基于S7200液位过程控制系统设计论文(含梯形图)

摘 要 基于西门子 PLC 变频控制系统，采用西门子 S7-200PLC,其扩展输入模块 EM231，模拟输出模块 EM232，利用其内部的 PID 控制指令，配合三菱 D700 系列变频器 FR-D720S-0.4K-CHT 和电机，同时采用压力变送器来检测管网压力，构成闭环调速系统。 变频技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而实现管网水压连续变化。 可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是近几十年发展起来的一种新型的、非常有用的工业控制装置，作为工业自动控制的核心控制部分，使系统的控制精度更高、反应速度更快、系统稳定性更强。在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中得到了广泛的应用，已成为当代工业自动化的主要控制装置之一。液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，在液位控制系统设计中采用 PLC 内部数字PID 控制器，进行输入量的归一化转换，PID 计算，输出量转换工程量等操作。促进工业液位控制向着智能控制的方向发展。关键词关键词： PLC、PID 控制、闭环调速系统、变频、模拟信号采集控制、闭环调速系统、变频、模拟信号采集目 录1 绪论.11.1 课题的提出.11.2 PLC 液位控制系统的概述及发展 .11.3 课题研究的内容与目的.22 PLC 液位控制系统的总体设计 .32.1 S7-200 PLC 的概述.32.1.1 STEP 7-MICRO/WIN 简介.52.1.2 PLC 内置 PID 模块控制指令应用.82.2 建立液位控制系统结构.122.2.1 硬件组成.122.2.2 控制方法及实现的功能 .132.2.3 软件设计.142.3 PID 回路输入变量的转化与标准化.142.4 液位控制系统 PLC 程序设计 .163 系统调试.174.1 液位控制系统反馈极性确定.174.2 液位控制系统的控制指标.17附录 1.182结 论.36参考文献：.37致 谢.3801 绪论1.1 课题的提出近几十年来，自动控制系统已被广泛使用，在其研究与发展上也已趋于完备，而控制的概念更是应用在许多生活周围的事物。在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题，液位控制系统已是一般工业界所不可缺少，例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工, 溶液过滤, 化工生产等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。假若我们能使用此系统来自动维持液位的高度，那么工作人员便可轻易的在操作室获知整个设备的储水状况，因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，不仅能得到很好的效果，而且提升了工作效率。在液位控制系统中采用 PLC 作为控制器，可以代替大量继电器实现逻辑控制，相对传统液位控制大幅降低了能耗。而且可以在恶劣的工业环境中使用，加强了操作人员的安全系数，同时提高了工作效率。而 PID 控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法，在液位控制系统中，实现了液位模拟量的数字 PID 控制，从而使系统的稳定性和安全性大大提高。不但大大减低工作人员的危险性，还降低了工作强度。因此，液位自动控制系统对降低能耗、节约成本、提高企业的经济效益，在现代工业液位控制中具有非常重要的意义。1.2 PLC 变频控制系统的概述及发展在工业工程生产过程控制中，如液位控制等，有许多元器件需要很精确的控制，并且在生产过程中，为了方便系统的维护，往往需要随时知道各个关键部件的运行状况，以便工作人员进行维护，而在生产设备中安装大量的传感器显然会增加无谓的成本，这时我们就需要一种即可以精确的控制生产设备，有可以随时可以监控设备运行状态的控制设备。继电器在工业过程控制中是经常用到的执行元件，但是我们对继电器发出命令后，如果想知道它的运行状态等信息就无能为力了，而且继电器有机械磨损、老化和容易受环境影响的不利因素，今年来计算机技术的飞速发展，使计算机技术已全面引入可编程控制器中，从而使控制技术的功能发生了飞跃。尤其是可编程控制器（PLC）的出现，使得更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、仿真量运算、PID 功能及极高的性价比的控制系统成为可1能，同时也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发展的特点是大规模、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。目前可编程控制器 PLC 主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展。与计算机技术相结合，形成工业控制系统、分布式控制系统 DCS（Distributed Control System） 、现场总总线控制系统 FCS(Fieldbus Control System)、这将使 PLC 功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用面更广。1.3 课题研究的内容与目的PLC 变频控制系统中，主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PLC 控制、PID 算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，控制方式采用了 PID 算法，控制核心为 S7-200 系列的 CPU226 以及 PLC 内部 A/D、D/A 转换模块，检测元件为扩散硅压力传感器，执行器为三菱变频器 D400。通过以上的器件设备、PID 控制算法和 PC 编程软件等，实现对液位的自动控制。本课题研究内容：（1）通过 PLC 实现 PID 控制器（2）对输入变量的转换与归一化（3）熟悉力控组态软件的使用（4）实现上位机对液位的实时监控22 PLC 液位控制系统的总体设计随着我国科学技术和经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。智能化也往往是从设备自动控制系统开始。可编程控制器（Programmable Logic Controller, PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。2.1 S7-200 PLC 的概述可编程控制器是计算机家族中的一员，是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，是为工业控制应用而设计制造的以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术和通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，还可以进行算术运算和模拟量控制等，因此，美国电器制造协会（NEMA）于 1980 年正式将这种装置命名为可编程控制器（Programmable Controller） ，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC。PLC 工作原理工作原理PLC 是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在 PLC 运行时，CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，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，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC 采用循环扫描的工作方式，在 PLC 中用户程序按先后顺序从放，CPU 从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符号后又返回到第一条，如此周而复始不断循环，一般而言，PLC 的扫描过程分为内部处理（自诊断） 、通信操作、输入采样、用户程序执行、输出刷新等几个阶段。全过程扫描一次所需的时间为扫描周期。当PLC 处于停止（STOP）状态时（自诊断） 、通信操作、输入采样、执行用户程序、输出刷新，一直循环扫描工作。PLC 在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC 在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经3相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。S7-200 系列系列 PLC S7-200 系列 PLC 是一类小型 PLC，其外观如图 2-2 所示。由于 S7-200 系列PLC 具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格和强大的指令系统，使得它能近乎完美地满足小规模的控制要求，适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络，皆能实现复杂的控制功能。另外，其丰富的 CPU 类型及电压等级，使其在解决用户的自动化问题时，具有很强的适应性。1. S7-200 PLC 的结构S7-200 系列 PLC 将一个微处理器（CPU） 、若干 I/O 点和一个集成电源集成在一个紧凑的机壳内，统称为 CPU 模块，其外形如图 2-1 所示。图 2-1 S7-200 CPU222其硬件组成如下：电源及输出端子：连接输出器件及电源用的接线端子位于机箱顶部。输入端子及传感器电源：位于机身底部端子盖内。状态指示灯：位于机身左侧，显示 CPU 的工作方式、本机 I/O 的状态及系统错误状态。存储卡（EEPOM 卡）可以存储 CPU 程序。RS-485 的串行通信端口：位于机身的左下部，是 PLC 主机实现人-机对话、机-机对话的通道，实现 PLC 与上位计算机的连接，实现 PLC 与 PLC、编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备的连接。4扩展接口、模式选择开关、模拟量电位器：位于机身中部右侧前盖下。扩展接口提供 PLC 主机与输入、输出扩展模块的借口，做扩展系统之用，主机与扩展模块之间由导轨固定，并用扩展电缆连接；模式选择开关具有 RUN、STOP 及 TERM 等3 种状态；模拟量电位器可用于定时器的外设定及脉冲输出等场合。2.1.1 STEP 7-Micro/WIN 简介STEP 7-Micro/WIN 是 S7-200 系列 PLC 的编程软件，运行在 32 位 Windows 操作系统下（Windows95 以后的微软视窗操作系统） 。它功能强大，为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。它是西门子 S7-200 用户悄可缺少的开发工具。除此之外，要对 S7-200 进行实际的编程和调试，必须在运行编程软件的计算机和 S7-200CPU 间配备下列设备中的一种：（1）一条 PC/PPI 电缆或 PPI 多主站电缆，其价格便宜，用得最多。（2）一块插在个人计算机中的通信处理器（CP）卡和 MPI（多点接口）电缆。STEP7-Micro/WIN32 的基本功能是协助用户开发应用软件。在 STEP7-Micro/WIN32 环境下可创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序，实现用户所编辑程序的管理。该软件还具有语法检查功能，可在编程中检查用户程序的语法错误。利用该软件的监控功能还能实现用户程序的调试及监控。1. 软件的基本功能STEP 7-Micro/WIN 是在 Windows 平台上运行的 SIMATIC S7-200 PLC 编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。适用于所有 SIMATIC S7-200PLC 机型的软件编程。支持梯形图（LAD） 、指令表（STL）和功能块图（FBD）等 3 种编程语言，可以在三者之间随时切换。STEP 7-Micro/WIN 提供软件工具帮助用户调试和测试程序。这些特征包括：监视 S7-200 正在执行的用户程序状态；为 S7-200 指定运行程序的扫描次数；强制变量值等。指令向导功能包括：PID 自整定界面；PLC 内置脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）指令向导；数据记录向导；配方向导。除此之外，该软件还具有运动控制、PID 自整定等其他功能。2. 项目及其组件STEP 7-Micro/WIN 把每个实际的 S7-200 系统的用户程序、系统设置等保存在一个项目（Project）文件中，扩展名为.mwp 。打开一个.mwp 文件就打开了相应的工程项目。如图 2-2 所示的是 V4.0 版编程软件的主界面，其中的“项目”中包括下列基本5组件。图 2-2 PLC 编程主界面程序块程序块有可执行文件的代码和注释组成，可执行的代码由主程序（OB1） 、可选的子程序和中断程序组成。代码被编译并下载到 PLC，注释被忽略。数据块显示数据块的内容。由数据（变量存储器的初始值）和注释组成。数据被编译并下载到 PLC，注释被忽略。用户可以在该窗口设置和修改变量存储区各个类型存储区的变量值。系统块系统块用来设置系统的参数，例如密码、STOP 模式时 PLC 的输出状态（输出表）等，以适应具体应用。系统块需经编译和下载到 CPU 内才起作用。符号表符号表允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。程序编译后下载到 PLC 时，所有的符号地址被转换为绝对地址，符号表中国信息不会下载到 PLC。状态表6状态表用来观察程序执行时指定的变量的状态，状态表并不下载到 PLC，仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具。交叉引用表交叉引用表提供 3 个方面的参考信息：交叉引用信息、字节使用情况信息和位使用情况信息。交叉引用表不下载到 PLC，程序编译成功后才能看到交叉引用表的内容。使用编程软件主界面中浏览条上的“检视”按钮，可以查看项目的各个组件，并且在它们之间切换。3设置编程计算机与 CPU 通信（1） 硬件连接建立编程计算机（主站）与 S7-200CPU（从站）的通信，可通过支持 PPI 协议的编程电缆和 PLC 进行上传、下载程序来实现，这种方式主要有下面 3 种形式。通过 PC/PPI 编程电缆通信。这是单主站模式，一台 PLC 和 PC 直接连接，PC接口为 RS232 串口。4建立和修改 PLC 通信参数S7-200 CPU 提供了多种参数和选择设置以适应具体应用。建立了计算机和 PLC的在线联系，就可以在“系统块”窗口内对这些参数和选项进行软件检查、设置和修改。单击浏览条中的“系统块”图标，将打开系统块对话框。如图 2-3 所示：设置完所有的参数后，单击工具条中的“下载”按钮，把修改后的参数下载到PLC。只有把修改后的参数下载到 PLC 中，设置的参数才起作用。7图 2-2 系统块参数设置2.1.2 PLC 内置 PID 模块控制指令应用S7-200 CPU 最多可以支持 8 个 PID 控制回路（8 个 PID 指令功能块） 。PID 是闭环控制系统的比例（P）积分（I）微分（D）控制算法，是根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照 PID 算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。在 S7-200 中，PID 功能是通过 PID 指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）执行 PID 功能块，按照 PID 运算规律，根据当时的给定、反馈、比例积分微分数据，计算出控制量。从而抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。PID 功能块通过一个 PID 回路表交换数据，这个表是在 V 数据存储区中的开辟，长度为 36 字节。因此每个 PID 功能块在调用时需要指定两个要素：PID 控制回路号以及控制回路表的起始地址（以 VB 表示） 。由于 PID 可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被 PID 功能块识别。S7-200 中的 PID 功能使用占调节范围百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。PID 功能块只接受 0.0-1.0 之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用 PID 功能块编程，必须保证数据在这个范围之内，否则会出错。其他如增益、采样时间、积分时间、微分时间都是实数。因此，必须把外围实际的物理量与 PID 功能块需要的（或者输出的）数据之间进行转换。这就是所谓输入/输出的转换与标准化处理。PID 控制的效果就是看反馈（也就是控制对象）是否跟随设定值（给定） ，是否响应快速、稳定，是否能够抑制闭环中的各种扰动而回复稳定。要衡量 PID 参数是否合适，必须能够连续观察反馈对于给定变化的响应曲线；而实际上 PID 的参数也是通过观察反馈波形而调试的。因此，没有能够观察反馈的连续变化波形曲线的有效手段，就谈不上调试 PID 参数。观察反馈量的连续波形， 在本系统设计中，我们可以通过对组态王画面的设计，在画面中加入实时数据显示窗口，并将要显示的参数与此窗口连接，即可进行观察。新版编程软件 STEP 7 - Micro/WIN V4.0 内置了一个 PID 调试控制面板工具，具有图形化的给定、反馈、调节器输出波形显示，可以用于手动调试 PID 参数。对于8没有“自整定 PID”功能的老版 CPU，也能实现 PID 手动调节。PID 参数的取值，以及它们之间的配合，对 PID 控制是否稳定具有重要的意义。这些主要参数是：比例增益 Kc 比例部分与误差同步，它的调节作用及时，较积分控制信号的反应快。在误差出现时，比例控制能立即给出控制信号，使被控量朝误差减小的方向变化。如果 Kc 太小，虽然没有超调量，系统输出量变化缓慢，调节时间过长。如果闭环系统中没有积分作用，比例调节存在稳态误差，稳态误差与 Kc 成反比。增大Kc 使系统反应灵敏，是长速度加快，且可以减小稳态误差。但是 Kc 过大会使超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，导致动态性能变坏，Kc 过大甚至会使闭环系统不稳定。如果 PID 控制器中有积分作用（如采用 PI 或 PID 控制） ，积分能消除阶跃输入的稳态误差，这时可以将 Kc 调得小一些。积分时间 Ti积分部分与误差对时间的积分成正比，因为积分时间 Ti 在积分项的分母中，Ti越小，积分速度越快，积分作用越强。控制器中积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况（累加值）都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，误差为正时积分项不断增大，反之不断减小。积分项有减小误差的作用，一直要到系统处于稳定状态，这时误差恒为零，比例部分和微分部分均为零，积分部分才不再变化，并且刚好等于稳态时需要的控制器的输出值。因此积分部分作用是消除稳态误差和提高控制精度，积分作用一般是必须的。但是积分作用具有滞后特性，不像比例部分，只要误差一出现，就立即起作用。积分作用太强会使系统响应的动态性能变差，超调量增大，甚至使系统不稳定。因此积分作用很少单独使用，它一般与比例和微分联合使用，构成 PI 或 PID 控制器。PI 控制器即克服了单纯的比例调节有稳态误差和缺点，又避免了积分响应慢、动态性能不好的缺点，因此广泛使用。综上所述，积分作用太强（即 Ti 太小）使系统的稳定性变差，超调量增大；积分作用太弱（即 Ti 太大）使系统消除误差的速度减慢，Ti 的值应取得适中。微分时间 Td微分部分的输出与误差的微分（即误差的变化速率）成正比，反映了被控量变化的趋势其作用是阻碍被控量的变化。在图中启动过程的上升阶段，当 c(t)c()时被控量尚感未超过其稳态值，超调量还没有出现。但是因为误差 e(t)不断减小，误差的微分和控制器输出的部分为负，减小了控制器的输出量，相当于提前给出制动9作用，以阻碍被控量的上升，所以可以减少超调量。因此微分控制具有超前和预测的特性，在超调量出现之前，就能提前给出控制作用。微分时间 Td 表示了微分作用的强弱，Td 越大，微分作用越强。但是 Td 太大可引起频率较高的振荡，或使被控量接近稳态值时变化缓慢。这是因为接近稳态值时，误差很小，比例部分消除误差的能力很弱。因为微分部分太强，抵制了被控量上升，导致被控量上升极为缓慢，到达稳态的时间过长。如果微分时间设置为 0，微分部分将起不到作用。采样周期 Ts采样同期 Ts 越小，采样值越能反映模拟量的变化情况。但是 Ts 太小会增加CPU 的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，将使 PID 控制器输出的微分部分接近为零，所以也不宜将 Ts 取得过小。确定采样周期时，应保证在被控量迅速变化时（如启动过程中的上升段）能有足够多的采样点数，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。PID 回路指令回路指令PID 指令（如图 2-4）中的 TBL 是回路表的起始地址，LOOP 是回路的编号（07） 。不同的 PID 指令不能使用相同的回路编号。功能：用回路表中的输入信息和组态信息，进行 PID 运算。回路表的起始地址 TBL：VB；回路号 LOOP：07 的常数。 图 2-4PID 指令PID 调节时闭环模拟量控制的传统调节方式，其控制的原理基于式 2-1。 （2-1）式中： M（t）PID 回路的输出，是时间的函数； Kc PID 回路的增益；e（t）PID 回路的偏差（给定值与过程变量之差） ； Mo PID 回路的初始值；为了能让数字计算机处理这个控制算式，连续算式必须离散化为周期采样偏PIDEN TBLLOOPENO OUT001Mde(t)/dt)Tdte(t)/T(e(t)KM(t)DtIc10差算式，才能用来计算输出值。将式 2-1 离散化，第 n 次采样时控制器的输出为：（2-2）基于 PLC 的闭环控制系统如图 2-5 所示，图中虚线部分在 PLC 内。图 2-5 PLC 闭环控制系统框图S7-200 的 PID 指令使用一个存储回路参数的回路表，该表的长度为 36 个字节，包括回路的基本参数。PID 控制回路的选择控制回路的选择在许多控制系统中，只需要一种或两种回路控制类型。例如，只需要比例回路或比例积分回路。通过设置常量参数，可选择需要的回路控制类型。如果不需要比例回路，但需要积分或微分回路，可把比例增益 Kc 设为 0.0。如果不需要积分回路，可以把积分时间 Ti 设为无穷大。即使没有积分作用，积分相还是不为零，因为有初值 MX。如果不需要微分回路，可以把微分时间 Td 置为零。表 2-1 PID 回路表：参数偏移地址数据格式I/O 类型描述011)(MeeKeKeKMnnDnjjIncn执行机构被控对象敏感元件)(tM)(tc)(tpvPID控制器D/AA/DnspnenMnpv11过程变量 PVn给定值 SPn输出值 Mn增益 Kc采样时间 Ts积分时间 Ti微分时间 Td上一次积分值 MX上一次过程变量 PVn-1048121620242832双字，实数双字，实数双字，实数双字，实数双字，实数双字，实数双字，实数双字，实数双字，实数III/OIIIII/OI/O过程变量，0.01.0给定值，0.01.0输出值，0.01.0比例常数，正、负单位为 s，正数单位为 min，正数单位为 min，正数积分相前值，0.01.0最近一次 PID 变量值2.2 建立液位控制系统结构单容液位控制系统控制框图如下图 2-6 所示：其中 A/D 转换、PID 调节、D/A 转换等运算都是在 PLC 内部执行，同时为上位机提供可用的数据，用以显示。上位机也可对相应的地址进行赋值，来设定相关参数。图 2-6 单容液位系统控制框图2.2.1 硬件组成液位控制系统组成部分由硬件和软件两部分组成，硬件有水槽、扩散硅压力变送器、电动调节阀、S7-200 PLC 及模拟量扩展模块 EM235、预装有组态王的 PC。（1）水槽装置（被控对象）水槽有一个入水口，一个出水口，一个压力引水口。水槽用挡板分隔为若干部分，使可调节挡板两边的液位互相流动，形成类似于连通器的形式，以至使得引压槽内的压力变化相对稳定，从而使压力变送器采集到得数据较准确，减小了对 PID运算的扰动量。压压力力变变送送器器上上位位机机监监控控A/D转转换换D/A转转换换进进行行PID调调节节电电磁磁调调节节阀阀控控制制流流量量12（2 扩散硅差压变送器， 压力变送器的主要参数，扩散硅压力变送器输出4mA20mA 信号。（3） 电动执行器（变频器）（4） 西门子 S7-200 PLC 及扩展模块 EM231，EM232主要进行数据采集、A/D 转换、PID 运算、D/A 转换。（5） 水泵-向水槽供水提供原动力.2.2.2 控制方法及实现的功能单容上水箱液位 PID 控制结构示意图如 2-7 所示。图 2-7 单容上水箱液位 PID 单回路控制示意图系统检测点清单如表 2-2 所示。表 2-2 单容上水箱液位调节阀 PID 单回路控制检测点清单序号位号或代号设备名称用途原始信号类型工程量12FV101 LT103电动调节阀压力变送器阀位控制上水箱液位210VDC420mADCAOAI01002.5kPa注：为了使系统监控方便，最终信号全部为 2-10V 信号。水介质由泵 P102 从水箱 V104 中加压获得压力，经由调节阀 FV101 进入水箱V103，通过挡板 QV116 回流至水箱 V104 而形成水循环；其中，水箱 V103 的液位由 LT103 测得，用调节挡板 QV116 的开启程度来模拟负载的大小。本论文为定值自动调节系统，FV101 为操纵变量，LT103 为被控变量，采用 PID 调节来完成。V103V104QV102PLCLT103QV116QV105QV102LG104M101FV101QV101PWP101L1NM1MSP13手/自动无扰切换所谓手/自动无扰切换就是在进行手动到自动或自动到手动的切换时，无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行器机构的现有位置产生扰动。S7-200 PID 回路没有内装模式控制，只有在使能位进入 PID 方框时才执行 PID 计算。因此，循环执行 PID 计算时存在“自动”模式；不执行 PID 计算时存在“手动”模式。PID 指令有一个使能位记录位，与计数器指令类似。该指令使用该记录位检测 0 至 1 使能位转换，当检测到这种转换时，将执行一系列运算，提供从手动控制到自动控制的顺利转变。为了顺利转变为自动模式控制，在转换至自动控制之前由手动控制的输出值必须作为 Mn 写入回路表中对应 Mn 的地址中。PID 指令对回路表中的数值执行下列运算，以确保检测到 0 至 1 使能位转换时从手动控制顺利转换成自动控制：1）使设定值（ ）等于进程变量（ ） ；2）使上一次进程变量（ ）等于进程变量（ ） ； 3）使输出初始值（MX）等于输出值（ ） 。2.2.3 软件设计软件设计主要包括两部分内容：第一：组态软件的使用，创建一个单容液位控制画面，画面的主要内容有：水箱的控制，主要实现 A/D 转换、D/A 转换、数据的归一化与 PID 算法。第二：通过 STEP 7-Micro/WIN4.0 编写 PLC 程序；实现可编程逻辑控制器对液位的控制，主要实现 A/D 转换、D/A 转换、数据的归一化与 PID 算法。2.3 PID 回路输入变量的转化与标准化PID 回路有两个输入量，即给定值（SP）与过程变量（PV） 。在实际应用中，给定值（SP）与过程变量（PV）均为实际数值，其大小、范围和工程单位可能不同。将这些实际数值用于 PID 指令之前，必须将其转化成标准化小数表示法。方法如下：第一步是将实际值从 16 位整数数值转换成浮点数，然后将小数数值表示转换成0.01.0 之间的标准化数值。转化公式如式 2-3 (2-3) 式中 Rnorm工程实际的归一化值；nSPnPV1nPVnPVnOffest/SpanRRrawnorm14 Rraw 工程实际值的实数形式值，未归一化处理； Offset调整值。标准化实数又分为单极性（以 0.0 为起点在 0.0 和1.0 之间变化）和双极性（围绕 0.5 上下变化）两种。对于单极性 Offset 为 0.0，双极性 Offset 为 0.5；由于扩散硅压力变送器的输出信号为 4mA20mA，也就是说 PID 最小输入值为 4，那么对应的调整值为 6400。 Span 值域大小，可能的最大值减去可能的最小值，单极性为32，000（典型值） ，双极性为 64，000（典型值） 。由于调整值不为 0，在系统中 Span=32000-6400=25600。PID 采样输入值 AIW0 由整数转换为双整数，然后减去调整值 Offset（6400） ，再由双整数转换为实数除以值域（25600） ，即为工程实际的归一化值，梯形图如图2-8 所示。回路输出转换成按工程量标定的整数值回路输出值一般是控制变量，也是一个标准化实数运行的结果。这一结果同样也要用程序将其转化为相应的 16 位整数，然后周期性的传送到 AQW 输出，用以驱动模拟量的负载（电动调节阀） 。这一过程，是给定值或过程变量的标准化转换的逆过程。图 2-8 输入模拟量的数值转换把回路输出转换成工程量标定的实数，公式 2-4 所示。 （2-4）式中 Rscal按工程量标定的实数格式的回路输出； Mn 回路输出的归一化实数值；这一过程可以用下面的梯形图完成，如图 2-9。SpanOffestMRnscal15图中 VD416 为回路输出值。其中主要用到得指令是：运算指令、转换指令、传递指令等。图 2-9 输出转换成按工程量标定值2.4 液位控制系统 PLC 程序设计S7-200 液位控制系统框图如图 2-10 所示，虚线部分在 PLC 内部。图 2-10 PLC 液位闭环控制系统框图编写程序并进行调试在 PID 指令框中输入的表格（TBL）起始地址为首地址，回路表分配八十个字节。S7-200 的 PID 指令引用一个包含回路参数的回路表，此表起初的长度为 36 个字节。在增加了 PID 自动调谐后，回路表现已扩展到 80 个字节，PID 回路表如表 2-执行机构被控对象敏感元件)(tM)(tc)(tpvPID控制器D/AA/DnspnenMnpv161 所示。液位控制系统 PLC 设计流程图如图 2-11 所示（1）主程序（main）主程序要完成任务有：1）调用输入子程序（SBR0） ，进行采集 PV 信号，同时设定 SP 值；2）调用初始化子程序（SBR_1） ，在 PLC 运行的第一个扫描周期，完成 PID 参数初始化，开始进行 PID 计算；3）调用子程序（SBR_2） ，将 PID 计算结果送出，是电动调节阀动作；图 2-11 PLC 程序流程图（2）输入模拟量的数值转换子程序（SBR_0）用 EM235 测量的模拟值，在 PLC 中 PID 单极性值域范围为 032000，而 PLC中的 PID 回路表 PV 值的范围为 0.01.0 的标准化数值，所以要利用 PID 指令，必须将工程实际值标准化。并且进一步转换为上位机可以显示的数值（百分制） 。梯形图如图 2-12 所示。（3）参数初始化子程序（SBR_1）参数初始化子程序是初始化 PID 参数，同时使能定时中断 0，设置定时中断时间为 100ms，将定时中断事件与 INT_0 子程序关联。梯形图如图 2-13 所示（4）输出模拟量的数值转换子程序（SBR_2）在对模拟量进行 PID 运算后，对输出的控制作用是在01范围的标准化值，为能够驱动实际的驱动装置，必须将其转换成工程实际值，转换公式为 2-4。梯形图如图 2-14 所示。开开始始数数据据采采（AIWO）并并归归一一化化处处理理定定时时中中断断PID计计算算手手动动/自自动动转转换换为为工工程程量量输输出出手手动动调调节节手手动动自自动动17图 2-12 输入模拟量的数值转换子程序图 2-13 参数初始化子程序图 2-14 输出模拟量的数值转换子程序18（5）定时中断子程序（INT_0）完成输入/输出模拟量的数值转换，更新输入/输出，根据手自动控制位，决定执行方式，发起新一次的 PID 计算，并保持手动/自动无扰切换。3 液位过程控制系统的组态界面及动画连接3.1 创建组态画面 进入开发系统后，可以为每个工程建立无限数目的画面，在每个画面上可以组态相互关联的静态或动态图形，这些画面是由开发系统提供的丰富的图形对象组成的。 19 开发系统提供了文本、直线、矩形、圆角矩形、圆形、多边形等基本图形对象，同时还提供了增强型按钮、实时历史趋势曲线、实时历史报警、实时历史报表等组件，开发系统还提供了在工程窗口中复制、删除、对齐、打成组等编辑操作，提供对图形对象的颜色、线型、填充属性等操作工具。 力控开发系统提供的上述多种工具和图形，方便用户在组态工程时建立丰富的图形界面。3.1.1 创建窗口创建窗口的方法有三种，分别是： （1）选择菜单命令“文件F/新建” （2）在标准工具栏上，单击按钮 （3）在工程项目导航栏上，选中“窗口”项，单击右键。 创建窗口对话框如图 3-1 所示。 图 3-1 新建窗口对话框 1窗口名字 输入窗口名称，这个名称将作为新窗口的标题在开发系统上显示。名称的长度最大为 64 个字符。窗口名字属性只在界面创建时可设。 2说明 输入与窗口相关的说明文字（可选） 。 3背景色 “背景色”颜色框中显示的颜色为新建窗口当前的背景色，单击颜色框会弹出调色板。可为窗口选择背景色。 4窗口风格 1) 显示风格 （1）覆盖窗口（2）弹出式窗口20（3）顶层窗口（4）隐藏窗口2）边框风格（1）无边框（2）细边框（3）粗边框3）标题4）系统菜单5）禁止移动6）全屏显示7）带有滚动条8）打开其他窗口时自动关闭9）失去输入焦点时自动关闭10）使用高级缓缓存6.1.2 图库 在工程应用开发的过程中，使用图库对界面的图形画面可以节省大量时间，同时，使用图库中的对象易于使用便于配置。 1打开图库 图库的操作方式有： （1）选择菜单命令“工具T/图库C” 。 （2）选择工程项目导航栏中的图库。 2图库的分类 图库中包括精灵图库和标准图库两部分。 （1）精灵图库是指包含由系统预先定义的动画连接，具备特定动画效果。它 的 图 形 是“ 矢量 ” 的 ， 任 意 放 大 和 缩 小不会失真，同时精灵图库中的图形对象的动画定义可以直接进行变量选取。 （2）标准图库由若干简单图形对象组成，是用力控中的图形开发工具进行绘制，然后打成单元或智能单元，以任意进行缩放处理，也可以打散单元进行处理。力控的子图库中提供了包括控制按钮、指示表、阀门、电机、泵、管路和其它标准工业元件在内的数千个子图。工程人员可以从子图库中取出子图加到自己的应用中，并按照需要任意调整大小。 3图库中的对象 点击进入图库对话框，如图 3-2 所示。 21 图 3-2 图库对话框 图库是用计算机语言编写的一部分组件，它们的文件是以 dll 为后缀的，它的图形是一个“矢量”的，任意放大和缩小不会失真，同时子图精灵的动画定义可以直接进行变量选取。 6.2 液位控制系统组态界面 6.2.1 液位控制系统组态界面要求 要求设计液位控制系统组态界面，系统包含泵、水罐、出水阀各一个，报警指示灯能指示液位报警状态，可以进行系统手动运行与自动运行的切换按钮，可以手动启动水泵的开关等。设计界面效果如图 3-3 所示。 图 3-3 液位控制系统组态界面 221在工程项目的窗口项上右键单击鼠标，在右键菜单中选择新建窗口命令。 2在弹出的新建窗口对话框的窗口名字栏中输入窗口名字“水罐液位控制” 。3在工具栏的图库按钮单击，弹出图库窗口。在图库中找出所需要的图元并双击鼠标，将其添加到窗口组态界面中。 4系统所需图库如表下所示。 表 3-1 元件库名图例水罐罐自动与手动选择按钮开关水泵启动按钮开关水泵泵水罐液位显示仪表手动液位调整游标报警指示灯报警灯出水阀阀门5将前面添加的图库拜访在合适的位置，并在工具箱的基本图元中选择标签和立体管道控件。6.3 动画连接 在创建图形对象或文本后，可以通过动画连接来赋予其“生命” ，通过动画连接，可以改变对象的外观，以反映变量点或表达式值所发生的变化，动画功能也就是图形对象的事件。图形对象的事件包括鼠标动画、颜色动画、尺寸动画、数值动画等。 6.3.1 动画连接的创建方法 创建并选择连接对象，如线、填充图形、文本、按钮、子图等的动画连接创建方法有以下几种： 1先选中图形对象，然后在属性设置导航栏中，点击按钮 切换到动画页，选择相应的动画功能。 2用鼠标右键单击对象，弹出右键菜单后选择其中的“对象动画” 。 3选中图形对象后直接按下“Alt + Enter”键。 4双击图形对象。 使用后三种方法创建动画连接，会弹出“动画连接” 。 6.3.2 动画连接的删除方法 选择存在动画连接的连接对象，如线、填充图形、文本、按钮、子图等的动画连接创建方法有以下几种： 1先选中图形对象，然后在属性设置导航栏中，点击按钮 切换到动画页，然后点击相应的动画功能后面的下拉框，选择“删除动画连接” 。2双击图形对象，弹出“动画连接”对话框，然后去掉相应动画功能按钮前复选框的选择标志就可以了。 6.3.3 鼠标动画 23该类动作分为：垂直拖动、水平拖动、窗口显示、左键动作、右键菜单、信息提示六大类，图形对象一旦建立了与鼠标相关的动作的动画连接，在系统运行时当对象被鼠标选中或拖拽时，动作即被触发。 1垂直拖动：拖动连接使图形对象的垂直位置与变量数值相关联。变量数值的改变使图形对象的位置发生变化，反之，用鼠标拖动图形对象又会使变量的数值改变。 2水平拖动：拖动连接使图形对象的水平位置与变量数值相关联。变量数值的改变使图形对象的位置发生变化，反之，用鼠标拖动图形对象又会使变量的数值改变。 3窗口显示：窗口显示能使按钮或其它图形对象与某一窗口建立连接，当用鼠标点击按钮或图形对象时，自动显示连接的窗口。 4左键动作：对于选中的图形对象鼠标单击左键时，执行在按下鼠标、鼠标按着周期执行、释放鼠标这三个事件的脚本编辑器中的动作程序。 5右键菜单：右键菜单与“自定义菜单”中的右键弹出菜单配合使用，进入运行系统后，使鼠标右键点击该对象时，显示一列右键弹出菜单。 6信息提示：使图形对象与鼠标焦点建立连接，当鼠标的焦点移动到图形对象上时，执行本动作，可以显示常量或变量等提示信息。 6.3.4 颜色动画 该类动作分为：边线、实体文本、条件、闪烁、垂直填充、水平填充六大类。颜色变化连接可使图形对象的线色、填充色、文本颜色等属性随着变量或表达式的值的变化而变化。 1边线：边线变化连接是指图形对象的边线颜色随着表达式的值的变化而变化。 2实体文本：实体文本变化连接是指图形对象的填充色或文本的前景色随着表达式的值的变化而变化。 3条件：条件变化连接是指图形对象的填充色或文本的前景色随着逻辑表达式的值的变化而改变。 4闪烁：闪烁连接可使图形对象根据一布尔变量或布尔表达式的值的状态而闪烁。闪烁可表现为颜色变化及或隐或现。颜色变化包括填充色、线色的变化。 5垂直填充：垂直填充连接可以使具有填充形状的图形对象的填充比例随着变量或表达式值的变化而改变。例如：某变量值客观反映生产过程中某实际容器液位的变化，把此变量与一个填充图形进行垂直填充连接，这个填充图形的填充形状的变化就可以形象地表现容器液位的变化了。 6水平填充：水平填充连接的建立方法与垂直填充连接的建立方法类似。只是填充区域是在水平方向上变化。 6.3.5 尺寸动画 可以把变量值与图形对象的水平、垂直方向运动或自身旋转运动连接起来，以形象地表现客观世界物体运动的状态；也可以把变量与图形对象的尺寸大小连接，让变量反映对象外观的变化。此类动作包括：垂直移动、水平移动、旋转、高度变化和宽度变化五大类。 1垂直移动：垂直移动是指图形的垂直位置随着变量或表达式的值的变化而变化。 2水平移动：水平移动连接的建立方法与垂直移动连接的建立方法类似。 3旋转：旋转连接能使图形对象的方位随着一变量或表达式的值的变化而变化。 4高度变化：高度变化连接是指图形对象的高度随着变量或表达式的值的变化而变化。 245宽度变化：宽度变化连接的建立方法与高度变化的建立方法类似 6.3.6 数值动画 包括数值输入和数值输出两大类，其中可以细分为：模拟输入、开关输入、字符输入、模拟输出、开关输出、字符输出六小项。 1模拟输入：模拟输入连接可使图形对象变为触敏状态。在运行期间，当鼠标点中该对象或直接按下设定的热键后，系统出现输入框，提示输入数据。输入数据后用回车确认，与图形对象连接的变量值被设定为输入值。模拟输入连接中与对象连接的变量为模拟量。 2字符输入：字符串输入连接中的连接变量为字符串变量。 字符串输入连接的创建方法与模拟输入连接的创建方法类似。唯一的区别是连接的变量的数据类型是字符型变量。 3开关输入：开关输入连接中连接变量为开关量。 4模拟输出：模拟输出连接能使文本对象（包括按钮）动态显示变量或表达式的值。模拟输出连接中与对象连接的变量为模拟量。 5开关输出：开关输出连接中对象连接变量为离散型变量。 6字符输出：字符串输出连接的建立方法与模拟输出连接的建立方法类似。只是表达式输入框应填写字符型变量或字符型表达式。需要注意的是图形对象必须为文本或按钮，并且文本或按钮中的文字表明了输出格式。 6.3.7 杂项 1隐藏：显现/隐藏动作可以控制图形的显现或隐藏效果。 2禁止：允许/禁止动作可以控制图形的允许和禁止操作。 3流动属性：该动作可以形成流体流动的效果。 6.4 水罐水位控制系统动画连接 1将水泵与数据库变量 Shuibengqt.PV 连接起来，如图 3-4 所示。 图 3-4 水泵动画连接 252手动启动泵开关与 Shoudongbeng.PV 连接，如图 3-5 所示。 图 3-5 水泵启动与停止开关动画连接 3水罐液位变量 Shuiguansw.PV 与水罐连接，如图 3-6 所示。 图 3-6 水罐液位动画连接 4水位指示仪表与 Shuiguansw.PV 连接，用来以刻度显示水罐水位高低，如图 3-7所示示。26图 3-7 指示仪表动画连接 5出水阀与 Chuishuif.PV 数据库变量连接，如图 3-8 所示。 图 3-8 出水阀动画连接 6手动控制和自动控制泵开关动画连接如图 3-9 所示。 27图 3-9 手动/自动控制泵开关动画连接 7水位报警指示灯动画连接如图 3-10 所示。 图 3-10 报警指示灯动画连接 报警条件表达式为：(Shuiguansw.PV 10) 8水罐水位数值显示动画连接。双击标签组件，弹出文本动画连接，单击数值输出模拟输出按钮。在模拟值输出中选择变量 Shuiguansw.PV，单击确定。 9游标动画连接如图 3-13 所示，游标为数值输入控件，可以模拟水罐水位变化情况。 28图 3-13 游标向导动画连接 10确认后，进入系统运行状态，拖动游标控件，浏览水罐液位控制系统效果如图3-14 所示。 图 3-14 水罐液位控制系统动画连接后效果窗口 6.脚本动作 6.5.1 动作脚本概述 为了给用户提供最大的灵活性和能力，力控提供了动作脚本编译系统，具有自己的编程语言，语法采用类 BASIC 的结构。这些程序设计语言，允许在力控的基本功能的基础上，扩29展自定义的功能来满足用户的要求。力控的动作脚本语言功能很强大，可以访问和控制实时系统的所有组件，如实时数据、历史数据、报警、报表、趋势和安全等；同时，用户通过这类脚本语言，可以实现从简单的数字计算到用于高级控制的算法的功能。 力控中动作脚本是一种基于对象和事件的编程语言，可以说，每一段脚本都是与某一个对象或触发事件紧密关联的，利用开发系统编制完的动作脚本，可以在运行系统中执行，运行系统通过脚本对变量、函数的操作，便可以完成对现场数据的处理和控制，进行图形化监控。 6.5.2 动作脚本 动作脚本可以增强对应用程序控制的灵活性。比如，用户可以在按下某一个按钮，打开某个窗口或当某一个变量的值变化时，用脚本触发一系列的逻辑控制、联锁控制，改变变量的值、图形对象的颜色、大小，控制图形对象的运动等等。 所有动作脚本都是事件驱动的。事件可以是数据改变、条件、鼠标或键盘、计时器等。处理顺序由应用程序指定，不同类型的动作脚本决定以何种方式加入控制。 动作脚本往往是与监控画面相关的一些控制，主要有以下类型： 1窗口脚本：可以在窗口打开时执行、窗口关闭时执行或者窗口存在时周期执行。 2应用程序脚本：可以在整个工程启动时执行、关闭工程时执行或者在运行期间周期执行。 3数据改变脚本：当指定数据发生变化时执行。 4按键脚本：当按下某一个键时执行指定动作。 5条件脚本：当指定的条件发生时执行的动作。 6.5.3 动作脚本的创建方式 动作脚本包括：窗口动作、应用程序动作、数据改变动作、键动作和条件动作等。它们的创建方式有： 1工程项目导航栏中动作树下可以创建应用程序动作、数据改变动作、按键动作、条件动作。2选择菜单命令“特殊功能S/动作”或者选择工程项目的树形菜单中的“动作”子节点都可以创建各种动作脚本。 6.5.4 脚本编辑器 创建动作脚本时，会直接弹出脚本编辑器对话框，如图 7-2 所示。在脚本编辑器中，你可以创建自己的脚本程序，来控制程序。 6.5.5 脚本编辑器的语法格式 脚本编辑器里的基本语法格式是： #窗口名.#对象名.对象/方法 6.5.6 动作脚本编程语法 “脚本”的英文叫 Script。它是一种解释性的编程语言，是从主流开发编程语言演变而来的，比如 C、BASIC、PASCAL 等，通常是它们的子集，脚本不能单独运行，比如力控软件的脚本要靠 VIEW 程序解释执行，脚本可以扩充和增强 VIEW 程序的功能，使系统更具灵活，根据特殊需要可进行特殊定制，使二次开发时更加灵活方便。 在计算机控制的项目中，项目千差万别，动作脚本是面向应用开发工程师的，它简单易用，便于掌握。其基本类似于 BASIC 语言和 C 语言，只要有一些高级语言的30编程基础，可以很容易的掌握。 注意：动作脚本语言是力控开发系统 Draw 提供的一种自行约定的内嵌式程序语言。它只生存在 VIEW 的程序中，通过它便可以作用于实时数据库 DB，数据是通过消息方式通知 DB 程序的，本节介绍该语言的语法及用法。 动作脚本语言支持赋值、数 学 运算等基本语法，也可以书写由 IF-ELSE-ENDIF 等语句构成的带有分支结构的程序脚本。它由以下几个部分组成： 1变量和常数：数据运算的最基本单位。 2操作符：对数据实施的运算。 3表达式：关键字、运算符、变量、字符串常数、数字或对象的组合。表达式可用来执行运算、操作字符或测试数据。 4赋值语句：为变量或属性赋值的语句。 5条件语句：使用条件语句可以根据指定的条件控制脚本的执行流程。 6多分支语句：使用多分支语句可以根据指定的条件控制脚本的执行流程，在根据同一个条件处理多个分支时，它比条件语句更清晰。 7循环语句：循环用于重复执行一组语句。 8注释：用来解释代码如何工作的附加文本。 /表示该行后面的所有文本是注释。 /*、*/必须配对使用，出现在这两者之间的所有文本都是注释。不支持嵌套，/*会在后续文本中找一个与它最靠近的*/与它配对，不管中间是否又出现了/*。 9函数：软件提供了一些定制好的系统函数，用户也可以自定义函数。 6.5.6 程序结构 程序结构基本分为三种:顺序程序结构、分支程序结构和循环结构： 1顺序程序结构 脚本是一种顺序执行的关系,是按表达式的先后顺序进行执行 2分支程序结构