水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計

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藝 術(shù) 與 信 息 工 程 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計題目： 水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計 子題： 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動化 指導(dǎo)教師 學(xué)生姓名： 班級-學(xué)號： 2013 年 3 月 30 日畢業(yè)設(shè)計（論文）基于 PLC 的水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要隨著科技的發(fā)展， 無論在日常生活中， 還是在工農(nóng)業(yè)發(fā)展中， PLC 具有廣泛的應(yīng)用。 PLC 的一般特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，可靠性極高、編程簡單方便、使用方便、維護(hù)方便、 設(shè)計、施工、調(diào)試周期短、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。PLC總的發(fā)展趨勢是：高功能、高速 度、高集成度、大容量、小體積、低成本、通信組網(wǎng)能力強(qiáng)。本水塔水位控制系統(tǒng)采用 PLC 為控制核心，具備開啟和全部停止功能，這是一種 PLC 控制的自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。 應(yīng)用此控制系統(tǒng)能顯著提高勞動效率，減少勞動強(qiáng)度。但是隨著世界人口的不斷增長， 人們生活用水的增加，以往采用的繼電器水塔水位自動控制系統(tǒng)由于頻繁操作會產(chǎn)生機(jī) 械磨損，不方便維護(hù)和更新，已經(jīng)不能滿足人們的實(shí)際需求，本文采用的是 PLC 可編程 控制器作為水塔水位自動控制系統(tǒng)核心， 對水塔水位自動控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行性進(jìn)行了 需求分析。主要實(shí)現(xiàn)方法是通過傳感器檢測水塔水位的實(shí)際水位，將水位具體信息傳至 PLC 構(gòu)成的控制模塊，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，來控制抽水電機(jī)的動作，同時進(jìn) 行數(shù)據(jù)還原，顯示水位具體信息，如果水位低于或高于某個設(shè)定值是，就會發(fā)出危險報 警的信號。本文以一個水塔水位控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，給出了基于 PLC 水塔水位控制系 統(tǒng)的設(shè)計好實(shí)現(xiàn)的具體過程。關(guān)鍵詞： 水位控制，西門子 S7-200 ，傳感器ABSTRACTWith technological development, both in daily life, or the industrial and agricultural development,PLC have wide application. PLC general features: strong anti-jamming capability, high reliability, programming is simple and convenient, easy operation and maintenance convenience, design, construction, commissioning period is short, easy to realize the electromechanical integration. PLC general development trend is: high function, high speed, high level of integration, large capacity, small volume, low cost, communication networking capability is strong. This water tower water level control system adopts PLC as control core, with open and full stop functions，this is a kind of PLC automatic adjustment of the control system. Application of this control system can significantly improve the work efficiency and reduces labor intensity. But with the growing world population, it is the increase in water, relay towers used in the past, the water level automatic control system operation due to the frequent cause mechanical wear, convenient maintenance and updating can no longer meet the actual needs of the people, the paper used programmable controller as a series of small water tower water level automatic control system core, the water level of the tower the functions of automatic control system of the requirement analysis. Main achieved is through the actual water level sensor detects the water tower, specific information will be transmitted to the water level control module consisting of PLC, the A / D conversion, to compare data, to control the pumping action of the motor, while data reduction, the indicated level specific information, if the water level lower or higher than a set value, we will send the hazard warning signal. In this paper, a water tank level control system design process, the water tower level control system based on PLC design a good implementation of the specificprocess.KEY WORDS: Water level control, Siemens S7-200, The sensor目 錄摘 要 .IABSTRACT.I第 1 章 引 言 1第 2 章 可編程器簡介 22.1 可編程控制器的產(chǎn)生 22.2 PLC 的發(fā)展 .42.3 PLC 的基本結(jié)構(gòu) .52.3.1 中央處理單元(CPU) .52.3.2 存儲器 62.3.3 輸入/輸出模塊 .72.3.4 擴(kuò)展模塊 82.3.5 編程器 82.4 PLC 的基本工作原理 .82.5 PLC 的主要應(yīng)用 .92.6 S7-200 系列 PLC 元件功能 10第 3 章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計 133.1 傳統(tǒng)水塔水位控制 .133.1.1 工作原理 133.1.2 外部接線與控制列表 133.1.3 程序編輯及分析 .153.2 PID 水塔水位控制系統(tǒng)的工作原理 153.2.1 設(shè)計分析 153.2.2 可行性試驗(yàn) 163.2.3 可行性分析 173.3 水位閉環(huán)控制系統(tǒng) .17第 4 章 PLC 中 PID 控制器的實(shí)現(xiàn) 194.1 PID 算法 .194.2 PID 應(yīng)用 .204.3 PLC 實(shí)現(xiàn) PID 控制的方式 204.4 PLC PID 控制器的實(shí)現(xiàn) .214.5 PID 指令及回路表 .23第 5 章 系統(tǒng)硬件開發(fā)設(shè)計 245.1 可編程控制器的選型 .245.2 EM235 模擬量模塊 255.2.1 EM235 的安裝使用 .275.2.2 EM235 的工作程序編制 .275.3 硬件連接圖 .285.4 控制系統(tǒng) I/O 地址分配 .28第 6 章 系統(tǒng)軟件應(yīng)用設(shè)計 296.1 水位 PID 控制的邏輯設(shè)計 296.2 梯形圖編程 .336.3 控制程序 .336.4 聯(lián)機(jī) .33第 7 章 結(jié) 論 357.1 本課題研究結(jié)論 357.2 課題存在問題與展望 35致 謝 36參考文獻(xiàn) 37附錄 38第 1 章 引 言水塔的作用：一是蓄水，在供水量不足時，起著調(diào)節(jié)補(bǔ)充的作用。二是利用水塔的高勢，自動送水。使自來水有一定的水壓揚(yáng)程。為了達(dá)到節(jié)能目的，提高供水系統(tǒng)的質(zhì)量，考慮采用可編程控制器、繼電器。和傳感技術(shù)設(shè)計出一套適合水塔水位控制的方案。該方案在硬件基礎(chǔ)上使用軟件實(shí)現(xiàn)了警戒水位報警。共走方便供水是一個關(guān)系國計民生的重要產(chǎn)業(yè)。隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對供水提出了更高的要求，要滿足及時、準(zhǔn)確、安全保證充足供水，如果仍然沿用人工方式，勞動強(qiáng)度大，工作效率低，安全性難以保障，為此必須進(jìn)行水塔水位控制自動化系統(tǒng)的改造。近幾十年來 自動控制技術(shù)迅猛發(fā)展 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 交通運(yùn)輸 國防建設(shè)和航空 航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展自動控制技術(shù)至今己滲透到各種科學(xué)領(lǐng)域 成為促進(jìn)當(dāng)今生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要因素。比如在生活方面的溫度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)、自動洗衣機(jī)、自動售貨機(jī)、自動電梯、空氣調(diào)節(jié)器、電冰箱、自動路燈、自動門、保安系統(tǒng)等。在工業(yè)方面主要分為兩大類 一類是氣體、水位、粉體、石油化工制藥、輕工食品、建材等行業(yè)。需要對溫度、壓力、物位、流量、成分等參數(shù)進(jìn)行控制。另一類是對己成型材料的進(jìn)一步加工或者對多種己成型材料的裝配 主要控制位移、速度、角度等參數(shù)這些都需要應(yīng)用自動控制學(xué)科的知識。第 2 章 可編程器簡介2.1 可編程控制器的產(chǎn)生PLC 是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。PLC= Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過阿拉伯?dāng)?shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC） ，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱 PC。但是為了避免與個人計算機(jī)（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱 PLC。在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備及自動化項(xiàng)目中PLC 的可靠性、抗干擾性等諸因素是繼電器無法比擬的。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展 它給工業(yè)自動化帶來了革命性的變革。這個變革是由繼電器控制到計算機(jī)控制的飛躍。利用 PLC控制的特點(diǎn)是① 可靠性高 抗干擾能力強(qiáng)② 配套齊全 功能完善 適用性強(qiáng)③ 操作簡單 易學(xué)易用 深受工程技術(shù)人員歡迎[4]; ④系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小 維護(hù)方便、易于改造⑤ 體積小、質(zhì)量輕、功耗低。盡管軟 PLC技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ沁@項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要解決一些重要的問題。其中主要是以 PC為基礎(chǔ)的控制引擎的實(shí)時性問題。軟 PLC首選的操作系統(tǒng)是 WindowsNT，但是它并不是一個硬實(shí)時的操作系統(tǒng)。傳統(tǒng) PLC具有硬實(shí)時性，正因?yàn)槿绱怂拍芴峁┛焖佟⒋_定而且可重復(fù)的響應(yīng)。而要讓W(xué)indowsNT具有硬實(shí)時性，必須對它進(jìn)行擴(kuò)展，使得 PC的控制任務(wù)具有最高的優(yōu)先級，不因?yàn)?NT的系統(tǒng)功能和用戶程序的調(diào)用而被搶占?，F(xiàn)在，我們可以通過一些方法將實(shí)時性能加入到 NT系統(tǒng)中去。比如，修改 NT的硬件抽象層，或者 NT與一種經(jīng)過實(shí)用驗(yàn)證的硬實(shí)時操作系統(tǒng)組合。另外，WindowsCE 等操作系統(tǒng)具有了 NT在硬實(shí)時性方面所不具備的特性。在實(shí)際開發(fā)中也可使用其他的操作系統(tǒng)作為平臺。 軟 PLC技術(shù)相對于傳統(tǒng) PLC，以其開放性、靈活性和較低的價格占有很大優(yōu)勢。它簡化了工廠自動化的體系結(jié)構(gòu)，把控制、通信、人機(jī)界面及各種特定的應(yīng)用全都合為一體，運(yùn)用于同一個硬件平臺上。軟 PLC技術(shù)也存在著一些問題，例如，由于軟 PLC的運(yùn)行環(huán)境是 Windows操作系統(tǒng)，所以實(shí)時性不強(qiáng)；定時器最大存在一個掃描周期的誤差；掃描周期較長等。但是，這些問題可以通過改變運(yùn)行環(huán)境、改進(jìn)執(zhí)行算法等方法加以解決。只要它們能實(shí)現(xiàn)控制的時間確定性，即保證能以時間高度一致的方式執(zhí)行控制指令序列，并具有可預(yù)測的結(jié)果或行為。軟 PLC在未來的工業(yè)電氣控制中定會占據(jù)重要的席位。成為繼現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的新亮雖然 PLC 所使用之階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計時器與計數(shù)器等名稱，但 PLC 內(nèi)部并非實(shí)體上具有這些硬件，而是以內(nèi)存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機(jī)械裝置做實(shí)體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實(shí)際上 PLC 執(zhí)行階梯圖程式的運(yùn)作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入 CPU 中并最后執(zhí)行控制運(yùn)作。在整個的掃描過程包括三大步驟， “輸入狀態(tài)檢查 ”、 “程式執(zhí)行”、 “輸出狀態(tài)更新”說明如下：步驟一“輸入狀態(tài)檢查”：PLC 首先檢查輸入端元件所連接之各點(diǎn)開關(guān)或傳感器狀態(tài)（1 或0 代表開或關(guān)） ，并將其狀態(tài)寫入內(nèi)存中對應(yīng)之位置 Xn。步驟二“程式執(zhí)行”：將階梯圖程式逐行取入 CPU 中運(yùn)算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點(diǎn)狀態(tài)，CPU 直接自內(nèi)存中查詢?nèi)〕?。輸出線圈之運(yùn)算結(jié)果則存入內(nèi)存中對應(yīng)之位置，暫不反應(yīng)至輸出端 Yn。步驟三“輸出狀態(tài)更新”：將步驟二中之輸出狀態(tài)更新至 PLC 輸出部接點(diǎn)，并且重回步驟一。此三步驟稱為 PLC 之掃描周期，而完成所需的時間稱為 PLC 之反應(yīng)時間，PLC 輸入訊號之時間若小于此反應(yīng)時間，則有誤讀的可能性。每次程式執(zhí)行后與下一次程式執(zhí)行前，輸出與輸入狀態(tài)會被更新一次，因此稱此種運(yùn)作方式為輸出輸入端“ 程式結(jié)束再生 ”目前我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展主要特點(diǎn)： 1 、目前我國還是制造業(yè)大國，是世界的生產(chǎn)加工中心，有大量的制造業(yè)，就必須用各種生產(chǎn)設(shè)備，大部分生產(chǎn)設(shè)備都和 PLC 有關(guān)，需要大量的精通 PLC 控制的從業(yè)人員。 2 、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已發(fā)生調(diào)整，逐漸有勞動力密集型轉(zhuǎn)化為技術(shù)密集型，大量的新設(shè)備被采用，這些設(shè)備很多都和 PLC 控制相關(guān)，需大量的高技術(shù)人才。 目前和 PLC 有關(guān)的從業(yè)人員主要有： 1 、企業(yè)的設(shè)備維護(hù)和維修人員 2 、從事工控設(shè)備銷售的人員 3 、從事設(shè)備開發(fā)，編程的電氣工程師 可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點(diǎn)設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強(qiáng)有力工具，得到了廣泛的普及推廣應(yīng)用。 可編程控制器是面向用戶的專用工業(yè)控制計算機(jī)，具有許多明顯的特點(diǎn)。 ①可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)； ②編程直觀、簡單； ③適應(yīng)性好； ④功能完善，接口功能強(qiáng)。 用可編程控制器代替了繼電器—接觸器的控制， 實(shí)現(xiàn)了邏輯控制功能，并且 具有計算機(jī)功能靈活、通用性等有點(diǎn)，用程序代替硬接線，并且具有計算機(jī)功能 靈活、通用性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用程序代替硬接線，減少了重新設(shè)計，重新接線的工 作，此種控制器借鑒計算機(jī)的高級語言，利用面向控制過程，面向問題的“自然 語言”編程，其標(biāo)志性語言是極易為 IT電器人員掌握的梯形圖語言，使得部熟悉 計算機(jī)的人也能方便地使用。這樣，工作人員不必在變成上發(fā)費(fèi)大量地精力，只重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 1 緒論 11需集中精力區(qū)考慮如何操作并發(fā)揮改裝置地功能即可， 輸入、 輸出電平與市電接 口，市控制系統(tǒng)可方便地在需要地地方運(yùn)行。所以，可編程控制器廣泛地應(yīng)用于 各工業(yè)領(lǐng)域。2.2 PLC 的發(fā)展PLC 自 1969 年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國、日本、德國的可編程序控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強(qiáng)大。可編程控制器的產(chǎn)生和繼電器—接觸器控制系統(tǒng)有很大的關(guān)系。繼電器—接觸器控制已經(jīng)有傷百年的歷史，它是一種弱電信號控制強(qiáng)電信號的電磁開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡單、電路直觀、價格低廉、容易操作、易于維修的有優(yōu)點(diǎn)。對于工作模式固定、要求比較簡單的場合非常使用，至今仍有廣泛的用途。但是當(dāng)工作模式改變時，就必須改變系統(tǒng)的硬件接線，控制柜中的物件以及接線都要作相應(yīng)的變動，改造工期長、費(fèi)用高，用戶寧愿扔掉舊控制柜，另做一個新控制柜使用，阻礙了產(chǎn)品更新?lián)Q代。雖作為離散控制的首選產(chǎn)品，PLC 在我國的應(yīng)用已有 30年的歷史，PLC自 20世紀(jì) 70年代后期進(jìn)入中國以來，應(yīng)用增長十分迅速。PLC 進(jìn)入中國時最初是從成套設(shè)備引進(jìn)應(yīng)用，由于 PLC價格昂貴，引進(jìn)的 PLC主要用于冶金、電力、自動化生產(chǎn)線等大的設(shè)備和系統(tǒng)。在引進(jìn)國外 PLC產(chǎn)品的過程中，我國也曾組織了相關(guān)單位消化、吸收 PLC的關(guān)鍵技術(shù)，試圖對 PLC進(jìn)行國產(chǎn)化。到 80年代在上海、北京、西安、廣州、長春等 20多家科研單位、大專院校和工廠研制和生產(chǎn) PLC產(chǎn)品，但終因缺乏資金和后續(xù)研究力量、生產(chǎn)技術(shù)相對落后，都沒有成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，PLC 產(chǎn)品運(yùn)作是否成功不是由簡單的一兩種因素決定的。近 10年來，越來越多的中小設(shè)備開始采用 PLC進(jìn)行控制。 作為離散控制的首選產(chǎn)品，PLC 在我國的應(yīng)用已有 30年的歷史，PLC 自20世紀(jì) 70年代后期進(jìn)入中國以來，應(yīng)用增長十分迅速。PLC 進(jìn)入中國時最初是從成套設(shè)備引進(jìn)應(yīng)用，由于 PLC價格昂貴，引進(jìn)的 PLC主要用于冶金、電力、自動化生產(chǎn)線等大的設(shè)備和系統(tǒng)。在引進(jìn)國外 PLC產(chǎn)品的過程中，我國也曾組織了相關(guān)單位消化、吸收 PLC的關(guān)鍵技術(shù)，試圖對 PLC進(jìn)行國產(chǎn)化。到 80年代在上海、北京、西安、廣州、長春等 20多家科研單位、大專院校和工廠研制和生產(chǎn) PLC產(chǎn)品，具體的單位有：北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所、上海工業(yè)自動化儀表研究所、大連組合機(jī)床研究所、成都機(jī)床電器研究所、中科院北京計算機(jī)所及自動化所、長春一汽、上海起重電器廠、上海香島機(jī)電公司、上海自力電子設(shè)備廠等單位。但終因缺乏資金和后續(xù)研究力量、生產(chǎn)技術(shù)相對落后，都沒有成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，PLC 產(chǎn)品運(yùn)作是否成功不是由簡單的一兩種因素決定的。近 10年來，隨著 PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來越多的中小設(shè)備開始采用 PLC進(jìn)行控制國產(chǎn) PLC在技術(shù)特點(diǎn)上與西門子和三菱類似或與其兼容，技術(shù)特點(diǎn)與三菱類似的國產(chǎn) PLC主要有深圳三凌、洛陽易達(dá)、廈門海為等，技術(shù)特點(diǎn)與西門子類似或與其兼容的國產(chǎn) PLC有：合信自動化、深圳億維、歐辰電子、上海正航等。 2.3 PLC 的基本結(jié)構(gòu)PLC主要包括一片 CPU，存儲區(qū)和用來接收輸入/輸出數(shù)據(jù)的相應(yīng)電路。實(shí)際應(yīng)用中，我們可以把 PLC看做一個裝滿了成百上千個分立的繼電器、計數(shù)器、定時器以及數(shù)據(jù)存儲區(qū)域的盒子。這些計數(shù)器、定時器真的存在嗎？不，實(shí)際上它們是不存在的，它們是模擬的，可以把它們看作是軟件計數(shù)器和定時器。這些內(nèi)部繼電器是通過寄存器內(nèi)部的數(shù)位位置（bit location）來模擬的。中央處理單元(CPU)，如下圖 2-1所示。2-1 PLC 硬件結(jié)構(gòu)2.3.1 中央處理單器(CPU)中央處理器單元一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成。CPU 通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與儲存單元、輸入輸出接口、通訊接口、擴(kuò)展接口相連。CPU 是 PLC 的核心，它不斷采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)輸出。PLC 中常采用的 CPU 有三類： 1) 通用微處理器（如 Z80、8086、80286 等）2) 單片微處理器（如 8031、8096 等） 3) 位片式微處理器(如 AMD29W 等)小型 PLC：大多采用 8 位通用微處理器和單片微處理器中型 PLC：大多采用 16 位通用微處理器或單片微處理器大型 PLC：大多采用高速位片式微處理器（32 位）小型 PLC 為單 CPU 系統(tǒng)，中、大型 PLC 則大多為雙 CPU 或多 CPU 系統(tǒng)。對于雙 CPU 系統(tǒng)，一般一個為字處理器，一般采用 8 位、16 位或 32 位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設(shè)計制造的專用芯片。2.3.2 存儲器PLC 系統(tǒng)中的存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。PLC 的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。 （1）系統(tǒng)存儲器用來存放由 PLC 生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM 內(nèi)，用戶不能更改。它使 PLC 具有基本的功能，能夠完成 PLC 設(shè)計者規(guī)定的各項(xiàng)工作。系統(tǒng)程序質(zhì)量的好壞很大程度上決定了 PLC 的性能。（2）用戶存儲器包括用戶程序存儲器（程序區(qū)）和數(shù)據(jù)存儲器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務(wù)采用 PLC 編程語言編寫的各種用戶程序。用戶程序存儲器根據(jù)所選用的存儲器單元類型的不同（可以是 RAM、EPROM 或 EEPROM 存儲器） ，其內(nèi)容可以由用戶修改或增刪。用戶數(shù)據(jù)存儲器可以用來存放（記憶）用戶程序中所使用器件的 ON/OFF 狀態(tài)和數(shù)據(jù)等。用戶存儲器的大小關(guān)系到用戶程序容量的大小，是反映 PLC 性能的重要指標(biāo)之一。（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除只讀存儲器。使用編程器就能很容易對其所存儲內(nèi)容進(jìn)行修改。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于 CMOS 靜態(tài) RAM 中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。為了防止干擾對 RAM中程序的破壞，當(dāng)用戶程序經(jīng)過運(yùn)行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器 EPROM 中?，F(xiàn)在有許多 PLC 直接采用 EEPROM 作為用戶存儲器。系統(tǒng)程序存儲區(qū)：系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計算機(jī)操作系統(tǒng)系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化 EPROM 中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該 PLC性能。工作數(shù)據(jù)是 PLC 運(yùn)行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。存放在RAM 中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在 PLC 的工作數(shù)據(jù)存儲器中，設(shè)有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等邏輯器件的存儲區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設(shè)置和運(yùn)行情況而確定的。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在掉電時用后備電池維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在掉電時可保存數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域稱為保持?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。 （2）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū) ：I/O 映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)還包括 PLC 內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、計時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持存儲區(qū)域和無失電保持存儲區(qū)域，前者 PLC 斷電時，由內(nèi)部鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會遺失；后者當(dāng) PLC 斷電時，數(shù)據(jù)被清零。由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系，所以在 PLC 產(chǎn)品樣本或使用手冊中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。當(dāng) PLC 提供的用戶存儲器容量不夠用，許多 PLC 還提供有存儲器擴(kuò)展功能。存儲器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機(jī)存儲器 RAM，另一種是只讀存儲器或可擦除可編程的只讀存儲器 ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM。2.3.3 輸入/輸出模塊輸入輸出模塊也稱為控制模塊，在有控制要求時可以輸出信號，或者提供一個開關(guān)量信號，使被控設(shè)備動作，同時可以接收設(shè)備的反饋信號，以向主機(jī)報告，是火災(zāi)報警聯(lián)動系統(tǒng)中重要的組成部分，市場上的輸入輸出模塊都可以提供一對無源常開/常閉觸點(diǎn)，用以控制被控設(shè)備，部分廠家的模塊可以通過參數(shù)設(shè)定，設(shè)置成有源輸出（如海灣 GST-LD-8301),相對應(yīng)的還有雙輸入輸出模塊、多輸入輸出模塊等等。輸出模塊連接在控制器的回路總線上，可以安裝在所控設(shè)備的附近，也可安裝在樓層端子模塊箱內(nèi)。采用電子寫碼，可以現(xiàn)場編碼。輸出模塊的輸出控制邏緝可以根據(jù)工程情況編程完成。當(dāng)控制器接收到探測器的報警信號后，根據(jù)預(yù)先編入的程序，控制器通過總線將聯(lián)動控制信號輸送到輸出模塊，輸出模塊啟動需要聯(lián)動的消防設(shè)備；設(shè)備動作后會接受一個信號回答。PLC 有兩種工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)和停止（STOP）狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，PLC 通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使 PLC 的輸出及時地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直到 PLC 停機(jī)或切換到 STOP 工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序外，每次循環(huán)過程中，PLC 不還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段 PLC 的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。在工作狀態(tài)下，執(zhí)行一次上圖所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期。其典型值為1-100ms 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖 )。 在 掃 描 每 一 條 梯 形 圖 時 ， 又 總 是 先 掃 描 梯 形 圖 左 邊 的 由 各 觸 點(diǎn)構(gòu) 成 的 控 制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存 儲 區(qū)中 對 應(yīng) 位 的 狀 態(tài) ； 或者刷新該輸出線圈在 I/O映 象 區(qū) 中 對 應(yīng) 位 的 狀 態(tài) ； 或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖 所 規(guī) 定 的 特 殊 功 能 指 令 。 即 在 用 戶 程 序 執(zhí) 行 過 程 中 ， 只 有 輸 入 點(diǎn) 在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O映 象 區(qū) 或 系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。2.3.4 擴(kuò)展模塊當(dāng)一個 PLC中心單元的 I/O點(diǎn)數(shù)不夠用時，就要對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展接口就是用于連接中心基本單元與擴(kuò)展單元的 I/O模塊和操作接口單元。通過CAN總線接口，運(yùn)動控制器可以連接 I/O擴(kuò)展模塊。I/O 模塊形成的網(wǎng)絡(luò)長度要求在 100m以內(nèi)。操作接口單元和控制器之間的所有通信連接都是通過 Trio光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。第三方的操作接口單元可以通過串口相連。第三種方法是為機(jī)器制造商制作一個專門的操作接口，這個專門的操作接口可以通過一個靈活的接口板，非常容易地連接到光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中去。2.3.5 編程器程序的編制、存儲和管理等，并將用戶程序送入 PLC中，在調(diào)試過程中，進(jìn)行監(jiān)控和故障檢測。S7-200 系列 PLC可采用多種編程器，一般可分為簡易型和智能型。 簡易型編程器是袖珍型的，簡單實(shí)用，價格低廉，是一種很好的現(xiàn)場編程及監(jiān)測工具，但顯示功能較差，只能用 PLC在正式運(yùn)行時，不需要編程器。編程器主要用來進(jìn)行用戶指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計算機(jī)進(jìn)行編程操作，將專用的編程軟件裝入計算機(jī)內(nèi)，可直接采用梯形圖語言編程，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，非常直觀，且功能強(qiáng)大，S7-200 系列 PLC的專用編程軟件為 STEP7-Micro/WIN。2.4 PLC 的基本工作原理PLC 采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式1．每次掃描過程，集中采集輸入信號，集中對輸出信號進(jìn)行刷新。2．輸入刷新過程，當(dāng)輸入端口關(guān)閉時，程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。3．一個掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。4．元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。5．掃描周期的長短由三條決定。 （1）CPU 執(zhí)行指令的速度（2）指令本身占有的時間（3）指令條數(shù)，現(xiàn)在的 PLC 掃描速度都是非?？斓摹?．由于采用集中采樣，集中輸出的方式，存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應(yīng)延遲。PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個程序，CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符號后返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。PLC 的工作過程就是 PLC的掃描循環(huán)工作過程，一個循環(huán)掃描周期主要可分為 3個階段，輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。如圖 2-3所示 PLC的掃描工作過程。 [7] 圖 2-3 PLC 的掃描工作過程2.5 PLC 的主要應(yīng)用經(jīng)過 20多年的工業(yè)運(yùn)行，PLC 迅速滲透到工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，從 PLC的功能來看，它的應(yīng)用范圍大致包括以下幾個方面：（1）開關(guān)量的邏輯操控 這是 PLC 最基本、最廣泛的使用領(lǐng)域，它替代傳統(tǒng)的繼電器電路，完結(jié)邏輯操控、按次操控，既可用于單臺設(shè)備的操控，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝出產(chǎn)線、電鍍流水線等。（2）模擬量控制 在工業(yè)出產(chǎn)進(jìn)程傍邊，有許多接連改變的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程操控器處置模擬量，必須完結(jié)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的 A/D變換及 D/A變換。PLC廠家都出產(chǎn)配套的 A/D和 D/A變換模塊，使可編程操控器用于模擬量操（3）運(yùn)動操控 PLC可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的操控。從操控組織裝備來說，早期直接用于開關(guān)量 I/O模塊銜接方位傳感器和執(zhí)行組織，如今普通運(yùn)用專用的運(yùn)動操控模塊。如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸方位操控模塊。世界上各首要 PLC廠家的產(chǎn)物簡直都有運(yùn)動操控功用，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。（4）數(shù)據(jù)控制 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算） 、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)變換、排序、查表、位操作等功用，可以完結(jié)數(shù)據(jù)的收集、剖析及處置。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比擬，完結(jié)必定的操控操作，也可以使用通訊功用傳送到另外智能設(shè)備，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處置普通用于大型操控系統(tǒng)，如無人操控的柔性制造系統(tǒng)；也可用于進(jìn)程操控系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型操控系統(tǒng)。（5）PID 控制 PLC具有 PID控制功能。PLC 可以接模擬量輸入和輸出模擬量信號。通常采用專門的 PID控制模塊來實(shí)現(xiàn)。（6）通信和聯(lián)網(wǎng) PLC 通訊含 PLC 間的通訊及 PLC 與其它智能設(shè)備間的通訊。跟著計算機(jī)操控的開展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)開展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通訊功用，紛繁推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近出產(chǎn)的 PLC 都具有通訊接口，通訊十分便利。2.6 S7-200 系列 PLC 元件功能1. 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)類型 S7-200系列 PLC的數(shù)據(jù)類型可以是字符串、布爾型（0 或 1） 、整數(shù)型和實(shí)數(shù)型（浮點(diǎn)數(shù)） 。布爾型數(shù)據(jù)指字節(jié)型無符號整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括16位符號整數(shù)（INT）和 32位符號整數(shù)（DINT） 。2. 編程元件 （1） 輸入映像寄存器 I（輸入繼電器） ?輸入映像寄存器的工作原理：輸入繼電器是 PLC用來接收用戶設(shè)備輸入信號的接口。PLC 中的繼電器與繼電器控制系統(tǒng)中的繼電器有本質(zhì)性的差別，是軟繼電器，它實(shí)質(zhì)是存儲單元 輸入映像寄存器的地址分配：S7-200 輸入映像寄存器區(qū)域有 IB0～I(xiàn)B15 共 16個字節(jié)的存儲單元。系統(tǒng)對輸入映像寄存器是以字節(jié)（8 位）為單位進(jìn)行地址分配的。 （2） 變量存儲器 V 變量存儲器主要用于存儲變量。可以存放數(shù)據(jù)運(yùn)算的中間運(yùn)算結(jié)果或設(shè)置參數(shù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，變量存儲器會被經(jīng)常使用。變量存儲器可以是位尋址，也可按字節(jié)、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號范圍根據(jù) CPU的型號有所不同，CPU221/222 為 V0.0～V2047.7 共 2KB存儲容量，CPU224/226 為V0.0～V5119.7 共 5KB存儲容量 （3） 內(nèi)部標(biāo)志位存儲器（中間繼電器）M 內(nèi)部標(biāo)志位存儲器，用來保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)，其作用相當(dāng)于繼電器控制中的中間繼電器，內(nèi)部標(biāo)志位存儲器在 PLC中沒有輸入/輸出端與之對應(yīng)，其線圈的通斷狀態(tài)只能在程序內(nèi)部用指令驅(qū)動，其觸點(diǎn)不能直接驅(qū)動外部負(fù)載，只能在程序內(nèi)部驅(qū)動輸出繼電器的線圈，再用輸出繼電器的觸點(diǎn)去驅(qū)動外部負(fù)載。 （4） 特殊標(biāo)志位存儲器 SM PLC 中還有若干特殊標(biāo)志位存儲器, 特殊標(biāo)志位存儲器位提供大量的狀態(tài)和控制功能，用來在 CPU 和用戶程序之間交換信息，特殊標(biāo)志位存儲器能以位、字節(jié)、字或雙字來存取。（5） 定時器 T PLC所提供的定時器作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的時間繼電器。每個定時器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點(diǎn)供編程使用。其設(shè)定時間由程序設(shè)置。 （6） 計數(shù)器 C計數(shù)器用于累計計數(shù)輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個數(shù)。計數(shù)器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點(diǎn)供編程使用，其設(shè)定值由程序賦予。（7） 累加器 AC 累加器是用來暫存數(shù)據(jù)的寄存器，它可以用來存放運(yùn)算數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果。CPU 提供了 4個 32位的累加器，其地址編號為 AC0～AC3。累加器的可用長度為 32位，可采用字節(jié)、字、雙字的存取方式，按字節(jié)、字只能存取累加器的低 8位或低 16位，雙字可以存取累加器全部的 32 位。 [9]第 3 章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計3.1 傳統(tǒng)水塔水位控制圖 3-1 傳統(tǒng)水塔水位控制布局圖3.1.1 工作原理通過指示燈模擬上水水泵，結(jié)合鈕子開關(guān)模擬水位監(jiān)測信號，模擬了水塔自動上水控制，當(dāng)水池水位低于水池低位界面（s1 為 ON）時，電磁閥 Y打開進(jìn)水（Y 為 ON） ，定時器開始定時，4S 后，如果 S1還不為 OFF，那么閥 Y指示燈閃爍，表示閥 Y沒有進(jìn)水，出現(xiàn)故障，S3 為 ON后，閥 Y關(guān)閉(Y 為 OFF)。當(dāng) S1為 OFF，且水塔水位低于水塔低位水位界時，S3 為 ON，水泵 M運(yùn)轉(zhuǎn)抽水。當(dāng)水塔水位高于水塔高水位界時水泵 M停止。 [10] 3.1.2 外部接線與控制列表圖 3-2 傳統(tǒng)水塔水位控制電氣接線圖表 3-1 水塔水位模擬控制接線列表名稱 PLC 端子 說明燈 M Q0.0 模擬水塔提水水泵電動機(jī)運(yùn)行動作燈 Y Q0.1 模擬地面水池的進(jìn)水閥門的開關(guān)動作開關(guān) S1 I0.0 模擬水池水位低限報警信號開關(guān) S2 I0.1 模擬水池水位高限報警信號開關(guān) S3 I0.2 模擬水塔水位低限報警信號開關(guān) S4 I0.3 模擬水塔水位高限報警信號3.1.3 程序編輯及分析（程序見附錄）3.2 PID 水塔水位控制系統(tǒng)的工作原理傳統(tǒng)的水塔水位控制方式具有占地面積大、投資高、水泵電機(jī)頻繁起動、耗電多、管網(wǎng)水壓不穩(wěn)、爆管現(xiàn)象頻繁、水漏失嚴(yán)重等缺點(diǎn)；不僅生活用水容易受到二次污染，而且水泵電機(jī)的頻繁起動使設(shè)備故障率高，檢修、維護(hù)也 存在困難。因此如何利用有效的水源和電能保證各行各業(yè)正常供水，已是迫在眉睫。在傳統(tǒng)的水塔、水箱供水的基礎(chǔ)上，加入了 PLC及液壓變送器等器件．利用 PLC和組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)水塔水位的控制．提供了一種實(shí)用的水塔水位控制方案。在系統(tǒng)中，只使用比例和積分控制，其回路增益和時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整達(dá)到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動時，關(guān)閉出水口，用于動控制輸入控制液體閥，使水位達(dá)到滿水位的 75%，然后打開出水口，同時輸入控制液體閥從手動方式切換到自動方式。這種切換由一個輸入的數(shù)字量控制。 [11]3.2.1 設(shè)計分析圖 3-3 設(shè)計分析示意圖“水塔水位自動控制系統(tǒng)”的控制對象為水泵，容器為水塔或儲液罐。水位高度正常情況下控制在 C、D 之間，如圖（a） 。當(dāng)水位在低于 C點(diǎn)時，水泵開始進(jìn)水，如圖（b） 。當(dāng)水位高于 D點(diǎn)時，水泵停止進(jìn)水，如圖（c） 。當(dāng)水位低于 C點(diǎn)并到達(dá) B點(diǎn)時就報警，采取手動啟動水泵，如圖（d） 。當(dāng)水位超過 D點(diǎn)并到達(dá) E點(diǎn)時上限報警，采取強(qiáng)制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖（e） 。3.2.2 可行性試驗(yàn)圖 3-4為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報警確認(rèn)燈、水位指示燈以及報警確認(rèn)開關(guān)組成。接通電源時，電源指示燈亮，當(dāng)水塔中水深處于不同位置時，水位指示燈 B、C、D、E 情況不同。圖 3-4 水塔水位控制器外觀圖①當(dāng)水位處于 B點(diǎn)之下，指示燈 B、C、D、E 全亮，報警電路開始報警，即下限報警。 ②當(dāng)水位處于 B、C 之間，指示燈 B滅，C、D、E 亮，水泵開始進(jìn)水。③當(dāng)水位處于 C、D 之間，指示燈 B、C 滅，C、D 亮，保持狀態(tài)，即保持進(jìn)水。④當(dāng)水位處于 D、E 之間，指示燈 B、C、D 滅，E 亮，停進(jìn)狀態(tài)，即水泵不工作。⑤當(dāng)水位處于 E點(diǎn)之上，指示燈 B、C、D、E 全滅，水泵不工作，報警電路開始溢出報警，即上限報警。⑥報警電路可以手動關(guān)閉，只要按下報警確認(rèn)開關(guān)，就可以解除報警的蜂鳴聲。此時，報警確認(rèn)燈亮起。處理完故障時，必須關(guān)閉報警確認(rèn)燈，報警確認(rèn)電路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測故障的功能。3.2.3 可行性分析此方案采用純硬件電路設(shè)計，避免了軟件程序設(shè)計中的不穩(wěn)定因素，提高了實(shí)際運(yùn)用中的可靠性。同時，對于不同類型的液體，此系統(tǒng)均有良好的兼容性。當(dāng)水塔中液體改變時，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調(diào)節(jié)到一個數(shù)量級上就可以很方便的實(shí)現(xiàn)此液體的水位控制操作。試驗(yàn)證明，此水塔水位控制器不僅實(shí)現(xiàn)了對水塔水位的精確控制，而且，此系統(tǒng)更具有工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際性。3.3 水位閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 3-5 供水系統(tǒng)控制原理圖M1、M2—水泵 Y0-Y3—液位開關(guān) F1—手閥 F2—電磁閥 為了精確的實(shí)現(xiàn)對水位的控制，必須建立閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)水塔中的進(jìn)、出水的水位可以自動控制水泵，使水位處于動態(tài)的平衡狀態(tài)。供水系統(tǒng)的基本原理如圖 3-5所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過在水塔中的三個液壓變送器，將水位值變換為 4～20 mA電流信號進(jìn)入 PLC，把該信號和 PLC中的設(shè)定值的程序進(jìn)行比較，并執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對水塔中的水位進(jìn)行自動控制。當(dāng) PLC出現(xiàn)故障時，還有一套手動控制來進(jìn)行對水塔水位控制。手動控制采用交流接觸器。 上水箱液位低于 Y3時，M1、M2 同時工作，F(xiàn)2 打開。液位上升至 Y2時，M2停止，F(xiàn)2 關(guān)閉，M1 繼續(xù)工作。液位上升至 Y1時，M1 也停止。打開 F1手閥使上水箱放水，液位下降。當(dāng)液位又低于 Y1時 M1起動工作，如 F1開度較大下水量大于上水量，使液位繼續(xù)下降至 Y2時，M2 啟動工作同時 F2打開，使上水量大幅上升，保持液位。Y0 為下水箱缺水報警開關(guān)下水箱液位低于 Y0時意味著水泵進(jìn)水口缺水，此時應(yīng)自動切斷電源并報警。圖 3-6 水位閉環(huán)控制圖第 4 章 PLC 中 PID 控制器的實(shí)現(xiàn)4.1 PID 算法PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工業(yè)控制常用的控制算法，無論在溫度、流量等慢變化過程，還是速度、位置等快速變化的過程，都可以得到很好的控制效果。PID 控制算法一般由【比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)】組成。積分項(xiàng)的作用是消除系統(tǒng)靜差，而微分項(xiàng)則改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。 [12]PLC技術(shù)不斷增強(qiáng)，運(yùn)行速度不斷提高;不但可以完成順序控制的功能，還可以完成復(fù)雜的閉環(huán)控制。圖 4.1是常見閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成。4-1 閉環(huán)控制系統(tǒng)作為閉環(huán)控制的重要特征，采用了“誤差”的概念，即:在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，利用給定輸入 sP(t)與實(shí)際輸出 c(t)經(jīng)過測量裝置裝置轉(zhuǎn)換后的反饋量Pv(t)之間的差值 e(t)作為控制量，來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。在實(shí)際閉環(huán)控制系統(tǒng)中，誤差 e(t)一個很小的變化量。因此，為了對系統(tǒng)進(jìn)行更精確的控制，消除系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)的輸出誤差，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，需要對誤差進(jìn)行放大(比例調(diào)節(jié) P)、積分(積分調(diào)節(jié) I)、微分(微分調(diào)節(jié) D)，才能有效地控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能。在自動控制系統(tǒng)中，用來對誤差進(jìn)行放大、積分、微分等處理的裝置稱為“調(diào)節(jié)器” ，當(dāng)調(diào)節(jié)器具有“放大” 、 “積分” 、 “微分”功能時，即成為 PID調(diào)節(jié)器。在變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐中，經(jīng)常采用 PID控制器、軟件 PID以及變頻器內(nèi)置 PID來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié)功能，三種方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計選用 PID算法的 PLC實(shí)現(xiàn)方法。 [13]4.2 PID 應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要用閉環(huán)控制方式來控制溫度、液位、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。無論是使用模擬控制器的模擬控制系統(tǒng)，還是使用計算機(jī)（包括 PLC）的數(shù)字控制系統(tǒng)，PID 控制都等到了廣泛的應(yīng)用。PID 控制簡單易懂，使用中不必能清楚系統(tǒng)的數(shù)字模型。有人稱贊它是控制領(lǐng)域的常青樹是不無道理的。PID控制器是比例-積分-微分控制(Proportional-Integral-Derivative)的簡稱,之所以得到廣泛應(yīng)用是因?yàn)樗哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)：（1）不需要精確地控制系統(tǒng)數(shù)字模型。由于非線性和時變性很多工業(yè)控制對象難以得到其準(zhǔn)確的數(shù)字模型，因此不能使用控制理論中的設(shè)計方法。對于這一類系統(tǒng)，使用 PID控制可以得到比較滿意的效果。（2）有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分、微分控制三者有效地結(jié)合就可以滿足不同的控制要求。根據(jù)被控制對象的具體情況，還可以采用各種 PID控制的變種和改進(jìn)的控制方式，如 PI、PD、帶死區(qū)的 PID、積分分離 PID、變速積分 PID等。（3）PID 控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序簡單，工程上易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。在 PLC控制系統(tǒng)中，經(jīng)常采用模擬量輸入/輸出模塊實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字化處理，本系統(tǒng)選擇 S7-20O系列 EM235模擬量模塊，對管網(wǎng)壓力信號進(jìn)行采樣，并通過變頻器調(diào)整液壓閥輸入與輸出。 [14]4.3 PLC 實(shí)現(xiàn) PID 控制的方式用 PLC對模擬量進(jìn)行 PID控制時，可以采用以下幾種方法：(1)使用 PID過程控制模塊這種模塊的 PID控制程序是 PLC生產(chǎn)廠家設(shè)計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路，但是這種模塊的價格較高，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。(2)使用 PID功能指令現(xiàn)在很多 PLC都有供 PID控制用的功能指令，如 S7-200的 PID指令。它們實(shí)際上是用于 PID控制的子程序，與模擬量的輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于是用 PID過程控制模塊的效果，但是價格便宜得多。(3) 用自編的程序?qū)崿F(xiàn) PID閉環(huán)控制有的 PLC沒有 PID過程控制模塊和 PID控制用的功能指令，有時雖然可以使用 PID控制指令，但希望采用某種改進(jìn)的 PID控制算法。在上述情況下都需要用戶編制 PID控制程序。4.4 PLC PID 控制器的實(shí)現(xiàn)PLC的 PID控制器的設(shè)計是以連續(xù)系統(tǒng)的 PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化，寫成離散形勢的 PID控制方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計。在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 4-2所示。圖中 為給()spt定值， 為反饋量，c(t)為系統(tǒng)的輸入量，PID 控制器的輸入輸出關(guān)系式為：()pvt 0011()()()()tc DMtKetedtetdMTT? ?????? ?? ??式中， — 控制器的輸出， 為輸出的初始值，0M= — 誤差信號，()et()spvt?— 比例系數(shù)，c— 積分時間常數(shù)，1T— 微分時間常數(shù)。D圖 4-2 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖上式中等號右邊前 3項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、誤差積分和微分成正比。如果取其中一項(xiàng)或兩項(xiàng)，可以組成 P、PD 或 PI控制器。假設(shè)采樣周期為 ，系統(tǒng)開始運(yùn)行的時刻為 t=0，用矩形積分來近似精確ST積分，用差分近似精確微分，將上式離散化，第 n次采樣時控制器的輸出為：110()nncjDMKeeM?????式中， — 第 n-1次采樣誤差值。1ne?— 積分系數(shù)?！?微分系數(shù)。D在 S7-200PLC中，實(shí)際使用的 PID算法為：()()()()pIDMnnMnn???式中：第 n次采樣的調(diào)節(jié)器輸出()n比例項(xiàng) p ()()pCnKe?積分項(xiàng) ()I 0nIiijje???微分項(xiàng) DMn ??()1DdM?????基于 PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 4-2所示，圖中虛線部分在 PLC內(nèi)。這圖中的 、 、 、 分別為模擬量 、 、 、 在第 n次采樣的nspvne()sptvt()eMt數(shù)字量。