水塔水位pid控制系統(tǒng)設(shè)計(含外文翻譯)

1、<p>　　水塔水位PID控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　供水是一個關(guān)系國計民生的重要產(chǎn)業(yè)。隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，對城市供水提出了更高的要求，有一個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。&l

2、t;/p><p>　　研究設(shè)計的基于PLC控制的水塔水位PID供水系統(tǒng),以西門子公司的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，組成一個基于S7-200系列中PLC-CPU226的水塔水位控制系統(tǒng)，能完成邏輯控制、水位調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采樣等功能,實現(xiàn)對水塔的水位進行控制及檢測。在設(shè)計中大量運用PLC中PID來實現(xiàn)水塔水位的控制，為了精確地實現(xiàn)對水位

3、的控制 ，建立成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了水塔中的進、出水的水位自動控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 可編程控制器PLC，水塔水位，PID控制 </p><p>　　Water TOWERS pid CONTROL SYSTEM DESIGN</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Wa

4、ter supply is an important industry of the people's livelihood. With the social development and people's living standards, urban water supply to a higher demand, there is a need to maintain a certain water tank w

5、ater 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 that continuou

6、s water towers. PLC-based research and design of the towers l</p><p>　　KEY WORDS: Programmable Logic Controller PLC, Water Towers, PID Control</p><p><b>　　目　錄</b></p>&l

7、t;p><b>　　前　言1</b></p><p>　　第1章 水塔水位自動控制系統(tǒng)的概述2</p><p>　　1.1 水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展2</p><p>　　1.2 水塔水位自動控制系統(tǒng)的組成2</p><p>　　1.3 水位控制系統(tǒng)效率及運行模式分析3</p><

8、;p>　　第2章 PLC結(jié)構(gòu)和工作原理4</p><p>　　2.1 PLC組成與基本結(jié)構(gòu)4</p><p>　　2.1.1 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4</p><p>　　2.1.2 PLC的基本工作原理5</p><p>　　2.2 PLC的主要應(yīng)用6</p><p>　　2.3 S7-200

9、系列可編程控制器6</p><p>　　2.3.1 S7-200 PLC系統(tǒng)組成7</p><p>　　2.3.2 S7-200系列PLC元件功能8</p><p>　　2.4 PID控制器簡介9</p><p>　　2.4.1 PID控制器的結(jié)構(gòu)及原理9</p><p>　　2.4.2 數(shù)字式PI

10、D控制10</p><p>　　2.4.3 數(shù)字式PID控制的實現(xiàn)12</p><p>　　第3章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計14</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的工作原理14</p><p>　　3.1.1 設(shè)計分析14</p><p>　　3.1.2 可行性試驗15</p>&l

11、t;p>　　3.1.3 可行性分析16</p><p>　　3.2 水位閉環(huán)控制系統(tǒng)16</p><p>　　3.2.1 PLC的選擇17</p><p>　　3.2.2 供水的控制方法18</p><p>　　第4章 PLC中PID控制器的實現(xiàn)20</p><p>　　4.1 PID算法

12、20</p><p>　　4.2 PID應(yīng)用21</p><p>　　4.3 PLC實現(xiàn)PID控制的方式21</p><p>　　4.4 PLC中 PID控制器的實現(xiàn)22</p><p>　　4.5 PID指令及回路表24</p><p>　　第5章　系統(tǒng)硬件開發(fā)設(shè)計26</p><

13、;p>　　5.1 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)26</p><p>　　5.2 可編程控制器的選型26</p><p>　　5.3 EM235模擬量模塊28</p><p>　　5.3.1 EM235的安裝使用29</p><p>　　5.3.2 EM235的工作程序編制29</p><p>　　5.4

14、系統(tǒng)硬件連接圖30</p><p>　　5.5 控制系統(tǒng)I/O地址分配30</p><p>　　第6章 系統(tǒng)軟件控制設(shè)計31</p><p>　　6.1 水位PID控制的邏輯設(shè)計31</p><p>　　6.2 梯形圖編程35</p><p>　　6.3 控制程序38</p><

15、;p>　　6.4 聯(lián)機39</p><p><b>　　結(jié) 論40</b></p><p><b>　　謝 辭41</b></p><p><b>　　參考文獻42</b></p><p><b>　　附 錄43</b></p&

16、gt;<p><b>　　外文資料翻譯46</b></p><p><b>　　前　言</b></p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、液位、流量等都是常用的主要被控參數(shù)。其中，水位控制越來越重要。在社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重

17、則可能造成嚴重的生產(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。任何時候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對給水系統(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水設(shè)備，由一級或二級水泵從地下市政水管補給。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?？删幊炭刂破鳎≒LC）是根據(jù)順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電

18、子裝置。鑒于其種種優(yōu)點，目前水位控制的方式被PLC控制取代。同時，又有PID控制技術(shù)的發(fā)展，因此，如何建立一個可靠安全、又易于維護的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。</p><p>　　在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會需要對容器中的液位（水位）進行自動控制。比如自動控制水塔、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，

19、精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計一個精度高、穩(wěn)定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題，使水位控制在要求的位置。</p><p>　　本論文側(cè)重介紹“水塔水位PID控制系統(tǒng)”的硬件、軟件設(shè)計及相關(guān)內(nèi)容，使水塔水塔維持一定的水位。通過對變頻器內(nèi)置PID模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠傳液位傳感器反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用

20、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)和輸出控制閥分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，實現(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)和計算機技術(shù)、測試技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(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)計該系統(tǒng)，對于提高企業(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)實意義。 </p

21、><p>　　第1章 水塔水位自動控制系統(tǒng)的概述</p><p>　　1.1 水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展</p><p>　　節(jié)能是我國社會經(jīng)濟能否保持可持續(xù)發(fā)展的一個重大問題.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.對變頻調(diào)速水位控制系統(tǒng)的實際運行情況研究發(fā)現(xiàn)，目前國內(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

22、定的應(yīng)用效果.但由于這類控制系統(tǒng)忽視了水泵-電機組效率，致使水泵-電機組經(jīng)常處于低效區(qū)運行圖1-1；另外，單目標的恒水位或恒壓力控制不能保證電機經(jīng)常處于節(jié)能運行狀態(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)在實際運行中效率不高，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)多年來一直難以大規(guī)模采用的原因之一，水位控制類變頻調(diào)速效率優(yōu)化問題屬于一類復(fù)雜的多變量、離散性強的非線性系統(tǒng)控制問題，要 圖1-1 水塔水位控制

23、系統(tǒng)模型</p><p>　　求控制系統(tǒng)在滿足用水要求的同時，又要實現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)，采用傳統(tǒng)的控制策略很難獲得簡便、實用的解決方法.本文結(jié)合水位控制類系統(tǒng)的特點，運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，設(shè)計一種水位控制以改善這類系統(tǒng)的控制策略與運行方式，同時給出采用PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)的此水位控制。水塔水位控制系統(tǒng)模型如圖1-1。</p><p>　　1.2 水

24、塔水位自動控制系統(tǒng)的組成</p><p>　　水位自動控制系統(tǒng)由PLC（核心控制部件）、高低位的水位檢測電路（液位傳感器）、輸入控制液壓閥、輸出控制液壓閥等部分組成。</p><p>　　1.3 水位控制系統(tǒng)效率及運行模式分析</p><p>　　水位控制系統(tǒng)的效率主要由水泵的效率、電動機的效率和管道損失決定，本文主要研究水泵-電機組的效率問題。由于水位控制系統(tǒng)的

25、非線性、滯后性與時變性，采用傳統(tǒng)的PID控制容易實現(xiàn)單目標，即水位恒定或水泵-電機組高效運行，而無法兩者兼顧。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，進一步提高系統(tǒng)的運行效率。在分析變頻調(diào)速水位控制的節(jié)能問題時，以不同轉(zhuǎn)速下提供相同容積</p><p>　　圖1-2 控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　的水作比較得出圖

26、1-2：水泵消耗的軸功率與異步電動機轉(zhuǎn)速的三次方成正比，由此可知，水泵-電機組的效率與電機的轉(zhuǎn)速成反比；其次，結(jié)合水泵與電機的效率特性，為使系統(tǒng)經(jīng)常高效運行，不失一般性，設(shè)：水泵-電機組的高效率區(qū)為異步電動機的轉(zhuǎn)速n=0.6～1.0n N(n N為電動機的額定轉(zhuǎn)速)；當電機轉(zhuǎn)速n=0.8n N時，異步電動機的效率最佳。圖1-1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分為A、B、C三區(qū)。A、C區(qū)分別為水位極高、極低

27、區(qū)域，是高位、低位警戒區(qū)；B區(qū)為高效運行區(qū)，是系統(tǒng)經(jīng)常運行的區(qū)域。系統(tǒng)總的控制模式為：當H∈A時，系統(tǒng)運行減機模式；當H∈B時，系統(tǒng)運行節(jié)能模式；當H∈C時，系統(tǒng)運行加機模式.系統(tǒng)效率η∝K∫n3dtn∈0.6～1.0n N系統(tǒng)節(jié)能模式是本文的研究重點，根據(jù)此圖可設(shè)計一個水位控制器，使變頻器的輸出頻率即電動機的轉(zhuǎn)速隨著水位的變化而自動改變，使系統(tǒng)能夠在最快地響應(yīng)用戶用水要求的同時，在時間上最大限度地工作在高效區(qū)，這樣，系統(tǒng)運行的效率就可

28、以提高，此時的系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，達到系統(tǒng)穩(wěn)定性與快速性的較好結(jié)合。</p><p>　　第2章 PLC結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　2.1 PLC組成與基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　PLC是微機技術(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也是一種計算機系統(tǒng)，只不過它比一般計算機具有更強的擴展性與工業(yè)過程相連接的輸入/輸

29、出接口，具有更適用于控制要求的編程語言，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)控制用的專用計算機，它的實際組成與一般微型計算機系統(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。 </p><p>　　2.1.1 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　目前PLC種類多，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)控制的專用計算機，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致

30、相同，硬件和微</p><p>　　圖2-1 PLC結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　機相似。主要包括CPU、存儲器RAM和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。</p><p>　　如圖2-1所示。PLC控制系統(tǒng)有輸入量—PLC—輸出量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均

31、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)部邏輯運算或其他各種運算，處理后送到輸出端子，作為PLC的輸出量對外圍設(shè)備進行各種控制。由此可見，PLC的基本結(jié)構(gòu)由控制部分、輸入和輸出部分組成。</p><p>　　2.1.2 PLC的基本工作原理</p><p>　　由于PLC以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大的不同。微機一般

32、采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或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，若無則繼續(xù)掃描等待。</p><p>　　圖2-2 PLC的掃描工作過程</p><p>　　PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符號后返回第

33、一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。PLC的工作過程就是PLC的掃描循環(huán)工作過程，一個循環(huán)掃描周期主要可分為3個階段，輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。如圖2-2所示PLC的掃描工作過程。</p><p>　　2.2 PLC的主要應(yīng)用</p><p>　　經(jīng)過20多年的工業(yè)運行，PLC迅速滲透到工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，從PLC的功能來看，它的應(yīng)用范圍大致包括以

34、下幾個方面：</p><p>　?。?）邏輯控制 PLC具有邏輯運算功能，可以實現(xiàn)各種通斷控制。</p><p>　　（2）定時控制 PLC具有定時功能。它為用戶提供幾十個甚至上千個計時器，其計時時間設(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)場通過人——機對話裝置實時設(shè)定，計時器的實際計時值也可以通過人——機對話裝置實時讀出或</p><p>

35、　?。?）計數(shù)控制 PLC具有計數(shù)功能。它為用戶提供幾十個甚至上千個計數(shù)器，其計數(shù)設(shè)定值的設(shè)定方式同計時器計時時間設(shè)定值一樣。計數(shù)器的實際計數(shù)值也可以通過人——機對話裝置實時讀出。</p><p>　?。?）步進（順序）控制 PLC具有步進（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準化語言——順序功能圖（SFC）編制用戶程序，PLC在實現(xiàn)按照事件或輸入狀態(tài)的順序控制相應(yīng)輸

36、出的場合更簡便。</p><p>　?。?）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。通常采用專門的PID控制模塊來實現(xiàn)。</p><p>　　（6）數(shù)據(jù)處理 PLC具有數(shù)據(jù)處理能力。它能進行自述運算數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)制轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示和打印，數(shù)據(jù)通信等功能。新一代的大，中型PLC還能進行函數(shù)運算，浮點運算等。</p><

37、;p>　?。?）通信和聯(lián)網(wǎng) 新一代的PLC都具有通信功能。它既可以對遠程I/O進行控制，又能實現(xiàn)PLC和PLC，PLC和計算機之間的通信。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)。</p><p>　?。?）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。</p><p>　　2.3 S7-200 系列可編程控制器

38、</p><p>　　德國的西門子（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1975年投放市場的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世紀末又推出了S7系列產(chǎn)品。</p><p>　　2.3.1 S7-20

39、0 PLC系統(tǒng)組成 </p><p><b>　　1． CPU模塊 </b></p><p>　　從CPU模塊的功能來看，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：</p><p>　　第一代產(chǎn)品其CPU模塊為CPU 21X，主機都可進行擴展，它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元：CPU 212，CPU 214，C

40、PU 215和CPU 216。</p><p>　　第二代產(chǎn)品其CPU模塊為CPU 22X，是在21世紀初投放市場的，速度快，具有較強的通信能力。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，其他都可加擴展模塊。</p><p>　　2． 輸入輸出擴展模塊 </p><p><b>

41、;　　設(shè)備連接 </b></p><p>　　圖2-3 I/O擴展示意圖</p><p>　　（2） 最大I/O配置的預(yù)算 </p><p>　　在進行I/O擴展時,各擴展模塊在5VDC下所消耗的電流應(yīng)不大于CPU主機模板在5VDC下所能提供的最大擴展電流. </p><p>　　各CPU在5VDC下所能提供的最大擴展電流如表2

42、-4所示。</p><p>　　表2-1 CPU提供的最大擴展電流</p><p>　　2.3.2 S7-200系列PLC元件功能</p><p><b>　　1. 數(shù)據(jù)類型 </b></p><p>　　數(shù)據(jù)類型S7-200系列PLC的數(shù)據(jù)類型可以是字符串、布爾型（0或1）、整數(shù)型和實數(shù)型（浮點數(shù)）。布爾型數(shù)據(jù)指字

43、節(jié)型無符號整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括16位符號整數(shù)（INT）和32位符號整數(shù)（DINT）。</p><p><b>　　2. 編程元件 </b></p><p>　?。?） 輸入映像寄存器I（輸入繼電器） </p><p>　　輸入映像寄存器的工作原理：輸入繼電器是PLC用來接收用戶設(shè)備輸入信號的接口。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

44、的差別，是軟繼電器，它實質(zhì)是存儲單元 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IB0～IB15共16個字節(jié)的存儲單元。系統(tǒng)對輸入映像寄存器是以字節(jié)（8位）為單位進行地址分配的。 </p><p>　　（2） 變量存儲器V </p><p>　　變量存儲器主要用于存儲變量。可以存放數(shù)據(jù)運算的中間運算結(jié)果或設(shè)置參數(shù)，在進行數(shù)據(jù)處理時，變量存儲器會被經(jīng)常使用。變量存儲器可以是位

45、尋址，也可按字節(jié)、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號范圍根據(jù)CPU的型號有所不同，CPU221/222為V0.0～V2047.7共2KB存儲容量，CPU224/226為V0.0～V5119.7共5KB存儲容量 </p><p>　?。?） 內(nèi)部標志位存儲器（中間繼電器）M </p><p>　　內(nèi)部標志位存儲器，用來保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)，其作用相當于繼電器控制中的中間繼電器，內(nèi)部標

46、志位存儲器在PLC中沒有輸入/輸出端與之對應(yīng)，其線圈的通斷狀態(tài)只能在程序內(nèi)部用指令驅(qū)動，其觸點不能直接驅(qū)動外部負載，只能在程序內(nèi)部驅(qū)動輸出繼電器的線圈，再用輸出繼電器的觸點去驅(qū)動外部負載。 </p><p>　?。?） 特殊標志位存儲器SM </p><p>　　PLC中還有若干特殊標志位存儲器, 特殊標志位存儲器位提供大量的狀態(tài)和控制功能，用來在CPU和用戶程序之間交換信息，特殊標志位存

47、儲器能以位、字節(jié)、字或雙字來存取。</p><p><b>　?。?） 定時器T </b></p><p>　　PLC所提供的定時器作用相當于繼電器控制系統(tǒng)中的時間繼電器。每個定時器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點供編程使用。其設(shè)定時間由程序設(shè)置。 </p><p><b>　?。?） 計數(shù)器C</b></p>&

48、lt;p>　　計數(shù)器用于累計計數(shù)輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個數(shù)。計數(shù)器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點供編程使用，其設(shè)定值由程序賦予。</p><p>　　（7） 累加器AC </p><p>　　累加器是用來暫存數(shù)據(jù)的寄存器，它可以用來存放運算數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果。CPU提供了4個 32位的累加器，其地址編號為AC0～AC3。累加器的可用長度為32位，可采用字節(jié)、字、雙字的存取方式

49、，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。</p><p>　　2.4 PID控制器簡介</p><p>　　基于偏差的比例(Proportlonal)、積分(Integral)和微分(Derivative)的控制器簡稱為PID控制器，它是工業(yè)過程控制中最常見的一種過程控制器。由于PID控制器算法簡單、魯棒性強，因而被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機械、熱工

50、和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。</p><p>　　盡管工業(yè)自動化飛速發(fā)展，但是PID控制技術(shù)仍然是工業(yè)過程控制的基礎(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，則占到了90%以上，而文獻指出，工業(yè)過程控制中，95%以上的

51、回路具有PID結(jié)構(gòu)。因此，可以毫不夸張地說，隨著工業(yè)現(xiàn)代化和其他各種先進控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制技術(shù)仍然不過時，并且它還占著主導(dǎo)地位。同時，由于工業(yè)過程對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控制器進行調(diào)節(jié)時，又往往難以得到最佳的控制效果。</p><p>　　2.4.1 PID控制器的結(jié)構(gòu)及原理</p><p>　　PID控制器是一種基于偏差“過去、現(xiàn)在和未來”

52、信息估計的有效而簡單的控制算法。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖如圖2-4示。整個系統(tǒng)主要由PID控制器和</p><p>　　圖2-4 PID控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　被控對象組成。作為一種線性控制器，PID控制器根據(jù)給定值SV和實際輸出值PV構(gòu)成控制偏差：</p><p>　　即e(t)=r(t)-y(t) (2-1)</

53、p><p>　　然后對偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。由圖2-5得到PID控制器的理想算法為</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　或者寫成常見傳遞函數(shù)的形式為：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><

54、;p>　　其中，Ti、Td分別為PID控制器的比例增益、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。式(2-2)和式(2-3)是我們在各種文獻中最經(jīng)常看到的PID控制器的兩種表達形式。各種控制作用(即比例作用、積分作用和微分作用)的實現(xiàn)在表達式中表述的很清楚，相應(yīng)的控制器參數(shù)包括比例增益凡、積分時間常數(shù)Ti和微分時間常數(shù)路。這三個參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到PID控制系統(tǒng)的控制效果好壞。</p><p>　　2.4.2 數(shù)字式

55、PID控制</p><p>　　在供水系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了具有PID調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實現(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:理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握

56、。PID控制器是一種線性控制器，它是對給定值r(t)和實際輸出值y(t)之間的偏差e(t):</p><p>　　e(t)=y(t)一r(t) (2-4)</p><p>　　經(jīng)比例(P)、積分(I)和微分(D)運算后通過線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-5所示，圖中u(t)為PI

57、D調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。</p><p>　　圖2-5 PID控制原理圖</p><p>　　PID控制器規(guī)律為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中：為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。</p><p>　　相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式：</p>

58、<p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下:</p><p>　　l)比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，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)對當前變化的一種反映。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)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不

59、穩(wěn)定。</p><p>　　2)積分環(huán)節(jié):表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關(guān)，即與偏差對時間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)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，易引起系統(tǒng)振蕩。</p><p>　　3)微分環(huán)節(jié):對偏差信號的變化趨勢(變化

60、速率)做出反應(yīng)，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(diào)節(jié)時間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。但過大的偏差信號對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。PID的三種作用是相互獨立，互不影響。改變一個調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會影響其他的調(diào)節(jié)作用。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用

61、作適當?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準確的運行，從而獲得滿意的控制效果。自從計算機進入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機代替模擬調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字PID控制算法是通過對式（2-6）離散化來實現(xiàn)的。用一系列的采樣時刻點nT代表連續(xù)時間，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位置控制算法表達式:</p><p><b>　　（

62、2-7）</b></p><p>　　式中:T為采樣周期;n為采樣序號;e(n)為第n時刻的偏差信號;e(n-l)為第n-1時刻的偏差信號。PID位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計算本次與上次的偏差信號e(n)和e(n-l)，而且還要把歷次的偏差信號e(j)相加，計算繁鎖，占用內(nèi)存大;另一方面計算機輸出的控制量u(n)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，u(n)可能出現(xiàn)大幅度變

63、化，引起執(zhí)行機構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。為此實際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達式為（2-8）:</p><p><b>　　（2-8）</b></p><p>　　式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量：</p><p>　　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)，所以誤動作時影響較小，必要時可以通過邏輯

64、判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。</p><p>　　2.4.3 數(shù)字式PID控制的實現(xiàn)</p><p>　　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)過程控制中得到了普遍的應(yīng)用。過去的PID控制器通過硬件模擬實現(xiàn)，但隨著微型計算機的出現(xiàn)，特別是現(xiàn)代嵌入式微處理器的大量應(yīng)用，原先PID控制器中由硬件實現(xiàn)的功能都可以用軟件來代替實現(xiàn)，從而形成了數(shù)

65、值PID算法，實現(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。</p><p>　　應(yīng)用中，位置式PID控制器和增量式PID控制器的算法實現(xiàn)分別如圖2-6和圖2-7所示。</p><p>　　圖2-6位置式PID算法實現(xiàn) 圖2-7 增量式PID 算法實現(xiàn)</p>

66、<p>　　第3章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計</p><p>　　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)軟件來實現(xiàn)水塔水位的控制，提供了一種實用的水塔水位控制方案。隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，對城市供水提出了更高的要求，有一個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

67、才能使水塔不斷水。</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　在系統(tǒng)中，只使用比例和積分控制，其回路增益和時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定，但還需要進一步調(diào)整達到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動時，關(guān)閉出水口，用于動控制輸入控制液體閥，使水位達到滿水位的75%，然后打開出水口，同時輸入控制液體閥從手動方式切換到自動方式。這種切換由一個輸入的數(shù)字量控制。</p>

68、<p>　　3.1.1 設(shè)計分析 </p><p>　　如圖3-1，“水塔水位自動控制系統(tǒng)”的控制對象為水泵，容器為水塔或儲液罐。水位高度正常情況下控制在C、D之間，如圖3-1。當水位在低于C點時，水泵開始進水，如圖3-1。當水位高于D點時，水泵停止進水，如圖3-1。當水位低于C點

69、并到達B點時就報警，采取手動啟動水泵，如圖3-1。當水位超過D點并到達E點時上限報警，采取強制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖3-1。</p><p>　　圖3-1設(shè)計分析示意圖</p><p>　　3.1.2 可行性試驗</p><p>　　圖3-2為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報警確認燈、水位指示燈以及報警確認開關(guān)組成。接通電源時，電源指示燈亮，

70、當水塔中水深處于不同位置時，水位指示燈B、C、D、E情況不同。</p><p>　　圖3-2水塔水位控制器外觀圖</p><p>　　①當水位處于B點之下，指示燈B、C、D、E全亮，報警電路開始報警，即下限報警。 </p><p>　?、诋斔惶幱贐、C之間，指示燈B滅，C、D、E亮，水泵開始進水。　 ③當水位處于C、D之間，指示燈B、C滅，C、D亮，保持狀態(tài)，

71、即保持進水?！?④當水位處于D、E之間，指示燈B、C、D滅，E亮，停進狀態(tài)，即水泵不工作?！?⑤當水位處于E點之上，指示燈B、C、D、E全滅，水泵不工作，報警電路開始溢出報警，即上限報警。</p><p>　　⑥報警電路可以手動關(guān)閉，只要按下報警確認開關(guān)，就可以解除報警的蜂鳴聲。此時，報警確認燈亮起。處理完故障時，必須關(guān)閉報警確認燈，報警確認電路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測故障的功能。</p><

72、p>　　3.1.3 可行性分析</p><p>　　此方案采用純硬件電路設(shè)計，避免了軟件程序設(shè)計中的不穩(wěn)定因素，提高了實際運用中的可靠性。同時，對于不同類型的液體，此系統(tǒng)均有良好的兼容性。當水塔中液體改變時，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調(diào)節(jié)到一個數(shù)量級上就可以很方便的實現(xiàn)此液體的水位控制操作。試驗證明，此水塔水位控制器不僅實現(xiàn)了對水塔水位的精確控制，而且，此系統(tǒng)更具有工業(yè)生產(chǎn)的實際性。</p

73、><p>　　3.2 水位閉環(huán)控制系統(tǒng)</p><p>　　圖3-3 供水系統(tǒng)控制原理圖</p><p>　　M1、M2—水泵 Y0-Y3—液位開關(guān) F1—手閥 F2—電磁閥 </p><p>　　為了精確的實現(xiàn)對水位的控制，必須建立閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)水塔中的進、出水的水位可以自動控制水泵，使水位處于動態(tài)的平衡狀態(tài)。 供水系統(tǒng)的

74、基本原理如圖3-3所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過在水塔中的三個液壓變送器，將水位值變換為4～20 mA電流信號進入PLC，把該信號和PLC中的設(shè)定值的程序進行比較，并執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對水塔中的水位進行自動控制。當PLC出現(xiàn)故障時，還有一套手動控制來進行對水塔水位控制。手動控制采用交流接觸器。 </p><p>　　上水箱液位低于Y3時，M1、M2同時工作，F(xiàn)2打開。液位上升至Y2時，M2停止，F(xiàn)2關(guān)閉

75、，M1繼續(xù)工作。液位上升至Y1時，M1也停止。打開F1手閥使上水箱放水，液位下降。當液位又低于Y1時M1起動工作，如F1開度較大下水量大于上水量，使液位繼續(xù)下降至Y2時，M2啟動工作同時F2打開，使上水量大幅上升，保持液位。Y0為下水箱缺水報警開關(guān)下水箱液位低于Y0時意味著水泵進水口缺水，此時應(yīng)自動切斷電源并報警。</p><p>　　圖3-4 水位閉環(huán)控制圖</p><p>　　3.2

76、.1 PLC的選擇</p><p>　　由于該系統(tǒng)為中型PLC自動控制系統(tǒng)，要求PLC能夠提供可編程邏輯分析和PID功能，故選用中達公司生產(chǎn)的臺達DVP14ES00R可編程邏輯控制器。臺達DVP14ES00R具有標準的輸入、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。</p><p>

77、;　　在選擇PLC機型時，主要考慮下面幾點：</p><p>　　1、功能的選擇。 對于小型的PLC主要考慮I/O擴展模塊、A/D與D/A模塊以及指令功能（如中斷、PID等）。</p><p>　　2、I/O點數(shù)的確定。 統(tǒng)計被控制系統(tǒng)的開關(guān)量、模擬量的I/O點數(shù)，并考慮以后的擴充（一般加上10%～20%的備用量），從而選擇PLC的I/O點數(shù)和輸出規(guī)格。</p><p&

78、gt;　　3、內(nèi)存的估算。 用戶程序所需的內(nèi)存容量主要與系統(tǒng)的I/O點數(shù)、控制要求、程序結(jié)構(gòu)長短等因素有關(guān)。一般可按下式估算：存儲容量=開關(guān)量輸入點數(shù)×10+開關(guān)量輸出點數(shù)×8+模擬通道數(shù)×100+定時器/計數(shù)器數(shù)量×2+通信接口個數(shù)×300+備用量。</p><p>　　3.2.2 供水的控制方法</p><p>　　圖3-5 給水泵

79、控制原理圖</p><p>　　系統(tǒng)的給水泵控制原理如圖3-5所示。從整個流程中可以看到兩套控制方式：①由一臺可編程序控制器來控制兩臺水泵的自動運行。②由交流接觸器來控制兩臺水泵的手動運行。當換項開關(guān)KKl打到手動時，按下起動按鈕SBl，1#泵起動運行向水塔注水，由于設(shè)置了順序開啟和逆序關(guān)閉，在1#泵沒有開起的情況下，2#泵不能起動運行，而在兩個水泵同時運行時，2#泵在沒有停止的情況下，1#泵不能夠停止。現(xiàn)在1#

80、泵運行的時候，按下起動按鈕SB2，2#泵起動運行向水塔注水。此時，控制臺上的水位燈，由水塔中的液位變送器將水位變換為4～20mA電流信號輸入到PLC中，經(jīng)IDPG將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該信號與水位給定值進行比較，由PLC輸出一個控制信號經(jīng)ODPG轉(zhuǎn)換控制信號點亮此時水塔水位所在的水位燈。當換項開關(guān)KK1打到自動時，系統(tǒng)將根據(jù)水塔中水位的情況，通過在水塔中的液位變送器送出的4～20 mA電流信號由PLC接受并對其于給定值進行比較，執(zhí)行事先編

81、譯好的程序。程序流程是：在水塔中無水時，1#、2#泵同時開起，對水塔進行注水；水位到達低水位時，控制臺上的低水位燈點亮；水位到達中水位時，2#泵停止，1#泵繼續(xù)運行，中水位燈點</p><p>　　系統(tǒng)各種功能的實現(xiàn)：1．水位顯示及報警功能 為了及時觀測到水塔中的水位，特別在控制臺上安裝了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，由PLC輸出信號開啟這4盞水位燈來顯示當前水塔水位的情

82、況。其中一盞燈是報警燈，在下水箱缺水的時候進行報警，提醒工作人員前來處理。2．手動/自動功能 為了系統(tǒng)能正常運行，設(shè)置兩套手動/自動運行方式。手動方式是利用繼電器-接觸器控制，可以在環(huán)境比較惡劣的條件下繼續(xù)工作，自動方式是利用PLC來控制。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，對水塔的水位進行實時監(jiān)控，通過實際的數(shù)字和圖表反映出現(xiàn)在的水位狀況。</p><p>　　第4章 PLC

83、中PID控制器的實現(xiàn)</p><p>　　4.1 PID算法</p><p>　　PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工業(yè)控制常用的控制算法，無論在溫度、流量等慢變化過程，還是速度、位置等快速變化的過程，都可以得到很好的控制效果。PID控制算法一般由【比例項+積分項+微分項】組成。積分項的作用是消除系統(tǒng)靜差，而微分項則改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。</

84、p><p>　　PLC技術(shù)不斷增強，運行速度不斷提高;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是常見閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成。</p><p>　　4-1 閉環(huán)控制系統(tǒng)</p><p>　　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)與實際輸出c(t)經(jīng)過測量裝置裝置轉(zhuǎn)換后的反饋量Pv(t)之間的差值e(t

85、)作為控制量，來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。</p><p>　　在實際閉環(huán)控制系統(tǒng)中，誤差e(t)一個很小的變化量。因此，為了對系統(tǒng)進行更精確的控制，消除系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)的輸出誤差，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，需要對誤差進行放大(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)行機構(gòu)，保證系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能。</p><p>　　在自動控制系統(tǒng)中，用來對誤差進行放大、積

86、分、微分等處理的裝置稱為“調(diào)節(jié)器”，當調(diào)節(jié)器具有“放大”、“積分”、“微分”功能時，即成為PID調(diào)節(jié)器。</p><p>　　在變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用實踐中，經(jīng)常采用PID控制器、軟件PID以及變頻器內(nèi)置PID來實現(xiàn)系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)功能，三種方法各具優(yōu)缺點，本設(shè)計選用PID算法的PLC實現(xiàn)方法。</p><p>　　4.2 PID應(yīng)用</p><p&

87、gt;　　在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要用閉環(huán)控制方式來控制溫度、液位、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。無論是使用模擬控制器的模擬控制系統(tǒng)，還是使用計算機（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)域的常青樹是不無道理的。</p><p>　　PID控制器是比例-積分-微分控制(Proportional-Integral-Derivati

88、ve)的簡稱,之所以得到廣泛應(yīng)用是因為它具有如下優(yōu)點：</p><p>　?。?）不需要精確地控制系統(tǒng)數(shù)字模型。由于非線性和時變性很多工業(yè)控制對象難以得到其準確的數(shù)字模型，因此不能使用控制理論中的設(shè)計方法。對于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。</p><p>　?。?）有較強的靈活性和適應(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)動態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分、微分控

89、制三者有效地結(jié)合就可以滿足不同的控制要求。根據(jù)被控制對象的具體情況，還可以采用各種PID控制的變種和改進的控制方式，如PI、PD、帶死區(qū)的PID、積分分離PID、變速積分PID等。</p><p>　?。?）PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序簡單，工程上易于實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。</p><p>　　在PLC控制系統(tǒng)中，經(jīng)常采用模擬量輸入/輸出模塊實現(xiàn)模擬量的數(shù)字化處理，本系統(tǒng)選擇S7-20O系列

90、EM235模擬量模塊，對管網(wǎng)壓力信號進行采樣，并通過變頻器調(diào)整液壓閥輸入與輸出。</p><p>　　4.3 PLC實現(xiàn)PID控制的方式</p><p>　　用PLC對模擬量進行PID控制時，可以采用以下幾種方法：</p><p>　　使用PID過程控制模塊</p><p>　　這種模塊的PID控制程序是PLC生產(chǎn)廠家設(shè)計的，并存放在模塊中

91、，用戶在使用時只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路，但是這種模塊的價格較高，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。</p><p><b>　　使用PID功能指令</b></p><p>　　現(xiàn)在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。它們實際上是用于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

92、似于是用PID過程控制模塊的效果，但是價格便宜得多。</p><p>　　(3) 用自編的程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制</p><p>　　有的PLC沒有PID過程控制模塊和PID控制用的功能指令，有時雖然可以使用PID控制指令，但希望采用某種改進的PID控制算法。在上述情況下都需要用戶編制PID控制程序。</p><p>　　4.4 PLC中 PID控制器的實現(xiàn)<

93、;/p><p>　　PLC的PID控制器的設(shè)計是以連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化，寫成離散形勢的PID控制方程，再根據(jù)離散方程進行控制程序設(shè)計。如圖4-2水位PID控制實現(xiàn)方式。</p><p>　　圖4-2 水位PID控制實現(xiàn)方式</p><p>　　在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖4-2所示。圖中為給定值，為反饋量，c(t)為系統(tǒng)的輸入量，P

94、ID控制器的輸入輸出關(guān)系式為：</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　式中， — 控制器的輸出，為輸出的初始值，</p><p><b>　　= — 誤差信號，</b></p><p><b>　　— 比例系數(shù)，</b></p>&l

95、t;p><b>　　— 積分時間常數(shù)，</b></p><p><b>　　— 微分時間常數(shù)。</b></p><p>　　圖4-3 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　上式中等號右邊前3項分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、誤差積分和微分成正比。如果取其中一項或兩項，可以組成P、PD或PI控制器。

96、</p><p>　　假設(shè)采樣周期為，系統(tǒng)開始運行的時刻為t=0，用矩形積分來近似精確積分，用差分近似精確微分，將上式離散化，第n次采樣時控制器的輸出為：</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　式中， — 第n-1次采樣誤差值，</p><p><b>　　— 積分系數(shù)，</

97、b></p><p><b>　　— 微分系數(shù)。</b></p><p>　　在S7-200PLC中，實際使用的PID算法為：</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　第n次采

98、樣的調(diào)節(jié)器輸出</p><p>　　比例項 (4-4)</p><p>　　積分項 (4-5)</p><p>　　微分項 (4-6)</p><p>　　基于PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖4-4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次采樣的數(shù)字量

99、。</p><p>　　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型。例如，可能只要求比例控制或積分控制，通過設(shè)置參數(shù)可對回路控制類型進行選擇。</p><p>　　圖4-4 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)方框</p><p>　　本系統(tǒng)只適用比例和積分控制，其回路增益和時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定，但還需要近一步調(diào)整已達到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動時，關(guān)

100、閉出水口。用手動控制液體閥，使水位達到滿水位的75%，然后打開出水口，同時輸入控制液體閥從手動方式切換到自動方式。這種切換有一個輸入的數(shù)字量控制。</p><p>　　4.5 PID指令及回路表</p><p>　　S7-200的PID指令圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-5 PID指令圖</p><p>　　指令中TBL是回

101、路表的起始地址，LOOP是回路編號。編譯時如果指令指定的回路表起始地址或回路號超出范圍，CUP將產(chǎn)生編譯錯誤（范圍錯誤），引起編譯失敗。PID指令對回路表中的某些輸入值不進行范圍檢查，應(yīng)保證過程變量、給定值等不超限?；芈繁硪姳?-1.</p><p>　　過程變量與給定值是PID運算的輸入值，在回路表中它們只能被PID指令讀取而不能改寫。每次完成PID運算后，都要更新回路表內(nèi)的輸出值，它被限制在0.0～1.0之間

102、。</p><p>　　表4-1 PID指令的回路表</p><p>　　如果PID指令中的算術(shù)運算發(fā)生錯誤，特殊存儲器位SM1.1（溢出或非法數(shù)值）被置1，并將終止PID指令的執(zhí)行。要想消除這種錯誤，在下一次執(zhí)行PID運算之前，應(yīng)改變引起運算錯誤的輸入值，而不是更新輸出值。</p><p>　　第5章　系統(tǒng)硬件開發(fā)設(shè)計</p><p>　

103、　5.1 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　水位自動控制系統(tǒng)由PLC（核心控制部件）、PLC擴展模塊、高低位的水位檢測電路（液位傳感器）、輸入控制液壓閥、輸出控制液壓閥等部分組成。如圖5-1水塔水位PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖5-1水塔水位PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　5.2 可編程控制器的選型</p><p&

104、gt;　　可編程控制器產(chǎn)品眾多，不同廠家、不同系列、不同型號的PLC，功能和結(jié)構(gòu)均有所不同，但工作原理和組成基本相同。本設(shè)計選用西門子公司的S7-200 PLC系列，其具結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，有極高的性價比，適用于小型控制系統(tǒng)。它采用超高電容保護內(nèi)存數(shù)據(jù)，省去了鋰電池，系統(tǒng)雖小卻可以處理模擬量（12 點模擬輸入/4點模擬輸出）。S7-200最多有4個中斷控制的輸入，輸入響應(yīng)時間小于0.2ms，每條二進制指令的處理時間僅為0.8μs，S7-

105、200還有日期時間中斷功能。還可 提供兩個獨立4KHZ 的脈沖輸出，通過驅(qū)動單元可以實現(xiàn)步進電機的位置控制。點對點接口（PPI）可以連接編程設(shè)備、操作員界面和具有串行接口的設(shè)備，用戶程序有三級口令保護。較強的功能使其無論在獨立運動中，還是連成網(wǎng)絡(luò)皆能完成各種控制任務(wù)。它的使用范圍可以覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動控制。其應(yīng)用領(lǐng)域包括各種機床、紡織機械、印刷機械、食品化工工業(yè)、環(huán)保、電梯等。S7-200系列有CUP21X和CPU

106、22X兩代產(chǎn)品。其中CPU22X型PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種基本型號。本設(shè)計選用CPU22</p><p>　　CPU226主機共有24個輸入點和16個輸出點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O或35路模擬I/O點。13KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間。CPU226輸入電路采用了雙向光電耦合器，DC24V極性可任意選擇，系統(tǒng)設(shè)置1M為I0B輸入端子的公共端，2M為I1

107、B輸入端子的公共端。在晶體管輸出電路中采用了MOSFET功率驅(qū)動器件，并將數(shù)字量輸出分為兩組，每組有一個獨立公共端，共有1L、2L兩個公共端，可接入不同的負載電源。CPU226可用于較高要求的控制系統(tǒng)，更多的I/O點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能使其完全適應(yīng)于復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。圖5-2為CPU226外部電路連接圖。</p><p>　　圖5-2 CPU226外部電路連接圖&

108、lt;/p><p>　　5.3 EM235模擬量模塊</p><p>　　圖5-3 EM235模塊模擬量I/O連線示意圖</p><p>　　如圖5-3所示為模擬量I/O組合模塊EM235（4路模擬量輸入、1路模擬量輸出）I/O連接示意圖。24V DC電源正極接入模塊左下方L+端子，負極接入M端子。EM235模塊的上部端子排為標注A、B、C、D的四路模擬量輸入接口，

109、可分別接入標準電壓、電流信號。為電壓輸入時，如A口所示，電壓正極接入A+端，負極接入A-端，RA端懸空。為電流輸入時，如B口所示須將RB與B+短接。然后與電流信號輸出端相連，電流信號輸入端則接入B-接口。若4個接口未能全部使用，如C口所示，未用的接口要將C+與C-端用短路子短接，以免收到外部干擾。下部端子為一路模擬量輸出的3個接線端子MO、VO、IO，其中MO為數(shù)字接地接口，VO為電壓輸出接口，IO為電流輸出接口。若為電壓負載，則將負載