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毕业论文基于PLC的过程控制系统的设计与实现系 别自动化工程系专业名称测控技术与仪器班级学号5060717学生姓名杜晨指导教师宋爱娟2010年 6 月 10 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第IV页基于PLC的过程控制系统的设计与实现 摘 要可编程控制器是以微型计算机为核心的工业控制装置，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术。德国西门子公司SIMATIC S7-300系列可编程控制器的模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，使得S7-300系列可编程控制器在工业领域中实施各种控制任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案。 过程控制系统中，80%以上的控制对象都可以用PID控制器来实现。通过组态PLC的标准PID控制模块，实现对工业流程的自动控制，可以大大提高编程效率和整个项目的组态时间。本设计是以液位为被控对象，基于SIEMENSS7-300 PLC和昆仑通态公司的组态软件MCGS 设计了一套液位控制系统。编程时调用了STEP 7中自带的PID模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。利用可编程控制器和组态软件，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业控制领域中能得到广泛运用。关键词：PID ，PLC，MCGS ，液位，过程控制Based on PLC control system design and implementation Author：Du Chen Tutor：Song AijuanAbstractProgrammable Controller based on micro computer as the core of the industrial control equipment,integrated computer technology,automatic control technology and communication technology.Siemens Germany SIMATIC S7-300 series programmable controller and the modular structure of fan,the configuration and distributed characteristics such as easy to master,S7-300 series programmable controller in the field of industrial control tasks implemented, become an economical and practical solutions.Process control system more than 80% of the controlled object can be used to realize PID controller,through the configuration of PLC,realize PID control module standard of industrial process of automatic control,can greatly improve the efficiency and the whole project programming configuration of time.This design is for the controlled object, level based on SIEMENS S7-300 PLC and the general state of kunlun MCGS configuration software designed a set of liquid level control system.When programming calls a STEP 7 in the cabin,and make the process more PID module,the speed more concise.Using the programmable controller and configuration software,realize the real-time monitoring and control system for real-time sampling and processing of data.It is proved that this system is fast,accurate and etc, in the industrial control area can be used widely. Key Words: PID， PLC ，MCGS ，LEVEL，PROCESS目 录第一章 绪论11.1 课题研究的背景知识和意义11.2 过程控制系统概述11.3 课题的研究内容2第二章 PID控制原理以及系统结构图42.1 PID调节基本原理42.1.1 PID概述42.1.2 数字式PID控制算法52.2 PID 控制器的选择62.3 连续调节功能SFB41/FB41“CONT_C”8第三章 可编程控制器103.1 PLC可编程控制器基础103.1.1 PLC可编程控制器的产生和应用103.1.2 PLC可编程控制器的组成和工作原理103.1.3 PLC可编程控制器的分类及特点12第四章 PLC硬件控制系统设计144.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤144.1.1 PLC控制系统设计的基本原则144.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤154.2 PLC的选型与硬件配置174.2.1 PLC型号的选择174.2.2 S7-300 CPU的选择174.2.3 SM322数字量输出模块184.3 I/O点分配184.4 PLC控制器的设计184.4.1 控制系统数学模型的建立194.4.2 PID参数整定20第五章 PLC控制系统软件设计225.1 PLC程序设计方法225.2 编程软件STEP 7概述235.2.1 STEP 7的操作步骤235.3 软件程序设计265.3.1 设计思路265.3.2 控制程序流程图275.3.3 梯形图程序275.3.4 PID指令向导的运用30第六章 在MCGS上位机上监控PID控制程序运行316.1 引言316.2 建立一个MCGS 组态PID系统326.3 实现MCGS与S7-300的软件通讯356.3.1 概述356.2.2 通讯硬件连接366.3.3 设备调试36结 论37致 谢38参考文献39附 录40 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第47页第一章 绪论1.1 课题研究的背景知识和意义目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等。1.2 过程控制系统概述液位是过程控制中重要的控制形式之一。过程控制涉及炼油、发电、化工、冶金、医药、造纸和轻工等工业部门，对国民经济的发展起着十分重要的作用。过程控制涉及的对象一般具有过程复杂、系统大和安全性要求高等特点，对自动化的要求也较高，自动化程度自然相对发展也比较快。过程控制的发展经历了从常规仪器仪表到集散型计算机控制系统（DCS）的发展过程。进入20世纪90年代，企业的自动化向着以计算机网络为基础的计算机集成系统的方向发展。从系统的功能角度看，连续过程的工业自动化由过去的以保证平稳生产为目标的简单控制装置发展到考虑过程的非线性、时变性等因素的先进控制系统。随着科学技术的发展和市场竞争的日趋激烈，企业把注意力集中到如何形成一个能适应生产环境不确定性和市场供求多变性的、具有高柔性、全局最优、高经济效益和高管理水平的，集生产与经营管理于一体的综合自动化系统，也就是连续生产过程的计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated manufacturing system)，亦称计算机综合处理系统 CIPS(computer integrated processing system)。连续过程工业的CIMS完全摆脱了传统的“孤岛”式的自动化模式，它以计算机的软、硬件系统的集成为基础，实现企业生产信息和管理信息的集成，计划调度、控制功能和管理决策功能的集成，使企业成为一个整体并协调地运行，从而创造出最好的经济效益和社会效益。在现代化的大型企业中，尽管过程控制采用了先进的DCS系统，但绝大部分的控制回路仍采用比例，积分和微分控制。据有关资料介绍，在连续的工业过程的控制中，85%-95%的控制回路采用PID控制，约有5%-15%的控制回路是常规PID控制所不能奏效或效果不好的，而必须采用高等过程控制策略。高等过程APC(Advanced Process Control)，亦称先进过程控制目前尚无统一的定义。习惯上，将基于没有精确数学模型而又必须用计算机来实现的控制算法，统称为高等过程控制策略。如模糊控制、补偿控制(包括smith补偿控制、前馈控制等)、预测控制、自适应控制、非线性控制、多变量控制、分布参数控制等。1.3 课题的研究内容可编程控制器（PLC）是计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC的应用已成为工业自动化发展必然的一个趋势。在不久的将来PLC技术在我国将得到更全面的推广和应用。本文研究的是PLC技术在液位控制系统上的应用。从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、程序设计。控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定。本论文通过德国西门子公司的S7-300系列PLC控制器，压力液位传感器将检测到的实际液位值转化为电信号，转换成数字量信号并送入到PLC中进行PID调节。同时利用北京昆仑通态公司的组态软件，通过串行口与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。总体上包括硬件设计、软件编程、参数整定等。全论文分为七章，各章的主要内容说明如下。第一章，对液位控制系统应用的背景及国内外的发展状况进行了阐述，指出了本文的研究意义所在。第二章，概述了PID控制系统的原理和系统结构图等基础内容。第三章，概述了可编程控制器（PLC）的基本概念和工作原理和结构功能等知识。第四章，主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍了该项目的PLC控制系统的设计步骤、PLC的硬件配置以及PLC控制器的设计和参数整定。第五章，在硬件设计的基础上，详细介绍了本项目的软件设计，主要包括软件的设计基本步骤、方法，编程软件STEP 7的介绍以及本项目程序设计。第六章，详细介绍了在组态软件MCGS的基础上进行实时监控的设计。第七章，总结全文。2 PID控制原理以及系统结构图2.1 PID调节基本原理 2.1.1 PID概述在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。过程控制实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。模拟控制的PID表达式见式(2.1)： u(t)=Ke(t)+1T0tetd(t)+Tdetdt (2.1)式中KP 、 TI 、TD分别为模拟调节器的比例增益、积分时间、微分时间。1.比例（P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state- error）。 2.积分（I）控制： 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3.微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 4.采样周期的选择：根据采样定理，采样周期(T/)max。从系统控制品质的要求来看，希望采样周期取小一些，这样接近于连续控制，不仅控制效果好，而且可采用模拟PID控制参数的整定方法。采样周期的选择还应考虑被控对象的时间常数TP 。根据以上的分析，可见PID算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，所以在本项目中我们采用PID算法。2.1.2 数字式PID控制算法在计算机控制系统中，由于连续的模拟量不能被识别，只能通过模数转换变成数字量。以一定的采样周期对输入量进行定时采样，得到每个采样时刻的瞬时值。当采样周期比较短时，用求和代替积分、用后项差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。数字式PID控制算法有两种:1.数字式PID位置型控制算法为了便于计算机实现，可将积分项与微分项做如下处理见式(2.2)和(2.3)： ote(t)dtT0i=0ke(i) (2.2) de(t)dte(k)-e(k-1)T0 (2.3)式中，T为采样周期，k为采样序号。从而可得位置型控制算法如式(2.4)：UK= Kpek+T0TIi=0ke(i)+TDT0e(k)-e(k-1) (2.4)式中uk是第K次采样时刻计算机的输出；其中 KI=K0T0TI，称为积分系数；KD = KcTDT0，称为微分系数。2.数字PID增量型控制算法所谓增量式PID是指数字控制器的输出是控制器的增量u（K）。当执行机构需要的是控制量的增量(例如驱动步进电机)时，应采用增量式PID控制。根据递推原理，可得增量式PID控制算法见式(2.5)。 uk=uk-uk-1= KPe(k)-e(k-1)+T0TIe(k)+TDT0ek-2e(k-1)+e(k-2) (2.5)其中:KP为比例增益，K为积分时间常数，K0为微分时间常数。2.2 PID 控制器的选择控制系统的属性由技术过程和机器条件决定。因此，为了获得良好的控制效果，必须选择最适用的系统控制器。1.连续控制器、开关控制器：（1）连续控制器，输出一个线性（模拟）数值。（2）开关控制器，输出一个二进制（数字）数值。2.固定值控制器：使用设定固定数值进行的过程控制，只是偶尔修改一下参考变量，过程偏差的控制。3.级联控制器：控制器串行连接控制。第一个控制器（主控制器）决定了串行控制器（从控制器）的设定点，或者根据过程变量的实际错误影响器设定点。一个级联控制器的控制性能可以使用其它的过程变量加以改进。为此，可以为主控制变量添加一个辅助过程变量PV2（主控制器SP2的输出）。主控制器可以将过程变量PV1施加给设定点SP1，并且可以调整SP2，以便尽可能快地到达目标，而没有过调节。级联控制器如图2.1所示。控制器1过程1过程2控制器2SP1SP22辅助回路伺服控制器主控制器干扰变量LMNPV2PV1主回路控制过程图2.1级联控制器4.混合控制器：混合控制器是指根据每个被控组件所需要的设定点总数量，来计算总SP数量的一种控制结构。在此，混合系数FAC的和必须为“1”。混合控制器如图2.2所示。SP1SP1LMN1 FAC1控制器1过程1FAC4过程4控制器4PV1SP4PV4LMN4图2.2混合控制器控制器系数过程SPLMNPV1PV2比率图2.3比例控制器5.比例控制器：可以用于“两个过程变量之间的比率”比“两个过程变量的绝对数值”重要的场合。比例控制器如图2.3所示。6.多级控制器：主要有二级和三级控制器。一个二级控制器只能采集两个输出状态（例如，开和关）。典型的控制为：一个加热的系统，通过继电器输出的脉冲宽度调制。一个三级控制器只能采集到三个具体的输出状态。我们需要区分：“脉冲宽度调制”（例如，加热-冷却，加热-关机-冷却）和“使用集成执行机构的步进控制”（例如，左-停止-右）之间的区别。2.3 连续调节功能SFB41 /FB41“CONT_C”SFB41/FB41“CONT_C”（连续控制器）用于在SIMATIC S7可编程控制器上，控制带有连续输入和输出变量的工艺过程 。在参数分配期间，用户可以激活或取消激活PID控制器的子功能，以使控制器适合实际的工艺过程。通过参数赋值工具，可以很容易地做到这一点。调用： Start SIMATIC STEP 7 PID。控制参数赋值。可以使用控制器作为单独的PID定点控制器或在多循环控制中作为级联控制器、混合控制器和比例控制器使用。控制器的功能基于带有一个模拟信号的采样控制器的PID控制算法，如果必要的话，可以通过脉冲发送器（EPULSEGN）进行扩展，以产生脉冲宽度调制的输出信号，来控制比例执行机构的两个或三个步进控制器。除了设定点操作和过程数值操作的功能以外，SFB41/FB41 (CONT_C)可以使用连续的变量输出和手动影响控制数值选项，来实现一个完整的PID控制器。下面是关于SFB41/FB 41(CONT_C)详细的子功能说明：1. 设定值分支设定值以浮点数格式输入到SP_INT输入端。过程变量分支可以在外围设备(I/O)中输入过程变量，也可以以浮点数格式输入。 (1)CRP_IN函数根据公式(2.6)，将PV_PER外设值转换成浮点数格式-100到 + 100%： CRP_IN的输出 = PV_PER * 100/27648 (2.6)(2)PV_NORM函数根据公式(2.7)规格化CRP_IN的输出： PV_NORM的输出 = (CRP_IN的输出) * PV_FAC+ PV_OFF (2.7)其中，PV_FAC的缺省值是1，PV_OFF的缺省值是0。2. 误差信号设定值和过程变量之间的差值就是误差信号。要抑制由于可调节变量量化所引起的小幅持续振荡(例如，在使用PULSEGEN进行脉宽调制时)，可对误差信号使用死区(DEADBAND)。如果DEADB_W =0，则死区功能关闭。 3. PID算法这里所使用的PID算法是定位PID算法。比例、积分(INT)和微分(DIF)动作是并行连接在一起的，可以单独激活或取消激活。这样便能够组态成P、PI、PD和PID控制器。还可以组态成纯I控制器和纯D控制器。4. 手动值可以在手动模式和自动模式之间切换。在手动模式下，可调节变量被修正到手动选择的数值。积分器(INT)内部被设置成LMN _LMN_P _DISV，而微分单元(DIF)被设置成，这些都是自动在内部进行匹配的。这样，切换到自动模式就不会导致调节值的突然变化。5. 调节值使用LMNLIMIT函数，可以将调节值限制到所选择的数值上。当输入变量超过了限制值时，通过信号位来指示。 LMN_NORM函数根据(2.8)公式规格化LMNLIMIT的输出；调节值也可以使用外设值格式。CRP_OUT函数根据公式(2.9)将浮点数 LMN转换成外设值： LMN = (LMNLIMIT的输出) * LMN_FAC + LMN_OFF (2.8)其中，LMN_FAC的缺省值是1，而LMN_OFF的缺省值是0。LMN_PER = LMN *100/27648 (2.9)6. 前馈控制可以在DISV输入端前馈一个干扰变量。7. 模式完全重启动/重启动FB“CONT_C”有一个完全重启动例行程序，当置位输入参数 COM_RST = TRUE时执行。在启动期间，积分器内部被设置成初始值I_ITVAL。当在周期性中断优先级中调用积分器时，它便从这个数值开始，继续工作。所有其它输出都被设置成各自的缺省值。8. 出错信息此功能块内部并不检查错误。因此没有使用出错输出参数RET_VAL。第三章 可编程控制器可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLC（Programmable Logic Contrlooer）。它使用了可编程程序的记忆以及存储令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。3.1 PLC可编程控制器基础3.1.1 PLC的产生和应用20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业领域，由于价格高、输入电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域中获得推广。1968年，美国通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引发了开发热潮。1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。随着PLC 的功能不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。目前，PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。PLC的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等。3.1.2 PLC可编程控制器的组成和工作原理PLC从组成形式上一般分为整体式和模块两种，但在逻辑结构上基本相同，无论是整体式还是模块式，从硬件结构看，PLC都是由CPU、存储器、I/O接口单元及扩展接口扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，各部分之间通过系统总线连接。PLC的基本结构如图3.1所示：1.CPU（中央处理器） CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等，是PLC不可缺少的组成单元。主要功能包括以下几个方面：输 入 接 口存储单元中央处理单元CPU电 源输 出 接 口图3.1PLC的基本结构图（1）接收从编程器或者计算机输入的程序和数据，并送入用户程序存储器 存储。（2）监视电源、PLC内部各个单元电路的工作状态。（3）诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译。（4）在PLC进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执行该指令。（5）采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中。（6）按程序进行处理，估计运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据存储器的内容。（7）根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。（8）响应中断和各种外围设备（如编程器、打印机等）的任务处理请求。2.I/O接口PLC是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系来实现的。输入模块和输出模块式PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间的传递信息的作用。I/O模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。3.存储器存储器（内存）主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序存储器用于存储整个系统的监控程序，一般采用只读存储器（ROM），只有掉电不丢失信息的程序，早期一般采用随机读写存储器（RAM），需要后备电池在掉电后保存程序。目前则倾向于采用电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存（Flash Memory），免去了后备电池的麻烦。4.电源模块PLC的电源是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。电源可分为直流和交流两种类型，交流输入220VAC或110VAC，直流输入通常是24V。5.智能模块除了上述通用的I/O模块外，PLC还提供了各种各样的特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、温度控制、中断控制、位置控制、以太网、远程I/O控制、打印机等专用型或智能型的I/O模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。I/O模块的类型、品种与规格越多，系统的灵活性越好，模块的I/O容量越大，系统的适应性就越强。6.编程设备常见的编程设备有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PC的专用编程软件。编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作些设定，监控PLC及PLC所控制的系统的各种状况、编程设备在PLC的应用系统设计与调试、监控运行和检查维护中是不可缺少的部件，但不直接与现场的控制。PLC本质上就是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有计算机的许多特点。但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊性。PLC采用循环扫描的工作方式，工作时逐条顺序扫描用户程序，如果一个线圈按通或断开，该线圈的所有触电不会立即动作，需等扫描到该触电时才会动作。3.1.3 PLC可编程控制器的分类及特点根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。还可以按I/O点数分类，根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型、大型和超大型四类：（1）I/O点数在256以下为小型PLC（2）I/O点数在2561024为中型PLC（3）I/O点数大于1024为大型PLC（4）I/O点数在4000以上为超大型PLC可编程控制器有可靠性高、编程简单易学、功能强、安装简单、维修方便、采用模块化结构、接口模块丰富、系统设计与调试周期短等特点。第四章 PLC硬件控制系统设计在掌握了PLC的硬件组成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以PLC作为主要控制器来构造PLC控制系统。本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。4.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤弄懂PLC的基本工作原理和指令系统后，就可以把PLC应用到实际的工程项目中。无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以按照图4.1所示的步骤。4.1.1 PLC控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量，而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。1.设计原则(1)完整性原则。最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。(2)可靠性原则，确保计算机控制系统的可靠性。(3)经济型原则。力求控制系统简单、实用、合理。(4)发展性原则。适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2.评估控制任务根据系统所完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给予考虑。(1)控制规模一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时，特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。(2)工艺复杂程度当工艺要求较复杂时，采用PLC控制具有更大的优越性。(3)可靠性要求目前，当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。(4)数据处理速度若数据处理程度较低，而主要以工业工程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜。程序检查、调试程序设计控制和设计及布线PLC安装评估控制任务PLC机型的选择控制流程的设计联机调试模拟运行是否满足要求投入应用程序备份图4.1 PLC控制系统设计步骤4.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下5步进行。1.熟悉被控对象深入了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护；电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系；PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网；系统的工作方式及人机界面。需要显示的物理量及显示方式等。2.硬件选择具体包括如下：(1)系统I/O设备的选择。输入设备包括按钮、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。(2)选择PLC。PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。(3)PLC的I/O端口分配。在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。(4)绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其他部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。(5)计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。3.编写应用程序：根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容：(1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生错误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。(2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。(3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。4.程序调试程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序模拟调试是以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。(1)硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬件接线的方式连接到PLC系统的输入端，其时效性较强。(2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。现场调试。当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，及时更正软硬件方面的问题。5.编写技术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装原理图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。4.2 PLC的选型与硬件配置4.2.1 PLC型号的选择本液位控制系统选择德国西门子公司的S7-300系列的PLC。S7-300属于中小型的PLC，本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。4.2.2 S7-300 CPU的选择S7-300系列的CPU有：CPU 312C，313C，313C-PtP， 314C-2DP，315-2DP ，316-2DP，317-2DP 和CPU 318-2DP等诸多类型。此系统选用 S7 300 314C-2DP，CPU314C-2DP集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量I/O输出。可连接7个扩展块，并自带2个串口。内部使用MCC卡作为其装载存储器。注：1.电源模块 2.后备电池 3. 24V DC 连接器 4.模式开关 5.状态和故障指示灯6.存储器卡 7. MPI 多点接口 8.前连接器 9.前盖图4.2 西门子S7-300 PLC组成结构图4.2.3 SM322数字量输出模块在本设计中我们采用的是SM322数字量输出块，SM322具有16个输出点，带隔离，8点为一组，输出电流是0.5A，额定负载电压是24VDC。4.3 I/O点分配该液位控制系统中 I/O点分配表4.1如表所示:表4.1 I/O点分配表输入触电功能说明输出触电功能说明I 0.1启动按钮Q 0.0运行指示灯（绿）I 0.2停止按钮Q 0.1运行指示灯（红）4.4 PLC控制器的设计控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。4.4.1 控制系统数学模型的建立本液位控制系统中，压力液位传感器将检测到的压力信号转换成电信号经过与设定的压力值进行比较后，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正，从而控制锅炉的液位。控制系统结构图如图4.3所示，方框图如图4.4所示：控制系统方框图中，R (S)为设定液位的拉氏变换式；E (S)为偏差的拉氏变换式；GCS为控制器的传递函数；G0S为广义对象，即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并；PLC控制器锅炉传感器PID模块SPPVP图4.3 控制系统结构图该液位控制系统是具有时滞的一阶闭环系统，传递函数见公式（4.1）G（S）=K0T0+1e-s （4.1）式（4.1）中，K0为对象放大系数；T0为对象时间常数；为对象时滞。因此式（4.2）K0=y()u （4.2）由阶跃响应法求得，K0=0.5, T0=2分钟，=0.8分钟。GCSG0SR（S） E (S)U（S）Y（S）图4.4 控制系统方框图4.4.2 PID参数整定之前我们介绍了PID的控制算法，那么该液位控制系统就已经确定了。在系统投运之前，还需要进行控制器的参数整定。因为PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。上述三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。在本设计中我们采用经验整定法来整定控制器的参数值。下面介绍方法步骤。经验整定法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。这种方法的基本程序是先根据运行经验，确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为的加入阶跃扰动（如改变调节器的给定值），观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满意，则根据各整定参数对控制过程