水塔水位PID控制系统设计

1、123/133水塔水位PID操纵系统设计摘 要供水是一个关系国计民生的重要产业。随着社会的进展和人民生活水平的提高，对都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操纵液体阀以不同的速度给水塔供水，以维持水位的变化，如此才能使水塔不断水。研究设计的基于PLC操纵的水塔水位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、输入操纵液压阀、输出操纵液压阀等，组成一个基于S7-200系列中PLC-CPU226的水塔水位操纵系统，能完成逻辑操纵、水位调节和数据采样等功能,实现对水塔

2、的水位进行操纵及检测。在设计中大量运用PLC中PID来实现水塔水位的操纵，为了精确地实现对水位的操纵 ，建立成闭环操纵系统，实现了水塔中的进、出水的水位自动操纵。关键词： 可编程操纵器PLC，水塔水位，PID操纵 Water TOWERS pid CONTROL SYSTEM DESIGNABSTRACTWater supply is an important industry of the peoples livelihood. With the social development and peoples living standards, urban water supply to a

3、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 that continuous water towers.

4、 PLC-based research and design of the towers level PID control the water supply system to Siemens S7-200 series PLC-CPU226-based light simulation module EM235, liquid level sensors, type of hydraulic control valve, hydraulic valve control output and so on, based on the formation of a S7-200 series o

5、f the PCL-CPU226 towers water level control system, to complete logic control, water regulation and function of data sampling, etc., to achieve the level of the water tower for control and detection. In the design of PID make extensive use of PLC to achieve the level of control towers, in order to a

6、chieve precise level of control, into a closed-loop control system, the water tower in progress, the water level of automation.Key words: Programmable Logic Controller PLC, Water Towers, PID Control目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232467823 前言 PAGEREF _Toc232467823 h 1 HYPERLINK l _Toc232467824 第1

7、章 水塔水位自动操纵系统的概述 PAGEREF _Toc232467824 h 2 HYPERLINK l _Toc232467825 1.1 水位操纵系统现状与进展 PAGEREF _Toc232467825 h 2 HYPERLINK l _Toc232467826 1.2 水塔水位自动操纵系统的组成 PAGEREF _Toc232467826 h 2 HYPERLINK l _Toc232467827 1.3 水位操纵系统效率及运行模式分析 PAGEREF _Toc232467827 h 3 HYPERLINK l _Toc232467828 第2章 PLC结构和工作原理 PAGEREF

8、 _Toc232467828 h 4 HYPERLINK l _Toc232467829 2.1 PLC组成与差不多结构 PAGEREF _Toc232467829 h 4 HYPERLINK l _Toc232467830 2.1.1 PLC的系统结构 PAGEREF _Toc232467830 h 4 HYPERLINK l _Toc232467831 2.1.2 PLC的差不多工作原理 PAGEREF _Toc232467831 h 5 HYPERLINK l _Toc232467832 2.2 PLC的要紧应用 PAGEREF _Toc232467832 h 6 HYPERLINK l

9、 _Toc232467833 2.3 S7-200 系列可编程操纵器 PAGEREF _Toc232467833 h 6 HYPERLINK l _Toc232467834 2.3.1 S7-200 PLC系统组成 PAGEREF _Toc232467834 h 7 HYPERLINK l _Toc232467835 2.3.1 S7-200系列PLC元件功能 PAGEREF _Toc232467835 h 7 HYPERLINK l _Toc232467836 2.4 PID操纵器简介 PAGEREF _Toc232467836 h 9 HYPERLINK l _Toc232467837 2

10、.4.1 PID操纵器的结构及原理 PAGEREF _Toc232467837 h 9 HYPERLINK l _Toc232467838 2.4.2 数字式PID操纵 PAGEREF _Toc232467838 h 10 HYPERLINK l _Toc232467839 2.4.3 数字式PID操纵的实现 PAGEREF _Toc232467839 h 12 HYPERLINK l _Toc232467840 第3章 水塔水位操纵系统方案设计 PAGEREF _Toc232467840 h 14 HYPERLINK l _Toc232467841 3.1 系统的工作原理 PAGEREF _

11、Toc232467841 h 14 HYPERLINK l _Toc232467842 3.1.1 设计分析 PAGEREF _Toc232467842 h 14 HYPERLINK l _Toc232467843 3.1.2 可行性试验 PAGEREF _Toc232467843 h 15 HYPERLINK l _Toc232467844 3.1.3 可行性分析 PAGEREF _Toc232467844 h 16 HYPERLINK l _Toc232467845 3.2 水位闭环操纵系统 PAGEREF _Toc232467845 h 16 HYPERLINK l _Toc232467

12、846 3.2.1 PLC的选择 PAGEREF _Toc232467846 h 18 HYPERLINK l _Toc232467847 3.2.2 供水的操纵方法 PAGEREF _Toc232467847 h 18 HYPERLINK l _Toc232467848 第4章 PLC中PID操纵器的实现 PAGEREF _Toc232467848 h 20 HYPERLINK l _Toc232467849 4.1 PID算法 PAGEREF _Toc232467849 h 20 HYPERLINK l _Toc232467850 4.2 PID应用 PAGEREF _Toc2324678

13、50 h 21 HYPERLINK l _Toc232467851 4.3 PLC实现PID操纵的方式 PAGEREF _Toc232467851 h 21 HYPERLINK l _Toc232467852 4.4 PLC PID操纵器的实现 PAGEREF _Toc232467852 h 22 HYPERLINK l _Toc232467853 4.5 PID指令及回路表 PAGEREF _Toc232467853 h 24 HYPERLINK l _Toc232467854 第5章系统硬件开发设计 PAGEREF _Toc232467854 h 26 HYPERLINK l _Toc23

14、2467855 5.1 可编程操纵器的选型 PAGEREF _Toc232467855 h 26 HYPERLINK l _Toc232467856 5.3 EM235模拟量模块 PAGEREF _Toc232467856 h 28 HYPERLINK l _Toc232467857 5.3.1 EM235的安装使用 PAGEREF _Toc232467857 h 29 HYPERLINK l _Toc232467858 5.3.2 EM235的工作程序编制 PAGEREF _Toc232467858 h 29 HYPERLINK l _Toc232467859 5.4 硬件连接图 PAGER

15、EF _Toc232467859 h 30 HYPERLINK l _Toc232467860 5.5 操纵系统I/O地址分配 PAGEREF _Toc232467860 h 30 HYPERLINK l _Toc232467861 第6章 系统软件应用设计 PAGEREF _Toc232467861 h 31 HYPERLINK l _Toc232467862 6.1 水位PID操纵的逻辑设计 PAGEREF _Toc232467862 h 31 HYPERLINK l _Toc232467863 6.2 梯形图编程 PAGEREF _Toc232467863 h 35 HYPERLINK

16、l _Toc232467864 6.3 操纵程序 PAGEREF _Toc232467864 h 38 HYPERLINK l _Toc232467865 6.4 联机 PAGEREF _Toc232467865 h 39 HYPERLINK l _Toc232467866 结 论 PAGEREF _Toc232467866 h 40 HYPERLINK l _Toc232467867 谢 辞 PAGEREF _Toc232467867 h 41 HYPERLINK l _Toc232467868 参考文献 PAGEREF _Toc232467868 h 42 HYPERLINK l _Toc

17、232467869 附录43 HYPERLINK l _Toc232467870 外文资料翻译 PAGEREF _Toc232467870 h 46前言在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等差不多上常用的要紧被控参数。其中，水位操纵越来越重要。在社会经济飞速进展的今天，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，重则可能造成严峻的生产事故及损失。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差不多要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采纳水塔

18、、层顶水箱等作为差不多储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。传统的操纵方式存在操纵精度低、能耗大、可靠性差等缺点。可编程操纵器（PLC）是依照顺序逻辑操纵的需要而进展起来的，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，目前水位操纵的方式被PLC操纵取代。同时，又有PID操纵技术的进展，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）进行自动操纵。比如自动操纵水塔、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操纵、自动电热水器、电开水机的自动进水操纵等。尽管各种水位

19、操纵的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特不是在实际操作系统中，稳定、可靠是操纵系统的差不多要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位操纵系统就显得日益重要。采纳PLC和PID技术能专门好的解决以上问题，使水位操纵在要求的位置。本论文侧重介绍“水塔水位PID操纵系统”的硬件、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，依照用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用输入液体操纵阀连续调节和输出操纵阀分级调节相结合，实现水塔供水且有效节能。水位PID操纵系统集PLC操纵技术、PID技术、电子电力技

20、术、微电子技术和计算机技术、测试技术于一体。采纳该系统进行供水能够提高供水系统的稳定性和可靠性，同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，因此研究设计该系统，关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 水塔水位自动操纵系统的概述1.1 水位操纵系统现状与进展节能是我国社会经济能否保持可持续进展的一个重大问题.水位操纵广泛应用于工农业生产与民用生活，其用电量大，是节能研究的要紧内容之一.对变频调速水位操纵系统的实际运行情况研究发觉，目前国内在这方面普遍采纳恒水位或恒压力变频调速PID操纵技术，取得了一定的应用效果.但由于这类操纵系统忽视了水泵-

21、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，单目标的恒水位或恒压力操纵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，造成了变频调速操纵系统在实际运行中效率不高，节能效果未能充分体现,这也是变频调速操纵技术多年来一直难以大规模采纳的缘故之一，水位操纵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操纵问题，要求操纵 图1-1 水塔水位操纵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，采纳传统的操纵策略专门难获得简便、有用的解决方法.本文结合水位操纵类系统的特点，运用水位操纵理论与最优操纵方法，以系统效率最大及满足用水要求为目标，设计一种

22、水位操纵以改善这类系统的操纵策略与运行方式，同时给出采纳PLC操纵程序实现的此水位操纵。水塔水位操纵系统模型如图1-1。1.2 水塔水位自动操纵系统的组成水位自动操纵系统由PLC（核心操纵部件）、高低位的水位检测电路（液位传感器）、输入操纵液压阀、输出操纵液压阀等部分组成。1.3 水位操纵系统效率及运行模式分析水位操纵系统的效率要紧由水泵的效率、电动机的效率和管道损失决定，本文要紧研究水泵-电机组的效率问题。由于水位操纵系统的非线性、滞后性与时变性，采纳传统的PID操纵容易实现单目标，即水位恒定或水泵-电机组高效运行，而无法两者兼顾。为此引入模糊操纵，使系统能够最快地响应用户的用水要求并最大限

23、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操纵的节能问题时，以不同转速下提供相同容积图1-2 操纵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1-1给出了水位操纵系统操纵模型图，H表示水位高度，依水位高度将水箱划分为A、B、C三区。A、C区分不为

24、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。系统总的操纵模式为：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，依照此图可设计一个水位操纵器，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，在时刻上最大限度地工作在高效区，如此，系统运行的效率就能够提高，现在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合。第2章 PLC结构和工作原理2.1 PLC组成与差不多结构PLC是微机

25、技术和继电器常规操纵概念相结合的产物，从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只只是它比一般计算机具有更强的扩展性与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于操纵要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。因此，PLC是一种工业操纵用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统差不多相同，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，但差不多上以微处理器为核心用做工业操纵的专用计算机，因此其结构和工作原理都大致相同，硬件和微机相似。要紧包括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

26、口等。其内部也是采纳总线结构来进行数据和指令的传输。图2-1 PLC结构示意图如图2-1所示。PLC操纵系统有输入量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操纵。由此可见，PLC的差不多结构由操纵部分、输入和输出部分组成。2.1.2 P由于PLC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专门大的不同。微机一般采纳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

27、化，则转入相应的子程序，若无则接着扫描等待。PLC则是采纳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，假如无跳转指令，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的工作过程确实是PLC的扫描循环工作过程，一个循环扫描周期要紧可分为3个时期，输入刷新时期、程序执行时期、输出刷新时期。如图2-2所示PLC的扫描工作过程。图2-2 PLC的扫描工作过程2.2 PLC的要紧应用通过20多年的工业运行，PLC迅速渗透到工业操纵的各个领域，从PLC的功能来看，它的应用范

28、围大致包括以下几个方面：（1）逻辑操纵 PLC具有逻辑运算功能，能够实现各种通断操纵。（2）定时操纵 PLC具有定时功能。它为用户提供几十个甚至上千个计时器，其计时时刻设定值既能够由用户程序设定，也能够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能够通过人机对话装置实时读出或（3）计数操纵 PLC具有计数功能。它为用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刻设定值一样。计数器的实际计数值也能够通过人机对话装置实时读出。（4）步进（顺序）操纵 PLC具有步进（顺序）操纵功能。在新一代的PLC中，还能够IEC规定的用于顺序操纵的标准化语言顺序功能图（

29、SFC）编制用户程序，PLC在实现按照事件或输入状态的顺序操纵相应输出的场合更简便。（5）PID操纵 PLC具有PID操纵功能。PLC能够接模拟量输入和输出模拟量信号。通常采纳专门的PID操纵模块来实现。（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。它既能够对远程I/O进行操纵，又能实现PLC和PLC，PLC和计算机之间的通信。因此，能够方便地构成“集中治理，分散操纵”的分布式操纵系统。（8）PLC还具有许多专门功能模块，适

30、用于各种专门操纵的要求，例如：定位操纵模块，CRT模块等。2.3 S7-200 系列可编程操纵器 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可编程序操纵器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序操纵器是于1975年投放市场的SIMATIC S3系列操纵系统。 1979年微处理器技术被应用到可编程序操纵器中后，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系列小型可编程序操纵器的进展，大致经历了两代：第一代产品其CPU模块为

31、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 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

32、的最大扩展电流如表2-4所示。表2-1 CPU提供的最大扩展电流2.3.1 S7-200系列PLC元件功能1. 数据类型 数据类型S7-200系列PLC的数据类型能够是字符串、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操纵系统中的继电器有本质性的差不，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IB0

33、IB15共16个字节的存储单元。系统对输入映像寄存器是以字节（8位）为单位进行地址分配的。 （2） 变量存储器V 变量存储器要紧用于存储变量。能够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。变量存储器能够是位寻址，也可按字节、字、双字为单位寻址，其位存取的编号范围依照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，用来保存操纵继电器的中间操作状态，其作用相当于继电器操纵中的中间继电器，内部标志位存储器在

34、PLC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） 专门标志位存储器SM PLC中还有若干专门标志位存储器, 专门标志位存储器位提供大量的状态和操纵功能，用来在CPU和用户程序之间交换信息，专门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操纵系统中的时刻继电器。每个定时器可提供许多对常开和常闭触点供编程使用。其设定时刻由程序设置。 （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脉冲个数。计数器可

35、提供许多对常开和常闭触点供编程使用，其设定值由程序给予。（7） 累加器AC 累加器是用来暂存数据的寄存器，它能够用来存放运算数据、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，可采纳字节、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，双字能够存取累加器全部的32 位。2.4 PID操纵器简介基于偏差的比例(Proportlonal)、积分(Integral)和微分(Derivative)的操纵器简称为PID操纵器，它是工业过程操纵中最常见的一种过程操纵器。由于PID操纵器算法简单、鲁棒性强，因而被广泛应用于化工、冶金、机

36、械、热工和轻工等工业过程操纵系统中。尽管工业自动化飞速进展，然而PID操纵技术仍然是工业过程操纵的基础。依照日本有关调查资料显示，在现今使用的各种操纵技术中，PID操纵技术占84.5%，优化PID操纵技术占6.8%，现代操纵技术占1.6%，手动操纵占66%，人工智能(Al)操纵技术占0.6%。假如把PID操纵技术和优化PID操纵技术加起来，则占到了90%以上，而文献指出，工业过程操纵中，95%以上的回路具有PID结构。因此，能够毫不夸张地讲，随着工业现代化和其他各种先进操纵技术的进展，PID操纵技术仍然只是时，同时它还占着主导地位。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

37、化，因而在用PID操纵器进行调节时，又往往难以得到最佳的操纵效果。2.4.1 PID操纵器的结构及原理PID操纵器是一种基于偏差“过去、现在和以后”信息可能的有效而简单的操纵算法。常规PID操纵系统原理图如图2-4示。图2-4 PID操纵系统原理图整个系统要紧由PID操纵器和被控对象组成。作为一种线性操纵器，PID操纵器依照给定值SV和实际输出值PV构成操纵偏差： 即e(t)=r(t)-y(t) (2. 1)然后对偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成操纵量，对被控对象进行操纵。由图2-5得到PID操纵器的理想算法为 SKIPIF 1 0 (2. 2)或者写成常见传递函数的形式为： SKIPI

38、F 1 0 (2. 3)其中，Ti、Td分不为PID操纵器的比例增益、积分时刻常数和微分时刻常数。式(2.2)和式(2.3)是我们在各种文献中最经常看到的PID操纵器的两种表达形式。各种操纵作用(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专门清晰，相应的操纵器参数包括比例增益凡、积分时刻常数Ti和微分时刻常数路。这三个参数的取值优劣将阻碍到PID操纵系统的操纵效果好坏。2.4.2 数字式PID操纵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操纵保证供水系统中的压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。在连续操纵系统中，常采纳proportional(比例)、Integr

39、al(积分)、Derivative(微分)操纵方式，称之为PID操纵。PID操纵是连续操纵系统中技术最成熟、应用最广泛的操纵方式。具有以下优点:理论成熟，算法简单，操纵效果好，易于为人们熟悉和掌握。PID操纵器是一种线性操纵器，它是对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t):e(t)=y(t)一r(t) SKIPIF 1 0 (2.4)经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成操纵量u(t)，对被控对象进行操纵，故称PID操纵器。系统由模拟PID操纵器和被控对象组成，其操纵系统原理框图如图2-5所示，图中u(t)为PID调节器输出的调节量。图2-5 PID操纵原理图

40、PID操纵器规律为： SKIPIF 1 0 （2.5）式中： SKIPIF 1 0 为比例系数； SKIPIF 1 0 为积分时刻常数； SKIPIF 1 0 为微分时刻常数。相应地传递函数形式： SKIPIF 1 0 （2.6）PID操纵器各环节的作用及调节规律如下:l)比例环节:成比例地反映操纵系统偏差信号的作用，偏差e(t)一旦产生，操纵器立即产生操纵作用，以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。比例环节不能完全消除系统偏差，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:表明操纵器的输出与偏差持续的时刻有关，即与偏差对时刻的积分成线性关系。只要

41、偏差存在，操纵就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。积分环节要紧用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时刻常数越大，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，减少调节时刻。微分环节要紧用来操纵被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时刻，改善系统的动态特性。但过大的偏差信号关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，互不阻碍。改变一个调节参数，只阻碍一种调节作用，可不能阻碍其他的调节

42、作用。然而，关于大多数系统来讲，单独使用一种操纵规律都难以获得良好的操纵性能。假如能将它们的作用作适当的配合，能够使调节器快速，平稳、准确的运行，从而获得中意的操纵效果。自从计算机进入操纵领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现PID操纵算法具有更大的灵活性和可靠性。数字PID操纵算法是通过对式（2.6）离散化来实现的。用一系列的采样时刻点nT代表连续时刻，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位置操纵算法表达式: SKIPIF 1 0 （2.7）式中:T为采样周期;n为采样序号;e(n)为第n时刻的偏差信号;e(n-l)为第n-1时刻的偏差

43、信号。PID位置操纵算法采纳全量输出，一方面需要计算本次与上次的偏差信号e(n)和e(n-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操纵量u(n)对应的是执行机构的实际位置偏差，假如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，这是不同意的。为此实际操纵中多采纳增量式PID操纵算法，其表达式为（2.8）: SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 （2.8）式中： SKIPIF 1 0 为调节器输出的操纵增量： SKIPIF 1 0 增量式算法中不需要累加，调节器输出的操纵增量Au(n)仅与最近几次采样有关，因此误动作时

44、阻碍较小，必要时能够通过逻辑推断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的操纵效果。2.4.3 数字式PID操纵的PID操纵器是操纵系统中应用最广泛的一种操纵器，在工业过程操纵中得到了普遍的应用。过去的PID操纵器通过硬件模拟实现，但随着微型计算机的出现，特不是现代嵌入式微处理器的大量应用，原先PID操纵器中由硬件实现的功能都能够用软件来代替实现，从而形成了数值PID算法，实现了由模拟PDI操纵器到数字PID操纵器的转变。数字PID操纵器在实际应用中可分为两种:位置式PID操纵器和增量式PID操纵器。应用中，位置式PID操纵器和增量式PID操纵器的算法实现分不如图2-6和图2-7所示。

45、图2-6位置式PID算法实现 图2-7 增量式PID 算法实现第3章 水塔水位操纵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操纵，提供了一种有用的水塔水位操纵方案。随着社会的进展和人民生活水平的提高，对都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操纵液体阀以不同的速度给水塔供水，以维持水位的变化，如此才能使水塔不断水。3.1 系统的工作原理在系统中，只使用比例和积分操纵，其回路增益和时刻常数能够通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整达到最优操纵效果。系统启动时，关

46、闭出水口，用于动操纵输入操纵液体阀，使水位达到满水位的75%，然后打开出水口，同时输入操纵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操纵。设计分析 如图3-1，“水塔水位自动操纵系统”的操纵对象为水泵，容器为水塔或储液罐。水位高度正常情况下操纵在C、D之间，如图3-1。当水位在低于C点时，水泵开始进水，如图3-1。当水位高于D点时，水泵停止进水，如图3-1。当水位低于C点并到达B点时就报警，采取手动启动水泵，如图3-1。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3-1。图3-1设计分析示意图3.1.2 可行性试验图3-2为水塔水位操纵器的外观正

47、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水塔水位操纵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、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， HYPERLINK /search.php?searchtype=con

48、tent&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 报警电路开始溢出 HYPERLINK /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&catid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 报警，即上限 HYPERLINK /search.php?searchtype=content&keywords=%B1%A8%BE%AF&c

49、atid=0&typeid=0&fromdate=&todate=&ordertype=0&search=1 t _blank 报警。报警电路能够手动关闭，只要按下报警确认开关，就能够解除报警的蜂鸣声。现在，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 此方案采纳纯硬件电路设计，幸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，关于不同类型的液体，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值和该液体的阻值调节到一个数量级上就能够专门方便的实现此液体的水位操纵操作。试验证明，此水塔水位操纵器

50、不仅实现了对水塔水位的精确操纵，而且，此系统更具有工业生产的实际性。3.2 水位闭环操纵系统图3-3 供水系统操纵原理图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 HYPERLINK /index.php?gid=280 t _blank 操纵，必须建立闭环 HYPERLINK /index.php?gid=280 t _blank 操纵系统。依照水塔中的进、出水的水位能够自动 HYPERLINK /index.php?gid=280 t _blank 操纵水泵，使水位处于动态的平衡状态。供水系统的差不多原理如图3-3所示，水位闭环调节原理是：通过在水塔中

51、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，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操纵。当PLC出现故障时，还有一套手动操纵来进行对水塔水位操纵。手动操纵采纳交流接触器。 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接着工作。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，使液位接着下降至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Y

52、0时意味着水泵进水口缺水，现在应自动切断电源并报警。图3-4 水位闭环 HYPERLINK /index.php?gid=280 t _blank 操纵图3.2.1 PLC的选择由于该系统为中型PLC自动操纵系统，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可编程逻辑操纵器。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。要紧配件有中央处理器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 供水的操纵方法图3-5 给水泵操纵原理图系统的硬件接线图如图3-5所示。从整

53、个流程中能够看到两套操纵方式：由一台可编程序操纵器来操纵两台水泵的自动运行。由交流接触器来操纵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。现在，操纵台上的水位灯，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输出一个操纵信号经ODPG转换操纵信号点亮现

54、在水塔水位所在的水位灯。当换项开关KK1打到自动时，系统将依照水塔中水位的情况，通过在水塔中的液位变送器送出的420 mA电流信号由PLC同意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，操纵台上的低水位灯点亮；水位到达中水位时，2#泵停止，1#泵接着运行，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，特不在操纵台上安装了4盏水位显示灯，并将它们与

55、PLC连接，依照变送器给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-接触器操纵，能够在环境比较恶劣的条件下接着工作，自动方式是利用PLC来操纵。3组态软件功能 在那个地点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操纵器的实现4.1 PID算法PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工业操纵常用的操纵算法

56、，不管在温度、流量等慢变化过程，依旧速度、位置等快速变化的过程，都能够得到专门好的操纵效果。PID操纵算法一般由【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;不但能够完成顺序操纵的功能，还能够完成复杂的闭环操纵。图4-1是常见闭环操纵系统的构成。4-1 闭环操纵系统作为闭环操纵的重要特征，采纳了“误差”的概念，即:在闭环操纵系统中，利用给定输入sP(t)与实际输出c(t)通过测量装置装置转换后的反馈量Pv(t)之间的差值e(t)作为操纵量，来实现对系统的操纵。在实际闭环操纵系统中，误差e(t)一个专门小的变化

57、量。因此，为了对系统进行更精确的操纵，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)，才能有效地操纵系统中的执行机构，保证系统具有良好的动、静态性能。在自动操纵系统中，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操纵系统的产品开发和应用实践中，经常采纳PID操纵器、软件PID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

58、闭环操纵方式来操纵温度、液位、压力、流量等连续变化的模拟量。不管是使用模拟操纵器的模拟操纵系统，依旧使用计算机（包括PLC）的数字操纵系统，PID操纵都等到了广泛的应用。PID操纵简单易明白，使用中不必能清晰系统的数字模型。有人赞扬它是操纵领域的常青树是不无道理的。PID操纵器是比例-积分-微分操纵(Proportional-Integral-Derivative)的简称,之因此得到广泛应用是因为它具有如下优点：（1）不需要精确地操纵系统数字模型。由于非线性和时变性专门多工业操纵对象难以得到其准确的数字模型，因此不能使用操纵理论中的设计方法。关于这一类系统，使用PID操纵能够得到比较中意的效果

59、。（2）有较强的灵活性和适应性。积分操纵能够消除系统的静差，微分操纵能够改善系统动态响应速度，比例、积分、微分操纵三者有效地结合就能够满足不同的操纵要求。依照被操纵对象的具体情况，还能够采纳各种PID操纵的变种和改进的操纵方式，如PI、PD、带死区的PID、积分分离PID、变速积分PID等。（3）PID操纵器的结构典型，程序简单，工程上易于实现，参数调整方便。在PLC操纵系统中，经常采纳模拟量输入/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操纵的方式用PLC对模拟量进行PID

60、操纵时，能够采纳以下几种方法：使用PID过程操纵模块这种模块的PID操纵程序是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，使用起来特不方便，一块模块能够操纵几路甚至几十路闭环回路，然而这种模块的价格较高，一般在大型操纵系统中使用。使用PID功能指令现在专门多PLC都有供PID操纵用的功能指令，如S7-200的PID指令。它们实际上是用于PID操纵的子程序，与模拟量的输入/输出模块一起使用，能够得到类似因此用PID过程操纵模块的效果，然而价格廉价得多。(3) 用自编的程序实现PID闭环操纵有的PLC没有PID过程操纵模块和PID操纵用的功能指令，有时尽管能够使用PID操纵