基于PLC的水塔水位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、水塔水位 PID 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 供水是一個(gè)關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè)。隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提 高，對(duì)城市供水提出了更高的要求，有一個(gè)水箱需要維持一定的水位，該水 塔 里的水以變化的速度流出。這就需要有一個(gè)輸入控制液體閥以不同的速度給水 塔供水，以維持水位的變化，這樣才能使 水塔不斷水。 研究設(shè)計(jì)的基于 PLC 控制的水塔水位 PID 供水系統(tǒng),以西門(mén)子公司的 S7-200 系列中 PLC-CPU226 為基礎(chǔ)，結(jié)合模擬量模塊 EM235、液位傳感器、輸入控制液 壓閥、輸出控制液壓閥等，組成一個(gè)基于 S7-200 系列中 PCL-CPU226 的水塔水 位控制系統(tǒng)，能完成邏輯控制、

2、水位調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采樣等功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)水塔的水位進(jìn) 行控制及檢測(cè)。在設(shè)計(jì)中大量運(yùn)用 PLC 中 PID 來(lái)實(shí)現(xiàn)水塔水位的控制，為了精 確地實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制 ，建立成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水塔中的進(jìn)、出水的水 位自動(dòng)控制。 關(guān)鍵詞： 可編程控制器 PLC，水塔水位，PID 控制 WATER TOWERS PID CONTROL SYSTEM DESIGN ABSTRACT Water supply is an important industry of the peoples livelihood. With the social development and peoples living stand

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

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

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

6、t simulation module E235, liquid level sensors, type of hydraulic control valves, hydraulic valves, such as output control, based on the formation of a S7-200 series PCL -CPU226 water level control system of the towers, the water level of the towers to monitor and control. Keywords: Programmable Log

7、ic Controller PLC, Water Towers, PID Control 目錄 前言.1 第 1 章 水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的概述.2 1.1 水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展.2 1.2 水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成.2 1.3 水位控制系統(tǒng)效率及運(yùn)行模式分析.3 第 2 章 PLC 結(jié)構(gòu)和工作原理 .4 2.1 PLC 組成與基本結(jié)構(gòu) .4 2.1.1 PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .4 2.1.2 PLC 的基本工作原理 .5 2.2 PLC 的主要應(yīng)用 .6 2.3 S7-200 系列可編程控制器.6 2.3.1 S7-200 PLC 系統(tǒng)組成.7 2.3.1 S7-200 系列 PLC 元件

8、功能.7 2.4 PID 控制器簡(jiǎn)介 .9 2.4.1 PID 控制器的結(jié)構(gòu)及原理 .9 2.4.2 數(shù)字式 PID 控制 .10 2.4.3 數(shù)字式 PID 控制的實(shí)現(xiàn) .12 第 3 章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì).14 3.1 系統(tǒng)的工作原理.14 3.1.1 設(shè)計(jì)分析.14 3.1.2 可行性試驗(yàn).15 3.1.3 可行性分析.16 3.2 水位閉環(huán)控制系統(tǒng).16 3.2.1 PLC 的選擇 .17 3.2.2 供水的控制方法.18 第 4 章 PLC 中 PID 控制器的實(shí)現(xiàn).20 4.1 PID 算法 .20 4.2 PID 應(yīng)用 .21 4.3 PLC 實(shí)現(xiàn) PID 控制的方式.2

9、1 4.4 PLC PID 控制器的實(shí)現(xiàn).22 4.5 PID 指令及回路表 .24 第 5 章系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì).26 5.1 可編程控制器的選型.26 5.3 EM235 模擬量模塊.28 5.3.1 EM235 的安裝使用.29 5.3.2 EM235 的工作程序編制.29 5.4 硬件連接圖.30 5.5 控制系統(tǒng) I/O 地址分配 .30 第 6 章 系統(tǒng)軟件應(yīng)用設(shè)計(jì).31 6.1 水位 PID 控制的邏輯設(shè)計(jì) .31 6.2 梯形圖編程.35 6.3 控制程序.38 6.4 聯(lián)機(jī).39 結(jié) 論.40 謝 辭.41 參考文獻(xiàn).42 附錄.43 外文資料翻譯.46 前言 在工業(yè)生產(chǎn)中，電

10、流、電壓、溫度、壓力、液位、流量、和開(kāi)關(guān)量等都是常 用的主要被控參數(shù)。其中，水位控制越來(lái)越重要。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天， 水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來(lái)越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生 活帶來(lái)極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成 為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時(shí)候都能提供足夠的水量、 平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對(duì)給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、 生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲(chǔ)水設(shè)備，由一級(jí)或二級(jí)水泵從 地下市政水管補(bǔ)給。傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點(diǎn)。 可編程控制器（PLC）是根據(jù)順序邏輯控

11、制的需要而發(fā)展起來(lái)的，是專(zhuān)門(mén)為工業(yè) 環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。鑒于其種種優(yōu)點(diǎn)，目前水位控制的 方式被 PLC 控制取代。同時(shí)，又有 PID 控制技術(shù)的發(fā)展，因此，如何建立一個(gè) 可靠安全、又易于維護(hù)的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會(huì)需要對(duì)容器中的液位（水位）進(jìn) 行自動(dòng)控制。比如自動(dòng)控制水塔、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中 抽水馬桶的自動(dòng)補(bǔ)水控制、自動(dòng)電熱水器、電開(kāi)水機(jī)的自動(dòng)進(jìn)水控制等。雖然各 種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實(shí)際操 作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)精度高、穩(wěn)定

12、性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。采用 PLC 和 PID 技術(shù)能很好的解決以上 問(wèn)題，使水位控制在要求的位置。 本論文側(cè)重介紹“水塔水位 PID 控制系統(tǒng)”的軟件設(shè)計(jì)及相關(guān)內(nèi)容，使水塔水 塔維持一定的水位。通過(guò)對(duì)變頻器內(nèi)置 PID 模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳液位傳感 器反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化，采取 PID 調(diào)節(jié)方式，在全流量范 圍內(nèi)利用輸入液體控制閥連續(xù)調(diào)節(jié)和輸出控制閥分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水塔供水 且有效節(jié)能。水位 PID 控制系統(tǒng)集 PLC 控制技術(shù)、PID 技術(shù)、電子電力技術(shù)、微 電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系 統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同

13、時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤 為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能 耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 第 1 章 水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的概述 1.1 水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展 節(jié)能是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)能否保持可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重大問(wèn)題.水位控制廣泛應(yīng)用 于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與民用生活，其用電量大，是節(jié)能研究的主要內(nèi)容之一.對(duì)變頻調(diào)速 水位控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況研究發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)在這方面普遍采用恒水位或恒 壓力變頻調(diào)速 PID 控制技術(shù)，取得了一 定的應(yīng)用效果.但由于這類(lèi)控制系統(tǒng)忽視 了水泵-電機(jī)組效率，致使水泵-電機(jī)組經(jīng) 常處于低效區(qū)運(yùn)行圖 1-1；另外，單目

14、標(biāo)的恒水位或恒壓力控制不能保證電機(jī)經(jīng) 常處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)以充分發(fā)揮變頻調(diào)速 的節(jié)能功效，造成了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在 實(shí)際運(yùn)行中效率不高，節(jié)能效果未能充分 體現(xiàn),這也是變頻調(diào)速控制技術(shù)多年來(lái)一 直難以大規(guī)模采用的原委之一.水位控制 類(lèi)變頻調(diào)速效率優(yōu)化問(wèn)題屬于一類(lèi)復(fù)雜的 多變量、離散性強(qiáng)的非線性系統(tǒng)控制問(wèn)題，要求控制 圖 1-1 水塔水位控制系 統(tǒng)模型 系統(tǒng)在滿足用水要求的同時(shí)，又要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)，采用傳統(tǒng)的控制策略很難 獲得簡(jiǎn)便、實(shí)用的解決方法.本文結(jié)合水位控制類(lèi)系統(tǒng)的特點(diǎn)，運(yùn)用水位控制理論 與最優(yōu)控制方法，以系統(tǒng)效率最大及滿足用水要求為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種水位控制以 改善這類(lèi)系統(tǒng)的控制策略與運(yùn)行方式

15、，同時(shí)給出采用 PLC 控制程序?qū)崿F(xiàn)的此水位 控制。 1.2 水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)由 PLC（核心控制部件） 、高低位的水位檢測(cè)電路、高低 水位信號(hào)傳送給 PLC 水泵電動(dòng)機(jī)控制電路（PLC 控制啟停及主備切換） 、設(shè)備監(jiān) 控臺(tái)四部分組成。 1.3 水位控制系統(tǒng)效率及運(yùn)行模式分析 水位控制系統(tǒng)的效率主要由水泵的效率、電動(dòng)機(jī)的效率和管道損失決定，本 文主要研究水泵-電機(jī)組的效率問(wèn)題.由于水位控制系統(tǒng)的非線性、滯后性與時(shí)變 性，采用傳統(tǒng)的 PID 控制容易實(shí)現(xiàn)單目標(biāo)，即水位恒定或水泵-電機(jī)組高效運(yùn)行， 而無(wú)法兩者兼顧.為此引入模糊控制，使系統(tǒng)能夠最快地響應(yīng)用戶的用水要求并最

16、 大限度地工作在高效區(qū)，以期能充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能功效，進(jìn)一步提高系統(tǒng) 的運(yùn)行效率.在分析變頻調(diào)速水位控制的節(jié)能問(wèn)題時(shí)，以不同轉(zhuǎn)速下提供相同容積 圖 1-2 控制系統(tǒng)框圖 的水作比較得出圖 1-2：水泵消耗的軸功率與異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比， 由此可知，水泵-電機(jī)組的效率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成反比；其次，結(jié)合水泵與電機(jī)的效 率特性，為使系統(tǒng)經(jīng)常高效運(yùn)行，不失一般性，設(shè)：水泵-電機(jī)組的高效率區(qū)為異 步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n=0.61.0n N(n N 為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速)；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速 n=0.8n N 時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的效率最佳.圖 1 給出了水位控制系統(tǒng)控制模型圖，H 表示水位高 度，依水位高度將水箱劃

17、分為 A、B、C 三區(qū).A、C 區(qū)分別為水位極高、極低區(qū) 域，是高位、低位警戒區(qū)；B 區(qū)為高效運(yùn)行區(qū)，是系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行的區(qū)域.系統(tǒng)總的 控制模式為：當(dāng) HA 時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行減機(jī)模式；當(dāng) HB 時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能模式； 當(dāng) HC 時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行加機(jī)模式.系統(tǒng)效率 Kn3dtn0.61.0n N 系統(tǒng)節(jié)能模式是 本文的研究重點(diǎn)，根據(jù)此圖可設(shè)計(jì)一個(gè)水位控制器，使變頻器的輸出頻率即電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著水位的變化而自動(dòng)改變，使系統(tǒng)能夠在最快地響應(yīng)用戶用水要求的 同時(shí)，在時(shí)間上最大限度地工作在高效區(qū)，這樣，系統(tǒng)運(yùn)行的效率就可以提高， 此時(shí)的系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性與快速 性的較好結(jié)

18、合。 第 2 章 PLC 結(jié)構(gòu)和工作原理 2.1 PLC 組成與基本結(jié)構(gòu) PLC 是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，從廣義上講，PLC 也 是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只不過(guò)它比一般計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過(guò)程相連接的輸入/ 輸出接口，具有更適用于控制要求的編程語(yǔ)言，具有更適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境的抗干擾 性能。因此，PLC 是一種工業(yè)控制用的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，它的實(shí)際組成與一般微型計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。 2.1.1 PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 目前 PLC 種類(lèi)多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心 用做工業(yè)控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件和

19、微機(jī)相 似。主要包括 CPU、存儲(chǔ)器 RAM 和 ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O 擴(kuò)展 接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 圖 2-3 PLC 結(jié)構(gòu)示意圖 如圖 1-1 所示。PLC 控制系統(tǒng)有輸入量PLC輸出量組成，外部的各種開(kāi) 關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)、傳感器檢測(cè)的各種信號(hào)均作為 PLC 的輸入量，它們經(jīng) PLC 外部輸入端子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng) PLC 內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其他各種運(yùn)算，處理 后送到輸出端子，作為 PLC 的輸出量對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。由此可見(jiàn)，PLC 的基本結(jié)構(gòu)由控制部分、輸入和輸出部分組成。 2.1.2 PLC 的基本工作原理 由于 P

20、LC 以微處理器為核心，故具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與 微機(jī)有很大的不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見(jiàn)的鍵盤(pán)掃描方式 或 I/O 掃描方式，若有鍵按下或 I/O 變化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無(wú)則繼續(xù)掃 描等待。 PLC 則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對(duì)每個(gè)程序，CPU 從第一條指令開(kāi)始執(zhí) 行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令 開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符號(hào)后返回第一條指令，如此周而復(fù) 始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。PLC 的工作過(guò)程就是 PLC 的掃描循 環(huán)工作過(guò)程，一個(gè)循環(huán)掃描周期主要可分為 3 個(gè)階段，輸入刷新階段、

21、程序執(zhí)行 階段、輸出刷新階段。如圖 1-2 所示 PLC 的掃描工作過(guò)程。 圖 2-3 PLC 的掃描工作過(guò)程 2.2 PLC 的主要應(yīng)用 經(jīng)過(guò) 20 多年的工業(yè)運(yùn)行，PLC 迅速滲透到工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，從 PLC 的 功能來(lái)看，它的應(yīng)用范圍大致包括以下幾個(gè)方面： （1）邏輯控制 PLC 具有邏輯運(yùn)算功能，可以實(shí)現(xiàn)各種通斷控制。 （2）定時(shí)控制 PLC 具有定時(shí)功能。它為用戶提供幾十個(gè)甚至上千個(gè)計(jì) 時(shí)器，其計(jì)時(shí)時(shí)間設(shè)定值既可以由用戶程序設(shè)定，也可以由操作人員在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 通過(guò)人機(jī)對(duì)話裝置實(shí)時(shí)設(shè)定，計(jì)時(shí)器的實(shí)際計(jì)時(shí)值也可以通過(guò)人機(jī)對(duì)話 裝置實(shí)時(shí)讀出或 （3）計(jì)數(shù)控制 PLC 具有計(jì)數(shù)功能。它為用

22、戶提供幾十個(gè)甚至上千個(gè)計(jì) 數(shù)器，其計(jì)數(shù)設(shè)定值的設(shè)定方式同計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間設(shè)定值一樣。計(jì)數(shù)器的實(shí)際計(jì) 數(shù)值也可以通過(guò)人機(jī)對(duì)話裝置實(shí)時(shí)讀出。 （4）步進(jìn)（順序）控制 PLC 具有步進(jìn)（順序）控制功能。在新一代的 PLC 中，還可以 IEC 規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言順序功能圖（SFC） 編制用戶程序，PLC 在實(shí)現(xiàn)按照事件或輸入狀態(tài)的順序控制相應(yīng)輸出的場(chǎng)合更簡(jiǎn) 便。 （5）PID 控制 PLC 具有 PID 控制功能。PLC 可以接模擬量輸入和輸出 模擬量信號(hào)。通常采用專(zhuān)門(mén)的 PID 控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （6）數(shù)據(jù)處理 PLC 具有數(shù)據(jù)處理能力。它能進(jìn)行自述運(yùn)算數(shù)據(jù)比較， 數(shù)據(jù)傳送，數(shù)制轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)

23、顯示和打印，數(shù)據(jù)通信等功能。新一代的大，中型 PLC 還能進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算，浮點(diǎn)運(yùn)算等。 （7）通信和聯(lián)網(wǎng) 新一代的 PLC 都具有通信功能。它既可以對(duì)遠(yuǎn)程 I/O 進(jìn) 行控制，又能實(shí)現(xiàn) PLC 和 PLC，PLC 和計(jì)算機(jī)之間的通信。因此，可以方便地 構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。 （8）PLC 還具有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，例如：定 位控制模塊，CRT 模塊等。 2.3 S7-200 系列可編程控制器 德國(guó)的西門(mén)子（SIEMENS）公司是歐洲最大的電子和電氣設(shè)備制造商，生產(chǎn) 的 SIMATIC 可編程序控制器在歐洲處于領(lǐng)先地位。其第一代可編程序控制器是 于 1

24、975 年投放市場(chǎng)的 SIMATIC S3 系列控制系統(tǒng)。 1979 年微處理器技術(shù)被應(yīng)用 到可編程序控制器中后，產(chǎn)生了 SIMATIC S5 系列，隨后在 20 世紀(jì)末又推出了 S7 系列產(chǎn)品。 2.3.1 S7-200 PLC 系統(tǒng)組成 1CPU 模塊 從 CPU 模塊的功能來(lái)看，SIMATIC S7-200 系列小型可編程序控制器的發(fā)展， 大致經(jīng)歷了兩代： 第一代產(chǎn)品其 CPU 模塊為 CPU 21X，主機(jī)都可進(jìn)行擴(kuò)展，它具有四種不同 結(jié)構(gòu)配置的 CPU 單元：CPU 212，CPU 214，CPU 215 和 CPU 216。 第二代產(chǎn)品其 CPU 模塊為 CPU 22X，是在 21

25、世紀(jì)初投放市場(chǎng)的，速度快， 具有較強(qiáng)的通信能力。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的 CPU 單元：CPU 221，CPU 222、CPU 224 和 CPU 226，除 CPU 221 之外，其他都可加擴(kuò)展模塊。 2 輸入輸出擴(kuò)展模塊 （1） 設(shè)備連接 圖 2-3 I/O 擴(kuò)展示意圖 （2） 最大 I/O 配置的預(yù)算 在進(jìn)行 I/O 擴(kuò)展時(shí),各擴(kuò)展模塊在 5VDC 下所消耗的電流應(yīng)不大于 CPU 主機(jī)模板 在 5VDC 下所能提供的最大擴(kuò)展電流. 各 CPU 在 5VDC 下所能提供的最大擴(kuò)展電流如表 2-4 所示。 表 2-4 CPU 提供的最大擴(kuò)展電流 2.3.1 S7-200 系列 PLC 元件功

26、能 1. 數(shù)據(jù)類(lèi)型 數(shù)據(jù)類(lèi)型 S7-200 系列 PLC 的數(shù)據(jù)類(lèi)型可以是字符串、布爾型（0 或 1） 、整 數(shù)型和實(shí)數(shù)型（浮點(diǎn)數(shù)） 。布爾型數(shù)據(jù)指字節(jié)型無(wú)符號(hào)整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括 16 位 符號(hào)整數(shù)（INT）和 32 位符號(hào)整數(shù)（DINT） 。 2. 編程元件 （1） 輸入映像寄存器 I（輸入繼電器） 輸入映像寄存器的工作原理：輸入繼電器是 PLC 用來(lái)接收用戶設(shè)備輸入信 號(hào)的接口。PLC 中的繼電器與繼電器控制系統(tǒng)中的繼電器有本質(zhì)性的差別，是軟 繼電器，它實(shí)質(zhì)是存儲(chǔ)單元 輸入映像寄存器的地址分配：S7-200 輸入映像寄存 器區(qū)域有 IB0IB15 共 16 個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元。系統(tǒng)對(duì)輸入映像

27、寄存器是以字節(jié) （8 位）為單位進(jìn)行地址分配的。 （2） 變量存儲(chǔ)器 V 變量存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)變量。可以存放數(shù)據(jù)運(yùn)算的中間運(yùn)算結(jié)果或設(shè)置參 數(shù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，變量存儲(chǔ)器會(huì)被經(jīng)常使用。變量存儲(chǔ)器可以是位尋址， 也可按字節(jié)、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號(hào)范圍根據(jù) CPU 的型號(hào)有所 不同，CPU221/222 為 V0.0V2047.7 共 2KB 存儲(chǔ)容量，CPU224/226 為 V0.0V5119.7 共 5KB 存儲(chǔ)容量 （3） 內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器（中間繼電器）M 內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器，用來(lái)保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)，其作用相當(dāng)于繼 電器控制中的中間繼電器，內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器在 PLC

28、 中沒(méi)有輸入/輸出端與之對(duì) 應(yīng)，其線圈的通斷狀態(tài)只能在程序內(nèi)部用指令驅(qū)動(dòng)，其觸點(diǎn)不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù) 載，只能在程序內(nèi)部驅(qū)動(dòng)輸出繼電器的線圈，再用輸出繼電器的觸點(diǎn)去驅(qū)動(dòng)外部 負(fù)載。 （4） 特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器 SM PLC中還有若干特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器, 特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器位提供大量的狀態(tài)和 控制功能，用來(lái)在CPU和用戶程序之間交換信息，特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器能以位、字 節(jié)、字或雙字來(lái)存取。 （5） 定時(shí)器 T PLC 所提供的定時(shí)器作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的時(shí)間繼電器。每個(gè)定時(shí) 器可提供無(wú)數(shù)對(duì)常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)供編程使用。其設(shè)定時(shí)間由程序設(shè)置。 （6） 計(jì)數(shù)器C 計(jì)數(shù)器用于累計(jì)計(jì)數(shù)輸入端接收到的由斷開(kāi)到接通的

29、脈沖個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器可提 供無(wú)數(shù)對(duì)常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)供編程使用，其設(shè)定值由程序賦予。 （7） 累加器 AC 累加器是用來(lái)暫存數(shù)據(jù)的寄存器，它可以用來(lái)存放運(yùn)算數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié) 果。CPU 提供了 4 個(gè) 32 位的累加器，其地址編號(hào)為 AC0AC3。累加器的可用 長(zhǎng)度為 32 位，可采用字節(jié)、字、雙字的存取方式，按字節(jié)、字只能存取累加器 的低 8 位或低 16 位，雙字可以存取累加器全部的 32 位。 2.4 PID 控制器簡(jiǎn)介 基于偏差的比例(Proportlonal)、積分(Integral)和微分(Derivative)的控制器簡(jiǎn)稱 為 PDI 控制器，它是工業(yè)過(guò)程控制中最常見(jiàn)的一種過(guò)程控制器。

30、由于 PID 控制器 算法簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)，因而被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、熱工和輕工等工業(yè) 過(guò)程控制系統(tǒng)中。 盡管工業(yè)自動(dòng)化飛速發(fā)展，但是 PID 控制技術(shù)仍然是工業(yè)過(guò)程控制的基礎(chǔ)。 根據(jù)日本有關(guān)調(diào)查資料顯示，在現(xiàn)今使用的各種控制技術(shù)中，PID 控制技術(shù)占 84.5%，優(yōu)化 PID 控制技術(shù)占 6.8%，現(xiàn)代控制技術(shù)占 1.6%，手動(dòng)控制占.66%， 人工智能(Al)控制技術(shù)占 0.6%。如果把 PID 控制技術(shù)和優(yōu)化 PID 控制技術(shù)加起來(lái)， 則占到了 90%以上，而文獻(xiàn)指出，工業(yè)過(guò)程控制中，95%以上的回路具有 PID 結(jié) 構(gòu)。因此，可以毫不夸張地說(shuō)，隨著工業(yè)現(xiàn)代化和其他各種先進(jìn)控制技術(shù)

31、的發(fā)展， PID 控制技術(shù)仍然不過(guò)時(shí)，并且它還占著主導(dǎo)地位。同時(shí)，由于工業(yè)過(guò)程對(duì)象的 精確模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，因而在用 PID 控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)， 又往往難以得到最佳的控制效果。 2.4.1 PID 控制器的結(jié)構(gòu)及原理 PID 控制器是一種基于偏差“過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)”信息估計(jì)的有效而簡(jiǎn)單的控 制算法。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理圖如圖 2-5 示。 圖 2-5 PID 控制系統(tǒng)原理圖 整個(gè)系統(tǒng)主要由 PID 控制器和被控對(duì)象組成。作為一種線性控制器，PID 控制器 根據(jù)給定值 SV 和實(shí)際輸出值 PV 構(gòu)成控制偏差， 即 e(t)=r(t)-y(t) (2. 1) 然后對(duì)偏差按

32、比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。 由圖 2-5 得到 PID 控制器的理想算法為 (2. 2) 01 p )( )( 1 )(KU(t) dt tde Tdtte T te d 或者寫(xiě)成常見(jiàn)傳遞函數(shù)的形式為： (2. 3)() 1 1 ()( 1 sEsT sT KsU dp 其中， 、Ti、Td 分別為 PID 控制器的比例增益、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。 式(2.2.2)和式(2.2.3)是我們?cè)诟鞣N文獻(xiàn)中最經(jīng)?？吹降?PID 控制器的兩種表達(dá)形 式。各種控制作用(即比例作用、積分作用和微分作用)的實(shí)現(xiàn)在表達(dá)式中表述的 很清楚，相應(yīng)的控制器參數(shù)包括比例增益凡、

33、積分時(shí)間常數(shù) Ti 和微分時(shí)間常數(shù)路。 這三個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到 PID 控制系統(tǒng)的控制效果好壞。 2.4.2 數(shù)字式 PID 控制 在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保 證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常 采用 proportional(比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式，稱之為 pID 控制。PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有以 下優(yōu)點(diǎn):理論成熟，算法簡(jiǎn)單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。PID 控制器 是一種線性控制器，它是對(duì)給定值:r(t)和

34、實(shí)際輸出值只 t)之間的偏差 e(t): e(t)=y(t)一 r(t) (2.4)() 1 1 ()( 1 sEsT sT KsU dp 經(jīng)比例(P)、積分(I)和微分(D)運(yùn)算后通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量 u(t)， 對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成， 其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 2-6 所示，圖中 u(O 為 PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。 圖 2-6 PID 控制原理圖 PID 控制器規(guī)律為： （2.5） dt tde Tdtte T teKty Dp )( )( 1 )()( 1 式中：為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。 p K 1

35、T D T 相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式： （2.6）) 1 1 ( )( )( )(G 1 sT sT K sE sU s Dp PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下: l)比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號(hào)的作用，偏差 e(t)一旦產(chǎn)生，控 制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前變化的一種反 映。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)凡的增大而減少，比 例系數(shù)過(guò)大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 2)積分環(huán)節(jié):表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對(duì)時(shí)間的積 分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)，直 到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜

36、差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的 強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)不，不越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大， 反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。 3)微分環(huán)節(jié):對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)變 得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度， 減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來(lái)控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響 應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。但過(guò)大的幾對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力卻將減弱。 PID 的三種作用是相互獨(dú)立，互不影響。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作 用，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。然而，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單獨(dú)使用一種控制 規(guī)律都難以獲得良好的控制

37、性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào) 節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制 領(lǐng)域以來(lái)，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 控制算法具有更大的靈活性 和可靠性。數(shù)字 PID 控制算法是通過(guò)對(duì)式（2.6）離散化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用一系列的采 樣時(shí)刻點(diǎn) nT 代表連續(xù)時(shí)間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一 階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到 PID 位置控制算法表達(dá)式: （2.7） ) 1()()()()( 0 nene T T je T T neKnu D n j I p 式中:T 為采樣周期;n 為采樣序號(hào);e(n)為第 n 時(shí)刻的偏差信

38、號(hào);e(n 一 l)為 第 n 一 1 時(shí)刻的偏差信號(hào)。PID 位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計(jì)算本 次與上次的偏差信號(hào) e(n)和 e(n 一 l)，而且還要把歷次的偏差信號(hào) e(j)相加，計(jì)算 繁鎖，占用內(nèi)存大;另一方面計(jì)算機(jī)輸出的控制量 u(n)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位 置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，u(n)可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 大幅度變化，這是不允許的。為此實(shí)際控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表 達(dá)式為（2.8）: 1 ( )( )(1)( )(1)( ) p U nu nu nKe ne nK e n （2.8）( )2 (1)(2) D Ke ne n

39、e n 式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量：( )U n 1 ; D IPDP TT KKKK TT 增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的控制增量 Au(n)僅與最近幾次采樣有關(guān)， 所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，必要時(shí)可以通過(guò)邏輯判斷去掉過(guò)大的增量，而且較容易 通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。 2.4.3 數(shù)字式 PID 控制的實(shí)現(xiàn) PID 控制器是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制器，在工業(yè)過(guò)程控制中得到 了普遍的應(yīng)用。過(guò)去的 PID 控制器通過(guò)硬件模擬實(shí)現(xiàn)，但隨著微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)， 特別是現(xiàn)代嵌入式微處理器的大量應(yīng)用，原先 PID 控制器中由硬件實(shí)現(xiàn)的功能都 可以用軟件來(lái)代替實(shí)現(xiàn)，從而形成了數(shù)值 PID

40、算法，實(shí)現(xiàn)了由模擬 PDI 控制器到 數(shù)字 PID 控制器的轉(zhuǎn)變。數(shù)字 PID 控制器在實(shí)際應(yīng)用中可分為兩種:位置式 PID 控制器和增量式 PID 控制器。 應(yīng)用中，位置式 PID 控制器和增量式 PID 控制器的算法實(shí)現(xiàn)分別如圖 2-7 和 圖 2-7、圖 2-8 所示。 圖 2-7 位置式 PID 算法實(shí)現(xiàn) 圖 2-8 增量式 PID 算法實(shí)現(xiàn) 第 3 章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 在傳統(tǒng)的水塔、水箱供水的基礎(chǔ)上，加入了 PLC 及液壓變送器等器件利用 PLC 和組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)水塔水位的控制提供了一種實(shí)用的水塔水位控制方案。 控制系統(tǒng)組成 3.1 系統(tǒng)的工作原理 在系統(tǒng)中，只使用比例和積

41、分控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可以通過(guò)工程 計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整達(dá)到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出 水口，用于動(dòng)控制輸入控制液體閥，使水位達(dá)到滿水位的 75%，然后打開(kāi)出水 口，同時(shí)輸入控制液體閥從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。這種切換由一個(gè)輸入的 數(shù)字量控制。 3.1.1 設(shè)計(jì)分析 圖 3-1 設(shè)計(jì)分析示意圖 “水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)”的控制對(duì)象為水泵，容器為水塔或儲(chǔ)液罐。水位高度 正常情況下控制在 C、D 之間，如圖 1（a） 。當(dāng)水位在低于 C 點(diǎn)時(shí)，水泵開(kāi)始進(jìn) 水，如圖 1（b） 。當(dāng)水位高于 D 點(diǎn)時(shí)，水泵停止進(jìn)水，如圖 1（c） 。當(dāng)水位低于 C 點(diǎn)并到達(dá) B 點(diǎn)時(shí)就報(bào)警，采取

42、手動(dòng)啟動(dòng)水泵，如圖 1（d） 。當(dāng)水位超過(guò) D 點(diǎn)并 到達(dá) E 點(diǎn)時(shí)上限報(bào)警，采取強(qiáng)制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖 1（e） 。 3.1.2 可行性試驗(yàn) 圖 3-2 為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報(bào)警確認(rèn)燈、水位指示 燈以及報(bào)警確認(rèn)開(kāi)關(guān)組成。接通電源時(shí)，電源指示燈亮，當(dāng)水塔中水深處于不同 位置時(shí)，水位指示燈 B、C、D、E 情況不同。 圖 3-2 水塔水位控制器外觀圖 當(dāng)水位處于 B 點(diǎn)之下，指示燈 B、C、D、E 全亮，報(bào)警電路開(kāi)始報(bào)警， 即下限報(bào)警。 當(dāng)水位處于 B、C 之間，指示燈 B 滅，C、D、E 亮，水泵開(kāi)始進(jìn)水。 當(dāng)水位處于 C、D 之間，指示燈 B、C 滅，C

43、、D 亮，保持狀態(tài)，即保持 進(jìn)水。 當(dāng)水位處于 D、E 之間，指示燈 B、C、D 滅，E 亮，停進(jìn)狀態(tài)，即水泵 不工作。 當(dāng)水位處于 E 點(diǎn)之上，指示燈 B、C、D、E 全滅，水泵不工作，報(bào)警電 路開(kāi)始溢出報(bào)警，即上限報(bào)警。 報(bào)警電路可以手動(dòng)關(guān)閉，只要按下報(bào)警確認(rèn)開(kāi)關(guān)，就可以解除報(bào)警的蜂鳴 聲。此時(shí)，報(bào)警確認(rèn)燈亮起。處理完故障時(shí)，必須關(guān)閉報(bào)警確認(rèn)燈，報(bào)警確認(rèn)電 路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測(cè)故障的功能。 3.1.3 可行性分析 此方案采用純硬件電路設(shè)計(jì)，避免了軟件程序設(shè)計(jì)中的不穩(wěn)定因素，提高了 實(shí)際運(yùn)用中的可靠性。同時(shí)，對(duì)于不同類(lèi)型的液體，此系統(tǒng)均有良好的兼容性。 當(dāng)水塔中液體改變時(shí)，只需要將電位器中的阻

44、值和該液體的阻值調(diào)節(jié)到一個(gè)數(shù)量 級(jí)上就可以很方便的實(shí)現(xiàn)此液體的水位控制操作。試驗(yàn)證明，此水塔水位控制器 不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)水塔水位的精確控制，而且，此系統(tǒng)更具有工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際性。 3.2 水位閉環(huán)控制系統(tǒng) 圖 3-3 供水系統(tǒng)控制原理圖 M1、M2水泵 Y0-Y3液位開(kāi)關(guān) F1手閥 F2電磁閥 為了精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制，必須建立閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)水塔中的進(jìn)、 出水的水位可以自動(dòng)控制水泵，使水位處于動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)。 供水系統(tǒng)的基本原理如圖 1 所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過(guò)在水塔中的三個(gè)液 壓變送器，將水位值變換為 420 mA 電流信號(hào)進(jìn)入 PLC，把該信號(hào)和 PLC 中的 設(shè)定值的程序進(jìn)行比較，

45、并執(zhí)行較后程序，通過(guò)水泵的開(kāi)關(guān)對(duì)水塔中的水位進(jìn)行 自動(dòng)控制。當(dāng) PLC 出現(xiàn)故障時(shí)，還有一套手動(dòng)控制來(lái)進(jìn)行對(duì)水塔水位控制。手動(dòng) 控制采用交流接觸器。 上水箱液位低于 Y3 時(shí)，M1、M2 同時(shí)工作，F(xiàn)2 打開(kāi)。液位上升至 Y2 時(shí)，M2 停 止，F(xiàn)2 關(guān)閉，M1 繼續(xù)工作。液位上升至 Y1 時(shí)，M1 也停止。打開(kāi) F1 手閥使上 水箱放水，液位下降。當(dāng)液位又低于 Y1 時(shí) M1 起動(dòng)工作，如 F1 開(kāi)度較大下水量 大于上水量，使液位繼續(xù)下降至 Y2 時(shí)，M2 啟動(dòng)工作同時(shí) F2 打開(kāi)，使上水量大 幅上升，保持液位。Y0 為下水箱缺水報(bào)警開(kāi)關(guān)下水箱液位低于 Y0 時(shí)意味著水泵 進(jìn)水口缺水，此時(shí)應(yīng)

46、自動(dòng)切斷電源并報(bào)警。 圖 3-4 水位閉環(huán)控制圖 3.2.1 PLC 的選擇 由于該系統(tǒng)為中型 PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)，要求 PLC 能夠提供可編程邏輯分析 和 PID 功能，故選用中達(dá)公司生產(chǎn)的臺(tái)達(dá) DVP14ES00R 可編程邏輯控制器。臺(tái) 達(dá) DVP14ES00R 具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出及通信單元，可用于較為惡劣的環(huán)境中。 主要配件有中央處理器 CPU，電源單元 PSE，I/O 單元。包括數(shù)字輸入板 IDPG、 數(shù)字輸出板 ODPG、附屬單元。 3.2.2 供水的控制方法 圖 3-5 給水泵控制原理圖 系統(tǒng)的硬件接線圖如圖 3-5 所示。從整個(gè)流程中可以看到兩套控制方式： 由一臺(tái)可編程序控制

47、器來(lái)控制兩臺(tái)水泵的自動(dòng)運(yùn)行。由交流接觸器來(lái)控制兩臺(tái) 水泵的手動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)換項(xiàng)開(kāi)關(guān) KKl 打到手動(dòng)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕 SBl，1#泵起動(dòng)運(yùn) 行向水塔注水，由于設(shè)置了順序開(kāi)啟和逆序關(guān)閉，在 1#泵沒(méi)有開(kāi)起的情況下，2# 泵不能起動(dòng)運(yùn)行，而在兩個(gè)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，2#泵在沒(méi)有停止的情況下，1#泵不 能夠停止?，F(xiàn)在 1#泵運(yùn)行的時(shí)候，按下起動(dòng)按鈕 SB2，2#泵起動(dòng)運(yùn)行向水塔注水。 此時(shí)，控制臺(tái)上的水位燈，由水塔中的液位變送器將水位變換為 420mA 電流信 號(hào)輸入到 PLC 中，經(jīng) IDPG 將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該信號(hào)與水位給定值進(jìn)行比較， 由 PLC 輸出一個(gè)控制信號(hào)經(jīng) ODPG 轉(zhuǎn)換控制信號(hào)點(diǎn)亮此時(shí)

48、水塔水位所在的水位燈。 當(dāng)換項(xiàng)開(kāi)關(guān) KK1 打到自動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)水塔中水位的情況，通過(guò)在水塔中的液 位變送器送出的 420 mA 電流信號(hào)由 PLC 接受并對(duì)其于給定值進(jìn)行比較，執(zhí)行 事先編譯好的程序。程序流程是：在水塔中無(wú)水時(shí)，1#、2#泵同時(shí)開(kāi)起，對(duì)水塔 進(jìn)行注水；水位到達(dá)低水位時(shí)，控制臺(tái)上的低水位燈點(diǎn)亮；水位到達(dá)中水位時(shí)， 2#泵停止，1#泵繼續(xù)運(yùn)行，中水位燈點(diǎn)亮；水位到達(dá)高水位時(shí)，1#、2#泵都停止， 高水位燈點(diǎn)亮。而當(dāng)下水箱水位到達(dá)報(bào)警水位的時(shí)候，報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警，并切斷 1#、2#泵的運(yùn)行。 系統(tǒng)各種功能的實(shí)現(xiàn) 1水位顯示及報(bào)警功能 為了及時(shí)觀測(cè)到水塔中的水位，特別在控制臺(tái)上安裝了

49、 4 盞水位顯示燈，并 將它們與 PLC 連接，根據(jù)變送器給 PLC 的信號(hào)，由 PLC 輸出信號(hào)開(kāi)啟這 4 盞水 位燈來(lái)顯示當(dāng)前水塔水位的情況。其中一盞燈是報(bào)警燈，在下水箱缺水的時(shí)候進(jìn) 行報(bào)警，提醒工作人員前來(lái)處理。 2手動(dòng)/自動(dòng)功能 為了系統(tǒng)能正常運(yùn)行，設(shè)置兩套手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行方式。手動(dòng)方式是利用繼電器- 接觸器控制，可以在環(huán)境比較惡劣的條件下繼續(xù)工作，自動(dòng)方式是利用 PLC 來(lái)控 制。 3組態(tài)軟件功能 在這里利用組態(tài)軟件的采集數(shù)據(jù)的功能，對(duì)水塔的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò) 實(shí)際的數(shù)字和圖表反映出現(xiàn)在的水位狀況。 第 4 章 PLC 中 PID 控制器的實(shí)現(xiàn) 4.1 PID 算法 PID(Pro

50、Portiona1IntegralDerivative)是工業(yè)控制常用的控制算法，無(wú)論在溫度、 流量等慢變化過(guò)程，還是速度、位置等快速變化的過(guò)程，都可以得到很好的控制 效果。PID 控制算法一般由【比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)】組成。積分項(xiàng)的作用是消 除系統(tǒng)靜差，而微分項(xiàng)則改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。 PLC 技術(shù)不斷增強(qiáng)，運(yùn)行速度不斷提高;不但可以完成順序控制的功能，還可 以完成復(fù)雜的閉環(huán)控制。圖 4.1 是常見(jiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成。 4-1 閉環(huán)控制系統(tǒng) 作為閉環(huán)控制的重要特征，采用了“誤差”的概念，即:在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，利 用給定輸入 sP(t)與實(shí)際輸出 c(t)經(jīng)過(guò)測(cè)量裝置裝置轉(zhuǎn)換后的反饋量 P

51、v(t)之間的差 值 e(t)作為控制量，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。 在實(shí)際閉環(huán)控制系統(tǒng)中，誤差 e(t)一個(gè)很小的變化量。因此，為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更 精確的控制，消除系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)的輸出誤差，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，需要對(duì)誤 差進(jìn)行放大(比例調(diào)節(jié) P)、積分(積分調(diào)節(jié) I)、微分(微分調(diào)節(jié) D)，才能有效地控制 系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用來(lái)對(duì)誤差進(jìn)行放大、積分、微分等處理的裝置稱為 “調(diào)節(jié)器”，當(dāng)調(diào)節(jié)器具有“放大”、 “積分”、 “微分”功能時(shí)，即成為 PID 調(diào)節(jié)器。 在變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐中，經(jīng)常采用 PID 控制 器、軟件 PID

52、 以及變頻器內(nèi)置 PID 來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)功能，三種方法各具優(yōu) 缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用 PID 算法的 PLC 實(shí)現(xiàn)方法。 4.2 PID 應(yīng)用 在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要用閉環(huán)控制方式來(lái)控制溫度、液位、壓力、流量等 連續(xù)變化的模擬量。無(wú)論是使用模擬控制器的模擬控制系統(tǒng)，還是使用計(jì)算機(jī) （包括 PLC）的數(shù)字控制系統(tǒng)，PID 控制都等到了廣泛的應(yīng)用。PID 控制簡(jiǎn)單易 懂，使用中不必能清楚系統(tǒng)的數(shù)字模型。有人稱贊它是控制領(lǐng)域的常青樹(shù)是不無(wú) 道理的。 PID 控制器是比例-積分-微分控制(Proportional-Integral-Derivative)的簡(jiǎn)稱,之 所以得到廣泛應(yīng)用是因?yàn)樗哂腥?/p>

53、下優(yōu)點(diǎn)： （1）不需要精確地控制系統(tǒng)數(shù)字模型。由于非線性和時(shí)變性很多工業(yè)控制 對(duì)象難以得到其準(zhǔn)確的數(shù)字模型，因此不能使用控制理論中的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于這 一類(lèi)系統(tǒng)，使用 PID 控制可以得到比較滿意的效果。 （2）有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制 可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分、微分控制三者有效地結(jié)合就可以滿足 不同的控制要求。根據(jù)被控制對(duì)象的具體情況，還可以采用各種 PID 控制的變種 和改進(jìn)的控制方式，如 PI、PD、帶死區(qū)的 PID、積分分離 PID、變速積分 PID 等。 （3）PID 控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序簡(jiǎn)單，工程上易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。 在 PLC

54、 控制系統(tǒng)中，經(jīng)常采用模擬量輸入/輸出模塊實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字化處 理，本系統(tǒng)選擇 S7-20O 系列 EM235 模擬量模塊，對(duì)管網(wǎng)壓力信號(hào)進(jìn)行采樣，并 通過(guò)變頻器調(diào)整液壓閥輸入與輸出。 4.3 PLC 實(shí)現(xiàn) PID 控制的方式 用 PLC 對(duì)模擬量進(jìn)行 PID 控制時(shí)，可以采用以下幾種方法： （1） 使用 PID 過(guò)程控制模塊 這種模塊的 PID 控制程序是 PLC 生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的，并存放在模塊中，用戶 在使用時(shí)只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來(lái)非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾 十路閉環(huán)回路，但是這種模塊的價(jià)格較高，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。 （2） 使用 PID 功能指令 現(xiàn)在很多 PLC 都有

55、供 PID 控制用的功能指令，如 S7-200 的 PID 指令。它們實(shí)際 上是用于 PID 控制的子程序，與模擬量的輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類(lèi)似 于是用 PID 過(guò)程控制模塊的效果，但是價(jià)格便宜得多。 (3) 用自編的程序?qū)崿F(xiàn) PID 閉環(huán)控制 有的 PLC 沒(méi)有 PID 過(guò)程控制模塊和 PID 控制用的功能指令，有時(shí)雖然可以 使用 PID 控制指令，但希望采用某種改進(jìn)的 PID 控制算法。在上述情況下都需要 用戶編制 PID 控制程序。 4.4 PLC PID 控制器的實(shí)現(xiàn) PLC 的 PID 控制器的設(shè)計(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)的 PID 控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化， 寫(xiě)成離散形勢(shì)的 PID

56、 控制方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。 在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 3-1 所示。圖中為給定值，( )sp t 為反饋量，c(t)為系統(tǒng)的輸入量，PID 控制器的輸入輸出關(guān)系式為：( )pv t 0 0 1 11 ( )( )( )( ) t c D M tKe te t dtde tdtM TT 式中， 控制器的輸出，為輸出的初始值，( )M t 0 M = 誤差信號(hào)，( )e t( )( )sp tpv t 比例系數(shù)， c K 積分時(shí)間常數(shù)， 1 T 微分時(shí)間常數(shù)。 D T 圖 4-2 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 上式中等號(hào)右邊前 3 項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，它

57、們分別與誤差、誤 差積分和微分成正比。如果取其中一項(xiàng)或兩項(xiàng)，可以組成 P、PD 或 PI 控制器。 假設(shè)采樣周期為，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)刻為 t=0，用矩形積分來(lái)近似精確積 S T 分，用差分近似精確微分，將上式離散化，第 n 次采樣時(shí)控制器的輸出為： 110 1 () n ncnjDnn j MK eKeKeeM 式中， 第 n-1 次采樣誤差值。 1n e 積分系數(shù)。 1 K 微分系數(shù)。 D K 在 S7-200PLC 中，實(shí)際使用的 PID 算法為： ( )( )( )( ) pID M nMnMnMn 式中： 第 n 次采樣的調(diào)節(jié)器輸出 ( )M n 比例項(xiàng) ( ) p Mn ( )( )

58、 pC MnK e n 積分項(xiàng) ( ) I Mn 0 ( )( ) n Iiij j MnK e nKe 微分項(xiàng) ( ) D Mn ( )1 Dd MnKe ne n 基于 PLC 的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 4-2 所示，圖中虛線部分在 PLC 內(nèi)。這圖中 的、分別為模擬量、在第 n 次采樣的 n sp n pv n e n M( )sp t( )pv t( )e t( )M t 數(shù)字量。 圖 4-3 PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框 在許多控制器系統(tǒng)內(nèi)，可能只需要 P、I、D 中的一種或兩種控制器類(lèi)型。例 如，可能只要求比例控制或積分控制，通過(guò)設(shè)置參數(shù)可對(duì)回路控制類(lèi)型進(jìn)行選擇。 本系統(tǒng)只適用比例和積分控制

59、，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可以通過(guò)工程計(jì)算初 步確定，但還需要近一步調(diào)整已達(dá)到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口。 用手動(dòng)控制液體閥，使水位達(dá)到滿水位的 75%，然后打開(kāi)出水口，同時(shí)輸入控制 液體閥從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。這種切換有一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。 4.5 PID 指令及回路表 S7-200 的 PID 指令圖如圖 3-4 所示。 圖 4-4 PID 指令圖 指令中 TBL 是回路表的起始地址，LOOP 是回路編號(hào)。編譯時(shí)如果指令指定的回 路表起始地址或回路號(hào)超出范圍，CUP 將產(chǎn)生編譯錯(cuò)誤（范圍錯(cuò)誤） ，引起編譯 失敗。PID 指令對(duì)回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查，應(yīng)保證過(guò)程變量、

60、給 定值等不超限。回路表見(jiàn)表 4-1. 過(guò)程變量與給定值是 PID 運(yùn)算的輸入值，在回路表中它們只能被 PID 指令讀 取而不能改寫(xiě)。每次完成 PID 運(yùn)算后，都要更新回路表內(nèi)的輸出值，它被限 n M 制在 0.01.0 之間。 表 4-1 PID 指令的回路表 偏移地址變量格式類(lèi)型描述 0過(guò)程變量 n pv雙字實(shí)數(shù)輸入應(yīng)在 0.01.0 之間 4給定值 n sp雙字實(shí)數(shù)輸入應(yīng)在 0.01.0 之間 8輸出值 n M雙字實(shí)數(shù)輸入/輸出應(yīng)在 0.01.0 之間 12增益 c K雙字實(shí)數(shù)輸入比例常數(shù)，可正可負(fù) 16采樣時(shí)間 s T雙字實(shí)數(shù)輸入單位為 s，必須為正 20積分時(shí)間 1 T雙字實(shí)數(shù)輸入單