基于PLC的双容水箱液位控制.doc

摘 要 本次毕业设计的课题是基于 PLC 的液位控制系统的设计。目前 PLC 已广泛 地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规 模甚至超大规模的集成电路，PLC 已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具 有数据处理、PID 调节和数据通信功能。它采用了可编程序的存储器，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 过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制 器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设 计。可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。 本文采用的是三菱公司的 FX 系列开发环境，可对水箱的各个部分的运行程 序进行设计。同时采用三菱公司 FX2 系列 PLC 对水箱也为控制系统进行了仿真， 验证了该控制系统的可行性。实现了上水箱液位到达设定值以后能过流入到下水 箱,I/O 口的配置、硬件连接。本设计的重点和难点：水箱各部分程序的设计，对 应程序的调试与修正。 关键词：FX2 系列 PLC；PID 控制算法；双容水箱；PID 指令 ABSTRACT The subject of graduation design is based on PLC, liquid level control system design. the Plc has been widely used as a central processing unit microprocessor, import export module and the external circuits are used, large-scale integrated circuits even when the Plc is no longer the only logical (IC) judgement functions also have data processing, PID conditioning and data communications functions. International It used programmable memory, used to implement logic in their internal storage operations, sequence control, timing, counting and arithmetic operations, such as operating instructions, and through digital and analog input and output, the control of various types of machinery or production processes. Programmable controller and related peripherals, and industrial control systems easily linked to form a whole, to expand its functional design. Programmable controller for the user, is a non-contact equipment, the procedures can be changed to change production processes. The programmable controller has become a powerful tool for factory automation, widely popular replication. The paper simply introduces main structure and characteristics of garage and also gives a short introduction to its control system. The finite element reliability checking of steel structure of garage is utilized according to the operation principle of water-tans garage, the mechanics was used to comprehensively analyze the water-tans and translation stereo garag Keywords：FX2 series PLC；PIDcontrol algorithm；Double-dimension tanks；PID instruction 目 录 第第 1 1 章章 绪绪 论论 .1 1.1 PLC 的发展 .1 1.2 PLC 的工作原理 .2 第第 2 2 章章 水箱对象特性及水箱对象特性及 PIDPID 算法的应用算法的应用 .6 2.1 双容水箱对象特性 .6 2.2 PID 算法在双容水箱中的应用 .10 第第 3 3 章章 控制方案设计控制方案设计 .14 3.1 PLC 控制系统与其他控制系统的比较 .14 3.2 水箱控制系统方案设计 .16 第第 4 4 章章 PLCPLC 在水箱控制系统中的应用在水箱控制系统中的应用.18 4.1 三菱 PLC 控制系统.18 4.2 硬件设计 .19 4.3 PLC 控制程序设计 .21 结结 论论 .25 参考文献参考文献 .26 致致 谢谢 .27 1 第 1 章 绪 论 1.1 PLC 的发展 一、可编程控制器的产生 20 世纪 60 年代，在世界技术改造的冲击下，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。1968 年，美国最大的汽车制造商 通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引 起了开发热潮。 二、PLC 的发展现状 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已 全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、 更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现 代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广 泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系 列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量 日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段1。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持 为 3040%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和 网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在 过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控 制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了 各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合； 从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控 制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化 工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最 初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产 品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。 上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、 大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产 品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海 2 乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。可以预期，随着我 国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地。 进入 90 年代以来，自动化技术发展很快，并取得了惊人的成就，已成为国 家高科技的重要分支。过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产 自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和 劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作 用。 在本世纪 40 年代前后，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要是凭 经验用人工去控制生产过程。生产过程中的噶参数靠人工观察，生产过程的操作 也靠人工去执行。因此，当时的劳动效率是很低的。 40 年代以后，生产自动化发展很快。尤其是近年来，过程控制技术发展更为 迅速。纵观过程控制的发展历史，大致经历了下述几个阶段： 50 年代前后，过程控制开始得到发展。一些工厂企业实现了仪表化和局部自 动化。这是过程控制发展的第一阶段。这阶段主要的特点：检测和控制仪表普遍 采用基地式仪表和部分组合仪表；过程控制结构大多数是单输入单输出系统；被 控制参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数；控制目的是保持这些参数的 稳定，消除或减少对生产过程的主要扰动。 在 60 年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着 电子技术的迅速发展也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的 第二阶段。在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表。为了满足定型、灵活、多 功能的要求，有出现了组合仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比 较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。 70 年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型机算 计的开发应用，使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。对全工厂或整个 工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机 对生产过程进行控制和经营管理，是这一阶段的主要特征。过程控制发展到现代 过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三阶段。在新型的自动化技术工具方 面，开始采用微处理器为核心的智能单元组合仪表；在测量变送器方面，教为突 出的成分在线检测与数据处理的应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅 型仪表产品品种增加，可靠性提高，而且是本质安全防爆，适应了各种复杂控制 系统的要求。 1 1.2 PLC 的工作原理 PLC 具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般 采用等待命令的工作方式。PLC 则采用循环扫描工作方式。在 PLC 中，用户程序 3 按先后顺序存放，CPU 从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第 一条。如此周而不断循环。每一个循环成为一个扫描周期。一个扫描周期大致可 分为 I/O 刷新和执行指令两个阶段。 所谓 I/O 刷新即对 PLC 的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读 入 PLC 中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。这实际是将存入输 入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故成为“I（输入）/O（输出）刷 新” 。 由此可见，若输入变量在 I/O 刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出 端也会相应的发生变化，或者说输出对输入产生了响应。反之，若在本次 I/O 刷 新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次 扫描期间输出才会产生响应。由于 PLC 采用循环扫描的工作方式，所以它的输出 对输入的响应速度要收扫描周期的影响。扫描周期的长短主要受 PLC 的运算速度， 程序长度和每条指令占用时间长短影响。 一、PLC 的应用通常有以下五种类型： (1)顺序控制 这是 PLC 应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC 可应用 于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、 切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。 (2)运动控制 PLC 制造商目前已提出了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控 制模板。在多数情况下，PLC 把扫描目标位置的数据送给模板，其输出移动一轴 或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模板保持适当的速度和加速度，确 保运动平滑。 相对来说，位置控制模块比计算机数值控制装置体积更小，价格更低，速度 更快，操作方便。 (3)闭环过程控制 PLC 能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID 模块的提 供式 PLC 具有闭环控制功能，即一个具有 PID 控制能力的 PLC 可用于过程控制。 当过程控制中某一个变量出现偏差时，PID 控制算法会计算出正确的输出，把变 量保持在设定值上。 (4)数据处理 在机械加工中，出现把支持顺序控制的 PLC 和计算机数值控制（CNC）设备 紧密结合的趋向。著名的日本 FANUC 公司推出的 System10、11、12 系列，已将 CNC 控制功能作为 PLC 的一部分。为了实现 PLC 和 CNC 设备之间内部数据自由传 递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由 PLC 送至 CNC 设备使用，美国 GE 公司的 CNC 设备新机种也同样使用了具有数据处理的 4 PLC。预计今后几年 CNC 系统将变成以 PLC 为主体的控制和管理系统。 (5)通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化(FA)系统、柔性制造系统（FMS） 及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展 PLC 之间，PLC 和上级计算机之 间的通信功能。作为实时控制系统，不仅 PLC 数据通信速率要求高，而且要考虑 出现停电事故时的对策。 二、PLC 的特点： (1)可靠性高、抗干扰能力强 PLC 是为工业控制而设计的，除了对期间的严格筛选外，在硬件合软件两个 方面还采用可屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器 具有很强的靠干扰的能力，其平均无故障时间达到 3000h 以上。 (2)编程直观、简单 考虑到大多数电气技术人员熟悉电气控制电路的特点，PLC 没有采用微机控 制中常用的汇编语言，而是采用了一种面向控制过程的梯形图语言。梯形图语言 与继电器原理图象类似，形象直观、易学易懂，电气工程师和具有一定知识的电 气技术人员都可在短时间内学会，计算机技术合传统的继电器控制技术间的隔阂 在 PLC 上完全不存在。因此，许多国家生产的 PLC 都把梯形图语言作为第一用户 语言。此外，还可采用指令表进行编程控制。 (3)适应性好 PLC 时通过程序实现控制的。当控制要求发生改变时，只要修改程序即可。 由于 PLC 产品已标准化、系列化、模块化。因此能灵活方便的进行系统配置，组 成规模不同、功能不同的控制系统。其适应能力非常强，既可控制一台机器，一 条生产线，也可控制一个复杂的群控系统，既可以现场控制，又可以远距离控制。 (4)功能完善 接口功能强 PLC 具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算数运算、定时、 计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使设备控制水平 大大提高；其接口功率驱动范围较大，不像普通的计算机输出信号需放大才能驱 动负载，极大的方便了用户。其常用的数字量输入输出接口，就电源而言有 110V、220V 交流和 5V、48V 直流等多种。 三、PLC 的编程语言 PLC 提供了较完整的编程语言，以适应 PLC 在工业环境中的应用。利用编程 语言，按照不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬件接线线路，这就 是所谓的“可编程序” 。程序由编程器送到 PLC 内部的存储器中，它也能方便地 读出、检查与修改。PLC 提供的编程语言通常有三种:梯形图、功能图、及布尔逻 辑编程。 5 梯形图是应用最广的，梯形图编程有时称为继电器梯形图逻辑图编程。它使 用的最广是因为它和以往的继电器控制线路很接近。梯形图是在原继电器控制系 统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的，它与电气操作原理相呼应。 它的最大优点是形象、直观和实用，为广大电气技术人员所熟知。PLC 的梯形图 与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一 定区别。PLC 的梯形图使用的内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的， 其主要特点为使用方便、修改灵活。 功能图编程是一种较新的编程方法。它的作用是使用功能图来表达一个顺序 控制过程。 布尔逻辑编程包括“与” （AND） 、或（OR） 、非（NOT）以及定时器、计数器、 触发器等。就是大家所熟知的指令表程序。 每一种编程方法都有它的优点与缺点，根据每一种特殊的控制要求，根据编 程者的熟练程度正确合理应用编程方法。 6 第 2 章 水箱对象特性及 PID 算法的应用 2.1 双容水箱对象特性 2.1.1 一阶单容上水箱对象特性 所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能 力和无自衡能力两类。 一、自衡过程的建摸 所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作 人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。 图 2-1 所示为一个单容液位被控过程，其流入量，改变阀 1 的开度可以改 1 Q 变的大小。其流出量为，它取决于用户的需要改变阀 2 开度可以改变。 1 Q 2 Q 2 Q 液位 h 的变化反映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若作为被控 1 Q 2 Q 1 Q 过程的输入变量,h 为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是 h 与之间的数 1 Q 学表达式。 根据动态物料平衡关系有 (2-1) dt dh AQQ 21 将公式（2-1）表示成增量式为 (2-2) dt hd AQQ 21 在静态时，；当发生变化时，液位 h 随之变化，贮蓄出口处的静 21 QQ 1 Q 压随之变化，也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位 h 与流 2 Q 量之间为非线形关系2。但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为与 h 成 2 Q 正比关系，而与阀 2 的阻力成反比。 2 R 为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量。消去中间变量的方法很多， 2 Q 如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。这里，介绍后一 种方法。 7 1 Q 1 h 1 2 2 Q （a） Xh t t 00 图 2-1 液位被控过程及其阶跃响应 单容液位过程的传递函数为 (2-3) 11)( )( )( 0 0 1 2 1 0 sT K CsR R sQ sH sW 式中：过程的时间常数，； 0 T c20 RT 过程的放大系数，； 0 K 20 RK 过程的容量系数，或称过程容量。C 被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量 或容量系数。其物理意义:是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大 小。 图 2-1（b）所示为单容液位被控过程的阶跃响应曲线。 从上述分析可知，液阻不但影响过程的时间常数，而且还影响过程的 2 R 0 T 放大系数，而容量系数 C 仅影响过程的时间常数。 0 K 在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的。如皮带运输机的物料 8 传输过程，管道输送、管道反应和管道的混合过程等。下面讨论纯时延过程的建 模。 图 2-2 纯时延单容过程及其响应曲线 图 2-2 所示，流量通过长度为 l 的管道流入贮罐。当进水阀开度产生扰动 1 Q 后，需要流经管道长度为 l 的传输时间后才流入贮罐，才使液位 h 发生变化。 1 Q 0 t 具有纯时延单容过程的阶跃响应曲线如图 2-2 曲线 2 所示，它与无时延单容过程 的阶跃响应曲线在形状上完全相同，仅差一纯时延。 0 t 具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为 )( 0100 tTQKh dt hd T (2-4) st s 0 e 1T K (s)Q H(s) (s)W 0 0 1 0 式中：过程的时间常数，； 0 T c20 RT 过程的放大系数，； 0 K 20 RK 过程的纯时延时间。 0 t 二、无自衡过程的建模 所谓无自衡过程，是指过程在扰动的作用下，其平衡状态被破坏后，不需要 9 操作人员或仪表等干预，依靠其自身能力不能重新恢复平衡的过程。 2.1.2 二阶双容下水箱对象特性 在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称 为多容过程。 现在，以具有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法。 其被控量是第二只水箱的液位，输入量为与上述分析方法相同，根据 2 h 1 Q 物料平衡关系可以列出下列方程 (2-5) dt hd CQQ 1 121 (2-6) 2 1 2 R h Q (2-7) dt hd CQQ 2 232 (2-8) 3 2 3 R h Q 为了消去双容过程的中间变量、，将上述方程组进行拉氏变换。 1 h 2 Q 3 Q (2-9) ) 1)(1()( )( )( 21 0 1 2 0 sTsT K sQ sH sW 式中：第一只水箱的时间常数，； 1 R 121 CRT 第二只水箱的时间常数，； 2 T 322 RCT 过程的放大系数，； 0 K 30 RK 分别是两只水箱的容量系数。 21 C,C 流量有一阶跃变化时，被控量的响应曲线。与单容过程比较，多容过 1 Q 2 h 程受到扰动后，被控参数的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段时 2 h 延之后才达到最大值。即多容过程对于扰动的响应在时间上存在时延，被称为容 量时延。产生容量时延的原因主要是两个容积之间存在阻力，所以使的响应时 2 h 间向后推移。容量时延可用作图法求得，即通过响应曲线的拐点 D 作切线， 2 h 与时间轴相交与 A，与相交与 C，C 点在时间轴上的投影 B，OA 即为容量时 2 h 延时间，AB 即为过程的时间常数 T。对与无自衡能力的双容过程，被控量为 c t ，输入量为。产生阶跃变化时，液位并不立即以最大的速度变化，由 2 h 1 Q 1 Q 2 h 于中间具有容积和阻力。对扰动的响应有他、一定的时延和惯性。 2 h 10 (2-10) ) 1( 11 )( )( )( 01 2 0 TssTsQ sH sW 式中：T0过程积分时间常数，T0 = C2； T第一只水箱的时间常数。 同理，无自衡多容过程的数学模型为 (2-11) n TssT sW ) 1( 11 )( 0 0 当然无自衡多容过程具有纯时延时，则其数学模型为 (2-12) st n e TssT sW 0 ) 1( 11 )( 0 0 2.2 PID 算法在双容水箱中的应用 PID 控制的原理和特点 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。PID 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。 （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 11 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。 2.2.1 比例控制及其调节过程 在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就 有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀 门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。 比例调节规律及其特点 比例调节作用，一般用字母 P 来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作 用，可写成： （2-13） eKu p 式中 调节器的输出变化值； u 调节器的输入，即偏差； e 比例调节器的放大倍数。 p K 放大倍数是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大 p K 器。 比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复 到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调” 。纯比例调节只能用 于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。 2.2.2 比例积分调节 对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足 要求了，克服余差的办法是引入积分调节。 12 因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很 少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称 PI 调 节器，其作用特性可用下式表示： （2-14） ) 1 ( 1 edt T e P uuu I IPPI 这里，表示 PI 调节作用的参数有两个：比例度 P 和积分时间。而且比例 I T 度不仅影响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差 有力的特点，又具有克服余差的性能。 由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调） ，所 以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡 剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。如果把 积分时间放到最大，PI 调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。 2.2.3 比例积分微分调节 微分调节的作用主要是用来克服被调参数的容量滞后。在生产实际中，有经 验的工人总是既根据偏差的大小来改变阀门的开度大小（比例作用） ，同时又根 据偏差变化速度的大小进行调节。比如当看到偏差变化很大时，就估计到即将出 现很大的偏差而过量地打开（关闭）调节阀，以克服这个预计的偏差，这种根据 偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”作用，因而能比较有效地改善 容量滞后比较大的调节对象的调节质量。 什么是微分调节？ 微分调节是指调节器的输出变化与偏差变化速度成正比，可用数学表达式表 示为： （2-15） dt ed Tu D )( 从上式可知，偏差变化的速度越大，微分时间越长，则调节器的输出变化 D T 就越大。对于一个固定不变的偏差，不管其有多大，微分做用的输出总是零，这 是微分作用的特点。 由于实际微分器的比例度不能改变，固定为 100%，微分作用也只在参数变化 时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都是和其它调节作用相配合， 构成比例微分或比例积分微分调节器。 比例积分微分调节又称 PID 调节，它可由下式表示： 13 （2-16） )(1 1 dt ed Tedt T e P u D I PID 调节中，有三个调节参数，就是比例度 P、积分时间、微分时间。 I T D T 适当选取这三个参数值，就可以获得良好的调节质量。 由分析可知，PID 三作用调节质量最好，PI 调节第二，PD 调节有余差。纯比 例调节虽然动偏差比 PI 调节小，但余差大，而纯积分调节质量最差，所以一般 不单独使用。 14 第 3 章 控制方案设计 3.1 PLC 控制系统与其他控制系统的比较 3.1.1 PLC 控制系统与计算机控制系统比较 计算机控制系统在工业控制领域中，其主机一般采用能够在恶劣工业环境下 可靠运行的工控机。工控机有通用微机应用发展而来，在硬件结构方面总线标准 化程度高、品种兼容性强、软件资源丰富、能提供实时操作系统的支持、故对要 求快速，实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势。但是，它的使用和维 护要求工作人员应具有一定的专业知识、技术水平较高、且工控机在整机水平上 尚不能适应恶劣工作环境。可编程控制器对此进行了改进，交通用为专用、有利 于降低成本、缩小体积、提高可靠性等特性。更适应过程控制的要求 PLC 控制系 统与计算机系统比较见表 3-1。 表 3-1 PLC 控制系统与通用计算机系统的比较 比较项目通用计算机系统PLC 控制系统 工作目的科学计算工业自动控制 工作环境对工作环境要求高对工作环境要求低 可在恶劣的工业现 场工作 工作方式中断处理方式循环扫描方式 系统软件需配备功能较强的系统软件一般只需简单的监控程序 采用的特殊措施掉电保护等一系列措施采用多种抗干扰措施 自诊断 断电保 护 可在线维修 编程语言汇编语言 高级语言 梯形图 助记符语言 SFC 标准化语言 对操作人员的要求需专门培训 并具有一定的计算机基础一般的技术人员 稍加培训即可操作使 用 对内存的要求容量大容量小 价格价格高价格低 其他若用于控制 一般需自行设计机种多 模块种类多 易于集成系统 从表 3-1 可见，在控制功能方面 PLC 与通用计算机相比，工作更稳定可靠、 而且编程简单、使用方便、应用设计和调试周期可大大缩短、加之又能在恶劣工 业环境下和强电一起工作，容易实现机电一体化。 15 3.1.2 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较 继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现水箱控制的方法。但是，进入 90 年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对水箱的安全性 要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。 可编程控制器最早是根据逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境 应用而设计的数学运算操作的电子装置，鉴于其种种优点。目前，水箱的继电器 控制方式已逐渐被 PLC 控制所代替。因此，PLC 控制技术已成为现代水箱控制系 统的一个热点。 水箱继电器控制系统存在很多的问题，系统触点繁多、接线线路复杂、且触 点容易烧坏磨损、造成接触不良、因而故障率较高。普通控制电器及硬件接线方 式难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加、技术水平难以提高、 电磁机构及触点动作速度比较慢、机械和电磁惯性大、系统控制精度难以提高、 系统结构庞大、能耗较高，机械动作噪音大。由于线路复杂，易出现故障。 因 而保养维修工作量大、费用高，而且检查故障困难，费时费工。 水箱继电器控制系统故障率高，大大降低了水箱的稳定性和安全性。且水箱 一旦发生泄漏或者爆炸，不但会造成水箱机械部件损坏，还会出现人身事故。 PLC 是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。 PLC 与普通微机一样，以通过或专用 CPU 作为字处理器，实现通道的运算和数据 存储。另外还有位处理器，进行点运算与控制 PLC 控制一般具有可靠性高、易操 作、维修、编程简单、灵活性强等特点。 PLC 控制水箱的优点： (1) 在水箱控制中采用 PLC，用软件实现对水箱运行的自动控制，可靠性大 大大提高。 (2) 去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。 (3) 可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。 (4) 可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。 (5) 更改控制方案时不需改动硬件接线。 为便于比较 PLC 控制系统于继电器控制系统优缺点现列表如下 详见表 3-2 从表 3-2 可以看出 PLC 控制系统具有继电器控制系统无法比拟的优点。因此， 传统的继电器控制系统将逐渐被 PLC 控制系统所取代是大势所趋。 16 表 3-2 PLC 控制系统与继电器控制系统 比较项目继电器控制系统PLC 控制系统 控制功能实现有许多继电器 采用接线的方式来 完成控制功能 各种控制功能通过编程来实现 对控制要求变更适应性适应性差 需要重新设计 改变继 电器和接线 适应性强 只需要针对程序进行修 改 控制进度低 靠机械动作实现极快 靠微处理器进行处理 特殊功能一般没有有 安装施工连线多 施工繁安装容易 施工方便 可靠性差 触点多 故障多高 因元器件采取了筛选和抗老 化等可靠性措施 寿命短长 可扩展性困难容易 维护工作量大 故障不易查找有自诊能力 维护工作量小 3.2 水箱控制系统方案设计 电梯控制系统原理如图 3-1 所示。主要是由阀门、单向泵、水箱、液位传感 器、压力表及 PLC 电路等组成。 17 出水口 阀 3 阀 2 电动 调节 阀 压力表 阀 1 出水口 阀 6 下水 箱液 位传 感器 上水 箱液 位传 感器 阀 4 进水口 溢 水 口 溢 水 口 储水箱 单 向 泵 出水口 进水口 图 3-1 系统原理图 18 第 4 章 PLC 在水箱控制系统中的应用 4.1 三菱 PLC 控制系统 FX2 系列 PLC 是三菱电机公司 1991 年继 F、F1、F2 系列之后推出的产品，是 目前运行速度最快的小型 PLC 之一。下面我们以小型 FX2 系列 PLC 为例介绍 PLC 的硬件组成。图 4-1 为 PLC 的原理图。 外 存 接 口 其 他 接 口 ROM RAM 编辑器 CPROM EPROM 计算机 其他设备 A/D D/A 输入接口 光电耦合 输出接口 继电器或晶 体管 图 4-1 PLC 的原理图 4.1.1 CPU 模块 CPU 是 PLC 的核心组成部分，与通用微机的 CPU 一样，它在 PLC 系统中的作 用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑” 。其功能是： 1、PLC 中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。 19 2、用扫描方式接受现场输入装置的状态，并存入映像寄存器。 3、诊断电源、PLC 内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。 在 PLC 进入运行状态后，从存储器中逐条读去用户程序，按指令规定的任务， 产生相应的控制信号，去起闭有关控制电路。 4.1.2 I/O 模块 I/O 模块是 CPU 与现成 I/O 装置或其他外部设备之间的连接部件。PLC 提供 了各种操作电平与驱动能力的 I/O 模块和各种用途 I/O 元件供用户选用。如输入/ 输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、误码校验、A/D 或 D/A 变 换以及其他功能模块等。I/O 模块将外部输入信号变换成 CPU 能接受的信号，或 将 CPU 的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正 常的工作。 其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入 CPU 控制板，CPU 发出输出 信号至输出端。输出方式有三种：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。 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、I/O 端口及参数设置 单元的设计，他们互相联系，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。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通 道中的水流量，控制水箱的液位。 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 0-10KPa， 精度为 ，由 24V 直流电源供电，可以从 PLC 的电源中获得，输出为 4-20mA 直流。 4.2.2 执行单元 20 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，由执行机构和调节机构(调节阀)两部分组成。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。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，从而改 变被控介质的流量2。当位置反馈信号与输入信号相等时，系统处于平衡状态， 调节阀处于某一开度。系统中用到的调节阀是 QS 智能型调节阀，所用到的执行 机构为电动执行机构，输出为角行程，控制轴转动。电动执行机构的组成框图。 来自 PLC 的模拟量输出 DC4-20mA 信号 Ii 与位置反馈信号 If 进行比较，其 差值经放大后，控制伺服电动机正转或反转，再经减速器后，改变调节器的开度， 同时输出轴的位移，经位置发生器转换成电流信号 If。当 Ii=If 时，电动机停止 转动，调节阀处于某一开度，即 Q=KIi，式中 Q 为输出轴的转角，K 为比例常数。 电动调节阀还提供手动操作，它的上部有个手柄，和轴连在一起，在系统掉电时 可进行手动控制，保证系统的调节作用。 4.2.3 控制单元 控制单元是整个系统的心脏。在系统中，PLC 是控制的中心元件，它的选择 是控制单元设计的重要部分。系统应用的是三菱 FX2 系列的 PLC，其结构简单， 使用灵活且易于维护。它采用模块化设计，本系统主要包括 CPU 模块、模拟量输 入模块、模拟量输出模块和电源模块。 4.2.4 I/O 端口及参数单元 所谓输入输出点定义是指整体输入输出点的分布和每个输入输出点的名称 定义，它们会给程序的编制、系统的调试和文本的打印等带来很多方便。因为本 系统是对水量控制的应用系统，选用一般的可编程序控制器，其具有的自诊断功 能和采用的循环扫描工作方式完全能满足要求。加上一些用于人机交流及安全检 测的数字量输入，如数字键盘输入、各种操作按钮等。再考虑到系统的可扩展性， 选用三菱公司的 FX2N 系列的可编程序控制器完全满足容量的要求。我们在分配 输入输出点时按照控制功能分段，相同功能的输入板和输出板组成一组。一般情 况下输入点与输入信号，输出点与输出控制一对应。分配好后，选用三菱公司 FX2N 系列可编程序控制器的存储容量完全能满足双容水箱液位控制系统的要求。 21 键盘输入数字经过 PID 运算后，其输出阀门开大或者关小，从而控制高低位水箱 的液位在其精度范围呢调节。各仪表的参数设置如表 4-1 所示 表 4-1 双容水箱液位控制仪表参数 仪表主调节器副调节器 上线报警8080 下线报警00 正偏差报警8383 负偏差报警00 比例度10015 积分时间5035 微分时间85 输入规格3332 运行状态11 输入上限8080 4.3 PLC 控制程序设计 4.