畢業(yè)設(shè)計(jì)論文--顧亞輝.doc

摘要在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位變量是最常見、最廣泛的過程參數(shù)之一。在油工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類流體的液位高度進(jìn)行檢測和控制。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變等特點(diǎn)，它對控制調(diào)節(jié)器要求極高。針對人工控制液位的準(zhǔn)度較低、速度較慢、靈敏度偏低等一系列問題。本文提出了基于PLC的液位控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要通過將液位傳感器檢測到的電信號通過接口送入PLC中，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，隨后送入數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中，經(jīng)PID算法后將控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的電信號送入水泵電機(jī)來控制水泵轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到控制液位的目的。通過仿真和分析結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行并且達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的，能夠準(zhǔn)確、快速地控制液位，克服了傳統(tǒng)液位控制系統(tǒng)的很多弊端。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，簡稱PID控制。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為液位控制的主要技術(shù)之一。 可編程控制器是一種應(yīng)用廣泛非常的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合液位控制的要求。目前常用的可編程控制器中，西門子公司的S7-200以其編程軟件STEP7的簡潔易用和通信網(wǎng)絡(luò)的功能強(qiáng)大得到業(yè)內(nèi)人十的普遍認(rèn)可。關(guān)鍵詞：西門子S7-200；PID；液位變送器AbstractIn industrial processes, the level variables are the most common, the most widely used process parameters. In the oil industry, chemical industry, power engineering, machinery manufacturing and food processing and many other areas, people need all kinds of fluid liquid level detection and control. Because of its complex conditions, parameter changing characteristics, its control regulator demanding. For manual control of the lower level of accuracy, speed, slow, low sensitivity and other issues. In this paper, based on the level of PLC control system, the system mainly through the level sensor detects the electrical signals through the interface into the PLC, after A / D converted into digital signals, then sent to a digital PID regulator by PID After controlling the amount of algorithms through D / A converter to the pump motor speed into an electrical signal corresponding pump motor to control the pump speed, and ultimately achieve the purpose of the control level. Through simulation and analysis results show that this system is designed to function properly and achieve the purpose of the design that can accurately and quickly control the liquid level, to overcome the many drawbacks of traditional level control system. In engineering practice, the most widely regulator control law is proportional, integral, differential control, referred to as PID control. PID controller with its simple structure, good stability, reliable, easy to adjust and become one of the major technical level control. Programmable controller is a very wide range of automatic control device applications, will traditional relay control technology, computer technology and communication technology integration, with a strong ability to control, flexible operation, high reliability, suitable for long-term continuous work features, ideal for liquid level control. The commonly used programmable controller, S7-200 programming software is simple to use and its communications network functions Siemens STEP7 powerful people in the industry get ten universally accepted. Keywords: Siemens S7-200, Level Transmitter, PID 1引言 1.1題研究背景、意義和目的為了解決人工控制的控制準(zhǔn)度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問題。從而我們現(xiàn)在就引入了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制。在自動(dòng)化控制的工業(yè)生產(chǎn)過程中，一個(gè)很重要的控制參數(shù)就是液位。一個(gè)系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，直接影響到了工業(yè)生產(chǎn)的安全與否、生產(chǎn)效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。隨著現(xiàn)在工業(yè)控制的要求越來越高，一般的自動(dòng)化控制已經(jīng)也不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)控制的需求，所以我們就又引入了可編程邏輯控制（又稱PLC）。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及時(shí)。液位控制系統(tǒng)它使我們的生活、生產(chǎn)都帶來了不可想象的變化。它使在控制中更加的安全，節(jié)約了更多的勞動(dòng)力，更多的時(shí)間。在我國隨著社會(huì)的發(fā)展，很早就實(shí)行了自動(dòng)控制。而在我國液位控制系統(tǒng)也利用得相當(dāng)?shù)膹V泛，特別在鍋爐液位控制，水箱液位控制。還在黃河治水中也的到了利用，通過液位控制系統(tǒng)檢測黃河的水位的高低，以免由于黃河水位的過高而在不了解的情況下，給我們?nèi)嗣駧砩ｋU(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失。傳統(tǒng)供水系統(tǒng)采用基于PLC的PID 控制原理，PID控制原理簡單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制領(lǐng)域 ，使供水系統(tǒng)更加的安全可靠。 可編程邏輯控制器既保留了繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于與計(jì)算機(jī)通信和維修方便等諸多高品質(zhì)性能，又采用一種可編程運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。因此，現(xiàn)在PLC在液位控制領(lǐng)域得到了廣泛而深入的應(yīng)用。1.2 液位控制問題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近幾十年來，控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在起研究和發(fā)展上也已趨于完備，控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周遭的事物。液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的，蓄水槽、污水處理廠等都需要液位元的控制。使用液位控制系統(tǒng)來自動(dòng)維持液位高度，工作人員可以輕易在操作室獲知整個(gè)設(shè)備的儲(chǔ)水狀況，大大減低工作人員工作的危險(xiǎn)性，同時(shí)更提高了工作的效率及簡便性。除了傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)外，近年來隨著智能儀表和PLC的發(fā)展，加入智能型控制的系統(tǒng)也得以應(yīng)用。由于液位控制系統(tǒng)取得了很大的進(jìn)步，因此出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、光電液位開關(guān)等，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。在自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，美國、德國、日本等技術(shù)領(lǐng)先國家，生產(chǎn)開發(fā)出一系列性能優(yōu)異、實(shí)用性強(qiáng)的液位控制器以及和應(yīng)的儀器儀表，并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。這些先進(jìn)的控制器不僅能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境下的液位控制系統(tǒng)的控制，而且運(yùn)用先進(jìn)的算法，采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及計(jì)算機(jī)技術(shù)，使液位控制器的適用范圍更加廣泛。國外的液位控制器正朝著高精度、智能化等力一向快速發(fā)展。反觀我國，雖然液位控制。系統(tǒng)在國內(nèi)生產(chǎn)生活的應(yīng)用十分廣泛，但是國內(nèi)的液位控制器的發(fā)展水平仍然不高，同先進(jìn)國家的差距仍然很大。國內(nèi)液位控制器仍以常規(guī)的PID控制器為主，無法適用于滯后、復(fù)雜、時(shí)變的液位系統(tǒng)控制。智能化、自適應(yīng)的控制系統(tǒng)，國內(nèi)還沒有相關(guān)的成熟技術(shù)。我國相關(guān)控制器大量依靠國外的成熟技術(shù)，這些都是必須正視的現(xiàn)實(shí)。所以，發(fā)展先進(jìn)的液位控制技術(shù)是我們必須重視的趨勢。1.3 研究概述及發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對液位控制系統(tǒng)的要求越來越高，特別是高精度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國內(nèi)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。1）PLC關(guān)于液位控制的發(fā)展趨勢人們的生活的提高，同時(shí)對生活的要求也越來越高，同樣對液位控制的及時(shí)性、精準(zhǔn)性也要求越來越苛刻！基于PLC的液位控制有著，第一，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，平均故障時(shí)間為幾十萬小時(shí)。而且PLC采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。第二，編程簡單、使用方便目前大多數(shù)PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，很容易被操作人員接受。一些PLC還根據(jù)具體問題設(shè)計(jì)了如步進(jìn)梯形指令等，進(jìn)一步簡化了編程。第三，設(shè)計(jì)安裝容易，維護(hù)工作量少。第四，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，采用封裝的方式，適合于各種震動(dòng)、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場合。第五，與外部設(shè)備連接方便，采用統(tǒng)一接線方式的可拆裝的活動(dòng)端子排，提供不同的端子功能適合于多種電氣規(guī)格。第六，功能完善、通用性強(qiáng)、體積小、能耗低、性能價(jià)格比高。所以基于PLC的液位控制系統(tǒng)的發(fā)展前景還是非常寬廣！長期以來，PLC始終處于工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動(dòng)化控制設(shè)備提供非?？煽康目刂品桨?，與DCS和工業(yè)PC形成了三足鼎立之勢。同時(shí)，PLC也承受著來自其它技術(shù)產(chǎn)品的沖擊，尤其是工業(yè)PC所帶來的沖擊，如今PLC在向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化和開放性方向發(fā)展。2）PLC在工業(yè)和經(jīng)濟(jì)上的發(fā)展前景目前我國在大量引進(jìn)進(jìn)口PLC的同時(shí)，也在發(fā)展國產(chǎn)PLC的同時(shí)，主要面臨著二大問題：其一是技術(shù)問題，在國際上PLC迅速發(fā)展的形勢下，我國大多數(shù)PLC廠家還沒有擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，能夠參與國際競爭的PLC產(chǎn)品，這其中主要的因素是研發(fā)實(shí)力不夠。雖然資金投入、生產(chǎn)和質(zhì)量管理等因素也占有非常大的比重，但對產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性作用的是研發(fā)投入、研發(fā)成果產(chǎn)品化以及生產(chǎn)工藝等。其二是競爭問題，由于國內(nèi)PLC市場大部分由外國的產(chǎn)品所占領(lǐng)，大、中型PLC產(chǎn)品中，幾乎全部由國外幾大公司壟斷，隨著我國使用PLC市場的不斷擴(kuò)大，國外幾大公司幾乎每年都會(huì)針對市場推出新的產(chǎn)品，而我國沒有自己的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，在經(jīng)濟(jì)競爭中就只能處于被動(dòng)的地位。1.4 本文的組織結(jié)構(gòu)本文的主要內(nèi)容安排如下：第1章簡要介紹了PLC液位控制系統(tǒng)的背景、技術(shù)的研究、發(fā)展趨勢以及液位控制的意義和方法，國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢以及論文研究的意義。第2章主要介紹了PLC的一些相關(guān)的知識(shí)及其的一些組成部分的闡述。第3章簡要介紹系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路和元器件的選擇及其相關(guān)知識(shí)的介紹。第4章簡要介紹了PID控制器的原理，控制算法，指令的使用，歸一化處理以及參數(shù)整定，最后簡要介紹了閉環(huán)控系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)的比較。第5章簡要介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，其中介紹了，液位變送器以及西門子S7-200PLC等器件，以及它們的使用方法。第6章主要介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，講述了本次設(shè)計(jì)的中心思想，I/O口的使用在本次設(shè)計(jì)中的作用，一些變量在程序中所占用的內(nèi)存，程序設(shè)計(jì)的流程圖，重點(diǎn)程序設(shè)計(jì)梯形圖的講解。第7章是總結(jié)部分，對本次畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。2 PLC相關(guān)知識(shí)及特點(diǎn)介紹2.1 PLC的定義PLC英文全稱Programmable Logic Controller ，中文的全稱為可編程序邏輯控制器，定義是：它是一種數(shù)字類型的具有運(yùn)算及操作功能的一個(gè)電子系統(tǒng)，是專門用于工業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境中。它使用的是一種可以編程的特殊類型的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部進(jìn)行存儲(chǔ)已經(jīng)編寫好的程序，執(zhí)行某些邏輯等運(yùn)算的功能，還可以進(jìn)行順序控制，定時(shí)也是它的其中一種功能，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)室中提供的PLC是德國的西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的。而且，可編程序控制器在我國的其它行業(yè)中也得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，在化工等領(lǐng)域的應(yīng)用頻率是最高的。西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的PLC。包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等不同的系列。 我們使用的西門子S7-200系列，其優(yōu)點(diǎn)是：體積小且具有網(wǎng)絡(luò)通信的能力，當(dāng)然還有其它的特點(diǎn)，當(dāng)使用時(shí)就可以發(fā)現(xiàn)它的好處。S7系列的PLC產(chǎn)品，一般分為微型的PLC（如S7-200），還有小規(guī)模類型的PLC，其性能也是非常好的，還有S7-300系列的PLC，也是中、高性能的PLC。2.2 PLC的分類可編程序控制器的分類方法可以從三個(gè)方面來進(jìn)行劃分。首先是從可編程序控制器的控制規(guī)模上去分類，按控制規(guī)模分類：它可以分為大型機(jī)、中型機(jī)和小型機(jī)。小型機(jī)：控制點(diǎn)在256點(diǎn)之內(nèi)就被叫做小型機(jī)，它可以用來進(jìn)行單機(jī)控制或者是小型系統(tǒng)的控制。西門子公司生產(chǎn)的小型機(jī)有S7-200：它的處理速度0.81.2ms ；數(shù)字量248點(diǎn)；存貯器2k ； 模擬量35路 。中型機(jī)：控制點(diǎn)在256點(diǎn)與2048點(diǎn)之間的就被稱作中型機(jī),它可以用來對設(shè)備進(jìn)行直接的控制，它還可以監(jiān)控很多比他比它低一個(gè)級別的可編程序控制器，中型機(jī)適和與對中型或者大型控制系統(tǒng)的控制。 西門子公司生產(chǎn)的中型機(jī)有S7-300：它的處理速度0.81.2ms ；數(shù)字量1024點(diǎn)；存貯器2k ； 模擬量128路；工業(yè)以太網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS；MPI。大型機(jī)：控制點(diǎn)在2048點(diǎn)以上的被叫做大型機(jī),它既能完成較復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算又可以完成復(fù)雜的矩陣運(yùn)算。它在對多個(gè)比它級別低的可編程序控制器進(jìn)行監(jiān)控管理的同時(shí)還能對設(shè)備進(jìn)行直接地控制，西門子公司生產(chǎn)的大型機(jī)有S7-400 ：處理速度0.3ms / 1k字；I/O點(diǎn)12672；存貯器512k ；其次是從可編程序控制器的性能高低去分類，最后是從可編程序控制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上去分它可以分為模塊式、整體式。按結(jié)構(gòu)形式去劃分：模塊式：是根據(jù)其功能將PLC系統(tǒng)的各個(gè)組成部分分成若干個(gè)模塊，比如分為CPU模塊、輸入模塊、電源模塊、輸出模塊等。雖然各模塊功能比較單一，但是模塊的種類卻十分的豐富。比如，某些可編程序控制器，除了具有些基本的I/O模塊以外，還具有一些特殊的功能模塊，位置檢測模塊、通訊模塊、PID控制模塊、像溫度檢測模塊等等。各模塊雖然功能是獨(dú)立的，但是外形尺寸是統(tǒng)一的，可根據(jù)需要靈活地配置。整體式：將CPU、電源、I/O系統(tǒng)、存儲(chǔ)器集成在一個(gè)單元里面的叫做整體式結(jié)構(gòu)的可編程序控制器，同時(shí)該單元也被叫做作基本單元。這樣做的好處就是當(dāng)控制點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)滿足需求時(shí)，可以接入擴(kuò)展的單元。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是體積小、緊湊、成本低、安裝方便。2.3 PLC的特點(diǎn)（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的電子存儲(chǔ)器件來完成，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中的邏輯器件和繁雜的連線被軟件程序所取代，所以PLC控制系統(tǒng)的可靠性大大的提高了（2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)PLC控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)性的好處是當(dāng)控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時(shí)，只需對程序進(jìn)行簡單的修改，對硬件部分稍作改動(dòng)即可，而不像繼電器控制系統(tǒng)那樣，在一個(gè)裝配好的控制盤上，對系統(tǒng)進(jìn)行修改幾乎是不可能的事情。同一個(gè)PLC裝置用于不同的控制對象，只是輸入、輸出組件和應(yīng)用軟件的不同。所以說PLC控制系統(tǒng)有極高的柔性，即通用性強(qiáng)。（3）編程方便，易于使用 PLC作為通用工業(yè)控制類型的計(jì)算機(jī)，是面向眾多工廠的一種具有很強(qiáng)控制能力的工控設(shè)備。它與其它的外部設(shè)備接線十分的方便，編程語言對于使用者來說也是十分容易的。（4）體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，最新生產(chǎn)的PLC的底部的長度是小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小，所以很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。2.4 PLC的主機(jī)模塊2.4.1 中央微處理器（CPU）中央處理器（CPU）是PLC主機(jī)模塊的心臟和大腦。它具有理想的控制功能。PLC的CPU是各生產(chǎn)廠家研制設(shè)計(jì)。各種型號的PLC都有對應(yīng)的CPU系列相匹配。所以應(yīng)該熟悉和充分掌握所選用的控制器的中央微處理器的工作性能及基本結(jié)構(gòu)。1CPU的基本結(jié)構(gòu)CPU由運(yùn)算器和控制器組成。其中運(yùn)算器是由算數(shù)邏輯單元及一些寄存器組成。運(yùn)算器是PLC執(zhí)行算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的邏輯器件，負(fù)責(zé)對輸入的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加工處理。控制器是指令譯碼器、時(shí)序發(fā)生器和操作控制器等元器件組成。控制器負(fù)責(zé)經(jīng)指令譯碼器譯制好的二進(jìn)制代碼的調(diào)用，付出控制信號，協(xié)調(diào)各部分的正常工作。2CPU的功能CPU具有接收程序、運(yùn)行程序和監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的功能。（1）接收程序。CPU對系統(tǒng)和用戶程序都能接收。（2）運(yùn)行程序。無論系統(tǒng)程序，還是用戶程序，或者是擴(kuò)展功能的控制程序，在執(zhí)行時(shí)，都必須把它們調(diào)入內(nèi)存（或在內(nèi)存中直接調(diào)用）。其過程如下：CPU通過控制總線發(fā)出操作命令，通過地址總線讀取數(shù)據(jù)存放的地址，通過數(shù)據(jù)總線讀取指令和操作數(shù)據(jù)，將它們存入指令寄存器。然后，通過譯碼器對程序中的指令代碼逐條翻譯，變成控制信號，同時(shí)信號合成，經(jīng)過放大形成可驅(qū)動(dòng)指令代碼信號的脈沖，去驅(qū)動(dòng)負(fù)載元器件。（3）監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。PLC可工作在運(yùn)行狀態(tài)，也可以工作在監(jiān)控狀態(tài)對系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控。并可以工作在編程狀態(tài)、修改程序、改變相關(guān)數(shù)據(jù)和監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)。3. CPU模塊性能參數(shù)CPU模塊是數(shù)字系統(tǒng)的核心元器件，它必須具備一定的工作性能和在相關(guān)的性能參數(shù)允許的范圍內(nèi)，才能達(dá)到理想的最佳效果。 （1）主頻。主頻就是CPU的工作頻率，是系統(tǒng)時(shí)鐘在單位時(shí)間內(nèi)振蕩的次數(shù)，主頻越高，CPU運(yùn)行的速度越快。但是，也不是越高越好。由于主頻必須與外頻相匹配，所以，只有最合適的主頻才是最好的。 （2）外頻。外頻是整機(jī)系統(tǒng)總線的工作頻率。 （3）差頻。差頻是主頻和外頻之間相差的倍數(shù)，即主頻=外頻*倍頻。為了提高CPU的工作效率，采用提高外頻的措施比較好。 （4）運(yùn)算速度。CPU在每秒鐘能夠執(zhí)行的指令數(shù)，稱為CPU的運(yùn)算速度，單位是每秒百萬條指令。 （5）字長。字長是CPU一次傳送數(shù)據(jù)的二進(jìn)制的位數(shù)，一般的字長為8位、16位、32位及64位。 （6）工作電壓。CPU的額定工作電壓一般是5V。但是由于CPU模塊集成度高、工作速度高、功耗較大，發(fā)熱較嚴(yán)重，從而會(huì)降低使用壽命。因此，只有降低工作電壓是降低功耗的好辦法。（7）周期。PLC的CPU的周期分為三種：一是時(shí)鐘周期；二是機(jī)器周期；三是掃描周期。時(shí)鐘周期是CPU內(nèi)核時(shí)鐘振蕩一次所用的時(shí)間。機(jī)器作為一個(gè)基本操作所占用的時(shí)間，稱為一個(gè)機(jī)器周期。CPU執(zhí)行一次掃描占用的時(shí)間稱為掃描周期。三者的關(guān)系：若干個(gè)時(shí)鐘周期構(gòu)成一個(gè)機(jī)器周期。若干個(gè)機(jī)器周期構(gòu)成一個(gè)掃描周期（8）總線長度。CPU中配置了地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。2.4.2 存儲(chǔ)器PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來存放由PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM內(nèi)，用戶不能更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)工作。系統(tǒng)程序的內(nèi)容主要包括三部分：系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用管理程序。用戶程序存儲(chǔ)器包括用戶程序存儲(chǔ)器和用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分。用戶程序存儲(chǔ)器用來存放用戶針對具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC編程語言寫的應(yīng)用程序。用戶程序存儲(chǔ)器根據(jù)所選用的存儲(chǔ)器單元類型的不同，可以是RAM、EPROM或EEPROM存儲(chǔ)器，其內(nèi)容可由用戶隨意修改或刪除。用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以用來存放用戶程序中所使用的器件的ON/OFF狀態(tài)和數(shù)值、數(shù)據(jù)等。用戶存儲(chǔ)器的大小關(guān)系到用戶程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指標(biāo)之一。PLC使用的存儲(chǔ)器件類型有三種：ROM、RAM和EEPROM。（1）只讀存儲(chǔ)器（ROM） ROM的內(nèi)容只能讀出，不能寫入。它是非易失去的，當(dāng)斷電后仍能保存存儲(chǔ)的內(nèi)容。一般用來存放PLC的系統(tǒng)程序，這部分程序和數(shù)據(jù)由生產(chǎn)廠家燒制而成，用戶是不能修改的。（2）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM） 顧名思義這類存儲(chǔ)器是用來保存PLC內(nèi)部元器件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。（3）可電擦出可編程的只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）這種存儲(chǔ)器是非易失性的，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機(jī)存取的優(yōu)點(diǎn)。2.4.3 輸入/輸出單元 PLC的輸入和輸出信號類型可以是開關(guān)模擬量。輸入/輸出接口單元包含兩部分：一部分是與被控設(shè)備相連接的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。 輸入單元接收來自用戶設(shè)備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。外部接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU能夠識(shí)別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運(yùn)行時(shí)CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并結(jié)合其他元器件最新的信息，按照用戶程序進(jìn)行計(jì)算，將有關(guān)輸出的最新計(jì)算結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點(diǎn)相對應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、指示燈等被控設(shè)備的執(zhí)行元件。2.4.4 電源部分 PLC一般使用220V的交流電源或者24V的直流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供的5V、12V、24V等直流電源，整體式的小型PLC還提供一定容量的直流24V電源，供外部有源傳感器使用。PLC所采用的開關(guān)電源輸入電壓范圍寬、體積小、效率高、抗干擾能力強(qiáng)。 電源部件的位置形式可有多鐘，對于整體式結(jié)構(gòu)的PLC，通常電源封裝到機(jī)殼內(nèi)部；對于模塊式PLC，則多采用單獨(dú)的電源模塊。2.4.5 通信接口 為了實(shí)現(xiàn)“人機(jī)”或“機(jī)機(jī)”之間的對話，有些PLC配有一定的通信接口。PLC通過這些接口可以顯示與設(shè)定單元、觸摸屏、打印機(jī)相連，提供方便的人機(jī)交換途徑；也可以與其他的PLC、計(jì)算機(jī)以及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相連，組成多級系統(tǒng)或者工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。2.5 PLC的工作原理研制生產(chǎn)PLC的最初想法是為了代替由繼電器和接觸器組成的傳統(tǒng)的控制裝置，但是這兩者其運(yùn)行的方式在一定程度上有所不同。繼電器控制裝置其運(yùn)行方式是硬邏輯并行運(yùn)行。就是如果當(dāng)前繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(diǎn)（包括其常開或常閉觸點(diǎn)）在繼電器控制線路的相應(yīng)位置上都會(huì)立即同時(shí)通電或斷開。 PLC 的CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)（包括其常開或常閉觸點(diǎn)）不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。 為了消除二者之間由于運(yùn)行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間一般在100ms 以上，而PLC 掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式掃描技術(shù)。這樣在對于I/O 響應(yīng)要求不高的場合，PLC 與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒有什么區(qū)別了。 當(dāng)PLC上電后，處于正常的運(yùn)行時(shí)，它將不斷重復(fù)掃描過程，并不斷的循環(huán)下去。輸入采樣階段：這個(gè)階段它將最開始掃描所有的輸入端子，同時(shí)還要將各輸入的狀態(tài)存入相對應(yīng)的映像寄存器中，這時(shí)候輸入映像寄存器就會(huì)被刷新。用戶程序執(zhí)行階段：到了這個(gè)階段后，PLC會(huì)按照從左到右、從上到下的順序執(zhí)行程序。當(dāng)指令中包含有輸入、輸出狀態(tài)時(shí)，PLC就從輸入映像寄存器中“讀入”對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器“讀入”對應(yīng)元件的當(dāng)前狀態(tài)。然后進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，最新的運(yùn)算結(jié)果馬上再存入到相應(yīng)的元件映像寄存器中。輸出刷新階段：當(dāng)用戶的程序執(zhí)行完畢以后，在輸出刷新階段，元件映像寄存器中的所有輸出繼電器的狀態(tài)會(huì)被一起轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，并通過一定的方式集中地輸出出來，最后讓輸出端子驅(qū)動(dòng)外部的負(fù)載。輸出鎖存器的狀態(tài)不會(huì)改變，當(dāng)下一個(gè)輸出刷新階段開始之前，所以相應(yīng)的輸出端子的狀態(tài)也不會(huì)發(fā)生變化。正常情況下，PLC的一個(gè)掃描周期的內(nèi)容包括下圖所示的內(nèi)容。圖2.1 可編程控制器的掃描周期3 液位檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及元器件的選擇3.1 系統(tǒng)整體思路介紹目前采用的是水箱液位的PID調(diào)節(jié)，有兩級水箱，如果控制一個(gè)水箱是單回路反饋PID控制。單回路系統(tǒng)是指在一個(gè)調(diào)節(jié)對象上用一個(gè)PID調(diào)節(jié)來保持參數(shù)的很定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測量信號，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，兩個(gè)水箱的液位通過串級反饋回路來控制，系統(tǒng)具體裝置如下圖1所示：圖1需要注意的是，系統(tǒng)運(yùn)行前需要控制液位水箱水路上的手動(dòng)閥全部打開，打開水箱的出水閥至適當(dāng)?shù)奈恢?。系統(tǒng)通過PLC控制液位的高度，實(shí)現(xiàn)的方法是，通過液位傳感器把檢測到的信號變成相應(yīng)的電信號傳到PLC模擬輸入通道中，由PLC經(jīng)過PID算法計(jì)算得出的輸出信號，經(jīng)過信號處理輸出到執(zhí)行器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制閥門的開度，使得液位達(dá)到指定的高度，這個(gè)過程需要一定的時(shí)間，輸出的信號和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度成正比，反之控制器參數(shù)選擇不合適，則會(huì)使得控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期的效果，所以PID參數(shù)的選擇是很重要的，要很好的去整定，系統(tǒng)可以設(shè)定比例積分微分的參數(shù)，觀察積分的效果，使用比例控制、比例積分控制和比例積分微分控制進(jìn)行試驗(yàn)，將他們得到的結(jié)果進(jìn)行對比，就可以知道3個(gè)環(huán)節(jié)分別的作用系統(tǒng)的控制圖如圖2所示：PLC主控系統(tǒng)統(tǒng)PID控制器D/A電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊水泵A/D壓力傳感器SVPV圖2其中SV給定信號，由用戶通過計(jì)算機(jī)設(shè)定，PV為控制變量，它們的差是PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號，經(jīng)過PLC的PID運(yùn)算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號經(jīng)過PLC的D/A轉(zhuǎn)換成4-20ma的模擬電信號后輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)閥的開度，以控制水的流量，使得水箱的液位保持設(shè)定值。水箱的液位經(jīng)過壓力變送器檢測轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號輸入到PLC的輸入接口，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成控制量PV，給定值SV與控制量PV經(jīng)過PLC的CPU的檢查運(yùn)算成了偏差信號e，又輸入到PID調(diào)節(jié)器中，又開始了新的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水箱的液位。3.2 液位傳感器的分類按招使用的方法將液位測量分為接觸式和非接觸式兩個(gè)大類。接觸式液位測量主要有：人工檢尺法、浮子測量裝置、伺服式液位計(jì)、電容式液位計(jì)和磁致伸縮式液位計(jì)等。它們共同的特點(diǎn)是感應(yīng)元件與被測液體接觸，因此存在一定的磨損且容易被液體粘住或腐蝕。非接觸式液位測量主要有：微波雷達(dá)液位計(jì)、放射線液位計(jì)、激光液位計(jì)及超聲波液位計(jì)等。目前，國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的液位測量方法，有以下幾大類1）雷達(dá)液位傳感器雷達(dá)傳感器實(shí)質(zhì)是用發(fā)射、反射、接收的過程來檢測距離遠(yuǎn)近。所以可用在有害等不適合人靠近的情況下。其實(shí)它是一類特殊形式的電磁波，物理特性和可見光類似，雷達(dá)信號有用穿透空間的功能。雷達(dá)信號能否被反射，有兩個(gè)因素影響：1)所測物質(zhì)導(dǎo)電性大??；2)所測物質(zhì)介電常數(shù)，全部導(dǎo)電介質(zhì)都會(huì)反射雷達(dá)信號只有介質(zhì)的導(dǎo)電性弱的問題，能夠被很精確的檢測到，雷達(dá)波不容易受到干擾，而且能夠穿透一些不導(dǎo)電介質(zhì)，不用在穿透過去的地方開孔，就可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，能夠使用與各種各樣的場合，比如真空測量，液位測量，粉灰位或固體料位測量，就算在灰塵、粉塵濃度大并伴有很強(qiáng)旋渦的環(huán)境下，測量結(jié)果也是很精確的，但是雷達(dá)傳感器的測量信號運(yùn)行時(shí)間極短，這樣要分析處理信號要有極高的技術(shù)，使得它的價(jià)格高額、技術(shù)要求過硬。2）超聲波液位傳感器 超聲波液位傳感器的發(fā)展飛快、應(yīng)用最普遍，適用于檢測明渠液位和開口容器內(nèi)液位，他是檢測換能器發(fā)射的脈沖由空氣傳到介質(zhì)上，然后介質(zhì)反射脈沖到換能器上的時(shí)間，在計(jì)算出換能器到被測介質(zhì)之間的距離。 在對比換能器所裝高度，就能計(jì)算出液位高度，缺點(diǎn)是聲波在介質(zhì)傳播速度最容易被環(huán)境因素影響，在測量的可靠性和準(zhǔn)確性上有所欠缺。3）同位素/放射性液位傳感器它的原理是放射性同位素射線（如射線、射線、射線）具有穿透于反射能力，測量射線、射線、射線到達(dá)被測物質(zhì)時(shí)通過被測物質(zhì)或者經(jīng)過被測物質(zhì)反射的衰減原理、監(jiān)測穿過被測物質(zhì)之后射線信號的強(qiáng)弱、通過計(jì)算達(dá)到測量液位的目的。 液位高度越高，介質(zhì)吸收放射線力度越大，檢測器輸出就會(huì)越低，在得知檢測器內(nèi)的介質(zhì)吸收能量的情況，在經(jīng)過一些列信號轉(zhuǎn)換，即可得出被測液位的高度。了解放射性自身的特點(diǎn)后，可以將它可以用于腐蝕性、有毒性、大粘性和易燃易爆的場所，而且不同介質(zhì)密度對射線的吸收也不同，所以可以用來測量密度不同的液體的分界面，氣體和固體或液體和固體的分界面。 但是用的是射線衰減原理，測量信息的能量會(huì)因?yàn)楦蓴_而損失，測量的準(zhǔn)確度不是很高，并且射線的輻射作用對人體也是有恙的。4）電子類液位傳感器 測量原理是把液位變化這個(gè)非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康淖兓?，設(shè)計(jì)測量電路將電量變化參數(shù)檢測出來，達(dá)到測量液位變化的目的。電容式液位傳感器是最普遍也是相當(dāng)成熟的，它不僅可靠性較高、并且測量范圍廣泛 、適用于測量各種各樣的介質(zhì)、導(dǎo)電或非導(dǎo)電介質(zhì)的液位、唯一不能夠測量的只有導(dǎo)電的粘性介質(zhì)。電容式液位計(jì)：電容器兩極極板間的電介質(zhì)是空氣和液體，運(yùn)用電子學(xué)測量出電容值，從而檢測出液體的高度；它結(jié)構(gòu)簡單，唯一缺點(diǎn)是所測液體要有一致的、穩(wěn)定的介電常數(shù)，要加上溫度補(bǔ)償，測量儀器與傳感器的連接要用長電纜，電纜中的干擾和寄生電容的影響很大，測量精度不靠譜。電容液位傳感器是利用被測液體的導(dǎo)電率，將液位變化轉(zhuǎn)換成靜電電容變化來測量的一種液位計(jì)，但對導(dǎo)電介質(zhì)或者粘性介質(zhì)，容易發(fā)生掛料，誤差概率大、干擾會(huì)嚴(yán)重影響到測量結(jié)果。 電阻式液位計(jì)：檢測器在空氣中的阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它浸在液體中的阻值，利用電子學(xué)方法測量液體容器底部與液體頂部之間的電阻，經(jīng)過計(jì)算可以得到液位高度，其測量精度受液體污染情況的影響較大，探針的污染與沉積物能產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出，在直流工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電解，響應(yīng)速度慢。5）熱學(xué)式液位計(jì)通過熱電阻發(fā)出的信號判斷檢測元件有沒有進(jìn)到液體中。它體型小、適用于圓筒容器、玻璃柱、管道等。6）光學(xué)液位計(jì) 大部分是光纖液位傳感器，其原理是利用光的強(qiáng)弱變化來進(jìn)行液位測量。它可以是用發(fā)光元器件將射出來的光通過傳輸光纖送到光敏感元件上，在敏感元件的球面上，有一部分光透過而殘余的光被反射回來。當(dāng)觸摸敏感元件和液相，與空氣的接觸相比，透光球面上的光增加，反射相應(yīng)降低，反射的光敏感元件可以知道是否暴露于液體。敏感元件玻璃的折射率和被測物質(zhì)的折射率決定了反射光量，并將通過傳輸光纖以受光器件的光電晶體管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出。塑料測桿探頭加工成的斜面或錐面也能做光纖傳感器。光源光線射進(jìn)測桿后，假如測桿在空氣中那么發(fā)生全反射時(shí)光線按原路射回，如果測桿插到液體內(nèi)，因?yàn)橐后w的折射率比空氣高，錐形截面處發(fā)生光折射，全內(nèi)反射效應(yīng)消失，就可以通過接收的光功率測量點(diǎn)液位，它的最大問題就是油滴和冷凝作用可能會(huì)使測量精度有所誤差。這種液位傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)難度不大、造價(jià)低廉、抗電磁干擾能力強(qiáng)、絕緣性好、響應(yīng)時(shí)間短、能用于易爆易燃等場合的優(yōu)勢。但是受到最大影響的地方就是光源的強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等，所以它的測量范圍小、精度低、能量容易丟失，一般不用于測量低粘度液位，長遠(yuǎn)的穩(wěn)定性差。7）液壓類液位計(jì) 這種液位計(jì)能夠進(jìn)行連續(xù)測量 A氣泡式液位計(jì)：使被測液位值轉(zhuǎn)化成空氣的壓力值，測量這個(gè)壓力值，利用它的被測壓力與液體相對密度乘落差之積成正比的原理測量液位，但它的問題就是檢測方式非常復(fù)雜。B. 壓力傳感器：利用液位變化時(shí)器件底部某點(diǎn)上的壓力也會(huì)跟著變化的原理來設(shè)計(jì)的。當(dāng)測量沒有物質(zhì)的容器時(shí)，一般都用直接測量底部中心點(diǎn)的壓力來檢測，它的精度主要是受到壓力表的精度限制，而且要求被測液體的密度已知且密度恒定不變。液位傳感器還有很多分類，比如按功能進(jìn)行分類，可以分為連續(xù)式液位傳感器、點(diǎn)式測量液位傳感器等等。不過全球現(xiàn)在最常使用的還是：核輻射法、光導(dǎo)法、超聲法、微波法、雷達(dá)法、電容式、射頻導(dǎo)納式等多種傳感器技術(shù)和智能化測量控制技術(shù)、各自都有優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性并且應(yīng)用都非常廣泛。3.3 針對本次設(shè)計(jì)應(yīng)用選擇種類本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要目的是選擇合適的液位傳感器和測量電路進(jìn)行液位檢測，采用PLC或上位機(jī)作為控制系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和采集存儲(chǔ)，保證系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的測量精度，提高系統(tǒng)的工作效率。 而在接到這個(gè)題目之后，先是搜集了十多份材料，下載了關(guān)于多數(shù)液位傳感器的資料，最終確定了使用壓力液位傳感器為本次設(shè)計(jì)的傳感器。3.4液位變送器模塊設(shè)計(jì)3.4.1液位變送器工作原理液位傳感器（靜壓液位計(jì)/液位變送器/液位傳感器/水位傳感器）是一種測量液位的壓力傳感器靜壓投入式液位變送器（液位計(jì)）是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用國外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號（一般為420mA/15VDC）。用靜壓測量原理：當(dāng)液位變送器投入到被測液體中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓強(qiáng)公式為： = .g.H + Po式中：P ：變送器迎液面所受壓強(qiáng)：被測液體密度g ：當(dāng)?shù)刂亓铀俣萈o ：液面上大氣壓H ：變送器投入液體的深度同時(shí)，通過導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 Po 與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，使傳感器測得壓力為： .g.H ，顯然 , 通過測取壓強(qiáng) P ，可以得到液位深度。功能特點(diǎn)：穩(wěn)定性好，滿度、零位長期穩(wěn)定性可達(dá) 0.1%FS/ 年。在補(bǔ)償溫度 0 70范圍內(nèi)，溫度飄移低于 0.1%FS ，在整個(gè)允許工作溫度范圍內(nèi)低于 0.3%FS 。具有反向保護(hù)、限流保護(hù)電路，在安裝時(shí)正負(fù)極接反不會(huì)損壞變送器，異常時(shí)送器會(huì)自動(dòng)限流在 35MA 以內(nèi)。固態(tài)結(jié)構(gòu)，無可動(dòng)部件，高可靠性，使用壽命長。安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)耐用。3.4.2 液位變送器主要技術(shù)參數(shù)工藝: 擴(kuò)散硅 陶瓷電容 藍(lán)寶石 電容任選。分體式一體式可選，量程: 0-0.5-200米，輸出: 0-10V (3線制)供電: 7.5-36VDC 推薦24VDCCBM-2100/CBM-2700投入式靜壓液位計(jì)可靠防腐并帶有陶瓷測量單元的探頭，用于凈水、污水及鹽水的物位測量。GY500投入分體式液位變送器采用擴(kuò)散硅壓阻芯體,316全不銹鋼結(jié)構(gòu)，殼體采用隔離防爆設(shè)計(jì),該投入式液位計(jì)主要適用于河流、地下水位、水庫、水塔及容器等的液位測量與控制。電路采用信號隔離放大，截頻干擾設(shè)計(jì)（抗干擾能力強(qiáng)，防雷擊）過壓保護(hù)，限流保護(hù)，抗沖擊，防腐等設(shè)計(jì)。被測介質(zhì)：液體（弱腐蝕性）壓力類型：表壓量 程： 00.1M1M3M5M10M20M50M100M200M500M （水位高/深度,最小 量程為0.1米）輸 出：420mA（二線制）、05VDC、010VDC、0.54.5VDC（三線制）綜合精度： 0.25%FS、0.5%FS供 電： 24V Dc（936VDC）絕緣電阻： 1000 M/100VDC負(fù)載電阻: 電流輸出型：最大800電壓輸出型：大于50K介質(zhì)溫度：-2085環(huán)境溫度：-2085儲(chǔ)存溫度：-4090相對濕度： 095% RH密封等級：IP68過載能力： 150%FS響應(yīng)時(shí)間：5mS穩(wěn) 定 性：0.15%FS/年振動(dòng)影響：0.15%FS/年（機(jī)械振動(dòng)頻率20Hz1000Hz）電氣連接：3/5芯導(dǎo)氣屏蔽電纜全密封；標(biāo)準(zhǔn)配線8米壓力連接：投入式連接螺紋材料：304/316L不銹鋼3.4.3 液位變送器電路原理圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前比較流行的控制算法是PID算法，這種算法比較容易實(shí)現(xiàn)。因此本次設(shè)計(jì)我主要采用了PID控制算法，所以本章主要介紹了PID算法的的相關(guān)知識(shí)。4.1 PID算法控制原理模擬閉環(huán)控制是一個(gè)更好的方法，PID控制，PID在工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)60年了，現(xiàn)在仍然被廣泛應(yīng)用。人們在應(yīng)用過程中已經(jīng)積累了很多的經(jīng)驗(yàn)，PID的研究已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)比較高的水平。比例控制（P）是一個(gè)簡單的控制模式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。它的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，控制時(shí)間持久，但不能消除殘余誤差。在積分控制（I）中，控制器的輸出與輸入誤差信號成比例的不可分割的關(guān)系。積分控制可以消除殘余的錯(cuò)誤，但具有滯后的特點(diǎn)，余差不能很快被有效控制。在微分控制（D）時(shí)，控制器的輸出和輸入的差分誤差信號（即誤差變化率）成正比。微分控制具有超前作用，它可以猜測錯(cuò)誤趨勢。避免出現(xiàn)較大的誤差，微分控制不能消除殘余誤差。PID控制，P，I，D每個(gè)環(huán)節(jié)都有自己的長處和短處，一起使用時(shí)，又相互制約，但只有合理選擇的PID值，才可以得到一個(gè)較高的質(zhì)量控制。4.1.1 PID控制算法PID控制器D/A電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊水泵壓力傳感器A/DSVPV圖4.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖4.1所示，PID控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系: （4-1）控制器的輸出為： （4-2）-PID回路輸出-比例系數(shù)P-積分系數(shù)I-微分系數(shù)DPID調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)為： （4-3）數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)輸出值。其離散化的規(guī)律如表4.1所示：表4.1 模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以經(jīng)過離散化后，PID的輸出方程為: （4-4）式中， 比例項(xiàng) 積分項(xiàng) 微分項(xiàng) 上式中，積分項(xiàng)是包括從第一個(gè)采樣周期到現(xiàn)在采樣周期的所有誤差的累積值。計(jì)算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的自帶的PID指令去完成位置式PID控制量的算法。4.1.2 PID在PLC中的回路指令西門子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，見表4.2表4.2 PID回路指令名稱PID運(yùn)算指令格式PID指令表格式PID TBL,LOOP梯形圖使用方法：當(dāng)EN端口執(zhí)行條件使能存在的時(shí)候，就可以進(jìn)行PID運(yùn)算。指令的兩個(gè)操作數(shù)TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因?yàn)橐粋€(gè)PID回路占用了32個(gè)字節(jié)的空間，所以VD100到VD132都被占用了。其中LOOP是回路號，可以是07，不可以重復(fù)使用。PID回路在PLC中的地址分配情況如表4.3所示。表4.3 PID指令回路表偏移地址名稱數(shù)據(jù)類型說明0過程變量