寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于PLC的液位控制系統(tǒng)研究</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的儲(chǔ)罐液位控制系統(tǒng)。它以一臺(tái)S7-200系列的CPU224和一個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊EM235進(jìn)行液位檢測(cè)和電動(dòng)閥門開度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是恒液位PID控制和高低限報(bào)警。</p><p>　　本文的主要研究?jī)?nèi)

2、容：控制系統(tǒng)方案的選擇，系統(tǒng)硬件配置，PID算法介紹，系統(tǒng)建模及仿真和PLC編程實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)用PLC編程實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐液位的控制,具有接線簡(jiǎn)單、編程容易，易于修改、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵字：儲(chǔ)罐;液位控制;仿真;PLC</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This article is de

3、signed based on PLC, tank level control system. It takes a series s7-200 CPU224 and an analog quantities of EM235 expansion module to level detection and electric valve opening regulation. System main function is to achi

4、eve constant low level PID control and limiting alarm. The main contents of this paper: the choice of the control system plan, system hardware configuration, PID algorithm introduced, system modeling and simulation

5、, and PLC programming. PLC programming wit</p><p>　　Key word: tank ; level ;control ;simulation ;plc</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p

6、>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 鹽酸儲(chǔ)罐恒液位控制任務(wù)1</p><p>　　1.2 本文研究的意義1</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容2</p><p>　　2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3&

7、lt;/p><p>　　2.1 儲(chǔ)罐液位控制的發(fā)展及現(xiàn)狀3</p><p>　　2.2 系統(tǒng)功能分析3</p><p>　　2.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)4</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件配置5</p><p>　　3.1 電動(dòng)控制閥的選擇5</p><p>　　3.1.1 控制閥的選

8、擇原則5</p><p>　　3.1.2 ZAJP 精小型電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥性能和技術(shù)參數(shù)介紹9</p><p>　　3.2 液位測(cè)量變送儀表的選擇12</p><p>　　3.2.1 液位儀表的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)12</p><p>　　3.2.2 差壓變送器的測(cè)量原理12</p><p>　　3.2.3 差壓

9、式液位變送器的選型原則13</p><p>　　3.2.4 DP系列LT型智能液位變送器產(chǎn)品介紹14</p><p>　　3.3 PLC機(jī)型選擇15</p><p>　　3.3.1 PLC歷史及發(fā)展現(xiàn)狀15</p><p>　　3.3.2 PLC機(jī)型的選擇17</p><p>　　3.3.3 S7-20

10、0系列CPU224和EM235介紹18</p><p>　　4 PID算法原理及指令介紹20</p><p>　　4.1 PID算法介紹20</p><p>　　4.2 PID回路指令22</p><p>　　5 系統(tǒng)建模及仿真26</p><p>　　5.1 系統(tǒng)建模26</p>

11、<p>　　5.2 系統(tǒng)仿真28</p><p>　　5.2,1 MATLAB語言中Simulink交互式仿真環(huán)境簡(jiǎn)介28</p><p>　　5.2.2 系統(tǒng)仿真29</p><p>　　第6章 系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)31</p><p>　　6.1 硬件設(shè)計(jì)31</p><p>　　6.1.1

12、 繪制控制接線示意圖31</p><p>　　6,1.2 I/O資源分配31</p><p>　　6.2 軟件設(shè)計(jì)32</p><p>　　6.2.1 STEP 7 Micro/Win V4.0 SP6編程軟件介紹32</p><p>　　6.2.2 恒液位PID控制系統(tǒng)的PLC控制流程33</p><p

13、>　　6.2.3 編寫控制程序34</p><p>　　6.2.4 程序清單37</p><p><b>　　結(jié)束語38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　致謝40</b></p><p

14、><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 鹽酸儲(chǔ)罐恒液位控制任務(wù)</p><p>　　如圖1.1所示為某化工廠稀鹽酸儲(chǔ)罐，該罐為鋼襯聚四氟乙烯儲(chǔ)罐，罐體高6米，容量為50立方米，重500千克。鋼襯四氟乙烯儲(chǔ)罐的介質(zhì)工作溫度為-100°C～250°C，耐腐蝕性強(qiáng)，對(duì)鹵素、鹵代烴、強(qiáng)氧化劑、沸酸、堿、多種有機(jī)溶劑都有良好的耐

15、蝕性。其工藝流程為，稀鹽酸從儲(chǔ)罐頂部流入，罐體下部裝有一電子開關(guān)閥， AC220V供電，由一個(gè)DC24V繼電器控制，根據(jù)生產(chǎn)需要隨時(shí)打開或關(guān)閉閥門。由于工藝要求，必須將儲(chǔ)罐內(nèi)液體保持在4.5米，即要求罐體內(nèi)液位恒定不變。同時(shí)要求設(shè)置高低限報(bào)警，當(dāng)液面高于5.4米時(shí)，高限報(bào)警，紅燈亮；當(dāng)液面低于3.0米時(shí)，底限報(bào)警，黃燈亮；正常運(yùn)行時(shí)綠燈亮。要求用一臺(tái)PLC實(shí)現(xiàn)這些控制要求，試設(shè)計(jì)合適的控制系統(tǒng)，并且選用相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的控制要求。

16、</p><p>　　圖1.1 稀鹽酸儲(chǔ)罐工藝流程圖</p><p>　　1.2 本文研究的意義</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位是最常見、最廣泛的過程參數(shù)之一。在石油工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類流體的液位高度進(jìn)行檢測(cè)和控制。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，自動(dòng)控制難度較高。<

17、;/p><p>　　為了解決人工控制的控制準(zhǔn)確度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問題。從而我們引入了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制。一個(gè)系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，直接影響到了工業(yè)生產(chǎn)的安全與否、生產(chǎn)效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。隨著現(xiàn)代工業(yè)控制的要求越來越高，一般的自動(dòng)化控制已經(jīng)不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)控制的需求，所以我們就又引入了可編程邏輯控制（又稱PLC）。引入PLC控制方式使控制更加的集中、及時(shí)和有效。&

18、lt;/p><p>　　本文應(yīng)用一臺(tái)PLC通過PID模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐液位的恒定控制，較傳統(tǒng)的控制方法硬件接線簡(jiǎn)單，易于改變參數(shù)，而且更加快速、準(zhǔn)確。對(duì)其它類似控制有一定的借鑒意義。</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文研究的是PID模塊在PLC液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，硬件配置，被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建

19、立，系統(tǒng)仿真，PLC編程實(shí)現(xiàn)等，具體有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：</p><p>　　介紹鹽酸儲(chǔ)罐恒液位控制任務(wù)，指出本文的研究意義所在和研究的主要內(nèi)容。</p><p>　　介紹了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟和方法，包括了系統(tǒng)功能分析，控制方案設(shè)計(jì)。</p><p>　　系統(tǒng)硬件配置。為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)選擇合適的硬件。</p><p>　　介紹PID算法和指令

20、。</p><p>　　對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行建模及系統(tǒng)仿真。</p><p>　　介紹STEP 7 Micro/Win V4.0 SP6編程軟件，繪制控制接線圖等。應(yīng)用PLC編程實(shí)現(xiàn)本課題的控制要求。</p><p><b>　　總結(jié)全文。</b></p><p>　　2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</p><p&

21、gt;　　2.1 儲(chǔ)罐液位控制的發(fā)展及現(xiàn)狀</p><p>　　儲(chǔ)罐液位測(cè)量來源于石油和化工業(yè)，是工業(yè)測(cè)量中極為廣闊的領(lǐng)域。準(zhǔn)確的液位測(cè)量是生產(chǎn)過程控制的重要手段。液位控制的發(fā)展主要依賴于兩個(gè)方面，即檢測(cè)儀表的發(fā)展和控制算法的發(fā)展。早期，由于工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)規(guī)模不大，儲(chǔ)罐液位測(cè)量主要采用法蘭式液位變送器和吹氣式等機(jī)械式測(cè)量方法。但隨著生產(chǎn)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，所需的儲(chǔ)罐數(shù)量變多，體積變大，原先的測(cè)量方法的弊端愈發(fā)變得突

22、出，如法蘭式液位變送器需要保溫，施工及維護(hù)工作量較大；吹氣式液位檢測(cè)用的吹氣管要特殊訂貨，且還要定期更換，吹氣式要消耗儀表氣，有能耗，還需要敷設(shè)氣源管。這一系列問題的解決有待于新的測(cè)量方法的出現(xiàn)，從上世紀(jì)八十年代開始，一些發(fā)達(dá)國家就借助微電子、計(jì)算機(jī)、光纖、超聲波等高科技的研究成果。將各種新技術(shù)、新方法應(yīng)用到儲(chǔ)罐測(cè)量領(lǐng)域。電子式測(cè)量方法便是其中的重要成果之一。在電子式液位檢測(cè)方法中，許多新的測(cè)量原理，包括壓電式、應(yīng)變式、浮球式、電容式、

23、雷達(dá)式、超聲波式、磁致伸縮式、伺服式、混合式等檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用到新型液位檢測(cè)儀表的開發(fā)中。由于這些方法測(cè)量精度高、可靠性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，因而正在逐步取代舊的機(jī)械式液位測(cè)量技術(shù)。就控制算法而言，在傳統(tǒng)</p><p>　　2.2 系統(tǒng)功能分析</p><p>　　由任務(wù)分析可知，系統(tǒng)具有以下功能：</p><p>　　1、PID手/自動(dòng)切換</p

24、><p>　　手動(dòng)控制主要用于安裝、調(diào)試和正常運(yùn)行下的故障處理。</p><p>　　當(dāng)設(shè)備處于正常狀態(tài)時(shí)PID自動(dòng)運(yùn)行</p><p><b>　　2、高低限報(bào)警</b></p><p>　　根據(jù)控制要求，該液位控制系統(tǒng)要求設(shè)置高低限報(bào)警，當(dāng)液位高于5.4米時(shí)，高限報(bào)警，紅燈亮，當(dāng)液面低于3.0米時(shí)，底限報(bào)警，黃燈亮。正

25、常運(yùn)行時(shí)綠燈亮。</p><p><b>　　3、系統(tǒng)性能指標(biāo)</b></p><p>　　將儲(chǔ)罐內(nèi)的稀鹽酸液位控制在4.5米</p><p>　　2.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　由工藝要求可知，該系統(tǒng)只有一個(gè)被控變量即：液位；其控制精度要求也不是很高，根據(jù)在滿足控制要求的情況下，盡量選擇簡(jiǎn)單易行的控制方案

26、這一原則，這里選用單回路反饋控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所需自動(dòng)控制裝置少，投資較低，操作維護(hù)也比較方便，該控制方案完全可以滿足本系統(tǒng)的控制要求。單回路反饋控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象（簡(jiǎn)稱對(duì)象）或被控過程（簡(jiǎn)稱對(duì)象）、測(cè)量變送裝置、控制器和控制閥。其方框圖如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 該系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)方塊圖</p><p><b>　

27、　3 系統(tǒng)硬件配置</b></p><p>　　3.1 電動(dòng)控制閥的選擇</p><p>　　控制閥是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接受控制器的命令執(zhí)行控制任務(wù)。控制閥的選擇合適與否，將直接關(guān)系到能否很好地起到控制作用。因此，對(duì)它必須給予足夠的重視。</p><p>　　3.1.1 控制閥的選擇原則</p><p>　　閥門開、閉形

28、式的選擇</p><p>　　對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)來說，究竟選電開式還是選電閉式，要由具體的生產(chǎn)工藝來決定。一般來說，要根據(jù)以下幾條原則來進(jìn)行選擇：</p><p>　　首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)。即當(dāng)電源供電中斷，或控制器出故障而無輸出，或控制閥無法正常工作，以致閥芯回復(fù)到無能源的初始狀態(tài)時(shí)，應(yīng)能確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不致發(fā)生故障。</p><p>　　從保證產(chǎn)品質(zhì)

29、量出發(fā)。當(dāng)控制閥處于無能源狀態(tài)而回復(fù)到初始位置時(shí)，不應(yīng)降低產(chǎn)品的質(zhì)量。</p><p>　　從降低原料、成品、動(dòng)力損耗來考慮。當(dāng)控制閥處于無能源狀態(tài)而回復(fù)到初始位置時(shí)，不應(yīng)浪費(fèi)原料、成品和動(dòng)力。</p><p>　　從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。比如：精餾塔塔釜加熱蒸汽控制閥一般都選電開式，以保證在控制閥失去能源時(shí)能處于全閉狀態(tài)，避免蒸汽浪費(fèi)。如果釜液是易凝結(jié)、易結(jié)晶、易聚合的物料時(shí)，控制閥則應(yīng)選擇電

30、關(guān)式，以防控制閥失去能源時(shí)閥門關(guān)閉，停止蒸汽進(jìn)入而導(dǎo)致釜內(nèi)液體的結(jié)晶和凝聚。</p><p>　　根據(jù)以上幾條原則綜合考慮，這里我們選電開閥。這樣即使控制閥斷電，閥門也會(huì)處于關(guān)閉狀態(tài)。不會(huì)使鹽酸一直流向儲(chǔ)罐，以致鹽酸溢出造成事故。</p><p><b>　　口徑大小的選擇</b></p><p>　　控制閥口徑的大小直接決定著介質(zhì)流過它的能力

31、。從控制的角度看，控制閥口徑選的過大，超過了正?？刂扑璧慕橘|(zhì)流量，控制閥將經(jīng)常處于小開度下工作，閥的流量特性將會(huì)發(fā)生畸變，閥性能就較差。反過來，如果控制閥口徑選的太小，在正常情況下都在大開度下工作，閥的特性也不好。此外控制閥的口徑選的過小也不適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，一旦設(shè)備需要增加負(fù)荷時(shí)，控制閥原有的口徑太小就不夠用了。因此，從控制的角度來看，控制閥口徑的選擇應(yīng)留有一定的余地，以適應(yīng)增加生產(chǎn)的需要。在正常工況下，閥門開度處于之間。<

32、/p><p><b>　　流量特性的選擇</b></p><p>　　目前我國生產(chǎn)的控制閥有線性特性、對(duì)數(shù)特性（即等百分比特性）和快開特性三種，尤其以前兩種特性的控制閥應(yīng)用最多。圖3.1中是各種流量特性控制閥的特性曲線。</p><p>　　圖3.1 控制閥流量特性</p><p>　　控制閥流量特性的選用要根據(jù)具體的對(duì)象

33、特性來考慮。生產(chǎn)過程中生產(chǎn)負(fù)荷往往是會(huì)發(fā)生變化的，而負(fù)荷的變化又往往會(huì)導(dǎo)致對(duì)象特性發(fā)生變化。控制器參數(shù)是根據(jù)具體的對(duì)象特性整定得到的。對(duì)于一個(gè)確定的具體對(duì)象就有一組控制器參數(shù)（、及）與其相適應(yīng)，對(duì)象特性改變了，原先的控制器參數(shù)就不再適應(yīng)，如果這時(shí)不去修改控制器參數(shù)，控制質(zhì)量就會(huì)降低。然而負(fù)荷的變化往往具有隨機(jī)性，不可預(yù)知。這樣就不可能在負(fù)荷變化時(shí)，適時(shí)的對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行修改。一種解決的辦法就是選擇帶有自整定功能的控制器，它能根據(jù)負(fù)荷的變

34、化及時(shí)修改控制器的參數(shù)，以適應(yīng)變化了的新情況。另一種解決辦法就是根據(jù)負(fù)荷變化對(duì)對(duì)象影響的情況，選擇相應(yīng)特性的控制閥來進(jìn)行補(bǔ)償，使得廣義對(duì)象（包括控制閥和對(duì)象及測(cè)變環(huán)節(jié)）的特性在負(fù)荷的變化時(shí)保持不變。這樣就不用考慮在負(fù)荷變化時(shí)修改控制器參數(shù)的問題。就本任務(wù)的單回路系統(tǒng)而言，表3.1列出了常用控制系統(tǒng)控制閥特性的經(jīng)驗(yàn)選擇方法：</p><p>　　表3.1 常用控制系統(tǒng)控制閥特性經(jīng)驗(yàn)選擇</p><

35、;p>　　注：：節(jié)流閥流通能力；</p><p>　　:對(duì)象時(shí)間常數(shù)對(duì)數(shù)平均值；</p><p><b>　　:閥時(shí)間常數(shù)；；</b></p><p>　　根據(jù)上面的原則，選定閥的流量特性為線性特性。</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)形式的選擇</b></p><p>

36、　　控制閥有直通單座、直通雙座、角形、高壓、三通、蝶閥、和隔膜閥等不同結(jié)構(gòu)形式，這要根據(jù)生產(chǎn)過程的不同需要和控制系統(tǒng)的不同特點(diǎn)來進(jìn)行選用。表3.2列出了不同結(jié)構(gòu)形式的控制閥特點(diǎn)及適用場(chǎng)合，以供選用時(shí)參考。</p><p>　　表3.2 不同結(jié)構(gòu)形式控制閥的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合</p><p>　　根據(jù)上面的原則，在此選用直通單座閥。</p><p><b>　

37、　閥門定位器的選用</b></p><p>　　閥門定位器是控制閥的一種輔加裝置，與控制閥配套使用。它接受控制器來的信號(hào)作為輸入信號(hào)，并以其輸出信號(hào)去控制控制閥，同時(shí)將控制閥的閥桿位移信號(hào)反饋到閥門定位器的輸入端而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)。閥門定位器的主要作用是：</p><p>　　消除控制閥膜頭和彈簧的不穩(wěn)定以及各運(yùn)動(dòng)部件的干摩擦，從而提高控制閥的精度和可靠性，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。&

38、lt;/p><p>　　增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率，減少系統(tǒng)的傳遞滯后，加快閥桿移動(dòng)速度。</p><p>　　改變控制閥的流量特性</p><p>　　利用閥門定位器可將控制器輸出信號(hào)分段，以實(shí)現(xiàn)分程控制。</p><p>　　由第1、第2項(xiàng)可以看出，當(dāng)控制閥安裝上閥門定位器之后，加大了輸出功率，提高了反應(yīng)速度，并且由于它與控制閥之間構(gòu)成了一個(gè)隨動(dòng)

39、系統(tǒng)，能根據(jù)控制器來的信號(hào)準(zhǔn)確定位，這就大大改善了控制閥的動(dòng)、靜態(tài)特性。因此，當(dāng)單座閥前后壓差較大的時(shí)候；當(dāng)工作壓力高的，填料壓得緊，因而摩擦力較大的時(shí)候；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)與控制室相距較遠(yuǎn)，控制信號(hào)輸送管線拉得較長(zhǎng)，因而傳送滯后較大的時(shí)候；以及控制閥膜頭較大，滯后比較顯著的時(shí)候，都可以給控制閥配上閥門定位器，以克服上述不利因素的影響，從而提高控制閥的動(dòng)、靜態(tài)特性。</p><p>　　聯(lián)系本任務(wù)研究?jī)?nèi)容，從以下幾個(gè)三個(gè)方面

40、綜合考慮，在此控制系統(tǒng)中，控制閥上不加裝閥門定位器：</p><p>　　系統(tǒng)控制精度要求不高。</p><p><b>　　滯后不是很大。</b></p><p><b>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。</b></p><p><b>　　系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性分析</b></p>

41、<p>　　由于該儲(chǔ)罐上只有一個(gè)液位控制系統(tǒng)，且只存在一個(gè)被控變量，因而不存在系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的問題。</p><p>　　綜上所述，根據(jù)經(jīng)濟(jì)適用原則，在此選擇由上海艾迪爾自控儀表有限公司生產(chǎn)的ZAJP 精小型電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，型號(hào)：</p><p>　　3.1.2 ZAJP 精小型電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥性能和技術(shù)參數(shù)介紹</p><p>　　ZAJP 精小型電動(dòng)單座調(diào)

42、節(jié)閥，由DDZ型直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和精小型單座閥組成。與伺服放大器組合接受統(tǒng)一的4-20mA 或0-10mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成相對(duì)應(yīng)的直線位移，自動(dòng)地控制調(diào)節(jié)閥開度，達(dá)到對(duì)管道內(nèi)流體的壓力、流量、溫度、液位等工藝參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。適用于對(duì)泄露量要求嚴(yán)格、閥前后壓差低及有一定粘度和含少量纖維介質(zhì)的場(chǎng)合。ZAJP 精小型電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥的實(shí)物圖如圖3.2。</p><p>　　圖3.2 ZAJP 精小型電動(dòng)單

43、座調(diào)節(jié)閥</p><p>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)詳細(xì)參數(shù)見表3.3</p><p>　　表3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)</p><p>　　調(diào)節(jié)閥性能指標(biāo)見表3.4</p><p>　　表3.4 性能指標(biāo)</p><p>　　調(diào)節(jié)閥機(jī)械結(jié)構(gòu)和外形尺寸參見圖3.3和表3.5</p><p>　　圖3.3 機(jī)械結(jié)

44、構(gòu)圖</p><p>　　表3.5 外形尺寸 單位：mm </p><p>　　3.2 液位測(cè)量變送儀表的選擇</p><p>　　3.2.1 液位儀表的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　液位儀表是工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要儀表。高檔的現(xiàn)代新型儀表大多依賴進(jìn)口，開發(fā)生產(chǎn)高檔先進(jìn)的液位儀表仍然是國內(nèi)

45、儀表行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。</p><p>　　化工生產(chǎn)過程中各類塔、釜、罐液位的檢測(cè)，目前仍是以壓力和差壓變送器為主。這除了在性價(jià)比方面存在一定的優(yōu)勢(shì)外，還有設(shè)計(jì)和應(yīng)用的習(xí)慣問題。其次，磁浮子式、浮筒式、電容式液位計(jì)也有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用量。隨著科技發(fā)展，磁致伸縮式、超聲波式和射頻導(dǎo)納式液位計(jì)的用量將會(huì)迅速增加，壓力（差壓）式液位計(jì)比例會(huì)有所下降。</p><p>　　在本系統(tǒng)中，綜合考慮技術(shù)要求及性

46、價(jià)比，選擇差壓變送器。</p><p>　　3.2.2 差壓變送器的測(cè)量原理</p><p>　　如圖所示的密閉容器中，測(cè)量容器下部的液位壓力除與液位高度有關(guān)外，還與其上部空間介質(zhì)壓力有關(guān)，這時(shí)液位的測(cè)量需采用兩個(gè)法蘭將液相和氣相壓力引至差壓變送器，利用和之差反映液位。</p><p>　　圖3.4 差壓式液位計(jì)</p><p>　　設(shè)容器

47、上部空間的壓力為，則</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p><b>　　(3.2)</b></p><p><b>　　因此可得</b></p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　

48、即被測(cè)液位與差壓成正比</p><p>　　3.2.3 差壓式液位變送器的選型原則</p><p>　　對(duì)于腐蝕性液體,粘稠性液體,熔融性液體,沉淀性液體等,當(dāng)采取灌隔離液,吹氣或沖液等措施時(shí),可選用差壓變送器。</p><p>　　對(duì)于腐蝕性液體,粘稠性液體,易氣化液體,含懸浮物液體等,宜選用平法蘭式差壓變送器。</p><p>　　對(duì)于易

49、結(jié)晶液體,高粘度液體,結(jié)膠性液體,沉淀性液體等,宜選用插入式法蘭差壓變送器。</p><p>　　對(duì)于被測(cè)對(duì)象有大量冷凝物或沉淀物析出時(shí),宜選用雙法蘭式差壓液位變送器。</p><p>　　測(cè)液位的差壓液位變送器宜帶有正負(fù)遷移機(jī)構(gòu),其遷移量應(yīng)在選擇儀表量程時(shí)確定。</p><p>　　對(duì)于正常工況下液體密度發(fā)生明顯變化介質(zhì),不宜選用差壓式液位變送器。</p&g

50、t;<p>　　市面上液位測(cè)量變送儀表種類繁多，在此結(jié)合本課題研究任務(wù)和經(jīng)濟(jì)性兩反面考慮，最終選定廣州森納士?jī)x表有限公司生產(chǎn)地DP系列LT型智能液位變送器。</p><p>　　3.2.4 DP系列LT型智能液位變送器產(chǎn)品介紹</p><p>　　如圖3.5所示為DP系列LT型智能液位變送器實(shí)物，該變送器采用美國Dylix公司技術(shù)生產(chǎn)的傳感器內(nèi)核，結(jié)合先進(jìn)數(shù)字技術(shù)生產(chǎn)的新一

51、代智能化變送器，原理上采用了直接數(shù)字電容電路代替模擬信號(hào)放大電路及A/D轉(zhuǎn)換電路，利用數(shù)字化補(bǔ)償技術(shù)對(duì)溫度靜壓進(jìn)行補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度，降低了溫度漂移，變送器整機(jī)具有體積小、可靠性高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、測(cè)量范圍寬、安裝簡(jiǎn)便、易于維護(hù)等特點(diǎn)。智能型是具有HART現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議和一體化數(shù)字顯示功能的新產(chǎn)品，具有優(yōu)良的抗干擾能力和零點(diǎn)穩(wěn)定性，并具備零點(diǎn)自動(dòng)穩(wěn)定跟蹤和溫度自動(dòng)補(bǔ)償能力。該產(chǎn)品具有極高的性價(jià)比，被廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油、制藥、造紙等行

52、業(yè)，與我國推行的“IBC”標(biāo)準(zhǔn)要求符合。</p><p>　　圖3.5 DP系列LT型智能液位變送器</p><p><b>　　使用對(duì)象：液體</b></p><p>　　測(cè)量范圍：0-4.7~186.8kPa</p><p>　　輸出信號(hào)：線性輸出；4~2mA輸出疊加HART協(xié)議數(shù)字信號(hào)（兩線制）</p&g

53、t;<p>　　電源：外部供電24VDC（電源范圍12V~45V）</p><p>　　危險(xiǎn)場(chǎng)所安裝：本安型iaIICT5</p><p>　　負(fù)載特性：無論輸出如何，正負(fù)遷移后，其量程上、下限均不得超過量程的極限。</p><p>　　在最小量程時(shí)，最大正遷移為0.975URL；最大負(fù)遷移為-URL.</p><p>　　溫度

54、范圍：介質(zhì)溫度-40~149℃（灌充硅油）</p><p>　　儲(chǔ)存溫度：-18℃~204℃（灌充惰性氣體）</p><p>　　整機(jī)工作溫度：-20℃~70℃（帶數(shù)字表頭）</p><p>　　相對(duì)濕度：0~100%</p><p>　　靜壓和超壓極限：150b法蘭；41.37KPa（絕對(duì)壓力）~1.89MPa（在37℃，充硅油）</

55、p><p>　　容積變化量：小于0.16</p><p>　　阻尼：時(shí)間常數(shù)在0.4s~32.0s之間可調(diào)</p><p>　　啟動(dòng)時(shí)間：3s，無需預(yù)熱</p><p>　　3.3 PLC機(jī)型選擇</p><p>　　3.3.1 PLC歷史及發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　20世紀(jì)20年代起，人們把

56、各種繼電器、定時(shí)器、接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機(jī)械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng)。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易掌握，價(jià)格便宜，在一定范圍內(nèi)能滿足控制要求，因而使用面極廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位。但是繼電接觸器控制有明顯的缺陷，設(shè)備體積大，可靠性差，動(dòng)作速度慢，功能少，難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制，特別是由于它是靠硬鏈接邏輯構(gòu)成系統(tǒng)，接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r(shí)，原有的接線和控制盤就要更換，所以通

57、用性和靈活性較差。</p><p>　　20世紀(jì)60年代末期，美國的汽車制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車型號(hào)不斷更行，它必然要求生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對(duì)整個(gè)開發(fā)系統(tǒng)重新配置。為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求，1968年美國通用汽車公司公開向社會(huì)招標(biāo)。對(duì)汽車流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來是：</p><p>　　編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序</

58、p><p>　　維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)</p><p>　　可靠性高于繼電器控制裝置</p><p>　　體積小于繼電器控制盤</p><p>　　數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)</p><p>　　成本可與繼電器控制盤競(jìng)爭(zhēng)</p><p>　　輸入可以是交流150V以上</p><

59、p>　　輸出為交流115V，容量要求在2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器，電磁閥等。</p><p>　　擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變量小</p><p>　　用戶存儲(chǔ)器至少能擴(kuò)展到4KB（適應(yīng)當(dāng)時(shí)汽車裝配過程的需要）</p><p>　　十項(xiàng)指標(biāo)的核心要求是采用軟布線（編程）方式代替繼電控制的硬接線方式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線的流程控制。</p><p>　　

60、通用汽車公司從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件后，立即引起了開發(fā)熱潮。20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。

61、這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。</p><p>　　國際工委員會(huì)（IEC）曾于1982年11月頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，1985年1月又發(fā)表了第二稿，1987年2月頒布了第三稿。該草案中對(duì)可編程控制器的定義是“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯

62、運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)計(jì)算等面向用戶的指令，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。</p><p>　　上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，

63、在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 </p><p>　　20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在

64、機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 </p><p>　　我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。</p><p>　　3.3.2 PLC機(jī)型的選擇</

65、p><p>　　目前，PLC產(chǎn)品種類繁多，同一個(gè)公司生產(chǎn)的PLC也常常推出系列產(chǎn)品，這就需要用戶選擇最適合自己要求的產(chǎn)品。正確選擇產(chǎn)品時(shí)，首先要選擇的是適合控制系統(tǒng)的機(jī)型，</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)類型選擇機(jī)型</p><p><b>　　小系統(tǒng)的機(jī)型選擇</b></p><p>　　小系統(tǒng)一般使用一臺(tái)PLC就能完成控制

66、要求，控制對(duì)象常常是一臺(tái)設(shè)備或多臺(tái)設(shè)備中的一個(gè)功能，系統(tǒng)對(duì)PLC間的通信要求不高，但有時(shí)功能要求全面，容量變化要求變化大。對(duì)這類系統(tǒng)的機(jī)型選擇要注意以下3種情況。</p><p>　　一是設(shè)備集中，設(shè)備的功率要求較小，如機(jī)床，這時(shí)需選用局部式結(jié)構(gòu)，低電壓高密度輸入/輸出模板。</p><p>　　二是設(shè)備分散，設(shè)備的功率較大，如料場(chǎng)設(shè)備，這時(shí)需要選用離散式結(jié)構(gòu)，高電壓低密度輸入/輸出模板。

67、</p><p>　　三是有專門要求的設(shè)備，如飛剪，這時(shí)輸入/輸出容量不是關(guān)鍵參數(shù)，更重要的是控制速度功能，選用高速計(jì)數(shù)功能模板。</p><p><b>　　大系統(tǒng)的機(jī)型選擇</b></p><p>　　不管是慢過程大系統(tǒng)還是快速控制大系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)都是由多臺(tái)PLC構(gòu)成。這類系統(tǒng)可以由一個(gè)上位機(jī)（可以是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或高檔PLC）和多臺(tái)下位

68、PLC構(gòu)成，其中每一臺(tái)下位PLC控制系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)。這種系統(tǒng)機(jī)型的選擇可以采用如下方案。</p><p>　　方案一是整個(gè)控制系統(tǒng)由上位機(jī)或高檔PLC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，控制信息由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)總線構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞。這是一個(gè)由微機(jī)和PLC構(gòu)成的集散控制系統(tǒng)，集散控制系統(tǒng)的控制規(guī)模比較大，系統(tǒng)的硬件成本高。集散控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、調(diào)試、擴(kuò)展和維護(hù)等方面都有極大的優(yōu)越性。整個(gè)系統(tǒng)全面停機(jī)的幾率很少，其運(yùn)行費(fèi)用成本也比

69、較低。</p><p>　　方案二是控制系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)、PLC、數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等融合在一個(gè)龐大的通信網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)系統(tǒng)分成管理層控制層和執(zhí)行層等多個(gè)層次，最上面一層使用高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。這是一個(gè)大型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)成本較高，工作速度比較快，可用于快速控制大系統(tǒng)的控制，特別適用于工廠自動(dòng)化、大量數(shù)據(jù)處理和企業(yè)綜合管理系統(tǒng)。</p><p>　　根據(jù)控制對(duì)象選擇機(jī)型</p&g

70、t;<p>　　對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行估計(jì)對(duì)確定機(jī)型十分重要。根據(jù)控制對(duì)象要求的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的多少，可以估計(jì)出PLC的規(guī)模；根據(jù)控制對(duì)象的特殊要求，可以估計(jì)出PLC的性能；根據(jù)控制對(duì)象的操作規(guī)則可以估計(jì)出控制程序所占內(nèi)存的容量。有了這些初步估計(jì)，會(huì)使機(jī)型選擇的可行性更大。為了對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行粗估，首先要了解下面幾個(gè)問題。</p><p>　　對(duì)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的估計(jì)</p><p>　

71、　為了正確地估計(jì)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)，需要了解下面問題:對(duì)開關(guān)量輸入需按參數(shù)等級(jí)分類統(tǒng)計(jì)；對(duì)開關(guān)量輸出需按輸出功率要求及其他參數(shù)分類統(tǒng)計(jì)；對(duì)模擬量輸出/輸入需按點(diǎn)數(shù)進(jìn)行粗估。</p><p>　　對(duì)PLC性能要求的估計(jì)</p><p>　　為了正確地估計(jì)PLC性能，需要了解下面問題：是否有特殊控制功能要求，如高速計(jì)數(shù)器等；機(jī)房離現(xiàn)場(chǎng)的最遠(yuǎn)距離；現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制器響應(yīng)速度要求。在此基礎(chǔ)上選擇控制器時(shí)還需

72、注意兩個(gè)問題。一是PLC可帶I/O點(diǎn)數(shù)。有的手冊(cè)或產(chǎn)品目錄單上給出的最大輸入點(diǎn)數(shù)或最大輸出點(diǎn)數(shù)，常意味著只插輸入模塊或只插入輸出模塊的容量，即實(shí)際給出的是輸入和輸出容量之和，有時(shí)也稱為掃描容量，需格外注意。二是PLC通信距離和速度。手冊(cè)上給出的覆蓋距離，有時(shí)叫做最大距離，包括遠(yuǎn)程I/O板在內(nèi)達(dá)到的距離，但遠(yuǎn)程I/O板的I/O反應(yīng)速度大大下降，一般為19.2Kbit/s。</p><p>　　對(duì)所需內(nèi)存容量的估計(jì)&

73、lt;/p><p>　　用戶程序所需要內(nèi)存與邏輯量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的估計(jì)、模擬量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的估計(jì)、內(nèi)存利用率的估計(jì)、程序編制者的編程水平的估計(jì)有關(guān)。</p><p>　　程序中的各條指令最后都是以機(jī)器語言的形式存放在內(nèi)存中的。控制系統(tǒng)中輸入/輸出點(diǎn)數(shù)和存放該系統(tǒng)用戶機(jī)器語言與所占用的內(nèi)存數(shù)字之比稱為內(nèi)存利用率。內(nèi)存利用率與編程水平有關(guān)。內(nèi)存利用率的提高會(huì)使程序減少內(nèi)存容量，從而降低內(nèi)存投資，

74、縮短周期時(shí)間，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。</p><p>　　根據(jù)上面的原則選擇合適的機(jī)型：</p><p>　　從工藝要求中可以看出，從控制方式選擇上需要三個(gè)按鈕開關(guān)I0.0、I0.1和I0.2，用來控制PID手動(dòng)（I0.0=0）、自動(dòng)（I0.0=1）切換和電動(dòng)開關(guān)閥的開合。輸出信號(hào)有高限報(bào)警Q0.0,低限報(bào)警Q0.1,正常運(yùn)行Q0.2,控制電動(dòng)開關(guān)閥開閉Q0.3。一個(gè)模擬量輸入AI0.0

75、接收測(cè)量變送器的4-20mA電流，一個(gè)模擬量輸出AQ0.0用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。該系統(tǒng)需3點(diǎn)數(shù)字量輸入，4點(diǎn)數(shù)字量輸出，1點(diǎn)模擬量輸入，1點(diǎn)模擬量輸出?？蛇x擇西門子S7-200系列的CPU224和一個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊EM235即可滿足要求。</p><p>　　3.3.3 S7-200系列CPU224和EM235介紹</p><p>　　CPU224本機(jī)集成了14點(diǎn)輸入和10點(diǎn)輸出，共有24

76、個(gè)數(shù)字量I/O，它可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大可擴(kuò)展至168點(diǎn)數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O，CPU224有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30KHZ高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHZ高速脈沖輸出，具有PID控制功能。CPU224配有1個(gè)RS-485通信/編程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力。</p><p>　　EM235具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，它的輸入信號(hào)可以是不同量程的電壓或電

77、流，其電壓、電流是由開關(guān)SW1、SW2到SW6設(shè)定。EM235有1路模擬量輸出，其輸出可以是電壓也可以是電流。</p><p>　　采用CPU224擴(kuò)展EM235可以實(shí)現(xiàn)14點(diǎn)數(shù)字量數(shù)字量輸入，10點(diǎn)數(shù)字量輸出，4點(diǎn)模擬量輸入，1點(diǎn)模擬量輸出。該方案完全可以滿足設(shè)計(jì)需求，而且有一定的冗余。</p><p>　　4 PID算法原理及指令介紹</p><p>　　在工

78、業(yè)控制系統(tǒng)中常常用到閉環(huán)控制系統(tǒng)，而PID控制是常用的控制算法。PID控制算法簡(jiǎn)單易懂，使用時(shí)可以不必弄清楚系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，只要能檢測(cè)出偏差就可以對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、無靜差的穩(wěn)定控制。它作為最早實(shí)用化的控制算法已有60多年的歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制算法。因此被稱為控制系統(tǒng)領(lǐng)域的常青樹。但是，PID算法也有其局限性。PID在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)式，效果不是太好。如果系統(tǒng)過于復(fù)雜，有時(shí)可能無論怎么調(diào)參數(shù)，都不

79、易達(dá)到控制目的，需要采用其他更為先進(jìn)的控制算法。</p><p>　　4.1 PID算法介紹</p><p>　　PID是比例（P）、積分（I）、微分（D）之意。標(biāo)準(zhǔn)的PID控制值與偏差（控制系統(tǒng)的設(shè)定值與實(shí)際值之差）、偏差對(duì)時(shí)間的積分、偏差對(duì)時(shí)間的微分，三者之和成正比，可以用式子表示如下：</p><p><b>　?。?.1）</b>&l

80、t;/p><p>　　式中 ------為時(shí)間函數(shù)，是PID控制回路的輸出</p><p>　　------PID控制回路的增益</p><p>　　------PID控制回路偏差</p><p>　　------PID控制回路初始值</p><p>　　PID控制就是用去進(jìn)行控制對(duì)象的控制。計(jì)算偏差要使用反饋信號(hào)，

81、所以PID控制是閉環(huán)控制，由式（4.1）可以看出，PID控制算法由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)構(gòu)成。</p><p>　　比例環(huán)節(jié)中比例系數(shù)越大，對(duì)同樣的偏差，其控制作用也越強(qiáng)，意味著控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度也越快。但同時(shí)過大的比例系統(tǒng)也容易引起系統(tǒng)超調(diào)量增大，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。積分環(huán)節(jié)主要用于消除控制系統(tǒng)的積累誤差，使系統(tǒng)稱為無靜差系統(tǒng)。微分環(huán)節(jié)則是與偏差的變化有關(guān)系，偏差越大其控制作用越強(qiáng)，以抑制偏差的增大，如偏差的變

82、化減小，其控制作用就減弱，以抑制偏差的減小。</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)是數(shù)字化工作模式，在處理連續(xù)函數(shù)時(shí)，需將之離散化。式（4.1）離散形式為</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　式中 ------在第采樣時(shí)刻PID回路輸出的計(jì)算值；</p><p>　　------PID控制

83、回路增益</p><p>　　------在第采樣時(shí)刻PID控制回路的偏差</p><p>　　------在第采樣時(shí)刻PID控制回路的偏差</p><p>　　------PID控制回路積分項(xiàng)系數(shù)</p><p>　　------PID控制回路微分項(xiàng)系數(shù)</p><p>　　------PID控制回路初始值</

84、p><p>　　式（4.2）中，積分項(xiàng)是包括從第1個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差。計(jì)算中，沒有必要保存所有采樣周期的誤差項(xiàng)。只需要保存積分項(xiàng)前值即可。即</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p>　　式中 ------積分前項(xiàng)值</p><p>　　------在第采樣時(shí)刻的比例項(xiàng)</

85、p><p>　　------在第采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)</p><p>　　------在第采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)</p><p>　　比例項(xiàng)是增益和偏差的乘積，增益決定輸出對(duì)偏差的靈敏度。該項(xiàng)可以寫為</p><p><b>　　(4.4)</b></p><p>　　式中 ------在第采樣時(shí)刻的給定

86、值</p><p>　　------在第采樣時(shí)刻的過程變量</p><p>　　積分項(xiàng)與偏差的和成正比。該項(xiàng)可以寫為</p><p><b>　　(4.5)</b></p><p>　　式中 ------采樣時(shí)間</p><p>　　------積分時(shí)間常數(shù)</p><

87、p>　　積分項(xiàng)前值是第采樣周期前所有積分項(xiàng)之和。在每次計(jì)算出之后都要用去更新。第一次計(jì)算時(shí)的初值被設(shè)置為。采樣周期是重新計(jì)算輸出的時(shí)間間隔，而積分時(shí)間常數(shù)控制積分項(xiàng)在整個(gè)輸出結(jié)果中影響的程序。</p><p>　　微分項(xiàng)與偏差的變化成正比，該項(xiàng)可以寫為</p><p><b>　　(4.6)</b></p><p>　　為了避免給定值變化

88、的微分作用而引起的跳變，可設(shè)定給定值不變（）,因此，式（4.6）可寫為</p><p><b>　　(4.7)</b></p><p>　　式中 ------微分時(shí)間常數(shù)</p><p>　　------在第采樣時(shí)刻的給定值</p><p>　　------在第采樣時(shí)刻的過程變量值</p><

89、p>　　如果增益為正，那么該回路為正作用回路。如果增益為負(fù)，那么是反作用回路。（對(duì)于增益值為的或控制，如果指定積分時(shí)間、微分時(shí)間為正，就是正作用回路；如果指定為負(fù)值，就是反作用回路。）</p><p>　　4.2 PID回路指令</p><p>　　PID回路指令（包括比例、積分、微分回路）在邏輯堆棧棧頂（TOS）值為1的前提下用來進(jìn)行PID運(yùn)算。如圖4-2所示為PID回路控制指令

90、。該指令有兩個(gè)操作數(shù)TBL和LOOP，兩者均是BYTE型，限用VB區(qū)域。其中TBL是回路表的起始地址；LOOP是回路號(hào)，可以是的整數(shù)。在程序中最多可以用8條PID指令。如果兩個(gè)或兩個(gè)以上的PID指令用了同一個(gè)回路號(hào)，那么即使這些指令的回路表不同，這些PID運(yùn)算之間也會(huì)相互干涉，產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。PID回路指令根據(jù)輸入和表（TAL）中的配置信息，對(duì)相應(yīng)的LOOP執(zhí)行PID回路計(jì)算?；芈繁戆?個(gè)參數(shù)，用來控制和監(jiān)視PID運(yùn)算?；芈繁砀袷?/p>

91、如表4.1所示</p><p>　　若要以一定的采樣頻率進(jìn)行PID運(yùn)算，采樣時(shí)間必須輸入到回路表中，且PID指令必須編入定時(shí)發(fā)生的中斷程序中，或者在主程序中由定時(shí)器控制PID指令的執(zhí)行頻率。</p><p>　　表4.1 回路表格式</p><p>　　S7-200的PID回路沒有設(shè)置控制方式，只有當(dāng)PID控制回路接通時(shí)，才執(zhí)行PID運(yùn)算。從這種意義上說，PID運(yùn)

92、算存在一種“自動(dòng)”運(yùn)行方式。當(dāng)PID運(yùn)算不被執(zhí)行時(shí)，稱為“手動(dòng)”模式。同計(jì)數(shù)器指令相似，PID指令有一個(gè)使能位。當(dāng)該使能位檢測(cè)到一個(gè)信號(hào)的正跳變（從0到1），PID指令執(zhí)行一系列動(dòng)作，使PID指令從手動(dòng)方式無擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式。為了達(dá)到無擾動(dòng)切換，在轉(zhuǎn)變到自動(dòng)控制前，必須把手動(dòng)方式下的輸出值填入回路表中的欄。PID指令對(duì)回路表中的值進(jìn)行下列動(dòng)作，以保證當(dāng)使能位正跳變出現(xiàn)時(shí)，從手動(dòng)方式無擾動(dòng)切換到自動(dòng)方式。</p><

93、;p>　?。?）置給定值（）=過程變量（）</p><p>　?。?）置過程變量當(dāng)前值（）=過程變量現(xiàn)值（）</p><p>　?。?）置積分項(xiàng)前項(xiàng)（）=輸出值（）</p><p>　　PID使能位的默認(rèn)值是1，在CPU啟動(dòng)或從STOP方式轉(zhuǎn)到RUN方式時(shí)建立。CPU進(jìn)入RUN方式后首次使PID塊有效，由于沒有使能位的正跳變，那么就不能進(jìn)行無擾動(dòng)切換。<

94、/p><p>　　在許多控制系統(tǒng)中，有時(shí)只應(yīng)用一種或兩種環(huán)路控制的方法。例如，可能只需要比例控制或比例積分控制。選擇期望的環(huán)路控制類型通過設(shè)置常量參數(shù)的數(shù)值來進(jìn)行。如果不需要積分操作，那么應(yīng)將積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置為無窮大“INF”；如果不希望微分操作，那么應(yīng)將微分時(shí)間常數(shù)設(shè)置為0.0；如果不希望比例操作，那么應(yīng)將增益設(shè)置為0.0。如果指令指定的回路表起始地址或PID回路號(hào)操作數(shù)超出范圍，那么在編譯期間，CPU將產(chǎn)生編譯錯(cuò)

95、誤，導(dǎo)致編譯失敗。PID指令不檢查回路表中的值是否在規(guī)定范圍之內(nèi)，因此，必須保證過程變量和設(shè)定值在之間。如果PID計(jì)算的算術(shù)運(yùn)算發(fā)生錯(cuò)誤，那么特殊存儲(chǔ)器標(biāo)志位SM1.1（溢出或非法值）會(huì)被置1，并且中止PID指令的執(zhí)行。</p><p>　　PID回路指令輸入/輸出變量數(shù)值轉(zhuǎn)換</p><p>　　回路輸入的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化</p><p>　　每個(gè)PID回路有兩個(gè)輸入

96、量，給定值（SP）和過程變量（PV）。給定值通常是一個(gè)固定的值。過程變量與PID回路輸出有關(guān)，可以衡量輸出對(duì)控制系統(tǒng)作用的大小。給定值和過程變量都可能是現(xiàn)實(shí)世界的值，它們的大小、范圍和工程單位都可能不一樣。在PID指令對(duì)這些現(xiàn)實(shí)世界的值進(jìn)行運(yùn)算之前，必須把它們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)型表達(dá)形式。轉(zhuǎn)換的第一步是把16位整數(shù)值轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)值。</p><p>　　下一步是將現(xiàn)實(shí)世界的值的實(shí)數(shù)值表達(dá)形式轉(zhuǎn)換成之間的標(biāo)準(zhǔn)化值

97、。下面的算式可以用于標(biāo)準(zhǔn)化給定值或過程變量值：</p><p><b>　　(4.8)</b></p><p>　　式中 ------標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值</p><p>　　------沒有標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值或原值</p><p>　　------單極性為0.0，雙極性為0.5</p><p>

98、;　　------值域大小，可能的最大值減去可能的最小值，單極性為 32000（典型值），雙極性為64000（典型值）。</p><p>　　回路輸出值轉(zhuǎn)換成刻度整數(shù)值</p><p>　　回路輸出值一般是控制變量?；芈份敵鍪侵g的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了的實(shí)數(shù)值。在回路輸出可以用于驅(qū)動(dòng)模擬輸出之前，回路輸出必須轉(zhuǎn)換成

99、一個(gè)16位的標(biāo)定整數(shù)值。這一過程，是給定值或過程變量的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換的逆過程。第一步是使用下面給出的公式，將回路輸出轉(zhuǎn)換成一個(gè)標(biāo)定的實(shí)數(shù)值：</p><p><b>　　(4.9)</b></p><p>　　式中 ------回路輸出的刻度實(shí)數(shù)值</p><p>　　-------回路輸出的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值</p>&l

100、t;p>　　，的定義同上 </p><p>　　5 系統(tǒng)建模及仿真</p><p>　　人們?cè)诳茖W(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)踐中，由于受到客觀條件（如經(jīng)濟(jì)性、安全性及可能性等）的限制，常常不能對(duì)所研究的對(duì)象直接進(jìn)行試驗(yàn)。在這種情況下，就需要采用間接試驗(yàn)的方法，即建立一個(gè)與所研究的對(duì)象或過程（一般稱為系統(tǒng)或原型）相似的模型，通過模型間接地研究原型的規(guī)律性。</p><p&

101、gt;<b>　　5.1 系統(tǒng)建模</b></p><p>　　如圖5.1所示為鹽酸儲(chǔ)罐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，液體通過控制閥門不斷的流入儲(chǔ)罐，同時(shí)也有液體通過負(fù)載閥不斷的流出儲(chǔ)罐。液體流入量由調(diào)節(jié)閥開度加以控制，流出量則由用戶根據(jù)需要通過負(fù)載閥來改變。被調(diào)量為水位，它反映液體的流入與流出之間的平衡關(guān)系。</p><p>　　圖5.1 鹽酸儲(chǔ)罐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p>

102、<p>　　令表示輸入液體流量的穩(wěn)態(tài)值，表示輸入液體流量的增量，表示輸出液體流量的穩(wěn)態(tài)值，表示輸出液體流量的增量，表示液位高度，表示液位高度的穩(wěn)態(tài)值，表示液位的增量，表示調(diào)節(jié)閥的開度。</p><p>　　設(shè)為液槽橫截面積，為流出端負(fù)載閥門的阻力即液阻。根據(jù)物料平衡關(guān)系，在正常工作情況狀態(tài)下，初始時(shí)刻處于平衡狀態(tài)：，，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度發(fā)生變化時(shí)，液位隨之發(fā)生變化。在流出端負(fù)載閥開度不變的情況下，液位的變化

103、將使流出量改變。</p><p>　　流出量與流入量之差為</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中，為液槽液體儲(chǔ)存量；由調(diào)節(jié)閥開度變化引起，當(dāng)閥門前后壓差不變時(shí)，有</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　其中為閥

104、門流量系數(shù)。</p><p>　　流出量與液位高度的關(guān)系為</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　這是一個(gè)非線性關(guān)系式，可在平衡點(diǎn)（，）附近進(jìn)行線性化，得到液阻表達(dá)式</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　將（5.2

105、）、（5.4）帶入（5.1）得，</p><p><b>　　(5.5)</b></p><p>　　式中，，在零初始條件下，對(duì)上式兩端進(jìn)行拉氏變換，得到儲(chǔ)罐的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　在圖5.1中，由于調(diào)節(jié)閥距儲(chǔ)罐有較長(zhǎng)的距離，調(diào)節(jié)閥開度變化所

106、引起的流入量變化，需要經(jīng)過一段傳輸時(shí)間才能對(duì)水槽液位產(chǎn)生影響，其中通常稱為純延遲時(shí)間。</p><p>　　可得有純延遲儲(chǔ)罐的微分方程為</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　在零初始條件下，對(duì)上式兩端進(jìn)行拉氏變換，即可得到有純延遲儲(chǔ)罐的傳遞函數(shù)</p><p><b>　?。?.

107、8）</b></p><p>　　取其典型參數(shù)代入上式，得該儲(chǔ)罐的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p><b>　　5.2 系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　5.2,1 MATLAB語言中Simulink交互式仿真環(huán)境簡(jiǎn)介</p>

108、<p>　　MATLAB語言是一種用于科學(xué)和工程計(jì)算的高級(jí)語言，在科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化、小波分析、圖形處理等領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的處理功能，具有很高的編程效率。MATLAB是當(dāng)今世界上最為流行的數(shù)學(xué)軟件之一，除了其主軟件包提供的一些通用功能外，還提供了擴(kuò)充主程序包，解決不同專業(yè)領(lǐng)域問題的工具箱以及交互式仿真環(huán)境Simulink。Simulink是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的交互式

109、軟件。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、DSP設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其他一些領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　本工程的特點(diǎn)是：在系統(tǒng)中，被控對(duì)象的慣性比較大，故系統(tǒng)僅采用比例和積分控制，其增益和時(shí)間常數(shù)可以通過工程計(jì)算初步確定。實(shí)際上還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制的效果。初步確定的增益和時(shí)間常數(shù)為：</p><p><b>　　增益：</b></p><p&

110、gt;<b>　　采樣時(shí)間：</b></p><p><b>　　積分時(shí)間：</b></p><p>　　要求系統(tǒng)超調(diào)量小于15%，調(diào)節(jié)時(shí)間小于3Min，上升時(shí)間小于1Min</p><p>　　5.2.2 系統(tǒng)仿真</p><p>　　應(yīng)用simulink交互式仿真環(huán)境對(duì)對(duì)象進(jìn)行仿真如圖5.2所

111、示：</p><p>　　圖5.2 儲(chǔ)罐液位控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　其中PID參數(shù)為P=0.25,I=0.034,D=0;滯后環(huán)節(jié)時(shí)間取3秒。</p><p>　　其仿真結(jié)果如圖5.3所示：</p><p><b>　　Scope1</b></p><p>　　圖5.3 儲(chǔ)罐液位控制

112、曲線</p><p>　　由圖5.3所示的仿真曲線可知，該系統(tǒng)在200s時(shí)已達(dá)到穩(wěn)定，為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)的抗干擾性能，我們?cè)?00s時(shí)分別在對(duì)象前后加一幅值為0.5的階躍干擾如圖5.2所示，得到系統(tǒng)的仿真曲線如圖5.4所示：</p><p><b>　　Scope4</b></p><p>　　圖5.4 階躍干擾時(shí)儲(chǔ)罐液位控制曲線</p&g

113、t;<p>　　由上面的仿真結(jié)果可以得出：</p><p>　　當(dāng)P、I、D參數(shù)選擇合適時(shí)，該控制器可以對(duì)被控對(duì)象起到很好的控制作用。</p><p>　　該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性。</p><p>　　第6章 系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　6.1 硬件設(shè)計(jì)</b></p>&

114、lt;p>　　6.1.1 繪制控制接線示意圖</p><p>　　圖6.1 控制系統(tǒng)接線示意圖</p><p>　　6,1.2 I/O資源分配</p><p>　　表6.1 I/O資源分配表</p><p><b>　　6.2 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　6.2.1 S

115、TEP 7 Micro/Win V4.0 SP6編程軟件介紹</p><p>　　STEP 7 Micro/Win V4.0 SP6是西門子公司于2007年12月正式推出的S7-200新版編程軟件。安裝 Micro/WIN V4.0 SP6 升級(jí)版將把先前系統(tǒng)中安裝的 V4.0 正式版（包括各 SP 版本）升級(jí)到 SP6，安裝 SP6 升級(jí)版也需要先安裝有 V4.0 的任何版本；如果已有 STEP 7-Micro

116、/WIN V4.0 + SP6 正式版，則可直接安裝。STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6 可以完全兼容所有 S7-200 CPU (CPU21x 和 22x)．STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6 可以毫無限制的打開老版本軟件 STEP 7-Micro/WIN V3.x 或 V4.x 所編寫的程序．STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6 創(chuàng)建的項(xiàng)目不能使用老版本的軟件打開或上載．STEP 7-M