基于PLC的水箱溫度控制系統(tǒng)

年4月19日基于PLC的水箱溫度控制系統(tǒng)文檔僅供參考【摘要】本文研究的是可編程控制器在水箱恒溫控制系統(tǒng)中的應用，水箱恒溫控制裝置主要用來完成對水箱中液體的液位和溫度檢測，并對溫度參數(shù)進行調節(jié)。系統(tǒng)中溫度控制是一個非常重要的部分。經過鉑熱電阻對溫度進行測量，將測量到的溫度傳到PLC中。PLC對采集到的溫度值與給定值進行比較，經過PID運算后，調節(jié)雙向晶閘管在設定周期內通斷時間的比例，改變加熱絲中電流大小及加熱時間，以完成對溫度的控制要求。本系統(tǒng)硬件部分主要由CPU224、EM235、雙向晶閘管等組成；軟件部分主要由PID控制來完成。關鍵詞：PLCCPU224EM235雙向晶閘管PID控制Abstract:Inthispaper,istheprogrammablecontrollerinthewatertanktemperaturecontrolsystemapplication,watertanktemperaturecontrolsystemismainlyusedtocompletethetankliquidlevelandtemperaturedetection,andadjustthetemperatureparameters.System,temperaturecontrolisaveryimportantpart.ByplatinumRTDtemperaturemeasurementwillbemeasuredinthetemperaturereachedthePLC.PLConthecollectedtemperaturevaluescomparedwithagivenvalue,afteraPIDoperation,theregulatorTriacoffthesetperiodoftimetheratioofchangeinheatingwireinthecurrentsizeandheatingtimetocompletetherighttemperaturecontrolrequirements.ThesystemhardwaremainlybytheCPU224,EM235,bi-directionalthyristoretc.;software,someofthemajorbythePIDcontroltocomplete.Keywords:PLCCPU224EM235TriacPIDControl目錄1.前言 11.1恒溫系統(tǒng)應用 11.2PLC的結構 11.2.1中央處理單元(CPU) 11.2.2存儲器 11.2.3電源 21.3PLC的工作原理 21.3.1PLC的基本工作原理 21.3.2PLC編程方式 31.4PLC的控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢 31.5PLC控制系統(tǒng)的構成設計原則及步驟 41.5.1PLC的設計原則 41.5.2PLC的設計步驟 52硬件設計 72.1工作過程 72.2I/O地址分配 72.3選擇硬件 82.3.1CPU224 82.3.2雙向晶閘管 92.3.3熱電阻原理構造 103PID的介紹 113.1PID的工作原理 113.2PID參數(shù)整定 123.3PID模塊介紹 133.3.1PID回路表的格式及初始化 133.3.2PID程序 144程序 184.1順序功能流程圖 184.2程序設計 20結束語 25謝辭 26參考文獻 271.前言1.1恒溫系統(tǒng)應用在日常生活、工業(yè)生產和實驗室中電熱恒溫箱的應用隨處能夠見到。在生活中我們保存食物用到恒溫箱，工業(yè)生產中一些生產原料的保存用到恒溫箱，實驗室里，特別是生物的培育實驗室，恒溫箱的應用更是普遍?？删幊炭刂破骷碢LC是在計算機技術、通信技術和繼電器控制技術的發(fā)展基礎上開發(fā)出來的，現(xiàn)在已經廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。它以微處理器為核心，用編寫程序進行邏輯控制、定時、計數(shù)和算術運算等，并經過數(shù)字量和模擬量是輸入/輸出來控制設備或生產過程。在本設計中，我們針對實驗水箱而設計的一個恒溫系統(tǒng)，針對溫度控制的特點以及實現(xiàn)準確溫度控制的意義，設計了一種基于PID的恒溫檢測控制系統(tǒng)。1.2PLC的結構PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機其硬件結構基本上與微型計算機相同。1.2.1中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞，它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)、檢查電源、存儲器I/O以及警戒定時器的狀態(tài)；并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算,運算的結果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行直到停止運行。為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)或采用三CPU的表決式系統(tǒng)，這樣即使某個CPU出現(xiàn)故障整個系統(tǒng)仍能正常運行。1.2.2存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。(1)PLC常見的存儲器類型①RAM(RandomAssessMemory)，這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。②EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)，這是一種可擦除的只讀存儲器，在斷電情況下存儲器內的所有內容保持不變(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內容)。③EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)，這是一種電可擦除的只讀存儲器，使用編程器就能很容易地對其所存儲的內容進行修改。(2)PLC存儲空間的分配雖然各種PLC的CPU的最大尋址空間各不相同，可是根據(jù)PLC的工作原理其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)；系統(tǒng)RAM存儲區(qū)(包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設備等)；用戶程序存儲區(qū)。①系統(tǒng)程序存儲區(qū)在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序、等由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取，它和硬件一起決定了該PLC的性能。②系統(tǒng)RAM存儲區(qū)系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設備如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器、等存儲器。aI/O映象區(qū)由于PLC投入運行后只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應的外設，因此它需要一定數(shù)量的存儲單元(RAM)以存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O映象區(qū)，一個開關量I/O占用存儲單元中的一個位(bit)，一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字(16個bit)，因此整個I/O映象區(qū)可看作兩個部分組成：開關量I/O映象區(qū)，模擬量I/O映象區(qū)。b系統(tǒng)軟設備存儲區(qū)除了I/O映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)還包括PLC內部各類軟設備(邏輯線圈、計時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等)的存儲區(qū)，該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時由內部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會遺失，后者當PLC斷電時數(shù)據(jù)被清零。c用戶程序存儲區(qū)用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序，不同類型的PLC其存儲容量各不相同。1.2.3電源PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視，一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內能夠不采取其它措施，而將PLC直接連接到交流電網上去。1.3PLC的工作原理1.3.1P（1）PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式1）每次掃描過程。集中對輸入信號進行采樣。集中對輸出信號進行刷新。2）輸入刷新過程。當輸入端口關閉時，程序在進行執(zhí)行階段時，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。3）一個掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。4）元件映象寄存器的內容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。5）掃描周期的長短由三條決定：CPU執(zhí)行指令的速度；指令本身占有的時間；指令條數(shù)。6）由于采用集中采樣。集中輸出的方式。存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應延遲。（2）PLC與繼電器控制系統(tǒng)、微機區(qū)別1）PLC與繼電器控制系統(tǒng)區(qū)別前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“軟件”，后者用“硬件”。2）PLC與微機區(qū)別前者工作方式是“循環(huán)掃描”。后者工作方式是“待命或中斷”。1.3.2PLC編程方式PLC最突出的優(yōu)點采用“軟繼電器”代替“硬繼電器”。用“軟件編程邏輯”代替“硬件布線邏輯”。PLC編程語言有梯形圖、布爾助記符語言，等等。特別前兩者為常見。梯形圖語言特點：（1）每個梯形圖由多個梯級組成。（2）梯形圖中左右兩邊的豎線表示假想的邏輯電源。當某一梯級的邏輯運算結果是“1”，有假想的電流流過。（3）繼電器線圈只能出現(xiàn)一次，而它的常開、常閉觸點能夠出現(xiàn)無數(shù)次。（4）每一梯級的運算結果，立即被后面的梯級所利用。（5）輸入繼電器受外部信號控制。只出現(xiàn)觸點，不出現(xiàn)線圈。1.4PLC的控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢（1）PLC發(fā)展的潮流當前，國外PLC制造商不斷推出新產品。西門子最初推出S5系列，然后推出S7系列；三菱開始是F系列，F(xiàn)X系列，現(xiàn)在是Q系列（A1、A2、A2X）。大趨勢是功能越來越多，集成度越來越高，網絡功能越來越強。特別是網絡，因為聯(lián)網是一個大潮流。現(xiàn)在各種PLC都在發(fā)展自己的網絡，一般從結構上有兩種，一種在PLC模塊上做了一個通信輸出口，能夠直接與計算機聯(lián)接實現(xiàn)點對點通信（RS232聯(lián)接）；另一種是經過多點聯(lián)接（RS485聯(lián)接），這適用于多層PLC。這方面，西門子的產品具有代表性，它具有自己的PROFIBUS協(xié)議的網絡標準，現(xiàn)在已經被世界上絕大多數(shù)國家接受，幾乎已經成為國際標準，獲得廣泛的應用。當前網絡是一個發(fā)展趨勢。網絡的控制中心一般有兩臺計算機，經過電纜與現(xiàn)場的PLC站相連，每個站就放在被控設備的附近，從設備到PLC站之間的電纜很短，從PLC站到控制中心只需一根電纜線，這樣成本就大大降低了。（2）PLC的最新發(fā)展動態(tài)一是PLC網絡化技術的發(fā)展，其中有兩個趨勢，一方面，PLC網絡系統(tǒng)已經不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開放式系統(tǒng)發(fā)展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC網絡系統(tǒng)，完成設備控制任務之外，還能夠與上位計算機管理系統(tǒng)聯(lián)網，實現(xiàn)信息交流，成為整個信息管理系統(tǒng)的一部分。另一方面，現(xiàn)場總線技術得到廣泛的采用，PLC與其它安裝在現(xiàn)場的智能化設備，比如智能化儀表，傳感器，智能型電磁閥，智能型驅動執(zhí)行機構等，經過一根傳輸介質（比如雙絞線，同軸電纜，光纜）連接起來，并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息，由此構成一個現(xiàn)場工業(yè)控制網絡，這種網絡與單純的PLC遠程網絡相比，配置更靈活，擴容更方便，造價更低，性能價格比更好，也更具開放意義。二是PLC向高性能小型化發(fā)展。PLC的功能正越來越豐富，而體積則越來越小。比如三菱的FX-1S系列PLC，最小的機種，體積僅為60×90×75mm，相當于一個繼電器，但卻具有高速計數(shù)、斜坡、交替輸出及16位四則運算等能力，還具有可調電位器時間設定功能。PLC已不再是早期那種只能進行開關量邏輯運算的產品了，而是具有越來越強的模擬量處理能力，以及其它過去只有在計算機上才能具有的高級處理能力，如浮點數(shù)運算，PID調節(jié)，溫度控制，精確定位，步進驅動，報表統(tǒng)計等。從這種意義上說，PLC系統(tǒng)與DCS（集散控制系統(tǒng)）的差別已經越來越小了。用PLC同樣能夠構成一個過程控制系統(tǒng)。1.5PLC控制系統(tǒng)的構成設計原則及步驟1.5.1PLC的設計原則1）硬件設計：硬件設計內容：PLC機型的選擇；輸入/輸出設備的選擇；圖樣（如接線圖等）繪制；硬件設計應遵循的原則：（1）經濟性（2）可靠性（3）先進性及可擴展性2）軟件設計：軟件就是編寫滿足生產控制要求的PLC用戶程序，即繪制梯形圖，或編寫語句表。軟件設計原則：（1）邏輯關系要簡單明了，易于編程；如繼電器的觸點能夠使用無數(shù)次，只要在實現(xiàn)某個邏輯功能所需要的地方，能夠隨時使用，使得編制程序具有可讀性，但要避免使用不必要的觸點。（2）保證程序功能的前提下盡量減少指令和程序的運行時間。1.5.2PLC的設計步驟PLC系統(tǒng)設計的一般方法和步驟如圖1－1所示：程序設計與調試程序設計與調試分析生產過程，明確設計要求電器電路設計試運行繪制系統(tǒng)原理圖選擇PLC的型號總裝調試圖1－1PLC的設計流程（1）確定方案：被空對象環(huán)境較差，系統(tǒng)工藝復雜，考慮用PLC控制系統(tǒng)?？刂坪芎唵?，能夠考慮用繼電器控制系統(tǒng)。用PLC控制，首先要了解系統(tǒng)的工作過程及所有功能要求，從而分析被控對象的控制過程，輸入/輸出量是開關量還是模擬量，明確控制要求，繪制系統(tǒng)流程圖。（2）選擇PLC的機型：PLC的可靠性上是沒有問題的，機型的選擇主要是考慮功能上滿足系統(tǒng)要求。機型的選擇依據(jù)：控制對象的輸入量，輸出量工作電壓輸出功率現(xiàn)場對系統(tǒng)的響應速度要求控制室與現(xiàn)場的距離等。（3）選擇I/O設備，列出I/O地址分配表：輸入設備：控制按鈕、行程開關、接近開關等。輸出設備：接觸器、電磁閥、信號燈等。確定輸入/輸出設備的型號和數(shù)量。列寫輸入/輸出設備與PLC的I/O端口地址對照表，繪制接線圖及編寫程序。分配I/O地址時應注意以下幾點：把所有按鈕、行程開關等集中配置，按順序分配I/O地址；每個I/O設備占用地址；同一類型的I/O點應盡量安排在同一個區(qū)。彼此有關的輸出器件，如電動機的正反轉，其輸出地址應連續(xù)分配。1）繪制電動機的主電路及PLC外部的其它控制電路圖。2）繪制PLC的I/O接線圖。注：接在PLC輸入端的電器元件一律為常開觸點，如停止按鈕等。3）繪制PLC及I/O設備的供電圖。輸入電路一般由PLC內部提供電源，輸出電路根據(jù)負載的額定電壓外接電源。（4）設計電氣線路圖：（5）程序設計與調試程序設計能夠用經驗設計或者功能表圖設計法，或兩者結合使用。（6）總裝調試：接好硬件線路，把程序輸入PLC中，聯(lián)機調試2硬件設計2.1工作過程（1）打開SV1充冷水，當水到達上限位，使上限位傳感器輸出有信號時，停止供冷水，關閉SV1。（2）當水到達下限位時，啟動加熱器H，讓其加熱水，同時讓攪拌電動機M開始運行，使水的溫度均勻上升。（3）設定給定溫度值為60℃。（4）當實際溫度高于60℃時，開通SV1和SV2，并運行攪拌電機M；當實際溫度低于（5）當水低于下限位傳感器時，報警燈亮。人工按下停止按鈕，重新開始啟動。圖2－1實驗水箱溫度控制系統(tǒng)符號描述2.2I/O地址分配根據(jù)圖2-1及以上工作過程分析，統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號，如表2-1所示。水位上下限位信號分別為I0.2、I0.3,它們在水淹沒時為1，露出時為0。表2－1I/O分配名稱符號地址編號輸入信號啟動按鈕QS2I0.0停止按鈕QS1I0.1水池水位上限信號SLHI0.2水池水位下限信號SLLI0.3熱繼電器信號QSI0.4鉑電阻信號AI4AIW0輸出信號控冷水電磁閥SV1Q0.0控熱水電磁閥SV2Q0.1攪拌電機MQ0.2報警指示燈HLQ0.3加熱器HAQPID輸出模擬信號A00AQW02.3選擇硬件從上面分析能夠知道，系統(tǒng)共有5個開關量輸入點，4個開關量輸出點，1個模擬量輸入點，1個模擬量輸出點。參照西門子S7-200產品目錄及市場實際價格，選用主機為CPU224(14入/10繼電器輸出)一臺，再擴展一個模擬量模塊EM235(4AI/1AO)。這樣的配置是最經濟的。整個PLC系統(tǒng)的配置如圖所示。主機單元CPU224AC/DC/繼電器模擬量單元EM2354AI/1AO圖2－2恒溫水箱的PLC系統(tǒng)的配置2.3.1CPU224CPU224集成14輸入／10輸出共24個數(shù)字量I／O點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I／O點或35路模擬量I／O點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30KHz高速計數(shù)器，2路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊／編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I／O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。如下圖所示圖2－3CPU224的接線圖2.3.2雙向晶閘管雙向晶閘管工作原理:雙向可控硅具有兩個方向輪流導通、關斷的特性。雙向可控硅實質上是兩個反并聯(lián)的單向可控硅，是由NPNPN五層半導體形成四個PN結構成、有三個電極的半導體器件。圖2－4雙向可控晶閘管液溫的電加熱一般采用移相觸發(fā)可控硅調節(jié)方式。即PLC根據(jù)PID公式計算出控制電壓值，經D/A變換成模擬量輸出給晶閘管，控制可控硅導通角。為避免電源畸變造成干擾，此處采用雙向晶閘管固定周期控制方式。工作原理為：，選定控制脈沖的周期Tc=1s，100個工頻電源半周期即為10ms。根據(jù)PID計算結果，微機在1秒固定周期內，發(fā)出不同寬度的電脈沖去控制雙向晶閘管的門極，改變其導通時間，從而控制加熱器的平均輸出功率。2.3.3熱電阻原理構造熱電阻是中低溫區(qū)最常見的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不但廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接經過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響一般采用三線制或四線制。熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點：①熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致。②為了消除連接導線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。3PID的介紹3.1PID的工作原理在控制系統(tǒng)中,控制器最常見的控制規(guī)律是PID控制。PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3－1所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。圖3－1PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器,一種它根據(jù)給定值rin(t)與實際輸出值yout(t)構成控制偏差：Error(t)=rin(t)-yout(t)（3.1）PID控制就是對偏差信號進行比例、積分、微分運算后，形成一種控制規(guī)律。即，控制器的輸出為：（3.2）或寫成傳遞函數(shù)的形式：（3.3）其中，kp——比例系數(shù)；Ti——積分時間常數(shù)；Td——微分時間常數(shù)。簡單說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號error(t),偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減小偏差。比例控制：Gc(s)=Kp積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強盡弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。積分控制：Gc(s)=Kp/Tis微分環(huán)節(jié)：反偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間。微分控制：Gc(s)=KpTds基本PID控制器的理想算式為：（3.4）式中u(t)——控制器(也稱調節(jié)器)的輸出；e(t)——控制器的輸入（常常是設定值與被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；Kp——控制器的比例放大系數(shù)；Ti——控制器的積分時間；Td——控制器的微分時間。設u(k)為第k次采樣時刻控制器的輸出值，可得離散的PID算式（3.5）式中。由于計算機的輸出u(k)直接控制執(zhí)行機構（如閥門），u(k)的值與執(zhí)行機構的位置（如閥門開度）一一對應，因此一般稱式(4.3)為位置式PID控制算法。位置式PID控制算法的缺點：當前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關，計算時要對e(k)進行累加，運算量大；而且控制器的輸出u(k)對應的是執(zhí)行機構的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構位置的大幅度變化。3.2PID參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，本設計采用實驗湊試法（1）確定控制器參數(shù)數(shù)字PID控制器控制參數(shù)的選擇，可按連續(xù)-時間PID參數(shù)整定方法進行。在選擇數(shù)字PID參數(shù)之前，首先應該確定控制器結構。對允許有靜差（或穩(wěn)態(tài)誤差）的系統(tǒng)，能夠適當選擇P或PD控制器，使穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內。對必須消除穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，應選擇包含積分控制的PI或PID控制器。一般來說，PI、PID和P控制器應用較多。對于有滯后的對象,往往都加入微分控制。（2）選擇參數(shù)控制器結構確定后，即可開始選擇參數(shù)。參數(shù)的選擇，要根據(jù)受控對象的具體特性和對控制系統(tǒng)的性能要求進行。工程上，一般要求整個閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，對給定量的變化能迅速響應并平滑跟蹤，超調量??；在不同干擾作用下，能保證被控量在給定值；當環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時，整個系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，等等。這些要求，對控制系統(tǒng)自身性能來說，有些是矛盾的。我們必須滿足主要的方面的要求，兼顧其它方面，適當?shù)卣壑蕴幚怼＃?）整定步驟實驗湊試法的整定步驟為"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，直至得到反應快、超調小的響應曲線。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％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數(shù)，重復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數(shù)。③整定微分環(huán)節(jié)若經過步驟②，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應加入微分控制，構成PID控制。先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，重復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。3.3PID模塊介紹3.3.1PID回路表的格式及初始化（1）PID回路表PLC在執(zhí)行PID調節(jié)指令時，須對算法中的9個參數(shù)進行運算，為此S7-200的PID指令使用一個存儲回路參數(shù)的回路表，PID回路表的格式及含義如表3－2所示。表3－1PID回路表偏移地址（VB）變量名數(shù)據(jù)格式輸入輸出類型取值范圍T+0反饋量（PVn）雙字實數(shù)輸入應在0.0～1.0之間T+4給定值(SPn)雙字實數(shù)輸入應在0.0～1.0之間T+8輸出值(Mn)雙字實數(shù)輸入輸出應在0.0～1.0之間T+12增益(KC)雙字實數(shù)輸入比例常數(shù),可正可負T+16采樣時間(TS)雙字實數(shù)輸入單位為s,必須為正數(shù)T+20積分時間(TI)雙字實數(shù)輸入單位為min,必須為正數(shù)T+24微分時間(TD)雙字實數(shù)輸入單位為min,必須為正數(shù)T+28積分和(YQ)或積分項前值(MX)雙字實數(shù)輸入輸出應在0.0～1.0之間T+32反饋量前值(PVn-1)雙字實數(shù)輸入輸出最后一次執(zhí)行PID指令的過程變量值說明：①PLC可同時對多個生產過程（回路）實行閉環(huán)控制。由于每個生產過程的具體情況不同，PID算法的參數(shù)亦不同。因此，需建立每個控制過程的參數(shù)表，用于存放控制算法的參數(shù)和過程中的其它數(shù)據(jù)。當需要執(zhí)行PID運算時，從參數(shù)表中把過程數(shù)據(jù)送至PID工作臺，待運算完畢后，將有關數(shù)據(jù)結果再送至參數(shù)表。②反饋量PVn和給定值SPn為PID算法的輸入，只可由PID指令讀取并不可更改。一般反饋量來自模擬量輸入模塊，給定量來自人機對話設備，如TD200、觸摸屏、組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)等。③表中回路輸出值Mn由PID指令算得出，僅當PID指令完全執(zhí)行完畢才予以更新。該值還需用戶按工程量標定經過編程轉換為16位數(shù)字值，送往PLC的模擬量輸出寄存器AQWx。④表中增益（KC）、采樣時間（TS）、積分時間（TI）、微分時間TD是由用戶事先寫入的值，一般也可經過人機對話設備（如TD200、觸摸屏、組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)）的輸入。⑤表中積分和YX由PID運算結果更新，且次更新值用作下一次PID運算的輸入值。積分和的調整值必須是0.0～0.1之間的實數(shù)。（2）PID回路表初始化為了執(zhí)行PID指令，要對PID回路表的初始化處理，即將PID回路表中有關參數(shù)（給定值SPn、增益值KC、采樣時間TS、積分時間TI、微分時間TD）。按照地址偏移量寫入到變量寄存器V中。一般是調用一個子程序，在子程序中對PID回路表進行初始化處理。在采用人機界面的系統(tǒng)中，初始化參數(shù)經過人機界面直接輸入。3.3.2PID程序本次設計中在主程序、子程序、中斷程序中均涉及到了PID控制。在主程序中調用初始化子程序圖（3－2）；子程序用來建立PID回路初始化參數(shù)表和設置中斷（圖3－3），采用定時中斷來定時采樣，設置定時時間和采樣時間為100ms,并寫入SMB34；中斷程序用于執(zhí)行PID運算（圖3－4）。標準化時采用用單極性（取值范圍為0～3）。圖3－2主程序中的調用PID初始化指令圖3－3PID子程序圖3－4PID中斷程序4程序4.1順序功能流程圖對于較為復雜的控制系統(tǒng)，一般采用順序控制法進行程序設計。順序控制法的基本思想是將一個復雜的控制過程分成一系列“狀態(tài)”或稱為“步”，編程時可針對一個個的狀態(tài)進行，每一個狀態(tài)程序都含有本狀態(tài)做什么，滿足什么條件時進行狀態(tài)轉移及轉到哪一個狀態(tài)去這樣一些問題。最后利用狀態(tài)間的聯(lián)系完成整體控制程序。對于水箱溫度控制系統(tǒng)的順序功能流程圖如圖4－1所示。SM0.1SM0.1S0.0S0.1S0.3S0.4PID.S0.6S0.5S0.2Q0.2AQQ0.2AQQ0.0Q0.0Q0.0Q0.1ATCHQ0.2ATCHAQQ0.2I0.0啟動按鈕I0.3下限位I0.2上限位ATCH中斷判斷VD250>R溫度高VD250<R溫度低ATCH·I0.3I0.1S0.7Q0.3I0.3水位過低圖4－1功能功能流程圖4.2程序設計(1)程序中使用的PLC元件及其功能如表4－1所示。表4－1程序中使用的PLC元件地址及其功能器件地址功能VB100過程變量標準化值PVnVD100過程變量標準化值VD104溫度給定值VD108PI計算值VD112比例系數(shù)VD116采樣時間VD120積分時間VD124微分時間(2)程序中所用到的部分指令及功能說明如表4－2所示。表4－2部分所用指令梯形圖程序語句表程序說明CALLSBR0子程序調用指令：子程序的編號從0開始，隨著子程序個數(shù)的增加自動生成，能夠0～63MOVBIN，OUTMOVWIN，OUTMOVRIN，OUT數(shù)據(jù)傳送指令：實現(xiàn)字節(jié)、字和實數(shù)的數(shù)據(jù)傳送。當使能輸入EN為1時，把輸入端數(shù)據(jù)IN傳送到輸出端OUT。ATCHINT，EVNT中斷指令：用來建立中斷事件（EVNT）與中斷程序（INT）之間的聯(lián)系。ITDIN，OUTDITIN，OUT整數(shù)轉換成雙整數(shù)雙整數(shù)轉換成整數(shù)DTRIN，OUT雙字整數(shù)轉換成實數(shù)PIDTBL，LOOP當使能端EN為1時，PID調節(jié)指令對TBL為起始地址的PID參數(shù)表中的數(shù)據(jù)進行PID運算*RIN1，OUT乘法指令：實現(xiàn)雙整數(shù)的乘法運算。IN1*IN2=OUT/RIN1，OUT除法指令：實現(xiàn)雙整數(shù)的除法運算。IN1/IN2=OUT(3)恒溫水箱控制系統(tǒng)的梯形圖程序及程序注釋如圖4－2所示。因為程序較長，因此讀圖時請按網絡標號的順序進行。(a)主程序(b)子程序(c)中斷程序圖4－2水箱溫度控制系統(tǒng)梯形圖程序結束語在這次畢業(yè)設計中我學到了許多東西。整個做設計的過程是訓練我獨立進行科學研究的過程。按照老師給予我們的題目及其要求，能夠使我們了解科學研究的過程，掌握如何收集、整理和利用材料；如何利用圖書館，檢索文獻資料；如何操作文本及其它一些軟件等方法。畢業(yè)設計是學習如何進行科學研究的一個極好的機會，因為它不但有教師的指導與傳授，能夠減少摸索中的一