上水箱液位PLC控制实验论文(DOC毕设论文).doc

摘要 可编程控制器由于其在工业控制方面的应用意义越来越变的明显 并在发电 化工 电子等多种行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用 随着我国经济 的不断发展 社会高度信息化 新的高科技技术不断应用到各个方面中 使得智能 化已成为一种发展的必然趋势 智能化也往往是从设备自动化系统开始 PLC 控制系统设计的一般步骤可以分为以下几步 熟悉控制对象并计算输入 输 出设备 PLC 选型及确定硬件配置 设计电气原理图 设计控制台 柜 编制控 制程序 程序调试和编制技术文件 多年来 可编程控制器 以下简称 PLC 从其产生到现在 实现了接线逻辑到存 储逻辑的飞跃 其功能从弱到强 实现了逻辑控制到数字控制的进步 其应用领域 从小到大 实现了单体设备简单控制到胜任运动控制 过程控制及集散控制等各种 任务的跨越 今天的 PLC 在处理模拟量 数字运算 人机接口和网络的各方面能力 都已大幅提高 成为工业控制领域的主流控制设备 在各行各业发挥着越来越大的 作用 关键词 cs4000 系列 PLC 控制对象特性 PID 指令 实验 Abstract Because of its programmable controller in the industrial control application significance is apparent with each passing day and in the power chemical electronics and other industries of electrical control equipment has been widely used With the constant development of our economy a high degree of information based society the new high tech technology applied to all aspects of making intelligent has become a development trend Intelligence is often the automation system equipment from the start PLC control system design of the general steps can be divided into the following steps familiar with the control object and the calculation of the input output device PLC selection and determination of the hardware configuration the electrical design design of the console cabinet programming debugging and the preparation of technical documents Over the years the programmable controller PLC of the following abbreviation from its birth to the present realize the logical connection to the storage logical leap its function from weak to strong realizes the digital control logic to control the progress of its application fields from small to large the realization of a single simple equipment competent to control motion control process control and distributed control a variety of tasks across Today PLC in analog digital operation the man machine interface and various aspects of network capacity has been greatly improved as the field of industrial control main control equipment in all walks of life play an increasingly important role Keywords cs4000 series PLC the control object characteristics PID instruction experimental 目录 引言 1 第一章 可编程控制器简介 2 1 1 PLC 的产生 定义及现状 2 1 1 1 PLC 的产生 定义 2 1 1 2 PLC 的发展现状 2 1 2 过程控制的发展 3 1 3 PLC 的工作原理 4 1 3 1 输入处理 4 1 3 2 程序处理 4 1 3 3 输出处理 4 1 4 本论文研究的目的 主要内容 5 1 4 1 本文研究的目的 意义 5 1 4 2 本文研究的主要内容 6 第二章 S7 200 系列 PLC 硬件简介 7 2 1 S7 200 主机简介 7 2 1 1 外形结构 7 2 1 2 应用 7 2 2 西门子 S7 200 指令简介 8 2 3 SIMATIC 位逻辑指令 8 2 3 1 标准触点 8 2 3 2 立即触点 8 2 3 3 取非 8 2 3 4 正 负跳变 8 2 3 5 输出 9 2 3 6 立即输出 9 2 3 7 置位和复位 N 9 2 3 8 立即置位和立即复位 N 9 2 3 9 空操作 9 2 4 SIMATIC 比较指令 9 2 4 1 字节比较 9 2 4 2 整数比较 10 2 4 3 双字节整型比较 10 2 4 4 实数比较 10 2 5 SIMATIC 定时器指令 10 2 5 1 接通延时定时器 TON 10 2 5 2 断开延时定时器 TOF 10 2 5 3 有记忆接通延时定时器 TONR 11 2 5 4 SIMATIC 计数器指令 11 2 5 5 SIMATIC 转换指令 12 2 5 6 SIMATIC 程序控制指令 13 2 5 7 SIMATIC 中断和通讯指令 15 第三章 熟悉实验 17 3 1 实验名称 17 3 2 实验目的 18 3 3 实验器材 19 3 4 实验原理 19 3 5 实验内容和步骤 20 3 6 阶跃响应曲线 21 3 7 实验中注意事项 22 第四章 PID 控制实验 23 4 1 实验名称 23 4 2 实验相关了解 23 4 2 1 实验了解 23 4 3 实验目的 27 4 4 实验器材 27 4 5 实验原理 27 4 6 实验内容和步骤 28 4 7 实验过程 29 4 8 注意事项 37 4 9 实验后的一些思考 37 4 10 实验中出现的一些问题 38 结论 39 参考文献 40 谢辞 41 引言 随着科学技术的飞速发展 PLC 已经入日常生产的各个方面 PLC 的应用在各 行各业已成为必不可少的内容 PLC 是继电气技术和 3C 技术 计算机 控制 通信 的综合体 是一种控制机器动作顺序的 程控型 控制装置 他能适应工厂 环境要求 工作可靠体积小 功能强 而且用途可随时改变 长期以来 PLC 始终 处于工业自动化控制领域的主战场 为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠 的控制应用 目前 在电气控制领域 国内外普遍采用 PLC 特别是最近几年的冶金行业中 PLC 以其在工业恶劣的环境下仍然能可靠性工作 及抗干扰能力强的特点而获得更 为广泛的使用 PLC 是电器 仪表 控制这三个集于一体 可以方便 灵活的组合 成各种不同规模和要求的控制系统 以适应各种工业控制的需要 随着微电子技术 的快速发展 PLC 的制造成本不断下降 而其功能却大大增强 在先进工业国家中 PLC 已经为工业控制的标准设备 应用几乎覆盖了所有工业企业 日益跃居现代工 业自动化三大支 PLC ROBOT CAD 的主导地位 第一章 可编程控制器简介 1 1 PLC 的产生 定义及现状 1 1 1 PLC 的产生 定义 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 可编程控制器的定义 国际工委员会 IEC 曾于 1982 年 11 月颁布了可编程控制器标准草案第一稿 1985 年 1 月又发表了第二稿 1987 年 2 月颁布了第三稿 该草案中对可编程控制器 的定义是 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境下应用 而设计 它采用了可编程的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术计算等面向用户的指令 并通过数字量和模拟量的输入和输出 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 都按易于与工 业系统联成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 1 1 2 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 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 30 40 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 1 2 过程控制的发展 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 对整个工厂或整个工 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 不仅第三型仪表 气 动仪表 液动仪表和电动仪 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 3 PLC 的工作原理 可编程控制器的运行是以成批输入 输出方式 或刷新方式 运行的 PLC 不停 的循环运行 每个循环周期的工作流程可分为以下三步 1 3 1 输入处理 程序执行前 可编程控制器的全部输入端子的通 断 状态读入输入映像寄存器 在程序执行中 即使输入状态变化 输入映像寄存器的内容也不变 直到下以 扫描周期的输入处理阶段才读入这变化 另外 输入触点从通 ON 断 OFF 或 从断 OFF 通 ON 变化到处于确定状态止 输入滤波器还有一响应延迟时间 约 10ms 1 3 2 程序处理 对应用户程序存储器所存的指令 从输入映像寄存器和其它软元件的映像寄存 器中将有关软元件的通 断状态读出 从 0 步开始顺序运算 每次结果都写入有关的 映像寄存器 因此 各软元件 I 除外 的映像寄存器的内容随着程序的执行在不 断变化 输出继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定 1 3 3 输出处理 全部指令执行完毕 将输出 Q 的映像寄存器的通 断状态向输出锁存寄存器传送 成为可编程控制器的实际输出 可编程控制器内的外部输出触点对输出软元件的动作有一个响应时间 即要有 一个响应时间 即要有一个延迟才动作 PLC 在执行完第 3 步后 又跳到第 1 步重新运行 如此不断循环 输入端子 输入映像 寄存器 元件映像 寄存器 I0 0 Q0 0 2 读 3 写 4 读 5 写 1 读 I0 0 I0 1 I0 2 输入处理 程序处理 辅助 继电器 输出锁存 存贮器 输出处理 Q0 0 Q0 1 Q0 2 反复 一个周期称为 程序扫描周期 6 输出 输入端子 可可 编编 程程 控控 制制 器器 工工 作作 原原 理理 图图 Q0 0 M0 0 1 4 本论文研究的目的 主要内容 1 4 1 本文研究的目的 意义 可编程序控制器 PLC 作为现代化的自动控制装置已普遍应用于工业的各个领 域 是生产过程自动化必不可少的智能控制设备 掌握 PLC 的组成原理及编程方法 熟悉 PLC 的应用技巧 是每一位机电类专业技术人员必须具备的基本能力之一 可 通过此实验过程能掌握一定的 PLC 控制应用知识 为以后在企业中的应用奠定扎实 的基础 1 4 2 本文研究的主要内容 进行单回路上水箱液位的 PLC 控制实验 第二章 S7 200 系列 PLC 硬件简介 SIMATIC S7 200 系列 PLC 适用于各行各业 各种场合中的检测 监测及控制的 自动化 S7 200 系列的强大功能使其无论在独立运行中 或相连成网络皆能实现复 杂控制功能 因此 S7 200 系列具有极高的性能 价格比 2 1 S7 200 主机简介 2 1 1 外形结构 图 2 1 为 S7 200 CPU 的外形结构图 图 2 1 S7 200 CPU 图 2 2 为带有扩展模块的 S7 200 CPU 的外形结构图 图 2 2 带有扩展模块的 S7 200 CPU 2 1 2 应用 小型的 PLC CPU 221 价格低廉 能满足多种集成功能的需要 CPU 222 是 S7 200 家族中低成本的单元 通过可连接的扩展模块 即可处理模 拟量 CPU 224 具有更多的输入 输出点及更大的存储器 CPU 226 是功能最强的单元 可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求 2 2 西门子 S7 200 指令简介 在 S7 200 CPU 中有两类基本指令 SIMATIC 指令集和 IEC1131 3 指令集 在 SIMATIC 指令集所包含的指令能完成包括通讯在内的很多功能 基本满足本实验装 置的需要 所以本书只简单介绍 SIMATIC 指令集 2 3 SIMATIC 位逻辑指令 2 3 1 标准触点 当常开触点对应当存储器地址位为 1 时 表示该触点闭合 当常闭触点对应当 存储器地址位为 0 时 表示该触点闭合 在语句表中 常开触点由 LD 装载 A 与 及 O 或 指令描述 常闭触点 由 LDN 非装载 AN 非与 和 ON 非或 指令描述 在梯形图中 常开和常闭指令用触点表示 在功能块图中 常开指令用 AND OR 盒表示 常闭指令也用盒表示 用输入信号 上加一个取非但圆圈来表示常闭指令 2 3 2 立即触点 当常开立即触点的物理输入点的位值为 1 时 表示该触点闭合 当常闭立即触 点的物理输入点的位值为 0 时 表示该触点闭合 在语句表中 常开触点由 LDI 立即装载 AI 立即与 及 OI 立即或 指令 描述 常闭触点由 LDNI 立即非装载 ANI 立即非与 和 ONI 立即非或 指令 描述 在梯形图中 常开和常闭指令用触点表示 在功能块图中 常开立即指令用操作数前加立即标示符表示 常闭立即指令也 用操作数前加立即标示符合取负圆圈表示 2 3 3 取非 在语句表中 取非指令用 NOT 表示 由 0 变到 1 或者由 1 变到 0 在梯形图中 取非指令用触点表示 在功能块图中 取非指令用带有非号的布尔盒输入表示 2 3 4 正 负跳变 正跳变触点在检测到每一次正跳变 从 off 到 on 之后 让能流接通一个扫描 周期 负跳变触点在检测到每一次负跳变 从 on 到 off 之后 让能流接通一个扫描 周期 在语句表中 正跳变触点由 EU 指令来描述 负跳变触点由 ED 指令来描述 在梯形图中 正 负跳变用触点表示 在功能块图中 正 负跳变用 P 和 N 指令盒来表示 2 3 5 输出 当执行输出指令时 映像寄存器中的指定参数位被接通 在语句表中 输出指令用 来表示 在梯形图和功能块图中 当执行输出指令时 指定的位设为等于能流 2 3 6 立即输出 当执行立即输出指令时 该物理输出点被设为等于能流 在语句表中 输出指令用 I 来表示 指令中的 I 表示立即之意 2 3 7 置位和复位 N 执行置位 置 1 复位 置 0 指令时 从 bit 或 OUT 指定的地址参数开始的 N 个点都被置位或复位 在语句表中 置位和复位指令用 S 和 R 来表示 复位和置位的点数 N 可以是 1 255 当用复位指令时 如果 bit 或 OUT 指定的 是 T 位或 C 位 那么定时器或计数器被复位 同时定时器或计数器当前值将被清零 2 3 8 立即置位和立即复位 N 执行立即置位 立即复位指令时 从 bit 或 OUT 指定的 N 个物理输出点都被立 即置位或复位 指令中的 I 表示立即之意 2 3 9 空操作 在语句表中 空操作指令用 NOP 来表示 空操作指令不影响程序的执行 操作数 N 是一个 0 到 255 之间的数 2 4 SIMATIC 比较指令 2 4 1 字节比较 字节比较指令用来比较两个值 IN1 和 IN2 的大小 比较式可以是 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 不等于 字节的比较是无符号的 在语句表中 使用 LDB AB 或 OB 指令来表示 2 4 2 整数比较 整数比较指令用来比较两个值 IN1 和 IN2 的大小 比较式可以是 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 不等于 整数的比较是有符号的 16 7FFF 16 8000 在语句表中 使用 LDW AW 或 OW 指令来表示 2 4 3 双字节整型比较 双字节整型比较指令用来比较两个双字整型数值 IN1 和 IN2 的大小 比较式可 以是 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 不 等于 双字节的比较是有符号的 16 7FFFFFFF 16 80000000 在语句表中 使用 LDD AD 或 OD 指令来表示 2 4 4 实数比较 实数比较指令用来比较两个实数 IN1 和 IN2 的大小 比较式可以是 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 IN1 IN2 不等于 实数的比较是有符号的 在语句表中 使用 LDR AR 或 OR 指令来表示 2 5 SIMATIC 定时器指令 2 5 1 接通延时定时器 TON 当定时器的启动信号 IN 的状态为 0 时 定时器的当前值 SV 0 定时器 Tn 的 状态也是 0 定时器没有工作 当 Tn 的启动信号由 0 变为 1 时 定时器开始工作 每过一个时基时间 定时器的当前值 SV SV 1 当定时器的当前值 SV 等于大于定 时器的设定值 PT 时 定时器的延时时间到了 这时定时器的状态由 0 转换为 1 在 定时器输出状态改变后 定时器继续计时 直到 SV 32767 最大值 时 才停止 计时 SV 将保持不变 只要 SV PT 值 定时器的状态就为 1 如果不满足这个条件 定时器的状态应为 0 2 5 2 断开延时定时器 TOF 当定时器的启动信号 IN 的状态为 1 时 定时器的当前值 SV 0 定时器 Tn 的 状态也是 1 定时器没有工作 当 Tn 地启动信号由 1 变为 0 时 定时器开始工作 每过一个时基时间 定时器的当前值 SV SV 1 当定时器的当前值 SV 等于大于定 时器的设定值 PT 时 定时器的延时时间到了 这时定时器的状态由 1 转换为 0 在 定时器输出状态改变后 定时器停止计时 SV 将保持不变 定时器的状态就为 0 当 IN 信号由 0 变为 1 时 则 SV 被复位 Tn 状态也为 1 当 IN 从 1 变为 0 后 维持 的时间不足以使得 SV 达到 PT 值时 Tn 的状态不会由 1 变为 0 2 5 3 有记忆接通延时定时器 TONR 带有记忆接通延时的原理与接通延时定时器大体相同 当定时器的启动信号 IN 的状态为 0 时 定时器的当前值 SV 0 定时器 Tn 的状态也是 0 定时器没有工作 当 Tn 地启动信号由 0 变为 1 时 定时器开始工作 每过一个时基时间 定时器的当 前值 SV SV 1 当定时器的当前值 SV 等于大于定时器的设定值 PT 时 定时器的延 迟时间到了 这时定时器的状态由 0 转换为 1 在定时器输出状态改变后 定时器 继续计时 直到 SV 32767 最大值 时 SV 将保持不变 只要 SV PT 值 定时器 的状态就为 1 如果不满足这个条件 定时器的状态应为 0 当 IN 信号由 1 变为 0 则 SV 0 Tn 状态也为 0 带有记忆接通延时定时器与接通延时定时器不同之处 在于 带有记忆接通延时定时器的 SV 值是可以记忆的 当 IN 从 0 变为 1 后 维持 的时间不足使得 SV 达到 PT 值时 IN 从 1 变为 0 这时 SV 可以保持 IN 再次从 0 变为 1 时 SV 在保持值得基础上积累 当 SV 等于大于 PT 植时 Tn 的状态仍可由 0 变为 1 2 5 4 SIMATIC 计数器指令 1 增计数器 CTU 增计数器在复位端信号为 1 时 其计数器的当前值 SV 0 计数器的状态也为 0 当复位端的信号为 0 时 其计数器可以工作 每当一个输入脉冲到来时 计数器 的当前值做加 1 操作 即 SV SV 1 当当前值大于等于设定值时 计数器的状态 变为 1 这时再来计数脉冲时 计数器的当前值仍不断地累加 直到 SV 32767 时 时 停止计数 直到复位信号到来 计数器的 SV 值等于 0 计数器的状态变为 0 2 减计数器 CTD 减计数器在装载输入信号为 1 时 其计数器的设定值 PV 被装入计数器的当前值 寄存器 此时 SV PV 计数器的状态为 0 当装载输入端的信号为 0 时 其计数器 可以工作 每当一个输入脉冲到来时 计数器的当前值做减 1 操作 即 SV SV 1 当当前值等于 0 时 计数器的状态变为 1 并停止计数 这种状态一直 保持到装载输入端变为 1 再一次装入 PV 值之后 计数器的状态变为 0 才能再次 重新计数 减计数器的状态 只有在当前值 SV 0 时 才为 1 3 增减计数器 CTUD 增减计数器在复位端信号为 1 时 其计数器的当前值 SV 0 计数器的状态也 为 0 当复位端的信号为 0 时 其计数器可以工作 每当一个增计数输入脉冲到来时 计数器的当前值做加 1 操作 即 SV SV 1 当当前值大于等于设定值时 计数器的状态变为 1 这时再来计数脉冲 时 计数器的当前值仍不断地累加 直到 SV 32767 时时 停止计数 每当一个减计数输入脉冲到来时 计数器的当前值做减 1 操作 即 SV SV 1 当当前值小于设定值时 计数器的状态变为 0 再来减计数脉冲时 计 数器的当前值仍不断地递减 2 5 5 SIMATIC 转换指令 1 BCD 码与整数的转换 BCD 码与整数的转换 输入范围是 0 9999 在语句表中 BCD 码转换为整数与整数转换为 BCD 码分别使用 BCDI IBCD 来表 示 在梯形图和功能块图中 分别用 BCD I I BCD 指令盒来表示 2 译码 译码指令根据输入字节的低四位所表示的位号置输出字的相应位为 1 其它位 置为 0 在语句表中 使用 DECO 来表示 在梯形图和功能块图中 用 DECO 指令盒来表示 3 编码 编码指令将输入字的最低有效位 值为 1 的位号写入输出字节的低四位 在语句表中 使用 ENCO 来表示 在梯形图和功能块图中 用 ENCO 指令盒来表示 4 段码 段码指令产生点亮七段码显示器的位模式段码值 它是根据输入字节的低 4 位 的有效数字值产生相应点亮段码 在语句表中 使用 SEG 来表示 在梯形图和功能块图中 用 SEG 指令盒来表示 以下为七段显示编码表 5 ASCII 码与 16 进制的转换 ATH 指令把从 IN 字符开始 长度为 LEN 的 ASCII 码字符串转换成从 OUT 开始的 16 进制数 ASCII 码字符串的最大长度为 255 个字符 HTA 指令把从 IN 字符开始 长度为 LEN 的 16 进制数转换成从 OUT 开始的 ASCII 码字符串 可转换的 16 进制度最大个数为 255 合法的 ASCII 码字符的 16 进制值在 30 39 和 41 46 之间 2 5 6 SIMATIC 程序控制指令 1 有条件结束 END END 指令可以根据前面的逻辑关系 终止用户主程序 注意 可以在主程序中使用有条件结束语句 但是不能在子程序或中断程序中 使用 Micro WIN32 自动在主程序结束加上一个无条件结束 2 暂停 STOP STOP 指令引起 CPU 方式发生变化 从 RUN 道 STOP 从而可以立即终止程序的执 行 如果 STOP 指令在中断程序中执行 那么该中断立即终止 并且忽略所有挂起的 中断 继续扫描程序的剩余部分 在本次扫描电最后 完成 CPU 从 RUN 到 STOP 的转 变 3 跳转及标号指令 跳转指令 JMP 可使程序流程转到同一程序中的具体标号处 当这种跳转执行 时 栈顶的值总是逻辑 1 标号指令 LBL 标记跳转目的地的位置 n 的范围 0 255 跳转和标号指令必须用在主程序 子程序或中断程序中 不能从主程序跳到子 程序或中断程序 同样不能从子程序或中断程序跳出 4 子程序 子程序返回 子程序调用指令 CALL 把程序控制权交给子程序 可以带参数或不带参数调 用子程序 有条件子程序返回指令 CRET 根据该指令前面的逻辑关系 决定是否终止子 程序 执行完子程序以后 控制程序回到子程序调用指令的下一条指令 5 循环指令 FOR 指令和 NEXT 指令必须成对使用 FOR 标记循环的开始 NEXT 标记循环的结 果 FOR 标记在 FOR 和 NEXT 之间执行指令 必须给 FOR 指令指定当前循环计数 INDX 初值 INT 和终值 FINAL NEXT 指令标记循环的结束 并且置栈顶值为 1 使用 FOR NEXT 循环指令的规则 如果允许 FOR NEXT 循环 除非在循环内部修改了终值 循环体就一直循环执行 直到循环结束 当 FOR NEXT 循环执行的过程中可以修改这些值 当循环再次允许时 它把初始值拷贝到指针值中 当下一次允许时 FOR NEXT 循环指令复位它自己 FOR NEXT 循环指令可以描述需重复执行一定次数的循环体 每条 FOR 指令必须 对应一条 NEXT 指令 FOR 和 NEXT 循环嵌套深度可达 8 层 6 顺序控制继电器指令 LSCR 指令标记一个顺序控制继电器 SCR 段的开始 当 n 1 时 允许该 SCR 段工作 SCR 段必须用 SCRE 指令结束 SCRT 指令执行 SCR 段的转移 当 n 1 时 一方面对下一个 SCR 使能位置位 以 便下一个 SCR 段工作 另一个方面又同时对本 SCR 使能位复位 以使本 SCR 段 停止工作 SCRE 指令标示一个 SCR 段的结束 2 5 7 SIMATIC 中断和通讯指令 1 中断连接和中断分离 中断连接指令 ATCH 把一个中断事件 EVNT 和一个中断程序 INT 联系起 来 并允许这个中断事件 中断分离指令 DTCH 截断一个中断事件 EVNT 和所有的中断程序的联系 并禁止了该中断事件 2 中断返回指令 有条件中断返回指令 RETI 可以用来根据逻辑操作的条件从中断程序中返回 3 中断允许和中断禁止 中断允许指令 ENI 全局地允许所有被连接到中断事件 中断禁止指令 DISI 全局地禁止处理所有中断事件 当进入 RUN 模式时 就禁止了中断 而在 RUN 模式 可以执行全局中断允许指 令 ENI 允许所有中断 全局中断禁止指令 DISI 允许中断事件排队等候 但不 允许激活中断子程序 4 网络读和网络写 网络读指令 NETR 初始化通讯操作 通过指令端口 PORT 从远程设备上接 收数据屏形成表 TBL 网络写指令 NETW 初始化通讯操作 通过指定端口 PORT 向远程设备写表 TBL 中的数据 网络读指令可以从远程站点上读最多 16 个字节的信息 网络写指令则可以向远 程站点写最多 16 个字节的信息 任何同一时间 只能有最多为 8 条 NETR 和 NETW 指 令有效 下表为 NETR 和 NETW 指令所有 TABLE 的定义 远程站点地址 被访问的 PLC 的地址 远程站点的数据区指针 被访问数据的间接指针 数据长度 远程站点上被访问数据的字节数 接收和发送数据区 对于 NETR 执行 NETR 指令后 从远程站读到的数据放在 这个数据区 对于 NETW 执行 NETW 指令后 要发送到远程站的数据放在这个数据 区 5 发送和接收 发送指令 XMT 激活发送数据缓冲区 TBL 中的数据 数据缓冲区的第一个 数据指明了么发送到字节数 PORT 指定了用于发送到端口 XMT 指令用于自由端口 模式 由通讯端口发送数据 接收指令 RCV 激活初始化或结束接收信息的服务 通过指定端口 PORT 接 收到信息存储于数据缓冲区 TBL 数据缓冲区的第一个数据指明了接收到字节数 6 获取口地址 获取口地址指令 GPA 读取 PORT 指定的 CPU 口的站地址 将数值放入 ADDR 指 定的地址中 7 设定口地址 设定口地址指令 SPA 将口的站地址 PORT 设置为 ADDR 指定的数值 新地址不能永久保存 上电后 口地址将返回到上次的地址值 用系统块下载 的地址 第三章 熟悉实验 3 1 实验名称 一阶单容水箱液位特性测试 1 实验仪器图 图 3 1 实验仪器全图 图 3 2 本实验用到的相关仪器 图 3 3 实验组态图 3 2 实验目的 1 熟悉一阶对象的数学模型及其阶跃响应曲线 2 根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线 用相关的方法分别确定它 们的参数 3 3 实验器材 AE2000 型过程控制实验装置 配置 西门子 PLC S7 200 模拟量模块 EM235 万用表 计算机 上位机软件 PC PPI 电缆线 实验连接线 3 4 实验原理 单容水箱系统如图 1 1 所示 V2 LT Q2 Q1 手动设定 液位控制水箱 h V1 图 3 4 单容水箱系统示意图 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 确定模型 中各参数 图解法是确定模型参数的一种实用方法 不同的模型结构 有不同的图解方法 单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时 常可用两点法直接求取对象参 数 如图 3 4 所示 设水箱的进水量为Q1 出水量为Q2 水箱的液面高度为h 出 水阀V2固定于某一开度值 根据物料动态平衡的关系 求得 222 QRh dt hd CR 在零初始条件下 对上式求拉氏变换 得 1Ts K 1CsR R sQ sH sG 2 2 2 式中 T为水箱的时间常数 注意 阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数 T R2C K R2为单容对象的放大倍数 R1 R2分别为V1 V2阀的液阻 C 为水箱的容 量系数 令输入流量Q1 的阶跃变化量为R0 其拉氏变换式为Q1 s R0 s R0为常 量 则输出液位高度的拉氏变换式为 T 1s KR s KR 1Tss KR sH 000 当t T时 则有 632 0 632KR 0 e1KRTh 0 1 0 即 T t 0 e1KRth 当t 时 h KR0 因而有K h R0 h 为输出稳态值 R0为阶跃输入 一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数 如图 1 2 所示 当由实验 求得图 1 2 所示的阶跃响应曲线后 该曲线上升到稳态值的 63 所对应时间 就是 水箱的时间常数T 该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线 切线与 稳态值交点 所对应的时间就是时间常数T 其理论依据是 T h T KR e T KR dt tdh t T t t 0 0 0 0 上式表示h t 若以在原点时的速度h T 恒速变化 即只要花T秒时间 就可达到稳态值h 0T h1 t 1h 1h63 0 图 3 5 一阶对象阶跃响应曲线 3 5 实验内容和步骤 此实验以左下水箱的液位为检测对象 1 打开储水箱进水阀 主管路泵阀 关闭其他手阀 将储水箱灌满水 打开左下 水箱进水阀 将其出水阀打开至适当开度 2 将左下水箱的液位信号送至 S7 200 小型 PLC 模拟量输入通道 1 将模拟量输出 通道 5 信号送电动调节阀 具体接线如下图所示 图 3 6 线路图 3 打开控制台及实验对象电源开关 启动 PLC 连接好通讯线 PC PPI 电缆 将 PLC 程序传至 PLC 中 打开主管路泵 电动调节阀 检测设备电源开关 启动上位 软件 进入实验 3 6 阶跃响应曲线 步骤 1 点击输出的设置按钮 设定输出值的大小 设定值为 0 11 的小数 对 应阀门开度 70 2 点击输出的设置按钮 改变输出值的大小 为 0 2 记录阶跃响应的过 程参数 图 3 7 阶跃响应曲线 PV 为测量值 MV 为输出值 表 3 1 输出值液位高度 h1 mm 0 1135 7 0 2183 86 3 7 实验中注意事项 1 实验过程中 不得任意改变阀门开度大小 因为在电动调节阀一定的时候 如 果改变出水阀 或进水阀 的开度 将影响水流出时流量的大小 是液位不稳 定而发生改变 2 阶跃信号不能取得太大 以免影响正常运行 但也不能过小 以防止对象特性 的真实性 一般阶跃信号取正常输入信号的 5 30 3 在输入阶跃信号前 过程必须处于平衡状态 第四章 PID 控制实验 4 1 实验名称 一阶单容水箱 PID 控制实验 4 2 实验相关了解 4 2 1 实验了解 1 实验用图 图 4 1 本次实验用图 SV 为设定值 PV 为测量值 MV 为输出值 2 相关知识了解 PID 的调节规律 调节器是控制系统的心脏 他的作用是将测量变量送信号与 给定值相比较产生偏差信 然后按一定的运算规律产生输出信号 推动执行器 实 现对生产过程的自动控制 调节规律是指调节器的暑促会信号随输入信号变化的规 律 基本的调节规律可归为四种 位式 比例 积分 微分 后三种为连续调节规 律 1 比例调节规律 P 在比例调节中 调节器的输出信号变化量 u t 与输人信号 e t 成 比例关系 u t Kp e t 式中 Kp 称为比例增益或比例放大倍数 在调节器中是可以改变的 在阶跃输人作用 下 比例调节规律的输出特性如图 图 4 2 比例调节出特性 比例调节器的输出变化量与输人偏差具有一一对应的比例关系 因此比例控制 具有控制及时 克服偏差有力的特点 在系统的平衡遭到破坏后 要改变进人水槽的物料建立起新的平衡 这就要求 调节器有输出作用 而要使调节器有输出 就必须要有偏差存在 即 t O 因此比例控制必然有余差存在 比例度对余 差的影响 比例度越大 放大倍数越小 获得同样大小的 u 变 化量所需的偏差就越大 因此在相同的干扰作用下 系统再次平衡时的余 差就越大 反之 比例度减小 系统的余 差也随之减小 比例度对最大偏差 振荡周期的影响 在相同大小的干扰下 调节器的比例度 越小 则比例作用越强 调节器的输出越大 使被控变量偏离给定值越小 被控变 量被拉回到给定值所需的时间越短 所以 比例度越小 最大偏差越小 振荡周期 也越短 工作频率提高 比例度对系统稳定性的影响 比例度越大 则调节器的输出变化越小 被控变 量变化趁缓慢 过渡过程越平稳 随着比例度的减小 系统的稳定程度降低 其过 渡过程逐渐从衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡 2 比例积分调节规律 PI 积分调节规律 在积分调节规律中 调节器输出信号的变化量与输人偏差的积 分成正比 对积分调节器来说 其输出信号的大小不仅与输人偏差信号的大小有关 而且 还取决于偏差存在时间的长短 只要有偏差 调节器的输出就不断变化 偏差存在 的时间越长 愉出信号的变化量也越大 只有在偏差等于零的情况下 积分调节器 的输出信号才能相对稳定 因此可以认为 积分控制作用是力图消除余差 图 4 3 积分调节输出特性 比例积分控制规律 PI 是比例与积分两种控制规律的组合 PI 规律将比例 控制反应快和积分控制能消除余差的优点结合在一起 因而在生产中得到了广泛应 用 在比例控制系统中 由于加人积分作用将会使系统的稳定性有所下降 因此若 要保持原有的稳定性 则必须根据积分时间的大小 适当地增加比例度 这样就会 使系统的振荡周期增大 调节时间增加 最大偏差增加 也就是说 积分作用的引 入 一方面消除了系统的余差 而另一方面却降低了系统的其他品质指标 3 比例积分微分调节规律 PID 对于惯性较大的被控对象 如果调节器能够根据被控变量的变化趋势来采取调 节措施 而不要等到被控变量已经出现较大偏差后才开始动作 那么调节的效果将 会更好 等于赋予了调节器以某种程度的预见性 这种调节规律就是微分调节规律 a 微分调节规律 在微分调节中 调节器输出信号的变化量与输人偏差的变化 速度成正比 微分调节器的输出只与偏差的变化速度有关 而与偏差的存在与否无 关 即微分作用对恒定不变的偏差是没有克服能力的 因此 微分调节不能单独使 用 b 比例微分控制规律 是比例与微分两种控制规律的组合 图 4 4 理想微分特性 图 4 5 理想比例微分特性 图 4 6 实际比例微分的特性曲线 图 4 7 不同 TD下的过渡过 程 由于微分作用总是力图阻止被控变量的任何变化 所以适当的微分作用有抑制 振荡的效果 若微分作用选择适当 将有利于提高系统的稳定性 若微分作用过强 即微分时间几过大 反而不利于系统的稳定 微分时间对过时间对过渡过程的影响如图 4 7 所示 从图中可以看出 微分时 间几太小 对系统的品质指标影响甚微 如图中的曲渡过程的影响在比例微分控制 系统中 若保持调节器的比例度不变 微分线 1 随着微分时间的增加 微分作用 增强 当 TD 适当时 控制系统的品质指标将得到全面的改善 如图中的曲线 2 但若微分作用太强 反而会引起系统振荡 如图中的曲线 3 c 调节规律的选取 简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象 如果负荷变化较大 无论 选择那种调节规律 简单控制系统都很难得到满意的控制质量 此时 应设计选用 复杂控制系统 在一般的控制系统中 比例控制是必不可少的 当广义对象控制通道时间常数 较小 负荷变化较小 而工艺要求不高时 可选择单纯的比例调节规律 如液位 不太重要的压力等参数的控制 当广义对象控制通道时间常数较小 负荷变化较小 而工艺要求没有余差时 可选用比例积分调节规律 当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时 应引人微分作用 4 3 实验目的 1 通过实验熟悉 单回路反馈控制系统的组成和工作原理 2 分析 P PI 和 PID 调节时的过程图形曲线 3 定性地研究 P PI 和 PID 调节器的参数对系统性能的影响 4 4 实验器材 cs4000 型过程控制实验装置 配置 西门子 PLC S7 200 模拟量模块 EM235 万用表 计算机 上位机软件 PC PPI 电缆线 实验连接线 4 5 实验原理 给定值 PID调节器水箱 液位变送器 水