基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 測(cè)控技術(shù)畢業(yè)論文

1、 畢業(yè)論文基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系 別自動(dòng)化工程系專業(yè)名稱測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)學(xué)號(hào)5060717學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2021年 6 月 10 日基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘 要可編程控制器是以微型計(jì)算機(jī)為核心的工業(yè)控制裝置，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)。德國(guó)西門子公司SIMATIC S7-300系列可編程控制器的模塊化、無(wú)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及易于掌握等特點(diǎn)，使得S7-300系列可編程控制器在工業(yè)領(lǐng)域中實(shí)施各種控制任務(wù)時(shí)，成為一種既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案。 過(guò)程控制系統(tǒng)中，80%以上的控制對(duì)象都可以用PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)組態(tài)PLC的標(biāo)準(zhǔn)PI

2、D控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)流程的自動(dòng)控制，可以大大提高編程效率和整個(gè)工程的組態(tài)時(shí)間。本設(shè)計(jì)是以液位為被控對(duì)象，基于SIEMENSS7-300 PLC和昆侖通態(tài)公司的組態(tài)軟件MCGS 設(shè)計(jì)了一套液位控制系統(tǒng)。編程時(shí)調(diào)用了STEP 7中自帶的PID模塊，使得程序更為簡(jiǎn)潔，運(yùn)行速度更為理想。利用可編程控制器和組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采樣與處理。實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)具有快、準(zhǔn)、穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中能得到廣泛運(yùn)用。關(guān)鍵詞：PID ，PLC，MCGS ，液位，過(guò)程控制Based on PLC control system design and implementation Author：

3、Du Chen Tutor：Song AijuanAbstractProgrammable Controller based on micro computer as the core of the industrial control equipment,integrated computer technology,automatic control technology and communication technology.Siemens Germany SIMATIC S7-300 series programmable controller and the modular stru

4、cture of fan,the configuration and distributed characteristics such as easy to master,S7-300 series programmable controller in the field of industrial control tasks implemented, become an economical and practical solutions.Process control system more than 80% of the controlled object can be used to

5、realize PID controller,through the configuration of PLC,realize PID control module standard of industrial process of automatic control,can greatly improve the efficiency and the whole project programming configuration of time.This design is for the controlled object, level based on SIEMENS S7-300 PL

6、C and the general state of kunlun MCGS configuration software designed a set of liquid level control system.When programming calls a STEP 7 in the cabin,and make the process more PID module,the speed more concise.Using the programmable controller and configuration software,realize the real-time moni

7、toring and control system for real-time sampling and processing of data.It is proved that this system is fast,accurate and etc, in the industrial control area can be used widely. Key Words: PID， PLC ，MCGS ，LEVEL，PROCESS目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc264189480 第一章 緒論 PAGEREF _Toc264189480 h 1 HY

8、PERLINK l _Toc264189481 1.1 課題研究的背景知識(shí)和意義 PAGEREF _Toc264189481 h 1 HYPERLINK l _Toc264189482 1.2 過(guò)程控制系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc264189482 h 1 HYPERLINK l _Toc264189483 1.3 課題的研究?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc264189483 h 2 HYPERLINK l _Toc264189484 第二章 PID控制原理以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PAGEREF _Toc264189484 h 4 HYPERLINK l _Toc264189485 2.1 PID

9、調(diào)節(jié)根本原理 PAGEREF _Toc264189485 h 4 HYPERLINK l _Toc264189486 2.1.1 PID概述 PAGEREF _Toc264189486 h 4 HYPERLINK l _Toc264189487 2.1.2 數(shù)字式PID控制算法 PAGEREF _Toc264189487 h 5 HYPERLINK l _Toc264189488 2.2 PID 控制器的選擇 PAGEREF _Toc264189488 h 6 HYPERLINK l _Toc264189489 2.3 連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB41/FB41“CONT_C PAGEREF _Toc2

10、64189489 h 8 HYPERLINK l _Toc264189493 第三章 可編程控制器 PAGEREF _Toc264189493 h 10 HYPERLINK l _Toc264189494 3.1 PLC可編程控制器根底 PAGEREF _Toc264189494 h 10 HYPERLINK l _Toc264189495 3.1.1 PLC可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用 PAGEREF _Toc264189495 h 10 HYPERLINK l _Toc264189496 3.1.2 PLC可編程控制器的組成和工作原理 PAGEREF _Toc264189496 h 10 HY

11、PERLINK l _Toc264189497 3.1.3 PLC可編程控制器的分類及特點(diǎn) PAGEREF _Toc264189497 h 12 HYPERLINK l _Toc264189498 第四章 PLC硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc264189498 h 14 HYPERLINK l _Toc264189499 4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本原那么和步驟 PAGEREF _Toc264189499 h 14 HYPERLINK l _Toc264189500 4.1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本原那么 PAGEREF _Toc264189500 h 14 HYPERLI

12、NK l _Toc264189501 4.1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 PAGEREF _Toc264189501 h 15 HYPERLINK l _Toc264189502 4.2 PLC的選型與硬件配置 PAGEREF _Toc264189502 h 17 HYPERLINK l _Toc264189503 4.2.1 PLC型號(hào)的選擇 PAGEREF _Toc264189503 h 17 HYPERLINK l _Toc264189504 4.2.2 S7-300 CPU的選擇 PAGEREF _Toc264189504 h 17 HYPERLINK l _Toc2641895

13、05 4.2.3 SM322數(shù)字量輸出模塊 PAGEREF _Toc264189505 h 18 HYPERLINK l _Toc264189506 4.3 I/O點(diǎn)分配 PAGEREF _Toc264189506 h 18 HYPERLINK l _Toc264189507 4.4 PLC控制器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc264189507 h 18 HYPERLINK l _Toc264189508 4.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 PAGEREF _Toc264189508 h 19 HYPERLINK l _Toc264189509 4.4.2 PID參數(shù)整定 PAGEREF _

14、Toc264189509 h 20 HYPERLINK l _Toc264189510 第五章 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc264189510 h 22 HYPERLINK l _Toc264189511 5.1 PLC程序設(shè)計(jì)方法 PAGEREF _Toc264189511 h 22 HYPERLINK l _Toc264189512 5.2 編程軟件STEP 7概述 PAGEREF _Toc264189512 h 23 HYPERLINK l _Toc264189513 5.2.1 STEP 7的操作步驟 PAGEREF _Toc264189513 h 23 HYPER

15、LINK l _Toc264189514 5.3 軟件程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc264189514 h 26 HYPERLINK l _Toc264189515 5.3.1 設(shè)計(jì)思路 PAGEREF _Toc264189515 h 26 HYPERLINK l _Toc264189516 5.3.2 控制程序流程圖 PAGEREF _Toc264189516 h 27 HYPERLINK l _Toc264189517 5.3.3 梯形圖程序 PAGEREF _Toc264189517 h 27 HYPERLINK l _Toc264189518 5.3.4 PID指令向?qū)У倪\(yùn)用 PA

16、GEREF _Toc264189518 h 30 HYPERLINK l _Toc264189519 第六章 在MCGS上位機(jī)上監(jiān)控PID控制程序運(yùn)行 PAGEREF _Toc264189519 h 31 HYPERLINK l _Toc264189520 6.1 引言 PAGEREF _Toc264189520 h 31 HYPERLINK l _Toc264189521 6.2 建立一個(gè)MCGS 組態(tài)PID系統(tǒng) PAGEREF _Toc264189521 h 32 HYPERLINK l _Toc264189522 6.3 實(shí)現(xiàn)MCGS與S7-300的軟件通訊 PAGEREF _Toc26

17、4189522 h 35 HYPERLINK l _Toc264189523 6.3.1 概述 PAGEREF _Toc264189523 h 35 HYPERLINK l _Toc264189524 6.2.2 通訊硬件連接 PAGEREF _Toc264189524 h 36 HYPERLINK l _Toc264189525 6.3.3 設(shè)備調(diào)試 PAGEREF _Toc264189525 h 36 HYPERLINK l _Toc264189526 結(jié) 論 PAGEREF _Toc264189526 h 37 HYPERLINK l _Toc264189527 致 謝 PAGEREF

18、_Toc264189527 h 38 HYPERLINK l _Toc264189528 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc264189528 h 39 HYPERLINK l _Toc264189529 附 錄 PAGEREF _Toc264189529 h 40第一章 緒論1.1 課題研究的背景知識(shí)和意義目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)控制理論的開展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。控制

19、器的輸出經(jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比方壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器儀表已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制

20、功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等。1.2 過(guò)程控制系統(tǒng)概述液位是過(guò)程控制中重要的控制形式之一。過(guò)程控制涉及煉油、發(fā)電、化工、冶金、醫(yī)藥、造紙和輕工等工業(yè)部門，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的開展起著十分重要的作用。過(guò)程控制涉及的對(duì)象一般具有過(guò)程復(fù)雜、系統(tǒng)大和平安性要求高等特點(diǎn)，對(duì)自動(dòng)化的要求也較高，自動(dòng)化程度自然相對(duì)開展也比擬快。過(guò)程控制的開展經(jīng)歷了從常規(guī)儀器儀表到集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)DCS的開展過(guò)程。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，企業(yè)的自動(dòng)化向著以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為根底的計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的方向開展。從系統(tǒng)的功能角度看，連續(xù)過(guò)程的工業(yè)自動(dòng)化由過(guò)去的以保證平穩(wěn)生產(chǎn)為目標(biāo)的簡(jiǎn)單控制裝置開展到考慮過(guò)程的非

21、線性、時(shí)變性等因素的先進(jìn)控制系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的開展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨劇烈，企業(yè)把注意力集中到如何形成一個(gè)能適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場(chǎng)供求多變性的、具有高柔性、全局最優(yōu)、高經(jīng)濟(jì)效益和高管理水平的，集生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)管理于一體的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，也就是連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS(Computer Integrated manufacturing system)，亦稱計(jì)算機(jī)綜合處理系統(tǒng) CIPS(computer integrated processing system)。連續(xù)過(guò)程工業(yè)的CIMS完全擺脫了傳統(tǒng)的“孤島式的自動(dòng)化模式，它以計(jì)算機(jī)的軟、硬件系統(tǒng)的集成為根底，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)信息和管理信

22、息的集成，方案調(diào)度、控制功能和管理決策功能的集成，使企業(yè)成為一個(gè)整體并協(xié)調(diào)地運(yùn)行，從而創(chuàng)造出最好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在現(xiàn)代化的大型企業(yè)中，盡管過(guò)程控制采用了先進(jìn)的DCS系統(tǒng)，但絕大局部的控制回路仍采用比例，積分和微分控制。據(jù)有關(guān)資料介紹，在連續(xù)的工業(yè)過(guò)程的控制中，85%-95%的控制回路采用PID控制，約有5%-15%的控制回路是常規(guī)PID控制所不能奏效或效果不好的，而必須采用高等過(guò)程控制策略。高等過(guò)程APC(Advanced Process Control)，亦稱先進(jìn)過(guò)程控制目前尚無(wú)統(tǒng)一的定義。習(xí)慣上，將基于沒(méi)有精確數(shù)學(xué)模型而又必須用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的控制算法，統(tǒng)稱為高等過(guò)程控制策略。如模糊控

23、制、補(bǔ)償控制(包括smith補(bǔ)償控制、前饋控制等)、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、非線性控制、多變量控制、分布參數(shù)控制等。1.3 課題的研究?jī)?nèi)容可編程控制器PLC是計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)控制裝置。其性能優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱PLC、工業(yè)機(jī)器人、CAD/CAM之一。PLC的應(yīng)用已成為工業(yè)自動(dòng)化開展必然的一個(gè)趨勢(shì)。在不久的將來(lái)PLC技術(shù)在我國(guó)將得到更全面的推廣和應(yīng)用。本文研究的是PLC技術(shù)在液位控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、程序設(shè)計(jì)。控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定。本論文通過(guò)德國(guó)西門子公司

24、的S7-300系列PLC控制器，壓力液位傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際液位值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送入到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。同時(shí)利用北京昆侖通態(tài)公司的組態(tài)軟件，通過(guò)串行口與可編程控制器通信，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便?？傮w上包括硬件設(shè)計(jì)、軟件編程、參數(shù)整定等。全論文分為七章，各章的主要內(nèi)容說(shuō)明如下。第一章，對(duì)液位控制系統(tǒng)應(yīng)用的背景及國(guó)內(nèi)外的開展?fàn)顩r進(jìn)行了闡述，指出了本文的研究意義所在。第二章，概述了PID控制系統(tǒng)的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖等根底內(nèi)容。第三章，概述了可編程控制器PLC的根本概念和工作原理和結(jié)構(gòu)功能等知識(shí)。第四章，主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度，介紹了該工程的PLC

25、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟、PLC的硬件配置以及PLC控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)整定。第五章，在硬件設(shè)計(jì)的根底上，詳細(xì)介紹了本工程的軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件的設(shè)計(jì)根本步驟、方法，編程軟件STEP 7的介紹以及本工程程序設(shè)計(jì)。第六章，詳細(xì)介紹了在組態(tài)軟件MCGS的根底上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)計(jì)。第七章，總結(jié)全文。2 PID控制原理以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1 PID調(diào)節(jié)根本原理 2.1.1 PID概述在工程實(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(wèn)世至今已有近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

26、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(lái)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(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。過(guò)程控制實(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。模擬控制的PID表達(dá)式見(jiàn)式(2.1)： u(t)=Ke(t)+1T0tetd(t)+Tdetdt (2.1)式中KP 、 TI 、TD分別為模擬調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間。1.比例P控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。

27、其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差Steady-state- error。 2.積分I控制： 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，那么稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)System with Steady-state Error。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可

28、以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 3.微分D控制：在微分控制中，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。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件環(huán)節(jié)或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的方法是使抑制誤差的作用的變化“超前，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而防止了

29、被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 4.采樣周期的選擇：根據(jù)采樣定理，采樣周期(T/)max。從系統(tǒng)控制品質(zhì)的要求來(lái)看，希望采樣周期取小一些，這樣接近于連續(xù)控制，不僅控制效果好，而且可采用模擬PID控制參數(shù)的整定方法。采樣周期的選擇還應(yīng)考慮被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)TP 。根據(jù)以上的分析，可見(jiàn)PID算法簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便，并且有一定的控制精度，所以在本工程中我們采用PID算法。2.1.2 數(shù)字式PID控制算法在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于連續(xù)的模擬量不能被識(shí)別，只能通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量。以一定的采樣周期對(duì)輸入量進(jìn)行定時(shí)采樣，得到每

30、個(gè)采樣時(shí)刻的瞬時(shí)值。當(dāng)采樣周期比擬短時(shí)，用求和代替積分、用后項(xiàng)差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠?。?shù)字式PID控制算法有兩種:1.數(shù)字式PID位置型控制算法為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，可將積分項(xiàng)與微分項(xiàng)做如下處理見(jiàn)式(2.2)和(2.3)： ote(t)dtT0i=0ke(i) (2.2) de(t)dte(k)-e(k-1)T0 (2.3)式中，T為采樣周期，k為采樣序號(hào)。從而可得位置型控制算法如式(2.4)：UK= Kpek+T0TIi=0ke(i)+TDT0e(k)-e(k-1) (2.4)式中uk是第K次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的輸出；其中 KI=K0T0TI，稱為積分系數(shù)；KD = KcTD

31、T0，稱為微分系數(shù)。2.數(shù)字PID增量型控制算法所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出是控制器的增量uK。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量(例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī))時(shí)，應(yīng)采用增量式PID控制。根據(jù)遞推原理，可得增量式PID控制算法見(jiàn)式(2.5)。 uk=uk-uk-1= KPe(k)-e(k-1)+T0TIe(k)+TDT0ek-2e(k-1)+e(k-2) (2.5)其中:KP為比例增益，K為積分時(shí)間常數(shù)， QUOTE KP K0為微分時(shí)間常數(shù)。2.2 PID 控制器的選擇控制系統(tǒng)的屬性由技術(shù)過(guò)程和機(jī)器條件決定。因此，為了獲得良好的控制效果，必須選擇最適用的系統(tǒng)控制器。1.連續(xù)控制器、開關(guān)控制器：1連

32、續(xù)控制器，輸出一個(gè)線性模擬數(shù)值。2開關(guān)控制器，輸出一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字?jǐn)?shù)值。2.固定值控制器：使用設(shè)定固定數(shù)值進(jìn)行的過(guò)程控制，只是偶爾修改一下參考變量，過(guò)程偏差的控制。3.級(jí)聯(lián)控制器：控制器串行連接控制。第一個(gè)控制器主控制器決定了串行控制器從控制器的設(shè)定點(diǎn)，或者根據(jù)過(guò)程變量的實(shí)際錯(cuò)誤影響器設(shè)定點(diǎn)。一個(gè)級(jí)聯(lián)控制器的控制性能可以使用其它的過(guò)程變量加以改良。為此，可以為主控制變量添加一個(gè)輔助過(guò)程變量PV2主控制器SP2的輸出。主控制器可以將過(guò)程變量PV1施加給設(shè)定點(diǎn)SP1，并且可以調(diào)整SP2，以便盡可能快地到達(dá)目標(biāo)，而沒(méi)有過(guò)調(diào)節(jié)。級(jí)聯(lián)控制器如圖2.1所示?？刂破?過(guò)程1過(guò)程2控制器2SP1SP22輔助回路

33、伺服控制器主控制器干擾變量LMNPV2PV1主回路控制過(guò)程圖2.1級(jí)聯(lián)控制器4.混合控制器：混合控制器是指根據(jù)每個(gè)被控組件所需要的設(shè)定點(diǎn)總數(shù)量，來(lái)計(jì)算總SP數(shù)量的一種控制結(jié)構(gòu)。在此，混合系數(shù)FAC的和必須為“1?；旌峡刂破魅鐖D2.2所示。SP1SP1LMN1 FAC1控制器1過(guò)程1FAC4過(guò)程4控制器4PV1SP4PV4LMN4圖2.2混合控制器控制器系數(shù)過(guò)程SPLMNPV1PV2比率圖2.3比例控制器5.比例控制器：可以用于“兩個(gè)過(guò)程變量之間的比率比“兩個(gè)過(guò)程變量的絕對(duì)數(shù)值重要的場(chǎng)合。比例控制器如圖2.3所示。6.多級(jí)控制器：主要有二級(jí)和三級(jí)控制器。一個(gè)二級(jí)控制器只能采集兩個(gè)輸出狀態(tài)例如，開

34、和關(guān)。典型的控制為：一個(gè)加熱的系統(tǒng)，通過(guò)繼電器輸出的脈沖寬度調(diào)制。一個(gè)三級(jí)控制器只能采集到三個(gè)具體的輸出狀態(tài)。我們需要區(qū)分：“脈沖寬度調(diào)制例如，加熱-冷卻，加熱-關(guān)機(jī)-冷卻和“使用集成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步進(jìn)控制例如，左-停止-右之間的區(qū)別。2.3 連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB41 /FB41“CONT_CSFB41/FB41“CONT_C連續(xù)控制器用于在SIMATIC S7可編程控制器上，控制帶有連續(xù)輸入和輸出變量的工藝過(guò)程 。在參數(shù)分配期間，用戶可以激活或取消激活PID控制器的子功能，以使控制器適合實(shí)際的工藝過(guò)程。通過(guò)參數(shù)賦值工具，可以很容易地做到這一點(diǎn)。調(diào)用： Start SIMATIC STEP 7 PI

35、D?？刂茀?shù)賦值?？梢允褂每刂破髯鳛閱为?dú)的PID定點(diǎn)控制器或在多循環(huán)控制中作為級(jí)聯(lián)控制器、混合控制器和比例控制器使用。控制器的功能基于帶有一個(gè)模擬信號(hào)的采樣控制器的PID控制算法，如果必要的話，可以通過(guò)脈沖發(fā)送器EPULSEGN進(jìn)行擴(kuò)展，以產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的輸出信號(hào)，來(lái)控制比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兩個(gè)或三個(gè)步進(jìn)控制器。除了設(shè)定點(diǎn)操作和過(guò)程數(shù)值操作的功能以外，SFB41/FB41 (CONT_C)可以使用連續(xù)的變量輸出和手動(dòng)影響控制數(shù)值選項(xiàng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的PID控制器。下面是關(guān)于SFB41/FB 41(CONT_C)詳細(xì)的子功能說(shuō)明：設(shè)定值分支設(shè)定值以浮點(diǎn)數(shù)格式輸入到SP_INT輸入端。過(guò)程變量分支可以

36、在外圍設(shè)備(I/O)中輸入過(guò)程變量，也可以以浮點(diǎn)數(shù)格式輸入。 (1)CRP_IN函數(shù)根據(jù)公式(2.6)，將PV_PER外設(shè)值轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)格式-100到 + 100%： CRP_IN的輸出 = PV_PER * 100/27648 (2.6)(2)PV_NORM函數(shù)根據(jù)公式(2.7)規(guī)格化CRP_IN的輸出： PV_NORM的輸出 = (CRP_IN的輸出) * PV_FAC+ PV_OFF (2.7)其中，PV_FAC的缺省值是1，PV_OFF的缺省值是0。誤差信號(hào)設(shè)定值和過(guò)程變量之間的差值就是誤差信號(hào)。要抑制由于可調(diào)節(jié)變量量化所引起的小幅持續(xù)振蕩(例如，在使用PULSEGEN進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí))

37、，可對(duì)誤差信號(hào)使用死區(qū)(DEADBAND)。如果DEADB_W =0，那么死區(qū)功能關(guān)閉。 PID算法這里所使用的PID算法是定位PID算法。比例、積分(INT)和微分(DIF)動(dòng)作是并行連接在一起的，可以單獨(dú)激活或取消激活。這樣便能夠組態(tài)成P、PI、PD和PID控制器。還可以組態(tài)成純I控制器和純D控制器。手動(dòng)值可以在手動(dòng)模式和自動(dòng)模式之間切換。在手動(dòng)模式下，可調(diào)節(jié)變量被修正到手動(dòng)選擇的數(shù)值。積分器(INT)內(nèi)部被設(shè)置成LMN _LMN_P _DISV，而微分單元(DIF)被設(shè)置成，這些都是自動(dòng)在內(nèi)部進(jìn)行匹配的。這樣，切換到自動(dòng)模式就不會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)值的突然變化。調(diào)節(jié)值使用LMNLIMIT函數(shù)，可以

38、將調(diào)節(jié)值限制到所選擇的數(shù)值上。當(dāng)輸入變量超過(guò)了限制值時(shí)，通過(guò)信號(hào)位來(lái)指示。 LMN_NORM函數(shù)根據(jù)(2.8)公式規(guī)格化LMNLIMIT的輸出；調(diào)節(jié)值也可以使用外設(shè)值格式。CRP_OUT函數(shù)根據(jù)公式(2.9)將浮點(diǎn)數(shù) LMN轉(zhuǎn)換成外設(shè)值： LMN = (LMNLIMIT的輸出) * LMN_FAC + LMN_OFF (2.8)其中，LMN_FAC的缺省值是1，而LMN_OFF的缺省值是0。LMN_PER = LMN *100/27648 (2.9)前饋控制可以在DISV輸入端前饋一個(gè)干擾變量。模式完全重啟動(dòng)/重啟動(dòng)FB“CONT_C有一個(gè)完全重啟動(dòng)例行程序，當(dāng)置位輸入?yún)?shù) COM_RST =

39、 TRUE時(shí)執(zhí)行。在啟動(dòng)期間，積分器內(nèi)部被設(shè)置成初始值I_ITVAL。當(dāng)在周期性中斷優(yōu)先級(jí)中調(diào)用積分器時(shí)，它便從這個(gè)數(shù)值開始，繼續(xù)工作。所有其它輸出都被設(shè)置成各自的缺省值。出錯(cuò)信息此功能塊內(nèi)部并不檢查錯(cuò)誤。因此沒(méi)有使用出錯(cuò)輸出參數(shù)RET_VAL。第三章 可編程控制器可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱PLCProgrammable Logic Contrlooer。它使用了可編程程序的記憶以及存儲(chǔ)令，用來(lái)執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和演算等功能，并通過(guò)數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。3.1 PLC可編程控制器根底3.1.1 PLC的產(chǎn)生和應(yīng)用20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)技

40、術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價(jià)格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域中獲得推廣。1968年，美國(guó)通用汽車公司GM為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，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，并從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，立即引發(fā)了開發(fā)熱潮。1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司DEC根據(jù)美國(guó)通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速開展起來(lái)。隨著PLC 的功能不斷完善，性價(jià)比的不斷提高，PLC的應(yīng)用面也越來(lái)越廣。目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣

41、泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通常可分為開關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等。3.1.2 PLC可編程控制器的組成和工作原理PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊兩種，但在邏輯結(jié)構(gòu)上根本相同，無(wú)論是整體式還是模塊式，從硬件結(jié)構(gòu)看，PLC都是由CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口單元及擴(kuò)展接口擴(kuò)展部件、外設(shè)接口及外設(shè)和電源等局部組成，各局部之間通過(guò)系統(tǒng)總線連接。PLC的根本結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：1.CPU中央處理器 CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，主要由運(yùn)算器、控制器、存放器

42、及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成。它的功能是接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的存放器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等，是PLC不可缺少的組成單元。主要功能包括以下幾個(gè)方面：輸 入 接 口存儲(chǔ)單元中央處理單元CPU電 源輸 出 接 口圖3.1PLC的根本結(jié)構(gòu)圖1接收從編程器或者計(jì)算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)。2監(jiān)視電源、PLC內(nèi)部各個(gè)單元電路的工作狀態(tài)。3診斷編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤，對(duì)用戶程序進(jìn)行編譯。4在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。

43、5采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的數(shù)據(jù)，并存入指定的存放器中。6按程序進(jìn)行處理，估計(jì)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容。7根據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)存放器的有關(guān)內(nèi)容，將結(jié)果送到輸出接口。8響應(yīng)中斷和各種外圍設(shè)備如編程器、打印機(jī)等的任務(wù)處理請(qǐng)求。2.I/O接口PLC是通過(guò)各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的根本配置能力的限制，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。PLC的對(duì)外功能主要是通過(guò)各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的。輸入

44、模塊和輸出模塊式PLC與現(xiàn)場(chǎng)I/O裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備之間的傳遞信息的作用。I/O模塊分為開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。3.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩局部。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲(chǔ)器ROM，只有掉電不喪失信息的程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM，需要后備電池在掉電后保存程序。目前那么傾向于采用電可擦除的只讀存儲(chǔ)器EEPROM或閃存Flash Memory，免去了后備電池的麻煩。4.電源模塊PLC的電源是為PLC各模塊的集成電路

45、提供工作電源。電源可分為直流和交流兩種類型，交流輸入220VAC或110VAC，直流輸入通常是24V。5.智能模塊除了上述通用的I/O模塊外，PLC還提供了各種各樣的特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程I/O控制、打印機(jī)等專用型或智能型的I/O模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。I/O模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好，模塊的I/O容量越大，系統(tǒng)的適應(yīng)性就越強(qiáng)。6.編程設(shè)備常見(jiàn)的編程設(shè)備有簡(jiǎn)易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶程序，對(duì)系統(tǒng)作些設(shè)定，監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的各種狀況、編程設(shè)備在

46、PLC的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接與現(xiàn)場(chǎng)的控制。PLC本質(zhì)上就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，其工作原理與普通計(jì)算機(jī)類似，具有計(jì)算機(jī)的許多特點(diǎn)。但其工作方式卻與計(jì)算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，工作時(shí)逐條順序掃描用戶程序，如果一個(gè)線圈按通或斷開，該線圈的所有觸電不會(huì)立即動(dòng)作，需等掃描到該觸電時(shí)才會(huì)動(dòng)作。3.1.3 PLC可編程控制器的分類及特點(diǎn)根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。還可以按I/O點(diǎn)數(shù)分類，根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為

47、小型、中型、大型和超大型四類：1I/O點(diǎn)數(shù)在256以下為小型PLC2I/O點(diǎn)數(shù)在2561024為中型PLC3I/O點(diǎn)數(shù)大于1024為大型PLC4I/O點(diǎn)數(shù)在4000以上為超大型PLC可編程控制器有可靠性高、編程簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)單、維修方便、采用模塊化結(jié)構(gòu)、接口模塊豐富、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試周期短等特點(diǎn)。第四章 PLC硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在掌握了PLC的硬件組成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可以PLC作為主要控制器來(lái)構(gòu)造PLC控制系統(tǒng)。本章主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度，介紹該工程的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、PLC的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及PLC控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的整定。4.1 PLC控

48、制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本原那么和步驟弄懂PLC的根本工作原理和指令系統(tǒng)后，就可以把PLC應(yīng)用到實(shí)際的工程工程中。無(wú)論是用PLC組成集散控制系統(tǒng)，還是獨(dú)立控制系統(tǒng)，PLC控制局部的設(shè)計(jì)都可以按照?qǐng)D4.1所示的步驟。4.1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本原那么任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)原那么往往會(huì)涉及很多方面，其中最根本的設(shè)計(jì)原那么可以歸納為4點(diǎn)。1.設(shè)計(jì)原那么(1)完整性原那么。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程或機(jī)械設(shè)備的控制要求。(2)可靠性原那么，確保計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。(3)經(jīng)濟(jì)型原那么。力求控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、實(shí)

49、用、合理。(4)開展性原那么。適當(dāng)考慮生產(chǎn)開展和工藝改良的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2.評(píng)估控制任務(wù)根據(jù)系統(tǒng)所完成的控制任務(wù)，對(duì)被控對(duì)象的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，特別是從以下幾個(gè)方面給予考慮。(1)控制規(guī)模一個(gè)控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的I/O設(shè)備總數(shù)來(lái)衡量。當(dāng)控制規(guī)模較大時(shí)，特別是開關(guān)量控制的I/O設(shè)備較多時(shí)，最適合采用PLC控制。(2)工藝復(fù)雜程度當(dāng)工藝要求較復(fù)雜時(shí)，采用PLC控制具有更大的優(yōu)越性。(3)可靠性要求目前，當(dāng)I/O點(diǎn)數(shù)在20甚至更少時(shí)，就趨向于選擇PLC控制了。(4)數(shù)據(jù)處理速度假設(shè)數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)工程控制為主時(shí)，采用PLC控制將非常適宜

50、。程序檢查、調(diào)試程序設(shè)計(jì)控制和設(shè)計(jì)及布線PLC安裝評(píng)估控制任務(wù)PLC機(jī)型的選擇控制流程的設(shè)計(jì)聯(lián)機(jī)調(diào)試模擬運(yùn)行是否滿足要求投入應(yīng)用程序備份圖4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。所謂硬件設(shè)計(jì)，是指PLC外部設(shè)備的設(shè)計(jì)，而軟件設(shè)計(jì)即PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分以下5步進(jìn)行。1.熟悉被控對(duì)象深入了解被控系統(tǒng)是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的根底。設(shè)計(jì)人員必須深入現(xiàn)場(chǎng)，認(rèn)真調(diào)查研究，收集資料，并于相關(guān)技術(shù)人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題。這一階段必須對(duì)被控對(duì)象所有功能全面的了解，對(duì)對(duì)象的各種動(dòng)作及動(dòng)作時(shí)序、動(dòng)作條件、

51、必要的互鎖與保護(hù)；電氣系統(tǒng)與機(jī)械、液壓、氣動(dòng)及各儀表等系統(tǒng)間的關(guān)系；PLC與其他設(shè)備的關(guān)系，PLC之間是否通信聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)的工作方式及人機(jī)界面。需要顯示的物理量及顯示方式等。2.硬件選擇具體包括如下：(1)系統(tǒng)I/O設(shè)備的選擇。輸入設(shè)備包括按鈕、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等。輸出設(shè)備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈及其它執(zhí)行器等。(2)選擇PLC。PLC選擇包括對(duì)PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。(3)PLC的I/O端口分配。在進(jìn)行I/O通道分配時(shí)應(yīng)給出I/O通道分配表，表中應(yīng)包含I/O編號(hào)、設(shè)備代號(hào)、名稱及功能等。(4)繪制PLC外圍硬件線路圖。畫出系統(tǒng)其他局部的電氣線路

52、圖，包括主電路和未進(jìn)入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。(5)計(jì)數(shù)器、定時(shí)器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。3.編寫應(yīng)用程序：根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用適宜的設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實(shí)現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)容：(1)初始化程序。在PLC上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動(dòng)作必要的準(zhǔn)備，防止系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作。初始化程序的主要內(nèi)容有：對(duì)某些數(shù)據(jù)區(qū)、計(jì)數(shù)器等進(jìn)行清零，對(duì)某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，對(duì)某些繼電器進(jìn)行置位或復(fù)位

53、，對(duì)某些初始狀態(tài)進(jìn)行顯示等等。(2)檢測(cè)、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對(duì)獨(dú)立，一般在程序設(shè)計(jì)根本完成時(shí)再添加。(3)保護(hù)和連鎖程序。保護(hù)和連鎖是程序中不可缺少的局部，必須認(rèn)真加以考慮。它可以防止由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。4.程序調(diào)試程序調(diào)試分為2個(gè)階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。程序模擬調(diào)試是以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。(1)硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備如用另一臺(tái)PLC或一些輸入器件等模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，并將這些信號(hào)以硬件接線的方式連接到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時(shí)

54、效性較強(qiáng)。(2)軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，其簡(jiǎn)單易行，但時(shí)效性不易保證。模擬調(diào)試中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。當(dāng)控制臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時(shí)更正軟硬件方面的問(wèn)題。5.編寫技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說(shuō)明書、硬件原理圖、安裝原理圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序以及使用說(shuō)明書等。4.2 PLC的選型與硬件配置4.2.1 PLC型號(hào)的選擇本液位控制系統(tǒng)選擇德國(guó)西門子公司的S7-300系列的PLC。S7-300屬于中小型的PLC，本機(jī)自帶RS-485通信接口、內(nèi)置電源

55、和I/O接口。4.2.2 S7-300 CPU的選擇S7-300系列的CPU有：CPU 312C，313C，313C-PtP， 314C-2DP，315-2DP ，316-2DP，317-2DP 和CPU 318-2DP等諸多類型。此系統(tǒng)選用 S7 300 314C-2DP，CPU314C-2DP集成了24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，共有40個(gè)數(shù)字量I/O輸出?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展塊，并自帶2個(gè)串口。內(nèi)部使用MCC卡作為其裝載存儲(chǔ)器。注：1.電源模塊 2.后備電池 3. 24V DC 連接器 4.模式開關(guān) 5.狀態(tài)和故障指示燈6.存儲(chǔ)器卡 7. MPI 多點(diǎn)接口 8.前連接器 9.前蓋圖4.2 西門子S7-

56、300 PLC組成結(jié)構(gòu)圖4.2.3 SM322數(shù)字量輸出模塊在本設(shè)計(jì)中我們采用的是SM322數(shù)字量輸出塊，SM322具有16個(gè)輸出點(diǎn)，帶隔離，8點(diǎn)為一組，輸出電流是0.5A，額定負(fù)載電壓是24VDC。4.3 I/O點(diǎn)分配該液位控制系統(tǒng)中 I/O點(diǎn)分配表4.1如表所示:表4.1 I/O點(diǎn)分配表輸入觸電功能說(shuō)明輸出觸電功能說(shuō)明I 0.1啟動(dòng)按鈕Q 0.0運(yùn)行指示燈綠I 0.2停止按鈕Q 0.1運(yùn)行指示燈紅4.4 PLC控制器的設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì)是基于模型控制設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的一步。首先要根據(jù)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對(duì)象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能指標(biāo)確定

57、控制器的參數(shù)值。4.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立本液位控制系統(tǒng)中，壓力液位傳感器將檢測(cè)到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)過(guò)與設(shè)定的壓力值進(jìn)行比擬后，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法進(jìn)行修正，從而控制鍋爐的液位?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4.3所示，方框圖如圖4.4所示：控制系統(tǒng)方框圖中，R (S)為設(shè)定液位的拉氏變換式；E (S)為偏差的拉氏變換式；GCS為控制器的傳遞函數(shù)；G0S為廣義對(duì)象，即控制閥、對(duì)象控制通道、測(cè)量變送裝置三個(gè)環(huán)節(jié)的合并；PLC控制器鍋爐傳感器PID模塊SPPVP圖4.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該液位控制系統(tǒng)是具有時(shí)滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)見(jiàn)公式4.1G（S）=K0T0+1e-s

58、 4.1式4.1中，K0為對(duì)象放大系數(shù)；T0為對(duì)象時(shí)間常數(shù)；為對(duì)象時(shí)滯。因此式4.2K0=y()u 4.2由階躍響應(yīng)法求得，K0=0.5, T0=2分鐘，=0.8分鐘。GCSG0SRS E (S)USYS圖4.4 控制系統(tǒng)方框圖4.4.2 PID參數(shù)整定之前我們介紹了PID的控制算法，那么該液位控制系統(tǒng)就已經(jīng)確定了。在系統(tǒng)投運(yùn)之前，還需要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。因?yàn)镻ID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(guò)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(lái)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(guò)理論計(jì)算

59、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(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(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、反響曲線法和衰減法。上述三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)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(wú)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。在本設(shè)計(jì)中我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法來(lái)整定控制器的參數(shù)值。下面介紹方法步驟。經(jīng)驗(yàn)整定法實(shí)質(zhì)上是一種試湊法，它是在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的行之有效的方法，并在現(xiàn)場(chǎng)中得到了廣泛的

60、應(yīng)用。這種方法的根本程序是先根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，然后人為的參加階躍擾動(dòng)如改變調(diào)節(jié)器的給定值，觀察被調(diào)量或調(diào)節(jié)器輸出的階躍響應(yīng)曲線。假設(shè)認(rèn)為控制質(zhì)量不滿意，那么根據(jù)各整定參數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響改變調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣反復(fù)試驗(yàn)，直到滿意為止。 由于比例作用是最根本的控制作用，經(jīng)驗(yàn)整定法主要通過(guò)調(diào)整比例度的大小來(lái)滿足質(zhì)量指標(biāo)。整定途徑有以下兩條：先用單純的比例P作用，即尋找適宜的比例度 QUOTE ，將人為干擾后的過(guò)渡過(guò)程調(diào)整為4:1的衰減振蕩過(guò)程。然后再參加積分I作用，一般先取積分時(shí)間TI為衰減振蕩周期的一半左右。由于積分作用將使衰減振蕩加劇，在參加的積分作用之前，要