PLC中的設(shè)定值的程序進(jìn)行比擬，并執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對水塔中的水位進(jìn)行自動控制。當(dāng)PLC出現(xiàn)故障時，還有一套手動控制來進(jìn)行對水塔水位控制。手動控制采用交流接觸器。 上水箱液位低于Y3時，M1、M2同時工作，F(xiàn)2翻開。液位上升至Y2時，M2停止，F(xiàn)2關(guān)閉，M1繼續(xù)工作。液位上升至Y1時，M1也停止。翻開F1手閥使上水箱放水，液位下降。當(dāng)液位又低于Y1時M1起開工作，如F1開度較大下水量大于上水量，使液

59、位繼續(xù)下降至Y2時，M2啟開工作同時F2翻開，使上水量大幅上升，保持液位。Y0為下水箱缺水報警開關(guān)下水箱液位低于Y0時意味著水泵進(jìn)水口缺水，此時應(yīng)自動切斷電源并報警。圖3-4 水位閉環(huán) HYPERLINK :/bbs.shejis /index.php?gid=280 t _blank 控制圖3.2.1 PLC的選擇由于該系統(tǒng)為中型PLC自動控制系統(tǒng)，要求PLC能夠提供可編程邏輯分析和PID功能，應(yīng)選用中達(dá)公司生產(chǎn)的臺達(dá)DVP14ES00R可編程邏輯控制器。臺達(dá)DVP14ES00R具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出及通信單元，可用于較為惡劣的環(huán)境中。主要配件有中央處理器CPU，電源單元PSE，I/O單元。包

60、括數(shù)字輸入板IDPG、數(shù)字輸出板ODPG、附屬單元。 供水的控制方法圖3-5 給水泵控制原理圖系統(tǒng)的硬件接線圖如圖3-5所示。從整個流程中可以看到兩套控制方式：由一臺可編程序控制器來控制兩臺水泵的自動運行。由交流接觸器來控制兩臺水泵的手動運行。當(dāng)換項開關(guān)KKl打到手動時，按下起動按鈕SBl，1#泵起動運行向水塔注水，由于設(shè)置了順序開啟和逆序關(guān)閉，在1#泵沒有開起的情況下，2#泵不能起動運行，而在兩個水泵同時運行時，2#泵在沒有停止的情況下，1#泵不能夠停止。現(xiàn)在1#泵運行的時候，按下起動按鈕SB2，2#泵起動運行向水塔注水。此時，控制臺上的水位燈，由水塔中的液位變送器將水位變換為420mA電流