畢業(yè)論文---plc控制的水箱液位控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　畢業(yè)論文、實(shí)習(xí)報告</b></p><p>　　題 目：PLC控制的水箱液位控制系統(tǒng)</p><p>　　系 部： </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　姓 名

2、 </p><p>　　班 級： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　教師單位：安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院</p><p>　　題目類型： 畢業(yè)論文

3、 實(shí)習(xí)報告 </p><p>　　2011年 月 日</p><p>　　PLC控制的水箱液位控制系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題, 例如居民生活用水的供應(yīng), 飲料、食品加工, 溶液過濾, 化工生產(chǎn)等

4、多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要維持合適的高度, 既不能太滿溢出造成浪費(fèi), 也不能過少而無法滿足需求。由于液體本身的屬性及控制機(jī)構(gòu)的摩擦、噪聲等的影響，控制對具有一定的純滯后和容量滯后的特點(diǎn)，液位上升的過程緩慢，呈非線性。因此液位控制裝置的可靠性與控制方案的準(zhǔn)確性是影響整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，因此液面高度是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)，特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進(jìn)行檢測、控制，能收到很好的效

5、果?？删幊炭刂破鳎≒LC）是計算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的，主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。 PID控制（比例、積分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。</p><p>　　本文主要是對一水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，涉及到液位的動態(tài)控制、控制系統(tǒng)的建模、PLC控制、PID算法、傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列的知識。作為單容水箱液位的控制系統(tǒng)，其模型為一階慣性函數(shù)，控制方式采用了PID算法，控制核心為S

6、7-200系列的CPU222以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊，傳感器為擴(kuò)散硅式壓力傳感器，調(diào)節(jié)閥為電動調(diào)節(jié)閥。選用以上的器件設(shè)備、控制方案和算法等，是為了能最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞 PLC,PID,液位控制</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　PLC

7、控制的水箱液位控制系統(tǒng)I</p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　第一章 緒論- 1 -</p><p>　　第二章 設(shè)計任務(wù)與要求- 2 -</p><p>　　2.1基本任務(wù)- 2 -</p><p>　　2.2 基本要求- 2 -</p>

8、<p>　　2.3給定條件- 2 -</p><p>　　2.4 主要性能指標(biāo)- 2 -</p><p>　　2.5擴(kuò)展功能- 3 -</p><p>　　第三章 總體論證- 3 -</p><p>　　3.1 總體方案的選擇- 3 -</p><p>　　3.1.1 控制方法選擇- 3 -<

9、;/p><p>　　3.1.2 系統(tǒng)組成- 4 -</p><p>　　3.2 確定系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)- 4 -</p><p>　　第四章 系統(tǒng)設(shè)計- 5 -</p><p>　　4.1 建模過程- 5 -</p><p>　　4.２ 模型參數(shù)的確定- 6 -</p><p>　　4.３

10、 軟、硬件功能劃分- 6 -</p><p>　　4.４ 系統(tǒng)功能劃分、指標(biāo)分配和框圖構(gòu)成- 7 -</p><p>　　4.4.1 PLC系統(tǒng)- 7 -</p><p>　　4.4.2 前向通道- 7 -</p><p>　　4.4.3 后向通道- 8 -</p><p>　　第五章 系統(tǒng)開發(fā)- 8

11、 -</p><p>　　5.1 硬件開發(fā)——系統(tǒng)配置- 8 -</p><p>　　5.1.1 PLC系統(tǒng)——CPU、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊- 8 -</p><p>　　5.1.2 前向通道——傳感器- 8 -</p><p>　　5.2 PID操作指令- 9 -</p><p>　　5.2.1 P

12、ID算法- 9 -</p><p>　　5.2.2 回路輸入、輸出轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化- 11 -</p><p>　　5.2.3 控制方式- 11 -</p><p>　　5.2.4 ID的編程步驟- 12 -</p><p>　　5.3 軟件開發(fā)- 12 -</p><p>　　5.3.1 確定輸入/輸出關(guān)系，

13、建立數(shù)學(xué)模型，尋找合適算法- 12 -</p><p>　　5.3.2 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定- 13 -</p><p>　　5.3.3 程序流程圖- 14 -</p><p>　　5.3.4 程序- 14 -</p><p>　　第六章 連機(jī)調(diào)試- 17 -</p><p>　　第七章 注意事項(xiàng)- 18 -&l

14、t;/p><p>　　7.1 安全注意事項(xiàng)- 18 -</p><p>　　7.1.1防止觸電- 18 -</p><p>　　7.1.2防止?fàn)C傷- 18 -</p><p>　　7.1.3防止損壞- 18 -</p><p>　　總 結(jié)- 19 -</p><p>　　致 謝- 2

15、0 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 21 -</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　可編程控制器（簡稱PLC或PC）是一種新型的具有極高可靠性的通用工業(yè)自動化控制裝置，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它以微處理器為核心，有機(jī)地將微型計算機(jī)技術(shù)、自動化控制技術(shù)及通信技術(shù)容為一體，主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制

16、，隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍。它具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今及今后工業(yè)控制的主要手段和重要的自動化控制設(shè)備。德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用。西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200

17、），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。</p><p>　　液面高度是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)，特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進(jìn)行檢測、控制，能收到很好的效果。液位控制是工業(yè)生產(chǎn)中典型的過程控制問題，對液位準(zhǔn)確的測量和有效的控制是一些設(shè)備優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要指標(biāo)。由于它便于直接觀察、容易測量、獲取方便、過程時間常數(shù)一般比較小、價格低廉

18、等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量。</p><p>　　在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，PID控制的使用率仍達(dá)90%，可見PID控制在工業(yè)過程控制中占有異常重要的地位。PID控制技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，從模擬PID控制發(fā)展到數(shù)字PID控制，技術(shù)不斷完善與成熟。尤其近十多年來，隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對智能控制的理論研究和應(yīng)用研究十分活躍，智能控制技

19、術(shù)發(fā)展迅速，如專家控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等，現(xiàn)己成為工業(yè)過程控制的重要組成部分。</p><p>　　由于液體本身的屬性及控制機(jī)構(gòu)的摩擦、噪聲等的影響，控制對具有一定的純滯后和容量滯后的特點(diǎn)，液位上升的過程緩慢，呈非線性。因此液位控制裝置的可靠性與控制方案的準(zhǔn)確性是影響整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。本課題針對液位控制設(shè)計了一個由壓力傳感器、PLC、電動調(diào)節(jié)閥等組成的系統(tǒng)，并采用了增量式PID算法對其控制。</p&

20、gt;<p>　　第二章 設(shè)計任務(wù)與要求</p><p><b>　　2.1基本任務(wù)</b></p><p>　　對單容水箱液位/壓力控制系統(tǒng)。這是一個單回路反饋控制系統(tǒng),控制的任務(wù)是使水箱的液位/壓力等于給定值,減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動的影響。用液位/壓力參數(shù)為被控對象。交流電動機(jī)帶動齒輪泵通過閥1向上水箱供水,調(diào)節(jié)閥2使之同時向外排水,令入水

21、的速度大于出水的速度,達(dá)到被控參數(shù)(液位/壓力)的動態(tài)調(diào)整。</p><p><b>　　2.2 基本要求</b></p><p>　　對單容水箱，用西門子S7-200為控制核心，輔助以單片機(jī)系統(tǒng)配套的A/D、D/A轉(zhuǎn)換單元及電路,通過執(zhí)行數(shù)字PID程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的自動調(diào)整(設(shè)定值在單片機(jī)鍵盤上完成),使水箱的實(shí)際液位/壓力值與設(shè)定值接近,最終穩(wěn)定于設(shè)定值。組成單閉環(huán)水

22、位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，,要求水位可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，且各種測量、控制參數(shù)可在人機(jī)界面上顯示、設(shè)定。</p><p><b>　　2.3給定條件</b></p><p>　　控制對象：單容水箱為核心的水循環(huán)系統(tǒng)</p><p>　　檢測元件：壓力式液位傳感器</p><p>　　執(zhí)行元件：電動調(diào)節(jié)閥</p>&

23、lt;p>　　2.4 主要性能指標(biāo)</p><p>　　液位控制范圍：0-30cm</p><p><b>　　最小區(qū)分度：1cm</b></p><p>　　控制精度：液位控制的靜態(tài)誤差≤1cm</p><p><b>　　2.5擴(kuò)展功能</b></p><p>　　

24、通訊端口采用的是RS-485總線，允許將S7-200 CPU同編程器或其它一些設(shè)備連接起來。</p><p>　　通過擴(kuò)展模塊可增加CPU的I/O點(diǎn)數(shù)，也可提供其它通訊功能。</p><p><b>　　人機(jī)界面——觸摸屏</b></p><p><b>　　第三章 總體論證</b></p><p>

25、;　　3.1 總體方案的選擇</p><p>　　單容水箱的液位控制系統(tǒng)是一階慣性系統(tǒng)，原因是此系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：，此模型為一階傳遞函數(shù)。</p><p>　　3.1.1 控制方法選擇</p><p>　　單容水箱液位控制系統(tǒng)可歸屬于一階慣性環(huán)節(jié)，一般來說，對一階慣性環(huán)節(jié)的過渡過程控制。</p><p>　　PID控制適用與負(fù)荷變化大、容量滯

26、后較大、控制品質(zhì)要求又較高的控制系統(tǒng)。另外，PID算法有兩種常見的實(shí)現(xiàn)形式：位置型PID算法和增量型PID算法，結(jié)合本系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求，以及以上對幾種控制方法的分析來看，增量式PID控制方法最適合本系統(tǒng)采用。</p><p>　　3.1.2 系統(tǒng)組成</p><p>　　以現(xiàn)代控制理論和PLC為基礎(chǔ)，采用數(shù)字控制、顯示、A/D與D/A轉(zhuǎn)換，配合執(zhí)行器與控制閥構(gòu)成的PLC控制系統(tǒng)，在過程控

27、制中得到越來越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　應(yīng)以PLC為核心組成一個專用PLC應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足檢測、控制應(yīng)用類型的功能要求。</p><p>　　3.2 確定系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)</p><p>　　可以進(jìn)行水位設(shè)定，并自動調(diào)節(jié)水位到給定水位值；</p><p>　　可以調(diào)整PID控制參數(shù)，以滿足不同控制對象與控制品質(zhì)的要求；</p&

28、gt;<p>　　可以實(shí)時顯示給定值與水位實(shí)測值。</p><p>　　系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如下：</p><p>　　液位控制范圍：0-30cm</p><p><b>　　最小區(qū)分度：1cm</b></p><p>　　控制精度：液位控制的靜態(tài)誤差≤1cm</p><p><b

29、>　　第四章 系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p><b>　　4.1 建模過程</b></p><p>　　系統(tǒng)示意圖如圖4-1所示：</p><p>　　其具體的建模過程為：被控過程的數(shù)學(xué)模型就是液位高度h與流入量Q1 之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，有：</p><p><b>　　

30、寫成增量形式： </b></p><p><b>　　……1</b></p><p>　　式中，、和分別為偏離某平衡狀態(tài)、 和的增量，A為水箱的橫截面積。</p><p>　　靜態(tài)時應(yīng)有，。發(fā)生變化，液位h也隨之變化，使水箱出口處靜壓力發(fā)生變化，因此也發(fā)生變化，與h的近似線性關(guān)系為： …

31、………2</p><p>　　式中，R2為閥門2的阻力系數(shù)，稱為液阻。將1、2兩式整理得：</p><p>　　經(jīng)拉氏變換，得單容液位過程傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　…………3</b></p><p>　　式中，為過程放大系數(shù)，；為過程的時間常數(shù)，；C為過程容量，。</p><p>

32、　　式3為一階傳遞函數(shù)，可知單容水箱液位控制系統(tǒng)為一階慣性系統(tǒng)。確定其放大系數(shù)和過程的時間常數(shù)便可以完整的把模型建好，以下便討論模型參數(shù)的確定過程。</p><p>　　4.２ 模型參數(shù)的確定</p><p>　　由公式3我們知道，放大系數(shù)和時間常數(shù)與液阻和過程容量有關(guān)，又根據(jù)公式2可知液阻R2可由 得出，而這些值可以由實(shí)驗(yàn)獲得，其具體過程如下：</p><p>　

33、　在不考慮容器擾動影響的情況下，管口流出處液體的速度為：</p><p>　　D為水箱底部出水口的直徑，其測量值為 0.007m，所以出水口的橫截面積S=0.00003848m2。 </p><p>　　在此實(shí)驗(yàn)中，由于出水閥開度保持不變，出水速度只與液位高度有關(guān)。因出水管的流量為，通過查閱數(shù)據(jù)，多次求平均可得液阻值為6370.207。</p><p>　　另外，

34、水箱底部截面積的實(shí)驗(yàn)測量值為 0.06605 m2，由此可求得過程放大系數(shù)K0=6370.207，過程的時間常數(shù)T0=420.7648。所以系統(tǒng)無時延模型為：</p><p>　　4.３ 軟、硬件功能劃分</p><p>　　為了簡化系統(tǒng)硬件、降低硬件成本、提高系統(tǒng)靈活性和可靠性，有關(guān)PID運(yùn)算、輸入信號濾波及大部分控制過程都可由軟件來完成，硬件的主要功能是液位信號的傳感、A/D轉(zhuǎn)換、D/

35、A轉(zhuǎn)換及輸出命令的執(zhí)行。</p><p>　　4.４ 系統(tǒng)功能劃分、指標(biāo)分配和框圖構(gòu)成</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)總體方案，系統(tǒng)由四個主要功能模塊組成，其總體框圖如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2　水位控制系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　4.4.1 PLC系統(tǒng)</p><p>　　PLC系統(tǒng)是整個控制

36、系統(tǒng)的核心，它完成整個系統(tǒng)信息處理及協(xié)調(diào)控制功能。由于系統(tǒng)對控制速度、精度及功能的要求無特別之處，因此可以選用目前廣泛使用的MCS-51系列的單片機(jī)以及西門子S7-200系列的PLC。所以本系統(tǒng)選用了西門子S7-200系列的PLC。PLC本身的CPU不帶有A/D、D/A轉(zhuǎn)化功能，而本系統(tǒng)有模擬輸入、輸出量，所以PLC系統(tǒng)中還要包括擴(kuò)展模塊：模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊。</p><p>　　4.4.2 前向通

37、道</p><p>　　前向通道是信息采集的通道，主要包括傳感器、信號放大等電路。由于液位變化是一個相對緩慢的過程，因此前向通道中沒有使用采樣保持電路。另外，信號的濾波可由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件，降低硬件成本。</p><p>　　4.4.3 后向通道</p><p>　　后向通道是實(shí)現(xiàn)信號輸出的通道，PLC系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號控制電動調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)動角度，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)水量

38、的控制，從而最終實(shí)現(xiàn)對液位的控制目的。</p><p><b>　　第五章 系統(tǒng)開發(fā)</b></p><p>　　5.1 硬件開發(fā)——系統(tǒng)配置</p><p>　　5.1.1 PLC系統(tǒng)——CPU、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊</p><p>　　PLC系統(tǒng)以西門子S7-200系列CPU222為系統(tǒng)的核心，外擴(kuò)EM 2

39、31作為A/D轉(zhuǎn)換模塊和EM 232作為D/A轉(zhuǎn)換模塊。</p><p>　　（1）CPU：因本系統(tǒng)只有1模擬量輸入——液位，1模擬量輸出——電動調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動的角度，而且要有擴(kuò)展能力，所以選用PLC的型號為：西門子S7-200系列的CPU 222 DC/DC/DC，即直流輸入、直流輸出、晶閘管輸出型。</p><p>　?。?）模擬量輸入模塊——EM 231</p><p

40、>　?。?） 模擬量輸出模塊－EM 232</p><p>　　5.1.2 前向通道——傳感器</p><p>　　液位經(jīng)壓力式液位傳感器和信號放大電路產(chǎn)生0-5V的模擬電壓信號送入A／D轉(zhuǎn)換器的輸入端。前向通道的設(shè)計主要是傳感器的選擇。本系統(tǒng)為液位控制系統(tǒng)，其目的是把水箱液體的高度控制在給定值，被控參數(shù)是高度h，而不同的高度會產(chǎn)生不同的液壓，所以液位控制系統(tǒng)選用壓力式液位傳感器，

41、我們這里選用了擴(kuò)散硅式壓力傳感器。</p><p>　　5.2 PID操作指令</p><p>　　S7-200 CPU提供PID回路指令（成比例、積分、微分循環(huán)），進(jìn)行PID計算。PID回路的操作取決于存儲在36字節(jié)回路表內(nèi)的9個參數(shù)。</p><p>　　5.2.1 PID算法 </p><p>　　PID控制器管理輸出數(shù)值，以便使偏差（

42、e）為零，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差是給定值SP和過程變量PV的差。PID控制原則以下列公式為基礎(chǔ)，其中將輸出M（t）表示成比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)：</p><p>　　式中，——PID運(yùn)算的輸出，是時間的函數(shù)；</p><p>　　——PID回路的比例系數(shù)；</p><p>　　——PID回路的積分系數(shù)；</p><p>　　——PID回

43、路的微分系數(shù)；</p><p>　　——PID回路的偏差；</p><p>　　——PID回路輸出的初始值。</p><p>　　為了在數(shù)字計算機(jī)內(nèi)運(yùn)算此控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)化成為偏差值的間斷采樣。數(shù)字計算機(jī)使用下列相應(yīng)公式為基礎(chǔ)的離散化PID運(yùn)算模式：</p><p>　　式中，——采樣時刻n 的PID運(yùn)算輸出值；</p>

44、<p>　　——采樣時刻n 的PID回路的偏差；</p><p>　　——采樣時刻n-1 的PID回路的偏差；</p><p>　　——采樣時刻 的PID回路的偏差。</p><p>　　利用計算機(jī)處理的重復(fù)性，可對上述公式進(jìn)行簡化。簡化后的公式為：</p><p>　　式中，——積分項(xiàng)前值。</p><p&g

45、t;<b>　　1.比例項(xiàng)</b></p><p>　　比例項(xiàng)是PID回路的比例系數(shù)及偏差的乘積，其中比例系數(shù)控制輸出計算的敏感性，而偏差是采樣時刻設(shè)定值SP及過程變量PV之間的差。為了方便計算取。CPU采用的計算比例項(xiàng)的公式為：</p><p>　　=（SPn-PVn）</p><p>　　式中，——回路的增益；</p><

46、;p>　　SPn——采樣時刻n 的設(shè)定值；</p><p>　　PVn——采樣時刻n 的過程變量。</p><p><b>　　2.積分項(xiàng)</b></p><p>　　積分項(xiàng)與偏差和成比例。為了方便計算取。CPU采用的積分項(xiàng)公式為：</p><p>　　式中，——采樣時刻n-1 的積分項(xiàng)（又稱為積分前項(xiàng)值）。<

47、;/p><p><b>　　3.微分項(xiàng)</b></p><p>　　微分項(xiàng)MD與偏差的改變成比例，為方便計算，取Kd=KcTd/Ts。計算微分項(xiàng)的公式為：</p><p>　　5.2.2 回路輸入、輸出轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化</p><p>　　1.輸入轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化</p><p>　　一個回路具有兩個輸入變量

48、，設(shè)定值SP和過程變量PV。設(shè)定值通常為固定值，類似水箱液位控制的液位設(shè)定。過程變量是與回路輸出有關(guān)的量，因此可測量回路輸出對被控制系統(tǒng)的影響。在水箱液位保持在設(shè)定值的例子中，過程變量為電動調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)動角度。</p><p>　　設(shè)定值及過程變量均為實(shí)際數(shù)值，它們的大小、范圍及工程單位可能不同。在這些實(shí)際數(shù)值可用于PID指令之前，必須將其轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)化的、浮點(diǎn)數(shù)表示形式。</p><p>　

49、　實(shí)際數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)：第一步是將實(shí)際數(shù)值從16為整數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)或?qū)崝?shù)數(shù)值。</p><p>　　數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化：下一步是將數(shù)值的實(shí)數(shù)表示轉(zhuǎn)換為位于0.0～1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值?？刹捎孟铝泄綄υO(shè)定值及過程變量實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換：</p><p>　　Rnorn＝（Rraw／Span）＋Offset</p><p>　　水箱液位控制系統(tǒng)中的數(shù)值為單極性，其標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

50、</p><p>　?。襫orn＝Ｒraw／32000</p><p>　　2.輸出轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化</p><p>　　回路輸出轉(zhuǎn)換成比例的整數(shù)數(shù)值：回路輸出是控制變量，是標(biāo)準(zhǔn)化的、位于0.0-1.0之間的實(shí)數(shù)數(shù)值。在回路輸出可用于驅(qū)動模擬輸出之前，回路輸出必須被轉(zhuǎn)換為16位的、成比例的整數(shù)數(shù)值。這一過程是將過程變量轉(zhuǎn)化及設(shè)定值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的反過程。</p>

51、;<p>　　5.2.3 控制方式</p><p>　　S7-200 PID 回路沒有內(nèi)置的自動和手動控制方式，只要PID塊有效，就可以執(zhí)行PID運(yùn)算，從這種意義上說，PID運(yùn)算存在一種自動運(yùn)行方式；當(dāng)PID運(yùn)算不被執(zhí)行時，則可以說那是一種手動運(yùn)行方式。</p><p>　　同其他指令，PID指令有一個使能位（即允許位），當(dāng)允許位檢測到一信號出現(xiàn)正跳變時，PID指令將進(jìn)行一系

52、列運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)從手動方式到自動方式的轉(zhuǎn)變。為了順利轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣臃绞剑谵D(zhuǎn)換至自動方式之前由手動方式所設(shè)定的輸出值必須作為PID指令的輸入寫入回路表。PID指令對回路表內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行下列計算，保證當(dāng)檢測到0-1過渡時從手動方式順利轉(zhuǎn)換為自動方式：</p><p>　　置設(shè)定值SPn=過程變量PVn</p><p>　　置過程變量前值PVn-1=過程變量PVn</p><p>

53、;　　置積分項(xiàng)前值MX=輸出值Mn</p><p>　　5.2.4 ID的編程步驟</p><p>　　1.設(shè)定回路輸入及輸出選項(xiàng)</p><p>　　回路輸入選項(xiàng)：循環(huán)進(jìn)程變量可指定為字地址或已經(jīng)定義的符號。在回路計算之前，應(yīng)選好縮放比例。</p><p>　　回路輸出選項(xiàng)：確定PID回路輸出變量是數(shù)字量還是模擬量。如果是模擬量輸出，可指定

54、為字地址或已經(jīng)定義的符號。如果是數(shù)字量輸出，可指定為位地址或已經(jīng)定義的符號。在循環(huán)計算之后，應(yīng)選好縮放比例。</p><p><b>　　2.設(shè)定回路參數(shù)</b></p><p>　　在PID指令中，必須指定內(nèi)存區(qū)內(nèi)的36個字節(jié)參數(shù)表的首地址。其中，要選定過程變量、設(shè)定值、回路增益、采樣時間、積分時間和微分時間，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)值存入回路表中。</p>&l

55、t;p>　　不建議為參數(shù)表地址創(chuàng)建符號名，PID 向?qū)傻拇a使用此參數(shù)表地址創(chuàng)建操作數(shù)，作為參數(shù)表內(nèi)的相對偏移量。如果為參數(shù)表地址創(chuàng)建符號名，然后改變?yōu)樵摲栔付ǖ牡刂罚蒔ID向?qū)傻拇a將不能正確執(zhí)行。</p><p><b>　　5.3 軟件開發(fā)</b></p><p>　　對于過程控制系統(tǒng)而言，控制方案的選擇和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是其兩個重要的內(nèi)容，

56、如果控制方案設(shè)計的不合理，僅憑調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定無法獲得良好的控制質(zhì)量；相反，控制方案很好，但是調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不合適，也不能使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。</p><p>　　5.3.1 確定輸入/輸出關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，尋找合適算法</p><p>　　系統(tǒng)的設(shè)定值是水箱滿水位的百分?jǐn)?shù)，過程變量是由擴(kuò)散硅壓力傳感器給出的。輸出值是電動調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)過的角度，可以是允許最大值的0%～100%。設(shè)定值可以

57、預(yù)先設(shè)定后直接輸入回路表中。過程變量是來自壓力傳感器的單極性模擬量，回路輸出值也是一個單極性的模擬量，用來控制電動調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)度，這個模擬量的范圍是0.0～1.0，分辨率為1/32000（標(biāo)準(zhǔn)化）。</p><p>　　5.3.2 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 </p><p>　　系統(tǒng)整定，一般是指選擇調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時間TI和微分時間TD的具體數(shù)值。系統(tǒng)整定的實(shí)質(zhì)，就是通過改變系統(tǒng)參數(shù)，使調(diào)解器

58、特性和被控過程特性配合好，以改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性，求得最佳的控制效果。</p><p>　　由控制理論可知，在過程控制中，通常以瞬間響應(yīng)的衰減率=0.75作為系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定儲備。</p><p>　　綜合各種因素來說，簡單易行的方法還是簡易工程整定法。采用反應(yīng)曲線法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。</p><p>　　反應(yīng)曲線法也稱動態(tài)特性參數(shù)整

59、定法，它是在系統(tǒng)開環(huán)情況下進(jìn)行的，利用廣義</p><p>　　在調(diào)節(jié)閥的輸入端加入一階躍信號，利用快速顯示記錄儀在變送器的輸出端記錄被控參數(shù)的響應(yīng)曲線。</p><p>　　廣義過程的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　式中，為過程的時間常數(shù)；為時延時間；為自衡度。</p><p>　　由于/T0=3.0/25=0.12<0.2，根據(jù)=

60、0.75準(zhǔn)則，查表可知自衡度=1，則PID調(diào)節(jié)器的個參數(shù)為：</p><p>　　比例度=0.102 積分時間TI =6min</p><p>　　微分時間TD=1.5min 采樣時間TS=1s</p><p>　　再由得增益=0.98</p><p>　　5.3.3 程序流程圖</p><p>

61、　　有了前面所講述的S7-200 CPU提供的PID操作指令、PID編程步驟、電動調(diào)節(jié)閥參數(shù)的整定過程，再結(jié)合水箱液位控制系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，可以從整體上來構(gòu)思和規(guī)劃出本系統(tǒng)的程序流程圖，它應(yīng)包括主程序、初始化子程序、定時中斷程序三部分：</p><p><b>　　主程序OB1</b></p><p>　　主程序的功能是PLC首次運(yùn)行時利用SM0.1調(diào)用初始化程序SBR

62、0。</p><p><b>　　子程序SBR0</b></p><p>　　子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立100ms的定時中斷，并開中斷。</p><p><b>　　5.3.4 程序</b></p><p>　　主程序OB1： </p><p>　　初

63、始化子程序SBRO：</p><p>　　定時中斷程序INTO：</p><p><b>　　（a）模擬量輸入</b></p><p><b>　?。╞）PID指令</b></p><p><b>　?。╟）模擬量輸出</b></p><p>　　系統(tǒng)運(yùn)

64、行時，調(diào)節(jié)閥控制方式有兩種，一是手動控制，一是自動控制，兩種運(yùn)行方式之間的切換由一個輸入的開關(guān)量控制，具體描述如下：I0.0位控制手動到自動方式的切換，0代表手動，1代表自動。</p><p>　　本系統(tǒng)的程序僅有自動控制方式的設(shè)計，I0.0=1時進(jìn)行PID“自動”控制，把PID運(yùn)算的輸出值送到AQW0中，從而控制調(diào)節(jié)閥的開度，以使水箱的液位達(dá)到設(shè)定的水位高度。</p><p><b

65、>　　第六章 連機(jī)調(diào)試</b></p><p>　　連機(jī)調(diào)試就是在樣機(jī)中全速運(yùn)行系統(tǒng)軟件，觀察系統(tǒng)運(yùn)行情況，并根據(jù)運(yùn)行結(jié)果修改控制參數(shù)，或?qū)洝⒂布桨讣M(jìn)行必要的修改，重復(fù)調(diào)試過程，直到系統(tǒng)能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求為止。</p><p>　　本例中最主要的連機(jī)調(diào)試過程是進(jìn)行PID參數(shù)整定。不同的控制對象和控制環(huán)境需要不同的PID參數(shù)，即使是同一個控制對象和控制環(huán)境，對控制

66、品質(zhì)的不同要求也需要對PID參數(shù)重新進(jìn)行整定。</p><p>　　根據(jù)生產(chǎn)過程的實(shí)際情況，首先將檢測傳感器投入運(yùn)行，觀察其測量顯示的參數(shù)是否正確；其次利用調(diào)節(jié)閥手動遙控，待被控參數(shù)在給定值附近穩(wěn)定下來后，再從手動切換到自動控制。</p><p>　　在調(diào)節(jié)器從手動切換到自動運(yùn)行前必須做好細(xì)致的檢查工作，檢查調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)是否配置好等。檢查完畢后，當(dāng)測量值與給定值的偏差為零時，將調(diào)節(jié)器

67、由手動切換到自動，于是實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的投運(yùn)。</p><p>　　系統(tǒng)投入自動運(yùn)行后，觀察系統(tǒng)的控制質(zhì)量指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計要求，否則，在對調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)，以期達(dá)到較好的控制質(zhì)量的設(shè)計。</p><p><b>　　第七章 注意事項(xiàng)</b></p><p>　　7.1 安全注意事項(xiàng)</p><p><b>

68、;　　7.1.1防止觸電</b></p><p>　　嚴(yán)格要求系統(tǒng)可靠接地，包括現(xiàn)場對象系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，極低電阻不大于4歐姆。</p><p>　　當(dāng)通電或者正在運(yùn)行時，請不要做任何維護(hù)或者維修活動，不要打開機(jī)柜后門，接線箱蓋子，變頻器前蓋板否則會有觸電危險。</p><p>　　即使電源處于斷開時，除維護(hù)、維修外，請不要接觸任何具有超過安全電壓的裸露端

69、子否則基礎(chǔ)各種充電回路可能造成觸電事故。</p><p>　　請不要用濕手操作設(shè)定各種旋鈕及按鍵，以防觸電。</p><p>　　對于電纜，請不要損傷他，不要對他家過重的應(yīng)力，使它承受重物或?qū)λQ壓、否則可能會導(dǎo)致觸電。</p><p>　　在開始布線或維修之前，請斷開電源，經(jīng)過十分鐘以后，用萬用表檢測剩余電壓后進(jìn)行。</p><p><

70、;b>　　7.1.2防止?fàn)C傷</b></p><p>　　不要接觸熱水管道，避免高溫燙傷，在電機(jī)停止后不要立刻操作，不要驚醒任何維修工作。</p><p><b>　　7.1.3防止損壞</b></p><p>　　水泵運(yùn)行狀態(tài)，絕對禁止進(jìn)行水泵切換控制操作，否則可能損壞變頻器。</p><p>　　在

71、水箱水位沒有達(dá)到一定高度，不能啟動調(diào)壓器輸出，否則可能損壞硬件。</p><p>　　系統(tǒng)應(yīng)遠(yuǎn)離可燃物體，系統(tǒng)發(fā)生故障時，請斷開電源，否則，系統(tǒng)可能應(yīng)為電流過大導(dǎo)致火災(zāi)。</p><p>　　各個段子上的電壓只能使用額定電壓，以防爆炸，損壞。</p><p>　　確認(rèn)電纜與正確的段子相連接，否則，可能會發(fā)生爆裂、損壞等事故。</p><p>

72、<b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展，各生產(chǎn)工藝設(shè)備相互間緊密地聯(lián)系著，各設(shè)備的生產(chǎn)操作也是相互聯(lián)系、相互影響的，所以分析、設(shè)計和應(yīng)用好一個過程控制系統(tǒng)，首先應(yīng)全面了解被控過程，其次根據(jù)工藝要求對系統(tǒng)進(jìn)行研究，確定最佳的控制方案，最后對過程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、整定和投運(yùn)。</p><p>　　依據(jù)以上系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟，在指導(dǎo)老師

73、 老師的引導(dǎo)和幫助下，我學(xué)習(xí)了以下水箱液位控制系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的相關(guān)知識：</p><p>　　水箱控制系統(tǒng)的一般認(rèn)識，包括：</p><p>　　水位控制原理、傳感器的類型、特點(diǎn)。</p><p>　　執(zhí)行器件，電動調(diào)節(jié)閥的原理與組成。</p><p>　　水箱控制系統(tǒng)特性的了解：</p><p>　　系統(tǒng)靜態(tài)

74、、動態(tài)特性、過渡過程；</p><p>　　自動控制的基本要求，如穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性等品質(zhì)指標(biāo)；</p><p>　　受控對象的容量特性、平衡特性、時間特性。</p><p><b>　　過程控制基本規(guī)律：</b></p><p><b>　　雙位控制；</b></p><p

75、><b>　　傳統(tǒng)PID控制；</b></p><p><b>　　數(shù)字控制。</b></p><p>　　2控制核心，PLC系統(tǒng)的了解：</p><p><b>　　PLC的一般概念。</b></p><p>　　PLC的特點(diǎn)及分類。</p><p&

76、gt;　　PLC的一般組成，如整體式、模塊式（CPU模塊、I/O模塊、模擬量模塊、通訊模塊等）。另外，還包括外圍接口如人機(jī)界面等。</p><p>　　PLC在水箱控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。</p><p>　　在系統(tǒng)設(shè)計過程中，我對系統(tǒng)建模、PID算法、PLC控制、調(diào)節(jié)閥的選定及其參數(shù)整定有了系統(tǒng)的認(rèn)識，同時也遇到了一些自己不理解或不能解決的問題，如系統(tǒng)的模型是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算得到的，在試驗(yàn)

77、中存在許多人為的和非人為的誤差，在計算公式中忽略了一些不是很重要的項(xiàng)目，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定過程復(fù)雜等。另外，整個系統(tǒng)對控制精度也不能很好的確定，存在一定的誤差，而且，由于時間和本身能力問題，原定的人機(jī)界面即觸摸屏部分我沒有完成。</p><p>　　綜上，系統(tǒng)只包括了最基本的部分，有待今后進(jìn)一步的完善。 </p><p><b>　　致 謝</b></p>

78、<p>　　本設(shè)計課題從選題、收集相關(guān)資料、提供良好設(shè)計的環(huán)境，到系統(tǒng)的具體設(shè)計過程中的資料查詢、方案論證、軟硬件設(shè)計、聯(lián)機(jī)調(diào)試，再到本文的寫作、完善，歷時兩個多月。</p><p>　　通過本次課題設(shè)計，我鞏固了以前所學(xué)的許多基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，開闊了視野，增長了知識，并學(xué)到了許多實(shí)用的東西，如對工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計有了明確的認(rèn)識，培養(yǎng)了分析、設(shè)計能力和實(shí)際的動手能力，為即將走向工作崗位打下了一定的基

79、礎(chǔ)。</p><p>　　這些成果的獲得離不開一些人的幫助，他們是：</p><p>　　老師：在整個設(shè)計過程中，我的導(dǎo)師 老師給了我熱情的支持和幫助，精心的指導(dǎo)，并提出了許多建議和修改意見，使我能夠順利的完成此課題。另外，在此設(shè)計過程中， 老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，踏實(shí)的工作作風(fēng)給我留下了深刻的印象，同時為即將踏足工作崗位的我樹立了良好的學(xué)習(xí)榜樣。</p><p>

80、;　　班同學(xué)：在畢業(yè)論文的編寫和相關(guān)資料的查找以及整個系統(tǒng)的設(shè)計過程中，我的同學(xué)也給了我很多好的想法和建議。</p><p>　　參考文獻(xiàn)的作者：本文中的部分內(nèi)容的編寫參照了有關(guān)文獻(xiàn)。 </p><p>　　幫助我的人還有很多，恕不一一列舉，在此，對以上的人們表示衷心地感謝。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>

81、<p>　　王世才主編、《電工基礎(chǔ)》、中國電力出版社，2007年</p><p>　　孫津平主編、《數(shù)字電子技術(shù)》、西安電子科技大學(xué)出版社，2002年</p><p>　　周雪主編、《模擬電子技術(shù)》、西安電子科技大學(xué)出版社，2005年</p><p>　　劉萬忠、劉明芹主編、《電器與PLC控制技術(shù)》化學(xué)工業(yè)出版社，2008年</p><

82、p>　　SIEMENS SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊，2001年</p><p>　　劉篤仁 韓保君編著、傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)、西安電子科技大學(xué)出版社，2003</p><p>　　唐介主編、《電機(jī)與拖動》，高等教育出版社、2007年</p><p>　　溫淑玲主編、《電力電子技術(shù)》，安徽科技出版社、2009年 </p>&

83、lt;p>　　孫炳達(dá)主編、《自動控制原理》、機(jī)械工程出版社、2005年</p><p>　　王小立主編、《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)一體化教程》、中國科技大學(xué)出版社、2008年</p><p>　　胡孔忠主編、《供配電技術(shù)》、安徽科學(xué)技術(shù)出版社、2007年</p><p>　　錢平主編、《交直流調(diào)速控制系統(tǒng)》、高等教育出版社、2005年</p><p&

84、gt;　　王愛廣、王琦主編、《過程控制技術(shù)》、化學(xué)工業(yè)出版社、2008年</p><p>　　陳光會、王敏主編、《電力系統(tǒng)基礎(chǔ)》、中國水利水電出版社、2004年</p><p>　　武昌郡主編、《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用》、機(jī)械工程出版社、2005年</p><p>　　蘇小林主編、《計算機(jī)控制技術(shù)》、中國電力出版社、2004年</p><p>　

85、　錢武主編、《電力系統(tǒng)自動裝置》、中國水利水電出版社、2004年</p><p>　　高健主編、《現(xiàn)代通訊系統(tǒng)》、機(jī)械工程出版社、2009年</p><p>　　何小艇著.電子系統(tǒng)設(shè)計.浙江：浙江大學(xué)出版社，2000</p><p>　　殷洪義主編.可編程序控制器選擇、設(shè)計與維護(hù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002</p><p>　　李進(jìn)軍 石