基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

1第一章緒論1.1PLC的定義及現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器(ProgrammableLogicController.以下簡(jiǎn)稱PLC)由原來簡(jiǎn)單的邏輯量控制，逐步具備了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能，同時(shí)，還具有抗干擾性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、體積小、編程方便、修改容易、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大等顯著優(yōu)點(diǎn)，它可以與計(jì)算機(jī)一起組成功能完備的控制系統(tǒng)。PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在PLC組成的控制系統(tǒng)中，一般由上、下位微機(jī)組成主從式控制系統(tǒng)。PLC作為下位機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別、輸入輸出控制等，上位機(jī)（微型計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制機(jī)），完成采集數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、分析處理、復(fù)雜運(yùn)算、狀態(tài)顯示以及打印輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。微型計(jì)算機(jī)與PLC組成的主從式實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)和功能，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。PLC的定義如下：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、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?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原理設(shè)計(jì)”1。S7-300的CPU具有豐富的指令功能，編程十分方便。采用PLC作為溫度控制系統(tǒng)的核心，克服了以往儀表控制的單回路調(diào)節(jié)器的缺點(diǎn)，可以由用戶自己定義控溫曲線，同時(shí)利用PLC控制邏輯量的優(yōu)點(diǎn)，與輸入、輸出信號(hào)通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)連鎖，可以對(duì)各種故障情況及時(shí)做出反應(yīng)，使控制系統(tǒng)更加安全可靠。1.2過程工業(yè)控制算法的應(yīng)用現(xiàn)狀(1)PID控制算法大量的事實(shí)證明，傳統(tǒng)的PID控制算法對(duì)于絕大部分工業(yè)過程的被控對(duì)象(高達(dá)90%)可取得較好的控制結(jié)果。采用改進(jìn)的PID算法或者將PID算法與其他算法進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合往往可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。(2)預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)控制是直接從工業(yè)過程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型控制算法.它高度結(jié)合了工業(yè)實(shí)際的要求，綜合控制質(zhì)量比較高，因而很快引起工業(yè)控制界以及學(xué)術(shù)界的廣泛興趣與重視。預(yù)測(cè)控制有三要素，即預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。它的機(jī)理表明它是一種開放式的控制策略,體現(xiàn)了人們?cè)谔幚韼в胁淮_定性問題時(shí)的一種通用的思想方法。(3)自適應(yīng)控制2在過程工業(yè)中，不少的過程是時(shí)變的，如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器，則控制系統(tǒng)的性能會(huì)不斷惡化，這時(shí)就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來適應(yīng)時(shí)變的過程。它是辨識(shí)與控制的結(jié)合。目前，比較成熟的自適應(yīng)控制分三類:A、自整定調(diào)節(jié)器及其它簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制器；B、模型參考自適應(yīng)控制；C、自校正調(diào)節(jié)與控制。自適應(yīng)控制己在工程實(shí)際中得到了不少的應(yīng)用，但它至今仍然有許多待進(jìn)一步解決的問題(特別在參數(shù)估計(jì)方面)，這些問題不解決，自適應(yīng)控制的廣泛應(yīng)用仍將遇到許多困難。（4）智能控制隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性以及對(duì)控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。另外，被控工業(yè)過程日趨復(fù)雜，過程嚴(yán)重的非線性和不確定性，使許多系統(tǒng)無法用數(shù)學(xué)模型精確描述。沒有精確的數(shù)學(xué)模型作前提，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)過程往往可以取得很好的控制效果。常見的智能控制方法有以下幾種:模糊控制、分級(jí)遞階智能控制、專家控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制等。這些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。研究表明將它們相互交叉結(jié)合或與傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合將會(huì)產(chǎn)生更佳的效果16。智能控制在家電行業(yè)及工業(yè)過程中取得了許多成功的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)外，模糊控制與人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)也在石化、鋼鐵、冶金、食品等行業(yè)取得了成功的應(yīng)用。1.3預(yù)測(cè)控制的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論從60年代初期發(fā)展以來，已取得了很大進(jìn)展，對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。但隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對(duì)大型、復(fù)雜和不確定性系統(tǒng)實(shí)行自動(dòng)控制的要求不斷提高，使得現(xiàn)代控制理論的局限性日益明顯。一般來說，實(shí)際工業(yè)過程常具有非線性、時(shí)變性和不確定性，且絕大多數(shù)工業(yè)過程是多變量的，難以建立它們精確的數(shù)學(xué)模型。即使一些對(duì)象能夠建立數(shù)學(xué)模型，它們的結(jié)構(gòu)也往往十分復(fù)雜，難于設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)有效控制。近年發(fā)展起來的自適應(yīng)、自校正控制技術(shù)，雖然能在一定程度上解決不確定性問題，但其本質(zhì)仍然要求在線辨識(shí)對(duì)象模型，所以算法復(fù)雜，計(jì)算量大，且它對(duì)過程的未建模動(dòng)態(tài)和擾動(dòng)的適應(yīng)能力差，系統(tǒng)的魯棒性問題尚有待進(jìn)一步解決，因此應(yīng)用范圍也受到限制?；谏鲜銮闆r，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)的過程控制器的控制效果，往往還不如按經(jīng)典理論設(shè)計(jì)的PID調(diào)節(jié)器好。因此，到目前為止，在工業(yè)過程中，占統(tǒng)治地位的仍然是經(jīng)典的PID調(diào)節(jié)器。為了克服理論與應(yīng)用間的上述不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，從70年代以來，人們除了加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)過程的建模、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、魯棒控制等的研究外，開始打破傳統(tǒng)控制思想的束縛，試圖面向工業(yè)過程的特點(diǎn)，尋找各種對(duì)模型要求低、在線計(jì)算方便、控制綜合效果好的算法。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)向小型、高速、大容量、低成本方向的發(fā)展，也為這類新算法的實(shí)現(xiàn)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。預(yù)測(cè)控制就是這種情況下發(fā)展起來的一類新型計(jì)算機(jī)控制算法。預(yù)測(cè)控制不是某一種統(tǒng)一理論的產(chǎn)物，而是在工業(yè)實(shí)踐過程中獨(dú)立發(fā)展起來的。它是由美國(guó)和法國(guó)幾家公司在70年代先后提出的。而且一經(jīng)問世，就在石油、電力和航空等工業(yè)中得到十分成功的應(yīng)用。隨后又相繼出現(xiàn)了各種其他相近的算法，到目前為止已有幾十種之多，可統(tǒng)稱為預(yù)測(cè)控制算法。最早應(yīng)用于工業(yè)過程的預(yù)測(cè)控制算法，有Richalet、Mehra等提出的、建立在非參數(shù)模型脈沖響應(yīng)基礎(chǔ)上的模3型預(yù)測(cè)啟發(fā)控制(MPHC)，或稱為模型算法控制(MAC)，以及Culter等提出的、建立在非參數(shù)模型階躍響應(yīng)基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)等。由于這類算法用來描述過程動(dòng)態(tài)行為的信息，是直接從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的過程響應(yīng)(即脈沖響應(yīng)或階躍響應(yīng))，且不需要事先知道過程模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的有關(guān)先驗(yàn)知識(shí)，也不必通過復(fù)雜的系統(tǒng)辨識(shí)來建立過程的數(shù)學(xué)模型，即可根據(jù)某一優(yōu)化指標(biāo)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，確定一個(gè)控制量的時(shí)間序列，使未來一段時(shí)間內(nèi)被調(diào)量與經(jīng)過柔化后的期望軌跡之間誤差為最小。由于預(yù)測(cè)控制算法采用的是不斷在線優(yōu)化，且在優(yōu)化過程中不斷通過實(shí)測(cè)系統(tǒng)輸出與預(yù)測(cè)模型輸出誤差和某些不確定性干擾等的影響，使系統(tǒng)的魯棒性得到增強(qiáng)，適用于控制復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過程。1.4現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線(Profibus)就是通訊總線一直延伸的現(xiàn)場(chǎng)儀表，使得許多現(xiàn)場(chǎng)儀表，如變送器、調(diào)節(jié)閥、基地式控制器、記錄儀、顯示器、PLC及手持終端和控制室自動(dòng)化設(shè)備間可以在同一總線上進(jìn)行雙向多信息數(shù)字通信。形象一點(diǎn)，可以把現(xiàn)場(chǎng)總線看成是用全數(shù)字化、多向、多變量的通信方式來替代目前使用的4-20mA單變量單向模擬傳輸方式9。現(xiàn)場(chǎng)總線的功能特點(diǎn)及趨勢(shì)如下：a.設(shè)備的互操功能現(xiàn)場(chǎng)總線的互操性是指允許現(xiàn)場(chǎng)總線中集成不同廠家的產(chǎn)品。并允許用不同廠家的設(shè)備來更換故障設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的互操性由功能塊和設(shè)備描述兩個(gè)基本部分來保證。功能塊提供了通用的結(jié)構(gòu),適用于定義的輸入、輸出、控制算法、事件、報(bào)警和塊控制圖。各廠家的相同等級(jí)的設(shè)備的功能塊是通用的,這樣就保證了系統(tǒng)的完整性。功能塊還允許功能的轉(zhuǎn)移,尤其是將控制策略轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上去。例如:通過現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)通信,將PID控制策略轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)智能執(zhí)行器中去,DCS可以去完成別的功能。b.設(shè)備的管理功能隨著生產(chǎn)的發(fā)展,人們對(duì)生產(chǎn)過程和生產(chǎn)過程設(shè)備的管理水平不斷提高,對(duì)質(zhì)量管理,法規(guī)執(zhí)行情況的監(jiān)督要求也不斷提高。這要求過程控制系統(tǒng)不僅能傳送生產(chǎn)過程的控制信息,還要能傳送大量的非控制信息。現(xiàn)行的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中所傳送的信息,大部分為與生產(chǎn)過程控制有關(guān)的控制信息。今后的生產(chǎn)過程中,總的信息量是會(huì)有較大的增加，其中控制信息量所占的比重要小于非控制信息量所占的比重。現(xiàn)場(chǎng)各種智能化設(shè)備的廣泛使用和非控制信息量的加大為在線管理生產(chǎn)過程的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供了可能。使過程控制變化為過程管理,即:過程管理=過程控制+設(shè)備管理。1.5論文內(nèi)容的研究工作本文的主要內(nèi)容包括：PID參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較；DMC算法的熟悉及應(yīng)用PLC語(yǔ)句編程來控制熱交換器熱水出水口的溫度；S7-300可編程控制器的硬件組態(tài)的掌握；應(yīng)用PID控制算法和DMC算法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析以及在過程控制中遇到的問題分析。4第二章溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)是用于控制理論算法研究的良好的實(shí)驗(yàn)手段。本章將主要介紹溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和控制方案的設(shè)計(jì)。2.1過程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中用到的有惠爾儀器的AE2000A型過程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)、AE2000A型過程控制實(shí)驗(yàn)儀表控制臺(tái)和西門子PLC（S7-300系列）控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)的原理圖如圖2-3所示。閥111為手動(dòng)閥溫度傳感器：Pt100熱電阻，經(jīng)過溫度變送器送出420mA的電流單向泵1：家用型單向泵渦輪流量計(jì)：輸出信號(hào)：420mA，測(cè)量范圍：00.6m3/h壓力表：測(cè)量范圍：00.25MPaQS智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：輸出電流420mA單相可控硅移相調(diào)壓：通過420mA電流控制信號(hào)控制單相220V交流電源在0220V之間根據(jù)控制電流的大小實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化2.2西門子PLC控制系統(tǒng)大、中型PLC（例如西門子的S7-300和S7-400系列）一般采用模塊式結(jié)構(gòu)，用搭積木的方法來組成系統(tǒng)，模塊式PLC由機(jī)架和模塊組成，S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。品種繁多的CPU模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時(shí)更換模塊也很方便。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和更為復(fù)雜的時(shí)候，可以增加模塊，對(duì)PLC進(jìn)行擴(kuò)展。簡(jiǎn)單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)能力，使其應(yīng)用十分靈活。S7-300的CPU模塊集成了過程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序。每個(gè)CPU都有一個(gè)編程用的RS-485接口，現(xiàn)在使用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置帶有了集成的現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS