基于PLC的水塔水位PID控制系统设计

1、水塔水位 PID 控制系统设计 摘 要 供水是一个关系国计民生的重要产业。随着社会的发展和人民生活水平的提 高，对城市供水提出了更高的要求，有一个水箱需要维持一定的水位，该水 塔 里的水以变化的速度流出。这就需要有一个输入控制液体阀以不同的速度给水 塔供水，以维持水位的变化，这样才能使 水塔不断水。 研究设计的基于 PLC 控制的水塔水位 PID 供水系统,以西门子公司的 S7-200 系列中 PLC-CPU226 为基础，结合模拟量模块 EM235、液位传感器、输入控制液 压阀、输出控制液压阀等，组成一个基于 S7-200 系列中 PCL-CPU226 的水塔水 位控制系统，能完成逻辑控制、

2、水位调节和数据采样等功能,实现对水塔的水位进 行控制及检测。在设计中大量运用 PLC 中 PID 来实现水塔水位的控制，为了精 确地实现对水位的控制 ，建立成闭环控制系统，实现了水塔中的进、出水的水 位自动控制。 关键词： 可编程控制器 PLC，水塔水位，PID 控制 WATER TOWERS PID CONTROL SYSTEM DESIGN ABSTRACT Water supply is an important industry of the peoples livelihood. With the social development and peoples living stand

3、ards, urban water supply to a higher demand, there is a need to maintain a certain water tank water level, the water towers in order to change the speed of the outflow. This requires a liquid input control valve to the different speeds of water towers in order to maintain the water level changes, so

4、 that continuous water towers. In the system, only the use of proportion and integral control, the loop gain and time constant can be calculated through the preliminary engineering, but also the need for further adjustments to achieve optimal control. System startup, shut down the outlet for moving

5、the liquid control valve control input, so that the water level reached 75% of full water level, and then open the outlet, while the liquid input control valve to switch from manual to automatic mode. This switch from a digital control input. The design of Siemens S7-200 series PLC-CPU226-based ligh

6、t simulation module E235, liquid level sensors, type of hydraulic control valves, hydraulic valves, such as output control, based on the formation of a S7-200 series PCL -CPU226 water level control system of the towers, the water level of the towers to monitor and control. Keywords: Programmable Log

7、ic Controller PLC, Water Towers, PID Control 目录 前言.1 第 1 章 水塔水位自动控制系统的概述.2 1.1 水位控制系统现状与发展.2 1.2 水塔水位自动控制系统的组成.2 1.3 水位控制系统效率及运行模式分析.3 第 2 章 PLC 结构和工作原理 .4 2.1 PLC 组成与基本结构 .4 2.1.1 PLC 的系统结构 .4 2.1.2 PLC 的基本工作原理 .5 2.2 PLC 的主要应用 .6 2.3 S7-200 系列可编程控制器.6 2.3.1 S7-200 PLC 系统组成.7 2.3.1 S7-200 系列 PLC 元件

8、功能.7 2.4 PID 控制器简介 .9 2.4.1 PID 控制器的结构及原理 .9 2.4.2 数字式 PID 控制 .10 2.4.3 数字式 PID 控制的实现 .12 第 3 章 水塔水位控制系统方案设计.14 3.1 系统的工作原理.14 3.1.1 设计分析.14 3.1.2 可行性试验.15 3.1.3 可行性分析.16 3.2 水位闭环控制系统.16 3.2.1 PLC 的选择 .17 3.2.2 供水的控制方法.18 第 4 章 PLC 中 PID 控制器的实现.20 4.1 PID 算法 .20 4.2 PID 应用 .21 4.3 PLC 实现 PID 控制的方式.2

9、1 4.4 PLC PID 控制器的实现.22 4.5 PID 指令及回路表 .24 第 5 章系统硬件开发设计.26 5.1 可编程控制器的选型.26 5.3 EM235 模拟量模块.28 5.3.1 EM235 的安装使用.29 5.3.2 EM235 的工作程序编制.29 5.4 硬件连接图.30 5.5 控制系统 I/O 地址分配 .30 第 6 章 系统软件应用设计.31 6.1 水位 PID 控制的逻辑设计 .31 6.2 梯形图编程.35 6.3 控制程序.38 6.4 联机.39 结 论.40 谢 辞.41 参考文献.42 附录.43 外文资料翻译.46 前言 在工业生产中，电

10、流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是常 用的主要被控参数。其中，水位控制越来越重要。在社会经济飞速发展的今天， 水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生 活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工程往往成 为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、 平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、 生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从 地下市政水管补给。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。 可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控

11、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字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前水位控制的 方式被 PLC 控制取代。同时，又有 PID 控制技术的发展，因此，如何建立一个 可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。 在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进 行自动控制。比如自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中 抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各 种水位控制的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操 作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精度高、稳定

12、性好的水位控制系统就显得日益重要。采用 PLC 和 PID 技术能很好的解决以上 问题，使水位控制在要求的位置。 本论文侧重介绍“水塔水位 PID 控制系统”的软件设计及相关内容，使水塔水 塔维持一定的水位。通过对变频器内置 PID 模块参数的预置，利用远传液位传感 器反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取 PID 调节方式，在全流量范 围内利用输入液体控制阀连续调节和输出控制阀分级调节相结合，实现水塔供水 且有效节能。水位 PID 控制系统集 PLC 控制技术、PID 技术、电子电力技术、微 电子技术和计算机技术、测试技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系 统的稳定性和可靠性，同

13、时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤 为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能 耗等方面具有重要的现实意义。 第 1 章 水塔水位自动控制系统的概述 1.1 水位控制系统现状与发展 节能是我国社会经济能否保持可持续发展的一个重大问题.水位控制广泛应用 于工农业生产与民用生活，其用电量大，是节能研究的主要内容之一.对变频调速 水位控制系统的实际运行情况研究发现，目前国内在这方面普遍采用恒水位或恒 压力变频调速 PID 控制技术，取得了一 定的应用效果.但由于这类控制系统忽视 了水泵-电机组效率，致使水泵-电机组经 常处于低效区运行图 1-1；另外，单目

14、标的恒水位或恒压力控制不能保证电机经 常处于节能运行状态以充分发挥变频调速 的节能功效，造成了变频调速控制系统在 实际运行中效率不高，节能效果未能充分 体现,这也是变频调速控制技术多年来一 直难以大规模采用的原委之一.水位控制 类变频调速效率优化问题属于一类复杂的 多变量、离散性强的非线性系统控制问题，要求控制 图 1-1 水塔水位控制系 统模型 系统在满足用水要求的同时，又要实现系统效率最优，采用传统的控制策略很难 获得简便、实用的解决方法.本文结合水位控制类系统的特点，运用水位控制理论 与最优控制方法，以系统效率最大及满足用水要求为目标，设计一种水位控制以 改善这类系统的控制策略与运行方式

15、，同时给出采用 PLC 控制程序实现的此水位 控制。 1.2 水塔水位自动控制系统的组成 水位自动控制系统由 PLC（核心控制部件） 、高低位的水位检测电路、高低 水位信号传送给 PLC 水泵电动机控制电路（PLC 控制启停及主备切换） 、设备监 控台四部分组成。 1.3 水位控制系统效率及运行模式分析 水位控制系统的效率主要由水泵的效率、电动机的效率和管道损失决定，本 文主要研究水泵-电机组的效率问题.由于水位控制系统的非线性、滞后性与时变 性，采用传统的 PID 控制容易实现单目标，即水位恒定或水泵-电机组高效运行， 而无法两者兼顾.为此引入模糊控制，使系统能够最快地响应用户的用水要求并最

16、 大限度地工作在高效区，以期能充分发挥变频调速的节能功效，进一步提高系统 的运行效率.在分析变频调速水位控制的节能问题时，以不同转速下提供相同容积 图 1-2 控制系统框图 的水作比较得出图 1-2：水泵消耗的轴功率与异步电动机转速的三次方成正比， 由此可知，水泵-电机组的效率与电机的转速成反比；其次，结合水泵与电机的效 率特性，为使系统经常高效运行，不失一般性，设：水泵-电机组的高效率区为异 步电动机的转速 n=0.61.0n N(n N 为电动机的额定转速)；当电机转速 n=0.8n N 时，异步电动机的效率最佳.图 1 给出了水位控制系统控制模型图，H 表示水位高 度，依水位高度将水箱划

17、分为 A、B、C 三区.A、C 区分别为水位极高、极低区 域，是高位、低位警戒区；B 区为高效运行区，是系统经常运行的区域.系统总的 控制模式为：当 HA 时，系统运行减机模式；当 HB 时，系统运行节能模式； 当 HC 时，系统运行加机模式.系统效率 Kn3dtn0.61.0n N 系统节能模式是 本文的研究重点，根据此图可设计一个水位控制器，使变频器的输出频率即电动 机的转速随着水位的变化而自动改变，使系统能够在最快地响应用户用水要求的 同时，在时间上最大限度地工作在高效区，这样，系统运行的效率就可以提高， 此时的系统工作于最佳状态，从而提高系统的响应速度，达到系统稳定性与快速 性的较好结

18、合。 第 2 章 PLC 结构和工作原理 2.1 PLC 组成与基本结构 PLC 是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC 也 是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/ 输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰 性能。因此，PLC 是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计 算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。 2.1.1 PLC 的系统结构 目前 PLC 种类多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心 用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件和

19、微机相 似。主要包括 CPU、存储器 RAM 和 ROM、输入输出接口电路、电源、I/O 扩展 接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。 图 2-3 PLC 结构示意图 如图 1-1 所示。PLC 控制系统有输入量PLC输出量组成，外部的各种开 关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为 PLC 的输入量，它们经 PLC 外部输入端子输入到内部寄存器中，经 PLC 内部逻辑运算或其他各种运算，处理 后送到输出端子，作为 PLC 的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC 的基本结构由控制部分、输入和输出部分组成。 2.1.2 PLC 的基本工作原理 由于 P

20、LC 以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与 微机有很大的不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式 或 I/O 扫描方式，若有键按下或 I/O 变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫 描等待。 PLC 则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU 从第一条指令开始执 行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令 开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符号后返回第一条指令，如此周而复 始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC 的工作过程就是 PLC 的扫描循 环工作过程，一个循环扫描周期主要可分为 3 个阶段，输入刷新阶段、

21、程序执行 阶段、输出刷新阶段。如图 1-2 所示 PLC 的扫描工作过程。 图 2-3 PLC 的扫描工作过程 2.2 PLC 的主要应用 经过 20 多年的工业运行，PLC 迅速渗透到工业控制的各个领域，从 PLC 的 功能来看，它的应用范围大致包括以下几个方面： （1）逻辑控制 PLC 具有逻辑运算功能，可以实现各种通断控制。 （2）定时控制 PLC 具有定时功能。它为用户提供几十个甚至上千个计 时器，其计时时间设定值既可以由用户程序设定，也可以由操作人员在工业现场 通过人机对话装置实时设定，计时器的实际计时值也可以通过人机对话 装置实时读出或 （3）计数控制 PLC 具有计数功能。它为用

22、户提供几十个甚至上千个计 数器，其计数设定值的设定方式同计时器计时时间设定值一样。计数器的实际计 数值也可以通过人机对话装置实时读出。 （4）步进（顺序）控制 PLC 具有步进（顺序）控制功能。在新一代的 PLC 中，还可以 IEC 规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图（SFC） 编制用户程序，PLC 在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出的场合更简 便。 （5）PID 控制 PLC 具有 PID 控制功能。PLC 可以接模拟量输入和输出 模拟量信号。通常采用专门的 PID 控制模块来实现。 （6）数据处理 PLC 具有数据处理能力。它能进行自述运算数据比较， 数据传送，数制转换，数据

23、显示和打印，数据通信等功能。新一代的大，中型 PLC 还能进行函数运算，浮点运算等。 （7）通信和联网 新一代的 PLC 都具有通信功能。它既可以对远程 I/O 进 行控制，又能实现 PLC 和 PLC，PLC 和计算机之间的通信。因此，可以方便地 构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。 （8）PLC 还具有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，例如：定 位控制模块，CRT 模块等。 2.3 S7-200 系列可编程控制器 德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产 的 SIMATIC 可编程序控制器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器是 于 1

24、975 年投放市场的 SIMATIC S3 系列控制系统。 1979 年微处理器技术被应用 到可编程序控制器中后，产生了 SIMATIC S5 系列，随后在 20 世纪末又推出了 S7 系列产品。 2.3.1 S7-200 PLC 系统组成 1CPU 模块 从 CPU 模块的功能来看，SIMATIC S7-200 系列小型可编程序控制器的发展， 大致经历了两代： 第一代产品其 CPU 模块为 CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同 结构配置的 CPU 单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215 和 CPU 216。 第二代产品其 CPU 模块为 CPU 22X，是在 21

25、世纪初投放市场的，速度快， 具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的 CPU 单元：CPU 221，CPU 222、CPU 224 和 CPU 226，除 CPU 221 之外，其他都可加扩展模块。 2 输入输出扩展模块 （1） 设备连接 图 2-3 I/O 扩展示意图 （2） 最大 I/O 配置的预算 在进行 I/O 扩展时,各扩展模块在 5VDC 下所消耗的电流应不大于 CPU 主机模板 在 5VDC 下所能提供的最大扩展电流. 各 CPU 在 5VDC 下所能提供的最大扩展电流如表 2-4 所示。 表 2-4 CPU 提供的最大扩展电流 2.3.1 S7-200 系列 PLC 元件功

26、能 1. 数据类型 数据类型 S7-200 系列 PLC 的数据类型可以是字符串、布尔型（0 或 1） 、整 数型和实数型（浮点数） 。布尔型数据指字节型无符号整数；整数型数包括 16 位 符号整数（INT）和 32 位符号整数（DINT） 。 2. 编程元件 （1） 输入映像寄存器 I（输入继电器） 输入映像寄存器的工作原理：输入继电器是 PLC 用来接收用户设备输入信 号的接口。PLC 中的继电器与继电器控制系统中的继电器有本质性的差别，是软 继电器，它实质是存储单元 输入映像寄存器的地址分配：S7-200 输入映像寄存 器区域有 IB0IB15 共 16 个字节的存储单元。系统对输入映像

27、寄存器是以字节 （8 位）为单位进行地址分配的。 （2） 变量存储器 V 变量存储器主要用于存储变量。可以存放数据运算的中间运算结果或设置参 数，在进行数据处理时，变量存储器会被经常使用。变量存储器可以是位寻址， 也可按字节、字、双字为单位寻址，其位存取的编号范围根据 CPU 的型号有所 不同，CPU221/222 为 V0.0V2047.7 共 2KB 存储容量，CPU224/226 为 V0.0V5119.7 共 5KB 存储容量 （3） 内部标志位存储器（中间继电器）M 内部标志位存储器，用来保存控制继电器的中间操作状态，其作用相当于继 电器控制中的中间继电器，内部标志位存储器在 PLC

28、 中没有输入/输出端与之对 应，其线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动，其触点不能直接驱动外部负 载，只能在程序内部驱动输出继电器的线圈，再用输出继电器的触点去驱动外部 负载。 （4） 特殊标志位存储器 SM PLC中还有若干特殊标志位存储器, 特殊标志位存储器位提供大量的状态和 控制功能，用来在CPU和用户程序之间交换信息，特殊标志位存储器能以位、字 节、字或双字来存取。 （5） 定时器 T PLC 所提供的定时器作用相当于继电器控制系统中的时间继电器。每个定时 器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用。其设定时间由程序设置。 （6） 计数器C 计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的

29、脉冲个数。计数器可提 供无数对常开和常闭触点供编程使用，其设定值由程序赋予。 （7） 累加器 AC 累加器是用来暂存数据的寄存器，它可以用来存放运算数据、中间数据和结 果。CPU 提供了 4 个 32 位的累加器，其地址编号为 AC0AC3。累加器的可用 长度为 32 位，可采用字节、字、双字的存取方式，按字节、字只能存取累加器 的低 8 位或低 16 位，双字可以存取累加器全部的 32 位。 2.4 PID 控制器简介 基于偏差的比例(Proportlonal)、积分(Integral)和微分(Derivative)的控制器简称 为 PDI 控制器，它是工业过程控制中最常见的一种过程控制器。

30、由于 PID 控制器 算法简单、鲁棒性强，因而被广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业 过程控制系统中。 尽管工业自动化飞速发展，但是 PID 控制技术仍然是工业过程控制的基础。 根据日本有关调查资料显示，在现今使用的各种控制技术中，PID 控制技术占 84.5%，优化 PID 控制技术占 6.8%，现代控制技术占 1.6%，手动控制占.66%， 人工智能(Al)控制技术占 0.6%。如果把 PID 控制技术和优化 PID 控制技术加起来， 则占到了 90%以上，而文献指出，工业过程控制中，95%以上的回路具有 PID 结 构。因此，可以毫不夸张地说，随着工业现代化和其他各种先进控制技术

31、的发展， PID 控制技术仍然不过时，并且它还占着主导地位。同时，由于工业过程对象的 精确模型难以建立，系统参数又经常发生变化，因而在用 PID 控制器进行调节时， 又往往难以得到最佳的控制效果。 2.4.1 PID 控制器的结构及原理 PID 控制器是一种基于偏差“过去、现在和未来”信息估计的有效而简单的控 制算法。常规 PID 控制系统原理图如图 2-5 示。 图 2-5 PID 控制系统原理图 整个系统主要由 PID 控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，PID 控制器 根据给定值 SV 和实际输出值 PV 构成控制偏差， 即 e(t)=r(t)-y(t) (2. 1) 然后对偏差按

32、比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。 由图 2-5 得到 PID 控制器的理想算法为 (2. 2) 01 p )( )( 1 )(KU(t) dt tde Tdtte T te d 或者写成常见传递函数的形式为： (2. 3)() 1 1 ()( 1 sEsT sT KsU dp 其中， 、Ti、Td 分别为 PID 控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。 式(2.2.2)和式(2.2.3)是我们在各种文献中最经常看到的 PID 控制器的两种表达形 式。各种控制作用(即比例作用、积分作用和微分作用)的实现在表达式中表述的 很清楚，相应的控制器参数包括比例增益凡、

33、积分时间常数 Ti 和微分时间常数路。 这三个参数的取值优劣将影响到 PID 控制系统的控制效果好坏。 2.4.2 数字式 PID 控制 在供水系统的设计中，选用了具有 PID 调节模块的变频器来实现闭环控制保 证供水系统中的压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。在连续控制系统中，常 采用 proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为 pID 控制。PID 控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以 下优点:理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。PID 控制器 是一种线性控制器，它是对给定值:r(t)和

34、实际输出值只 t)之间的偏差 e(t): e(t)=y(t)一 r(t) (2.4)() 1 1 ()( 1 sEsT sT KsU dp 经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量 u(t)， 对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成， 其控制系统原理框图如图 2-6 所示，图中 u(O 为 PID 调节器输出的调节量。 图 2-6 PID 控制原理图 PID 控制器规律为： （2.5） dt tde Tdtte T teKty Dp )( )( 1 )()( 1 式中：为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。 p K 1

35、T D T 相应地传递函数形式： （2.6）) 1 1 ( )( )( )(G 1 sT sT K sE sU s Dp PID 控制器各环节的作用及调节规律如下: l)比例环节:成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差 e(t)一旦产生，控 制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种反 映。比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数凡的增大而减少，比 例系数过大将导致系统不稳定。 2)积分环节:表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积 分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直 到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静

36、差，提高系统的无差度。积分作用的 强弱取决于积分时间常数不，不越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大， 反之则越强，易引起系统振荡。 3)微分环节:对偏差信号的变化趋势(变化速率)做出反应，并能在偏差信号变 得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度， 减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响 应时间，改善系统的动态特性。但过大的几对于干扰信号的抑制能力却将减弱。 PID 的三种作用是相互独立，互不影响。改变一个调节参数，只影响一种调节作 用，不会影响其他的调节作用。然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制 规律都难以获得良好的控制

37、性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调 节器快速，平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。自从计算机进入控制 领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现 PID 控制算法具有更大的灵活性 和可靠性。数字 PID 控制算法是通过对式（2.6）离散化来实现的。用一系列的采 样时刻点 nT 代表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一 阶后向差分近似代替连续系统的微分，得到 PID 位置控制算法表达式: （2.7） ) 1()()()()( 0 nene T T je T T neKnu D n j I p 式中:T 为采样周期;n 为采样序号;e(n)为第 n 时刻的偏差信

38、号;e(n 一 l)为 第 n 一 1 时刻的偏差信号。PID 位置控制算法采用全量输出，一方面需要计算本 次与上次的偏差信号 e(n)和 e(n 一 l)，而且还要把历次的偏差信号 e(j)相加，计算 繁锁，占用内存大;另一方面计算机输出的控制量 u(n)对应的是执行机构的实际位 置偏差，如果位置传感器出现故障，u(n)可能出现大幅度变化，引起执行机构的 大幅度变化，这是不允许的。为此实际控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表 达式为（2.8）: 1 ( )( )(1)( )(1)( ) p U nu nu nKe ne nK e n （2.8）( )2 (1)(2) D Ke ne n

39、e n 式中：为调节器输出的控制增量：( )U n 1 ; D IPDP TT KKKK TT 增量式算法中不需要累加，调节器输出的控制增量 Au(n)仅与最近几次采样有关， 所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易 通过加权处理获得比较好的控制效果。 2.4.3 数字式 PID 控制的实现 PID 控制器是控制系统中应用最广泛的一种控制器，在工业过程控制中得到 了普遍的应用。过去的 PID 控制器通过硬件模拟实现，但随着微型计算机的出现， 特别是现代嵌入式微处理器的大量应用，原先 PID 控制器中由硬件实现的功能都 可以用软件来代替实现，从而形成了数值 PID

40、算法，实现了由模拟 PDI 控制器到 数字 PID 控制器的转变。数字 PID 控制器在实际应用中可分为两种:位置式 PID 控制器和增量式 PID 控制器。 应用中，位置式 PID 控制器和增量式 PID 控制器的算法实现分别如图 2-7 和 图 2-7、图 2-8 所示。 图 2-7 位置式 PID 算法实现 图 2-8 增量式 PID 算法实现 第 3 章 水塔水位控制系统方案设计 在传统的水塔、水箱供水的基础上，加入了 PLC 及液压变送器等器件利用 PLC 和组态软件来实现水塔水位的控制提供了一种实用的水塔水位控制方案。 控制系统组成 3.1 系统的工作原理 在系统中，只使用比例和积

41、分控制，其回路增益和时间常数可以通过工程 计算初步确定，但还需要进一步调整达到最优控制效果。系统启动时，关闭出 水口，用于动控制输入控制液体阀，使水位达到满水位的 75%，然后打开出水 口，同时输入控制液体阀从手动方式切换到自动方式。这种切换由一个输入的 数字量控制。 3.1.1 设计分析 图 3-1 设计分析示意图 “水塔水位自动控制系统”的控制对象为水泵，容器为水塔或储液罐。水位高度 正常情况下控制在 C、D 之间，如图 1（a） 。当水位在低于 C 点时，水泵开始进 水，如图 1（b） 。当水位高于 D 点时，水泵停止进水，如图 1（c） 。当水位低于 C 点并到达 B 点时就报警，采取

42、手动启动水泵，如图 1（d） 。当水位超过 D 点并 到达 E 点时上限报警，采取强制停止水泵，水位从溢流口流出，如图 1（e） 。 3.1.2 可行性试验 图 3-2 为水塔水位控制器的外观正视图，由电源指示灯、报警确认灯、水位指示 灯以及报警确认开关组成。接通电源时，电源指示灯亮，当水塔中水深处于不同 位置时，水位指示灯 B、C、D、E 情况不同。 图 3-2 水塔水位控制器外观图 当水位处于 B 点之下，指示灯 B、C、D、E 全亮，报警电路开始报警， 即下限报警。 当水位处于 B、C 之间，指示灯 B 灭，C、D、E 亮，水泵开始进水。 当水位处于 C、D 之间，指示灯 B、C 灭，C

43、、D 亮，保持状态，即保持 进水。 当水位处于 D、E 之间，指示灯 B、C、D 灭，E 亮，停进状态，即水泵 不工作。 当水位处于 E 点之上，指示灯 B、C、D、E 全灭，水泵不工作，报警电 路开始溢出报警，即上限报警。 报警电路可以手动关闭，只要按下报警确认开关，就可以解除报警的蜂鸣 声。此时，报警确认灯亮起。处理完故障时，必须关闭报警确认灯，报警确认电 路复位，恢复其监测故障的功能。 3.1.3 可行性分析 此方案采用纯硬件电路设计，避免了软件程序设计中的不稳定因素，提高了 实际运用中的可靠性。同时，对于不同类型的液体，此系统均有良好的兼容性。 当水塔中液体改变时，只需要将电位器中的阻

44、值和该液体的阻值调节到一个数量 级上就可以很方便的实现此液体的水位控制操作。试验证明，此水塔水位控制器 不仅实现了对水塔水位的精确控制，而且，此系统更具有工业生产的实际性。 3.2 水位闭环控制系统 图 3-3 供水系统控制原理图 M1、M2水泵 Y0-Y3液位开关 F1手阀 F2电磁阀 为了精确的实现对水位的控制，必须建立闭环控制系统。根据水塔中的进、 出水的水位可以自动控制水泵，使水位处于动态的平衡状态。 供水系统的基本原理如图 1 所示，水位闭环调节原理是：通过在水塔中的三个液 压变送器，将水位值变换为 420 mA 电流信号进入 PLC，把该信号和 PLC 中的 设定值的程序进行比较，

45、并执行较后程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行 自动控制。当 PLC 出现故障时，还有一套手动控制来进行对水塔水位控制。手动 控制采用交流接触器。 上水箱液位低于 Y3 时，M1、M2 同时工作，F2 打开。液位上升至 Y2 时，M2 停 止，F2 关闭，M1 继续工作。液位上升至 Y1 时，M1 也停止。打开 F1 手阀使上 水箱放水，液位下降。当液位又低于 Y1 时 M1 起动工作，如 F1 开度较大下水量 大于上水量，使液位继续下降至 Y2 时，M2 启动工作同时 F2 打开，使上水量大 幅上升，保持液位。Y0 为下水箱缺水报警开关下水箱液位低于 Y0 时意味着水泵 进水口缺水，此时应

46、自动切断电源并报警。 图 3-4 水位闭环控制图 3.2.1 PLC 的选择 由于该系统为中型 PLC 自动控制系统，要求 PLC 能够提供可编程逻辑分析 和 PID 功能，故选用中达公司生产的台达 DVP14ES00R 可编程逻辑控制器。台 达 DVP14ES00R 具有标准的输入、输出及通信单元，可用于较为恶劣的环境中。 主要配件有中央处理器 CPU，电源单元 PSE，I/O 单元。包括数字输入板 IDPG、 数字输出板 ODPG、附属单元。 3.2.2 供水的控制方法 图 3-5 给水泵控制原理图 系统的硬件接线图如图 3-5 所示。从整个流程中可以看到两套控制方式： 由一台可编程序控制

47、器来控制两台水泵的自动运行。由交流接触器来控制两台 水泵的手动运行。当换项开关 KKl 打到手动时，按下起动按钮 SBl，1#泵起动运 行向水塔注水，由于设置了顺序开启和逆序关闭，在 1#泵没有开起的情况下，2# 泵不能起动运行，而在两个水泵同时运行时，2#泵在没有停止的情况下，1#泵不 能够停止。现在 1#泵运行的时候，按下起动按钮 SB2，2#泵起动运行向水塔注水。 此时，控制台上的水位灯，由水塔中的液位变送器将水位变换为 420mA 电流信 号输入到 PLC 中，经 IDPG 将其转换为数字信号。该信号与水位给定值进行比较， 由 PLC 输出一个控制信号经 ODPG 转换控制信号点亮此时

48、水塔水位所在的水位灯。 当换项开关 KK1 打到自动时，系统将根据水塔中水位的情况，通过在水塔中的液 位变送器送出的 420 mA 电流信号由 PLC 接受并对其于给定值进行比较，执行 事先编译好的程序。程序流程是：在水塔中无水时，1#、2#泵同时开起，对水塔 进行注水；水位到达低水位时，控制台上的低水位灯点亮；水位到达中水位时， 2#泵停止，1#泵继续运行，中水位灯点亮；水位到达高水位时，1#、2#泵都停止， 高水位灯点亮。而当下水箱水位到达报警水位的时候，报警器开始报警，并切断 1#、2#泵的运行。 系统各种功能的实现 1水位显示及报警功能 为了及时观测到水塔中的水位，特别在控制台上安装了

49、 4 盏水位显示灯，并 将它们与 PLC 连接，根据变送器给 PLC 的信号，由 PLC 输出信号开启这 4 盏水 位灯来显示当前水塔水位的情况。其中一盏灯是报警灯，在下水箱缺水的时候进 行报警，提醒工作人员前来处理。 2手动/自动功能 为了系统能正常运行，设置两套手动/自动运行方式。手动方式是利用继电器- 接触器控制，可以在环境比较恶劣的条件下继续工作，自动方式是利用 PLC 来控 制。 3组态软件功能 在这里利用组态软件的采集数据的功能，对水塔的水位进行实时监控，通过 实际的数字和图表反映出现在的水位状况。 第 4 章 PLC 中 PID 控制器的实现 4.1 PID 算法 PID(Pro

50、Portiona1IntegralDerivative)是工业控制常用的控制算法，无论在温度、 流量等慢变化过程，还是速度、位置等快速变化的过程，都可以得到很好的控制 效果。PID 控制算法一般由【比例项+积分项+微分项】组成。积分项的作用是消 除系统静差，而微分项则改善系统的动态响应速度。 PLC 技术不断增强，运行速度不断提高;不但可以完成顺序控制的功能，还可 以完成复杂的闭环控制。图 4.1 是常见闭环控制系统的构成。 4-1 闭环控制系统 作为闭环控制的重要特征，采用了“误差”的概念，即:在闭环控制系统中，利 用给定输入 sP(t)与实际输出 c(t)经过测量装置装置转换后的反馈量 P

51、v(t)之间的差 值 e(t)作为控制量，来实现对系统的控制。 在实际闭环控制系统中，误差 e(t)一个很小的变化量。因此，为了对系统进行更 精确的控制，消除系统在稳态的输出误差，改善系统的动态响应性能，需要对误 差进行放大(比例调节 P)、积分(积分调节 I)、微分(微分调节 D)，才能有效地控制 系统中的执行机构，保证系统具有良好的动、静态性能。 在自动控制系统中，用来对误差进行放大、积分、微分等处理的装置称为 “调节器”，当调节器具有“放大”、 “积分”、 “微分”功能时，即成为 PID 调节器。 在变频恒压供水自动控制系统的产品开发和应用实践中，经常采用 PID 控制 器、软件 PID

52、 以及变频器内置 PID 来实现系统的 PID 调节功能，三种方法各具优 缺点，本设计选用 PID 算法的 PLC 实现方法。 4.2 PID 应用 在工业生产中，常常需要用闭环控制方式来控制温度、液位、压力、流量等 连续变化的模拟量。无论是使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机 （包括 PLC）的数字控制系统，PID 控制都等到了广泛的应用。PID 控制简单易 懂，使用中不必能清楚系统的数字模型。有人称赞它是控制领域的常青树是不无 道理的。 PID 控制器是比例-积分-微分控制(Proportional-Integral-Derivative)的简称,之 所以得到广泛应用是因为它具有如

53、下优点： （1）不需要精确地控制系统数字模型。由于非线性和时变性很多工业控制 对象难以得到其准确的数字模型，因此不能使用控制理论中的设计方法。对于这 一类系统，使用 PID 控制可以得到比较满意的效果。 （2）有较强的灵活性和适应性。积分控制可以消除系统的静差，微分控制 可以改善系统动态响应速度，比例、积分、微分控制三者有效地结合就可以满足 不同的控制要求。根据被控制对象的具体情况，还可以采用各种 PID 控制的变种 和改进的控制方式，如 PI、PD、带死区的 PID、积分分离 PID、变速积分 PID 等。 （3）PID 控制器的结构典型，程序简单，工程上易于实现，参数调整方便。 在 PLC

54、 控制系统中，经常采用模拟量输入/输出模块实现模拟量的数字化处 理，本系统选择 S7-20O 系列 EM235 模拟量模块，对管网压力信号进行采样，并 通过变频器调整液压阀输入与输出。 4.3 PLC 实现 PID 控制的方式 用 PLC 对模拟量进行 PID 控制时，可以采用以下几种方法： （1） 使用 PID 过程控制模块 这种模块的 PID 控制程序是 PLC 生产厂家设计的，并存放在模块中，用户 在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几 十路闭环回路，但是这种模块的价格较高，一般在大型控制系统中使用。 （2） 使用 PID 功能指令 现在很多 PLC 都有

55、供 PID 控制用的功能指令，如 S7-200 的 PID 指令。它们实际 上是用于 PID 控制的子程序，与模拟量的输入/输出模块一起使用，可以得到类似 于是用 PID 过程控制模块的效果，但是价格便宜得多。 (3) 用自编的程序实现 PID 闭环控制 有的 PLC 没有 PID 过程控制模块和 PID 控制用的功能指令，有时虽然可以 使用 PID 控制指令，但希望采用某种改进的 PID 控制算法。在上述情况下都需要 用户编制 PID 控制程序。 4.4 PLC PID 控制器的实现 PLC 的 PID 控制器的设计是以连续系统的 PID 控制规律为基础，将其数字化， 写成离散形势的 PID

56、 控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。 在连续系统中，典型的 PID 闭环控制系统如图 3-1 所示。图中为给定值，( )sp t 为反馈量，c(t)为系统的输入量，PID 控制器的输入输出关系式为：( )pv t 0 0 1 11 ( )( )( )( ) t c D M tKe te t dtde tdtM TT 式中， 控制器的输出，为输出的初始值，( )M t 0 M = 误差信号，( )e t( )( )sp tpv t 比例系数， c K 积分时间常数， 1 T 微分时间常数。 D T 图 4-2 连续闭环控制系统方框图 上式中等号右边前 3 项分别是比例、积分、微分部分，它

57、们分别与误差、误 差积分和微分成正比。如果取其中一项或两项，可以组成 P、PD 或 PI 控制器。 假设采样周期为，系统开始运行的时刻为 t=0，用矩形积分来近似精确积 S T 分，用差分近似精确微分，将上式离散化，第 n 次采样时控制器的输出为： 110 1 () n ncnjDnn j MK eKeKeeM 式中， 第 n-1 次采样误差值。 1n e 积分系数。 1 K 微分系数。 D K 在 S7-200PLC 中，实际使用的 PID 算法为： ( )( )( )( ) pID M nMnMnMn 式中： 第 n 次采样的调节器输出 ( )M n 比例项 ( ) p Mn ( )( )

58、 pC MnK e n 积分项 ( ) I Mn 0 ( )( ) n Iiij j MnK e nKe 微分项 ( ) D Mn ( )1 Dd MnKe ne n 基于 PLC 的闭环控制系统如图 4-2 所示，图中虚线部分在 PLC 内。这图中 的、分别为模拟量、在第 n 次采样的 n sp n pv n e n M( )sp t( )pv t( )e t( )M t 数字量。 图 4-3 PLC 闭环控制系统方框 在许多控制器系统内，可能只需要 P、I、D 中的一种或两种控制器类型。例 如，可能只要求比例控制或积分控制，通过设置参数可对回路控制类型进行选择。 本系统只适用比例和积分控制

59、，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初 步确定，但还需要近一步调整已达到最优控制效果。系统启动时，关闭出水口。 用手动控制液体阀，使水位达到满水位的 75%，然后打开出水口，同时输入控制 液体阀从手动方式切换到自动方式。这种切换有一个输入的数字量控制。 4.5 PID 指令及回路表 S7-200 的 PID 指令图如图 3-4 所示。 图 4-4 PID 指令图 指令中 TBL 是回路表的起始地址，LOOP 是回路编号。编译时如果指令指定的回 路表起始地址或回路号超出范围，CUP 将产生编译错误（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、

60、给 定值等不超限。回路表见表 4-1. 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，都要更新回路表内的输出值，它被限 n M 制在 0.01.0 之间。 表 4-1 PID 指令的回路表 偏移地址变量格式类型描述 0过程变量 n pv双字实数输入应在 0.01.0 之间 4给定值 n sp双字实数输入应在 0.01.0 之间 8输出值 n M双字实数输入/输出应在 0.01.0 之间 12增益 c K双字实数输入比例常数，可正可负 16采样时间 s T双字实数输入单位为 s，必须为正 20积分时间 1 T双字实数输入单