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

PAGE畢業(yè)論文基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系別自動(dòng)化工程系專業(yè)名稱測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要可編程控制器是以微型計(jì)算機(jī)為核心的工業(yè)控制裝置，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)。德國(guó)西門子公司SIMATICS7-300系列可編程控制器的模塊化、無(wú)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及易于掌握等特點(diǎn)，使得S7-300系列可編程控制器在工業(yè)領(lǐng)域中實(shí)施各種控制任務(wù)時(shí)，成為一種既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案。過(guò)程控制系統(tǒng)中，80%以上的控制對(duì)象都可以用PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)組態(tài)PLC的標(biāo)準(zhǔn)PID控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)流程的自動(dòng)控制，可以大大提高編程效率和整個(gè)項(xiàng)目的組態(tài)時(shí)間。本設(shè)計(jì)是以液位為被控對(duì)象，基于SIEMENS

S7-300PLC和昆侖通態(tài)公司的組態(tài)軟件MCGS設(shè)計(jì)了一套液位控制系統(tǒng)。編程時(shí)調(diào)用了STEP7中自帶的PID模塊，使得程序更為簡(jiǎn)潔，運(yùn)行速度更為理想。利用可編程控制器和組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采樣與處理。實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)具有快、準(zhǔn)、穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中能得到廣泛運(yùn)用。關(guān)鍵詞：PID，PLC，MCGS，液位，過(guò)程控制BasedonPLCcontrolsystemdesignandimplementationAuthor：DuChenTutor：SongAijuanAbstractProgrammableControllerbasedonmicrocomputerasthecoreoftheindustrialcontrolequipment,integratedcomputertechnology,automaticcontroltechnologyandcommunicationtechnology.SiemensGermanySIMATICS7-300seriesprogrammablecontrollerandthemodularstructureoffan,theconfigurationanddistributedcharacteristicssuchaseasytomaster,S7-300seriesprogrammablecontrollerinthefieldofindustrialcontroltasksimplemented,becomeaneconomicalandpracticalsolutions.Processcontrolsystemmorethan80%ofthecontrolledobjectcanbeusedtorealizePIDcontroller,throughtheconfigurationofPLC,realizePIDcontrolmodulestandardofindustrialprocessofautomaticcontrol,cangreatlyimprovetheefficiencyandthewholeprojectprogrammingconfigurationoftime.Thisdesignisforthecontrolledobject,levelbasedonSIEMENSS7-300PLCandthegeneralstateofkunlunMCGSconfigurationsoftwaredesignedasetofliquidlevelcontrolsystem.WhenprogrammingcallsaSTEP7inthecabin,andmaketheprocessmorePIDmodule,thespeedmoreconcise.Usingtheprogrammablecontrollerandconfigurationsoftware,realizethereal-timemonitoringandcontrolsystemforreal-timesamplingandprocessingofdata.Itisprovedthatthissystemisfast,accurateandetc,intheindustrialcontrolareacanbeusedwidely.KeyWords:PID，PLC，MCGS，LEVEL，PROCESS目錄第一章緒論 11.1課題研究的背景知識(shí)和意義 11.2過(guò)程控制系統(tǒng)概述 11.3課題的研究?jī)?nèi)容 2第二章PID控制原理以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 42.1PID調(diào)節(jié)基本原理 42.1.1PID概述 42.1.2數(shù)字式PID控制算法 52.2PID控制器的選擇 62.3連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB41/FB41“CONT_C” 8第三章可編程控制器 103.1PLC可編程控制器基礎(chǔ) 103.1.1PLC可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用 103.1.2PLC可編程控制器的組成和工作原理 103.1.3PLC可編程控制器的分類及特點(diǎn) 12第四章PLC硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 144.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 144.1.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 144.1.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 154.2PLC的選型與硬件配置 174.2.1PLC型號(hào)的選擇 174.2.2S7-300CPU的選擇 174.2.3SM322數(shù)字量輸出模塊 184.3I/O點(diǎn)分配 184.4PLC控制器的設(shè)計(jì) 184.4.1控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 194.4.2PID參數(shù)整定 20第五章PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 225.1PLC程序設(shè)計(jì)方法 225.2編程軟件STEP7概述 235.2.1STEP7的操作步驟 235.3軟件程序設(shè)計(jì) 265.3.1設(shè)計(jì)思路 265.3.2控制程序流程圖 275.3.3梯形圖程序 275.3.4PID指令向?qū)У倪\(yùn)用 30第六章在MCGS上位機(jī)上監(jiān)控PID控制程序運(yùn)行 316.1引言 316.2建立一個(gè)MCGS組態(tài)PID系統(tǒng) 326.3實(shí)現(xiàn)MCGS與S7-300的軟件通訊 356.3.1概述 356.2.2通訊硬件連接 366.3.3設(shè)備調(diào)試 36結(jié)論 37致謝 38參考文獻(xiàn) 39附錄 40第一章緒論1.1課題研究的背景知識(shí)和意義目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligentregulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等。1.2過(guò)程控制系統(tǒng)概述液位是過(guò)程控制中重要的控制形式之一。過(guò)程控制涉及煉油、發(fā)電、化工、冶金、醫(yī)藥、造紙和輕工等工業(yè)部門，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著十分重要的作用。過(guò)程控制涉及的對(duì)象一般具有過(guò)程復(fù)雜、系統(tǒng)大和安全性要求高等特點(diǎn)，對(duì)自動(dòng)化的要求也較高，自動(dòng)化程度自然相對(duì)發(fā)展也比較快。過(guò)程控制的發(fā)展經(jīng)歷了從常規(guī)儀器儀表到集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）的發(fā)展過(guò)程。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，企業(yè)的自動(dòng)化向著以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的方向發(fā)展。從系統(tǒng)的功能角度看，連續(xù)過(guò)程的工業(yè)自動(dòng)化由過(guò)去的以保證平穩(wěn)生產(chǎn)為目標(biāo)的簡(jiǎn)單控制裝置發(fā)展到考慮過(guò)程的非線性、時(shí)變性等因素的先進(jìn)控制系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，企業(yè)把注意力集中到如何形成一個(gè)能適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場(chǎng)供求多變性的、具有高柔性、全局最優(yōu)、高經(jīng)濟(jì)效益和高管理水平的，集生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)管理于一體的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，也就是連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS(ComputerIntegratedmanufacturingsystem)，亦稱計(jì)算機(jī)綜合處理系統(tǒng)CIPS(computerintegratedprocessingsystem)。連續(xù)過(guò)程工業(yè)的CIMS完全擺脫了傳統(tǒng)的“孤島”式的自動(dòng)化模式，它以計(jì)算機(jī)的軟、硬件系統(tǒng)的集成為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)信息和管理信息的集成，計(jì)劃調(diào)度、控制功能和管理決策功能的集成，使企業(yè)成為一個(gè)整體并協(xié)調(diào)地運(yùn)行，從而創(chuàng)造出最好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在現(xiàn)代化的大型企業(yè)中，盡管過(guò)程控制采用了先進(jìn)的DCS系統(tǒng)，但絕大部分的控制回路仍采用比例，積分和微分控制。據(jù)有關(guān)資料介紹，在連續(xù)的工業(yè)過(guò)程的控制中，85%-95%的控制回路采用PID控制，約有5%-15%的控制回路是常規(guī)PID控制所不能奏效或效果不好的，而必須采用高等過(guò)程控制策略。高等過(guò)程APC(AdvancedProcessControl)，亦稱先進(jìn)過(guò)程控制目前尚無(wú)統(tǒng)一的定義。習(xí)慣上，將基于沒(méi)有精確數(shù)學(xué)模型而又必須用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的控制算法，統(tǒng)稱為高等過(guò)程控制策略。如模糊控制、補(bǔ)償控制(包括smith補(bǔ)償控制、前饋控制等)、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、非線性控制、多變量控制、分布參數(shù)控制等。1.3課題的研究?jī)?nèi)容可編程控制器（PLC）是計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)控制裝置。其性能優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（PLC、工業(yè)機(jī)器人、CAD/CAM）之一。PLC的應(yīng)用已成為工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展必然的一個(gè)趨勢(shì)。在不久的將來(lái)PLC技術(shù)在我國(guó)將得到更全面的推廣和應(yīng)用。本文研究的是PLC技術(shù)在液位控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、程序設(shè)計(jì)?？刂茖?duì)象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定。本論文通過(guò)德國(guó)西門子公司的S7-300系列PLC控制器，壓力液位傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際液位值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并送入到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。同時(shí)利用北京昆侖通態(tài)公司的組態(tài)軟件，通過(guò)串行口與可編程控制器通信，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便?？傮w上包括硬件設(shè)計(jì)、軟件編程、參數(shù)整定等。全論文分為七章，各章的主要內(nèi)容說(shuō)明如下。第一章，對(duì)液位控制系統(tǒng)應(yīng)用的背景及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了闡述，指出了本文的研究意義所在。第二章，概述了PID控制系統(tǒng)的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖等基礎(chǔ)內(nèi)容。第三章，概述了可編程控制器（PLC）的基本概念和工作原理和結(jié)構(gòu)功能等知識(shí)。第四章，主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度，介紹了該項(xiàng)目的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟、PLC的硬件配置以及PLC控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)整定。第五章，在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了本項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件的設(shè)計(jì)基本步驟、方法，編程軟件STEP7的介紹以及本項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)。第六章，詳細(xì)介紹了在組態(tài)軟件MCGS的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)計(jì)。第七章，總結(jié)全文。2PID控制原理以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1PID調(diào)節(jié)基本原理2.1.1PID概述在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。過(guò)程控制實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。模擬控制的PID表達(dá)式見(jiàn)式(2.1)：u(t)=Ke(t)+1T0t式中KP、TI、1.比例（P）控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state-error）。2.積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。3.微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。4.采樣周期的選擇：根據(jù)采樣定理，采樣周期(T≤π/ω)max。從系統(tǒng)控制品質(zhì)的要求來(lái)看，希望采樣周期取小一些，這樣接近于連續(xù)控制，不僅控制效果好，而且可采用模擬PID控制參數(shù)的整定方法。采樣周期的選擇還應(yīng)考慮被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)TP根據(jù)以上的分析，可見(jiàn)PID算法簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便，并且有一定的控制精度，所以在本項(xiàng)目中我們采用PID算法。2.1.2數(shù)字式PID控制算法在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于連續(xù)的模擬量不能被識(shí)別，只能通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量。以一定的采樣周期對(duì)輸入量進(jìn)行定時(shí)采樣，得到每個(gè)采樣時(shí)刻的瞬時(shí)值。當(dāng)采樣周期比較短時(shí)，用求和代替積分、用后項(xiàng)差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠?。?shù)字式PID控制算法有兩種:1.數(shù)字式PID位置型控制算法為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，可將積分項(xiàng)與微分項(xiàng)做如下處理見(jiàn)式(2.2)和(2.3)：ote(t)dt≈T0i=0de(t)dt≈e(k)-e(k-1)T0式中，T為采樣周期，k為采樣序號(hào)。從而可得位置型控制算法如式(2.4)：UK=Kpek+式中uk是第K次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的輸出；其中KI=K0T0T2.數(shù)字PID增量型控制算法所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出是控制器的增量△u（K）。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量(例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī))時(shí)，應(yīng)采用增量式PID控制。根據(jù)遞推原理，可得增量式PID控制算法見(jiàn)式(2.5)。?ukKPe(k)-e(k-1)其中:KP為比例增益，K為積分時(shí)間常數(shù)，QUOTEKPK0為微分時(shí)間常數(shù)。2.2PID控制器的選擇控制系統(tǒng)的屬性由技術(shù)過(guò)程和機(jī)器條件決定。因此，為了獲得良好的控制效果，必須選擇最適用的系統(tǒng)控制器。1.連續(xù)控制器、開(kāi)關(guān)控制器：（1）連續(xù)控制器，輸出一個(gè)線性（模擬）數(shù)值。（2）開(kāi)關(guān)控制器，輸出一個(gè)二進(jìn)制（數(shù)字）數(shù)值。2.固定值控制器：使用設(shè)定固定數(shù)值進(jìn)行的過(guò)程控制，只是偶爾修改一下參考變量，過(guò)程偏差的控制。3.級(jí)聯(lián)控制器：控制器串行連接控制。第一個(gè)控制器（主控制器）決定了串行控制器（從控制器）的設(shè)定點(diǎn)，或者根據(jù)過(guò)程變量的實(shí)際錯(cuò)誤影響器設(shè)定點(diǎn)。一個(gè)級(jí)聯(lián)控制器的控制性能可以使用其它的過(guò)程變量加以改進(jìn)。為此，可以為主控制變量添加一個(gè)輔助過(guò)程變量PV2（主控制器SP2的輸出）。主控制器可以將過(guò)程變量PV1施加給設(shè)定點(diǎn)SP1，并且可以調(diào)整SP2，以便盡可能快地到達(dá)目標(biāo)，而沒(méi)有過(guò)調(diào)節(jié)。級(jí)聯(lián)控制器如圖2.1所示?？刂破骺刂破?過(guò)程1過(guò)程2控制器2SP1SP22輔助回路伺服控制器主控制器干擾變量LMNPV2PV1主回路控制過(guò)程圖2.1級(jí)聯(lián)控制器4.混合控制器：混合控制器是指根據(jù)每個(gè)被控組件所需要的設(shè)定點(diǎn)總數(shù)量，來(lái)計(jì)算總SP數(shù)量的一種控制結(jié)構(gòu)。在此，混合系數(shù)FAC的和必須為“1”?；旌峡刂破魅鐖D2.2所示。SP1SP1LMN1SP1SP1LMN1FAC1FAC1控制器1過(guò)程1FAC4過(guò)程4控制器4PV1SP4PV4LMN4圖2.2混合控制器控制器控制器系數(shù)過(guò)程SPLMNPV1PV2比率圖2.3比例控制器5.比例控制器：可以用于“兩個(gè)過(guò)程變量之間的比率”比“兩個(gè)過(guò)程變量的絕對(duì)數(shù)值”重要的場(chǎng)合。比例控制器如圖2.3所示。6.多級(jí)控制器：主要有二級(jí)和三級(jí)控制器。一個(gè)二級(jí)控制器只能采集兩個(gè)輸出狀態(tài)（例如，開(kāi)和關(guān)）。典型的控制為：一個(gè)加熱的系統(tǒng)，通過(guò)繼電器輸出的脈沖寬度調(diào)制。一個(gè)三級(jí)控制器只能采集到三個(gè)具體的輸出狀態(tài)。我們需要區(qū)分：“脈沖寬度調(diào)制”（例如，加熱-冷卻，加熱-關(guān)機(jī)-冷卻）和“使用集成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步進(jìn)控制”（例如，左-停止-右）之間的區(qū)別。2.3連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB41/FB41“CONT_C”SFB41/FB41“CONT_C”（連續(xù)控制器）用于在SIMATICS7可編程控制器上，控制帶有連續(xù)輸入和輸出變量的工藝過(guò)程。在參數(shù)分配期間，用戶可以激活或取消激活PID控制器的子功能，以使控制器適合實(shí)際的工藝過(guò)程。通過(guò)參數(shù)賦值工具，可以很容易地做到這一點(diǎn)。調(diào)用：Start>SIMATIC>STEP7>PID?？刂茀?shù)賦值?？梢允褂每刂破髯鳛閱为?dú)的PID定點(diǎn)控制器或在多循環(huán)控制中作為級(jí)聯(lián)控制器、混合控制器和比例控制器使用。控制器的功能基于帶有一個(gè)模擬信號(hào)的采樣控制器的PID控制算法，如果必要的話，可以通過(guò)脈沖發(fā)送器（EPULSEGN）進(jìn)行擴(kuò)展，以產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的輸出信號(hào)，來(lái)控制比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兩個(gè)或三個(gè)步進(jìn)控制器。除了設(shè)定點(diǎn)操作和過(guò)程數(shù)值操作的功能以外，SFB41/FB41(CONT_C)可以使用連續(xù)的變量輸出和手動(dòng)影響控制數(shù)值選項(xiàng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的PID控制器。下面是關(guān)于SFB41/FB41(CONT_C)詳細(xì)的子功能說(shuō)明：設(shè)定值分支設(shè)定值以浮點(diǎn)數(shù)格式輸入到SP_INT輸入端。過(guò)程變量分支可以在外圍設(shè)備(I/O)中輸入過(guò)程變量，也可以以浮點(diǎn)數(shù)格式輸入。(1)CRP_IN函數(shù)根據(jù)公式(2.6)，將PV_PER外設(shè)值轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)格式-100到+100%：CRP_IN的輸出=PV_PER*100/27648(2.6)(2)PV_NORM函數(shù)根據(jù)公式(2.7)規(guī)格化CRP_IN的輸出：PV_NORM的輸出=(CRP_IN的輸出)*PV_FAC+PV_OFF(2.7)其中，PV_FAC的缺省值是1，PV_OFF的缺省值是0。誤差信號(hào)設(shè)定值和過(guò)程變量之間的差值就是誤差信號(hào)。要抑制由于可調(diào)節(jié)變量量化所引起的小幅持續(xù)振蕩(例如，在使用PULSEGEN進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí))，可對(duì)誤差信號(hào)使用死區(qū)(DEADBAND)。如果DEADB_W=0，則死區(qū)功能關(guān)閉。PID算法這里所使用的PID算法是定位PID算法。比例、積分(INT)和微分(DIF)動(dòng)作是并行連接在一起的，可以單獨(dú)激活或取消激活。這樣便能夠組態(tài)成P、PI、PD和PID控制器。還可以組態(tài)成純I控制器和純D控制器。手動(dòng)值可以在手動(dòng)模式和自動(dòng)模式之間切換。在手動(dòng)模式下，可調(diào)節(jié)變量被修正到手動(dòng)選擇的數(shù)值。積分器(INT)內(nèi)部被設(shè)置成LMN_LMN_P_DISV，而微分單元(DIF)被設(shè)置成，這些都是自動(dòng)在內(nèi)部進(jìn)行匹配的。這樣，切換到自動(dòng)模式就不會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)值的突然變化。調(diào)節(jié)值使用LMNLIMIT函數(shù)，可以將調(diào)節(jié)值限制到所選擇的數(shù)值上。當(dāng)輸入變量超過(guò)了限制值時(shí)，通過(guò)信號(hào)位來(lái)指示。LMN_NORM函數(shù)根據(jù)(2.8)公式規(guī)格化LMNLIMIT的輸出；調(diào)節(jié)值也可以使用外設(shè)值格式。CRP_OUT函數(shù)根據(jù)公式(2.9)將浮點(diǎn)數(shù)LMN轉(zhuǎn)換成外設(shè)值：LMN=(LMNLIMIT的輸出)*LMN_FAC+LMN_OFF(2.8)其中，LMN_FAC的缺省值是1，而LMN_OFF的缺省值是0。LMN_PER=LMN*100/27648(2.9)前饋控制可以在DISV輸入端前饋一個(gè)干擾變量。模式完全重啟動(dòng)/重啟動(dòng)FB“CONT_C”有一個(gè)完全重啟動(dòng)例行程序，當(dāng)置位輸入?yún)?shù)COM_RST=TRUE時(shí)執(zhí)行。在啟動(dòng)期間，積分器內(nèi)部被設(shè)置成初始值I_ITVAL。當(dāng)在周期性中斷優(yōu)先級(jí)中調(diào)用積分器時(shí)，它便從這個(gè)數(shù)值開(kāi)始，繼續(xù)工作。所有其它輸出都被設(shè)置成各自的缺省值。出錯(cuò)信息此功能塊內(nèi)部并不檢查錯(cuò)誤。因此沒(méi)有使用出錯(cuò)輸出參數(shù)RET_VAL。第三章可編程控制器可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱PLC（ProgrammableLogicContrlooer）。它使用了可編程程序的記憶以及存儲(chǔ)令，用來(lái)執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和演算等功能，并通過(guò)數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。3.1PLC可編程控制器基礎(chǔ)3.1.1PLC的產(chǎn)生和應(yīng)用20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價(jià)格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域中獲得推廣。1968年，美國(guó)通用汽車公司（GM）為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，立即引發(fā)了開(kāi)發(fā)熱潮。1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國(guó)通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)。隨著PLC的功能不斷完善，性價(jià)比的不斷提高，PLC的應(yīng)用面也越來(lái)越廣。目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通?？煞譃殚_(kāi)關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等。3.1.2PLC可編程控制器的組成和工作原理PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊兩種，但在邏輯結(jié)構(gòu)上基本相同，無(wú)論是整體式還是模塊式，從硬件結(jié)構(gòu)看，PLC都是由CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口單元及擴(kuò)展接口擴(kuò)展部件、外設(shè)接口及外設(shè)和電源等部分組成，各部分之間通過(guò)系統(tǒng)總線連接。PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：1.CPU（中央處理器）CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成。它的功能是接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等，是PLC不可缺少的組成單元。主要功能包括以下幾個(gè)方面：輸輸入接口存儲(chǔ)單元中央處理單元CPU電源輸出接口圖3.1PLC的基本結(jié)構(gòu)圖（1）接收從編程器或者計(jì)算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。（2）監(jiān)視電源、PLC內(nèi)部各個(gè)單元電路的工作狀態(tài)。（3）診斷編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤，對(duì)用戶程序進(jìn)行編譯。（4）在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取指令，并分析、執(zhí)行該指令。（5）采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。（6）按程序進(jìn)行處理，估計(jì)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容。（7）根據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，將結(jié)果送到輸出接口。（8）響應(yīng)中斷和各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機(jī)等）的任務(wù)處理請(qǐng)求。2.I/O接口PLC是通過(guò)各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。PLC的對(duì)外功能主要是通過(guò)各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊式PLC與現(xiàn)場(chǎng)I/O裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備之間的傳遞信息的作用。I/O模塊分為開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。3.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器（內(nèi)存）主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲(chǔ)器（ROM），只有掉電不丟失信息的程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM），需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）或閃存（FlashMemory），免去了后備電池的麻煩。4.電源模塊PLC的電源是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。電源可分為直流和交流兩種類型，交流輸入220VAC或110VAC，直流輸入通常是24V。5.智能模塊除了上述通用的I/O模塊外，PLC還提供了各種各樣的特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程I/O控制、打印機(jī)等專用型或智能型的I/O模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。I/O模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好，模塊的I/O容量越大，系統(tǒng)的適應(yīng)性就越強(qiáng)。6.編程設(shè)備常見(jiàn)的編程設(shè)備有簡(jiǎn)易手持編程器、智能圖形編程器和基于PC的專用編程軟件。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶程序，對(duì)系統(tǒng)作些設(shè)定，監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的各種狀況、編程設(shè)備在PLC的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接與現(xiàn)場(chǎng)的控制。PLC本質(zhì)上就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，其工作原理與普通計(jì)算機(jī)類似，具有計(jì)算機(jī)的許多特點(diǎn)。但其工作方式卻與計(jì)算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，工作時(shí)逐條順序掃描用戶程序，如果一個(gè)線圈按通或斷開(kāi)，該線圈的所有觸電不會(huì)立即動(dòng)作，需等掃描到該觸電時(shí)才會(huì)動(dòng)作。3.1.3PLC可編程控制器的分類及特點(diǎn)根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。還可以按I/O點(diǎn)數(shù)分類，根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型、大型和超大型四類：（1）I/O點(diǎn)數(shù)在256以下為小型PLC（2）I/O點(diǎn)數(shù)在256~1024為中型PLC（3）I/O點(diǎn)數(shù)大于1024為大型PLC（4）I/O點(diǎn)數(shù)在4000以上為超大型PLC可編程控制器有可靠性高、編程簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)單、維修方便、采用模塊化結(jié)構(gòu)、接口模塊豐富、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試周期短等特點(diǎn)。第四章PLC硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在掌握了PLC的硬件組成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可以PLC作為主要控制器來(lái)構(gòu)造PLC控制系統(tǒng)。本章主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度，介紹該項(xiàng)目的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、PLC的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及PLC控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的整定。4.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟弄懂PLC的基本工作原理和指令系統(tǒng)后，就可以把PLC應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中。無(wú)論是用PLC組成集散控制系統(tǒng)，還是獨(dú)立控制系統(tǒng)，PLC控制部分的設(shè)計(jì)都可以按照?qǐng)D4.1所示的步驟。4.1.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象（生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程）的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)原則往往會(huì)涉及很多方面，其中最基本的設(shè)計(jì)原則可以歸納為4點(diǎn)。1.設(shè)計(jì)原則(1)完整性原則。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程或機(jī)械設(shè)備的控制要求。(2)可靠性原則，確保計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。(3)經(jīng)濟(jì)型原則。力求控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、實(shí)用、合理。(4)發(fā)展性原則。適當(dāng)考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2.評(píng)估控制任務(wù)根據(jù)系統(tǒng)所完成的控制任務(wù)，對(duì)被控對(duì)象的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，特別是從以下幾個(gè)方面給予考慮。(1)控制規(guī)模一個(gè)控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的I/O設(shè)備總數(shù)來(lái)衡量。當(dāng)控制規(guī)模較大時(shí)，特別是開(kāi)關(guān)量控制的I/O設(shè)備較多時(shí)，最適合采用PLC控制。(2)工藝復(fù)雜程度當(dāng)工藝要求較復(fù)雜時(shí)，采用PLC控制具有更大的優(yōu)越性。(3)可靠性要求目前，當(dāng)I/O點(diǎn)數(shù)在20甚至更少時(shí)，就趨向于選擇PLC控制了。(4)數(shù)據(jù)處理速度若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)工程控制為主時(shí)，采用PLC控制將非常適宜。程序檢查、調(diào)試程序檢查、調(diào)試程序設(shè)計(jì)控制和設(shè)計(jì)及布線PLC安裝評(píng)估控制任務(wù)PLC機(jī)型的選擇控制流程的設(shè)計(jì)聯(lián)機(jī)調(diào)試模擬運(yùn)行是否滿足要求投入應(yīng)用程序備份圖4.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟4.1.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。所謂硬件設(shè)計(jì)，是指PLC外部設(shè)備的設(shè)計(jì)，而軟件設(shè)計(jì)即PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分以下5步進(jìn)行。1.熟悉被控對(duì)象深入了解被控系統(tǒng)是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)人員必須深入現(xiàn)場(chǎng)，認(rèn)真調(diào)查研究，收集資料，并于相關(guān)技術(shù)人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題。這一階段必須對(duì)被控對(duì)象所有功能全面的了解，對(duì)對(duì)象的各種動(dòng)作及動(dòng)作時(shí)序、動(dòng)作條件、必要的互鎖與保護(hù)；電氣系統(tǒng)與機(jī)械、液壓、氣動(dòng)及各儀表等系統(tǒng)間的關(guān)系；PLC與其他設(shè)備的關(guān)系，PLC之間是否通信聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)的工作方式及人機(jī)界面。需要顯示的物理量及顯示方式等。2.硬件選擇具體包括如下：(1)系統(tǒng)I/O設(shè)備的選擇。輸入設(shè)備包括按鈕、位置開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及各種傳感器等。輸出設(shè)備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈及其它執(zhí)行器等。(2)選擇PLC。PLC選擇包括對(duì)PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。(3)PLC的I/O端口分配。在進(jìn)行I/O通道分配時(shí)應(yīng)給出I/O通道分配表，表中應(yīng)包含I/O編號(hào)、設(shè)備代號(hào)、名稱及功能等。(4)繪制PLC外圍硬件線路圖。畫出系統(tǒng)其他部分的電氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。(5)計(jì)數(shù)器、定時(shí)器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。3.編寫應(yīng)用程序：根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實(shí)現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)容：(1)初始化程序。在PLC上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動(dòng)作必要的準(zhǔn)備，避免系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作。初始化程序的主要內(nèi)容有：對(duì)某些數(shù)據(jù)區(qū)、計(jì)數(shù)器等進(jìn)行清零，對(duì)某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，對(duì)某些繼電器進(jìn)行置位或復(fù)位，對(duì)某些初始狀態(tài)進(jìn)行顯示等等。(2)檢測(cè)、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對(duì)獨(dú)立，一般在程序設(shè)計(jì)基本完成時(shí)再添加。(3)保護(hù)和連鎖程序。保護(hù)和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認(rèn)真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。4.程序調(diào)試程序調(diào)試分為2個(gè)階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。程序模擬調(diào)試是以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。(1)硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺(tái)PLC或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，并將這些信號(hào)以硬件接線的方式連接到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時(shí)效性較強(qiáng)。(2)軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，其簡(jiǎn)單易行，但時(shí)效性不易保證。模擬調(diào)試中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。當(dāng)控制臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時(shí)更正軟硬件方面的問(wèn)題。5.編寫技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說(shuō)明書、硬件原理圖、安裝原理圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序以及使用說(shuō)明書等。4.2PLC的選型與硬件配置4.2.1PLC型號(hào)的選擇本液位控制系統(tǒng)選擇德國(guó)西門子公司的S7-300系列的PLC。S7-300屬于中小型的PLC，本機(jī)自帶RS-485通信接口、內(nèi)置電源和I/O接口。4.2.2S7-300CPU的選擇S7-300系列的CPU有：CPU312C，313C，313C-PtP，314C-2DP，315-2DP，316-2DP，317-2DP和CPU318-2DP等諸多類型。此系統(tǒng)選用S7300314C-2DP，CPU314C-2DP集成了24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，共有40個(gè)數(shù)字量I/O輸出?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展塊，并自帶2個(gè)串口。內(nèi)部使用MCC卡作為其裝載存儲(chǔ)器。注：1.電源模塊2.后備電池3.24VDC連接器4.模式開(kāi)關(guān)5.狀態(tài)和故障指示燈6.存儲(chǔ)器卡7.MPI多點(diǎn)接口8.前連接器9.前蓋圖4.2西門子S7-300PLC組成結(jié)構(gòu)圖4.2.3SM322數(shù)字量輸出模塊在本設(shè)計(jì)中我們采用的是SM322數(shù)字量輸出塊，SM322具有16個(gè)輸出點(diǎn)，帶隔離，8點(diǎn)為一組，輸出電流是0.5A，額定負(fù)載電壓是24VDC。4.3I/O點(diǎn)分配該液位控制系統(tǒng)中I/O點(diǎn)分配表4.1如表所示:表4.1I/O點(diǎn)分配表輸入觸電功能說(shuō)明輸出觸電功能說(shuō)明I0.1啟動(dòng)按鈕Q0.0運(yùn)行指示燈（綠）I0.2停止按鈕Q0.1運(yùn)行指示燈（紅）4.4PLC控制器的設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì)是基于模型控制設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的一步。首先要根據(jù)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計(jì)要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對(duì)象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能指標(biāo)確定控制器的參數(shù)值。4.4.1控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立本液位控制系統(tǒng)中，壓力液位傳感器將檢測(cè)到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)過(guò)與設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較后，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法進(jìn)行修正，從而控制鍋爐的液位?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4.3所示，方框圖如圖4.4所示：控制系統(tǒng)方框圖中，R(S)為設(shè)定液位的拉氏變換式；E(S)為偏差的拉氏變換式；GCS為控制器的傳遞函數(shù)；GPLCPLC控制器鍋爐傳感器PID模塊SPPV＋－P圖4.3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該液位控制系統(tǒng)是具有時(shí)滯的一階閉環(huán)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)見(jiàn)公式（4.1）G（S）=K式（4.1）中，K0為對(duì)象放大系數(shù)；T0K0=?y(∞)?u由階躍響應(yīng)法求得，K0=0.5,T0GGGR（S）＋－E(S)U（S）Y（S）圖4.4控制系統(tǒng)方框圖4.4.2PID參數(shù)整定之前我們介紹了PID的控制算法，那么該液位控制系統(tǒng)就已經(jīng)確定了。在系統(tǒng)投運(yùn)之前，還需要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。因?yàn)镻ID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。上述三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然