基于PLC壓力控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)方案

I摘要鑒于壓力控制在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，研究ＰLC在壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是教學(xué)乃至實(shí)踐技能培養(yǎng)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。本課題針對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的壓力控制對(duì)象，提出了一種基于PLC的壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,該系統(tǒng)采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，底層選用PLC作為控制器,上層選用ＰC計(jì)算機(jī)為上位機(jī)。本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)以西門子Ｓ7－300PＬC為控制器，采用STＥP7軟件構(gòu)造系統(tǒng)硬件組態(tài)和編寫控制程序，完成現(xiàn)場(chǎng)壓力信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波和PID自動(dòng)控制。上位PC機(jī)選用工業(yè)組態(tài)軟件ＷｉnＣC編寫監(jiān)控界面，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),并能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝過(guò)程進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)以及顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試過(guò)程中，系統(tǒng)軟件運(yùn)行良好，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字ＰID調(diào)節(jié)，監(jiān)控界面基于WINDOWS，操作簡(jiǎn)便，具有較強(qiáng)的可靠性和實(shí)用性，滿足現(xiàn)場(chǎng)控制的要求,達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞PLC控制器，ＷiｎCC組態(tài)，壓力過(guò)程控制,PＩD控制算法ABSTＲＡCTＳinｃeｐｒessurecontroｌｓyｓtemｗaｓwidelyusedintherｅaｌｍsofindustｒiａlcoｎtroｌ,thereｓeaｒｃｈofthｅapｐｌicａt(yī)ionofPLＣｉｎpressｕrecｏntｒolsyｓtemｉsａvｅｒyimpoｒtanｔｌinkfｏｒtｅachｉngａnｄｐrａcｔｉcalskilｌstｒaininｇ.Ａccoｒｄinｇtｏpreｓｓｕrecontrｏlobｊecｔinthｅlaboｒatorycuｒｒenｔlｙ,thiｓｅｓsayprｏｐosedadeｓiｇnｐropoｓalｏfｐｒeｓsuｒeｃontrｏlsysｔemｂasedonＰLC.Thesyｓteｍｉsｃonsistofｔwolａyｅrsoｆcompuｔerｃontｒｏl.PLCｃoｎtrollerperforｍsasｔhesｌaｖecompuｔerｉnabaｓelayeｒ,wｈｉlｅaPCｆｕnctioｎｓaｓtｈｅhoｓtcｏｍpuｔerintｈeｕppｅrlayｅｒ。ThｅsystemuseSｉｅmensS７-300PLCforｃonｔrolleｒ，aｎdsｏftwarｅSTＥP７fｏrbotｈtheconｆiguraｔiｏｎｏｆｔｈePLCｈarｄwａrｅaｎdthedeｓiｇｎinggrａm,tｏaccoｍpｌisｈｔhｅdataacｑuiｓｉｔｉoｎ,digiｔaｌfｉｌtｅｒoｆｆｉeｌｄpresｓｕresｉgnalａｎdＰIDａutocontｒol.OntheＰC，WiｎCC（ａdusｔrｉalcｏnｆｉｇuratiｏnsｏｆtwａre）iｓaｍｅanspiｌｉngｔｈｅmｏｎiｔｏrｉｎgandconｔrollingｉnｔeｒfａce，ｔｏaccoｍｐｌｉsｈtheｒeal-tｉｍemｏnｉtoｒｉngａｎdｄaｔａstorage，ａndbeａｂｌetｏsiｍｕlatetｈeｐｒoceｓsofｄyｎａmicｐrｏcｅssanddｉspｌaｙｔｈereａl－timｅtrｅndｃuｒve。Dｕrinｇtheｃｏmmisｓioniｎgproceｓsiｎｔhｅlabｏrａt(yī)ory，sofｔwareｏｆtheｓysｔemｒuｎｓｗｅlｌ．TｈｅsystemreaｌizeｄthｅdｉｇitａlＰIDｒegulaｔiｎg,ｄｕｅtｏtheＷＩNＤOWＳ—bａsｅｄmｏniｔoｒingｉnterfaｃｅ,tｈesystｅmwasｗitｈadｖantaｇｅsineａｓyｏperation，strｏｎgrelｉａbiliｔｙａndprａcticability。Ｔｈesysteｍｓaｔisｆｉedcontroｌrequirementｓ，ａｎdreａchｅdtｈetargeｔofthedｅｓiｇｎ。KEＹWORDSPLCＣonｔrollｅr，ＷinＣCConfiguratｉon,PｒeｓｓureProcessCｏnｔｒｏl，ＰＩDContｒol基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用第一章緒論第一章緒論１.１課題概述１．1。１課題來(lái)源及研究意義該課題來(lái)源于中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室的教師科研題，題目類型屬于實(shí)驗(yàn)研究。在一些生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，如各種冶煉生產(chǎn)中,容器罐內(nèi)氣體壓力必須保持在一定的范圍內(nèi),反應(yīng)才可以正常進(jìn)行.適宜的壓力下，反應(yīng)速率可以達(dá)到最高,而且原料和催化劑的利用更為徹底?？梢姡瑝毫^(guò)程控制是一項(xiàng)富有意義的研究。隨著技術(shù)的發(fā)展，PＬC的性能不斷提高，其價(jià)格也能讓更多的中小型企業(yè)接受。近年來(lái)，越來(lái)越多的中小設(shè)備開始采用PＬＣ進(jìn)行控制，PLC在我國(guó)的應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速.本課題研究的基于ＰLC的壓力控制系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)、靈活方便、具有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，并且可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，將在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用.1.1．2設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求本課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容是基于PＬC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用,即設(shè)計(jì)一個(gè)以S7—３００PＬC為控制器的壓力控制系統(tǒng),根據(jù)過(guò)程壓力系統(tǒng)的控制要求選用合適的檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)壓力過(guò)程量的自動(dòng)控制。系統(tǒng)要求采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制,底層選用PLＣ作為控制器，上層選用PＣ計(jì)算機(jī)為監(jiān)控機(jī),用ＷinCC組態(tài)軟件編制上位機(jī)的監(jiān)控軟件，完成人機(jī)界面的控制功能，實(shí)現(xiàn)一套完整的集測(cè)量、控制、組態(tài)、監(jiān)視為一體的壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)。1。2PLC可編程邏輯控制器1．2。１PLＣ可編程邏輯控制器介紹可編程邏輯控制器（PrograｍｍabｌｅLoｇｉcContrｏｌler），簡(jiǎn)稱PLＣ,在二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出,主要用來(lái)取代傳統(tǒng)繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制[1］。2０世紀(jì)70年代,人們將微機(jī)技術(shù)應(yīng)用到PＬC中，使得其更多的發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了邏輯控制的范圍,從而真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高,PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLＣ不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。PLC可以直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。1．2。2ＰＬC控制在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用在工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域,PLC是一種重要的控制設(shè)備，它代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平。無(wú)論是從國(guó)外引進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，還是國(guó)內(nèi)自行生產(chǎn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都可以看到PＬC的身影.可以說(shuō)，PLＣ裝置已成為自動(dòng)化系統(tǒng)［2］的基本裝置.20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī);從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元,用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合［３］;從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元,使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易.目前，可編程控制器在機(jī)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(zhǎng)足的發(fā)展。目前,全世界PLC生產(chǎn)廠家約200家,生產(chǎn)3０0多種產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)PＬC市場(chǎng)仍以國(guó)外產(chǎn)品為主，如Siｅmens、Modiｃｏn、Ａ－B、ＯMRON、三菱、GE的產(chǎn)品.我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。隨后在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLＣ的應(yīng)用［4]。目前,我國(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。可以預(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，ＰＬＣ在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。我國(guó)的PＬＣ生產(chǎn)目前也有一定的發(fā)展，小型PLC已批量生產(chǎn);中型PＬC已有產(chǎn)品；大型PLC已開始研制.國(guó)內(nèi)PLC形成產(chǎn)品化的生產(chǎn)企業(yè)約30多家，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品市場(chǎng)占有率不超過(guò)1０％，主要生產(chǎn)單位有：蘇州電子計(jì)算機(jī)廠、蘇州機(jī)床電器廠、上海蘭星電氣有限公司、天津市自動(dòng)化儀表廠、杭州通靈控制電腦公司、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所和江蘇嘉華實(shí)業(yè)有限公司等.國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在價(jià)格上占有明顯的優(yōu)勢(shì)。?隨著微處理器、網(wǎng)絡(luò)通信、HMＩ界面技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)日新月異，各種產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn).PＬC也由最初的只能處理開關(guān)量而發(fā)展到可以處理模擬量和數(shù)據(jù)，加之與ＤCＳ、PIＤ調(diào)節(jié)器、工業(yè)ＰC等技術(shù)相結(jié)合,使之不再是一種簡(jiǎn)單的控制設(shè)備,而且必將隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展生存下去。1.2．3PLＣ控制器的發(fā)展趨勢(shì)PＬＣ作為工控機(jī)的一員，在主要工業(yè)國(guó)家中成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本電控裝置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、體積小、價(jià)格適宜等特點(diǎn).據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界PＬC生產(chǎn)廠家約15０家，生產(chǎn)300多個(gè)品種.20０0年銷售額約為86億美元，占工控機(jī)市場(chǎng)份額的５0％，ＰLＣ將在工控機(jī)市場(chǎng)中占有主要地位,并保持繼續(xù)上升的勢(shì)頭。?新一代的PLＣ具有PＩＤ調(diào)節(jié)功能,它的應(yīng)用已從開關(guān)量控制擴(kuò)大到模擬量控制領(lǐng)域,廣泛地應(yīng)用于航天、冶金、輕工、建材等行業(yè)。但ＰLC也面臨著其它行業(yè)工控產(chǎn)品的挑戰(zhàn),各廠家正采取措施不斷改進(jìn)產(chǎn)品，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：?=1\*ＧB3①微型、小型PLＣ功能明顯增強(qiáng)

很多有名的PLＣ廠家相繼推出高速、高性能、小型、特別是微型的ＰLC.三菱的FＸＯＳ1４點(diǎn)（8個(gè)2４VDＣ輸入，６個(gè)繼電器輸出），其尺寸僅為５8ｍm×８9mm,僅大于信用卡幾個(gè)毫米，而功能卻有所增強(qiáng),使PＬＣ的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到遠(yuǎn)離工業(yè)控制的其它行業(yè)，如快餐廳、醫(yī)院手術(shù)室、旋轉(zhuǎn)門和車輛等,甚至引入家庭住宅、娛樂(lè)場(chǎng)所和商業(yè)部門。?=2\＊GB3②集成化發(fā)展趨勢(shì)增強(qiáng)?由于控制內(nèi)容的復(fù)雜化和高難度化,使PLC向集成化方向發(fā)展,PLC與PC集成、PLC與ＤCＳ集成、PＬＣ與PIＤ集成等，并強(qiáng)化了通訊能力和網(wǎng)絡(luò)化，尤其是以PC為基的控制產(chǎn)品增長(zhǎng)率最快.PLC與PＣ集成，即將計(jì)算機(jī)、ＰＬC及操作人員的人—機(jī)接口結(jié)合在一起,使ＰＬＣ能利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，而計(jì)算機(jī)能和PＬC的模塊交互存取數(shù)據(jù)。以PC機(jī)為基的控制容易編程和維護(hù)用戶的利益，開放的體系結(jié)構(gòu)提供靈活性，最終降低成本和提高生產(chǎn)率.?＝3\＊GB３③向開放性轉(zhuǎn)變?ＰLC曾存在嚴(yán)重的缺點(diǎn),主要是PＬＣ的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的，絕大多數(shù)的PLC是專用總線、專用通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議,編程雖多為梯形圖,但各公司的組態(tài)、尋址、語(yǔ)文結(jié)構(gòu)不一致,使各種ＰLC互不兼容?，F(xiàn)在，以PC為基礎(chǔ)、在WINＤOＷS平臺(tái)下、符合ＩEC1１３１－３國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的新一代開放體系結(jié)構(gòu)的PLC的開發(fā)正在規(guī)劃中.1．3論文組織結(jié)構(gòu)本文主要研究基于ＰLC的壓力過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，本文的篇章結(jié)構(gòu)安排如下:第一章緒論，介紹了此次研究的課題,以及PLＣ控制器和該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，最后闡述了本文的篇章結(jié)構(gòu)。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方式,以及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，介紹了系統(tǒng)的硬件選型，以及各部分之間的連接與通訊。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，介紹了STＥP７軟件平臺(tái)上ＰＬC控制程序的編程，以及ＷinCC組態(tài)軟件平臺(tái)上實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的編程.第五章系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)試，介紹了系統(tǒng)投運(yùn)的方法和步驟,以及ＰID參數(shù)的整定,并且講述了系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題及其解決方法。最后一章為總結(jié)與展望,對(duì)課題的研究進(jìn)行總結(jié),并提出今后研究的問(wèn)題與方向。基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)包含硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。根據(jù)課題的要求和中南大學(xué)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備，系統(tǒng)控制對(duì)象選用三個(gè)壓力容器作為被控對(duì)象，底層采用ＰＬC作為控制器，上層采用普通的PC機(jī)作為上位機(jī)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括PＬＣ控制程序和上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)，采用ＳＴEＰ7和WinCC工具軟件進(jìn)行軟件開發(fā)，這兩款軟件是西門子公司針對(duì)PLC控制器推出的.２．1。1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于ＰLC的壓力過(guò)程控制系統(tǒng)［５］的被控對(duì)象是由三個(gè)壓力容器對(duì)象組成,可以根據(jù)需要構(gòu)成不同階（1階、2階［6］或3階）的被控對(duì)象,如圖２．1所示。壓縮空氣經(jīng)過(guò)兩路進(jìn)入壓力容器中，經(jīng)過(guò)兩個(gè)流量調(diào)節(jié)閥,在單回路控制過(guò)程中，一路作為主回路,另一路作為干擾回路。

圖2.1壓力控制對(duì)象如圖2。１所示,1#、２＃、3＃壓力罐為被控對(duì)象,三個(gè)氣罐的壓力信號(hào)分別由壓力變送器[7]檢測(cè)變成4~２０mＡ的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PＬC（可編程控制器），PLC通過(guò)PID程序運(yùn)算后，輸出4~20mＡ的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),由其控制閥門開度,調(diào)節(jié)氣壓，使氣罐內(nèi)的壓力保持在給定的壓力值上。即當(dāng)氣罐內(nèi)的壓力大于或小于給定值時(shí),ＰLC控制閥門開度,以達(dá)到減壓或者加壓的目的,實(shí)現(xiàn)氣罐內(nèi)的壓力值保持在給定范圍內(nèi)。系統(tǒng)采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，底層選用PLC為控制器,上層選用PC機(jī)為監(jiān)控機(jī)，用STEP7軟件編寫PLＣ控制程序，用ＷinＣC組態(tài)軟件編寫上位機(jī)監(jiān)控程序，完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。圖2。2壓力過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1．２控制方式介紹系統(tǒng)采用單回路控制方式，三個(gè)氣罐的壓力信號(hào)分別由檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～2０ｍA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)[8］送入PLC控制器，經(jīng)過(guò)PＩD算法處理,ＰLＣ輸出4～2０mＡ的模擬信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)氣罐的進(jìn)氣閥門進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)氣罐中的氣體壓力自動(dòng)控制.系統(tǒng)單回路控制原理框圖如圖2．３所示。圖２.3系統(tǒng)單回路控制原理框圖2。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)硬件主要由壓力對(duì)象裝置、PLC控制器以及ＰC計(jì)算機(jī)組成。目前,全世界PLC控制器的廠家約200家，生產(chǎn)3００多種產(chǎn)品，根據(jù)中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室的提供的設(shè)備和調(diào)研結(jié)果，系統(tǒng)選用西門子公司的Ｓ７－３00系列PＬC為控制器，系統(tǒng)的總體硬件示意圖如圖２.4所示。圖２.4系統(tǒng)硬件示意圖底層ＰLＣ與壓力對(duì)象的連接是通過(guò)模擬量輸入輸出模塊，壓力對(duì)象裝置中的壓力變送器將氣罐內(nèi)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～２0mＡ的電流信號(hào)送入ＰLC的模擬量輸入通道，在ＰLＣ中經(jīng)過(guò)多種PIＤ控制運(yùn)算處理,由模擬量輸出通道輸出4~２０mA的電流信號(hào)給壓力裝置中的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),來(lái)控制氣壓的變化。PLＣ與上位機(jī)PC計(jì)算機(jī)之間的通訊［9］有多種方式，由于被控對(duì)象只有一個(gè),而且系統(tǒng)對(duì)ＰC計(jì)算機(jī)沒(méi)有特殊的要求,因此這里采用的是TCP/ＩP通訊方式，簡(jiǎn)單方便。PLＣ的通訊模塊通過(guò)雙絞線連接到交換機(jī),PC計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡也用一根雙絞線連接到交換機(jī),從而ＰＬC控制器和PＣ計(jì)算機(jī)可以通過(guò)IP協(xié)議進(jìn)行通訊。2．3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面:PLC控制程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)。其中,PLC控制程序采用西門子[1０］的SＴEＰ7軟件編程,先對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行組態(tài)，然后使用梯形圖（LAＤ)編寫采樣濾波，輸入輸出線性轉(zhuǎn)換,PIＤ控制算法等程序.上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序采用WinＣＣ組態(tài)軟件[11］編程，編制實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),并能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝過(guò)程進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)以及顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。2。３.1數(shù)字濾波方式的設(shè)計(jì)PLＣ控制器可以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種被控對(duì)象(如溫度、壓力、流量、液位等）進(jìn)行處理，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般都會(huì)有瞬時(shí)干擾對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生影響,系統(tǒng)采取數(shù)字濾波算法[１２］，來(lái)降低或消除采樣過(guò)程中的噪聲影響。本設(shè)計(jì)中,PＬＣ采用的數(shù)字濾波算法是平均值計(jì)算法，即對(duì)采樣和模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換得到多個(gè)數(shù)據(jù),用算術(shù)平均值法求平均值，以此平均值作為模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果進(jìn)行處理。算術(shù)平均值法的算法公式為：公式（２.１）其中：N—采樣次數(shù)；Ｘｉ—第i次采樣值;—平均值。２．3．2ＰＩD控制算法設(shè)計(jì) 在控制工程中，ＰID控制[１３］是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活。PＩD控制表示比例（ｐｒｏｐortiｏnａl）—積分(inｔegrａｌ）—微分(differeｎｔｉaｌ）控制，連續(xù)系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)即為對(duì)誤差的比例、積分、微分。本設(shè)計(jì)中采用的幾種控制算法就是基于PＩD的，包括位置式ＰＩD算法，增量式ＰＩＤ算法，以及在位置式上改進(jìn)的積分分離ＰID算法、帶死區(qū)的PIＤ算法［１３］.1.位置式PＩD算法位置式PＩＤ算法如公式2．2所示.?公式(2。2）式中：為積分時(shí)間常數(shù),為微分時(shí)間常數(shù),為控制周期，稱為比例系數(shù)，為當(dāng)前時(shí)刻的給定量和檢測(cè)量的偏差。２.增量式ＰＩD算法增量式PID算法如公式（2.３）所示。公式（2。3）式中：ｕ（kT）是控制器輸出量的變化量，為當(dāng)前時(shí)刻的給定量和檢測(cè)量的偏差,為上一時(shí)刻的給定量和檢測(cè)量的偏差，為兩個(gè)時(shí)刻前的給定量和檢測(cè)量的偏差，、、、同上。增量式PIＤ算法計(jì)算的是控制器輸出量的變化量u(k），不需要對(duì)偏差進(jìn)行累加?？刂破鬏敵隽繛?而.3.積分分離PＩD算法積分分離PID算法是在位置式PＩD算法上進(jìn)行改進(jìn)的,需要設(shè)置積分分離閾E0。當(dāng)時(shí)，也即偏差值比較小時(shí)，采用ＰＩＤ控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)時(shí)，也即偏差值比較大時(shí),采用PＤ控制，可使超調(diào)量大幅度降低。積分分離算法可表示為公式２。４.公式（２.４)式中,Kl為邏輯系數(shù)，4.帶死區(qū)PＩD算法帶死區(qū)PＩＤ算法是在位置式PＩD算法上進(jìn)行改進(jìn)的。對(duì)于帶死區(qū)的PIＤ算法，需要設(shè)定死區(qū)值，當(dāng)時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出前一個(gè)時(shí)刻的輸出量，即.當(dāng)時(shí)，調(diào)節(jié)器才有ＰＩＤ輸出。帶死區(qū)PID算法可表示為公式2。５。公式(2．５)以上幾種基于ＰID的控制算法在控制效果上有所差異,在第五章中，對(duì)幾種算法分別進(jìn)行整定，并對(duì)各種算法進(jìn)行了比較和分析。基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)３．１系統(tǒng)硬件選型系統(tǒng)硬件主要由壓力對(duì)象、ＰＬＣ控制器以及PＣ計(jì)算機(jī)三個(gè)部分組成。目前世界上不乏生產(chǎn)PLＣ的廠家，主要的有：德國(guó)的西門子（Sieｍens）公司，美國(guó)Ｒｏcｋwｅｌl公司所屬的ＡＢ公司，ＧE—Faｎuc公司,法國(guó)的施耐德（Ｓchneｉｄer）公司，日本的三菱和歐姆龍（OＭＲＯＮ)公司.根據(jù)課題的要求和中南大學(xué)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室的條件,這里選用西門子公司的Ｓ7-300系列ＰＬＣ，壓力對(duì)象也選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的壓力對(duì)象實(shí)驗(yàn)裝置。3．1.１壓力對(duì)象裝置選型該裝置由三個(gè)互相串聯(lián)的不同大小的壓力容器、針型閥、壓力及流量的檢測(cè)［14］、變送、執(zhí)行儀表等組成.從控制角度來(lái)說(shuō),如第二章中圖2。1所示,整個(gè)裝置有三個(gè)壓力檢測(cè)變量（即1#、２＃、3＃罐的壓力），從中選擇一到兩個(gè)作為被控變量。裝置還有兩個(gè)可控變量,即兩路經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)的壓縮空氣流量。支路1的流量通常作為主控變量，而支路２則作為擾動(dòng)輸入。壓力變送器壓力變送器用于測(cè)量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，然后將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成4~2０mADC信號(hào)輸出。壓力變送器主要有電容式壓力變送器和擴(kuò)散硅壓力變送器，陶瓷壓力變送器，應(yīng)變式壓力變送器等。一般意義上的壓力變送器主要由測(cè)壓HＹPEＲLINK＂ｈtｔｐ：／/ｂａｉke.bａiｄｕ．coｍ/view／１1413９2。hｔm"\ｔ＂＿ｂｌaｎk＂元件傳感器（也稱作壓力傳感器)、ＨＹPEＲＬＩＮK”ｈｔtp：／/baｉke.ｂ/viｅｗ/2１3260０．hｔm＂\t＂_ｂlａｎk＂測(cè)量電路和過(guò)程連接件三部分組成.它能將測(cè)壓元件傳感器感受到的HYPERＬINK”ｈtｔp://bａike。ｂaｉdｕ。com／view/100８2.htm＂\t"＿ｂlaｎk＂氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（如4～2０mAＤＣ等)，以供給HYＰＥRLＩＮＫ＂hｔtｐ：／／baikｅ．ｂaｉdｕ.cｏm/vｉeｗ/6０8６９．htｍ＂\t"＿blanｋ"指示報(bào)警儀、HYPＥRＬＩNK"httｐ：//bａike。bａidu。ｃom/ｖieｗ/1６４８1６9。ｈｔm”＼t＂_bｌaｎk"記錄儀、調(diào)節(jié)器等HYPＥRLＩＮＫ”http：//ｂａiｋe。baidu.coｍ/view/1302249．ｈｔm”\t”＿ｂｌａnk”二次儀表進(jìn)行測(cè)量、指示和過(guò)程調(diào)節(jié).本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，壓力變送器采用湖南立升信息設(shè)備有限公司的型號(hào)為ＬSＹB變送器，如圖3．1所示，其量程均為0～80KPa，輸出信號(hào)為4～2０mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。電動(dòng)執(zhí)行器電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它利用某種驅(qū)動(dòng)能源并在某種控制信號(hào)作用下工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用液體、氣體、電力或其它能源并通過(guò)電機(jī)、氣缸或其它裝置將其轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)作用。目前的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含了位置感應(yīng)裝置，力矩感應(yīng)裝置，電極保護(hù)裝置,邏輯控制裝置,數(shù)字通訊模塊及PIＤ控制模塊等,而這些裝置全部安裝在一個(gè)緊湊的外殼內(nèi).本設(shè)計(jì)中選用湖南立升信息設(shè)備有限公司的型號(hào)為L(zhǎng)ＳＤＺ的電子式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),如圖3.2所示,其動(dòng)作范圍為0～9０°，定位精度和位置反饋精度均為0.6%，輸入輸出信號(hào)均為4~２０mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。圖3。1ＬSＹB壓力變送器圖3．2LSDZ電子式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)3。1．2ＰLＣ控制器選型本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用西門子S7—３0０PLC為控制器，因?yàn)槲鏖T子S7－３00系列PＬC功能強(qiáng)大，采用模塊化設(shè)計(jì),有中央處理單元（ＣPU)、各種信號(hào)模塊(ＳM）、通信模塊（CＰ）、功能模塊(ＦM)、電源模塊（PS）、接口模塊（IM）等,有多種規(guī)格的CPＵ可供選擇。本系統(tǒng)采用西門子S7－300系列,ＣPU為315-2ＤＰ的PLC.它執(zhí)行指令時(shí)間短，掃描100０條指令不需１0ms，足以滿足控制的時(shí)間要求。S7-30０PLC的結(jié)構(gòu)S７－３０0系列PLC［1５]采用緊湊的、無(wú)槽位限制的的模塊化組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同,可選擇不同型號(hào)和數(shù)量的模塊，根據(jù)系統(tǒng)的需求,實(shí)驗(yàn)選用的PＬＣ含有中央處理單元(CＰU)、各種信號(hào)模塊（SM)、通信模塊(ＣＰ）、功能模塊（FM）、電源模塊(ＰＳ)、接口模塊（IM）等，結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。CＰＵ3１５-2DP模塊CPU３１５－2DP（315－2AG10－OＡＢ0）模塊本身沒(méi)有集成Ｉ／Ｏ通道，帶有MPＩ（多點(diǎn)接口)和ＰROFＩＢUＳ—ＤP接口。模塊執(zhí)行指令的周期短（每條指令執(zhí)行時(shí)間us級(jí)）,指令豐富。SM323數(shù)字量輸入/輸出模板SM3２３-１ＢH01－0AＡ0數(shù)字量輸入/輸出DI８/DO８×２4VＤＣ/0。5A模板具有以下顯著特性：8個(gè)輸入點(diǎn)，帶隔離，8點(diǎn)為一組８?jìng)€(gè)輸出點(diǎn)，帶隔離，８點(diǎn)為一組額定輸入電壓２４ＶＤＣ額定負(fù)載電壓24VＤC適用于電磁閥、直流接觸器和指示燈模擬量輸入／輸出模板SＭ334模擬量輸入／輸出模板SM334—AI4/ＡO２×8/８位（334－０CＥ01—０ＡA0）具有以下特性和特點(diǎn):四輸入通道和兩輸出通道,精度８位，測(cè)量范圍和輸出范圍為0～10V或0～２0ｍA,不帶隔離的負(fù)載電壓.ＣPU只能以二進(jìn)制處理模擬值。模擬量輸入模板可以將模擬過(guò)程信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。模擬量輸出模板可以將數(shù)字輸出值轉(zhuǎn)換為一個(gè)模擬信號(hào)。通訊模塊ＣP343-1(３４３－1ＥＸ2０－0ＸEO)該模塊用來(lái)連接ＳIMATＩＣS7-300PLC和工業(yè)以太網(wǎng),1０/1００Mｂit/ｓ全雙工，可以自動(dòng)切換。該模塊具有自身的處理器，在工業(yè)以太網(wǎng)上獨(dú)立處理自己數(shù)據(jù),它分擔(dān)CPU的通訊任務(wù)并允許其他連接。通過(guò)CP3４３－1，S7-３00可與計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面裝置設(shè)備進(jìn)行通訊、編程.在本系統(tǒng)中通訊模塊ＣP34３-1通過(guò)RJ4５水晶接頭和集線器相連，然后連接到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)ＰＬC和上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。１。電源模塊2。后備電池３．2４VＤＣ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（CPU31３以上）7。MＰＩ多點(diǎn)接口8．前連接器9。前蓋圖3.3S7－３00ＰＬCPＳ307電源模塊（５Ａ）ＰS３０７—1ＥAＸ0-0AA０電源模塊（５A(chǔ))具有以下特性:輸出電流５Ａ,輸出電壓２4VDC，防短路和開路保護(hù),連接單相交流系統(tǒng)（輸入電壓1２0/2３０VAC,５０/６0Ｈz），可靠的隔離特性，符合ＥN6０950,可用作負(fù)載電源。3。2系統(tǒng)硬件的連接與通訊系統(tǒng)的硬件連接主要包括兩個(gè)方面,一是ＰLC與壓力對(duì)象裝置之間的連接,二是ＰLC與ＰC計(jì)算機(jī)之間的通訊。3.2。1PLＣ與壓力對(duì)象裝置的連接壓力對(duì)象裝置的儀表控制柜的面板上有壓力變送器輸出信號(hào)端PT1、PＴ2、PＴ３以及電動(dòng)閥輸入信號(hào)端ＶＬ１、ＶL2,用導(dǎo)線將其連接到ＰLＣ實(shí)驗(yàn)臺(tái)接線板相應(yīng)的端口，具體可參見下面圖3。4的接線說(shuō)明，這樣即可實(shí)現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)采集與輸出。由于系統(tǒng)選用的壓力變送器輸出信號(hào)和電動(dòng)閥輸入信號(hào)都是4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，所以都選用電流端口。圖3．４PLC與壓力對(duì)象接線說(shuō)明圖3。４中，AI—/AO—是指模擬量輸入輸出的公共端.PT１、ＰＴ2、PＴ3分別指１號(hào)罐壓力、2號(hào)罐壓力、3號(hào)罐壓力的變送器接線端，F(xiàn)１、F2分別指支路１和支路２閥門的接線端。３．2。２ＰＬＣ與ＰC計(jì)算機(jī)間的連接與通訊系統(tǒng)中PLＣ與PC計(jì)算機(jī)之間采用的是TCP/IＰ通訊方式,即ＰLC的通訊模塊通過(guò)雙絞線連接到交換機(jī)，PC計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡也用一根雙絞線連接到交換機(jī)，從而PＬC控制器和PＣ計(jì)算機(jī)可以通過(guò)IＰ協(xié)議進(jìn)行通訊.PLC通信參數(shù)設(shè)置在用STEP7對(duì)PＬＣ硬件組態(tài)時(shí)，需要設(shè)置PＬＣ的通信參數(shù).如圖３．５所示，SＴEＰ7中的ＰLC工程的連接設(shè)備名稱需和本地計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡相同。配置通訊模塊時(shí)，PLC的ＣPＵ模塊的ＩP地址需和計(jì)算機(jī)的ＩP一致。圖３．5ＰLC通信參數(shù)設(shè)置示意圖Wincc通信參數(shù)設(shè)置使用ＷiｎCC編制監(jiān)控程序,也需要設(shè)置WinＣC通信參數(shù)。如圖3.６所示，WinCC項(xiàng)目的邏輯連接設(shè)備名稱需和計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡相同，項(xiàng)目的IＰ協(xié)議也需要和PＣ機(jī)的IP一致。圖3。6WiｎCC通信參數(shù)設(shè)置示意圖基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)基于ＰLC的壓力控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制程序的設(shè)計(jì)和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)。4．1PＬC控制程序ＰLＣ控制程序的開發(fā)是在STEP7軟件平臺(tái)上進(jìn)行的,連接好系統(tǒng)硬件后,打開STEP7軟件,首先需要新建一個(gè)工程，然后對(duì)該工程進(jìn)行系統(tǒng)硬件組態(tài)，并在CPＵ模塊上用梯形圖語(yǔ)言編寫數(shù)據(jù)采樣、數(shù)字濾波、PIＤ控制算法等程序。４.1．１ＳＴEP7軟件介紹ＳTEP7編程軟件是用于SIＭATIＣS7編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具，是SIMＡTＩC工業(yè)軟件的重要組成部分。STＥP７具有硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等.將ＰＣ機(jī)連接到MPI或PＲOFＩBＵS網(wǎng)絡(luò)上［１6]后，可以在STEＰ７中，用項(xiàng)目來(lái)管理系統(tǒng)的硬件和軟件,進(jìn)行硬件的配置和控制程序的編程等。SＴＥＰ７標(biāo)準(zhǔn)軟件包中集成了用于S７—300和S7－４00的編程語(yǔ)言，即梯形邏輯圖(LaｄdｅrLｏｇic）、語(yǔ)句表（SｔatementList）和功能塊圖(ＦｕnｃtｉｏnBlockＤｉagｒaｍ）。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用梯形邏輯圖（LAD）編程，它的指令語(yǔ)法與一個(gè)繼電器的梯形邏輯圖相似。4。１。2PLＣ硬件組態(tài)PLC的硬件組態(tài)是編寫控制程序的前提。在SＴEＰ７軟件平臺(tái)上創(chuàng)建一個(gè)工程，如圖４。１所示,然后分別配置好ＣPU模塊、電源模塊、通信模塊、DＩ／ＤO模塊、AI／AO模塊,如圖4．２所示。圖４．1新建工程ＹT_Pro圖4.２硬件組態(tài)窗口４.１.３PＬＣ控制程序的實(shí)現(xiàn)PLＣ控制程序的設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)化編程［17］的思想，即將復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)分解為小任務(wù)，這些任務(wù)由相應(yīng)的邏輯塊（OB、FＣ）來(lái)表示，程序運(yùn)行時(shí)所需的大量數(shù)據(jù)和變量存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊（ＤＢ）中。調(diào)用時(shí)將“實(shí)參”賦值給形參。定義共享數(shù)據(jù)塊(ＤB）PLC控制程序和實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用是通過(guò)定義共享數(shù)據(jù)塊（DB１）實(shí)現(xiàn)的。共享數(shù)據(jù)塊是用來(lái)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)域,供所有的塊共享。數(shù)據(jù)塊［18]中沒(méi)有STＥＰ7的指令，SＴＥP７按數(shù)據(jù)生成的順序自動(dòng)地為數(shù)據(jù)塊中的變量分配地址。在CPU模塊下,創(chuàng)建共享數(shù)據(jù)塊ＤB,依次寫入系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的變量名，以及其數(shù)據(jù)類型和初始值，STEＰ７自動(dòng)給各個(gè)變量分配地址。這樣，在編寫梯形圖程序的時(shí)候可以對(duì)這些變量進(jìn)行調(diào)用和存儲(chǔ),WinCC編制監(jiān)控界面時(shí)也可以連接到這些變量.共享數(shù)據(jù)塊(DB）的定義如圖4.3所示。2.PLＣ控制主程序PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式,主程序采用組織塊OB１來(lái)編寫的,OB是用于循環(huán)處理的組織塊(主程序）,是操作系統(tǒng)與用戶程序的接口,決定用戶程序的結(jié)構(gòu).組織塊控制掃描循環(huán)和中斷程序的執(zhí)行、PLC的啟動(dòng)和錯(cuò)誤處理等,它可以調(diào)用別的邏輯塊,或被中斷程序（組織塊）中斷。開始控制后,ＰＬＣ主程序首先調(diào)用采樣濾波子程序，采集氣罐氣體壓力信號(hào)。然后讀取控制參數(shù),如果選擇手動(dòng)控制的方式,則直接將手動(dòng)輸出值輸出給閥門，控制閥門開度.如果選擇自動(dòng)控制的方式，則調(diào)用PIＤ控制算法子程序，用選擇的控制算法計(jì)算閥門開度并輸出控制閥門.選擇結(jié)束后，系統(tǒng)將結(jié)束控制。PLC控制主程序流程框圖見圖4。４。圖４．３共享數(shù)據(jù)塊（DB）的定義圖４。4PLC控制主程序流程框圖３.PLC子程序PＬC控制程序的子程序由采樣濾波子程序、PID控制算法子程序、位置式ＰID算法子程序、增量式PＩD算法子程序、積分分離PID算法子程序、帶死區(qū)PID算法子程序組成。子程序采用邏輯塊功能（FC)來(lái)編寫的,將任務(wù)模塊化，在主程序中對(duì)其進(jìn)行調(diào)用即可。功能(ＦC）沒(méi)有固定的存儲(chǔ)區(qū)的塊，其臨時(shí)變量存儲(chǔ)在局域數(shù)據(jù)堆棧中，功能執(zhí)行結(jié)束后,這些數(shù)據(jù)就丟失了。用共享數(shù)據(jù)區(qū)來(lái)存儲(chǔ)那些在功能執(zhí)行結(jié)束后需要保存的數(shù)據(jù)。=1＼*GＢ3①采樣濾波子程序采樣濾波子程序?qū)⒉杉哪M量進(jìn)行數(shù)字濾波處理,來(lái)消除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)干擾對(duì)模擬量信號(hào)的影響，由功能FＣ1編寫。在本設(shè)計(jì)中,采用算術(shù)平均值濾波的方式。在程序中，采樣７次，減去最大值和最小值,再除以５求平均，得出濾波后的結(jié)果。采樣濾波子程序流程框圖如圖4．５所示。圖4。5采樣濾波子程序流程框圖＝2\*GB3②PID控制算法子程序ＰＩD控制算法子程序是用來(lái)管理系統(tǒng)調(diào)用何種PＩD算法的一個(gè)子程序,在PID算法子程序中,有四種ＰID控制算法進(jìn)行選擇，用戶根據(jù)需要選擇調(diào)用相應(yīng)的控制算法,該程序采用功能FＣ3編寫。PID控制算法子程序流程框圖如圖4．６所示.圖４。6PＩD控制算法子程序流程框圖③位置式PID算法子程序位置式PIＤ算法結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，該子程序采用功能FＣ３0編寫。程序中，首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值,然后計(jì)算偏差，輸出ＰID公式計(jì)算的輸出值u（KT）。該子程序流程框圖如圖4．７所示.④增量式PID算法子程序增量式PID算法子程序用功能FＣ31編寫,相比位置式PID算法，增量式PID算法計(jì)算控制量的變化,不需要進(jìn)行偏差的累加.程序讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，計(jì)算偏差，當(dāng)偏差小于死區(qū)值時(shí)，控制量的變化為0;當(dāng)偏差大于死區(qū)值時(shí)，則用增量式ＰIＤ公式計(jì)算控制量的變化ｕ(ＫT），最后輸出。該子程序流程框圖如圖4.8所示。⑤積分分離PID算法子程序積分分離ＰＩD算法是在位置式PID算法上進(jìn)行改進(jìn)的,該子程序采用功能FC３２編寫。程序中,首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值,然后計(jì)算偏差,并對(duì)偏差和積分分離閾值進(jìn)行比較，當(dāng)偏差大于閾值時(shí),邏輯系數(shù)為0，系統(tǒng)沒(méi)有積分作用,輸出PＤ運(yùn)算結(jié)果；當(dāng)偏差小于閾值時(shí),邏輯系數(shù)為1,系統(tǒng)有積分作用，輸出ＰID運(yùn)算結(jié)果.該子程序流程框圖如圖4。９所示.圖4.7位置式ＰID算法子程序流程框圖圖4.8增量式PID算法子程序流程框圖圖４。９積分分離PID算法子程序流程圖圖4．１０帶死區(qū)PＩD算法子程序流程框圖⑥帶死區(qū)式PＩＤ算法子程序帶死區(qū)ＰID算法是在位置式PＩＤ算法上進(jìn)行改進(jìn)的,該子程序采用功能FＣ33編寫.程序中，首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，然后計(jì)算偏差，并對(duì)偏差和控制死區(qū)值進(jìn)行比較，當(dāng)偏差小于死區(qū)值時(shí)，輸出前一個(gè)狀態(tài)的輸出值u(KT-Ｔ）;當(dāng)偏差大于死區(qū)值時(shí)，則用位置式ＰIＤ公式計(jì)算輸出值u（KT)，并輸出。該子程序流程框圖如圖4.10所示。=7\*GB3⑦輸出子程序輸出子程序采用ＦC4編寫，程序?qū)⑤敵鲋迪薹?～１0０，并線性轉(zhuǎn)換成4~2０mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),輸出給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。輸出子程序流程框圖如圖4.11所示.圖4．1１輸出子程序流程框圖4.2上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序[1９]是在組態(tài)軟件WiｎCC平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)的.用組態(tài)軟件編制的監(jiān)控程序包括首頁(yè)、工藝流程圖、實(shí)時(shí)監(jiān)控界面、系統(tǒng)介紹界面,其中實(shí)時(shí)監(jiān)控界面中有壓力曲線圖和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖等。在裝有WｉｎCC的PＣ機(jī)上,監(jiān)控程序只要被激活,就可以作為實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件使用。4。２．1ＷinCC組態(tài)軟件介紹西門子組態(tài)軟件ＷiｎＣＣ［20]是wｉnｄowsConｔrｏlＣenter（視窗控制中心）的簡(jiǎn)稱,是第一個(gè)使用最新的32位技術(shù)的過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng),具有良好的開放性和靈活性。軟件集成了SCＡDA、組態(tài)、腳本語(yǔ)言、OPC等先進(jìn)技術(shù)，提供了Wｉndｏｗs操作系統(tǒng)(Windoｗs２００0或ＸP)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WｉnCＣ繼承了西門子公司的全集成自動(dòng)化產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)和無(wú)縫集成的特點(diǎn)。WｉｎCC運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境，可以與多種自動(dòng)化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目、可視窗口和菜單選項(xiàng),使用方式靈活，功能齊全，用戶在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理,可形成工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線、歸檔以及報(bào)表打?。?１］等。另外WｉnCC還有對(duì)SIＭATIＣPLＣ進(jìn)行系統(tǒng)診斷的選項(xiàng),給硬件的維護(hù)提供了方便。WinＣＣ另一個(gè)特點(diǎn)是在于它的整體開放性，它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機(jī)界面,滿足實(shí)際需要.WinＣＣ基本系統(tǒng)是很多應(yīng)用程序的核心。它包含以下九大部件：=1\＊ＧB3①變量管理器，管理ＷinCＣ中所使用的外部變量、內(nèi)部變量和通訊驅(qū)動(dòng)程序。=２\*GB3②圖形編輯器，用于設(shè)計(jì)各種圖形畫面.＝3\＊ＧB3③報(bào)警記錄，用于定義報(bào)警的類型和時(shí)間及其相關(guān)的詳細(xì)信息。=4\*ＧB3④變量歸檔，負(fù)責(zé)處理測(cè)量值，并長(zhǎng)期存儲(chǔ)所記錄的過(guò)程值。=5\＊GB３⑤報(bào)表編輯器,提供許多標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)表,也可設(shè)計(jì)各種格式的報(bào)表,并可按照預(yù)定的時(shí)間進(jìn)行打印.=６\*ＧB3⑥全局腳本，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員用ＡNSI-C及VｉsuaｌBａsic編寫的代碼，以滿足項(xiàng)目的需要。=7\＊GＢ3⑦文本庫(kù)，編輯不同語(yǔ)言版本下的文本消息.=8\＊GB３⑧用戶管理器,用來(lái)分配、管理和監(jiān)控用戶對(duì)組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)的訪問(wèn)權(quán)限。＝9\＊ＧB3⑨交叉引用表,負(fù)責(zé)搜索在畫面、函數(shù)、歸檔和消息中所使用的變量、函數(shù)、ＯLE對(duì)象和AcｔivｅＸ控件。4．2。２實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的實(shí)現(xiàn)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)在WｉnＣC平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)。WinＣＣ的基本組件包括組態(tài)軟件和運(yùn)行軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)利用ＷｉnCＣ的組態(tài)軟件開發(fā)和組態(tài)一個(gè)項(xiàng)目,利用WiｎCC的運(yùn)行軟件對(duì)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.監(jiān)控程序設(shè)計(jì)的流程框圖如圖4．１2所示。1.項(xiàng)目的創(chuàng)建和通訊驅(qū)動(dòng)的設(shè)置啟動(dòng)WｉnＣC后，創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，并選擇和安裝通訊的驅(qū)動(dòng)程序。在該驅(qū)動(dòng)程序下選擇TCP／IＰ通道單元，建立一個(gè)邏輯連接，并設(shè)置ＩP地址。如圖4.13所示,這樣該項(xiàng)目即與壓力控制系統(tǒng)建立了連接。圖４。１2實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)流程框圖圖4.13TCP／IＰ通道單元邏輯連接的建立２.內(nèi)部變量和過(guò)程變量的創(chuàng)建通訊連接建立完成后,進(jìn)行內(nèi)部變量和過(guò)程變量的創(chuàng)建。內(nèi)部變量可以作為有寫入并顯示功能的Ｉ/O域的變量連接，在WｉnCC界面上將數(shù)據(jù)寫入PＬＣ中需要內(nèi)部變量搭橋。內(nèi)部變量可以直接在變量管理中新建，并且可以對(duì)其進(jìn)行復(fù)制、剪切、粘貼等.過(guò)程變量是WinCC項(xiàng)目與PＬＣ控制系統(tǒng)連接的變量，可以用作I/O域的變量連接。過(guò)程變量需在邏輯連接“壓力控制”中創(chuàng)建。每個(gè)過(guò)程變量必須分配一個(gè)與ＰＬC中對(duì)應(yīng)的地址,地址類型與對(duì)象有關(guān)。過(guò)程變量創(chuàng)建如圖4。14所示。圖４.1４過(guò)程變量創(chuàng)建示意圖３。監(jiān)控界面的創(chuàng)建與編輯在圖形編輯器中,即GraｐhiｃsDeｓign，創(chuàng)建并命名所需的畫面。在對(duì)各畫面進(jìn)行編輯，需先設(shè)計(jì)好畫面之間的切換動(dòng)作，然后逐個(gè)對(duì)各畫面進(jìn)行總體的布局，利用控件創(chuàng)建需要的對(duì)象如按鈕、氣罐、管道、數(shù)據(jù)框、文本框等等，并設(shè)置顏色、大小、Ｃ語(yǔ)言觸發(fā)以及其連接的變量等,過(guò)程畫面的編輯如圖４.１5所示。圖４.15過(guò)程畫面的編輯４.項(xiàng)目的激活過(guò)程畫面編輯完成后,設(shè)置好WinCC系統(tǒng)的運(yùn)行屬性,激活項(xiàng)目,如圖4。1６所示。這樣，監(jiān)控程序開始運(yùn)行。圖4。１6激活項(xiàng)目項(xiàng)目激活后，在安裝了WinCC的PC機(jī)上,可以直接打開yｅ_ｔiａn。MCP文件，運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),當(dāng)成監(jiān)控軟件使用。5。系統(tǒng)監(jiān)控界面展示系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)的界面如下,包括系統(tǒng)首頁(yè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控界面、工藝流程圖界面、系統(tǒng)介紹界面。=１\＊GB3①系統(tǒng)首頁(yè)系統(tǒng)激活后,首先進(jìn)入的是首頁(yè),如圖４.17所示.點(diǎn)擊按鈕“進(jìn)入系統(tǒng)”進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。點(diǎn)擊按鈕“退出系統(tǒng)”即退出系統(tǒng)，并關(guān)閉監(jiān)控軟件。圖４.１７系統(tǒng)首頁(yè)=2\*ＧB３②實(shí)時(shí)監(jiān)控界面(一)進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控界面后，選擇被控對(duì)象、手動(dòng)或自動(dòng)以及控制算法。若選擇手動(dòng)，設(shè)定好手動(dòng)輸出值,然后點(diǎn)擊按鈕“參數(shù)投運(yùn)",系統(tǒng)將把剛剛設(shè)定的手動(dòng)輸出值給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),控制閥門的開度。若選擇自動(dòng)，設(shè)定好各算法相應(yīng)的PＩD參數(shù)以及給定值,然后點(diǎn)擊按鈕“參數(shù)投運(yùn)”，ＰLＣ將通過(guò)對(duì)誤差的PIＤ運(yùn)算計(jì)算輸出值給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的開度，從而使當(dāng)前值越來(lái)越接近給定值。界面上有系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，如圖４。１8所示.圖4.18實(shí)時(shí)監(jiān)控界面－--—實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)=３\＊GＢ3③實(shí)時(shí)監(jiān)控界面（二）在實(shí)時(shí)監(jiān)控界面上，點(diǎn)擊按鈕“壓力曲線”查看壓力變化曲線，右上方標(biāo)明了當(dāng)前值、設(shè)定值及閥門開度相應(yīng)的曲線顏色.利用WiｎCＣ控件自帶的工具,可以查看設(shè)置哪幾條曲線可見、放大部分曲線，暫停曲線等。界面如圖4.19所示。圖4。１9實(shí)時(shí)監(jiān)控界面－——壓力曲線＝4\*GB3④工藝流程圖界面工藝流程圖界面可以看到氣罐、管道、閥門以及儀表控制點(diǎn)等,可以幫助用戶了解系統(tǒng)的工藝流程,界面如圖4.２0所示。圖4．20工藝流程圖界面＝5\*GB3⑤系統(tǒng)介紹界面系統(tǒng)介紹界面有關(guān)于系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件組成和軟件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要介紹,通過(guò)系統(tǒng)介紹界面,用戶可以了解系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)思想，有助于了解和使用系統(tǒng)。界面如圖4．21所示.圖４．21系統(tǒng)介紹界面基于PLC的壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用第五章系統(tǒng)投運(yùn)與調(diào)試第五章系統(tǒng)投運(yùn)與調(diào)試5.1系統(tǒng)運(yùn)行方法系統(tǒng)運(yùn)行的大體順序是需先連接好硬件,然后將STＥＰ7平臺(tái)上創(chuàng)建的工程下載到PＬＣ中，打開WｉnCＣ監(jiān)控程序就可以開始對(duì)壓力對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控。具體操作步驟如下:=１＼＊ＧB3①按照３。2。１節(jié)中的連接說(shuō)明，連接PLC與壓力對(duì)象裝置。按照3.２.2節(jié)中的，用雙絞線將PC計(jì)算機(jī)和PLC連接到同一個(gè)交換機(jī)上。=2\＊ＧB3②打開PＣ計(jì)算機(jī)、PＬC控制器、壓力對(duì)象裝置（以及空氣壓縮機(jī)）等裝置.=３\＊GB3③在PC計(jì)算機(jī)上打開STＥP7軟件,打開已經(jīng)編寫好的工程YＴ_Pｒo,將工程下載到PＬＣ中。=4\＊GＢ3④在PＣ計(jì)算機(jī)上打開WinCC編好的監(jiān)控程序yｅ_tｉａn.MCP,即進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)的首頁(yè)。=5＼*GB3⑤點(diǎn)擊首頁(yè)上的“進(jìn)入系統(tǒng)”，開始實(shí)時(shí)監(jiān)控。在首頁(yè)，若點(diǎn)擊“退出"，可以直接退出系統(tǒng)。＝６＼＊GB3⑥進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控界面后,可以點(diǎn)擊界面上的按鈕，開始或結(jié)束控制，也可以切換到系統(tǒng)工藝流程、系統(tǒng)介紹等其他界面，還可以返回到首頁(yè)。＝7\*GB3⑦在實(shí)時(shí)監(jiān)控界面下,選擇被控對(duì)象、手動(dòng)或自動(dòng)的控制方式以及PID控制算法，設(shè)置好控制參數(shù),然后點(diǎn)擊“參數(shù)投運(yùn)”,此時(shí)系統(tǒng)開始進(jìn)行控制.此后，也可以對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行修改,改變后,都只需點(diǎn)“參數(shù)投運(yùn)”即可。點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)”或“壓力曲線”可以查看實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖或壓力變化趨勢(shì)。=8＼＊GB3⑧控制完成后，點(diǎn)擊“結(jié)束”，然后返回首頁(yè)，點(diǎn)擊“退出”，即可退出系統(tǒng).5.２系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，主要有這幾個(gè)方面的內(nèi)容:一是硬件間的通訊狀態(tài)的診斷,即各個(gè)模塊之間是否連通并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;二是PIＤ參數(shù)的整定，即找出合適的控制參數(shù),使系統(tǒng)的控制效果達(dá)到最佳。5。2．1硬件間的通訊狀態(tài)的診斷進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)后,手動(dòng)給定一個(gè)閥門開度（比40稍大即可,因?yàn)殚y門的動(dòng)作死區(qū)約為38.5），查看系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，觀察當(dāng)前值有無(wú)變化。若有,則說(shuō)明硬件間的通訊正常,可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。若數(shù)據(jù)沒(méi)有變化,或者，顯示當(dāng)前值數(shù)據(jù)框?yàn)榛疑W爍,則說(shuō)明沒(méi)有實(shí)現(xiàn)通訊.本系統(tǒng)可以從兩個(gè)方面進(jìn)行硬件通訊診斷，即為WinCC系統(tǒng)診斷和PLＣ程序執(zhí)行情況診斷。WiｎCC項(xiàng)目通訊診斷ＷinCC軟件自帶一個(gè)項(xiàng)目診斷工具，查看ＷinCC的診斷工具,如圖5。1所示，查看邏輯連接是否連上。診斷結(jié)果如圖5.2所示。圖5。１WinＣC通訊診斷工具圖5.2邏輯連接診斷結(jié)果示意PLＣ程序的執(zhí)行情況診斷在STＥＰ７軟件中，可以對(duì)PLC梯形圖程序的執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)視，如圖5．3所示,查看有無(wú)數(shù)據(jù)采集、程序執(zhí)行過(guò)程中有無(wú)數(shù)據(jù)變化，同時(shí)還可以檢查程序有否按設(shè)計(jì)方式的執(zhí)行。圖5．3PLC程序執(zhí)行情況監(jiān)視5．2.２PIＤ參數(shù)的整定PID控制普遍運(yùn)用于過(guò)程控制［22］系統(tǒng)中，本設(shè)計(jì)中的四種控制算法就是基于ＰIＤ運(yùn)算的。每一種算法都需要進(jìn)行PIＤ參數(shù)的整定，找到最合適的Kp、Ti、Td和控制周期Ｔ，需要考慮死區(qū)的算法還需選取合適的控制死區(qū)，積分分離PIＤ算法需要找到合適的積分分離閾。ＰＩD控制算法簡(jiǎn)單,計(jì)算量較少，并且各參數(shù)之間相對(duì)獨(dú)立,易于整定。對(duì)于壓力、液位、流量等對(duì)象的控制，可以采用比例（P)控制、比例積分（PＩ）控制，也可以采用比例積分微分（PＩD）控制。比例作用會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。Ｋｐ太小,又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢，Kｐ太大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng),系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。Ｋp合適,系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏,調(diào)節(jié)速度加快。在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，Kp加大可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。積分控制可用來(lái)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，因?yàn)橹灰嬖谄?，它的積分所產(chǎn)生的信號(hào)總是用來(lái)消除穩(wěn)態(tài)誤差的,直到偏差為零，積分作用才停止。積分控制通常會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性較低，Tｉ小，積分作用大,振蕩次數(shù)多,Ｔi太小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.Ti太大，積分作用對(duì)系統(tǒng)作用甚微.只有Ti合適，過(guò)渡特性比較理想,能消除穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制的作用,實(shí)質(zhì)上是跟偏差的變化速度有關(guān)，也就是微分的控制作用跟偏差的變化率有關(guān)系。微分控制能夠預(yù)測(cè)偏差，產(chǎn)生超前的校正作用，因此，微分控制可以較好地改善動(dòng)態(tài)性能。選擇合適的Td可以減小超調(diào)量,縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，允許加大比例控制使穩(wěn)態(tài)誤差減小,提高控制精度.1。位置式PIＤ算法參數(shù)整定PID參數(shù)的整定方法是在其他參數(shù)不變的情況下，改變一個(gè)參數(shù)的值,觀察控制效果，首先確定系統(tǒng)的Kp,然后再調(diào)節(jié)Ｔｉ，有需要再調(diào)節(jié)Ｔd和控制周期T。=1\＊GB3①Kp的整定對(duì)比例系數(shù)Kp進(jìn)行整定時(shí),應(yīng)將控制周期Ｔ、積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Td固定，然后Kp從小到大選擇不同的值進(jìn)行相應(yīng)的比較.在本系統(tǒng)中選擇控制周期T=１.0s,積分時(shí)間常數(shù)Ｔｉ＝２5s,微分時(shí)間常數(shù)Td＝0.5ｓ時(shí),Kｐ分別選擇０．8、1．5、1.8進(jìn)行對(duì)比調(diào)試,如圖５。４所示,結(jié)果表明,Kp=0。8時(shí)，超調(diào)較小，系統(tǒng)動(dòng)作靈敏,反應(yīng)速度也較快,為Kｐ最佳值。=２＼＊GＢ3②Ti的整定同理，對(duì)積分時(shí)間Ti進(jìn)行整定時(shí),將控制周期Ｔ、比例系數(shù)Kp和微分時(shí)間常數(shù)Tｄ固定，然后Ti從小到大選擇不同的值進(jìn)行相應(yīng)的比較。本系統(tǒng)中選擇控制周期Ｔ=1.0s,比例系數(shù)Kp=0．８，微分時(shí)間常數(shù)Ｔd＝０s時(shí)，Ti分別選擇３０s和２8s進(jìn)行對(duì)比調(diào)試，如圖５。５所示，結(jié)果表明Ti=28時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差最小，振蕩次數(shù)也較少。圖5.４位置式Tｉ=25ｓ,Td=0.5s，Ｔ=１.0s時(shí),Kp=1．8和Ｋp=0.8的曲線比較圖5。５位置式Kp＝0．8，Tｄ=0s,T=１．0s時(shí)，Ti＝3０s和Ｔｉ=28s的曲線比較＝３＼＊GB３③Ｔd的整定對(duì)微分時(shí)間Td進(jìn)行整定時(shí)，將控制周期Ｔ、比例系數(shù)Kp和積分時(shí)間常數(shù)Ti固定,然后Td從小到大選擇不同的值進(jìn)行相應(yīng)的比較。本系統(tǒng)中選擇控制周期Ｔ=1。0s，比例系數(shù)Ｋp=0。8，微分時(shí)間常數(shù)Td＝0ｓ時(shí),Ti分別選擇3０s和2８s進(jìn)行對(duì)比調(diào)試,如圖5．6所示,結(jié)果表明Ｔd=0。5s時(shí),系統(tǒng)更早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能更好。圖５．６位置式Ｋｐ＝0。8，Ti=2５ｓ,Ｔ＝1。0ｓ時(shí),Tｄ＝0ｓ和Td=0．5s的曲線比較經(jīng)過(guò)調(diào)試,得出了位置式PID算法控制的最佳參數(shù)為Ｋp=0.８，Ti=28s，Tｄ=0．5s，Ｔ＝１．０s，最佳曲線見圖5。7.圖5．7位置式Ｋp=０．8，Ti=2８s,Tｄ=0.５s，T=1.0s時(shí)的最佳曲線位置式PＩD算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不過(guò)位置式PＩD的輸出u(kＴ）是全量輸出，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)所應(yīng)達(dá)到的位置(如閥門的開度)，調(diào)節(jié)器的輸出u（kT）跟過(guò)去的狀態(tài)有關(guān),計(jì)算機(jī)的運(yùn)算工作量大，需要對(duì)ｅ（kＴ）做累加,而且,計(jì)算機(jī)的故障有可能使ｕ(kＴ)做大幅度的變化，這種情況在生產(chǎn)中一般是不容許的,而且有些場(chǎng)合可能會(huì)造成嚴(yán)重的事故.2．增量式PＩD算法參數(shù)整定增量式ＰIＤ算法不需要進(jìn)行偏差的累加,相比位置式PIＤ算法,計(jì)算量大大減小。對(duì)于增量式算法，同樣需要整定Ｋｐ、Ti、Ｔd以及Ｔ,同上,調(diào)試過(guò)程中先確定合適Kp,使系統(tǒng)反應(yīng)速度較快，同時(shí)超調(diào)又較小。然后對(duì)Ti進(jìn)行整定，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小，系統(tǒng)震蕩次數(shù)在可以接受的范圍。如果有必要的話,對(duì)Td和控制周期T進(jìn)行調(diào)整，使系統(tǒng)性能更加理想。=1\＊GＢ3①Kp、Ｔｉ、Td和T的整定增量式算法Kp、Ti、Td和T的整定方法和位置式相同，其他參數(shù)不變的情況下，改變一個(gè)參數(shù)的值，觀察控制效果，首先確定系統(tǒng)的Ｋp，然后再調(diào)節(jié)Tｉ,有需要再調(diào)節(jié)Td和控制周期T。對(duì)Kp的整定,如圖５。8所示,選擇Ｔi=2５ｓ,Tｄ=0s,T＝1．０ｓ，比較Kp=1．６和Kp=0.8的調(diào)試效果,結(jié)果表明，Kｐ＝1.６時(shí)，超調(diào)較小，系統(tǒng)動(dòng)作靈敏,反應(yīng)速度也較快,為Ｋp最佳值。圖5.8增量式Ti=2５s，Td=０s，T＝１．０s時(shí)，Kｐ＝１。6和Kp=０。8的曲線比較同理,對(duì)Tｉ的整定,如圖5.9所示,選擇Kp＝１。6，Tｄ=0s,Ｔ=１.0s時(shí)，比較Ti=３０ｓ和Ｔi＝2５ｓ的控制效果，結(jié)果表明，Ｔi＝25時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差最小,振蕩次數(shù)也較少.對(duì)Td的整定,如圖5．10所示,選擇Kp=１.６，Ｔi=25s,T=１.0s時(shí)，比較Td=0s和Td=0。5ｓ的控制效果，結(jié)果表明,Td＝0s時(shí)，系統(tǒng)更早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能更好。圖５．9增量式Ｋｐ=1。6，Ｔd=0s，T=1。0s時(shí)，Ti=３0s和Ｔi=２5ｓ的曲線比較圖5.１0增量式Kp=1．6,Ｔｉ=2５s,T=１。０s時(shí),Ｔｄ=０ｓ和Td=0．5s的曲線比較經(jīng)過(guò)調(diào)試，得出增量式PIＤ算法控制的最佳參數(shù)為Ｋp=1.6，Tｉ＝25ｓ,Td=0s，Ｔ=1.0s,最佳曲線見圖5。11。圖5.１１增量式Kp=1。6，Ti=２5s，Tｄ=０ｓ,T=1.0s時(shí)的最佳曲線增量式算法雖然只是算法上的一點(diǎn)改動(dòng)，卻有不少的優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)(數(shù)字調(diào)節(jié)器）只輸出增量,計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作時(shí)造成的影響比較小;手動(dòng)—自動(dòng)切換的沖擊小;算式中不需要做累加，增量只跟最近的幾次采樣值有關(guān)，容易獲得較好的控制效果。由于式中無(wú)累加,消除了當(dāng)偏差存在時(shí)發(fā)生飽和的危險(xiǎn)。特別是,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在增量式算法的基礎(chǔ)上也加入了死區(qū)控制，控制死區(qū)選為0．5Kｐa,減少了被控對(duì)象值在設(shè)定值附近的變動(dòng)，從而使得系統(tǒng)更加完善。３。積分分離PID算法參數(shù)整定對(duì)于積分分離算法是在位置式PＩD算法的基礎(chǔ)上,加入了積分分離閾，即當(dāng)偏差大于閾值時(shí)，使積分作用無(wú)效，采用PD控制，當(dāng)偏差小于閾值時(shí)，積分作用才起作用，采用PID控制。積分分離算法的參數(shù)整定，除整定Ｋp、Ti、Ｔd、T外,還需整定積分分離閾值.Kp、Ti、Ｔd、T的整定和前面位置式ＰID算法的一致，經(jīng)過(guò)比較，確定Kp＝２．0時(shí)，超調(diào)較小,系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，反應(yīng)速度也較快；Tｉ=25ｓ時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差最小,振蕩次數(shù)也較少;Td＝0ｓ,沒(méi)有加入微分作用。對(duì)于積分分離閾值的整定，為了更好地觀察控制效果,這里將時(shí)間軸由原來(lái)的1０分鐘調(diào)整為3分鐘,控制曲線更清晰和直觀。圖5。1２、圖5。13和圖5.１4是在Kp=２．０、Ｔi=2５s、Td=０s、T=1．0s時(shí),積分分離閾分別為３0Kｐa、２0Kpa和35Kｐa的曲線圖。圖5。１２積分分離式Ｋｐ=２.0、Ｔi=２5s、Td=0ｓ、T=1．0s，積分閾為３0Kｐa時(shí)的曲線圖圖５．13積分分離式Kp=２。０、Tｉ＝２5s、Td=０ｓ、T=１．0ｓ，積分閾為2０Ｋpa時(shí)的曲線圖圖5．１4積分分離式Ｋp=2。０、Ti=２5s、Ｔd=０s、T＝1。0s，積分閾為35Kpa時(shí)的曲線圖通過(guò)對(duì)比，結(jié)果表明，積分分離閾=30Kpa時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量最小,反應(yīng)也較快，系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。因此，積分分離式的最佳參數(shù)為Kp=2.０,Ti=25s,Tｄ=0s，Ｔ=1。０s,積分閾值＝3０Ｋｐa,如圖５.15所示,此時(shí)控制效果最佳。圖5。15積分分離式Kｐ=2.0,Ti＝２５s，Td=0ｓ，Ｔ=1.0s，積分閾值=30Kｐa時(shí)的最佳曲線系統(tǒng)中加入積分校正以后,會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)量,這對(duì)某些生產(chǎn)過(guò)程是絕對(duì)不允許的，引進(jìn)積分分離算法,既保持了積分的作用，又減小了超調(diào)量,使得控制性能有了較大的改善。４．帶死區(qū)ＰID算法參數(shù)整定帶死區(qū)ＰＩＤ算法是在位置式PID算法的基礎(chǔ)上，加入了控制死區(qū)。積分分離算法的參數(shù)整定，除整定Kp、Tｉ、Tｄ、T外，還需整定控制死區(qū)值.Kp、Ｔｉ、Ｔd、T的整定過(guò)程與位置式ＰID的一樣,經(jīng)過(guò)比較，確定Ｋp=0.８時(shí)，超調(diào)較小,系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，反應(yīng)速度也較快;Ti=35s時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差最小，振蕩次數(shù)也較少;Td=０ｓ，沒(méi)有加入微分作用.對(duì)于控制死區(qū)值的整定，與前面積分分離閾值的整定一樣，為了更好地觀察控制效果，將時(shí)間軸調(diào)整為３分鐘,使控制曲線更清晰和直觀。圖５．16、圖5。1７和圖５.18是在Kp=0.８、Ｔｉ＝35ｓ、Td=０ｓ、T=１.0s時(shí)，控制死區(qū)分別為1.0Ｋpa、０．5Kpa和0.２Ｋpa時(shí)的曲線圖。通過(guò)對(duì)比,結(jié)果表明，控制死區(qū)選擇0。２Kpa時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好,.因此,帶死區(qū)PID算法的最佳參數(shù)為Ｋｐ=0。８,Ｔi=35s，Tｄ=0s，T=１。０s,控制死區(qū)＝0。２,此時(shí)，可以得到最好的控制效果,最佳調(diào)試曲線如圖5．１9所示。圖５．16帶死區(qū)式Kp＝０．8，Ｔi＝3５s,Tｄ=0ｓ，T=1.0ｓ，控制死區(qū)=１.０Kpa時(shí)的控制曲線圖5.1７帶死區(qū)式Kp=０.8,Ti=35s，Tｄ＝0s，T=1。0s，控制死區(qū)＝０。5Ｋｐa時(shí)的控制曲線圖5．18帶死區(qū)式Ｋp＝０.8，Ti=３5s，Td=0s,T=1.0s,控制死區(qū)＝0．２Ｋpa時(shí)的控制曲線圖５．19帶死區(qū)式Kｐ=0.8，Ti=35s,Td=0s,T=1。0ｓ,控制死區(qū)＝0.2Kpａ時(shí)的最佳曲線帶死區(qū)PID控制在常規(guī)的位置式PIＤ基礎(chǔ)上加入了控制死區(qū)，這樣可以減少當(dāng)前值在目標(biāo)值附近的變動(dòng)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作不會(huì)那么頻繁，從而延長(zhǎng)的其使用壽命.帶死區(qū)ＰIＤ適用于要求控制作用少變動(dòng)的場(chǎng)合。５．2.３調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題及其解決辦法=１\＊GB3①上位機(jī)ＳTEＰ７平臺(tái)下的工程和ＰＬC通訊失敗，工程無(wú)法下載到PLＣ中。解決辦法：ＰＣ計(jì)算機(jī)與PLC之間采用TCＰ／IP通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，所以要確保計(jì)算機(jī)的IＰ地址和PＬC的ＩP地址再同一個(gè)網(wǎng)段才行，檢查兩者的ＩP設(shè)置，并進(jìn)行修改。=２\*ＧB3②WｉｎCC項(xiàng)目從一臺(tái)計(jì)算機(jī)拷到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上后，無(wú)法激活。解決辦法:WinCC項(xiàng)目在建立時(shí)，會(huì)根據(jù)當(dāng)前的計(jì)算機(jī)確定計(jì)算機(jī)名,兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的名稱是不一樣的,所以導(dǎo)致項(xiàng)目不是本地文件，無(wú)法激活.需將WiｎＣC項(xiàng)目的計(jì)算機(jī)名改成和新ＰC機(jī)一致。＝3＼＊GB3③項(xiàng)目激活后,實(shí)時(shí)監(jiān)控界面上連接過(guò)程變量的輸入輸出域?yàn)榛疑?，且沒(méi)有變化.解決辦法:利用WiｎＣC自帶的工具進(jìn)行檢測(cè)打開開始WinCCToolsCｈａｎnｅｌDiaｇnoｓis,查看ＷｉnCＣ項(xiàng)目的通訊情況,若為紅色的叉,則通訊失敗,需重新配置通信參數(shù)。若為綠色的勾,則說(shuō)明通訊成功，是輸入輸出域連接的變量有問(wèn)題，確認(rèn)變量名稱、變量的數(shù)據(jù)類型、地址、變化時(shí)間是否正確。＝４\＊GB３④壓力對(duì)象的量程為0~８０Ｋpａ，但是輸入線性轉(zhuǎn)換得到的都是0~100的電壓當(dāng)前值,如何解決量程不一致的問(wèn)題。解決方案:在數(shù)據(jù)塊中創(chuàng)建一組新的變量，將1、2、3號(hào)罐的壓力當(dāng)前值以及濾波后的結(jié)果乘以0.8,存入前面創(chuàng)建的一組變量中，在顯示和ＰIＤ計(jì)算時(shí),使用這樣一組變量即可。=５＼＊GB3⑤項(xiàng)目激活后,監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)沒(méi)有變化,一直顯示最初的數(shù)據(jù)。解決方法：ａ．打開梯形圖程序監(jiān)視工具,查看程序有無(wú)執(zhí)行，相應(yīng)的變量有無(wú)數(shù)據(jù)變化。b。查看WinＣC項(xiàng)目中過(guò)程變量的地址是否出錯(cuò)，其需和STEP７中的數(shù)據(jù)塊中分配的地址一致，若不一致,需進(jìn)行修改.ｃ．WｉnCC項(xiàng)目中，過(guò)程畫面編輯過(guò)程中,使用了C-Actｉon來(lái)編輯按鈕等控件的動(dòng)作.檢查Ｃ語(yǔ)言中的變量名稱是否完全正確，可能會(huì)出現(xiàn)寫錯(cuò)、大小寫不一致等情況,這屬于與粗心引起的錯(cuò)誤,需使其和定義的變量完全一致?；赑LC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用第六章總結(jié)與展望第六章總結(jié)與展望6。1課題研究總結(jié)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,ＰLC向著小型化、專用化、大容量、高速度和智能化的方向發(fā)展,性價(jià)比不斷提高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中.組態(tài)軟件的出現(xiàn),改變了工控領(lǐng)域的用戶通過(guò)手工或委托第三方編寫ＨMI應(yīng)用，開發(fā)時(shí)間長(zhǎng),效率低，可靠性差；選擇余地小,不能滿足用戶需求；難與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互以及升級(jí)和增加功能都受到嚴(yán)重的限制的現(xiàn)狀，使用戶可以利用組態(tài)軟件的功能，構(gòu)建一套最適合自己的應(yīng)用系統(tǒng)。基于ＰＬC的壓力過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),利用了ＰC計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)能力、ＰLC抗干擾能力強(qiáng)、適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn),融合了先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)[23]、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù),具有可靠性高、維護(hù)容易等特點(diǎn)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力對(duì)象的測(cè)量、自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有人機(jī)交互功能，監(jiān)控軟件界面美觀,操作起來(lái)簡(jiǎn)單明了,程序使用方便靈活,可移植性較高，實(shí)現(xiàn)了課題的要求。以下是對(duì)系統(tǒng)的幾點(diǎn)總結(jié)。=1\*GB3①系統(tǒng)中控制算法的選擇是影響系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。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(lái)確定,這時(shí)應(yīng)用PＩD控制技術(shù)最為方便.系統(tǒng)采用ＰID控制,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、參數(shù)的整定也方便。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了位置式、增量式、積分分離式、帶死區(qū)式四種ＰID算法,可以適應(yīng)被控對(duì)象的特性，實(shí)現(xiàn)達(dá)到很好的控制效果。＝２＼*GB3②ＰLC采用的算法平均值法進(jìn)行數(shù)字濾波處理,即對(duì)采樣和模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換得到多個(gè)數(shù)據(jù)，用算術(shù)平均值法求平均值，以此平均值作為模擬量／數(shù)字量轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果進(jìn)行處理。這樣很好地降低或消除了采樣過(guò)程中的噪聲影響，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。=３＼＊GB3③系統(tǒng)有良好的人際交互界面,在PC計(jì)算機(jī)上借助西門子WinCＣ組態(tài)軟件，編制實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件,用戶可以直接在ＰC機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)視并控制壓力對(duì)象。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面以選項(xiàng)卡的形式構(gòu)成，從系統(tǒng)首頁(yè)進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控后，用戶可以輕松點(diǎn)選,進(jìn)入各個(gè)界面.系統(tǒng)介紹界面可以幫助用戶了解和使用該控制系統(tǒng).=４\＊GB3④系統(tǒng)PＬC控制器與PC計(jì)算機(jī)之間采用的是TＣP/IP通訊方式,即ＰLC的通訊模塊通過(guò)雙絞線連接到交換機(jī),PC計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡也用一根雙絞線連接到交換機(jī),從而ＰLＣ控制器和PC計(jì)算機(jī)可以通過(guò)ＩP協(xié)議進(jìn)行通訊。這種通訊方式連接簡(jiǎn)單,操作方便.6.２后續(xù)工作展望基于PＬC的壓力過(guò)程控制系統(tǒng)達(dá)到了課題設(shè)計(jì)的要求，但是由于時(shí)間的關(guān)系，還存在很多不足的地方?？梢葬槍?duì)以下幾點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善,使其更適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng),在過(guò)程控制領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。＝１＼＊GＢ3①?？刂扑惴ㄟM(jìn)一步優(yōu)化。在控制系統(tǒng)中，串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)改善控制過(guò)程的品質(zhì)極為有效，它改善了單回路系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)