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S7 200 实现 PID 控制系统 设计 CAD 图纸

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装订线 第一章 前 言1.1 引 言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。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。而PID 控制又是自动控制中非常重要的一种控制方法。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，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系统等等。作为通用工业控制计算机，30多年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域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。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。因此用PLC来实现PID控制也是一项非常重要的应用。1.2 论文研究的目的和主要内容本设计对用PLC实现PID控制进行研究并设计出梯形图。其目的一是增加人们对PLC的认识，了解PLC的优越性。二是通过用PLC对PID控制的设计实现PID控制的简化、通用性。三是通过这次设计对在校期间所学的内容进行实战练习。 本设计主要以德国西门子公司（Siemens）S7-200来实现PID控制的。具体内容有：1.从各种PLC厂家的产品中选用一款合适的产品。2.根据PID控制原理和PLC的工作原理设计出程序框图。3.编制梯形图及程序语句表。第二章 PID控制概述.1 自动控制原理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等。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系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现 PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。 1、开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 2、闭环控制系统 闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系 统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈 的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系 统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。 3、阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字 来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控 制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。.2 PID控制原理在工程实际中，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。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）。 P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。但实际系统是有惯性的，控制输出变化后，实际PV值变化还需等待一段时间才会缓慢变化。由于实际系统是有惯性的，比例作用不宜太强，比例作用太强会引起系统振荡不稳定。P参数的大小应在以上定量计算的基础上根据系统响应情况，现场调试决定，通常将P参数由大向小调，以能达到最快响应又无超调(或无大的超调)为最佳参数。2.积分（I）控制 前面已经分析过，比例作用的输出与误差的大小成正比，误差越大，输出越大，误差越小，输出越小，误差为零，输出为零。由于没有误差时输出为零，因此比例调节不可能完全消除误差，不可能使被控的PV值达到给定值。必须存在一个稳定的误差，以维持一个稳定的输出，才能使系统的PV值保持稳定。这就是通常所说的比例作用是有差调节，是有静差的，加强比例作用只能减少静差，不能消除静差(静差：即静态误差，也称稳态误差)。 为了消除静差必须引入积分作用，积分作用可以消除静差，以使被控的PV值最后与给定值一致。引进积分作用的目的也就是为了消除静差，使PV值达到给定值，并保持一致。 积分作用消除静差的原理是，只要有误差存在，就对误差进行积分，使输出继续增大或减小，一直到误差为零，积分停止，输出不再变化，系统的PV值保持稳定，PV值等于SP值，达到无差调节的效果。 但由于实际系统是有惯性的，输出变化后，PV值不会马上变化，须等待一段时间才缓慢变化，因此积分的快慢必须与实际系统的惯性相匹配，惯性大、积分作用就应该弱，积分时间I就应该大些，反之而然。如果积分作用太强，积分输出变化过快，就会引起积分过头的现象，产生积分超调和振荡。通常I参数也是由大往小调，即积分作用由小往大调，观察系统响应以能达到快速消除误差，达到给定值，又不引起振荡为准。3.微分（D）控制 前面已经分析过，不论比例调节作用，还是积分调节作用都是建立在产生误差后才进行调节以消除误差，都是事后调节，因此这种调节对稳态来说是无差的，对动态来说肯定是有差的，因为对于负载变化或给定值变化所产生的扰动，必须等待产生误差以后，然后再来慢慢调节予以消除。 但一般的控制系统，不仅对稳定控制有要求，而且对动态指标也有要求，通常都要求负载变化或给定调整等引起扰动后，恢复到稳态的速度要快，因此光有比例和积分调节作用还不能完全满足要求，必须引入微分作用。比例作用和积分作用是事后调节(即发生误差后才进行调节)，而微分作用则是事前预防控制，即一发现PV有变大或变小的趋势，马上就输出一个阻止其变化的控制信号，以防止出现过冲或超调等。 D越大，微分作用越强，D越小，微分作用越弱。系统调试时通常把D从小往大调，具体参数由试验决定。 如：由于给定值调整或负载扰动引起PV变化，比例作用和微分作用一定等到PV值变化后才进行调节，并且误差小时，产生的比例和积分调节作用也小，纠正误差的能力也小，误差大时，产生的比例和积分作用才增大。因为是事后调节动态指标不会很理想。而微分作用可以在产生误差之前一发现有产生误差的趋势就开始调节，是提前控制，所以及时性更好，可以最大限度地减少动态误差，使整体效果更好。但微分作用只能作为比例和积分控制的一种补充，不能起主导作用，微分作用不能太强，太强也会引起系统不稳定，产生振荡，微分作用只能在P和I调好后再由小往大调，一点一点试着加上去。.PID控制的传递函数5. PID控制器的参数整定 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。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。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。 对于温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3 对于流量系统：P（%）40-100，I（分）0.1-1 对于压力系统：P（%）30-70，I（分）0.4-3 对于液位系统：P（%）20-80，I（分）1-5第三章 PLC介绍3.1 PLC发展现状3.1.1可编程控制器的定义可编程控制器，简称PLC（Programmable Logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义： “PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”3.1.2 PLC的特点1可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.1.3 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、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，使用情况大致可归纳为如下几类。 1开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3.1.4 PLC的国内外状况 世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 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。 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。3.1.5 PLC未来展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。3.2 PLC的组成尽管PLC的型号、规格繁多，结构各不尽同，介其主体均主要由微处理器（CPU）、存储器、电源、输入输出等部分组成；各部分之间均采用总线连接。其基本结构框图如图3.1所示。 图3.1 PLC的组成框图一、 微处理器（CPU）CPU是PLC的核心，其主要作用为：（1） 接收从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中；（2） 用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入相应数据寄存器中；（3） 执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序逻辑，经过解释程序解释后逐条执行，完成程序逻辑规定的逻辑和算术运算，产生相应的输出信号，实现程序规定的各种操作；（4） 通过故障自诊断程序，诊断PLC的各种运行错误。二、 存储器PLC的存储器用来存入程序和数据。程序可分为系统程序和用户程序两种。（1）系统程序存储器该存储器存放系统程序，包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标准子程序及其它各种管理程序等。系统程序由制造厂家提供，一般都固化在ROM或EPROM中。（2）用户程序存储器 该存储器存放用户程序。用户程序是用户为解决实际问题并根据PLC的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经CPU存入用户程序存储器。该存储器使用RAM。（3）变量存储器变量存储器存放PLC的内部逻辑变量，如内部继电器、I/O寄存器、定时器/计数器中逻辑变量的现行值等，这些现行值在CPU进行逻辑运算时需随时读出、更新有关内容，所以变量存储器也采用RAM。三、 输入输出接口（1） 输入接口 输入接口的功能是采集现场各种开关接点的状态信号，并将其转换成标准的逻辑电平，并入CPU处理。在开关量输入电路中光电耦合器件实现现场与PLC主机的电气隔离，以提高抗干扰性。 在机械设备中，除开关量外，还常遇到一些模拟量如温度、压力、位移和速度等。对这些模拟量采集时于周期，必须经A/D转换，将模拟量变成数字量后，才能为PLC的CPU所接受。一些新的PLC均具有模拟量输入接口板供选用，如SIEMENS公司的产品。（2） 输出接口 为适应不同的负载，输出接口有多种方式。常用的有继电器输出方式、晶体管输出方式、晶闸管输出方式。晶体管输出方式用于直流负载；双向晶闸管输出方式用于交流负载；继电器输出方式既可用于直流负载，也可用于交流负载。 现有的PLC还具有模拟量输出接口，用于需要模拟信号驱动的负载。四、 编程器编程器是PLC主要的外部设备，它用于用户程序的输入、修改、调试、检查和监视，还可以通过其键盘去调用与显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过通信端口与PLC连接。 PLC的外部设备还有盒式录音机、打印机、EPROM写入器及高分辨率屏幕彩色图形监控设备等，供用户根据需要选用。3.3 PLC的工作原理PLC是采用循环扫描的工作方式来完成控制的，每个扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。一、输入采样阶段每个扫描周期开始，控制器首先顺序读入所有输入端的信号状态（0或1），并逐一存入状态寄存器中。输入状态寄存器的位数与输入端子数目对应，因而输入状态寄存器又称为输入镜像寄存器。输入采样结束后，即使输入状态变化，输入状态寄存器的内容也不会发生改变，这些变化只能在下一周期的输入采样阶段地被读入。二、程序执行阶段组成PLC用户程序的每条指令都有顺序号，在PLC中称步序号。程序是按步序号依次存入存储单元的。程序执行期间，地址计数器顺序寻址，依次指向每个存储单元，控制器顺序执行这些指令。对指令指定的输入状态寄存器、输出内部辅助继电器、定时器、计数器、状态器的状态进行逻辑运算，运算结果通过输出指令存入输出状态寄存器。输出状态寄存器的位数与输出元件数目相对应，所以它又称为输出镜像寄存器。三、输出刷新阶段在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中所有的状态，在输出刷新阶段转存到输出锁存器，驱动输出继电器的线圈，形成PLC的实际输出。在一个周期执行完毕后，地址计数器恢复到初始地址，重复执行上述三个阶段的工作。一个扫描周期一般为2050ms。3.4 PLC的选择在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，若采用可编程序控制器(PLC)来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一， PLC控制系统设计时应该注意的问题。硬件选购目前市场上的PLC产品众多，PLC著名品牌1993年中国PLC市场排行榜上的世界十大厂家：1.美国 AB公司 （AllenBradley）2. 德国西门子公司（Siemens）3.美国GEFanuc公司4.美国的莫迪康（Modicon）和法国的TE电器公司5.日本欧姆公司（OMRON）6.日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）7.日本富士电机株式会社（Fuji Electric）8.日本东芝公司（TOSHIBA）9.日本的光洋电子（KOYO）和中国的华光电子(CKE)10.日本松下电工株式会社（MEW）：Matsushita Electric Works Ltd）如何选购PLC产品呢?1、系统规模首先应确定系统用 PLC单机控制，还是用PLC形成网络，由此计算PLC输入、输出点数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上留有一定余量(10%)。2、确定负载类型根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或晶闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。3、存储容量与速度尽管国外各厂家的PLC产品大体相同，但也有一定的区别。目前还未发现各公司之间完全兼容的产品。各个公司的开发软件都不相同，而用户程序的存储容量和指令的执行速度是两个重要指标。一般存储容量越大、速度越快的PLC价格就越高，但应该根据系统的大小合理选用PLC产品。4、编程器的选购 PC编程可采用三种方式： 一是用一般的手持编程器编程，它只能用商家规定语句表中的语句编程。这种方式效率低，但对于系统容量小，用量小的产品比较适宜，并且体积小，易于现场调试，造价也较低。二是用图形编程器编程，该编程器采用梯形图编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高。三是用 IBM个人计算机加PLC软件包编程，这种方式是效率最高的一种方式，但大部分公司的PLC开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试。因此，应根据系统的大小与难易，开发周期的长短以及资金的情况合理选购PLC产品。5、尽量选用大公司的产品其质量有保障，且技术支持好，一般售后服务也较好，还有利于你的产品扩展与软件升级。随着工业自动化过程控制理论和计算机技术的迅猛发展，以及对工业自动化过程控制系统的可靠性、复杂性、功能的完善性、系统的可维护性、人机界面的友好性、数据的可分析可管理性等各个方面都提出了愈来愈高的要求, 同时也为工业自动化过程控制系统的发展指明了方向：1.系统之间的横向数据交换日益增加 2.系统与管理层和现场仪表级的数据交换日益增加 3.现场总线的应用越来越广泛 厂商的产品日益开放，通过OPC、SQL等技术使得不同系统之间的准确、高速、大量的数据交换得以实现全集成，一体化的解决方案- 因此，传统的DCS系统已经不能满足90年代自动化过程控制系统的设计标准和要求，SIEMENS PCS7过程控制系统就是在这种形势下开发的新一代过程控制系统，它是一个全集成的、结构完整、功能完善、面向整个生产过程的过程控制系统。SIEMENS PCS7是西门子公司结合最先进的计算机软、硬件技术，在西门子公司S5，S7系列可编程控制器及TELEPERM系列集散系统的基础上，面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统。 SIEMENS PCS7过程控制系统具备了以下几个方面的特点： 高度的可靠性和稳定性；高速度，大容量的控制器；客户/服务器的结构；集中的，从上到下的组态方式；能灵活、可靠地嫁接于老系统；集中的，友好的人机界面；含有配方功能的批量处理包；开放的结构，可以同管理级进行通讯；同现场总线技术溶为一体。 - SIEMENS PCS7采用优秀的上位机软件WinCC作为操作和监控的人机界面，利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯，采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。 - SIEMENS PCS7是基于全集成自动化思想的系统，其集成的核心是统一的过程数据库和唯一的数据库管理软件，所有的系统信息都存储于一个数据库中而且只需输入一次，这样就大大增强了系统的整体性和信息的准确性。 - SIEMENS PCS7的通讯系统采用的是工业以太网和PROFIBUS现场总线。工业以太网用于系统站之间的数据通讯。- SIEMENS PCS7采用符合IEC61131-3国际标准的编程软件和现场设备库，提供连续控制、顺序控制及高级编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备信息及功能块，可大大简化组态工作，缩短工程周期。SIEMENS PCS7具有ODBC、OLE等标准接口，并且应用以太网、PROFIBUS现场总线等开放网络，从而具有很强的开放性，可以很容易地连接上位机管理系统和其它厂厂商的控制系统。 - SIEMENS PCS7为全国统一价格，S7-200系列的价格一般在二千元左右。根据PID控制的特性，选择S7-200系列。S7-200系列小型PLC（Micro PLC）可以应用于各种自动化系统，其结构紧凑，低成本以及功能强大的指令集，使得S7-200控制器是各种小型控制任务理想的解决方案。多种多样的CPU尺寸及电压范围以及基一Windows 的编程工具，能更加灵活，方便地解决自动化任务。第四章 程序设计4.1用S7-200实现PID控制系统图4.2程序框图4.3程序及注解初始化部分将PID的所有值复位，并定义了计算PID控制器的控制周期Tc。 计算PID过程中，出现了某些数字方面的问题，以及控制周期Tc的计算。由于扫描时间的限制，除法运算通过位移来实现（1024近似为1000），而未调用专门的除法子程序。微分和积分是另外2个比较灵敏的数学运算，采用如下公式： 处理过程中的反馈输入变量来自仿真程序全长370个字主程序VW100=过程变量（pv）输入量如果模拟块已准备好，它将是一个模拟输入字，并假设输入的最大范围是-2047+2047VW102=新控制差值（运行期间计算）E（n）VW104=为输出值而设计的计算缓冲器VW106=输出值VW108=设定值（在CPU214中，此值能够从模拟调节装置POTS中调入）VW110=预置定时中断个数，如果控制周期Tc大于255ms，则在此内存字中置数；技术Tc的公式： VW110*VB113=Tc（单位：ms）VW112=未用VW113=定时中断0的时间（单位：ms）注意：若VW110是0，则控制周期Tc=VW113（ms）； 若VW110大于0，则控制周期Tc=VW110*VB113（ms）VW114=控制周期Tc（VW110与VB113之积）VW116=未用VW118=比例增益。11000=0.00787.8 注意：例如，比例增益为1，可由VW118=128得到 注意：比例增益用于P.I.D部分,并与这3部分的和相乘.VW120=积分增益(11000=0.0011)VW122=微分增益(11000=0.0011)VW124=最大输出值(-2047),这是允许的最小输出值VW128=输出上溢出,此值由启动时,VW124值加1得到VW130=输出下溢出,此值由启动时,VW126值减1得到VW132=旧的控制差值(缓冲值,启动时置0)E(n-1)VW134=积分寄存器(缓冲值,启动时置0)VW136=积分运算缓冲器VW138=积分值VW140=微分运算缓冲器VW142=微分值VW144=微分因子计算缓冲器VW146=微分因子,启动时,由微分增益/控制周期1/ms得到 (此值实际用于控制器运算)VW148至VW154=用于起动运算的运算缓冲器VW156=定时中断计算器VW200至VD214=用于反馈仿真子程序 对变量进行正确复位 对仿真变量复位设置PID控制器参数初始化定时中断下面4条指令是用来检查中断功能的，即在控制器的扫描时间内输出端Q0.0的指示灯LED闪烁积分部分积分部分比例部分及总和对输出值的限幅反馈输入通道梯形图结束。4.4程序调试我们采用STEP-7 Micro/win32来调试并监控程序的运行。最终证明程序运行稳定、可靠。4.5程序语句表LD SM0.0CALL 0MENDSBR 0LD SM0.0MOVD 0，VD100MOVD 0，VD104MOVB 0，VB112MOVD 0，VD114MOVD 0，VD128MOVD 0，VD132MOVD 0，VD136MOVD 0，VD140MOVD 0，VD144MOVD 0，VD148LD SM0.0MOVD 0，VD152MOVD 0，VD200MOVD 0，VD204MOVD 0，VD208MOVD 0，VD212MOVW 0，VW110MOVB 255，VB113MOVW 128，VW118MOVW 600，VW120MOVW 400，VW122MOVW 32000，VW124MOVW -32000，VW126LD SM0.0MOVB 0，VB150MOVB VB113，VB151LDW=VW110，1MUL VW110，VD148LD SM0.0MOVW VW150，VW114MOVW VW150，VW154LD SM0.0INCW VW150DIV 2，VD148MOVW 1000，VW146+1 VW150，VW146DIV VW154，VD144MUL VW122，VD144LDD=VD144，32768STOPLD SM0.0MOVW VW124，VW128INCW VW128MOVW VW126，VW130DECW VW130MOVB VB113，SMB34ATCH 0.10MOVW 0，VW156ENIRETINT 0LD SM0.0INCW VW156LDW= VW156，VW110MOVW 0，VW156NOTCRETILD Q0.0R Q0.0，1NOTS Q0.0，1LD SM0.0