水箱液位控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)論文

1、 . . . 水箱液位控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)3.1 三水箱液位控制設(shè)計(jì) 為了能清晰地進(jìn)行比較，對(duì)三容水箱閉環(huán)控制系統(tǒng)作了兩個(gè)方案：三閉環(huán)液位控制和單閉環(huán)液位控制，以其控制效果說明其優(yōu)缺點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)是控制下水箱的液位達(dá)到給定值。3.1.1 三閉環(huán)控制系統(tǒng)原理三閉環(huán)控制系統(tǒng)屬于串級(jí)控制系統(tǒng)，是改善調(diào)節(jié)過程極其有效的方法。該系統(tǒng)由一個(gè)主控制回路和兩個(gè)副控制回路組成。其中副環(huán)在控制過程中起著粗調(diào)的作用，主環(huán)用來完成細(xì)調(diào)任務(wù)，最終使被調(diào)量滿足工藝要求，無論主環(huán)還是副環(huán)都有各自的調(diào)節(jié)對(duì)象，測量變送元件和調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)中盡管有三個(gè)調(diào)節(jié)器，但他們作用各不一樣。主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器1的設(shè)定值

2、，副調(diào)節(jié)器1的輸出作為副調(diào)節(jié)器2的設(shè)定值，而副調(diào)節(jié)器2的輸出信號(hào)則是送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程。副環(huán)具有快速作用，它能有效的克服二次擾動(dòng)的影響；改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率；對(duì)負(fù)荷和操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力1,5，框圖如圖3.1所示。圖3.1三閉環(huán)系統(tǒng)方框圖3.1.2 單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理單閉環(huán)控制系統(tǒng)屬于簡單控制系統(tǒng)，只有一個(gè)控制器和一個(gè)變送器。控制器有一個(gè)自己獨(dú)立的設(shè)定值，它的輸出給調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程，當(dāng)上中水箱有擾動(dòng)時(shí)控制器不能馬上動(dòng)作，只有當(dāng)擾動(dòng)影響到下水箱時(shí)，變送器才能夠檢測到，液位控制的本身就有很大的滯后，加上多個(gè)容器就很難控制了。最后用具體的調(diào)試曲線比較說明這一

3、點(diǎn)。方框圖如圖3.2所示。圖3.2單閉環(huán)的系統(tǒng)方框圖3.1.3硬件組成部分1、水箱包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。上、中、下水箱采用深藍(lán)色優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃，堅(jiān)實(shí)耐用，透明度高。上、中水箱尺寸均為：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸為：D=35cm，H=20cm。水箱結(jié)構(gòu)獨(dú)特，由三個(gè)槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進(jìn)水時(shí)水管的水先流入緩沖槽，出水時(shí)工作槽的水經(jīng)過帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經(jīng)過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察。水箱底部均接有擴(kuò)散硅壓力傳感器與變送器，可對(duì)水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測和變送。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階單回路液位控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)

4、、三閉環(huán)液位串級(jí)控制系統(tǒng)。儲(chǔ)水箱由不銹鋼板制成，尺寸為：長×寬×高為68cm×52cm×43cm完全能滿足上、中、下水箱的實(shí)驗(yàn)供水需要。儲(chǔ)水箱部有兩個(gè)橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，以防雜物進(jìn)入水泵和管道。2、管道與閥門整個(gè)系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動(dòng)閥門均采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。其中儲(chǔ)水箱底部有一個(gè)出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，把球閥打開將水直接排出。3、壓力傳感器、變送器三個(gè)壓力傳感器分別用來對(duì)上、中、下三個(gè)水箱的液位進(jìn)行檢測，其量程為05KPa，精度為0.5級(jí)。采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，帶不銹

5、鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時(shí)需提供24V直流電源，輸出：420mADC。（本裝置已將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)）。4、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSTP-16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號(hào)為420mADC或15VDC，輸出為420mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。5、水泵本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為30升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W。泵

6、體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。6、電磁閥在本裝置中作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥工作壓力：最小壓力為0Kg/cm2，最大壓力為1MP/cm2 ；工作溫度：580；工作電壓：220VAC。3.1.4 三水箱液位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3.3 三水箱液位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)是由上中下三個(gè)水箱串聯(lián)構(gòu)成，主要是控制下水箱的液位達(dá)到給定值。由于延遲的存在，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的效果往往需要經(jīng)過一段延遲時(shí)間后才會(huì)在被調(diào)量上表現(xiàn)出來，所以每個(gè)水箱都有一個(gè)閉環(huán)進(jìn)行控制。目的是減少上中水箱的時(shí)間常數(shù)，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。本系統(tǒng)控制的目的，不僅要使下水箱的液位等于給定值，而且當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)在上中水箱時(shí)能夠很快就

7、被副調(diào)節(jié)器所克服，不至于對(duì)下水箱液位造成很大的影響，這比單閉環(huán)控制系統(tǒng)響應(yīng)快的多。下水箱液位是主控制量，上中水箱的液位是副控制量。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P或PI調(diào)節(jié)器1。3.2PLC控制系統(tǒng)的硬件配置在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期，首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的輸入，輸出信號(hào)的性質(zhì)和點(diǎn)數(shù)，以與對(duì)控制系統(tǒng)的功能和要求，確定系統(tǒng)的硬件配置。硬件組態(tài)的任務(wù)就是在STEP7中生成一個(gè)與實(shí)際的硬件系統(tǒng)完全一樣的系統(tǒng)。所有模塊的參數(shù)都是

8、用編程軟件來設(shè)置的，完全取消了過去用來設(shè)置參數(shù)的硬件DIP開關(guān)和電位器。硬件組態(tài)確定了PLC輸入輸出變量的地址，為設(shè)計(jì)用戶程序打下了基礎(chǔ)4。組態(tài)時(shí)，CPU之外的其他模塊的參數(shù)保存在CPU中。在PLC啟動(dòng)時(shí)，CPU自動(dòng)向其他模塊傳送設(shè)置的參數(shù)。PLC在啟動(dòng)時(shí)，將STEP7中生成的硬件設(shè)置于實(shí)際的硬件配置進(jìn)行比較，如果二者不符，將立即產(chǎn)生錯(cuò)誤報(bào)告。圖3.4系統(tǒng)的硬件組態(tài)窗口插槽4安裝數(shù)字量的輸入輸出模塊SM323， Q0.0，Q0.1，Q0.2分別對(duì)應(yīng)控制上中下水箱進(jìn)水的電磁閥的輸出。具體的接線圖如圖3.5所示。圖3.5 DI/DO模塊SM323的接線圖插槽5安裝8輸入模擬量模塊SM331，起始地

9、址為272，結(jié)束地址為287。前四個(gè)輸入是15V的電壓測量信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)下中上水箱的液位測量，后四個(gè)輸入是溫度測量信號(hào)。具體接線圖如圖3.6所示。圖3.6 SM331 AI模塊接線圖插槽6安裝模擬量4輸出模塊SM332，起始地址288，結(jié)束地址295，輸出類型是420mA的電流信號(hào)，對(duì)應(yīng)的是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度。具體接線如圖3.7所示。圖3.7 AO模塊SM332接線圖插槽7是通訊模塊CP343-1，通過工業(yè)以太網(wǎng)將計(jì)算機(jī)和PLC在一起。WinCC與PLC連接總體結(jié)構(gòu)圖如圖3.8所示圖3.8 WinCC與PLC連接總體結(jié)構(gòu)圖3.3 PLC的軟件設(shè)計(jì)3.3.1 PLC的軟件組成PLC的軟件由系統(tǒng)程序

10、和用戶程序組成。系統(tǒng)程序由PLC制造廠商設(shè)計(jì)編寫的，并存入PLC的系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等。 PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應(yīng)用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實(shí)現(xiàn)控制目的。由于PLC是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術(shù)人員，為了滿足他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力，PLC的主要編程語言采用比計(jì)算機(jī)語言相對(duì)簡單、易懂、形象的專用語言。 PLC編程語言是多種多樣的，對(duì)于不同生產(chǎn)廠家、不同系列的PLC產(chǎn)品采用的

11、編程語言的表達(dá)方式也不一樣，但基本上可歸納兩種類型：一是采用字符表達(dá)方式的編程語言，如語句表等；二是采用圖形符號(hào)表達(dá)方式編程語言，如梯形圖等。以下簡要介紹幾種常見的PLC編程語言。1、梯形圖（LAD）梯形圖是使用得最多的PLC圖形編程語言。梯形圖與繼電器電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠熟悉繼電器控制的電氣人員掌握，特別適合于數(shù)字量邏輯控制。梯形圖由觸點(diǎn)，線圈和用方框表示的指令框組成。觸點(diǎn)代表邏輯輸入條件，例如外部的開關(guān)，按鈕和部條件等。線圈通常代表邏輯運(yùn)算的結(jié)果，常用來控制外部的指示燈，交流接觸器和部的標(biāo)志位等。指令框用來表示定時(shí)器，計(jì)數(shù)器或者數(shù)學(xué)運(yùn)算等附加指令。2、語句表（ST

12、L）S7系列PLC將指令表稱為語句表（Statement List），它是一種類似于微機(jī)的匯編語言中的文本語言，多條語句組成一個(gè)程序段。語句表比較合適經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員使用，可以實(shí)現(xiàn)某些不能用梯形圖或功能塊圖表示的功能。3、功能塊圖（FBD）功能塊圖(FBD)使用類似于布爾代數(shù)的圖形邏輯符號(hào)來表示控制邏輯。一些復(fù)雜的功能（例如數(shù)學(xué)運(yùn)算功能等）用指令框來表示，有數(shù)字電路基礎(chǔ)的人很容易掌握。方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入，輸出端的小圓圈表示“非”運(yùn)算，方框被“導(dǎo)線”連接在一起，信號(hào)自左向右流動(dòng)。4、邏輯圖語言 邏輯圖是一種類似于數(shù)字邏輯電路結(jié)構(gòu)的編程語言，由與門、或門

13、、非門、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器等邏輯符號(hào)組成。有數(shù)字電路基礎(chǔ)的電氣技術(shù)人員較容易掌握5、高級(jí)語言  隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，為了增強(qiáng)PLC的運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理與通信等功能，以上編程語言無法很好地滿足要求。近年來推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高級(jí)語言，如BASIC語言、C語言、PASCAL語言等進(jìn)行編程。采用高級(jí)語言后，用戶可以像使用普通微型計(jì)算機(jī)一樣操作PLC，使PLC的各種功能得到更好的發(fā)揮1,3。 3.3.2 程序流程圖 是三閉環(huán)？下水箱液位與給定值比較送給主調(diào)節(jié)器中水箱的液位值與主調(diào)節(jié)器輸出對(duì)應(yīng)的液位比較送給副調(diào)節(jié)器1上水箱的液位值與副調(diào)節(jié)器1輸

14、出對(duì)應(yīng)的液位值比較送給副調(diào)器2自動(dòng)？是3.8控制器的輸出給調(diào)節(jié)閥手動(dòng)輸出給控制器否單閉環(huán)？否是下水箱的液位值與給定值比較，送給調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的輸出控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度否開始PQW288輸出控制調(diào)節(jié)閥開度結(jié)束圖3.9 程序流程圖3.3.3 部分PLC程序設(shè)計(jì)圖3.10 部分PLC程序設(shè)計(jì)程序段4：壓力變送器3對(duì)應(yīng)的是下水箱的傳感器，從PIW272輸出的是027648的模擬值，將其傳送到存儲(chǔ)器字MW2，為了運(yùn)算精確，將整形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)形式，放在存儲(chǔ)器MD8中。程序段5：MD8÷27648×100將PIW272輸出的027648的模擬值轉(zhuǎn)換成0100的數(shù)，又乘以5，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的液

15、位值，“5”是輸入系數(shù)。程序段18和19：控制器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，控制器的輸出是浮點(diǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)換成027648的數(shù)，取MD74的低字MW76中的16位整數(shù)運(yùn)算結(jié)果送到PQW288，該地址連接著電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，進(jìn)而控制調(diào)節(jié)閥的開度。FB41模塊是PID控制模塊，P-SEL、I-SEL和D-SEL是P、I、D選擇允許的輸入端口，當(dāng)對(duì)應(yīng)輸入為“1”時(shí)，才起作用，SP-INT是設(shè)定值的輸入端口，想讓水箱液位達(dá)到多高就在此輸入液位值，PV-IN是反饋回的液位的輸入端口，即MD16存儲(chǔ)的PIW272對(duì)應(yīng)的液位值。GAIN、TI和TD是比例、積分和微分時(shí)間的輸入端口。LMN是控制器的輸出口。監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)4.1W

16、inCC系統(tǒng)簡介WinCC運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境，可以與多種自動(dòng)化設(shè)備與控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目、可視窗口和菜單選項(xiàng)，使用方式靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報(bào)表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計(jì)周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一個(gè)特點(diǎn)在于其整體開放性，它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機(jī)界面，滿足實(shí)際需要。用戶也可將WinCC作為系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過開放式接口，開發(fā)其自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)。 WinCC因其具有獨(dú)特

17、的設(shè)計(jì)思想而具有廣闊的應(yīng)用前景。借助于模塊化的設(shè)計(jì)，能以靈活的方式對(duì)其加以擴(kuò)展。它不僅能用于單用戶系統(tǒng)，而且能構(gòu)成多用戶系統(tǒng)，甚至包括多個(gè)服務(wù)器和客戶機(jī)在的分布式系統(tǒng)。WinCC集生產(chǎn)過程和自動(dòng)化于一體，實(shí)現(xiàn)了相互間的集成。4.2 三水箱控制系統(tǒng)的WinCC畫面組態(tài)過程4.2.1WinCC通訊連接WinCC的通訊連接是組態(tài)上位機(jī)監(jiān)控界面的第一步。本系統(tǒng)在上位監(jiān)控機(jī)和控制器之間采用工業(yè)以太網(wǎng)方式通訊，在控制器和現(xiàn)場裝置之間采用PROFIBUS方式通訊。將通訊程序添加到WinCC資源管理的變量管理器中，計(jì)算機(jī)上安裝的通訊驅(qū)動(dòng)程序是具有.chn擴(kuò)展名的文件。通道單元要讀寫PLC的過程值，必須建立與該

18、PLC的連接。通過右鍵單擊相應(yīng)的通道單元條目，并從彈出式菜單中選擇“新建驅(qū)動(dòng)程序連接”來建立WinCC與PLC之間的連接。要獲得PLC中的某個(gè)數(shù)據(jù)，必須組態(tài)WinCC變量，相對(duì)于沒有過程驅(qū)動(dòng)程序連接的部變量，我們稱這些變量為外部變量。要?jiǎng)?chuàng)建新的WinCC變量，可通過右鍵單擊相應(yīng)的條目，從彈出式菜單中選擇“新建變量”。其操作界面如圖4.1所示。在WinCC變量屬性對(duì)話框中，可以定義不同的變量屬性。圖4.1 變量的建立4.2.2 監(jiān)控界面組態(tài)打開WinCC組態(tài)環(huán)境：點(diǎn)擊菜單“開始”->“Simatic”->“WinCC”->“Windows Control Center 6.0”

19、，打開的WinCC組態(tài)畫面如圖4.2（系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)打開上次編輯的工程）所示。圖4.2 WINCC組態(tài)畫面4.2.3 新建一工程點(diǎn)擊菜單“文件”->“新建”，打開如圖4.3所示窗口。在打開的窗口中，選擇“單用戶項(xiàng)目”，點(diǎn)擊確定按鈕，打開圖4.4所示窗口。在項(xiàng)目名稱中輸入“sza”。圖4.3創(chuàng)建新項(xiàng)目向?qū)D4.4 輸入新項(xiàng)目名稱4.2.4 組態(tài)變量選中變量管理器，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的對(duì)話框中選擇“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”，在彈出的對(duì)話框中，選擇“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”項(xiàng)，單擊“OPEN”按鈕，打開一個(gè)窗口選中“TCP/IP”項(xiàng)，新建一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序連接，在名稱項(xiàng)中

20、輸入“S7”點(diǎn)擊OK。這樣就建立了一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)連接。雙擊“S7”項(xiàng)，在右側(cè)的窗口中單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中，選擇“新建變量組”項(xiàng)，然后再在剛建的變量組中單擊右鍵，選擇“新建變量”項(xiàng)，打開如圖4.5所示的窗口。圖4.5變量屬性設(shè)置 在名稱中輸入“p_select”，在數(shù)據(jù)類型中選擇“二進(jìn)制變量”，在地址一項(xiàng)中，單擊“選擇”按鈕，彈出如圖4.6所示的窗口。在DB號(hào)中輸入“41”，在地址中選擇“位”，在D項(xiàng)中輸出“0”，位(I)中輸出“3”，點(diǎn)擊“OK”按鈕。返回圖4.5按鈕（此時(shí)地址項(xiàng)中已經(jīng)有數(shù)據(jù)存在）。在圖4.5的窗口中，點(diǎn)擊“OK”按鈕，p_select變量組態(tài)完成。用同樣的方法組態(tài)以下變

21、量，組態(tài)好的變量如圖4.7所示。圖4.6 選擇變量地址圖4.7組態(tài)好的變量上圖顯示的只是LOOP1-DB41變量組的變量，總體的外部變量見表4.1部變量見表4.3。名稱類型參數(shù)程序中名稱pv1man1-onman1lmn1d-select1i-select1p-select1dead-bgain1ti1di1lmn-hlmlmn-llmsp-int1tm-lag-rst1man2-ond-select2i-select2p-select2gain2ti2di2lmn-hlm-1lmn-llm-1sp-int2man2lmn2-rst2pv2dead-b-1man3-onman3sp-int3l

22、mn-hlmlmn-llmdead-b-232位浮點(diǎn)數(shù)IEEE754二進(jìn)制變量32位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE754二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量32位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE754二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量32位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE754

23、32位浮點(diǎn)數(shù)IEEE754二進(jìn)制變量32位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE754二進(jìn)制變量32位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE754DB41， DD92DB41, D0.1DB41, DD16DB41, DD72DB41， D0.7DB41， D0.4DB41， D0.3DB41， DD36DB41， DD20DB41， DD24DB41， DD28DB41， DD40DB41， DD44DB41， DD6DB41, DD32DB41, D0.0DB42, D0.1DB42， D0.7DB42， D

24、0.4DB42， D0.3DB42， DD20DB42， DD24DB42， DD28DB42， DD40DB42， DD44DB42， DD6DB42, DD16DB42, DD72DB42, D0.0DB42， DD92DB42， DD36DB43, D0.1DB43， DD16DB43, DD6DB43, DD40DB43, DD44DB43，DD36PVMAN-ONMANLMND-SELI-SELP-SELDEADB-WGAINTITDLMN-HLMLMN-LLMSP-INTTM-LAGCOM-RSTMAN-OND-SELI-SELP-SELGAINTITDLMN-HLMLMN-LLM

25、SP-INTMANLMNCOM-RSTPVDEADB-WMAN-OMMANSP-INTLMN-HLMLMN-LLMDEADB-W表4.1外部過程變量表4.2外部過程變量（續(xù)4.1）名稱類型參數(shù)程序中名稱d-select3i-select3p-select3gain3ti3di3pv3lmn3-rstsbhxzdbhxzssxzsxxsx二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量32位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE75432位浮點(diǎn)數(shù)IEEE754二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量DB43，D0.7DB43，D0.4DB4

26、3，D0.3DB43，DD20DB43，DD24DB43，DD28DB43，DD92DB43，DD72DB43, D0.0DB1, D0.0DB1, D0.1DB1, D0.2DB1, D0.3DB1, D0.4D-SELI-SELP-SELGAINTITDPVLMNCOM-RST表4.3 部變量對(duì)象變量類型實(shí)時(shí)曲線歷史曲線數(shù)據(jù)報(bào)表主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器單閉環(huán)自動(dòng)手動(dòng)ssqxlsqxsbztiaoftiaoftiao1dbhautoman二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量二進(jìn)制變量4.2.5 畫面組態(tài)在圖4.2中，選中“圖形編輯器”，單擊鼠標(biāo)右鍵

27、，在彈出的菜單中，選擇“新建畫面”項(xiàng)。窗口右側(cè)增加了一個(gè)文件“NewPdl0.Pdl”，選中“NewPdl0.Pdl”，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“重命名畫面”，輸出“New.pdl”，點(diǎn)擊“確定”按鈕，雙擊“New.pdl”，打開如圖4.8所示的窗口。圖4.8 圖形編輯界面點(diǎn)擊工具欄上的圖標(biāo)，彈出圖庫窗口。窗口中，選中需要的圖形，單擊鼠標(biāo)左鍵不放，將其拖到畫面組態(tài)窗口中。用同樣的方法添加管道、水箱、閥與傳感器等。系統(tǒng)組態(tài)畫面（系統(tǒng)構(gòu)造組態(tài)圖和參數(shù)組態(tài)圖）?？梢妶D4.15。4.2.6 對(duì)象屬性的動(dòng)態(tài)化1、矩形對(duì)象的設(shè)定選中其中一個(gè)長方形圖形，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“屬性”項(xiàng)，彈出一對(duì)話框，在

28、對(duì)話框中，選擇“填充”項(xiàng)，在右側(cè)的擴(kuò)展項(xiàng)中，選擇“填充量”，單擊鼠標(biāo)右鍵，打開對(duì)象屬性窗口，選擇“動(dòng)態(tài)對(duì)話框”項(xiàng)。選擇變量“PV1”，在數(shù)據(jù)類型中，選擇“直接”項(xiàng)，界面如圖4.9所示，點(diǎn)擊“應(yīng)用”按鈕。在“其它”項(xiàng)單擊，選中“顯示”單擊鼠標(biāo)右鍵，打開對(duì)象屬性窗口，選擇“動(dòng)態(tài)對(duì)話框”項(xiàng)。選擇部變量“ztiao”，在數(shù)據(jù)類型中，選擇“布爾”型。副調(diào)節(jié)器1和副調(diào)節(jié)器2以與他們的設(shè)定值，測量值和輸出值可以用同樣的方法設(shè)定。圖4.9選擇變量圖4.10 I/O域組態(tài)窗口2、輸出/輸入?yún)^(qū)域的設(shè)定選中組態(tài)窗口中的輸入輸出域，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中，選擇組態(tài)對(duì)話框。打開如圖4.10所示I/O域組態(tài)窗口。在

29、“變量”項(xiàng)，選擇“PV1”，“更新”項(xiàng)選擇“根據(jù)變化”，這樣就組態(tài)了一個(gè)I/O域。 輸出/輸入域“顯示”部分的設(shè)定方法和矩形的一樣，屬于哪個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入/輸出就選擇哪個(gè)部變量。用同樣的方法可以組態(tài)每個(gè)調(diào)節(jié)器的ti，di等。4.2.7 實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線的組態(tài)在圖4.8的窗口中，點(diǎn)擊“控件”項(xiàng)，打開如圖4.11所示的控件選項(xiàng)窗口。圖4.11控件選項(xiàng)窗口在窗口中，點(diǎn)擊“WinCC Online Trend Control”項(xiàng)，在組態(tài)窗口中，拖一個(gè)長方形的區(qū)域，歷史曲線顯示控件被放置到窗口中。雙擊這個(gè)控件，打開如圖4.12所示的WinCC在線趨勢控件屬性窗口。圖4.12 WINCC在線趨勢控件屬性窗

30、口在“選擇歸檔/變量”項(xiàng)中，點(diǎn)擊“選擇”按鈕，添加需要顯示的變量名。用同樣的方法組態(tài)實(shí)時(shí)曲線和數(shù)據(jù)報(bào)表（顯示歸檔變量）。4.2.8 添加按鈕的動(dòng)作給畫面添加6個(gè)按鈕，其名稱分別為：歷史曲線，實(shí)時(shí)曲線，實(shí)驗(yàn)流程，數(shù)據(jù)報(bào)表參數(shù)整定，退出實(shí)驗(yàn)，自動(dòng)，手動(dòng)，單閉環(huán)選擇，三閉環(huán)選擇。雙擊“歷史曲線”按鈕，打開屬性窗口，點(diǎn)擊“事件”項(xiàng)，在“按鈕”->“鼠標(biāo)”->“釋放左鍵”項(xiàng)，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中，選擇“C動(dòng)作”，打開如圖4.13所示的編輯動(dòng)作窗口。在窗口中輸入：“SetTagBit("ssqx",0); SetTagBit("lsqx",1);

31、SetTagBit("sb",0);”三條語句，點(diǎn)擊確定按鈕。也就是想在點(diǎn)擊哪個(gè)按鈕，出現(xiàn)哪種情況時(shí)，就把那個(gè)情況置“1”，否則置“0”。圖4.13編輯動(dòng)作窗口選中“歷史曲線”控件，單擊鼠標(biāo)右鍵，在打開的菜單中，選擇“屬性”項(xiàng)。在打開的對(duì)話框中，選擇“屬性”->“其它”->“允許操作員”項(xiàng)，單擊鼠標(biāo)右鍵，打開歷史曲線對(duì)象屬性窗口。選擇“動(dòng)態(tài)對(duì)話框”項(xiàng)，按圖4.14進(jìn)行變量連接79。圖4.14 動(dòng)態(tài)變量連接用同樣的方法，分別定義其它幾個(gè)按鈕。系統(tǒng)完全組態(tài)好的畫面如圖4.15所示。圖4.15 系統(tǒng)主監(jiān)控界面網(wǎng)絡(luò)通訊通過前面的介紹，編完了三水箱的控制程序和WinCC的

32、監(jiān)控界面，現(xiàn)在就需要通過網(wǎng)絡(luò)使他們之間能夠通訊進(jìn)而控制整個(gè)系統(tǒng)。下面就簡單的介紹實(shí)現(xiàn)的過程。首先，要保證硬件的配置要和實(shí)際的系統(tǒng)完全一樣。其次，WinCC的PG/PC的端口選擇，外部變量建立在TCP/IP里，單擊TCP/IP，顯示如圖5.1。圖5.1 變量設(shè)置在右邊的界面里對(duì)“sy”點(diǎn)擊右鍵，選擇“屬性”，在點(diǎn)擊“屬性”，在出現(xiàn)的對(duì)話框如圖5.2。圖5.2 連接參數(shù) 圖5.3 系統(tǒng)參數(shù)改變“IP地址”要和系統(tǒng)設(shè)定的一樣，本實(shí)驗(yàn)的地址為“172.16.13.200”，機(jī)架號(hào)“0”，插槽號(hào)“2”，然后點(diǎn)擊“確定”。再在圖5.1右面的界面里單擊右鍵選擇“系統(tǒng)參數(shù)”點(diǎn)擊“單元”如圖5.3所示?！癈P類

33、型/總線結(jié)構(gòu)”填寫TCP/IP，“邏輯設(shè)備名稱”選擇的是本機(jī)的網(wǎng)絡(luò)適配器。再次，對(duì)STEP 7的設(shè)定，硬件中的CP343-1的IP地址也改為“172.16.13.200”，子網(wǎng)掩碼“255.255.0.0”點(diǎn)擊“確定”，然后將改變之后的硬件重新編譯下。PG/PC的設(shè)定如圖5.4。都選擇和自己的電腦一樣的適配器。圖5.4 STEP 7的PG/PC接口設(shè)置最后，將STEP 7的硬件和程序都下載到PLC中，如果，沒有紅燈，則表示正常，否則，一部分一部分的查找原因，直到正常為止。控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定6.1 數(shù)字PID控制PID控制是比例積分微分控制的簡稱。PID控制具有原理簡單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，

34、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它是一種負(fù)反饋控制，能緩解對(duì)象中的不平衡，正確的達(dá)到自動(dòng)控制的目的。PID調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)；根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果用以控制輸出。即：調(diào)節(jié)器的輸入與輸出為比例-積分-微分關(guān)系10。6.1.1PID控制的原理常規(guī)的PID控制系統(tǒng)的原理圖如圖6.1所示。系統(tǒng)由PID控制器，被控對(duì)象和反饋檢測環(huán)節(jié)組成。比 例積分比例微分比例被控對(duì)象檢測裝置r(t)e(t)u(t)圖6.1 PID控制系統(tǒng)圖6.1.2 控制器公式實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制性能的要求，靈活的采用不同的控制組合，構(gòu)成比例（P）控制器： （6.1）比例+積分（PI）控制器： （

35、6.2）比例+積分+微分（PID）控制器： （6.3）其中Kp比例系數(shù)；TI積分時(shí)間常數(shù)；TD微分時(shí)間常數(shù)。PID控制具有很多優(yōu)點(diǎn)：不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，自動(dòng)控制理論中的分析和設(shè)計(jì)方法主要是建立在被控對(duì)象的線性定常數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的。該模型忽略了實(shí)際系統(tǒng)中的非線性和時(shí)變性，與實(shí)際系統(tǒng)有較大的差距。對(duì)于許多工業(yè)控制對(duì)象，根本就無法建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此自動(dòng)控制理論中的設(shè)計(jì)方法很難用于大多數(shù)控制系統(tǒng)。對(duì)于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序設(shè)計(jì)簡單，計(jì)算工作量較小，各參數(shù)有明確的物理意義，參數(shù)調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)多回路控制、串級(jí)控制等復(fù)雜的控制。根

36、據(jù)被控對(duì)象的具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進(jìn)的控制方式，例如PI、PD、帶死區(qū)的PID、被控量微分PID、積分分離PID和變速積分PID等，但比例控制一般是必不可少的。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)PID控制器的參數(shù)自整定，使PID控制器具有經(jīng)久不衰的生命力10。6.1.3PID的控制規(guī)律1、 比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)就是有差調(diào)節(jié)。Kp太小雖然沒有超調(diào)，系統(tǒng)的輸出量變化緩慢，調(diào)節(jié)時(shí)間長，穩(wěn)態(tài)誤差與Kp成反比。增大Kp使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，上升速度快，且可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但是太大會(huì)使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，震蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間長，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性

37、能變壞3,10。2、積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無差調(diào)節(jié)?？刂破髦械姆e分作用與當(dāng)前的誤差大小和誤差歷史情況都有關(guān)，只要誤差不為零控制器的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，誤差為正時(shí)積分項(xiàng)不斷增大，反之減小。積分作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差和提高控制精度，積分作用一般是必須的。因?yàn)榉e分時(shí)間項(xiàng)在分母中， 越小，積分速度越快，積分作用越強(qiáng)。但是積分作用有遲后特性，不像比例部分，只要誤差一出現(xiàn)就立即起作用，積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)動(dòng)態(tài)性能變差，超調(diào)量增大，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此積分很少單獨(dú)使用3,10。3、微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)微分部分的輸出與誤差的微分（即誤差的變化速率）成正比，反映了被控量的變化趨勢，其作用是阻礙被

38、控量的變化。微分具有超前和預(yù)測的特性，在超調(diào)尚未出現(xiàn)之前就能提前給出控制的作用。適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔每梢允钩{(diào)量減少，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其缺點(diǎn)是對(duì)干擾噪聲敏感，使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分時(shí)間表示了微分作用的強(qiáng)弱，越大，微分作用越強(qiáng)，但是太大可能會(huì)引起頻率較高的震蕩，或是被控量接近穩(wěn)態(tài)值時(shí)變化緩慢。這是因?yàn)榻咏€(wěn)態(tài)值時(shí)，誤差很小，比例部分消除誤差的能力很弱。由于微分部分太強(qiáng)，抑制了被控制量的上升，導(dǎo)致被控制量上升極為緩慢，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間長3,10?？偨Y(jié)起來，不同的控制規(guī)律有不同的特點(diǎn)，對(duì)于一樣的控制對(duì)象，不同的控制規(guī)律，有不同的控制效果，圖6.2是不同控制規(guī)律時(shí)的過渡過程式曲線。圖6.

39、2 不同控制規(guī)律時(shí)的過渡過程式曲線6.2 PID參數(shù)的調(diào)整方法為了減少需要整定的參數(shù)，可以首先采用PI控制算法。在調(diào)試開始時(shí)應(yīng)設(shè)置比較保守的參數(shù)，比例增益不要太大。給出一個(gè)階躍信號(hào)后，觀察系統(tǒng)輸出量的波形，根據(jù)輸出波形提供給的信息和PID參數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系，反復(fù)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)。如果階躍響應(yīng)的超調(diào)量太大，經(jīng)過多次震蕩才能穩(wěn)定，應(yīng)減小增益，增大積分時(shí)間，如果階躍響應(yīng)沒有超調(diào)，但是被控制量上升過于緩慢，過渡時(shí)間太長應(yīng)按相反的方向調(diào)整參數(shù)。如果消除誤差的速度較慢，可以適當(dāng)減小積分時(shí)間。如果反復(fù)調(diào)節(jié)Kp和，超調(diào)量仍然較大，可以加入微分從0逐漸增大，反復(fù)調(diào)節(jié)這三個(gè)參數(shù)3。若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫

40、度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對(duì)象往往比較接近，所以無論是控制器的形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表6.1為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。若需加微分作用，微分時(shí)間常數(shù)按TD=(1/31/4)TI計(jì)算1。表6.1 經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)(%)TI(min)TD(min)溫度流量壓力液位206040100307020803100.110.430.53系統(tǒng)調(diào)試7.1 測試容與步驟該設(shè)計(jì)選擇上、中、下三只水箱串聯(lián)組成三容對(duì)象（三階系統(tǒng)），控制目標(biāo)是下水箱的液位。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥

41、門F1-9開至適當(dāng)開度（50%90%）、中水箱出水閥門F1-10開至適當(dāng)開度（40%80%）、下水箱出水閥門F1-11開至適當(dāng)開度（30%70% 要求閥門開度滿足F1-9 > F1-10 > F1-11），其余閥門均關(guān)閉。具體步驟如下：1、接線：220V接面板COM，N與N1、N2、N3短接，D1、D2、D3分別接面板DO1、DO2、DO3；弱電連線：將“LT1上水箱液位”（1-5V信號(hào)）對(duì)應(yīng)接至模擬量輸入通道AI2； LT2中水箱液位（1-5V信號(hào)）對(duì)應(yīng)接至模擬量輸入通道AI1；LT3下水箱液位（1-5V信號(hào)）對(duì)應(yīng)接至模擬量輸入通道AI0；將模擬量輸出通道AO0接至電動(dòng)閥控制輸入。2、接通總電源空氣開關(guān)，閉合三相電源和單向電源，打開電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與控制站電源，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、S7-300PLC上電。3、打開Step 7軟件，打開“S7-300PLC”程序進(jìn)行下載，然后將S7-300PLC置于運(yùn)行狀態(tài)，然后運(yùn)