毕业设计（论文）-基于PLC的液位控制系统的设计.doc

烟 台 南 山 学 院 毕毕 业业 论论 文文 题目 plcplc 的液位控制设计的液位控制设计 姓 名： _ _ 所在学院： 自动化工程学院_ _ 所学专业： 电气工程及其自动化_ 班 级： _08 级三班_ _ 学 号： _ _ 指导教师： _ _ _ 完成时间： 2012 年 3 月 16 日_ 毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）任务书 论文题目plcplc 的液位控制设计的液位控制设计 院部自动化工程学院专业电气工程及其自动化班级08 级 3 班 毕业论文（设计）的要求： 本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑 到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用 abb 公司的 abb acs800 变频器，系统中 由 s7-300 系列 plc 完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于 s7-300 plc 的编程软件,采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维 护。系统利用对 plc 软件的设计,实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止。 毕业论文（设计）的内容与技术参数 本设计使用的是软件是 step7-micro/win,该软件主要协助用户开发应用程序，除了具 有创建程序的相关功能，还有一些文档管理等工具性功能，还可直接通过软件设置 plc 的 工作方式、参数和运行监控等。 技术参数：（1）利用定时中断功能实现 pid 控制的定时采样及输出控制。 （2）在本系统中，只用比例积分控制，确定增益和时间常数为：增益 kc=0.25。 （3）采样时间 ts=0.1s；积分时间 ti=30s；微分时间 td=0s。 毕业论文（设计）工作计划 201012 看关于单片机原理的书籍；2012.01 看关于自动控制关于比例积分微分有 关书籍；2012.01 看有关显示电路，输出控制电路和故障报警电路的书籍； 2012.02 制 定开题报告；2012.02 开始编写论文：a 编写所用到的各种元器件的原理和简单介绍 b 完成主题设计思路 完成电路图设计；2012.03 编写主程序；2011.03 完成装置的调试工 作；2011.03.29 完成设计总结 接受任务日期 2010 年 12 月 6 日 要求完成日期 2011 年 3 月 8 日 学 生 (签名) 2011 年 3 月 8 日 指 导 教 师 (签名) 年 月 日 院长 (主任 ) (签名) 年 月 日 i 摘摘 要要 本次毕业设计的课题是基于 plc 的液位控制系统的设计。 可编程逻辑控制器（programmable logic controller，plc） ，它采用一类 可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数 与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的 机械或生产过程。 可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本 上与微型计算机相同，基本构成 为：电源、中央处理单元 (cpu)、存储器、 输入输出接口电路 、功能模块、通信模块。 针对双容水箱普遍存在容积延迟问题和传统 pid 单回路控制难于达到控制要 求的特点，提出了基于串级技术和 plc 控制器的双容液位控制系统。 系统根据双容水箱的数学模型，采用微分先行的串级控制技术、plc 控制器、 mccs 软件组态实现了双容水箱液位的高精度控制和实时显示 本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析， s7-300 可编程控 制器的硬件掌握，pid 参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用 pid 控制 算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和应用 plc 语句编程来控 制水箱水位。 关键词：关键词：s7-300 西门子 plc、控制对象特性、pid 控制算法、扩充临界比例法、 压力变送器、电动调节阀、pid 指令。 ii abstractabstract this graduation project topic is based on the plc fluid position control system design. in the design, i am control the algorithm which the author primary cognizance the design, therefore designs in the paper with to the pid algorithm mentions many. programmable logic controller，plc,it uses a programmable memory, for its internal storage procedures, the implementation of logical, sequential control, timing, counting and arithmetic operations such as user-oriented instructions, and through digital or analog input / output control various types of machinery or production process. programmable logic controller is a dedicated to the industrial control computer, and its hardware structure is basically the same with the micro computer, basic components: power supply, a central processing unit ( cpu ), memory, input and output interface circuit, function module, communication module. aiming at the problem of capaciouslags in doubletanks， it was hard for the traditional pid control to the high stable constant requirements and cascade controlling could solve them. a new system based on cascade control of previous difference and plc was investigated in industrial doubletanks. and this liquidlevel control system used the previous difference algorithm of cascade controller， plc and mccs was designed according to the mathematical model of double tank. the this article main content includes: water tank characteristic determination and experimental curve analysis，the s7-300 programmable controller hardware grasps，pid parameter installation and each parameter control performance comparison，experimental curve analysis obtains which using the pid control algorithm and overall system each part of introduction and programs using the plc sentence controls the water tank water level. key words: simatic s7-300 plc, the controlled member characteristic, the pid control algorithm, the expansion critical ratio method, the pressure change delivering, the electrically operated regulating valve. 目 录 iii 摘 要 .i abstract.ii 1 绪论.1 1.1 plc 的产生、定义及现状 .1 1.2 过程工业控制算法的应用现状.1 1.3 pid 控制的历史和发展现状 2 1.4 论文的研究内容.2 2 s7-300 中小型 plc 和控制对象介绍3 2.1 西门子 plc 控制系统3 2.1.1 cpu 模块3 2.1.2 模拟量输入模块4 2.1.3 模拟量输出模块5 2.1.4 电源模块6 2.2 控制对象特性.7 2.2.1 一阶单容上水箱特性7 2.2.2 二阶双容下水箱对象特性10 3 pid 控制算法介绍 14 3.1 pid 控制算法 14 3.2 pid 调节的各个环节及其调节过程 16 3.2.1 比例控制与其调节过程16 3.2.2 比例积分调节17 3.2.3 比例积分微分调节17 3.3 串级控制.17 3.4 扩充临界比例法.19 3.5 在 plc 中的 pid 控制的编程20 3.5.1 回路的输入输出变量的转换和标准化21 3.5.2 变量的范围22 iv 3.5.3 控制方式与出错处理22 4 控制方案设计.24 4.1 系统设计24 4.1.1 上水箱液位的自动调节24 4.1.2 上水箱下水箱液位串级控制系统.24 4.2 硬件设计.25 4.2.1 检测单元25 4.2.2 执行单元26 4.2.3 控制单元27 4.3 软件设计.27 5 实验情况介绍.30 5.1 上水箱液位比例调节.30 5.2 上水箱液位比例积分调节.30 5.3 上水箱液位比例积分微分调节.32 结论.33 致谢34 参考文献.35 1 1 1 绪论绪论 1.1 plc 的产生、定义及现状 可编程控制器出现前，继电器控制在工业控制领域占据主导地位。但是继电 器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性低、故障查找困难以及维修不 方便。由于接线复杂，当生产工艺和流程改变时必须改变接线，因此，其通用性 和灵活性较差。 20 世纪 60 年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输 入输出电路不匹配、编程难度大以及难以适应恶劣工业环境等原因，未能在工业 控制领域获得推广。20 世纪 60 年代末，美国汽车制造工业竞争激烈，为适应生 产工艺不断更新的需要，1968 年美国通用汽车公司(gm)提出了研制新型逻辑顺序 控制装置的十项招标指标。主要内容是： 1)编程方便，可现场修改程序。 2)维修方便，采用插件式结构。 3)可靠性高于继电器控制装置。 4)体积小于继电器控制盘。 5)数据可直接送入管理计算机。 6)成本可与继电器控制盘竞争。 7)输入可为市电 8)输出可为市电，容量要求在 2a 以上，可直接驱动接触器等。 9)扩展时原系统改变最小。 10)用户存储器大于 4kb。 这些实际上提出了将继电器控制的简单移动、使用方便、价格低的优点与计 算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连 线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。美国数字设备公司(dec)中标，并于 1969 年研制出第一台可编程控制器 pdp-14，在美国通用汽车公司的生产线上试 用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。 plc的定义如下：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为 工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻 辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟 式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设 备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原理设计。 1.2 过程工业控制算法的应用现状 过程控制在工业生产中应用广泛，在理论的研究与生产的实践中发展出很多 的控制算法，主要有下列几种： (1)pid控制算法 大量的事实证明，传统的pid控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象(高 达90%)可取得较好的控制结果，可以进一步提高控制质量。 2 (2)预测控制 预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法。它 高度结合了工业实际的要求，综合控制质量比较高，因而很快引起工业控制界以 及学术界的广泛兴趣与重视。预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈 校正。 (3)自适应控制 在过程工业中，不少的过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器， 则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过 程。它是辨识与控制的结合。目前，比较成熟的自适应控制分三类：a、自整定 调节器及其它简单自适应控制器；b、模型参考自适应控制；c、自校正调节与控 制。 (4)智能控制 随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的 鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。智能控制对于 复杂的工业过程往往可以取得很好的控制效果。常见的智能控制方法有以下几种： 模糊控制、分级递阶智能控制、专家控制、人工神经元网络控制、拟人智能控制 等。这些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足，它们相互交叉结合或与 传统的控制方法结合将会产生更佳的效果。 1.3 pid 控制的历史和发展现状 pid 控制技术的发展可以分为两个阶段。 。第一个阶段为发明阶段 (19001940)pid 控制的思想逐渐明确，气动反馈放大器被发明，仪表工业的重心 放在实际 pid 控制器的结构设计上。1940 年以后是第二阶段革新阶段。在革 新阶段，pid 控制器已经发展成一种最鲁棒的、可靠的、易于应用的控制器。从 气动控制到电气控制到电子控制再到数字控制，pid 控制器的体积逐渐缩小，性 能不断提高各种现代控制技术的出现并没有削弱 pid 控制器的应用，相反，新技 术的出现对于 pid 控制技术发展起了很大的推动作用。一方面，各种新的控制思 想不断被应用于 pid 控制器的设计之中，或者是用新的控制思想设计出具有 pid 结构的新控制器，pid 控制技术被注入了新的活力。另一方面，某新控制技术的 发展要求更精确的 pid 控制，从而刺激了 pid 控制器设计与参数整定技术的发展。 总结近年来 pid 控制的发展趋势，可以将 pid 控制的发展分为两个大方向： 传统 pid 控制技术的继续发展和各种新型控制技术与 pid 控制的结合。 pid 控制具有以下优点： 1)原理简单，使用方便。 2)适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等 3)鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 1.4 论文的研究内容 本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析， s7-300 可编程控制 器的硬件掌握，pid 参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用 pid 控制算 3 法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和应用 plc 语句编程来控制 水箱水位。 2 2 s7-300s7-300 中小型中小型 plcplc 和控制对象和控制对象介绍介绍 2.1 西门子 plc 控制系统 西门子的中小型 plc s7-300 系列采用模块式结构，用搭积木的方法来组成系 统。模块式 plc 由机架和模块组成，s7-300 是模块化的中小型 plc，适用于中等 性能的控制要求。品种繁多的 cpu 模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任 务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。 当系统规模扩大和更为复杂的时候，可以增加模块，对 plc 进行扩展。简单实用 的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。 s7-300 的 cpu 模块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个 cpu 都 有一个编程用的 rs-485 接口，可以和计算机连接，plc 作为下位机，利用计算机 作为上位机进行编程。功能强大的 cpu 的 ram 存储容量为 512kb，有 8192 个 存储器位，512 个定时器和 512 个计数器，数字量通道最大为 65536 点，模拟量 通道最大为 4096 个，由于使用 flash eprom，cpu 断电后无需后备电池可以长 时间保持动态数据，使 s7-300 成为完全无维护的控制设备。 s7-300 系列 plc 的主要特点是： （1） 功能强 极强的计算性能，完善的指令集，mpi 接口和通过 simeclams 联网 的网络功能，使 s3-300 功能更强。 强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能、口令保护，便利的连接系 统和无槽位限制的模块化结构。 快速，极其快速的指令处理大大地缩短了循环周期。 （2） 通用，着眼未来 满足各种要求的高性能模块和三种 cpu 适用于任一场合。 模块可扩展至最多三个扩展机架，相当高的安装密度。 用于与 simatic 其他产品相连的接口，集成了 mmi(人机界面)设备， 用户友好的 windows step7 编程，使得 s7-300 成为对未来的安全投资。 2.1.1 cpu 模块模块 系统选用的 cpu 模块为 cpu 313。它内置 20kb ram，最大可扩展 256kb flash-eprom 存储卡，有 12kb 随机存储器，位操作、字操作、定时加、浮点 加时间分别为 0.6s、2s、3s、60s，最大模拟量 i/o 通道数为 32 个，最大配置 1 个 机架 8 块模块，使用的是软件时钟，有定时器 64 个，位存储器 2048bit，可用模 块：组织块(ob)13 个，功能块(fb)128 个，功能调用(fc)128 个，数据块(db)127 个，系统数据块(sdb)6 个，系统功能块(sfc)34 个，系统功能块(sfb)没有。cpu 313 是具有更大存储器、低成本的解决方案。 4 s7-300 的 cpu 模块的方式选择开关都一样，有 4 种工作方式，通过可卸的专 用钥匙控制选择。 1)run-p：可编程运行方式。cpu 扫描用户程序，既可以用编程装置从 cpu 中读出，也可以由编程装置装入 cpu 中，用编程装置可以监控程序的运行。 在此位置钥匙不能拔出。 2)run：运行方式。cpu 不扫描用户程序，可以用变成装置读出并监控 plc 的 cpu 中的程序，但不能改变装置存储器中的程序。在此位置可以拔出钥匙， 防止程序正常运行时被改变操作方式。 3)stop：停止方式。cpu 不扫描用户程序，可以通过编程装置从 cpu 中读 出，也可以下载程序到 cpu 中。在此位置可以拔出钥匙。 4)mers：该位置瞬间接通，用以清除 cpu 存储器。cpu 模块面板上有 6 个 led 指示灯，显示运行状态和故障。 2.1.2 模拟量输入模块 系统中从检测装置过来的模拟量需经过 a/d 转换才能输入到 cpu 处理，这 就要求 plc 有模拟量输入处理模块。 sm 331 模拟量输入 简称模入(ai) 模块目前有三种规格型号，即位128ai 模块、位模块和位模块。系统选用了位模入模块，其端168ai122ai128ai 子接线图如图 2-1 所示。 图 2-1 sm 331 端子接线图 sm 331 模入模块主要由 a/d 转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、 光电隔离元件、逻辑电路组成。a/d 转换部件是模块的核心，其转换原理采用积 分方法。被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数。sm 331 可选用 4 档积 分时间：2.5、16.7、20 和 100ms，相对应的以位表示的精度： 5 8、12、12、14。sm 331 的 8 个模拟量输入通道共用一个积分式 a/d 转换部件。 某一通道开始转换模拟量输入值起到再次开始转换的时间是模入模块的循环时间。 sm 331 的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意选择测量 方法和测量范围。模块上需要接 24v 的直流电压 l+，有反接保护作用。不用的通 道要在组态软件中屏蔽掉，以免受干扰。 2.1.3 模拟量输出模块 经过 cpu 处理后的结果是数字量，而执行机构能接收的信号是模拟信号，这 就要求 plc 配有模拟量输出模块。 sm 332 模拟量输出简称模出(ao)模块目前有 3 种规格型号：位模124ao 块、位模块和位模块。系统选用的模出模块，其端子122ao164ao124ao 接线图如图 2-2 所示。 图 2-2 sm 332 位模入模块端子接线图124ao sm 332 可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用 2 线回路 和 4 线回路与负载连接。4 线回路的精度高，因此采用 4 线回路，它与负载的接 线如图 2-3 所示。 6 图 2-3 通过 4 线回路将负载与隔离的模出模块连接 2.1.4 电源模块 ps 307 电源模块是西门子公司为 s7-300 专配的 dc24v 电源，ps 307 系列模 块除输出额定电流不同外(有 2、5、10a)，其工作原理和参数都一样。系统选用 10a 的电源模块。 ps 307 10a 模块基本电路如图 2-4 所示。ps 307 10a 模块的输入接单相交流 系统，输入电压 120/230v，50/60hz，在输入和输出之间有可靠的隔离。输出电 压允许范围 20()v，最大上升时间 2.5s，最大残留纹波 150mv，ps 307 可安%5 装在导轨上，除了给 s7-300 供电，也可给 i/o 模块提供负载电源。 图 2-4 ps 307 电源模块(10a)基本电路图 7 2.2 控制对象特性 2.2.1 一阶单容上水箱特性 单容水箱系统结构图如图 2-5 所示，电动调节阀由 s7-300plc 手动输出，通 图 2-5 上水箱液位控制系统原理图 过阶跃响应测试确定系统的对象模型的各参数。阶跃响应测试法是系统在开环运 行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号 (阶跃信号)。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模 型的结构形式，对实验数据进行处理，决定模型中各参数。 由阶跃响应确定一阶过程参数有两种方法，一种是直角坐标图解法，一种是 半对数坐标图解法。毕业设计运用直角坐标图解法确定系统一阶系统的参数。系 统的阶跃响应曲线如图 2-6 所示，t=0 时曲线斜率最大，之后斜率减小，逐渐上升 到稳态值 h()，该曲线可用一阶有时延环节来近似。 图 2-6 一阶系统阶跃响应曲线 如图 2-5 所示，设水箱进水口的进水量为 q1，出水口出水量 q2，水箱液面高 度为 h。出水阀 4 固定于某一开度值。 根据物料动态平衡的关系，求得： (2-1) 122 qrh dt hd cr 8 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： (2-2) 11)( )( )( 2 2 1 ts k csr r sq sh sg 式中，t 为水箱的时间常数(阀 4 的开度大小会影响到水箱的时间常数)， t=r2*c，k=r2为过程放大倍数，r2为阀 4 的液阻，c 为水箱的容量系数。令输 入量 q1(s)=r0/s，r0 为常量，则输出液位的高度为 (2-3) t s kr s kr tss kr sh 1 ) 1( )( 000 根据上式，需要确定的参数是过程放大系数 k 和水箱的时间常数 t。 当 t=t 时， 有 (2-4)）（）（）（ hkrekrth632063201 0 1 0 即 (2-5)1 ()( 0 t t ekrth 当 t时，h()=kr0，因而有 k=h()/r0=输出稳态值/阶跃输入。 过 t=0 作曲线切线，该切线与 h()线交于一点，则这段切线在时间轴上的投 影即为时间常数 t，见图 2-6。 在一阶单容上水箱对象特性测试实验中，先设定输出值的大小，这个值根据 出水阀门的开度大小来设定，初次设定的值为 46。开启单向泵电源开关，启动动 力支路，将被控参数液位高度控制在 15.85cm。上水箱的水位趋于平衡，平衡后 输出值、水箱水位高度和测量显示值如表 2-1 所示。 表 2-1 第一次稳定后的纪录值 plc 输出值水箱水位高度 h1组态显示值 0100cmcm 4617.015.85 迅速增加 plc 手动输出值，增加 5%的输出量，此引起的阶跃响应的过程参 数如表 2-2 所示。 ，由此得到的变化曲线如图 2-7 所示。 表 2-2 增加 plc 手动输出后的过程参数 t(秒)04080120160200240280320360 水箱水位 h1(cm) 17.018.119.119.720.220.420.721.121.221.3 组态读数 (cm) 15.8816.8517.9318.5619.0219.2919.5319.8519.9920.01 9 图 2-7 增加输出值后的变化曲线 进入新的平衡状态，这时的数据如表 2-3 所示。 表 2-3 新的平衡状态的数据 plc 输出值水箱水位高度 h1组态显示值 0100cmcm 5121.220.15 再将输出仪表调回到系统第一次平衡前的位置，纪录阶跃响应过程参数的曲线如 图 2-8 所示，阶跃响应过程参数如表 2-4。 表 2-4 输出调回到原来的位置的阶跃响应参数 t(秒)04080120160200240280320360 水箱水 位 h1(cm) 17.018.119.119.720.220.420.721.121.221.3 组态读 数(cm) 15.8816.8517.9318.5619.0219.2919.5319.8519.9920.01 图 2-8 调回到第一次平衡时的曲线 10 由上述的实验可以根据前面所说的方法求出一阶环节的参数 t 和 k。 06 . 2 )(632 . 0 ht 86 )0()()( 00 r hh r h k 2.2.2 二阶双容下水箱对象特性 二阶双容水箱的系统结构图如图 2-9。这是由两个一阶非周期惯性环节串联 图 2-9 上水箱下水箱系统图 起来的，被调量是第二水槽的水位 h2。当输入量有一个阶跃增加 q1时。被调量 变化的反应曲线如图 2-10 所示的 h2曲线。它不再是简单的指数曲线，而是呈 11 图 2-10 被调量变化的反映曲线 s 型的一条曲线。由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落 后一步。在图中 s 型曲线的拐角 p 上作切线，它在时间轴上截出一段时间 oa， 这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此 称容量滞后，通常以 c代表之。 设上水箱进水口的流量为双容水箱的输入量，下水箱的高度 h2为输出量，根 据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为 (2-6) s e stst k sg sq sh ) 1)(1( )( )( )( 211 2 式中 k=r3，t1=r2c1，t2=r3c2，r2、r3分别为阀 5 和阀 6 的液阻，c1和 c2分别 为上水箱和下水箱的容量系数。由式中的 k、t1和 t2须从由实验求得的阶跃响应 曲线上求出。 开启单向泵电源开关，启动动力支路，将 plc 的输出值迅速上升到小于等于 60，将被控参数液位高度控制在 15cm 处。系统的被调量水箱的水位趋于平衡 后，纪录 plc 的输出值、水箱液位 h2和 plc 的测量显示值如表 2-5 所示。 表 2-5 二阶双容下水箱对象特性实验第一次稳定后的纪录值 plc 输出值水箱水位高度 h1组态显示值 0100cmcm 5415.513.8 迅速增加 plc 手动输出值，增加 10%的输出量，这时的阶跃响应过程参数如 表 2-6 所示，它的过程变化曲线如图 2-11 所示。 表 2-5 输出增加后的阶跃响应参数 t(秒)04080120160200240280320360 水箱水位 h1(cm) 15.415.816.316.817.218.419.219.8 20.220.6 组态读数 (cm) 13.7114.1214.5715.1116.1416.7417.4717.95 18.5218.92 12 图 2-11 输出值增加后的二阶系统的过程变化曲线 进入新的平衡状态，这时的数据如表 2-7 所示。 表 2-7 新的平衡状态的数据 plc 输出值水箱水位高度 h1组态显示值 0100cmcm 6422.621.35 再将输出仪表调回到系统第一次平衡前的位置，纪录阶跃响应过程参数的曲线如 图 2-12 所示。 图 2-12 达到新的平衡的曲线 由曲线 2-11 上得出 h2(t)稳态值的渐近线 h2()为 7.65cm， 时曲线上的点和对应的时间 t1为 317，时)(4 . 0)( 212 hth tt )(8 . 0)( 222 hth tt 曲线上的点和对应的时间 t2为 735。利用近似公式计算式(26)中的参数 k、t1 和 t2，具体如下： 13 5 . 76 )(h 0 2 r k 阶跃输入值 输入稳态值 302 16 . 2 tt 21 21 tt 203 . 0 )55 . 0 t t 74. 1 ( )( 2 1 2 21 21 tt tt 最后求出 k=76.5，t1=85.8s，t2=216.2s。对于式(2-6)所示的二阶过程， 0.32= 0 /如果模拟数值为正 jmp 0 /直接转换成实数 not /反之 ord 16#ffff0000 /将 ac0 内的数值进行符号扩展，扩展为 32 位 负数 lbl 0 dtr /将 32 位整数转换成实数 转换的下一步是实数进一步转换成 0.01.0 之间的标准化实数。可用下面的公 式对给定值及过程变量进行标准化： (3-1) setpanrawnorm offsrr)/( 式中，rnorm是标准化实数化实数值；rraw是标准化前的原始值或实数值；偏移 量 offset 对单极性变量为 0.0，对双极性变量取 0.5；取值范围 span 等于变量的最 大值减去最小值，单极性变量的典型值为 32 000，双极性变量的典型值为 64 000。 下面是将上述的转换后得到的 ac0 中的双极性实数(其 span=64 000)转换成 0.01.0 之间的实数的指令序列。 /r 64 000.0 /累加器中的实数标准化 +r 0.5 /加上偏移值，使其在 0.01.0 t md100 /将标准化后的值存入回路表内 回路输出即 pid 控制器的输出，它是 0.01.0 之间的实数。将回路输出送 给 d/a 转换器之前，必须转换成 16 位二进制整数。这一过程是将 pv 与 sv 转换 成标准化数值的逆过程。这一部用下式将回路输出转换成实数： spanoffsetmr nscal )( 式中，rscal是回路输出对应的实数值，mn是回路输出标准化的实数值，offset 22 与 span 与上述的定义相同。 回路输出转换为对应的实数的指令序列如下： l md108 /将回路输出送入累加器 -r 0.5 /仅双极性数才有此语句 *r 64 000.0 /单极性变量应乘以 32 000.0 将代表回路输出的实数转换成 16 位整数的指令序列如下： rnd /将实数转换为 32 位整数 t pqw0 /将 16 位整数写入模拟输出(d/a)寄存器 正作用与反作用 增益为正时为正作用回路，反之为反作用电路。对于增益为 0.0 的积分控制 或微分控制，如果积分或微分时间为正，为正作用回路，反之为反作用回路。选 择作用或反作用的原则是保证系统是负反馈而不是正反馈。 3.5.2 变量的范围 过程变量与给定值是 pid 运算的输入值，在回路表中它们只能被 pid 指令读 取而不能改写。每次完成 pid 运算后，都要更新回路表中的输出值 mn。它被限制 在 0.01.0 之间。从手动控制切换到 pid 自动控制方式时，回路表内的输出值可以 用来初始化输出值。 如果使用积分控制，上一次的积分值 mx(积分和)要根据 pid 运算的结果来更 新，更新后的数值作为下一次运算的输入。当输出值超出范围(小于 0.0 或大于 1.0)， 根据下列公式进行调整： 当控制器输出)(0 . 1 nn mdmpmx0 . 1 n m 或 当控制器输出)( nn mdmpmx0 . 0 n m 其中的 mx 是调整后的积分和，是 n 次采样时控制器的输出值，和 n m n mp 分别是第 n 次采样时中的比例项和微分项。 n md n m 通过调整积分和 mx，使输出回到 0.01.0 之间，可以提高系统的响应性 n m 能。mx 也应限制在 0.01.0 之间，每次 pid 运算结束时，将 mx 写入回路表，供 下一次 pid 运算使用。在执行 pid 指令前，用户可修改回路表上一次的积分值 mx，以解决某些情况下 mx 引起的问题。手工调整 mx 时必须严格小心，而且 写入回路表的 mx 必须是 0.01.0 之间的实数。回路表内的过程变量的差值用于 pid 计算的微分部分，用户不应修改它。 3.5.3 控制方式与出错处理 s7-300 的 pid 指令没有设置控制方式，执行 pid 指令为“自动”方式，不执 行 pid 指令为“手动”方式。pid 指令中的 tbl 是回路表的起始地址，loop 是 回路编号(见图 3-5)，pid 指令有一个能流记忆位，用该位检测到 en 端的能流从 23 0 到 1 正跳变时，指令将执行一系列的操作，使 pid 从手动方式切换到自动方式。 为了实现手动方式到自动方式的无扰动切换，转换前必须把当前的手动控制输出 值写入回路表的栏。pid 指令对回路表内的值进行下列操作，保证检测到能流 n m 从 0 到 1 的正跳变时，从手动方式无扰动地切换到自动方式： 1) 令给定值()=过程变量。 n sp)( n pv 2) 令上一次的过程变量=过程变量的当前值。)( 1n pv)( n pv 3) 令积分和=输出值()。)(mx n m pid 的能流记忆位的默认值为 1，在启动 cpu 或从 stop 方式转换到 run 方 式时它被置位。进入 run 方式后 pid 指令首次有效时，没有检测到使能为的正 跳变，就不会执行无扰动的切换操作。 编译时如果指令指定的回路起始地址或回路号超出范围，cpu 将生成编译错 误(范围错误)，引起编译失败。pid 指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查， 应保证过程变量不超限。回路表见表 3-2。 表 3-2 pid 指令的回路表 偏移地 址 变量格式类型描述 0 过程变量 pvn 双字实数输入应在 0.01.0 之间 4 给定值 spn 双字实数输入应在 0.01.0 之间 8输出值 mn双字实数输入/输出应在 0.01.0 之间 12增益 kc双字实数输入比例常数，可正可负 16 采样时间 ts 双字实数输入单位为 s，必须为正数 20 积分时间 ti 双字实数输入单位为 min，必须为正数 24 微分时间 td 双字实数输入单位为 min，必须为正数 28 上一次的积 分值 mx 双字实数输入/输出应在 0.01.0 之间 32 上一次过程 变量 pvn-1 双字实数输入/输出 最近一次运算的过程变量 值 24 4 4 控制方案设计控制方案设计 毕业设计的课题的液位控制系统原理图如图 2-1 和 2-5 所示。因为有两个水箱， 所以把它分成两个部分来分别设计。 4.14.1 系统设计系统设计 4.1.1 上水箱液位的自动调节 在这个部分中控制的是上水箱的液位。系统原理图如图 2-5 所示。单相泵正 常运行，打开阀 1 和阀 2，打开上水箱的出水阀，电动调节阀以一定的开度来控 制进入水箱的水流量，调节手段是通过将压力变送器检测到的电信号送入 plc 中， 经过 a/d 变换成数字信号，送入数字 pid 调节器中，经 pid 算法后将控制量经过 d/a 转换成与电动调节阀开度相对应的电信号送入电动调节阀中控制通道中的水 流量。 当上水箱的液位小于设定值时，压力变送器检测到的信号小于设定值，设定 值与反馈值的差就是 pid 调节器的输入偏差信号。经过运算后即输出控制信号给 电动调节阀，使其开度增大，以使通道里的水流量变大，增加水箱里的储水量， 液位升高。当液位升高到设定高度时，设定值与控制变量平衡，pid 调节器的输 入偏差信号为零，电动调节阀就维持在那个开度，流量也不变，同时水箱的液位 也维持不变。 系统的控制框图如图 4-1 所示。其中 sp 为给定信号，由用户通过计算机设定， pv 为控制变量，它们的差是 pid 调节器的输入偏差信号，经过 plc 的 pid 程序 运算后输出，调节器的输出信号经过 plc 的 d/a 转换成 420ma 的模拟电信号后 输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量，使水箱的液位保持设 定值。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到 plc 的输入接 口，再经过 a/d 转换成控制量 pv，给定值 sp 与控制量 pv 经过 plc 的 cpu 的 减法运算成了偏差信号 e ,又输入到 pid 调节器中，又开始了新的调节。所以系统 能实时地调节水箱的液位。 图 4-1 上水箱液位自动调节系统控制框图 4.1.2 上水箱下水箱液位串级控制系统 上水箱下水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后，外界环境的扰动 25 较大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不 能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。 在这里，执行机构仍然是电动调节阀，依旧由 plc 经过 pid 算法后控制它的 开度以控制水管里的水流量，控制两个水箱的水位。它有两个 pid 回路，分别是 pid1和 pid2。pid1为外环，控制下水箱的液位，它的输出值作为 pid2的设定值， pid2控制上水箱的液位。整个系统的配置如图 4-2 所示。 图 4-2 系统配置图 1-上水箱压力变送器 2-下水箱压力变送器 3-模入单元 4-模出单元 5-回路控制板 6-cpu 单元 7-电动调节阀 4.2 硬件设计 系统硬件的设计包括检测单元、执行单元和控制单元的设计，他们互相连接， 组成一个完整的系统。 4.2.1 检测单元 在过程控制系统中，检测环节是比较重要的一个环节。液位是指密封容器或 开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数 量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料的平衡，从而保证生产过程顺 利进行。 液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、 放射性式等。系统中用到的液位变送器是浙江浙大中控自动化仪表有限公司生产 的中控仪表 sp0018g 压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为 010kpa， 精度为，由 24v 直流电源供电，可以从 plc 的电源中获得，输出为%0 . 1 420ma 直流，接线如图 4-3 所示。 图 4-3 压力变送器的接线图 26 接线说明：传感器为二线制接法，它的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱 的引线口接入，直流电源 24v+接中继箱内正端(+)，中继箱内负端()接负载电阻 的一端，负载电阻的另一端接 24v-。传感器输出 420ma 电流信号，通过负载电 阻 250 转换成 15v 电压信号。 零点和量程调整： 零点和量程调整电位器位于中继箱内的另一侧。校正时打开中继箱盖，即可 进行调整，左边的(z)为调零电位器，右边的(r)为调增益电位器。 图 4-4 压力变送器工作原理图 压力变送器的工作原理见图 4-4。大气压力为 pa，选定的零液位处压力为 pb，零液位至液面高度为 h，其产生的压差 p 为 (4-1)ghppp ab 式中， 为水的密度，g 为重力加速度。根据式(4-1)，利用压力变送器将 pb转换 成 dc420ma 统一标准信号送入 plc 中，便得知被测的液位。 4.2.2 执行单元 执行单元是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节，它接受来自调节单 元的输出信号，并转换成直角位移或转角位移，以改变调节阀的流通面积，从而 控制流入或流出被控过程的物料或能量实现过程参数的自动控制。 执行器的工作原理见图 4-5，由执行机构和调节机构(调节阀)两部分组成。 图 4-5 执行器的工作原理图 执行机构首先将来自调节器的信号转变成推力或位移，对调节机构(调节阀)根据执 行机构的推力或位移，改变调节阀的阀芯或阀座间的流通面积，以达到最终调节 被控介质的目的。由图 4-5 可见来自调节器的信号经信号转换单元转换信号制式 后，与来自执行机构的位置反馈信号比较，其信号差值输入到执行机构，以确定 27 执行机构作用的方向和大小，其输出的力或位移控制调节阀的动作，改变调节阀 的流通面积