過程控制裝置反應(yīng)釜液位控制畢業(yè)設(shè)計(jì)

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書頁第49頁1.緒論1.1HDU4000-2型過程控制綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)1.1.1系統(tǒng)組成典型化工流程過程控制綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)由：典型化工流程過程控制綜合實(shí)訓(xùn)對(duì)象系統(tǒng)；典型化工流程過程控制綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)檢測(cè)傳感執(zhí)行裝置；智能儀表及電器控制屏臺(tái)；典型化工流程過程控制綜合實(shí)訓(xùn)DCS控制系統(tǒng)組成。1.1.2典型化工流程過程控制綜合實(shí)訓(xùn)對(duì)象系統(tǒng)典型化工流程過程控制綜合實(shí)訓(xùn)對(duì)象系統(tǒng)采用化工釜式反應(yīng)系統(tǒng)的工藝控制流程且結(jié)構(gòu)為開放式，學(xué)生可進(jìn)入系統(tǒng)操作。對(duì)象系統(tǒng)由：實(shí)訓(xùn)控制對(duì)象仿工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備感；具有較豐富的設(shè)備種類，包括：框架系統(tǒng)：3000X2000X2800mm；（100×50×4mm方鋼管，50×5角鐵，60×6槽鋼，扶手護(hù)欄：1寸及4分鋼管），防銹紅丹底漆，噴烤漆處理；反應(yīng)器：采用蒸餾反應(yīng)釜，不銹鋼，高徑比分別為1:2（內(nèi)膽配置冷卻盤管、耐壓0.6MPa、夾套加熱方式為熱水加熱），帶攪拌電機(jī)及及漿葉式攪拌漿）；液位容器：采用￠377X800，及￠300X800不銹鋼密閉容器作為兩個(gè)高位槽儲(chǔ)罐.加熱容器：￠377X800加熱爐(外帶不銹鋼包裹的硅酸鋁保溫棉)；壓力容器：采用工業(yè)￠300X1000的工業(yè)壓力儲(chǔ)罐做為壓力容器，安全且儲(chǔ)氣容量大，易做壓力控制實(shí)驗(yàn)；換熱器：采用￠1597X1000工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)列管換熱器，換熱效果明顯；滯后盤管：溫度滯后控制實(shí)驗(yàn)用（滯后時(shí)間15秒）；管道及閥門：DN25和DN20工業(yè)不銹鋼管道；永德信銅球閥及閘閥閥門。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見化工過程控制實(shí)訓(xùn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。如圖1.1所示:圖1.1HDU4000-2型過程控制綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)1.2反應(yīng)釜描述反應(yīng)釜主要應(yīng)用于石油、聚合、化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥、食品，用來完成硫化、硝化、氫化、烴化、縮合等工藝過程的壓力容器。根據(jù)不同的因素反應(yīng)釜可分為很多種類，實(shí)驗(yàn)室用的是不銹鋼反應(yīng)釜。不銹鋼反應(yīng)釜的適用范圍：適用于石油、化工、醫(yī)藥、冶金、科研、大專院校等部門進(jìn)行高溫、高壓的化學(xué)反應(yīng)試驗(yàn)，對(duì)粘稠和顆粒的物質(zhì)均能達(dá)到高攪拌的效果。不銹鋼反應(yīng)釜的優(yōu)點(diǎn)具有如下這些優(yōu)點(diǎn)：

1、不銹鋼材質(zhì)具有優(yōu)良的機(jī)械性能，可承受較高的工作壓力，也可承受塊狀固體物料加料時(shí)的沖擊。

2、不銹鋼反應(yīng)釜耐熱性能好，工作溫度范圍很廣(-196~600℃)。在較高溫度下不會(huì)氧化起皮，故可用于直接火加熱。

3、不銹鋼反應(yīng)釜具有很好的耐腐蝕性能，無生銹現(xiàn)象。

4、傳熱效果比搪瓷反應(yīng)釜好，升溫和降溫速度較快。反應(yīng)釜如圖1.2所示：圖1.2不銹鋼反應(yīng)釜1.3反應(yīng)釜內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理1.3.1反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)：由釜體、釜蓋、夾套、攪拌器、傳動(dòng)裝置、軸封裝置、支承等組成，電加熱的配有電加熱棒，有的釜內(nèi)含冷卻（加熱）盤管。不銹鋼材質(zhì)一般有0Cr18Ni9（304），1Cr18Ni9Ti（321），00Cr17Ni14Mo2（316L）。由于用戶因生產(chǎn)工藝、操作條件不盡相同，攪拌形式一般有錨式、槳式、渦輪式、推進(jìn)式或框式等。不銹鋼反應(yīng)釜加熱方式有電加熱、熱水加熱、導(dǎo)熱油循環(huán)加熱、遠(yuǎn)紅外加熱、外（內(nèi)）盤管加熱等。密封形式有填料密封、機(jī)械密封。支承座有支承式或耳式支座等。使用電加熱反應(yīng)釜夾套內(nèi)放置導(dǎo)熱油，由電熱棒加熱，同時(shí)要保持放空口暢通。轉(zhuǎn)速超過160轉(zhuǎn)以上宜使用齒輪減速機(jī)。開孔數(shù)量、規(guī)格或其它要求可根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)、制作。1.3.2反應(yīng)釜工作原理加熱不銹鋼反應(yīng)釜夾套內(nèi)放置導(dǎo)熱油，由電熱棒加熱，夾套上開有進(jìn)、排油、溢測(cè)量、放空及電熱棒、測(cè)溫等接管孔。采用蒸汽加熱的不銹鋼反應(yīng)釜?jiǎng)t直接在夾套內(nèi)充蒸汽加熱，蒸汽加熱反應(yīng)釜需要有穩(wěn)定蒸汽熱源供應(yīng)，通常加配鍋爐。1.4液位控制系統(tǒng)控制要求1、以過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中的反應(yīng)釜液位作為被控對(duì)象、主回路流量作為調(diào)節(jié)對(duì)象，PLC作為控制器、靜壓式壓力表作為檢測(cè)元件、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器構(gòu)成一個(gè)反應(yīng)釜雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)釜液位的恒值控制。2、PLC控制器采用PID算法，各項(xiàng)控制性能滿足要求：超調(diào)量10%，穩(wěn)態(tài)誤差≤±0.1；調(diào)節(jié)時(shí)間ts≤120s；3、組態(tài)測(cè)控界面上，實(shí)時(shí)設(shè)定并顯示液位給定值、測(cè)量值及控制器輸出值；實(shí)時(shí)顯示液位給定值實(shí)時(shí)曲線、液位測(cè)量值實(shí)時(shí)曲線；4、選擇合適的整定方法確定PID參數(shù)，并能在組態(tài)測(cè)控界面上實(shí)時(shí)改變PID參數(shù)；5、通過S7-300PLC編程軟件Step7實(shí)現(xiàn)PLC程序設(shè)計(jì)與調(diào)試；6、分析系統(tǒng)基本控制特性，并得出相應(yīng)的結(jié)論；7、設(shè)計(jì)完成后，提交打印設(shè)計(jì)報(bào)告。2.系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)2.1控制思想2.1.1總體控制思想根據(jù)反應(yīng)釜當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況，反應(yīng)釜的送料完全是人工控制，通過磁力泵從原料罐送到反應(yīng)釜的，由于產(chǎn)品的不同，混合原料的粘度和比重均不相同，因此單位時(shí)間內(nèi)磁力泵輸送的原料重量是不同的變化的，反應(yīng)釜的化學(xué)反應(yīng)速度，在很大程度上取決于原料，以及氧化劑和還原劑的加入速度。現(xiàn)在只能由人工依據(jù)反應(yīng)釜的溫度和出口溫度，初略判斷反應(yīng)釜內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)情況，控制閥門開度，這樣就很難真正控制好化學(xué)反應(yīng)速度，使產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和進(jìn)一步提高反應(yīng)釜的生產(chǎn)能力都受到了制約。經(jīng)過仔細(xì)的系統(tǒng)分析，參照近代控制論原理，借鑒最新型的控制技術(shù)，本方案擬在原料罐磁力泵的出口增加一套電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并在氧化劑、還原劑的氣動(dòng)輸送泵管路上，再分別各安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。由PLC系統(tǒng)根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)的溫度及出口溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)加料閥門的開度，同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)釜夾套冷卻水回流閥門的開度，組成一個(gè)智能化的多參數(shù)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，以達(dá)到進(jìn)一步綜合控制好化學(xué)反應(yīng)速度，最終優(yōu)化整個(gè)反應(yīng)過程的升溫曲線的目的。2.1.2控制過程說明本控制系統(tǒng)仍以日本三菱公司Q系列PLC可編程控制器為核心，上位機(jī)采用高性能的組態(tài)軟件，開發(fā)操作可靠、簡(jiǎn)單易學(xué)、實(shí)用穩(wěn)定的監(jiān)控程序，具有全中文界面，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、流量和溫控曲線、報(bào)警和操作記錄，以及完整的生產(chǎn)報(bào)表等管理功能，并嵌入反應(yīng)釜智能化自動(dòng)控制模塊。2.2控制方案2.2.1液位—流量串級(jí)控制系統(tǒng)（1）被調(diào)參數(shù)：反應(yīng)釜液位；（2）調(diào)節(jié)參數(shù)：主回路流量；（3）主、副參數(shù)的選擇①主參數(shù)的選擇：串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng),副回路要包括主要干擾，我們選擇液位作為主被控量。②副回路的設(shè)計(jì)依據(jù)以下原則：副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動(dòng).副回路包含的二次擾動(dòng)以及非線性參數(shù)、負(fù)荷變化有很強(qiáng)的抑制能力與一定的自適應(yīng)能力，因此副回路應(yīng)包括生產(chǎn)過程中變化劇烈、頻繁且幅度大的主要擾動(dòng)。在此系統(tǒng)中，主控參數(shù)液位的高低與進(jìn)出水的流量有關(guān)，即流量是影響液位的最大擾動(dòng)信號(hào)。在出水流量一定的情況下，我們選取進(jìn)水流量作為被控副參數(shù)。2.2.2主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的工作情況不一樣，主調(diào)節(jié)器起定值調(diào)節(jié)作用，而副調(diào)節(jié)器主要起隨動(dòng)調(diào)節(jié)作用。主參數(shù)要求無余差，副參數(shù)卻允許在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，這樣能保證主參數(shù)的調(diào)節(jié)。主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍比較小，一般要求無余差，因此，主調(diào)節(jié)器選擇PID控制規(guī)律。副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以在一定范圍內(nèi)變化,允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器選擇用P控制規(guī)律，一般不引人積分控制規(guī)律和微分控制規(guī)律。液位——流量串級(jí)控制系統(tǒng)如圖：圖2.1液位-流量串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖液位變送器的主參數(shù)測(cè)量信號(hào)輸入主控制器，主控制器的輸出作為副控制器的外給定信號(hào)，副控制器根據(jù)流量變送器的副參數(shù)測(cè)量信號(hào)與來自主控制器的給定信號(hào)之間的偏差的大小和方向，經(jīng)PID運(yùn)算輸出控制信號(hào)送去調(diào)節(jié)閥，控制其開度，調(diào)節(jié)進(jìn)水流量達(dá)到控制液位的目的。2.3控制算法2.3.1PID控制算法PID是一個(gè)閉環(huán)控制算法。因此要實(shí)現(xiàn)PID算法，必須在硬件上具有閉環(huán)控制，就是得有反饋。比如控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就得有一個(gè)測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器，并將結(jié)果反饋到控制路線上，下面也將以轉(zhuǎn)速控制為例。PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法。但并不是必須同時(shí)具備這三種算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。我以前對(duì)于閉環(huán)控制的一個(gè)最樸素的想法就只有P控制，將當(dāng)前結(jié)果反饋回來，再與目標(biāo)相減，為正的話，就減速，為負(fù)的話就加速?，F(xiàn)在知道這只是最簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制算法。2.3.2PID算法的作用比例(P)、積分(I)、微分(D控制算法各有作用：比例，反應(yīng)系統(tǒng)的基本（當(dāng)前）偏差e(t)，系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分，反應(yīng)系統(tǒng)的累計(jì)偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無誤差；微分，反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率e(t)-e(t-1)，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是微分對(duì)噪聲干擾有放大作用，加強(qiáng)微分對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。積分和微分都不能單獨(dú)起作用，必須與比例控制配合。

3.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1檢測(cè)裝置3.1.1擴(kuò)散硅壓力液位變送器液位傳感器是用來對(duì)反應(yīng)釜的液位進(jìn)行檢測(cè)，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，采用高品質(zhì)，低功耗精密器件，穩(wěn)定性和可靠性大大提高。可方便的與其他DDZ—IIIX型儀表互換配置，并能直接交換同類儀表。校驗(yàn)的方法是通電預(yù)熱十五分鐘后，分不在零壓力和滿程壓力下檢測(cè)輸出電流值。在零壓力下調(diào)整零電位器。使輸出電流為4mA，在滿程壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為20mA。本傳感器精度為0.5級(jí)，因?yàn)槎€制，故在工作時(shí)需串聯(lián)24V直流電源。液位傳感器用來對(duì)反應(yīng)釜的液位進(jìn)行檢測(cè)，采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器，精度為0.5級(jí)，二線制4—20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。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(cè)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(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用國(guó)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(hào)，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(hào)（一般為4～20mA/1～5VDC）。一般意義上的壓力變送器主要由測(cè)壓元件傳感器（也稱作壓力傳感器）、測(cè)量電路和過程連接件三部分組成。它能將測(cè)壓元件傳感器感受到的氣體、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)，以供給指示報(bào)警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進(jìn)行測(cè)量、指示和過程調(diào)節(jié)。壓力變送器把壓力信號(hào)傳到電子設(shè)備，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)顯示壓力。其原理大致是：將水壓這種壓力的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流（4-20mA）這樣的電子信號(hào)，壓力和電壓或電流大小成線性關(guān)系，一般是正比關(guān)系。所以，變送器輸出的電壓或電流隨壓力增大而增大。由此得出一個(gè)壓力和電壓或電流的關(guān)系式。壓力變送器的被測(cè)介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，低壓室壓力采用大氣壓或真空，作用在δ元件(即敏感元件)的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測(cè)量膜片兩側(cè)。壓力變送器是由測(cè)量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個(gè)電容器。當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時(shí)，致使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號(hào)。如圖3.1所示為液位傳感器：圖3.1液位傳感器如圖3.2所示為壓力傳感器：圖3.2壓力傳感器3.1.2磁翻轉(zhuǎn)液位計(jì)磁翻轉(zhuǎn)液位計(jì)可用于各種塔、罐、槽、球型容器和鍋爐等設(shè)備的介質(zhì)液位檢測(cè)。該系列的液位計(jì)可以做到高密封，防泄漏和適用于高溫、高壓、耐腐蝕的場(chǎng)合。它彌補(bǔ)了玻璃板（管）液位計(jì)指示清晰度差、易破裂等缺陷，且全過程測(cè)量無盲區(qū)，顯示清晰、測(cè)量范圍大。磁翻板液位計(jì)的零部件材料采用1Cr18Ni9Ti、316L、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti襯PTFE（聚四氟乙烯）、PVC、PP等材料及進(jìn)口元件，具有優(yōu)秀的可靠性和抗腐蝕性能。技術(shù)參數(shù)：測(cè)量范圍：300~12500mm精確度：指示±10mm測(cè)量原理：浮力原理、磁耦合傳感技術(shù)測(cè)量介質(zhì)：各種液體及腐蝕、易燃易爆液體介質(zhì)輸出形式：現(xiàn)場(chǎng)顯示、報(bào)警、變送器輸出工作壓力：≤6.3Mpa介質(zhì)溫度：≤450℃介質(zhì)密度：≥0.45g/cm3介質(zhì)粘度：≤0.15pa·s防爆等級(jí)：ExdⅡBT6.ExiacT6防護(hù)等級(jí)：IP66材質(zhì)：各種牌號(hào)不銹鋼、PVC等連接方式：法蘭DN20、DN25（松套）使用:磁翻板液位計(jì)位計(jì)可直接用來觀察各種容器內(nèi)介質(zhì)的液位高度。它適用于石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域的液位指示，該液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，觀察直觀、清晰，不堵塞、不滲漏，安裝方便，維修簡(jiǎn)單。玻璃板液位計(jì)上、下端安裝法蘭與容器相連接構(gòu)成連通器，透過玻璃板可直接觀察到容器內(nèi)液位的實(shí)際高度。上下閥門裝有安全鋼珠，當(dāng)玻璃因意外損壞時(shí)，鋼珠在容器內(nèi)壓的作用下自動(dòng)密封，防止容器內(nèi)液體外溢，并保證操作人員安全。產(chǎn)品特點(diǎn)：·高靈敏度(避免面板花臉現(xiàn)象)、寬視窗(便于觀看)；·各種液體以及高溫、高壓、腐蝕性和易燃易爆介質(zhì)液位的連續(xù)測(cè)量；·現(xiàn)場(chǎng)指示、信號(hào)遠(yuǎn)傳(4~20mA或HART)、一機(jī)多能；·顯示器以紅色指示液位，直觀、醒目；·測(cè)量范圍大、全過程測(cè)量無盲區(qū)；·顯示器與被測(cè)介質(zhì)完全隔離，安全、可靠?？蛇x配報(bào)警器、變送器：·液位報(bào)警器(干簧管)；·液位報(bào)警器(微動(dòng)開關(guān)式)；·液位報(bào)警器(隔爆式)；·液位變送器(本安型)；·液位變送器(靜壓式)；·UHZ系列頂裝浮球(磁浮子、磁翻板液位計(jì)）。安裝與維護(hù)：液位計(jì)安裝必須垂直，以保證浮球組件在主體管內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)自如。液位計(jì)主體周圍不容許有導(dǎo)磁體靠近否則直接影響液位計(jì)工F確工作。液位計(jì)安裝完畢后，需要用磁鋼進(jìn)行校正對(duì)翻柱導(dǎo)引一次使零位以下顯示紅色，零位以上顯示白色。液位計(jì)投入運(yùn)行時(shí)應(yīng)先打開下引液管閥門讓液體介質(zhì)平穩(wěn)進(jìn)入主體管，避免液體介質(zhì)帶著浮球組件急速上升，而造成翻柱轉(zhuǎn)失靈和亂翻。若發(fā)生此現(xiàn)象待液面平穩(wěn)后可用磁鋼重新校正。因運(yùn)輸過程中為了不使浮球組件損壞，故出廠前將浮球組件取出液位計(jì)主體管外，待液位計(jì)安裝完畢后，打開底部排污法蘭，再將浮球組件重新裝入主體管內(nèi)，注意浮球組件重的一頭朝上，不能倒裝。如果在出廠時(shí)已經(jīng)將浮球組件安裝在主體管內(nèi)，為保證運(yùn)輸過程中不伎浮球組件損壞，我們用軟卡將浮球組件固定在主體管內(nèi)，安裝時(shí)只要將軟卡抽出即可。根據(jù)介質(zhì)情況，可定期找開排污法蘭清洗主體管沉淀物質(zhì)。如圖3.3所示為磁翻轉(zhuǎn)液位計(jì)：圖3.3磁翻轉(zhuǎn)液位計(jì)3.1.3電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)是一種根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測(cè)量管內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的感應(yīng)式儀表，采用單片機(jī)嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字勵(lì)磁，同時(shí)在電磁流量計(jì)上采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線。屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。如圖3.4所示為電磁流量計(jì)：圖3.4電磁流量計(jì)工作原理：電磁流量計(jì)的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。在電磁流量計(jì)中，測(cè)量管內(nèi)的導(dǎo)電介質(zhì)相當(dāng)于法拉第試驗(yàn)中的導(dǎo)電金屬桿，上下兩端的兩個(gè)電磁線圈產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。當(dāng)有導(dǎo)電介質(zhì)流過時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。管道內(nèi)部的兩個(gè)電極測(cè)量產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。測(cè)量管道通過不導(dǎo)電的內(nèi)襯（橡膠，特氟隆等）實(shí)現(xiàn)與流體和測(cè)量電極的電磁隔離。測(cè)量原理：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢(shì)e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)度L及導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度u成正比，如果B，L，u三者互相垂直，則：e=Blu(3-35)與此相仿。在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向放一個(gè)內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速u流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電流體就切割磁力線.如果在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極則可以證明，只要管道內(nèi)流速分布為軸對(duì)稱分布，兩電極之間也特產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)：e=BD(3-36)式中，為管道截面上的平均流速.由此可得管道的體積流量為：qv=(3-37)由上式可見，體積流量qv與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e和測(cè)量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系，與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比，與其它物理參數(shù)無關(guān).這就是電磁流量計(jì)的測(cè)量原理.。需要說明的是，要使式(3—37)嚴(yán)格成立，必須使電磁流量計(jì)測(cè)量條件滿足下列假定：①磁場(chǎng)是均勻分布的恒定磁場(chǎng)；②被測(cè)流體的流速軸對(duì)稱分布；③被測(cè)液體是非磁性的；④被測(cè)液體的電導(dǎo)率均勻且各向同性。3.2執(zhí)行器3.2.1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動(dòng)化過程控制中的重要執(zhí)行單元儀表。隨著工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來越高，正被越來越多的應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。與傳統(tǒng)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥能（只在工作時(shí)才消耗電能）、環(huán)保（無碳排放）、安裝快捷方便（無需復(fù)雜的氣動(dòng)管路和氣泵工作站）。工作原理：工作電源為DC24V、AC220V、AC380V等電壓等級(jí)。通過接收工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的信號(hào)（如：4~20mA）來驅(qū)動(dòng)閥門改變閥芯和閥座之間的截面積大小控制管道介質(zhì)的流量、溫度、壓力等工藝參數(shù)。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)功能。電氣原理：電機(jī)電源220VAC或者380VAC，控制信號(hào)4~20mA，閥里面有控制器，控制器把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)的角行程信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由齒輪，杠桿，或者齒輪加杠桿，帶動(dòng)閥桿運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)直行程或角行程。反饋:電機(jī)運(yùn)行，通過齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，由三接頭的滑動(dòng)變阻器輸出閥門的定位信號(hào)，此外還有三根線的限位信號(hào)（全開、全閉、公共線）。流量特性介紹：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的流量特性，是在閥兩端壓差保持恒定的條件下，介質(zhì)流經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與它的開度之間關(guān)系。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的流量特性有：線性特性、等百分比特性及拋物線特性三種。安裝注意事項(xiàng)：新設(shè)計(jì)、安裝的控制系統(tǒng)，為了確保調(diào)節(jié)閥在開車時(shí)能正常工作，并使系統(tǒng)安全運(yùn)行，新閥在安裝之前，應(yīng)首先檢查閥上的銘牌標(biāo)記是否與設(shè)計(jì)要求相符。同時(shí)還應(yīng)對(duì)以下項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)試：基本誤差限、全行程偏差、回差、死區(qū)、泄漏量（在要求嚴(yán)格的場(chǎng)合時(shí)進(jìn)行）。如果是對(duì)原系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了大修，除了對(duì)上述各項(xiàng)進(jìn)行校驗(yàn)外，還應(yīng)對(duì)舊閥的填料函和連接處等部位進(jìn)行密封性檢查。調(diào)節(jié)閥在現(xiàn)場(chǎng)使用中，很多往往不是因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥本身質(zhì)量所引起，而是對(duì)調(diào)節(jié)閥的安裝使用不當(dāng)所造成，如安裝環(huán)境、安裝位置及方向不當(dāng)或者是管路不清潔等原因所致。因此電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在安裝使用時(shí)要注意以下幾方面：調(diào)節(jié)閥屬于現(xiàn)場(chǎng)儀表，要求環(huán)境溫度應(yīng)在－25～60℃范圍，相對(duì)濕度≤95%。如果是安裝在露天或高溫場(chǎng)合，應(yīng)采取防水、降溫措施。在有震源的地方要遠(yuǎn)離振源或增加防振措施。調(diào)節(jié)閥一般應(yīng)垂直安裝，特殊情況下可以傾斜，如傾斜角度很大或者閥本身自重太大時(shí)對(duì)閥門應(yīng)增加支承件保護(hù)。（3）安裝調(diào)節(jié)閥的管道一般不要離地面或地板太高，在管道高度大于2m時(shí)應(yīng)盡量設(shè)置平臺(tái)，以利于操作手輪和便于進(jìn)行維修。（4）調(diào)節(jié)閥安裝前應(yīng)對(duì)管路進(jìn)行清洗，排除污物和焊渣。安裝后，為保證不使雜質(zhì)殘留在閥體內(nèi)，還應(yīng)再次對(duì)閥門進(jìn)行清洗，即通入介質(zhì)時(shí)應(yīng)使所有閥門開啟，以免雜質(zhì)卡住。在使用手輪機(jī)構(gòu)后，應(yīng)恢復(fù)到原來的空檔位置。（5）為了使調(diào)節(jié)閥在發(fā)生故障或維修的情況下使生產(chǎn)過程能繼續(xù)進(jìn)行，調(diào)節(jié)閥應(yīng)加旁通管路。同時(shí)還應(yīng)特別注意，調(diào)節(jié)閥的安裝位置是否符合工藝過程的要求。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電氣部分安裝應(yīng)根據(jù)有關(guān)電氣設(shè)備施工要求進(jìn)行。（6）如是隔爆型產(chǎn)品應(yīng)按《爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣設(shè)備安裝規(guī)范》要求進(jìn)行安裝。如現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)線采用SBH型或其它六芯或八芯、外徑為Φ11.3mm左右的膠皮安裝電纜線。在使用維修中，在易爆場(chǎng)所嚴(yán)禁通電開蓋維修和對(duì)隔爆面進(jìn)行撬打。同時(shí)在拆裝中不要磕傷或劃傷隔爆面，檢修后要還原成原來的隔爆要求狀態(tài)。（7）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的減速器拆修后應(yīng)注意加油潤(rùn)滑，低速電機(jī)一般不要拆洗加油。裝配后還應(yīng)檢查閥位與閥位開度指示是否相符。如圖3.5所示為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：圖3.5電動(dòng)調(diào)節(jié)閥3.2.2變頻器變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器實(shí)際上就是一個(gè)逆變器，它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?，然后用電子元件?duì)直流電進(jìn)行開關(guān)，變?yōu)榻涣麟?。一般功率較大的變頻器用可控硅，并設(shè)一個(gè)可調(diào)頻率的裝置，使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào)。變頻器廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速中，變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實(shí)際逐漸走向成熟。變頻器不僅調(diào)速平滑、范圍大、效率高、啟動(dòng)電流小、運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯，所以應(yīng)用越來越廣泛。變頻器常見的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤給定、接點(diǎn)信號(hào)給定、模擬信號(hào)給定、脈沖信號(hào)給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，須按照實(shí)際所需進(jìn)行選擇設(shè)置，同時(shí)也可以根據(jù)功能需要選擇不同頻率給定方式之間的疊加和切換。三菱FR-S520變頻器，4-20控制輸入信號(hào)，可對(duì)流量或者壓力進(jìn)行控制，該變頻器體積小，功率小，功能非常強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定安全可靠，操作方便，壽命長(zhǎng)，可外加電流控制，也可通過本身旋鈕控制頻率。可單相或者三相供電，頻率可高達(dá)200HZ。如圖3.6所示為變頻器：圖3.6變頻器3.2.3水泵水泵是一種利用大氣壓強(qiáng)將低處的水汲往高處的機(jī)器,多半是以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。抽水的電動(dòng)機(jī)泵通常把提升液體、輸送液體或使液體增加壓力，即把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能變?yōu)橐后w能量從而達(dá)到抽送液體目的的機(jī)器統(tǒng)稱為泵。這里采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。不會(huì)影響教師授課減少麻煩。功耗低，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。離心泵工作原理：水泵開動(dòng)前，先將泵和進(jìn)水管灌滿水，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)后，在葉輪高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力的作用下，葉輪流道里的水被甩相四周，壓入蝸殼，葉輪入口形成真空，水池的水在外界大氣壓力下沿吸水管被吸入補(bǔ)充了這個(gè)空間。繼而吸入的水又被葉輪甩出經(jīng)蝸殼而進(jìn)入出水管。由此可見，若離心泵葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚(yáng)到高處或遠(yuǎn)方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提相高處的，故稱離心泵。離心泵的一般特點(diǎn)：（1）水沿離心泵的流經(jīng)方向是沿葉輪的軸向吸入，垂直于軸向流出，即進(jìn)出水流方向互成90°。（2）由于離心泵靠葉輪進(jìn)口形成真空吸水，因此在起動(dòng)前必須相泵內(nèi)和吸水管內(nèi)灌注引水，或用真空泵抽氣，以排出空氣形成真空，而且泵殼和吸水管路必須嚴(yán)格密封，不得漏氣，否則形不成真空，也就吸不上水來。（3）由于葉輪進(jìn)口不可能形成絕對(duì)真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經(jīng)吸水管路帶來的沿程損失，實(shí)際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠(yuǎn)小于10米。如安裝過高，則不吸水，此外，由于山區(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺(tái)水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時(shí)，其安裝高度應(yīng)降低，否則也不能吸上水來。如圖3.7所示為水泵：圖3.7水泵3.3通信模塊3.3.1模擬量采集模塊模擬量輸入模塊可測(cè)量多通道交流電壓、電流輸入信號(hào)。RemoDAQ-8017特性如下：模擬量輸入通道：8路差分或6路差分,2路單端(跳線選擇)；輸入類型:mV,V,mA(外接125?電阻)；量程范圍：±10V，±5V，±1V，±500mV，±150mV，±20mA；采樣速率：10次/秒；帶寬：15.7Hz；精確度：±0.1%；零點(diǎn)漂移：20uV/℃；滿量程漂移：25ppm/℃；CMR：86dB；輸入阻抗：20MOhms；過電壓保護(hù)：±35V；隔離：3000VDC；輸入電壓：+10V~+30VDC功耗：1.3W；溫度：-20℃~70℃；濕度：5%~90%，無凝露。3.3.2模擬量輸出模塊D/A牛頓7024模塊4路模擬輸出，電流(4—20mA)電壓（1—5V）信號(hào)均可。3.3.3通信轉(zhuǎn)換模塊485/232轉(zhuǎn)換牛頓7520模塊，轉(zhuǎn)換速度極高（300—115KHz），232口可長(zhǎng)距離傳輸。3.4開關(guān)電源DC24的開關(guān)電源，最大電流為2A，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。3.5硬件連接本系統(tǒng)中，D/A模塊中的IO0接口為控制器調(diào)節(jié)閥開度的控制通道，IO1為可控硅的電壓控制通道，IO2為變頻器的控制通道。A/D模塊中，IN0為反應(yīng)釜液位的檢測(cè)，IN1為主流量的檢測(cè)，IN3為副流量的檢測(cè)，IN4為溫度信號(hào)的檢測(cè)，IN5為閥位反饋信號(hào)的檢測(cè)，IN6為水泵出口壓力信號(hào)的檢測(cè)。在D/A模塊中，由于模塊本身不能提供電源，所以在控制時(shí)應(yīng)串入24V直流電源，輸出電流信號(hào)控制執(zhí)行器，AGND為D/A模塊公共地。由于變送器輸出的都是電流信號(hào)，而A/D模塊輸出的都是電壓信號(hào)，所以在A/D通道的正負(fù)端并聯(lián)一個(gè)250歐姆的電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。系統(tǒng)采用的液位變送器，壓力變送器都是二線制的，在檢測(cè)液位工作時(shí)要串入DC24V電源。接線要求：（I/O對(duì)應(yīng)關(guān)系表）（1）反應(yīng)釜液位的檢測(cè)輸出A/D模塊中，IN0通道輸入；（2）主通道流量的檢測(cè)輸出A/D模塊中，IN1通道輸入；（3）副流量的檢測(cè)輸出A/D模塊中，IN2通道輸入；（4）溫度信號(hào)的檢測(cè)輸出A/D模塊中，IN3通道輸入；（5）閥位反饋信號(hào)的檢測(cè)輸出A/D模塊中，IN4通道輸入；（6）水泵出口壓力信號(hào)檢測(cè)輸出A/D模塊中，IN5通道輸入；（7）主調(diào)節(jié)閥開度的控制輸入D/A模塊中的IO0通道輸出；（8）可控硅的電壓控制輸入D/A模塊中的IO1通道輸出；（9）變頻器的輸入D/A模塊中的IO2通道輸出；（10）副調(diào)節(jié)閥開度的輸入D/A模塊中的IO3通道輸出；（11）模塊之間用RS485總線連接；（12）模塊與計(jì)算機(jī)通訊：RS232通訊總線。

4.用西門子S7-300PLC實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟4.1.1一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程的控制要求和工藝需要，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，在設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則：（1）充分發(fā)揮PLC功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求。（2）在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。（3）保證控制系統(tǒng)安全可靠。（4）應(yīng)考慮生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇PLC的型號(hào)、I／O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量等內(nèi)容時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以利于系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充。

4.1.2設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，首先是進(jìn)行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，即根據(jù)被控對(duì)象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進(jìn)行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號(hào)的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，具體的確定PLC的機(jī)型和系統(tǒng)的具體配置。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以按以下步驟進(jìn)行：（1）熟悉被控對(duì)象，制定控制方案分析被控對(duì)象的工藝過程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，確定被控對(duì)象對(duì)PLC控制系統(tǒng)的控制要求。（2）確定I/O設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入（如按鈕、行程開關(guān)、選擇開關(guān)等）和輸出設(shè)備（如接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等）由此確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。

（3）選擇PLC選擇時(shí)主要包括PLC機(jī)型、容量、I/O模塊、電源的選擇。（4）分配PLC的I/O地址

根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)需要，確定控制按鈕，選擇開關(guān)、接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等各種輸入輸出設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的PLC的型號(hào)列出I/O設(shè)備與PLC輸入輸出端子的對(duì)照表，以便繪制PLC外部I/O接線圖和編制程序。（5）設(shè)計(jì)軟件及硬件進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行控制柜（臺(tái)）等硬件的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。由于程序與硬件設(shè)計(jì)可同時(shí)進(jìn)行，因此，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短，而對(duì)于繼電器系統(tǒng)必須先設(shè)計(jì)出全部的電氣控制線路后才能進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。（6）聯(lián)機(jī)調(diào)試聯(lián)機(jī)調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。開始時(shí)，先不帶上輸出設(shè)備（接觸器線圈、信號(hào)指示燈等負(fù)載）進(jìn)行調(diào)試。利用編程器的監(jiān)控功能，采分段調(diào)試的方法進(jìn)行。各部分都調(diào)試正常后，再帶上實(shí)際負(fù)載運(yùn)行。如不符合要求，則對(duì)硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部分程序即可，全部調(diào)試完畢后，交付試運(yùn)行。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，如果工作正常、程序不需要修改則應(yīng)將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。（7）整理技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說明書、電氣安裝圖、電氣元件明細(xì)表及使用說明書等。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟可參考下圖4.1：圖4.1PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟4.2PLC的選型和硬件配置4.2.1PLC型號(hào)的選擇本溫度控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門子S7-300PLC。S7-300是是模塊化小型PLC系統(tǒng)，大范圍的各種功能模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)，各種單獨(dú)的模塊之間也可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。由于S7-300簡(jiǎn)單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活。4.2.2S7-300CPU的選擇S7-300系列的PLC有20多種不同型號(hào)的CPU，分別適用于不同規(guī)模及不同控制要求的項(xiàng)目。本次設(shè)計(jì)選用的是S7-300CPU315-2DP。S7-300CPU315-2DP是全數(shù)字化高性能帶有大中型程序存儲(chǔ)器和PROFIBUSDP主/從接口的CPU。除了集中式I/O結(jié)構(gòu)外，它還可用于分布式自動(dòng)化結(jié)構(gòu)。它在SIMATICS7-300中經(jīng)常被用作標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUSDP主站。該CPU也被用作分布式智能設(shè)備（DP從站）。它已經(jīng)依照量化框架作了優(yōu)化，以便使用SIMATIC工程工具，如：用SCL編程；用S7-GRAPH進(jìn)行順序控制編程；另外，CPU為采用軟件來實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的工藝任務(wù)提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，例如：簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制；使用STEP7塊或運(yùn)行軟件“標(biāo)準(zhǔn)/模塊化PID控制”來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制任務(wù)的解決方案。通過使用SIMATICS7-PDIAG可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展過程診斷。

CPU315-2DP安裝有：微處理器，處理器對(duì)每條二進(jìn)制指令的處理時(shí)間大約為50ns，每個(gè)浮點(diǎn)預(yù)算的時(shí)間為0.45μs；256KB工作存儲(chǔ)器（相當(dāng)于大約85K條指令），與執(zhí)行程序段相關(guān)的大容量工作存儲(chǔ)器可以為用戶程序提供足夠的空間。作為程序裝載存儲(chǔ)器的微型存儲(chǔ)卡（最大為8MB）也允許將可以項(xiàng)目（包括符號(hào)和注釋）保存在CPU中。裝載存儲(chǔ)器還可用于數(shù)據(jù)歸檔和配方管理；靈活的擴(kuò)展能力，多達(dá)32個(gè)模塊（4排結(jié)構(gòu)）；MPI多點(diǎn)接口，集成的MPI接口最多可以同時(shí)建立與S7-300/400或編程設(shè)備、PC、OP的16條連接。在這些連接中，始終為編程器和OP分別預(yù)留一個(gè)連接。通過“全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊”，MPI可以用來建立最多16個(gè)CPU組成的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)；PROFIBUSDP接口，帶有PROFIBUSDP主/從接口的CPU315-2DP可以用來建立高速、易用的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)。對(duì)用戶來說,分布式I/O單元可作為一個(gè)集中式單元來處理(相同的組態(tài)、編址和編程).全面支持PROFIBUSDPV1標(biāo)準(zhǔn)。它提高了DPV1標(biāo)準(zhǔn)從站的診斷和參數(shù)化能力。4.2.3模擬量輸入/輸出模塊SM331是S7-300的模擬量輸入模塊，其輸入通道能接受不同量程的電流或電壓輸入。S7-300的模擬量輸出模塊是SM332。模擬信號(hào)使用屏蔽電纜或雙絞線電纜輸出。在液位控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測(cè)到的液位轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入PLC中進(jìn)行處理。經(jīng)過處理的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)，送到執(zhí)行器中從而控制反應(yīng)釜的液位。4.2.4計(jì)算機(jī)與PLC的通信1.使用計(jì)算機(jī)的RS232C端口與PLC的編程口直接相連

①設(shè)置PLC的通信條件，關(guān)于PLC通信條件設(shè)置的內(nèi)容，請(qǐng)參照各PLC的相關(guān)硬件手冊(cè)。請(qǐng)預(yù)先將PLC與計(jì)算機(jī)的通信條件相符合。②利用計(jì)算機(jī)的RS232C端口、與PLC的編程口1:1連接。2.連接方法根據(jù)各PLC而不同·計(jì)算機(jī)與FP10、FP10S、FP5、FP3相連接時(shí)連接方法：計(jì)算機(jī)=>RS232C電纜=>RS422/232C適配器=>RS422電纜=>PLC；RS422電纜型號(hào)：50cmAFP5520,3mAFP5523；RS422/232C適配器型號(hào)：AFP8550?！び?jì)算機(jī)與FP1相連接時(shí)連接方法：計(jì)算機(jī)=>RS232C電纜=>RS422/232C適配器=>RS422電纜=>PLC；RS422電纜型號(hào)：50cmAFP15205,3mAFP1523；RS422/232C適配器型號(hào)：AFP8550?！び?jì)算機(jī)與FPΣ、FP0、FP-M、FP-C、FP2、FP2SH相連接時(shí)

連接方法：計(jì)算機(jī)=>RS232C電纜=>PLC；RS232C電纜型號(hào)：3mAFP8513?！び?jì)算機(jī)與FP10SH相連接時(shí)

連接方法：計(jì)算機(jī)=>RS232C電纜=>PLC；RS232C電纜型號(hào)：3m9P-9PAFC85853，25P-9PAFP85813。請(qǐng)利用[工具]菜單中的[通信設(shè)置]將通信條件與PLC相一致。注：RS232C電纜請(qǐng)使用市場(chǎng)銷售的直接型電纜。4.3PID控制器的選取及整定4.3.1PID控制器的組成PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：(1)比例系數(shù)Ｋc對(duì)系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。Ｋc偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。Ｋc太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。Ｋc太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。Ｋc可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。如果Ｋc的符號(hào)選擇不當(dāng)對(duì)象狀態(tài)(Pv值)就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài)(Sv值)越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況Ｋc的符號(hào)就一定要取反。(2)積分控制Ｔi對(duì)系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ｔi小（積分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。(3)微分控制Ｔd對(duì)系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，Ｔd偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。Ｔd偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。只有Ｔd合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。4.3.2主、副回路控制規(guī)律的選擇采用串級(jí)控制，所以有主副調(diào)節(jié)器之分。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。主參數(shù)是工藝操作的重要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍較小，一般要求無余差，因此，主調(diào)節(jié)器一般選PI或PID控制，副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選P控制規(guī)律就可以。在本控制系統(tǒng)中，我們將反應(yīng)釜液位作為主參數(shù)，主回路流量為副參數(shù)。主控制采用PID控制，副控制器采用P控制。4.3.3調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定副調(diào)節(jié)器作用方式的確定：首先確定調(diào)節(jié)閥，出于實(shí)驗(yàn)裝置的易操作方面考慮采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，這樣保證調(diào)節(jié)的精度，調(diào)節(jié)閥的Kv>0。然后確定副被控過程的K02，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，主回路流量增大，反應(yīng)釜的液位上升，所以K02>0。最后確定副調(diào)節(jié)器，為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)(即增益)乘積必須為負(fù)，所以副調(diào)節(jié)器K2<0，副調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。主調(diào)節(jié)器作用方式的確定：主被控過程K01>0。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為負(fù)，所以主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K1<0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。4.3.4采樣周期的分析采樣周期Ts越小，采樣值就越能反應(yīng)液位的變化情況。但是，Ts太小就會(huì)增加CPU的運(yùn)算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒什么變化，將是PID控制器輸出的微分部分接近于0，所以不應(yīng)使采樣時(shí)間太小。，確定采樣周期時(shí)，應(yīng)保證被控量迅速變化時(shí)，能用足夠多的采樣點(diǎn)，以保證不會(huì)因采樣點(diǎn)過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是液位控制系統(tǒng)，液位的慣性比較小，所以采樣時(shí)間不能太長(zhǎng)，本系統(tǒng)采樣1s.4.3.5參數(shù)整定經(jīng)過上述的分析，該液位控制系統(tǒng)就已經(jīng)基本確定了，在系統(tǒng)投運(yùn)之前還要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法。理論計(jì)算整定法是在已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，經(jīng)過理論的計(jì)算（微分方程、根軌跡、頻率法等），求得最佳的整定參數(shù)。這類方法比較復(fù)雜，工作量大，而且用于分析法或?qū)嶒?yàn)測(cè)定法求得的對(duì)象數(shù)學(xué)模型只能近似的反映過程的動(dòng)態(tài)特征，整定的結(jié)果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于工程整定法，工程人員無需知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計(jì)算所學(xué)的理論知識(shí)，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡(jiǎn)單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛的應(yīng)用常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、自整定法等。在這里，我們采用經(jīng)驗(yàn)整定法整定控制器的參數(shù)值。整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。（1）整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。4.4PLC程序設(shè)計(jì)4.4.1PLC程序設(shè)計(jì)方法PLC程序設(shè)計(jì)常用的方法主要有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法、邏輯設(shè)計(jì)法、順序控制設(shè)計(jì)法等。1.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法即在一些典型的控制電路程序的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控制對(duì)象的具體要求，進(jìn)行選擇組合，并多次反復(fù)調(diào)試和修改梯形圖，有時(shí)需增加一些輔助觸點(diǎn)和中間編程環(huán)節(jié)，才能達(dá)到控制要求。這種方法沒有規(guī)律可遵循，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間和設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系，所以稱為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法用于較簡(jiǎn)單的梯形圖設(shè)計(jì)。應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法必須熟記一些典型的控制電路，如起保停電路、脈沖發(fā)生電路等，這些電路在前面的章節(jié)中已經(jīng)介紹過。2.繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法繼電器接觸器控制系統(tǒng)經(jīng)過長(zhǎng)期的使用，已有一套能完成系統(tǒng)要求的控制功能并經(jīng)過驗(yàn)證的控制電路圖，而PLC控制的梯形圖和繼電器接觸器控制電路圖很相似，因此可以直接將經(jīng)過驗(yàn)證的繼電器接觸器控制電路圖轉(zhuǎn)換成梯形圖。主要步驟如下：（1）熟悉現(xiàn)有的繼電器控制線路。（2）對(duì)照PLC的I/O端子接線圖，將繼電器電路圖上的被控器件（如接觸器線圈、指示燈、電磁閥等）換成接線圖上對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)的編號(hào)，將電路圖上的輸入裝置（如傳感器、按鈕開關(guān)、行程開關(guān)等）觸點(diǎn)都換成對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)的編號(hào)。（3）將繼電器電路圖中的中間繼電器、定時(shí)器，用PLC的輔助繼電器、定時(shí)器來代替。（4）畫出全部梯形圖，并予以簡(jiǎn)化和修改。3.邏輯設(shè)計(jì)法邏輯設(shè)計(jì)法是以布爾代數(shù)為理論基礎(chǔ)，根據(jù)生產(chǎn)過程中各工步之間的各個(gè)檢測(cè)元件（如行程開關(guān)、傳感器等）狀態(tài)的變化，列出檢測(cè)元件的狀態(tài)表，確定所需的中間記憶元件，再列出各執(zhí)行元件的工序表，然后寫出檢測(cè)元件、中間記憶元件和執(zhí)行元件的邏輯表達(dá)式，再轉(zhuǎn)換成梯形圖。該方法在單一的條件控制系統(tǒng)中，非常好用，相當(dāng)于組合邏輯電路，但和時(shí)間有關(guān)的控制系統(tǒng)中，就很復(fù)雜。4.順序控制設(shè)計(jì)法根據(jù)功能流程圖，以步為核心，從起始步開始一步一步地設(shè)計(jì)下去，直至完成。此法的關(guān)鍵是畫出功能流程圖。首先將被控制對(duì)象的工作過程按輸出狀態(tài)的變化分為若干步，并指出工步之間的轉(zhuǎn)換條件和每個(gè)工步的控制對(duì)象。這種工藝流程圖集中了工作的全部信息。在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以用中間繼電器M來記憶工步，一步一步地順序進(jìn)行，也可以用順序控制指令來實(shí)現(xiàn)。下面將詳細(xì)介紹功能流程圖的種類及編程方法。4.4.2編程軟件STEP7 STEP7編程軟件是一個(gè)用于SIMATIC可編程邏輯控制器的組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。STEP7標(biāo)準(zhǔn)軟件包中提供一系列的應(yīng)用工具，如：SIMATIC管理器、符號(hào)編輯器、硬件診斷、編程語言、硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)等。STEP7編程軟件可以對(duì)硬件和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)組態(tài)，具有簡(jiǎn)單、直觀、便于修改等特點(diǎn)。該軟件提供了在線和離線編程的功能，可以對(duì)PLC在線上載或下載。利用STEP7可以方便地創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)化解決方案。項(xiàng)目可用來存儲(chǔ)為自動(dòng)化任務(wù)解決方案而生成的數(shù)據(jù)和程序。這些數(shù)據(jù)包括：硬件結(jié)構(gòu)的組態(tài)數(shù)據(jù)及模板參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)通訊的組態(tài)數(shù)據(jù)以及為可編程模板編制的程序。它們都被收集在一個(gè)項(xiàng)目下。在生成一個(gè)項(xiàng)目后，先插入站，然后可以組態(tài)硬件。在組態(tài)硬件時(shí)，可以借助于模板樣本對(duì)可編程控制器中的CPU及各模板進(jìn)行定義，通過雙擊站來啟動(dòng)硬件組態(tài)的應(yīng)用程序。一旦存儲(chǔ)并退出硬件組態(tài)，對(duì)于在組態(tài)中生成的每一個(gè)可編程模板，都會(huì)自動(dòng)生成S7/M7程序及空的連接表。連接表可用來定義網(wǎng)絡(luò)中可編程模板之間的通訊連接。硬件組態(tài)完成后就可為編程模板生成軟件。為可編程模板編制的軟件存儲(chǔ)在對(duì)象文件夾中。對(duì)該對(duì)象文件夾稱作“S7-Program”。在子菜單中，可以選擇想要生成的塊的類型(如：數(shù)據(jù)塊，用戶定義的數(shù)據(jù)類型，功能，功能塊，組織塊或變量表)。打開一個(gè)空的塊，然后用語句表，梯形圖或功能圖輸入程序。在完成組態(tài)，參數(shù)賦值，程序創(chuàng)建和建立在線連接后，可以下載整個(gè)用戶程序或個(gè)別塊到一個(gè)可編程序控制器。在下載完整的或部分用戶程序到CPU之前，把工作方式從RUN模式置到STOP模式?？梢酝ㄟ^在線連接下載各個(gè)塊或整個(gè)用戶程序到RAM。當(dāng)電源關(guān)斷后和CPU復(fù)位時(shí)，保存在他們上面的數(shù)據(jù)將被保留。另外，可以從可編程控制器中上載一個(gè)工作站，或從一個(gè)S7CPU中上載塊到PG/PC。這樣，當(dāng)出現(xiàn)故障而不能訪問到程序文檔的符號(hào)或注釋時(shí)，就可以在PG/PC中編輯它。用于S7-300的編程語言[19]有：梯形圖(LAD)，語句表(STL)和功能塊(FBD)。LAD是STEP7編程語言的圖形表達(dá)方式。它的指令語法與一個(gè)繼電器梯形邏輯圖相似：當(dāng)電信號(hào)通過各個(gè)觸點(diǎn)復(fù)合元件以及輸出線圈時(shí)，梯形圖可以讓你追蹤電信號(hào)在電源示意線之間的流動(dòng)。STL是STEP7編程語言的文本表達(dá)方式，與機(jī)器碼相似，CPU執(zhí)行程序時(shí)按每一條指令一步一步地執(zhí)行。FBD是STEP7編程語言的圖形表達(dá)方式，使用與布爾代數(shù)相類似的邏輯框來表達(dá)邏輯。STEP7編程軟件允許結(jié)構(gòu)化用戶程序，可以將程序分解為單個(gè)的自成體系的程序部分。從而使大規(guī)模的程序更容易理解，可以對(duì)單個(gè)的程序部分進(jìn)行標(biāo)化。程序組織簡(jiǎn)化，修改更容易。系統(tǒng)的調(diào)試也容易了許多。在S7用戶程序中可以使用如下幾種不同類型的塊：組織塊(OB)是操作系統(tǒng)和用戶程序的接口。它們由操作系統(tǒng)調(diào)用，并控制循環(huán)和中斷驅(qū)動(dòng)程序的執(zhí)行，以及可編程控制器如何啟動(dòng)。它們還處理對(duì)錯(cuò)誤的響應(yīng)。組織塊決定各個(gè)程序部分執(zhí)行的順序。用于循環(huán)程序處理的組織塊OB1的優(yōu)先級(jí)最高。操作系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用OB1并用這個(gè)調(diào)用啟動(dòng)用戶程序的循環(huán)執(zhí)行。臨時(shí)局域數(shù)據(jù)（Local）生成邏輯塊（OB，F(xiàn)C，F(xiàn)B）時(shí)可以聲明臨時(shí)局域數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是臨時(shí)的，退出邏輯塊是不保存局域數(shù)據(jù)，局域數(shù)據(jù)只能在聲稱他們的邏輯塊使用。功能(FC)屬于用戶自己編程的塊。功能是“無存儲(chǔ)區(qū)”的邏輯塊。FC的臨時(shí)變量存儲(chǔ)在局域數(shù)據(jù)堆棧中，當(dāng)FC執(zhí)行結(jié)束后，這些數(shù)據(jù)就丟失了。功能塊(FB)屬于用戶自己編程的塊。功能塊是具有“存儲(chǔ)功能”的塊。用數(shù)據(jù)塊作為功能塊的存儲(chǔ)器(背景數(shù)據(jù)塊)。傳遞給FB的參數(shù)和靜態(tài)變量存在背景數(shù)據(jù)塊中。背景數(shù)據(jù)塊(背景DB)在每次功能塊調(diào)用時(shí)都要分配一塊給這次調(diào)用，用于傳遞參數(shù)。數(shù)據(jù)塊（DB和DI）是用于存放執(zhí)行用戶程序所需數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)塊分為共享數(shù)據(jù)塊（DB）和背景數(shù)據(jù)塊（DI）。應(yīng)首先生成功能塊，然后生成它的背景數(shù)據(jù)塊。生成背景數(shù)據(jù)塊是指明它的類型為背景數(shù)據(jù)塊和它的功能塊的編號(hào)。系統(tǒng)功能塊(SFB)和系統(tǒng)功能(SFC)是STEP7為用戶提供的己編程好的程序的塊，經(jīng)過測(cè)試集成在CPU中的功能程序庫。SFB作為操作系統(tǒng)的一部分并不占用程序空間，是具有存儲(chǔ)能力的塊，它需要一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊，并須將此塊作為程序的一部分安裝到CPU中。4.5液位控制程序設(shè)計(jì)4.5.1程序設(shè)計(jì)思路PLC運(yùn)行時(shí)，通過特殊繼電器產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行初始化，將液位設(shè)定值，PID參數(shù)值等存入數(shù)據(jù)寄存器，隨后系統(tǒng)開始液位采樣，采樣周期是1秒，TT1(主通道上的電磁流量計(jì))將采集到的主通道流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)在通過AIW0進(jìn)入PLC，作為主回路的反饋值，經(jīng)過主控制器（PID0）的PI運(yùn)算產(chǎn)生輸出信號(hào)，作為副回路的定值。TT2(反應(yīng)釜內(nèi)部液位傳感器)將采集到的反應(yīng)釜液位信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)在通過AIW2進(jìn)入PLC，作為副回路的反饋值，經(jīng)過副控制器（PID1）的P運(yùn)算產(chǎn)生輸出的信號(hào),由AQW0輸出，輸出的4-20mA電流信號(hào)控制可控硅的導(dǎo)通角，從而電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電壓，完成對(duì)液位的控制。4.5.2程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)采用模塊化編程，程序被分成不同的邏輯塊，這些塊包含完成控制任務(wù)的邏輯指令。（1）創(chuàng)建項(xiàng)目首先雙擊桌面上的STEP7的圖標(biāo)，打開SIMATIC管理器，在“File”菜單下單擊“NewProjectWizard”出現(xiàn)如圖4.2所示界面：圖4.2新建項(xiàng)目窗口選擇CPU型號(hào)，選擇CPU315-2DP，選擇OB1，選擇語言為FBD。如圖4.3，圖4.4所示：圖4.3CPU選型窗口圖4.4塊選擇窗口創(chuàng)建項(xiàng)目完成。項(xiàng)目名為"qian"。如圖4.5：圖4.5項(xiàng)目窗口（2）硬件組態(tài)在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期，首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的輸入信號(hào)的性質(zhì)和點(diǎn)數(shù)，以及對(duì)控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)的硬件配置。在圖項(xiàng)目窗口中，選中左邊窗口中的“SIMATIC300Station”，右邊窗口出現(xiàn)Hardware和CPU的圖標(biāo)，雙擊“Hardware”進(jìn)入硬件組態(tài)界面，如圖4.6所示：圖4.6硬件組態(tài)界面插入電源PS3072A，輸入模塊AI8x12Bit,輸出模塊DO8x12Bit,如圖4.7組態(tài)完成：圖4.7系統(tǒng)硬件圖（3）編輯符號(hào)表在程序中可以用絕對(duì)地址訪問變量，但是使用符號(hào)地址可以使程序更容易閱讀理解。共享符號(hào)在符號(hào)表中定義，可供程序中所有的塊使用。在qian項(xiàng)目窗口中，點(diǎn)擊“S7Program”進(jìn)入符號(hào)表窗口。如圖4.8所示：圖4.8系統(tǒng)符號(hào)表如下圖為項(xiàng)目qian的所有塊。圖4.9項(xiàng)目塊圖（4）編程編寫控制程序，調(diào)用功能塊FB41，PID控制模塊，打開Libraries\standardlibraryPIDControlblock\FB41,將其調(diào)入OB1中，首先分配背景數(shù)據(jù)塊DB41，再給各個(gè)管腳輸入地址。調(diào)用FC105，打開Libraries\standardlibrary\Ti-S7ConvertingBlocks\fc105,將其調(diào)入OB1中，給各個(gè)管腳輸入地址。如圖4.10，圖4.11，圖4.12所示：圖4.10編程窗口1圖4.11編程窗口2圖4.12編程窗口3

4.6控制程序及分析程序如圖4.13所示：圖4.13程序圖程序分析：FC105功能是將一個(gè)IN輸入的整形數(shù)PIW258轉(zhuǎn)換成上限HI-LIM、下限LO-LIM之間的實(shí)際的工程值，結(jié)果寫到OUT送到MD20.OUT=[((FLOAT(IN)–K1)/(K2–K1))*(HI_LIM–LO_LIM)]+LO_LIM常數(shù)K1和K2的值取決于輸入值（IN）是雙極性BIPOLAR還是單極性UNIPOLAR。雙極性BIPOLAR：即輸入的整形數(shù)為–27648到27648，此時(shí)K1=–27648.0，K2=+27648.0單極性UNIPOLAR：即輸入的整形數(shù)為0到27648，此時(shí)K1=0.0，K2=+27648.0如果輸入的整形數(shù)大于K2，輸出(OUT)限位到HI_LIM,并返回錯(cuò)誤代碼。如果輸入的整形數(shù)小于K1，輸出限位到LO_LIM，并返回錯(cuò)誤代碼。反向定標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是通過定義LO_LIM>HI_LIM來實(shí)現(xiàn)的。反向定標(biāo)后的輸出值隨著輸入值的增大而減小。輸入為PIW258；上限設(shè)置為1.000000e+003,下線設(shè)置為1.000000e+000；BIPOLAR由I1.0控制；輸出值PQW272；輸出值顯示到MWO，輸出到MD20。FB41PID控制模塊的使用；PID模塊是進(jìn)行模擬量控制的模塊，可以完成恒液位的控制功能在中，打開Libraries\standardlibraryPIDControlblock\FB41,將其調(diào)入OB1中，首先分配背景數(shù)據(jù)塊DB41，再給各個(gè)管腳輸入地址。EN為控制使能端，由常開觸頭I0.0控制；D-SEL可以在PID算法中單獨(dú)激活或者取消激活PID操作，如果設(shè)置“啟動(dòng)微分作用”，將啟動(dòng)D操作，由常閉觸頭M2.0控制；CYCLE“采樣時(shí)間”輸入指定塊調(diào)用之間的時(shí)間，設(shè)置為1S；SP-INT為液位設(shè)定值，設(shè)置為2.000000e+002；PV-IN為實(shí)際的液位值，由MD20控制.。整個(gè)程序的功能是先把采集到的整形數(shù)PIW258轉(zhuǎn)換成設(shè)置范圍內(nèi)的工程值，通過PID控制器的調(diào)節(jié)使它接近設(shè)置值，從而完成對(duì)反應(yīng)釜的恒液位控制。

5.利用組態(tài)王進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)5.1組態(tài)軟件描述隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的要求越來越高，種類繁多的控制設(shè)備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時(shí)，當(dāng)工業(yè)被控對(duì)象一旦有變動(dòng)，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導(dǎo)致其開發(fā)周期長(zhǎng)；已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個(gè)控制項(xiàng)目的不同而使其重復(fù)使用率很低，導(dǎo)致它的價(jià)格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時(shí)，倘若原來的編程人員因工作變動(dòng)而離去時(shí)，則必須同其他人員或新手進(jìn)行源程序的修改，因而更是相當(dāng)困難。通用工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述實(shí)際工程問題提供了一種嶄新的方法，因?yàn)樗軌蚝芎玫亟鉀Q傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程。組態(tài)（Configuration）為模塊化任意組合。通用組態(tài)軟件主要特點(diǎn)有（1）延續(xù)性和可擴(kuò)充性。用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應(yīng)用程序，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)（包括硬件設(shè)備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）或用戶需求發(fā)生改變時(shí)，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級(jí)；（2）封裝性（易學(xué)易用），通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對(duì)于用戶，不需掌握太多的編程語言技術(shù)（甚至不需要編程技術(shù)），就能很好地完成一個(gè)復(fù)雜工程所要求的所有功能；（3）通用性，每個(gè)用戶根據(jù)工程實(shí)際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備（PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/ODriver、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，就能完成一個(gè)具有動(dòng)畫效果、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡(luò)功能的工程，不受行業(yè)限制。組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。使用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真的基本方法：(1)圖形界面的設(shè)計(jì)(2)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(3)建立動(dòng)畫連接(4)運(yùn)行和調(diào)試使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下幾個(gè)特點(diǎn):實(shí)驗(yàn)全部用軟件來實(shí)現(xiàn),只需利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)就可完成自動(dòng)控制系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn),從而大大減少購置儀器的經(jīng)費(fèi)。該系統(tǒng)是中文界面,具有人機(jī)界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)用戶而言,操作簡(jiǎn)單易學(xué)且編程簡(jiǎn)單,參數(shù)輸入與修改靈活,具有多次或重復(fù)仿真運(yùn)行的控制能力,可以實(shí)時(shí)地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線,這些很強(qiáng)的交互能力使其在自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)揮理想的效果。在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制應(yīng)用程序過程中要考慮以下三個(gè)方面:（1）圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的工控設(shè)備。（2）數(shù)據(jù),就是創(chuàng)建一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對(duì)象的各種屬性,比如水位、流量等。（3）連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動(dòng)畫來模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。5.2系統(tǒng)流程圖主要反映了反應(yīng)釜液位控制系統(tǒng)的整個(gè)系統(tǒng)的控制流程，如圖5.1所示：圖5.1系統(tǒng)流程圖5.3組態(tài)設(shè)計(jì)5.3.1工程創(chuàng)建組態(tài)王工程管理器是用來建立新工程，對(duì)添加到工程管理器的工程做統(tǒng)一的管理。工程管理器的主要功能包括：新建、刪除工程，對(duì)工程重命名，搜索組態(tài)王工程，修改工程屬性，工程備份、恢復(fù)，數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入導(dǎo)出，切換到組態(tài)王開發(fā)或運(yùn)行環(huán)境等。假設(shè)您已經(jīng)正確安裝了“組態(tài)王6.52”的話，可以通過以下方式啟動(dòng)工程管理器：點(diǎn)擊“開始”〉“程序”〉“組態(tài)王6.52”〉“組態(tài)王6.52”（或直接雙擊桌面上組態(tài)王的快捷方式）。組態(tài)王工程瀏覽器如圖5.2所示：圖5.2工程瀏覽器新建：?jiǎn)螕舸丝旖萱I，彈出新建工程對(duì)話框建立組態(tài)王工程。單擊工程管理器上的“新建”，彈出“新建工程向?qū)е弧比鐖D5.3：圖5.3工程創(chuàng)建向?qū)c(diǎn)擊“瀏覽”，選擇新建工程所要存放的路徑。點(diǎn)擊“下一步”進(jìn)入“新建工程向?qū)е保凇肮こ堂Q”處寫上要給工程起的名字。“工程描述”是對(duì)工程進(jìn)詳細(xì)說明（注釋作用），我們的工程名稱是“監(jiān)控中心，工程描述是“對(duì)反應(yīng)釜的液位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控”。點(diǎn)擊完成，并將我的工程設(shè)置為組態(tài)王當(dāng)前工程。我的工程新建完成，點(diǎn)擊開發(fā)即可進(jìn)入組態(tài)王工程瀏覽器。如圖5.4所示：圖5.4工程創(chuàng)建完成5.3.2定義外部設(shè)備和數(shù)據(jù)變量1.定義外部設(shè)備組態(tài)王把那些需要與之交換數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備或軟件程序都作為外部設(shè)備使用。外部硬件設(shè)備通常包括PLC、儀表、模塊、變頻器、板卡等；外部軟件程序通常指包括DDE、OPC等服務(wù)程序。按照計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備的通訊連接方式，則分為：串行通信（232/422/485）、以太網(wǎng)、專用通信卡（如CP5611）等。在計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備硬件連接好后，為了實(shí)現(xiàn)組態(tài)王和外部設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，必須在組態(tài)王的開發(fā)環(huán)境中對(duì)外部設(shè)備和相關(guān)變量加以定義。為方便您定義外部設(shè)備，組態(tài)王設(shè)計(jì)了“設(shè)備配置向?qū)А币龑?dǎo)您一步步完成設(shè)備的連接。在組態(tài)王工程瀏覽器樹型目錄中，選擇設(shè)備，在右邊的工作區(qū)中出現(xiàn)了“新建”圖標(biāo),雙擊此“新建”圖標(biāo)，彈出“設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框如圖所示。選擇西門子S7-300，后進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)置。如圖5.5設(shè)置向?qū)В簣D5.5設(shè)置向?qū)?.定義數(shù)據(jù)變量數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王軟件”最核心的部分。在TouchVew運(yùn)行時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫的形式反映在屏幕上，操作者在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，所有這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為核心，所以說數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。數(shù)據(jù)庫中變量的集合形象地稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。如圖5.6為數(shù)據(jù)詞典：圖5.6數(shù)據(jù)詞典5.3.3組態(tài)畫面創(chuàng)建利用組態(tài)王可以將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)做成一個(gè)畫面，這個(gè)監(jiān)控畫面包含生產(chǎn)過程中的反應(yīng)裝置，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器。監(jiān)控畫面主要有水泵，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，反應(yīng)釜，液位顯示儀表，實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖構(gòu)成。泵開關(guān)控制水泵的停止與啟動(dòng)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制入口流量，出口閥門控制液體的流出。液位顯示儀表顯示當(dāng)前反應(yīng)釜的液位。實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖反映了當(dāng)前某段時(shí)間內(nèi)反應(yīng)釜液位的趨勢(shì)。在工程瀏覽器左側(cè)的“工程目錄顯示區(qū)”中選擇“畫面”選項(xiàng)，在右側(cè)視圖中雙擊“新建”圖標(biāo)。彈出新建畫面對(duì)話框，對(duì)新建畫面的屬性進(jìn)行設(shè)置。使用工具箱，調(diào)色板，圖庫管理器生成畫面。如下圖5.7所示：圖5.7組態(tài)畫面對(duì)畫面進(jìn)行動(dòng)畫連接，“動(dòng)畫連接”就是建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，監(jiān)控畫面完成后，可以利用PLC對(duì)反應(yīng)釜的液位進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過監(jiān)控畫面可以觀察到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。5.4工程實(shí)現(xiàn)5.4.1組態(tài)王與PLC的通訊組態(tài)王與PLC的通訊連接采用MPI電纜通訊方式：硬件連接：此種方法使用S7-300PLC上的MPI編程口，使用西門子標(biāo)準(zhǔn)編程電纜連接到計(jì)算機(jī)的串口上。組態(tài)王對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)：在組天王中對(duì)應(yīng)的設(shè)備定義向?qū)镻LC→西門子→S7-300系列→MPI電纜。在組態(tài)王中設(shè)置PLC的地址，PLC地址在組態(tài)王中的設(shè)置方法是在設(shè)備地址中輸入PLC站號(hào)，PLC站號(hào)的范圍是1到64。5.4.2系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試反應(yīng)釜液位SP設(shè)定值為40。打開PID開關(guān)，打開反應(yīng)釜的閥門開關(guān)，進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。經(jīng)過多次調(diào)試后在KP=80，TI=180，TD=1時(shí)，控制特性較好。如圖5.8是實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面：圖5.8監(jiān)控畫面1如圖5.9是反應(yīng)釜液位的實(shí)時(shí)曲線：圖5.9實(shí)時(shí)曲線1由圖中曲線可以看出，反應(yīng)釜液位的設(shè)定值為50。打開控制閥門后，液位由初始值0開始增加，增加趨勢(shì)逐漸放緩并且有一點(diǎn)的超調(diào)，由于文中的截圖縮小很多，顯示不明顯。經(jīng)過PID控制器的調(diào)節(jié)，反應(yīng)釜的液位趨于穩(wěn)定，在設(shè)定值附近。由此得出此PID控制器控制效果良好。5.4.3系統(tǒng)抗干擾性能測(cè)試在系統(tǒng)穩(wěn)定后，打開反應(yīng)釜的側(cè)進(jìn)料開關(guān)，加干擾后對(duì)反應(yīng)釜的液位產(chǎn)生影響。如下圖5.10所示：反應(yīng)釜監(jiān)控畫面：圖5.10監(jiān)控畫面2反應(yīng)釜液位的實(shí)時(shí)曲線：圖5.11實(shí)時(shí)曲線2在反應(yīng)釜液位趨于穩(wěn)定后，打開反應(yīng)釜側(cè)進(jìn)料開關(guān)，相當(dāng)于給系統(tǒng)加了一個(gè)干擾，如圖5.11，加干擾后反應(yīng)釜的液位迅速上升，經(jīng)過PID控制器的調(diào)節(jié)，液位快速上升后，開始下降，一段時(shí)間后開始趨于穩(wěn)定，維持在設(shè)定值附近。由此可得出結(jié)論，此控制系統(tǒng)的抗干擾性能良好。

結(jié)論反應(yīng)釜單元操作實(shí)訓(xùn)裝置把化工技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)處理等最新的成果揉合在了一起，實(shí)現(xiàn)了工廠模擬現(xiàn)場(chǎng)化、故障模擬、故障報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)采集、網(wǎng)絡(luò)控制等培訓(xùn)任務(wù)。反應(yīng)釜液位控制的任務(wù)就是控制進(jìn)料量和反應(yīng)過程中物料的消耗量保持動(dòng)態(tài)平衡，從而維持反應(yīng)釜的液位在設(shè)定的范圍內(nèi)。本文首先介紹了過程控制實(shí)驗(yàn)裝置以及單元反應(yīng)釜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括一些系統(tǒng)的組成和控制系統(tǒng)硬件的配置。其次，是進(jìn)行控制方案的設(shè)計(jì)，采用PID串級(jí)控制，其中以反應(yīng)釜為被控對(duì)象；以反應(yīng)釜液位為主被控參數(shù)；以主回路流量為副被控參數(shù)；以電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電壓為控制參數(shù)；以PLC為控制器。然后，運(yùn)用西門子S7-300PLC編程軟件STEP7進(jìn)行控制程序的編寫，實(shí)現(xiàn)控制器的設(shè)計(jì)。由于組態(tài)軟件具有強(qiáng)大的圖形編輯功能，豐富的動(dòng)畫連接方式和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫操作能力，并且方便的語言編程，因此上位機(jī)選用KingView6.5來開發(fā)監(jiān)控軟件系統(tǒng)。所以以組態(tài)王為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了整個(gè)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。最后，借助S7-300PLC和組態(tài)王6.5的串接通信，實(shí)現(xiàn)了用組態(tài)王對(duì)反應(yīng)釜液位遠(yuǎn)程的監(jiān)控。利用設(shè)計(jì)的控制算法，通過上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控，觀察了PID控制的效果。通過觀察對(duì)比發(fā)現(xiàn)PID控制效果一段時(shí)間后能得到體現(xiàn)，液位在設(shè)定值附近波動(dòng)很小。實(shí)驗(yàn)證明,PLC可編程控制器和組態(tài)王軟件結(jié)合有利于PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、檢測(cè),具有良好的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然，本控制系統(tǒng)還有很多不足的地方。例如，系統(tǒng)的控制精度不高，主要原因是液位檢測(cè)采用的是磁翻轉(zhuǎn)液位計(jì)，精度不高；編程軟件里涉及到數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、縮放，因此，PID的值設(shè)置較為困難。

致謝通過這一階段的努力，我的畢業(yè)論文《過程控制裝置反應(yīng)釜的液位控制》終于完成了，這意味著大學(xué)生活即將結(jié)束。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開的。在本論文的寫作過程中，我的導(dǎo)師章家?guī)r老師傾注了大量的心血，從選題到開題報(bào)告，從寫作提綱，到一遍又一遍地指出每稿中的具體問題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘，在此我表示衷心感謝。同時(shí)我還