毕业设计.水塔水位PID控制系统设计

.水塔水位 PID 控制系统设计摘 要供水是一个关系国计民生的重要产业。随着社会的发展和人民生活水平的提高，对城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控制液体阀以不同的速度给水塔供水，以维持水位的变化，这样才能使 水塔不断水。研究设计的基于 PLC 控制的水塔水位 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、输入控制液压阀、输出控制液压阀等，组成一个基于 S7-200 系列中 PCL-CPU226 的水塔水位控制系统，能完成逻辑控制、水位调节和数据采样等功能,实现对水塔的水位进行控制及检测。在设计中大量运用 PLC 中 PID 来实现水塔水位的控制，为了精确地实现对水位的控制 ，建立成闭环控制系统，实现了水塔中的进、出水的水位自动控制。关键词： 可编程控制器 PLC，水塔水位，PID 控制 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 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. In the system, only the use of proportion and integral control, the loop gain and time constant can be calculated through the preliminary engineering, but also the need for further adjustments to achieve optimal control. System startup, shut down the outlet for moving the liquid control valve control input, so that the water level reached 75% of full water level, and then open the outlet, while the liquid input control valve to switch from manual to automatic mode. This switch from a digital control input. The design of Siemens S7-200 series PLC-CPU226-based light simulation module E235, liquid level sensors, type of hydraulic control valves, hydraulic valves, such as output control, based on the formation of a S7-200 series PCL -CPU226 water level control system of the towers, the water level of the towers to monitor and control. Keywords: Programmable Logic Controller PLC, Water Towers, PID Control目录前言.1第 1 章 水塔水位自动控制系统的概述.21.1 水位控制系统现状与发展.21.2 水塔水位自动控制系统的组成.21.3 水位控制系统效率及运行模式分析.3第 2 章 PLC 结构和工作原理 .42.1 PLC 组成与基本结构 .42.1.1 PLC 的系统结构 .42.1.2 PLC 的基本工作原理 .52.2 PLC 的主要应用 .62.3 S7-200 系列可编程控制器.62.3.1 S7-200 PLC 系统组成.72.3.1 S7-200 系列 PLC 元件功能.72.4 PID 控制器简介 .92.4.1 PID 控制器的结构及原理 .92.4.2 数字式 PID 控制 .102.4.3 数字式 PID 控制的实现 .12第 3 章 水塔水位控制系统方案设计.143.1 系统的工作原理.143.1.1 设计分析.143.1.2 可行性试验.153.1.3 可行性分析.163.2 水位闭环控制系统.163.2.1 PLC 的选择 .173.2.2 供水的控制方法.18第 4 章 PLC 中 PID 控制器的实现.204.1 PID 算法 .204.2 PID 应用 .214.3 PLC 实现 PID 控制的方式.214.4 PLC PID 控制器的实现.224.5 PID 指令及回路表 .24第 5 章系统硬件开发设计.265.1 可编程控制器的选型.265.3 EM235 模拟量模块.285.3.1 EM235 的安装使用.295.3.2 EM235 的工作程序编制.295.4 硬件连接图.305.5 控制系统 I/O 地址分配 .30第 6 章 系统软件应用设计.316.1 水位 PID 控制的逻辑设计 .316.2 梯形图编程.356.3 控制程序.386.4 联机.39结 论.40谢 辞.41参考文献.42附录.43外文资料翻译.46前言在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是常用的主要被控参数。其中，水位控制越来越重要。在社会经济飞速发展的今天，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，重则可能造成严重的生产事故及损失。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基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，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，目前水位控制的方式被 PLC 控制取代。同时，又有 PID 控制技术的发展，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）进行自动控制。比如自动控制水塔、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控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。采用 PLC 和 PID 技术能很好的解决以上问题，使水位控制在要求的位置。本论文侧重介绍“水塔水位 PID 控制系统”的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，根据用水量的变化，采取 PID 调节方式，在全流量范围内利用输入液体控制阀连续调节和输出控制阀分级调节相结合，实现水塔供水且有效节能。水位 PID 控制系统集 PLC 控制技术、PID 技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术、测试技术于一体。采用该系统进行供水可以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，所以研究设计该系统，对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 水塔水位自动控制系统的概述1.1 水位控制系统现状与发展节能是我国社会经济能否保持可持续发展的一个重大问题.水位控制广泛应用于工农业生产与民用生活，其用电量大，是节能研究的主要内容之一.对变频调速水位控制系统的实际运行情况研究发现，目前国内在这方面普遍采用恒水位或恒压力变频调速 PID 控制技术，取得了一定的应用效果.但由于这类控制系统忽视了水泵-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控制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，造成了变频调速控制系统在实际运行中效率不高，节能效果未能充分体现,这也是变频调速控制技术多年来一直难以大规模采用的原委之一.水位控制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控制问题，要求控制 图 1-1 水塔水位控制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，采用传统的控制策略很难获得简便、实用的解决方法.本文结合水位控制类系统的特点，运用水位控制理论与最优控制方法，以系统效率最大及满足用水要求为目标，设计一种水位控制以改善这类系统的控制策略与运行方式，同时给出采用 PLC 控制程序实现的此水位控制。1.2 水塔水位自动控制系统的组成水位自动控制系统由 PLC（核心控制部件） 、高低位的水位检测电路、高低水位信号传送给 PLC 水泵电动机控制电路（PLC 控制启停及主备切换） 、设备监控台四部分组成。1.3 水位控制系统效率及运行模式分析水位控制系统的效率主要由水泵的效率、电动机的效率和管道损失决定，本文主要研究水泵-电机组的效率问题.由于水位控制系统的非线性、滞后性与时变性，采用传统的 PID 控制容易实现单目标，即水位恒定或水泵-电机组高效运行，而无法两者兼顾.为此引入模糊控制，使系统能够最快地响应用户的用水要求并最大限度地工作在高效区，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控制的节能问题时，以不同转速下提供相同容积图 1-2 控制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 给出了水位控制系统控制模型图，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 区分别为水位极高、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.系统总的控制模式为：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，根据此图可设计一个水位控制器，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，在时间上最大限度地工作在高效区，这样，系统运行的效率就可以提高，此时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 组成与基本结构PLC 是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC 也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。因此，PLC 是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，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，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件和微机相似。主要包括 CPU、存储器 RAM 和 ROM、输入输出接口电路、电源、I/O 扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。图 2-3 PLC 结构示意图如图 1-1 所示。PLC 控制系统有输入量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控制。由此可见，PLC的基本结构由控制部分、输入和输出部分组成。2.1.2 PLC 的基本工作原理由于 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很大的不同。微机一般采用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 变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。PLC 则是采用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，如果无跳转指令，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 的工作过程就是 PLC 的扫描循环工作过程，一个循环扫描周期主要可分为 3 个阶段，输入刷新阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。如图 1-2 所示 PLC 的扫描工作过程。图 2-3 PLC 的扫描工作过程2.2 PLC 的主要应用经过 20 多年的工业运行，PLC 迅速渗透到工业控制的各个领域，从 PLC 的功能来看，它的应用范围大致包括以下几个方面：（1）逻辑控制 PLC 具有逻辑运算功能，可以实现各种通断控制。（2）定时控制 PLC 具有定时功能。它为用户提供几十个甚至上千个计时器，其计时时间设定值既可以由用户程序设定，也可以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可以通过人机对话装置实时读出或（3）计数控制 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间设定值一样。计数器的实际计数值也可以通过人机对话装置实时读出。（4）步进（顺序）控制 PLC 具有步进（顺序）控制功能。在新一代的PLC 中，还可以 IEC 规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图（SFC）编制用户程序，PLC 在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出的场合更简便。（5）PID 控制 PLC 具有 PID 控制功能。PLC 可以接模拟量输入和输出模拟量信号。通常采用专门的 PID 控制模块来实现。（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。它既可以对远程 I/O 进行控制，又能实现 PLC 和 PLC，PLC 和计算机之间的通信。因此，可以方便地构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。（8）PLC 还具有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，例如：定位控制模块，CRT 模块等。2.3 S7-200 系列可编程控制器 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 可编程序控制器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器是于 1975 年投放市场的 SIMATIC S3 系列控制系统。 1979 年微处理器技术被应用到可编程序控制器中后，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 系列小型可编程序控制器的发展，大致经历了两代：第一代产品其 CPU 模块为 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 （1） 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 下所能提供的最大扩展电流如表 2-4 所示。表 2-4 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 的数据类型可以是字符串、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控制系统中的继电器有本质性的差别，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 IB0IB15 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 变量存储器主要用于存储变量。可以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。变量存储器可以是位寻址，也可按字节、字、双字为单位寻址，其位存取的编号范围根据 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，用来保存控制继电器的中间操作状态，其作用相当于继电器控制中的中间继电器，内部标志位存储器在 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） 特殊标志位存储器 SM PLC中还有若干特殊标志位存储器, 特殊标志位存储器位提供大量的状态和控制功能，用来在CPU和用户程序之间交换信息，特殊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控制系统中的时间继电器。每个定时器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用。其设定时间由程序设置。 （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。计数器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用，其设定值由程序赋予。 （7） 累加器 AC 累加器是用来暂存数据的寄存器，它可以用来存放运算数据、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，可采用字节、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，双字可以存取累加器全部的 32 位。2.4 PID 控制器简介基于偏差的比例(Proportlonal)、积分(Integral)和微分(Derivative)的控制器简称为 PDI 控制器，它是工业过程控制中最常见的一种过程控制器。由于 PID 控制器算法简单、鲁棒性强，因而被广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中。尽管工业自动化飞速发展，但是 PID 控制技术仍然是工业过程控制的基础。根据日本有关调查资料显示，在现今使用的各种控制技术中，PID 控制技术占84.5%，优化 PID 控制技术占 6.8%，现代控制技术占 1.6%，手动控制占.66%，人工智能(Al)控制技术占 0.6%。如果把 PID 控制技术和优化 PID 控制技术加起来，则占到了 90%以上，而文献指出，工业过程控制中，95%以上的回路具有 PID 结构。因此，可以毫不夸张地说，随着工业现代化和其他各种先进控制技术的发展，PID 控制技术仍然不过时，并且它还占着主导地位。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化，因而在用 PID 控制器进行调节时，又往往难以得到最佳的控制效果。2.4.1 PID 控制器的结构及原理PID 控制器是一种基于偏差“过去、现在和未来”信息估计的有效而简单的控制算法。常规 PID 控制系统原理图如图 2-5 示。图 2-5 PID 控制系统原理图整个系统主要由 PID 控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，PID 控制器根据给定值 SV 和实际输出值 PV 构成控制偏差， 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控制量，对被控对象进行控制。由图 2-5 得到 PID 控制器的理想算法为 (2. 2)01p)()(1)(KU(t)dttdeTdtteTted或者写成常见传递函数的形式为： (2. 3)()11 ()(1sEsTsTKsUdp其中， 、Ti、Td 分别为 PID 控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。式(2.2.2)和式(2.2.3)是我们在各种文献中最经常看到的 PID 控制器的两种表达形式。各种控制作用(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很清楚，相应的控制器参数包括比例增益凡、积分时间常数 Ti 和微分时间常数路。这三个参数的取值优劣将影响到 PID 控制系统的控制效果好坏。2.4.2 数字式 PID 控制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控制保证供水系统中的压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。在连续控制系统中，常采用 proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为 pID控制。PID 控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以下优点:理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。PID 控制器是一种线性控制器，它是对给定值:r(t)和实际输出值只 t)之间的偏差 e(t):e(t)=y(t)一 r(t) (2.4)()11 ()(1sEsTsTKsUdp经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量 u(t)，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图 2-6 所示，图中 u(O 为 PID 调节器输出的调节量。图 2-6 PID 控制原理图PID 控制器规律为： （2.5）dttdeTdtteTteKtyDp)()(1)()(1式中：为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。pK1TDT相应地传递函数形式： （2.6）)11 ()()()(G1sTsTKsEsUsDpPID 控制器各环节的作用及调节规律如下:l)比例环节:成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差 e(t)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。比例环节不能彻底消除系统偏差，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:表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数不，不越大，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，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。但过大的几对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，互不影响。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速，平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现 PID 控制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字 PID 控制算法是通过对式（2.6）离散化来实现的。用一系列的采样时刻点 nT 代表连续时间，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 位置控制算法表达式: （2.7）) 1()()()()(0neneTTjeTTneKnuDnjIp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 一 l)为第 n 一 1 时刻的偏差信号。PID 位置控制算法采用全量输出，一方面需要计算本次与上次的偏差信号 e(n)和 e(n 一 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控制量 u(n)对应的是执行机构的实际位置偏差，如果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，这是不允许的。为此实际控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表达式为（2.8）:1( )( )(1)( )(1)( )pU nu nu nKe ne nK e n （2.8）( )2 (1)(2)DKe ne ne n式中：为调节器输出的控制增量：( )U n1;DIPDPTTKKKKTT增量式算法中不需要累加，调节器输出的控制增量 Au(n)仅与最近几次采样有关，所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。2.4.3 数字式 PID 控制的实现PID 控制器是控制系统中应用最广泛的一种控制器，在工业过程控制中得到了普遍的应用。过去的 PID 控制器通过硬件模拟实现，但随着微型计算机的出现，特别是现代嵌入式微处理器的大量应用，原先 PID 控制器中由硬件实现的功能都可以用软件来代替实现，从而形成了数值 PID 算法，实现了由模拟 PDI 控制器到数字 PID 控制器的转变。数字 PID 控制器在实际应用中可分为两种:位置式 PID控制器和增量式 PID 控制器。应用中，位置式 PID 控制器和增量式 PID 控制器的算法实现分别如图 2-7 和图 2-7、图 2-8 所示。图 2-7 位置式 PID 算法实现 图 2-8 增量式 PID 算法实现第 3 章 水塔水位控制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控制提供了一种实用的水塔水位控制方案。控制系统组成3.1 系统的工作原理在系统中，只使用比例和积分控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整达到最优控制效果。系统启动时，关闭出水口，用于动控制输入控制液体阀，使水位达到满水位的 75%，然后打开出水口，同时输入控制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控制。3.1.1 设计分析图 3-1 设计分析示意图“水塔水位自动控制系统”的控制对象为水泵，容器为水塔或储液罐。水位高度正常情况下控制在 C、D 之间，如图 1（a） 。当水位在低于 C 点时，水泵开始进水，如图 1（b） 。当水位高于 D 点时，水泵停止进水，如图 1（c） 。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 1（d） 。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 1（e） 。3.1.2 可行性试验图 3-2 为水塔水位控制器的外观正视图，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 水塔水位控制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，报警电路开始溢出报警，即上限报警。报警电路可以手动关闭，只要按下报警确认开关，就可以解除报警的蜂鸣声。此时，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 此方案采用纯硬件电路设计，避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，对于不同类型的液体，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可以很方便的实现此液体的水位控制操作。试验证明，此水塔水位控制器不仅实现了对水塔水位的精确控制，而且，此系统更具有工业生产的实际性。3.2 水位闭环控制系统图 3-3 供水系统控制原理图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控制，必须建立闭环控制系统。根据水塔中的进、出水的水位可以自动控制水泵，使水位处于动态的平衡状态。供水系统的基本原理如图 1 所示，水位闭环调节原理是：通过在水塔中的三个液压变送器，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控制。当 PLC 出现故障时，还有一套手动控制来进行对水塔水位控制。手动控制采用交流接触器。 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 继续工作。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，使液位继续下降至 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 Y0 时意味着水泵进水口缺水，此时应自动切断电源并报警。图 3-4 水位闭环控制图3.2.1 PLC 的选择由于该系统为中型 PLC 自动控制系统，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 可编程逻辑控制器。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。主要配件有中央处理器 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 供水的控制方法图 3-5 给水泵控制原理图系统的硬件接线图如图 3-5 所示。从整个流程中可以看到两套控制方式：由一台可编程序控制器来控制两台水泵的自动运行。由交流接触器来控制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。此时，控制台上的水位灯，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 输出一个控制信号经 ODPG 转换控制信号点亮此时水塔水位所在的水位灯。当换项开关 KK1 打到自动时，系统将根据水塔中水位的情况，通过在水塔中的液位变送器送出的 420 mA 电流信号由 PLC 接受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，控制台上的低水位灯点亮；水位到达中水位时，2#泵停止，1#泵继续运行，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，特别在控制台上安装了 4 盏水位显示灯，并将它们与 PLC 连接，根据变送器给 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-接触器控制，可以在环境比较恶劣的条件下继续工作，自动方式是利用 PLC 来控制。3组态软件功能 在这里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 控制器的实现4.1 PID 算法PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工业控制常用的控制算法，无论在温度、流量等慢变化过程，还是速度、位置等快速变化的过程，都可以得到很好的控制效果。PID 控制算法一般由【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;不但可以完成顺序控制的功能，还可以完成复杂的闭环控制。图 4.1 是常见闭环控制系统的构成。4-1 闭环控制系统作为闭环控制的重要特征，采用了“误差”的概念，即:在闭环控制系统中，利用给定输入 sP(t)与实际输出 c(t)经过测量装置装置转换后的反馈量 Pv(t)之间的差值 e(t)作为控制量，来实现对系统的控制。在实际闭环控制系统中，误差 e(t)一个很小的变化量。因此，为了对系统进行更精确的控制，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)，才能有效地控制系统中的执行机构，保证系统具有良好的动、静态性能。在自动控制系统中，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控制系统的产品开发和应用实践中，经常采用 PID 控制器、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，常常需要用闭环控制方式来控制温度、液位、压力、流量等连续变化的模拟量。无论是使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机（包括 PLC）的数字控制系统，PID 控制都等到了广泛的应用。PID 控制简单易懂，使用中不必能清楚系统的数字模型。有人称赞它是控制领域的常青树是不无道理的。PID 控制器是比例-积分-微分控制(Proportional-Integral-Derivative)的简称,之所以得到广泛应用是因为它具有如下优点：（1）不需要精确地控制系统数字模型。由于非线性和时变性很多工业控制对象难以得到其准确的数字模型，因此不能使用控制理论中的设计方法。对于这一类系统，使用 PID 控制可以得到比较满意的效果。（2）有较强的灵活性和适应性。积分控制可以消除系统的静差，微分控制可以改善系统动态响应速度，比例、积分、微分控制三者有效地结合就可以满足不同的控制要求。根据被控制对象的具体情况，还可以采用各种 PID 控制的变种和改进的控制方式，如 PI、PD、带死区的 PID、积分分离 PID、变速积分 PID 等。（3）PID 控制器的结构典型，程序简单，工程上易于实现，参数调整方便。在 PLC 控制系统中，经常采用模拟量输入/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 控制的方式用 PLC 对模拟量进行 PID 控制时，可以采用以下几种方法：（1） 使用 PID 过程控制模块这种模块的 PID 控制程序是 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，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路，但是这种模块的价格较高，一般在大型控制系统中使用。（2） 使用 PID 功能指令现在很多 PLC 都有供 PID 控制用的功能指令，如 S7-200 的 PID 指令。它们实际上是用于 PID 控制的子程序，与模拟量的输入/输出模块一起使用，可以得到类似于是用 PID 过程控制模块的效果，但是价格便宜得多。(3) 用自编的程序实现 PID 闭环控制有的 PLC 没有 PID 过程控制模块和 PID 控制用的功能指令，有时虽然可以使用 PID 控制指令，但希望采用某种改进的 PID 控制算法。在上述情况下都需要用户编制 PID 控制程序。4.4 PLC PID 控制器的实现PLC 的 PID 控制器的设计是以连续系统的 PID 控制规律为基础，将其数字化，写成离散形势的 PID 控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。在连续系统中，典型的 PID 闭环控制系统如图 3-1 所示。图中为给定值，( )sp t为反馈量，c(t)为系统的输入量，PID 控制器的输入输出关系式为：( )pv t00111( )( )( )( )tcDM tKe te t dtde tdtMTT式中， 控制器的输出，为输出的初始值，( )M t0M = 误差信号，( )e t( )( )sp tpv t 比例系数，cK 积分时间常数，1T 微分时间常数。DT图 4-2 连续闭环控制系统方框图上式中等号右边前 3 项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差积分和微分成正比。如果取其中一项或两项，可以组成 P、PD 或 PI 控制器。假设采样周期为，系统开始运行的时刻为 t=0，用矩形积分来近似精确积ST分，用差分近似精确微分，将上式离散化，第 n 次采样时控制器的输出为：1101()nncnjDnnjMK eKeKeeM式中， 第 n-1 次采样误差值。1ne 积分系数。1K 微分系数。DK在 S7-200PLC 中，实际使用的 PID 算法为：( )( )( )( )pIDM nMnMnMn式中： 第 n 次采样的调节器输出( )M n 比例项 ( )pMn( )( )pCMnK e n 积分项 ( )IMn0( )( )nIiijjMnK e nKe 微分项 ( )DMn ( )1DdMnKe ne n基于 PLC 的闭环控制系统如图 4-2 所示，图中虚线部分在 PLC 内。这图中的、分别为模拟量、在第 n 次采样的nspnpvnenM( )sp t( )pv t( )e t( )M t数字量。图 4-3 PLC 闭环控制系统方框在许多控制器系统内，可能只需要 P、I、D 中的一种或两种控制器类型。例如，可能只要求比例控制或积分控制，通过设置参数可对回路控制类型进行选择。本系统只适用比例和积分控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定，但还需要近一步调整已达到最优控制效果。系统启动时，关闭出水口。用手动控制液体阀，使水位达到满水位的 75%，然后打开出水口，同时输入控制液体阀从手动方式切换到自动方式。这种切换有一个输入的数字量控制。4.5 PID 指令及回路表S7-200 的 PID 指令图如图 3-4 所示。图 4-4 PID 指令图指令中 TBL 是回路表的起始地址，LOOP 是回路编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CUP 将产生编译错误（范围错误） ，引起编译失败。PID 指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。回路表见表 4-1.过程变量与给定值是 PID 运算的输入值，在回路表中它们只能被 PID 指令读取而不能改写。每次完成 PID 运算后，都要更新回路表内的输出值，它被限nM制在 0.01.0 之间。表 4-1 PID 指令的回路表偏移地址变量格式类型描述0过程变量npv双字实数输入应在 0.01.0 之间4给定值nsp双字实数输入应在 0.01.0 之间8输出值nM双字实数输入/输出应在 0.01.0 之间12增益cK双字实数输入比例常数，可正可负16采样时间sT双字实数输入单位为 s，必须为正20积分时间1T双字实数输入单位为 min，必须为正24微分时间DT双字实数输入单位为 min，必须为正28上一次的积分值双字实数输入/输出应在 0.01.0 之间32上一次过程变量双字实数输入/输出最近一次运算的过程变量值如果 PID 指令中的算术运算发生错误，特殊存储器位 SM1.1（溢出或非法数值）被置 1，并将终止 PID 指令的执行。要想消除这种错误，在下一次执行 PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。第 5 章系统硬件开发设计5.1 可编程控制器的选型可编程控制器产品众多，不同厂家、不同系列、不同型号的 PLC，功能和结构均有所不同，但工作原理和组成基本相同。本设计选用西门子公司的 S7-200 PLC 系列，其具结构紧凑，价格低廉，有极高的性价比，适用于小型控制系统。它采用超高电容保护内存数据，省去了锂电池，系统虽小却可以处理模拟量（12 点模拟输入/4点模拟输出） 。S7-200最多有 4 个中断控制的输入，输入响应时间小于 0.2ms，每条二进制指令的处理时间仅为0.8s，S7-200 还有日期时间中断功能。还可 提供两个独立 4KHZ 的脉冲输出，通过 图 5-1 水位 PID 控制工艺图驱动单元可以实现步进电机的位置控制。点对点接口（PPI）可以连接编程设备、操作员界面和具有串行接口的设备，用户程序有三级口令保护。较强的功能使其无论在独立运动中，还是连成网络皆能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、印刷机械、食品化工工业、环保、电梯等。S7-200 系列有 CUP21X 和CPU22X 两代产品。其中 CPU22X 型 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224 和 CPU226 四种基本型号。本设计选用 CPU226 型 PLC。功能模块选用 EM235。CPU226 主机共有 24 个输入点和 16 个输出点，可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 路数字量 I/O 或 35 路模拟 I/O 点。13KB 程序和数据存储空间。CPU226 输入电路采用了双向光电耦合器，DC24V 极性可任意选择，系统设置1M 为 I0B 输入端子的公共端，2M 为 I1B 输入端子的公共端。在晶体管输出电路中采用了 MOSFET 功率驱动器件，并将数字量输出分为两组，每组有一个独立公共端，共有 1L、2L 两个公共端，可接入不同的负载电源。CPU226 可用于较高要求的控制系统，更多的 I/O 点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能使其完全适应于复杂的中小型控制系统。图 5-1 为CPU226 外部电路连接图。图 5-1 CPU226 外部电路连接图5.3 EM235 模拟量模块图 5-2 EM235 模块模拟量 I/O 连线示意图如图 5-3 所示为模拟量 I/O 组合模块 EM235（4 路模拟量输入、1 路模拟量输出）I/O 连接示意图。24V DC 电源正极接入模块左下方 L+端子，负极接入 M 端子。EM235 模块的上部端子排为标注 A、B、C、D 的四路模拟量输入接口，可分别接入标准电压、电流信号。为电压输入时，如 A 口所示，电压正极接入 A+端，负极接入 A-端，RA 端悬空。为电流输入时，如 B 口所示须将 RB 与 B+短接。然后与电流信号输出端相连，电流信号输入端则接入 B-接口。若 4 个接口未能全部使用，如 C 口所示，未用的接口要将 C+与 C-端用短路子短接，以免收到外部干扰。下部端子为一路模拟量输出的 3 个接线端子 MO、VO、IO，其中 MO 为数字接地接口，VO 为电压输出接口，IO 为电流输出接口。若为电压负载，则将负载接入 MO、VO 接口若为电流负载则接入 MO、IO 接口。在进行接线时应注意以下几点。（1） 传感器接线的长度应尽可能的短，并使用屏蔽双绞线。（2） 敷设线路时应使用电缆槽，避免将导线弯成锐角。（3） 避免将信号线与电源线平行接近布置。（4） 使用高质量的 24V DC 传感器电源，以保证无噪声及稳定运行。 5.3.1 EM235 的安装使用EM235 安装使用的一般过程如下:(l)根据输入信号的类型及变化范围设置 DIP 开关，完成模块的配置工作。必要时进行校准工作。(2)完成硬件的接线工作。注意输入、输出信号的类型不同，采用不同的接入方式。为防止空置端对接线端的干扰，空置端应短接。接线还应注意传感器的线路尽可能的短，且应使用屏蔽双绞线，要保证 24Voc 传感器电源无噪声、稳定可靠。(3)确定模块安装入系统时的位置，并由安装位置确定模块的编号。57 一200 扩展单元安装时在主机的右边依次排列，并从模块 O 开始编号。模块安装完毕后，将模块自带的接线排插入主机上的扩展总线插口。(4)为了在主机中进行输入模拟量转换后数字数据的处理及为了输出需要在模拟量单元中转换为模拟量的数字量，要在主机中安排一定的存储单元。一般使用模拟量输入 AIW 及模拟量输出 AQW 单元安排由模拟量模块送来的数字量及待送入模块转变为模拟量输出的数字量。而在主机的变量存储区 V区存放处理产生的中间数据。扩展模块的编址方法依 57 一 200 系列 PLC 技术手册中有关规定。 5.3.2 EM235 的工作程序编制EM235 的工作程序编制一般包含以下内容:(1) 设置初始化子程序。在该子程序中完成采样次数的预置及采样和单元清零的工作，为开始工作做好准备。(2)设置模块检测子程序。该子程序检查模块的连接正确性及模块工作的正确性。(3)设置子程序完成采样及相关的计算工作。(4)工程所需的有关该模拟量的处理程序。(5)处理后模拟量的输出工作。5.4 硬件连接图图 5-3 硬件接线图5.5 控制系统 I/O 地址分配PLC 的输入 /输出分配表（如表 5-1 所示）表 2-1 I/O 分配表编号地址说明功能1 路模拟量输出1AQW0输出模拟量控制输入控制液压阀1 路数字输入，1 路模拟量输入1I0.0按钮，手动自动切换0 为手动，1 为自动2AIW0输入模拟量液位传感器的值第 6 章 系统软件应用设计系统的自动控制功能主要是通过软件来实现的,结合前面所述变频调速恒压供水系统的控制要求,利用定时器中断功能实现 PID 控制的定时采样及输出控制,三台水泵切换信号的生成、接触器逻