毕业设计（论文）-PLC的液位控制设计.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：计算机与电气自动化学院所学专业：电气工程及其自动化班级：08级3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PLC的液位控制的液位控制设计设计院部计算机与电气自动化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ABBACS800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S7-300PLC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-MicroWIN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年月日要求完成日期年月日学生(签名)年月日指导教师(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（ProgrammableLogicController，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。IIAbstractAbstractThisgraduationprojecttopicisbasedonthePLCfluidpositioncontrolsystemdesign.InthedesignIamcontrolthealgorithmwhichtheauthorprimarycognizancethedesignthereforedesignsinthepaperwithtothePIDalgorithmmentionsmany.ProgrammableLogicController，PLCitusesaprogrammablememoryforitsinternalstorageprocedurestheimplementationoflogicalsequentialcontroltimingcountingandarithmeticoperationssuchasuser-orientedinstructionsandthroughdigitaloranalogoutputcontrolvarioustypesofmachineryorproductionprocess.Programmablelogiccontrollerisadedicatedtotheindustrialcontrolcomputeranditshardwarestructureisbasicallythesamewiththemicrocomputerbasiccomponents:powersupplyacentralprocessingunit(CPU)memoryandoutputinterfacecircuitfunctionmodulecommunicationmodule.Aimingattheproblemofcapaciouslagsindoubletanks，itwashardforthetraditionalPIDcontroltothehighstableconstantrequirementsandcascadecontrollingcouldsolvethem.AnewsystembasedoncascadecontrolofpreviousdifferenceandPLCwasinvestigatedinindustrialdoubletanks.Andthisliquidlevelcontrolsystemusedthepreviousdifferencealgorithmofcascadecontroller，PLCandMCCSwasdesignedaccordingtothemathematicalmodelofdoubletank.Thethisarticlemaincontentincludes:watertankcharacteristicdeterminationandexperimentalcurveanalysis，theS7-300programmablecontrollerhardwaregrasps，PIDparameterinstallationandeachparametercontrolperancecomparison，experimentalcurveanalysisobtainswhichusingthePIDcontrolalgorithmandoverallsystemeachpartofintroductionandprogramsusingthePLCsentencecontrolsthewatertankwaterlevel.Keywords:SIMATICS7-300PLCthecontrolledmembercharacteristicthePIDcontrolalgorithmtheexpansioncriticalratiothepressurechangedeliveringtheelectricallyoperatedregulatingvalve.目录III摘要.IABSTRACT.II1绪论.11.1PLC的产生、定义及现状.11.2过程工业控制算法的应用现状.11.3PID控制的历史和发展现状.21.4论文的研究内容.22S7-300中小型PLC和控制对象介绍.32.1西门子PLC控制系统.32.1.1CPU模块.32.1.2模拟量输入模块.42.1.3模拟量输出模块.52.1.4电源模块.62.2控制对象特性.72.2.1一阶单容上水箱特性.72.2.2二阶双容下水箱对象特性.103PID控制算法介绍.143.1PID控制算法.143.2PID调节的各个环节及其调节过程.163.2.1比例控制与其调节过程.163.2.2比例积分调节.173.2.3比例积分微分调节.173.3串级控制.173.4扩充临界比例法.193.5在PLC中的PID控制的编程.203.5.1回路的输入输出变量的转换和标准化.213.5.2变量的范围.223.5.3控制方式与出错处理.224控制方案设计.24IV4.1系统设计.244.1.1上水箱液位的自动调节.244.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统.244.2硬件设计.254.2.1检测单元.254.2.2执行单元.264.2.3控制单元.274.3软件设计.275实验情况介绍.305.1上水箱液位比例调节.305.2上水箱液位比例积分调节.305.3上水箱液位比例积分微分调节.32结论.33致谢.34参考文献.35111绪论1.1PLC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。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3。1.3PID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5。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。22S7-300S7-300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PLCS7-300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FlashEPROM，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WindowsSTEP7编程，使得S7-300成为对未来的安全投资7。2.1.1CPU模块系统选用的CPU模块为CPU313。它内置20KBRAM，最大可扩展256KBFLASH-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IO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。CPU313是具有更大存储器、低成本的解决方案。4S7-300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10。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AD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。SM331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2-1SM331端子接线图SM331模入模块主要由AD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。AD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。SM331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：58、12、12、14。SM331的8个模拟量输入通道共用一个积分式AD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。SM331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7。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。SM332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2-2SM332位模入模块端子接线图124AOSM332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PS307电源模块是西门子公司为S7-300专配的DC24V电源，PS307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。PS30710A模块基本电路如图2-4所示。PS30710A模块的输入接单相交流系统，输入电压120230V，5060HZ，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，PS307可安%5装在导轨上，除了给S7-300供电，也可给IO模块提供负载电源15。图2-4PS307电源模块(10A)基本电路图72.2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)122QRhdthdCR8在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：(2-2)11)()()(221TsKCsRRsQsHsG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=R2C，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)=R0s，R0为常量，则输出液位的高度为(2-3)TsKRsKRTssKRsH1)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)）（）（）（hKReKRTh632063201010即(2-5)1()(0TteKRth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0100cmcm4617.015.85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)17.020.220.420.7组态读数(cm)15.8816.8517.9318.5619.0219.2919.5319.8519.9920.019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0100cmcm5121.220.15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)17.020.220.420.7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)(632.0hT86)0()()(00RhhRhK2.2.2二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，而是呈图2-10被调量变化的反映曲线11S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)seSTSTKSGSQSH)1)(1()()()(2112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0100cmcm5415.513.8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2-6输出增加后的阶跃响应参数t(秒)04080120160200240280320360水箱水位h1(cm)15.415.816.316.817.218.419.219.820.220.6组态读数(cm)13.7114.1214.5715.1116.1416.7417.4717.9518.5218.92图2-11输出值增加后的二阶系统的过程变化曲线12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0100cmcm6422.621.35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)(212hthtt)(8.0)(222hthtt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：5.76)(h02RK阶跃输入值输入稳态值30216.2tt2121TT203.0)55.0tt74.1()(2122121TTTT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，0.32t1t2=0如果模拟数值为正JMP0直接转换成实数NOT反之ORD16#FFFF0000将AC0内的数值进行符号扩展，扩展为32位负数LBL0DTR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)setPanRawNormOffSRR)(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32000，双极性变量的典型值为64000。下面是将上述的转换后得到的AC0中的双极性实数(其Span=64000)转换成0.01.0之间的实数的指令序列。R64000.0累加器中的实数标准化+R0.5加上偏移值，使其在0.01.0TMD100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DA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：SpanoffsetMRnScal)(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，Offset21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：LMD108将回路输出送入累加器-R0.5仅双极性数才有此语句R64000.0单极性变量应乘以32000.0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TPQW0将16位整数写入模拟输出(DA)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)(0.1nnMDMPMX0.1nM或当控制器输出)(nnMDMPMX0.0nM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nMnMP分别是第n次采样时中的比例项和微分项。nMDnM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nM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220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nM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。nSP)(nPV2)令上一次的过程变量=过程变量的当前值。)(1nPV)(nPV3)令积分和=输出值()。)(MXnMPID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3-2PID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2344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。4.1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AD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DA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DA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AD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24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%0.1420mA直流，接线如图4-3所示。图4-3压力变送器的接线图25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)gHPPPAB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26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。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如图4-6所示。图4-6电动调节阀组成框图主要技术参数：执行机构型式：智能型直行程执行机构输入信号：010mA420mADC05VDC15VDC输入阻抗：250500输出信号：420mADC输出最大负载：500信号断电时的阀位：可任意设置为保持全开全关0100%间的任意值电源：220V10%50Hz来自PLC的模拟量输出DC420mA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为输出轴的位移，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，和轴连接在一起，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。系统选用的S7-300PLC的各个模块分别是CPU313、SM331位模拟量输入模块、SM332位模拟量输出模块、PS128A124307电源模块，这些模块在前面已经作了详细的介绍。模块的选择是根据系统的实际要求选择的，能满足系统的要求，符合节省成本的要求。4.3软件设计系统的编程分块进行，分主程序、子程序和中断程序。系统的指令序列如下：27要设定水位的高度为满水位的75%，过程变量与回路输出均为单级性模拟量，取值范围为0.01.0。如果采用PI控制，给定值为0.75，选取控制器的参数初值KC=50，T=6s，TI=3s。主程序(OB1)A