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1、摘 要本次毕业设计的课题是基于 PLC 的液位控制系统的设计。目前 PLC 已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，PLC 已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID 调节和数据通信功能。它采用了可编程序的存储器，用来在其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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩大其功能的设计。可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。 本文采用的
2、是三菱公司的 F*系列开发环境，可对水箱的各个局部的运行程序进展设计。同时采用三菱公司 F*2 系列 PLC 对水箱也为控制系统进展了仿真，验证了该控制系统的可行性。实现了上水箱液位到达设定值以后能过流入到下水箱,I/O 口的配置、硬件连接。本设计的重点和难点：水箱各局部程序的设计，对应程序的调试与修正。关键词：F*2 系列 PLC；PID 控制算法；双容水箱；PID 指令ABSTRACTThe subject of graduation design is based on PLC, liquid level control system design. the Plc has been w
3、idely used as a central processing unit microprocessor, import e*port module and the e*ternal circuits are used, large-scale integrated circuits even when the Plc is no longer the only logical (IC) judgement functions also have data processing, PID conditioning and data munications functions. Intern
4、ational It used programmable memory, used to implement logic in their internal storage operations, sequence control, timing, counting and arithmetic operations, such as operating instructions, and through digital and analog input and output, the control of various types of machinery or production pr
5、ocesses. Programmable controller and related peripherals, and industrial control systems easily linked to form a whole, to e*pand its functional design. Programmable controller for the user, is a non-contact equipment, the procedures can be changed to change production processes. The programmable co
6、ntroller has bee a powerful tool for factory automation, widely popular replication. The paper simply introduces main structure and characteristics of garage and also gives a short introduction to its control system. The finite element reliability checking of steel structure of garage is utilized ac
7、cording to the operation principle of water-tans garage, the mechanics was used to prehensively analyze the water-tans and translation stereo garagKeywordsKeywords：F*2 series PLC；PIDcontrol algorithm；Double-dimension tanks；PID instruction目 录第第 1 1 章绪论章绪论 11.1 PLC 的开展 11.2 PLC 的工作原理 2第第 2 2 章水箱对象特性及章
8、水箱对象特性及 PIDPID 算法的应用算法的应用 62.1 双容水箱对象特性 62.2 PID 算法在双容水箱中的应用 10第第 3 3 章控制方案设计章控制方案设计 143.1 PLC 控制系统与其他控制系统的比较 143.2 水箱控制系统方案设计 16第第 4 4 章章 PLCPLC 在水箱控制系统中的应用在水箱控制系统中的应用 184.1 三菱 PLC 控制系统 184.2 硬件设计 194.3 PLC 控制程序设计 21结论结论 25参考文献参考文献 26致致 27第 1 章 绪 论1.1PLC 的开展一、可编程控制器的产生20 世纪 60 年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种
9、比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。二、PLC 的开展现状20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化开展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器开展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产
10、可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段1。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 开展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在*些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 20 世纪末期，可编程控制器的开展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期开展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产
11、了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的开展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开场的。最初是在引进设备量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上屋电气生产的 CF 系列、机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、组合机床研究所生产的 S 系列、电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，华光公司、乡岛公司等中外合资
12、企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地。进入 90 年代以来，自动化技术开展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。过程控制是自动化技术的重要组成局部。在现代工业生产自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。在本世纪 40 年代前后，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要是凭经历用人工去控制生产过程。生产过程中的噶参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。因此，当时的劳动效率是很低的。40 年代以后，
13、生产自动化开展很快。尤其是近年来，过程控制技术开展更为迅速。纵观过程控制的开展历史，大致经历了下述几个阶段：50 年代前后，过程控制开场得到开展。一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。这是过程控制开展的第一阶段。这阶段主要的特点：检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和局部组合仪表；过程控制构造大多数是单输入单输出系统；被控制参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数；控制目的是保持这些参数的稳定，消除或减少对生产过程的主要扰动。在 60 年代，随着工业生产的不断开展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速开展也为自动化技术工具的完善提供了条件，开场了过程控制的第二阶段。在仪表方面，开场大量采用
14、单元组合仪表。为了满足定型、灵活、多功能的要求，有出现了组合仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。70 年代以来，随着现代工业生产的迅猛开展，仪表与硬件的开发，微型机算计的开发应用，使生产过程自动化的开展到达了一个新的水平。对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进展多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进展控制和经营管理，是这一阶段的主要特征。过程控制开展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制开展的第三阶段。在新型的自动化技术工具方面，开场采用微处理器为核心的智能单元组合仪表；在测量变送器方面，教为突出的成分在线检测与数据处理的
15、应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅型仪表产品品种增加，可靠性提高，而且是本质平安防爆，适应了各种复杂控制系统的要求。1 1.2 PLC 的工作原理PLC 具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。PLC 则采用循环扫描工作方式。在 PLC 中，用户程序按先后顺序存放，CPU 从第一条指令开场执行程序，直至遇到完毕符后又返回第一条。如此周而不断循环。每一个循环成为一个扫描周期。一个扫描周期大致可分为 I/O 刷新和执行指令两个阶段。所谓 I/O 刷新即对 PLC 的输入进展一次读取，将输入端各变量的状态重新读入 PLC 中存入部存放器，同时将新的
16、运算结果送到输出端。这实际是将存入输入、输出状态的存放器容进展了一次更新，故成为“I输入/O输出刷新。由此可见，假设输入变量在 I/O 刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出对输入产生了响应。反之，假设在本次I/O 刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。由于 PLC 采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要收扫描周期的影响。扫描周期的长短主要受 PLC 的运算速度，程序长度和每条指令占用时间长短影响。一、PLC 的应用通常有以下五种类型：(1)顺序控制这是 PLC 应用最广泛的领域，用以
17、取代传统的继电器顺序控制。PLC 可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。(2)运动控制PLC 制造商目前已提出了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模板。在多数情况下，PLC 把扫描目标位置的数据送给模板，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模板保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比计算机数值控制装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。(3)闭环过程控制PLC 能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID 模块的提供式 PLC
18、具有闭环控制功能，即一个具有 PID 控制能力的 PLC 可用于过程控制。当过程控制中*一个变量出现偏差时，PID 控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。(4)数据处理 在机械加工中，出现把支持顺序控制的 PLC 和计算机数值控制C设备严密结合的趋向。著名的日本 FANUC 公司推出的 System10、11、12 系列，已将 C控制功能作为 PLC 的一局部。为了实现 PLC 和 C 设备之间部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以单独编程，由 PLC 送至 C 设备使用，美国 GE 公司的 C 设备新机种也同样使用了具有数据处理的 PLC。预计今后几年 C
19、系统将变成以 PLC 为主体的控制和管理系统。(5)通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化(FA)系统、柔性制造系统FMS及集散控制系统DCS等开展的需要，必须开展 PLC 之间，PLC 和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅 PLC 数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电事故时的对策。二、PLC 的特点：(1)可靠性高、抗干扰能力强 PLC 是为工业控制而设计的，除了对期间的严格筛选外，在硬件合软件两个方面还采用可屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的靠干扰的能力，其平均无故障时间到达 3000h 以上。(2)编程直观、简单 考虑到大多数电气
20、技术人员熟悉电气控制电路的特点，PLC 没有采用微机控制中常用的汇编语言，而是采用了一种面向控制过程的梯形图语言。梯形图语言与继电器原理图象类似，形象直观、易学易懂，电气工程师和具有一定知识的电气技术人员都可在短时间学会，计算机技术合传统的继电器控制技术间的隔膜在PLC 上完全不存在。因此，许多国家生产的 PLC 都把梯形图语言作为第一用户语言。此外，还可采用指令表进展编程控制。(3)适应性好 PLC 时通过程序实现控制的。当控制要求发生改变时，只要修改程序即可。由于 PLC 产品已标准化、系列化、模块化。因此能灵活方便的进展系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系统。其适应能力非常强，既可控
21、制一台机器，一条生产线，也可控制一个复杂的群控系统，既可以现场控制，又可以远距离控制。(4)功能完善接口功能强 PLC 具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算数运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使设备控制水平大大提高；其接口功率驱动围较大，不像普通的计算机输出信号需放大才能驱动负载，极大的方便了用户。其常用的数字量输入输出接口，就电源而言有110V、220V 交流和 5V、48V 直流等多种。三、PLC 的编程语言PLC 提供了较完整的编程语言，以适应 PLC 在工业环境中的应用。利用编程语言，按照不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬件接线线路，这就是
22、所谓的“可编程序。程序由编程器送到 PLC 部的存储器中，它也能方便地读出、检查与修改。PLC 提供的编程语言通常有三种:梯形图、功能图、及布尔逻辑编程。梯形图是应用最广的，梯形图编程有时称为继电器梯形图逻辑图编程。它使用的最广是因为它和以往的继电器控制线路很接近。梯形图是在原继电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图根底上演变而来的，它与电气操作原理相照应。它的最大优点是形象、直观和实用，为广阔电气技术人员所熟知。PLC 的梯形图与电气控制系统梯形图的根本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。PLC 的梯形图使用的部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的，其主要特点为使用方便
23、、修改灵活。功能图编程是一种较新的编程方法。它的作用是使用功能图来表达一个顺序控制过程。布尔逻辑编程包括“与AND 、或OR 、非NOT以及定时器、计数器、触发器等。就是大家所熟知的指令表程序。每一种编程方法都有它的优点与缺点，根据每一种特殊的控制要求，根据编程者的熟练程度正确合理应用编程方法。第 2 章 水箱对象特性及 PID 算法的应用2.1 双容水箱对象特性2.1.1 一阶单容上水箱对象特性所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。一、自衡过程的建摸所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重
24、新恢复平衡的过程。图 2-1 所示为一个单容液位被控过程，其流入量，改变阀 1 的开度可以改1Q变的大小。其流出量为，它取决于用户的需要改变阀 2 开度可以改变。1Q2Q2Q液位 h 的变化反映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.假设作为被1Q2Q1Q控过程的输入变量,h 为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是 h 与之间的1Q数学表达式。根据动态物料平衡关系有 (2-1)dtdhAQQ21将公式2-1表示成增量式为 (2-2)dthdAQQ21在静态时，；当发生变化时，液位 h 随之变化，贮蓄出口处的静21QQ 1Q压随之变化，也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位 h 与流
25、2Q量之间为非线形关系2。但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为与 h 成2Q正比关系，而与阀 2 的阻力成反比。2R 为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量。消去中间变量的方法很多，2Q如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。这里，介绍后一种方法。1Q1h122Qa*htt00图 2-1 液位被控过程及其阶跃响应单容液位过程的传递函数为 (2-3)11)()()(001210sTKCsRRsQsHsW式中：过程的时间常数，；0Tc20RT 过程的放大系数，；0K20RK 过程的容量系数，或称过程容量。C被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容
26、量系数。其物理意义:是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。图 2-1b所示为单容液位被控过程的阶跃响应曲线。从上述分析可知，液阻不但影响过程的时间常数，而且还影响过程的2R0T放大系数，而容量系数 C 仅影响过程的时间常数。0K在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的。如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反响和管道的混合过程等。下面讨论纯时延过程的建模。图 2-2 纯时延单容过程及其响应曲线图 2-2 所示，流量通过长度为 l 的管道流入贮罐。当进水阀开度产生扰动1Q后，需要流经管道长度为 l 的传输时间后才流入贮罐，才使液位 h 发生变化。1Q0t具有纯时延单容过程的
27、阶跃响应曲线如图 2-2 曲线 2 所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在形状上完全一样，仅差一纯时延。0t具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为 (2-4) sts0e1TK(s)QH(s)(s)W0010式中：过程的时间常数，；0Tc20RT 过程的放大系数，；0K20RK 过程的纯时延时间。0t二、无自衡过程的建模所谓无自衡过程，是指过程在扰动的作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身能力不能重新恢复平衡的过程。2.1.2 二阶双容下水箱对象特性 在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。现在，以具有自衡能力的双容过程为例，
28、来讨论其建立数学模型的方法。 其被控量是第二只水箱的液位，输入量为与上述分析方法一样，根据2h1Q物料平衡关系可以列出以下方程(2-5)dthdCQQ1121(2-6)212RhQ(2-7)dthdCQQ2232(2-8)323RhQ为了消去双容过程的中间变量、，将上述方程组进展拉氏变换。1h2Q3Q(2-9) 1)(1()()()(210120sTsTKsQsHsW式中：第一只水箱的时间常数，；1R121CRT 第二只水箱的时间常数，；2T322RCT 过程的放大系数，；0K30RK 分别是两只水箱的容量系数。21C,C流量有一阶跃变化时，被控量的响应曲线。与单容过程比较，多容过1Q2h程受
29、到扰动后，被控参数的变化速度并不是一开场就最大，而是要经过一段时2h延之后才到达最大值。即多容过程对于扰动的响应在时间上存在时延，被称为容量时延。产生容量时延的原因主要是两个容积之间存在阻力，所以使的响应时2h间向后推移。容量时延可用作图法求得，即通过响应曲线的拐点 D 作切线，2h与时间轴相交与 A，与相交与 C，C 点在时间轴上的投影 B，OA 即为容量时2h延时间，AB 即为过程的时间常数 T。对与无自衡能力的双容过程，被控量为ct，输入量为。产生阶跃变化时，液位并不立即以最大的速度变化，由2h1Q1Q2h于中间具有容积和阻力。对扰动的响应有他、一定的时延和惯性。2h(2-10) 1(1
30、1)()()(0120TssTsQsHsW 式中：T0过程积分时间常数，T0 = C2； T第一只水箱的时间常数。同理，无自衡多容过程的数学模型为 (2-11)nTssTsW) 1(11)(00当然无自衡多容过程具有纯时延时，则其数学模型为(2-12)stneTssTsW0) 1(11)(002.2PID 算法在双容水箱中的应用PID 控制的原理和特点工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其构造简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的构造和参数不
31、能完全掌握，或得不到准确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的构造和参数必须依靠经历和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进展控制的。1比例P控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差Steady-state error 。2积分I控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号
32、的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统System with Steady-state Error 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分PI控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3微分D控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正比关系。自动控制系统在克制误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因
33、是由于存在有较大惯性组件环节或有滞后delay组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的方法是使抑制误差的作用的变化“超前，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而防止了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分PD控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。2.2.1 比例控制及其调节过程在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成
34、比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，到达平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。比例调节规律及其特点比例调节作用，一般用字母 P 来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成： 2-13eKup式中 调节器的输出变化值；u调节器的输入，即偏差；e比例调节器的放大倍数。pK放大倍数是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大pK器。比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。2.2.2 比
35、例积分调节对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克制余差的方法是引入积分调节。因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称 PI 调节器，其作用特性可用下式表示： 2-14)1(1edtTePuuuIIPPI这里，表示 PI 调节作用的参数有两个：比例度 P 和积分时间。而且比例IT度不仅影响比例局部，也影响积分局部，使总的输出既具有调节及时、克制偏差有力的特点，又具有克制余差的性能。由于它是在比例调节粗调的根底上，有加上一个积分调节细调 ，所以又称再调调节或重定调节。但是
36、，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。如果把积分时间放到最大，PI 调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。比例积分微分调节微分调节的作用主要是用来克制被调参数的容量滞后。在生产实际中，有经历的工人总是既根据偏差的大小来改变阀门的开度大小比例作用 ，同时又根据偏差变化速度的大小进展调节。比方当看到偏差变化很大时，就估计到即将出现很大的偏差而过量地翻开关闭调节阀，以克制这个预计的偏差，这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调节对象的调节质量。什么是微分调节.微分调节是指调
37、节器的输出变化与偏差变化速度成正比，可用数学表达式表示为： 2-15dtedTuD)(从上式可知，偏差变化的速度越大，微分时间越长，则调节器的输出变化DT就越大。对于一个固定不变的偏差，不管其有多大，微分做用的输出总是零，这是微分作用的特点。由于实际微分器的比例度不能改变，固定为 100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都是和其它调节作用相配合，构成比例微分或比例积分微分调节器。比例积分微分调节又称 PID 调节，它可由下式表示： 2-16)(11dtedTedtTePuDIPID 调节中，有三个调节参数，就是比例度 P、积分时间、微分时间。ITDT适中选取
38、这三个参数值，就可以获得良好的调节质量。由分析可知，PID 三作用调节质量最好，PI 调节第二，PD 调节有余差。纯比例调节虽然动偏差比 PI 调节小，但余差大，而纯积分调节质量最差，所以一般不单独使用。第 3 章 控制方案设计3.1 PLC 控制系统与其他控制系统的比较3.1.1 PLC 控制系统与计算机控制系统比较计算机控制系统在工业控制领域中，其主机一般采用能够在恶劣工业环境下可靠运行的工控机。工控机有通用微机应用开展而来，在硬件构造方面总线标准化程度高、品种兼容性强、软件资源丰富、能提供实时操作系统的支持、故对要求快速，实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势。但是，它的使用和维护要
39、求工作人员应具有一定的专业知识、技术水平较高、且工控机在整机水平上尚不能适应恶劣工作环境。可编程控制器对此进展了改良，交通用为专用、有利于降低本钱、缩小体积、提高可靠性等特性。更适应过程控制的要求 PLC 控制系统与计算机系统比较见表 3-1。表 3-1 PLC 控制系统与通用计算机系统的比较比较工程通用计算机系统PLC 控制系统工作目的科学计算工业自动控制工作环境对工作环境要求高对工作环境要求低 可在恶劣的工业现场工作工作方式中断处理方式循环扫描方式系统软件需配备功能较强的系统软件一般只需简单的监控程序采用的特殊措施掉电保护等一系列措施采用多种抗干扰措施 自诊断 断电保护 可在线维修编程语言
40、汇编语言 高级语言 梯形图 助记符语言 SFC 标准化语言对操作人员的要求需专门培训 并具有一定的计算机根底一般的技术人员 稍加培训即可操作使用对存的要求容量大容量小价格价格高价格低其他假设用于控制 一般需自行设计机种多 模块种类多 易于集成系统从表 3-1 可见，在控制功能方面 PLC 与通用计算机相比，工作更稳定可靠、而且编程简单、使用方便、应用设计和调试周期可大大缩短、加之又能在恶劣工业环境下和强电一起工作，容易实现机电一体化。3.1.2 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现水箱控制的方法。但是，进入90 年代，随着科学技术的开展和计算机技术的广
41、泛应用，人们对水箱的平安性 要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。可编程控制器最早是根据逻辑控制的需要而开展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数学运算操作的电子装置，鉴于其种种优点。目前，水箱的继电器控制方式已逐渐被 PLC 控制所代替。因此，PLC 控制技术已成为现代水箱控制系统的一个热点。 水箱继电器控制系统存在很多的问题，系统触点繁多、接线线路复杂、且触点容易烧坏磨损、造成接触不良、因而故障率较高。普通控制电器及硬件接线方式难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加、技术水平难以提高、电磁机构及触点动作速度比较慢、机械和电磁惯性大、系统控制精度难以提高、系统构造庞大、能耗
42、较高，机械动作噪音大。由于线路复杂，易出现故障。 因而保养维修工作量大、费用高，而且检查故障困难，费时费工。 水箱继电器控制系统故障率高，大大降低了水箱的稳定性和平安性。且水箱一旦发生泄漏或者爆炸，不但会造成水箱机械部件损坏，还会出现人身事故。 PLC 是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC 与普通微机一样，以通过或专用 CPU 作为字处理器，实现通道的运算和数据存储。另外还有位处理器，进展点运算与控制 PLC 控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。PLC 控制水箱的优点： (1) 在水箱控制中采用 PLC，用软件实现对水箱运行的自动控制
43、，可靠性大 大大提高。(2) 去掉了选层器及大局部继电器，控制系统构造简单，外部线路简化。(3) 可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。(4) 可进展故障自动检测与报警显示，提高运行平安性，并便于检修。(5) 更改控制方案时不需改动硬件接线。为便于比较 PLC 控制系统于继电器控制系统优缺点现列表如下 详见表 3-2从表 3-2 可以看出 PLC 控制系统具有继电器控制系统无法比较的优点。因此，传统的继电器控制系统将逐渐被 PLC 控制系统所取代是大势所趋。表 3-2 PLC 控制系统与继电器控制系统比较工程继电器控制系统PLC 控制系统控制功能实现有许多继电器 采用接线的方式来
44、完成控制功能各种控制功能通过编程来实现对控制要求变更适应性适应性差 需要重新设计 改变继电器和接线适应性强 只需要针对程序进展修改控制进度低 靠机械动作实现极快 靠微处理器进展处理特殊功能一般没有有安装施工连线多 施工繁安装容易 施工方便可靠性差 触点多 故障多高 因元器件采取了筛选和抗老化等可靠性措施寿命短长可扩展性困难容易维护工作量大 故障不易查找有自诊能力 维护工作量小3.2 水箱控制系统方案设计电梯控制系统原理如图 3-1 所示。主要是由阀门、单向泵、水箱、液位传感器、压力表及 PLC 电路等组成。第 4 章 PLC 在水箱控制系统中的应用4.1 三菱 PLC 控制系统F*2 系列 P
45、LC 是三菱电机公司 1991 年继 F、F1、F2 系列之后推出的产品，是目前运行速度最快的小型 PLC 之一。下面我们以小型 F*2 系列 PLC 为例介绍PLC 的硬件组成。图 4-1 为 PLC 的原理图。出水口阀 3阀 2电动调节阀压力表阀 1出水口阀 6下水箱液位传感器上水箱液位传感器阀 4进水口溢水口溢水口储水箱单向泵出水口进水口图 3-1 系统原理图外存接口其他接口ROMRAM编辑器CPROMEPROM计算机其他设备A/D D/A输入接口光电耦合输出接口继电器或晶体管图 4-1 PLC 的原理图CPU 模块CPU 是 PLC 的核心组成局部，与通用微机的 CPU 一样，它在 P
46、LC 系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑。其功能是：1、PLC 中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。2、用扫描方式承受现场输入装置的状态，并存入映像存放器。3、诊断电源、PLC 部电路工作状态和编程过程中的语法错误。在 PLC 进入运行状态后，从存储器中逐条读去用户程序，按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去起闭有关控制电路。4.1.2 I/O 模块I/O 模块是 CPU 与现成 I/O 装置或其他外部设备之间的连接部件。PLC 提供了各种操作电平与驱动能力的 I/O 模块和各种用途 I/O 元件供用户选用。如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、
47、数据传送、误码校验、A/D 或 D/A变换以及其他功能模块等。I/O 模块将外部输入信号变换成 CPU 能承受的信号，或将 CPU 的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常的工作。其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入 CPU 控制板，CPU 发出输出信号至输出端。输出方式有三种：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。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、I/O 端口及参数设置单元的设计，他们互相联系，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上下，通过液位测量可知
48、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，使之到达物料的平衡，从而保证生产过程顺利进展。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。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大中控自动化仪表生产的中控仪表SP0018G 压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为 0-10KPa，精度为 ，由24V 直流电源供电，可以从 PLC 的电源中获得，输出为 4-20mA 直流。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，它承受来自调节单元的输出信
49、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，由执行机构和调节机构(调节阀)两局部组成。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，以到达最终调节被控介质的目的。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响信号比较，其信号差值输入到执行机构，以确定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2。当位置反响信号与输入信号相等时，系统处于平
50、衡状态，调节阀处于*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。来自 PLC 的模拟量输出 DC4-20mA 信号 Ii 与位置反响信号 If 进展比较，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，电动机停顿转动，调节阀处于*一开度，即 Q=KIi，式中 Q 为输出轴的转角，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，和轴连在一起，在系统掉电时可进展手动控制，保证系统的调节作用。4.2.3
