毕业设计（论文）-基于PLC的储罐液位控制系统研究.doc

《毕业设计（论文）-基于PLC的储罐液位控制系统研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）-基于PLC的储罐液位控制系统研究.doc（45页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、宁夏理工学院毕业设计 I 摘要 本文设计了一种基于 PLC 的储罐液位控制系统。它以一台 S7-200 系列的 CPU224 和一个模拟量扩展模块 EM235 进行液位检测和电动阀门开度调节。系 统主要实现的功能是恒液位 PID 控制和高低限报警。 本文的主要研究内容：控制系统方案的选择，系统硬件配置，PID 算法介 绍，系统建模及仿真和 PLC 编程实现。本设计用 PLC 编程实现对储罐液位的 控制,具有接线简单、编程容易，易于修改、维护方便等优点。 关键字：储罐;液位控制;仿真;PLC 宁夏理工学院毕业设计 II Abstract This article is designed base

2、d on PLC, tank level control system. It takes a series s7-200 CPU224 and an analog quantities of EM235 expansion module to level detection and electric valve opening regulation. System main function is to achieve constant low level PID control and limiting alarm. The main contents of this paper: the

3、 choice of the control system plan, system hardware configuration, PID algorithm introduced, system modeling and simulation, and PLC programming. PLC programming with the design of the tank level control have the advantage of simple wiring, easy programming, easy to modify, easy maintenance and so o

4、n. Key word: tank ; level ;control ;simulation ;plc 宁夏理工学院毕业设计 III 目录 摘要I ABSTRACT.II 1 绪论.1 1.1 盐酸储罐恒液位控制任务 .1 1.2 本文研究的意义 .2 1.3 本文研究的主要内容 .2 2 控制系统方案设计.3 2.1 储罐液位控制的发展及现状 .3 2.2 系统功能分析 .3 2.3 系统方案设计 .4 3 系统硬件配置.5 3.1 电动控制阀的选择 .5 3.1.1 控制阀的选择原则5 3.1.2 ZAJP 精小型电动单座调节阀性能和技术参数介绍 9 3.2 液位测量变送仪表的选择 12

5、3.2.1 液位仪表的现状及发展趋势 .12 3.2.2 差压变送器的测量原理 .12 3.2.3 差压式液位变送器的选型原则 .13 3.2.4 DP 系列 LT 型智能液位变送器产品介绍.14 3.3 PLC 机型选择.15 3.3.1 PLC 历史及发展现状15 3.3.2 PLC 机型的选择17 3.3.3 S7-200 系列 CPU224 和 EM235 介绍.18 4 PID 算法原理及指令介绍 20 4.1 PID 算法介绍.20 4.2 PID 回路指令.22 5 系统建模及仿真26 5.1 系统建模 26 5.2 系统仿真 28 5.2,1 MATLAB 语言中 Simuli

6、nk 交互式仿真环境简介.28 5.2.2 系统仿真 29 第 6 章 系统编程实现.31 6.1 硬件设计 31 6.1.1 绘制控制接线示意图 31 6,1.2 I/O 资源分配.31 宁夏理工学院毕业设计 IV 6.2 软件设计 32 6.2.1 STEP 7 Micro/Win V4.0 SP6 编程软件介绍.32 6.2.2 恒液位 PID 控制系统的 PLC 控制流程 33 6.2.3 编写控制程序 34 6.2.4 程序清单 37 结束语.38 参考文献.39 致谢.40 宁夏理工学院毕业设计 1 1 绪论 1.1 盐酸储罐恒液位控制任务 如图 1.1 所示为某化工厂稀盐酸储罐，

7、该罐为钢衬聚四氟乙烯储罐，罐体高 6 米， 容量为 50 立方米，重 500 千克。钢衬四氟乙烯储罐的介质工作温度为-100C250C， 耐腐蚀性强，对卤素、卤代烃、强氧化剂、沸酸、碱、多种有机溶剂都有良好的耐蚀性。 其工艺流程为，稀盐酸从储罐顶部流入，罐体下部装有一电子开关阀， AC220V 供电， 由一个 DC24V 继电器控制，根据生产需要随时打开或关闭阀门。由于工艺要求，必须将 储罐内液体保持在 4.5 米，即要求罐体内液位恒定不变。同时要求设置高低限报警，当 液面高于 5.4 米时，高限报警，红灯亮；当液面低于 3.0 米时，底限报警，黄灯亮；正 常运行时绿灯亮。要求用一台 PLC

8、实现这些控制要求，试设计合适的控制系统，并且选 用相应的设备，实现该系统的控制要求。 图 1.1 稀盐酸储罐工艺流程图 宁夏理工学院毕业设计 2 1.2 本文研究的意义 在工业生产过程中，液位是最常见、最广泛的过程参数之一。在石油工业、化工生 产、电力工程、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类流体的液位高度 进行检测和控制。由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，自 动控制难度较高。 为了解决人工控制的控制准确度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我 们引入了工业生产的自动化控制。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的 安全与否、生产效率的高低、能源

9、是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着 现代工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经不能够满足工业生产控制的需求， 所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称 PLC） 。引入 PLC 控制方式使控制更加的集中、 及时和有效。 本文应用一台 PLC 通过 PID 模块实现对储罐液位的恒定控制，较传统的控制方法硬 件接线简单，易于改变参数，而且更加快速、准确。对其它类似控制有一定的借鉴意义。 1.3 本文研究的主要内容 本文研究的是 PID 模块在 PLC 液位控制系统中的应用。从整体上分析和研究了控制 系统的方案设计，硬件配置，被控对象数学模型的建立，系统仿真，PLC 编程实现等， 具

10、体有以下几个方面的内容： 1. 介绍盐酸储罐恒液位控制任务，指出本文的研究意义所在和研究的主要内容。 2. 介绍了控制系统设计的基本步骤和方法，包括了系统功能分析，控制方案设计。 3. 系统硬件配置。为系统实现选择合适的硬件。 4. 介绍 PID 算法和指令。 5. 对被控对象进行建模及系统仿真。 6. 介绍 STEP 7 Micro/Win V4.0 SP6 编程软件，绘制控制接线图等。应用 PLC 编程 实现本课题的控制要求。 7. 总结全文。 宁夏理工学院毕业设计 3 2 控制系统方案设计 2.1 储罐液位控制的发展及现状 储罐液位测量来源于石油和化工业，是工业测量中极为广阔的领域。准确

11、的液位测 量是生产过程控制的重要手段。液位控制的发展主要依赖于两个方面，即检测仪表的发 展和控制算法的发展。早期，由于工业领域生产规模不大，储罐液位测量主要采用法兰 式液位变送器和吹气式等机械式测量方法。但随着生产规模的进一步扩大，所需的储罐 数量变多，体积变大，原先的测量方法的弊端愈发变得突出，如法兰式液位变送器需要 保温，施工及维护工作量较大；吹气式液位检测用的吹气管要特殊订货，且还要定期更 换，吹气式要消耗仪表气，有能耗，还需要敷设气源管。这一系列问题的解决有待于新 的测量方法的出现，从上世纪八十年代开始，一些发达国家就借助微电子、计算机、光 纤、超声波等高科技的研究成果。将各种新技术、

12、新方法应用到储罐测量领域。电子式 测量方法便是其中的重要成果之一。在电子式液位检测方法中，许多新的测量原理，包 括压电式、应变式、浮球式、电容式、雷达式、超声波式、磁致伸缩式、伺服式、混合 式等检测技术被应用到新型液位检测仪表的开发中。由于这些方法测量精度高、可靠性 强、持续时间长、安装维护简单，因而正在逐步取代旧的机械式液位测量技术。就控制 算法而言，在传统的 PID 算法基础上，人们开始将模糊算法等一些高级算法加入到控制 器中，使控制器的性能得到大大的增强。相信随着新的检测仪表和控制算法的不断涌现， 液位检测控制系统将更加精确和方便易用，并且将会在更多领域，发挥其效能。 2.2 系统功能分

13、析 由任务分析可知，系统具有以下功能： 1、 PID 手/自动切换 手动控制主要用于安装、调试和正常运行下的故障处理。 当设备处于正常状态时 PID 自动运行 2、 高低限报警 根据控制要求，该液位控制系统要求设置高低限报警，当液位高于 5.4 米时，高限 宁夏理工学院毕业设计 4 报警，红灯亮，当液面低于 3.0 米时，底限报警，黄灯亮。正常运行时绿灯亮。 3、 系统性能指标 将储罐内的稀盐酸液位控制在 4.5 米 2.3 系统方案设计 由工艺要求可知，该系统只有一个被控变量即：液位；其控制精度要求也不是很高， 根据在满足控制要求的情况下，尽量选择简单易行的控制方案这一原则，这里选用单回 路

14、反馈控制系统。单回路控制系统结构比较简单，所需自动控制装置少，投资较低，操 作维护也比较方便，该控制方案完全可以满足本系统的控制要求。单回路反馈控制系统 由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简称对象） 、测量变送装置、 控制器和控制阀。其方框图如图 2.1 所示： 图 2.1 该系统单回路控制系统方块图 宁夏理工学院毕业设计 5 3 系统硬件配置 3.1 电动控制阀的选择 控制阀是控制系统的执行机构，它接受控制器的命令执行控制任务。控制阀的选择 合适与否，将直接关系到能否很好地起到控制作用。因此，对它必须给予足够的重视。 3.1.1 控制阀的选择原则 1) 阀门开、闭形式的选

15、择 对于一个具体的控制系统来说，究竟选电开式还是选电闭式，要由具体的生产工艺 来决定。一般来说，要根据以下几条原则来进行选择： A. 首先要从生产安全出发。即当电源供电中断，或控制器出故障而无输出，或控制 阀无法正常工作，以致阀芯回复到无能源的初始状态时，应能确保生产工艺设备 的安全，不致发生故障。 B. 从保证产品质量出发。当控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低 产品的质量。 C. 从降低原料、成品、动力损耗来考虑。当控制阀处于无能源状态而回复到初始位 置时，不应浪费原料、成品和动力。 D. 从介质的特点考虑。比如：精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般都选电开式，以保证 在控制阀失去能源

16、时能处于全闭状态，避免蒸汽浪费。如果釜液是易凝结、易结 晶、易聚合的物料时，控制阀则应选择电关式，以防控制阀失去能源时阀门关闭， 停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。 根据以上几条原则综合考虑，这里我们选电开阀。这样即使控制阀断电，阀门也会 处于关闭状态。不会使盐酸一直流向储罐，以致盐酸溢出造成事故。 2) 口径大小的选择 控制阀口径的大小直接决定着介质流过它的能力。从控制的角度看，控制阀口径选 的过大，超过了正常控制所需的介质流量，控制阀将经常处于小开度下工作，阀的流量 特性将会发生畸变，阀性能就较差。反过来，如果控制阀口径选的太小，在正常情况下 宁夏理工学院毕业设计 6 都在大开度下工

17、作，阀的特性也不好。此外控制阀的口径选的过小也不适应生产发展的 需要，一旦设备需要增加负荷时，控制阀原有的口径太小就不够用了。因此，从控制的 角度来看，控制阀口径的选择应留有一定的余地，以适应增加生产的需要。在正常工况 下，阀门开度处于之间。15% 85% 3) 流量特性的选择 目前我国生产的控制阀有线性特性、对数特性（即等百分比特性）和快开特性三种， 尤其以前两种特性的控制阀应用最多。图 3.1 中是各种流量特性控制阀的特性曲线。 图 3.1 控制阀流量特性 控制阀流量特性的选用要根据具体的对象特性来考虑。生产过程中生产负荷往往是 会发生变化的，而负荷的变化又往往会导致对象特性发生变化。控制

18、器参数是根据具体 的对象特性整定得到的。对于一个确定的具体对象就有一组控制器参数（、及） i T d T 与其相适应，对象特性改变了，原先的控制器参数就不再适应，如果这时不去修改控制 器参数，控制质量就会降低。然而负荷的变化往往具有随机性，不可预知。这样就不可 能在负荷变化时，适时的对控制器参数进行修改。一种解决的办法就是选择带有自整定 功能的控制器，它能根据负荷的变化及时修改控制器的参数，以适应变化了的新情况。 另一种解决办法就是根据负荷变化对对象影响的情况，选择相应特性的控制阀来进行补 偿，使得广义对象（包括控制阀和对象及测变环节）的特性在负荷的变化时保持不变。 宁夏理工学院毕业设计 7

19、这样就不用考虑在负荷变化时修改控制器参数的问题。就本任务的单回路系统而言，表 3.1 列出了常用控制系统控制阀特性的经验选择方法： 表 3.1 常用控制系统控制阀特性经验选择 控制系统及被控变量干扰选择阀特性附加条件备注 平方根 V TT 0 设定值 直线 V TT 0 对数 V TT 0 0 C 直线 V TT 0 I 类 双曲线 V TT 0 设定值 对数 V TT 0 对数 V TT 0 1 F 直线 V TT 0 II 类 任意特性III 类 液位控制系统)(L I 类0 C v C II 类 0 C v C 设定值 任意特性 hH5 （）量程范围:h IV 类 宁夏理工学院毕业设计

20、8 控制系统及被控变量干扰选择阀特性附加条件备注 0 C 直线III 类 1 F直线IV 类 注：节流阀流通能力； 0 C :对象时间常数对数平均值； 0 T :阀时间常数； V T min0max0 0TTT 根据上面的原则，选定阀的流量特性为线性特性。 4) 结构形式的选择 控制阀有直通单座、直通双座、角形、高压、三通、蝶阀、和隔膜阀等不同结构形 式，这要根据生产过程的不同需要和控制系统的不同特点来进行选用。表 3.2 列出了不 同结构形式的控制阀特点及适用场合，以供选用时参考。 表 3.2 不同结构形式控制阀的特点及适用场合 阀结构形式特点及使用场合 直通单座阀前后压降低，适用于要求泄漏

21、量小的场合 直通双座阀前后压降大，适用于允许较大泄漏量的场合 角阀适用于高压降、高粘度、含悬浮物或颗粒状物质的场合 高压阀适用于高压控制的特殊场合 蝶阀适用于有悬浮物的流体、大流量气体、压差低、允许较大泄漏量的场合 隔膜阀适用于有腐蚀性介质的场合 三角阀适用于分流或合流控制的场合 根据上面的原则，在此选用直通单座阀。 5) 阀门定位器的选用 宁夏理工学院毕业设计 9 阀门定位器是控制阀的一种辅加装置，与控制阀配套使用。它接受控制器来的信号 作为输入信号，并以其输出信号去控制控制阀，同时将控制阀的阀杆位移信号反馈到阀 门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统。阀门定位器的主要作用是： A. 消除控

22、制阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高控制阀的精 度和可靠性，实现准确定位。 B.增大执行机构的输出功率，减少系统的传递滞后，加快阀杆移动速度。 C.改变控制阀的流量特性 D. 利用阀门定位器可将控制器输出信号分段，以实现分程控制。 由第 1、第 2 项可以看出，当控制阀安装上阀门定位器之后，加大了输出功率，提高 了反应速度，并且由于它与控制阀之间构成了一个随动系统，能根据控制器来的信号准 确定位，这就大大改善了控制阀的动、静态特性。因此，当单座阀前后压差较大的时候； 当工作压力高的，填料压得紧，因而摩擦力较大的时候；当现场与控制室相距较远，控 制信号输送管线拉得较长，因而传送

23、滞后较大的时候；以及控制阀膜头较大，滞后比较 显著的时候，都可以给控制阀配上阀门定位器，以克服上述不利因素的影响，从而提高 控制阀的动、静态特性。 联系本任务研究内容，从以下几个三个方面综合考虑，在此控制系统中，控制阀上 不加装阀门定位器： 1. 系统控制精度要求不高。 2. 滞后不是很大。 3. 系统设计的经济性。 6) 系统关联性分析 由于该储罐上只有一个液位控制系统，且只存在一个被控变量，因而不存在系统关 联的问题。 综上所述，根据经济适用原则，在此选择由上海艾迪尔自控仪表有限公司生产的 ZAJP 精小型电动单座调节阀，型号： 宁夏理工学院毕业设计 10 3.1.2 ZAJP 精小型电动

24、单座调节阀性能和技术参数介绍 ZAJP 精小型电动单座调节阀，由 DDZ 型直行程电动执行机构和精小型单座阀组成。 与伺服放大器组合接受统一的 4-20mA 或 0-10mA 的标准信号，将电流信号转变成相对 应的直线位移，自动地控制调节阀开度，达到对管道内流体的压力、流量、温度、液位 等工艺参数的连续调节。适用于对泄露量要求严格、阀前后压差低及有一定粘度和含少 量纤维介质的场合。ZAJP 精小型电动单座调节阀的实物图如图 3.2。 图 3.2 ZAJP 精小型电动单座调节阀 1） 执行机构详细参数见表 3.3 表 3.3 执行机构 型号 DKZ-410/410C 输出推力，N 6400 行程

25、 L，mm 40 宁夏理工学院毕业设计 11 全行程时间， s 30 电源电压：220V/50Hz 输入电阻：250、200 输入通道： 3 个 输入信号：4-20mA 或 0-10mA.DC 输出信号：4-20mA 或 0- 10mA.DC 手操功能：手轮 主要技术参数 环境温度：-25+70 环境湿度：95% 2） 调节阀性能指标见表 3.4 表 3.4 性能指标 项目技术指标 基本误差% 5.0 回差% 3.0 死区% 3.0 始点 2.5 气开 终点 5.0 始点 5.0 始终点偏差% 气关 终点 2.5 额定行程偏差% 2.5 泄露量 l/h0.01%阀额定容量 可调范围 R30：1

26、 宁夏理工学院毕业设计 12 3） 调节阀机械结构和外形尺寸参见图 3.3 和表 3.5 图 3.3 机械结构图 表 3.5 外形尺寸 单位：mm 公称通径 DN 40 LPN16/40222 A460 B230 H1PN16/40152 H2490 H3PN16/4073 3.2 液位测量变送仪表的选择 3.2.1 液位仪表的现状及发展趋势 液位仪表是工业生产中不可缺少的重要仪表。高档的现代新型仪表大多依赖进口， 开发生产高档先进的液位仪表仍然是国内仪表行业发展的关键。 宁夏理工学院毕业设计 13 化工生产过程中各类塔、釜、罐液位的检测，目前仍是以压力和差压变送器为主。 这除了在性价比方面存

27、在一定的优势外，还有设计和应用的习惯问题。其次，磁浮子式、 浮筒式、电容式液位计也有相当的应用量。随着科技发展，磁致伸缩式、超声波式和射 频导纳式液位计的用量将会迅速增加，压力（差压）式液位计比例会有所下降。 在本系统中，综合考虑技术要求及性价比，选择差压变送器。 3.2.2 差压变送器的测量原理 如图所示的密闭容器中，测量容器下部的液位压力除与液位高度有关外，还与其上 部空间介质压力有关，这时液位的测量需采用两个法兰将液相和气相压力引至差压变送 器，利用和之差反映液位。 1 p 2 p 图 3.4 差压式液位计 设容器上部空间的压力为，则p (3.1) 11 ppHg (3.2) 2 pp

28、因此可得 (3.3) 121 pppHg 宁夏理工学院毕业设计 14 即被测液位与差压成正比 1 Hp 3.2.3 差压式液位变送器的选型原则 1） 对于腐蚀性液体,粘稠性液体,熔融性液体,沉淀性液体等,当采取灌隔离液,吹气 或冲液等措施时,可选用差压变送器。 2） 对于腐蚀性液体,粘稠性液体,易气化液体,含悬浮物液体等,宜选用平法兰式差压 变送器。 3） 对于易结晶液体,高粘度液体,结胶性液体,沉淀性液体等,宜选用插入式法兰差压 变送器。 4） 对于被测对象有大量冷凝物或沉淀物析出时,宜选用双法兰式差压液位变送器。 5） 测液位的差压液位变送器宜带有正负迁移机构,其迁移量应在选择仪表量程时确

29、 定。 6） 对于正常工况下液体密度发生明显变化介质,不宜选用差压式液位变送器。 市面上液位测量变送仪表种类繁多，在此结合本课题研究任务和经济性两反面考虑， 最终选定广州森纳士仪表有限公司生产地 DP 系列 LT 型智能液位变送器。 3.2.4 DP 系列 LT 型智能液位变送器产品介绍 如图 3.5 所示为 DP 系列 LT 型智能液位变送器实物，该变送器采用美国 Dylix 公司 技术生产的传感器内核，结合先进数字技术生产的新一代智能化变送器，原理上采用了 直接数字电容电路代替模拟信号放大电路及 A/D 转换电路，利用数字化补偿技术对温度 静压进行补偿，提高了测量精度，降低了温度漂移，变送

30、器整机具有体积小、可靠性高、 长期稳定性、测量范围宽、安装简便、易于维护等特点。智能型是具有 HART 现场总线 协议和一体化数字显示功能的新产品，具有优良的抗干扰能力和零点稳定性，并具备零 点自动稳定跟踪和温度自动补偿能力。该产品具有极高的性价比，被广泛应用于电力、 冶金、石油、制药、造纸等行业，与我国推行的“IBC”标准要求符合。 宁夏理工学院毕业设计 15 图 3.5 DP 系列 LT 型智能液位变送器 使用对象：液体 测量范围：0-4.7186.8kPa 输出信号：线性输出；42mA 输出叠加 HART 协议数字信号（两线制） 电源：外部供电 24VDC（电源范围 12V45V） 危险

31、场所安装：本安型 iaIICT5 负载特性：无论输出如何，正负迁移后，其量程上、下限均不得超过量程的极限。 在最小量程时，最大正迁移为 0.975URL；最大负迁移为-URL. 温度范围：介质温度-40149（灌充硅油） 储存温度：-18204（灌充惰性气体） 整机工作温度：-2070（带数字表头） 相对湿度：0100% 静压和超压极限：150b 法兰；41.37KPa（绝对压力）1.89MPa（在 37，充硅油） 容积变化量：小于 0.16 3 cm 阻尼：时间常数在 0.4s32.0s 之间可调 启动时间：3s，无需预热 3.3 PLC 机型选择 3.3.1 PLC 历史及发展现状 20

32、世纪 20 年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系 连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制 系统。由于它结构简单，容易掌握，价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使 宁夏理工学院毕业设计 16 用面极广，在工业控制领域中一直占主导地位。但是继电接触器控制有明显的缺陷，设 备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难于实现复杂控制，特别是由于它是靠硬 链接逻辑构成系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更 换，所以通用性和灵活性较差。 20 世纪 60 年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号

33、不断更行， 它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开发系统重新配置。为抛弃传统 的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968 年美国通用汽车公司 公开向社会招标。对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是： 1、编程方便，可现场修改程序 2、维修方便，采用插件式结构 3、可靠性高于继电器控制装置 4、体积小于继电器控制盘 5、数据可直接送入管理计算机 6、成本可与继电器控制盘竞争 7、输入可以是交流 150V 以上 8、输出为交流 115V，容量要求在 2A 以上，可直接驱动接触器，电磁阀等。 9、扩展时原系统改变量小 10、用户存储器至少能扩展到 4KB（适应当

34、时汽车装配过程的需要） 十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现 大规模生产线的流程控制。 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。20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，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

35、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。 国际工委员会（IEC）曾于 1982 年 11 月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985 年 1 月又发表了第二稿，1987 年 2 月颁布了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是 宁夏理工学院毕业设计 17 “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采 用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术 计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，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，都按易于

36、与工业系统联成一个整体、易于 扩充其功能的原则设计。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 。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30% 40% 能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某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，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模 上来说，这个时期发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，生产了各种人机界面

37、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发展。 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始的。最初是在 引进设备中大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。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。 3.3.2 PLC 机型的选择 目前，PLC 产品种类繁多，同一个公司生产的 PLC 也常常推出系列产品，这就需要 用户选择最适合自己要求的产品。正确选择产品时，首先要选择的是适合控制系统

38、的机 型， 1) 根据系统类型选择机型 （1） 小系统的机型选择 小系统一般使用一台 PLC 就能完成控制要求，控制对象常常是一台设备或多台设备 中的一个功能，系统对 PLC 间的通信要求不高，但有时功能要求全面，容量变化要求变 化大。对这类系统的机型选择要注意以下 3 种情况。 一是设备集中，设备的功率要求较小，如机床，这时需选用局部式结构，低电压高 密度输入/输出模板。 宁夏理工学院毕业设计 18 二是设备分散，设备的功率较大，如料场设备，这时需要选用离散式结构，高电压 低密度输入/输出模板。 三是有专门要求的设备，如飞剪，这时输入/输出容量不是关键参数，更重要的是控 制速度功能，选用高速

39、计数功能模板。 2) 大系统的机型选择 不管是慢过程大系统还是快速控制大系统，其控制系统都是由多台 PLC 构成。这类 系统可以由一个上位机（可以是工业控制计算机或高档 PLC）和多台下位 PLC 构成，其 中每一台下位 PLC 控制系统中的一个子系统。这种系统机型的选择可以采用如下方案。 方案一是整个控制系统由上位机或高档 PLC 对系统进行统一管理，控制信息由现场 数据总线构成的通信网络进行传递。这是一个由微机和 PLC 构成的集散控制系统，集散 控制系统的控制规模比较大，系统的硬件成本高。集散控制系统在设计、调试、扩展和 维护等方面都有极大的优越性。整个系统全面停机的几率很少，其运行费用

40、成本也比较 低。 方案二是控制系统把计算机、 PLC、数控机床和机器人等融合在一个庞大的通信网 络中，整个系统分成管理层控制层和执行层等多个层次，最上面一层使用高速数据通信 网络。这是一个大型的网络控制系统，这种控制系统成本较高，工作速度比较快，可用 于快速控制大系统的控制，特别适用于工厂自动化、大量数据处理和企业综合管理系统。 3) 根据控制对象选择机型 对控制对象进行估计对确定机型十分重要。根据控制对象要求的输入/输出点数 的多少，可以估计出 PLC 的规模；根据控制对象的特殊要求，可以估计出 PLC 的性 能；根据控制对象的操作规则可以估计出控制程序所占内存的容量。有了这些初步估 计，会

41、使机型选择的可行性更大。为了对控制对象进行粗估，首先要了解下面几个问 题。 （1） 对输入/输出点数的估计 为了正确地估计输入/输出点数，需要了解下面问题:对开关量输入需按参数等级 分类统计；对开关量输出需按输出功率要求及其他参数分类统计；对模拟量输出/输 入需按点数进行粗估。 （2） 对 PLC 性能要求的估计 为了正确地估计 PLC 性能，需要了解下面问题：是否有特殊控制功能要求，如高 速计数器等；机房离现场的最远距离；现场对控制器响应速度要求。在此基础上选择 宁夏理工学院毕业设计 19 控制器时还需注意两个问题。一是 PLC 可带 I/O 点数。有的手册或产品目录单上给出 的最大输入点数

42、或最大输出点数，常意味着只插输入模块或只插入输出模块的容量， 即实际给出的是输入和输出容量之和，有时也称为扫描容量，需格外注意。二是 PLC 通信距离和速度。手册上给出的覆盖距离，有时叫做最大距离，包括远程 I/O 板在内 达到的距离，但远程 I/O 板的 I/O 反应速度大大下降，一般为 19.2Kbit/s。 （3） 对所需内存容量的估计 用户程序所需要内存与逻辑量输入/输出点数的估计、模拟量输入/输出点数的估 计、内存利用率的估计、程序编制者的编程水平的估计有关。 程序中的各条指令最后都是以机器语言的形式存放在内存中的。控制系统中输入 /输出点数和存放该系统用户机器语言与所占用的内存数字

43、之比称为内存利用率。内 存利用率与编程水平有关。内存利用率的提高会使程序减少内存容量，从而降低内存 投资，缩短周期时间，从而提高系统的响应时间。 根据上面的原则选择合适的机型： 从工艺要求中可以看出，从控制方式选择上需要三个按钮开关 I0.0、I0.1 和 I0.2，用来控制 PID 手动（I0.0=0） 、自动（I0.0=1）切换和电动开关阀的开合。输出 信号有高限报警 Q0.0,低限报警 Q0.1,正常运行 Q0.2,控制电动开关阀开闭 Q0.3。一 个模拟量输入 AI0.0 接收测量变送器的 4-20mA 电流，一个模拟量输出 AQ0.0 用于驱 动电动调节阀。该系统需 3 点数字量输入

44、，4 点数字量输出，1 点模拟量输入，1 点 模拟量输出。可选择西门子 S7-200 系列的 CPU224 和一个模拟量扩展模块 EM235 即 可满足要求。 3.3.3 S7-200 系列 CPU224 和 EM235 介绍 CPU224 本机集成了 14 点输入和 10 点输出，共有 24 个数字量 I/O，它可连接 7 个扩 展模块，最大可扩展至 168 点数字量 I/O 或 35 路模拟量 I/O，CPU224 有 13KB 程序和数 据存储空间，6 个独立的 30KHZ 高速计数器，2 路独立的 20KHZ 高速脉冲输出，具有 PID 控制功能。CPU224 配有 1 个 RS-48

45、5 通信/编程口，具有 PPI 通信、MPI 通信和自由 方式通信能力。 EM235 具有 4 路模拟量输入和 1 路模拟量输出，它的输入信号可以是不同量程的电 压或电流，其电压、电流是由开关 SW1、SW2 到 SW6 设定。EM235 有 1 路模拟量输出， 其输出可以是电压也可以是电流。 采用 CPU224 扩展 EM235 可以实现 14 点数字量数字量输入，10 点数字量输出，4 点 宁夏理工学院毕业设计 20 模拟量输入，1 点模拟量输出。该方案完全可以满足设计需求，而且有一定的冗余。 4 PID 算法原理及指令介绍 在工业控制系统中常常用到闭环控制系统，而 PID 控制是常用的控

46、制算法。PID 控制 算法简单易懂，使用时可以不必弄清楚系统的数学模型，只要能检测出偏差就可以对系 统实现准确、无静差的稳定控制。它作为最早实用化的控制算法已有 60 多年的历史，现 在仍然是应用最广泛的工业控制算法。因此被称为控制系统领域的常青树。但是，PID 算 宁夏理工学院毕业设计 21 法也有其局限性。PID 在控制非线性、时变、耦合及参数和结构复杂的系统式，效果不是 太好。如果系统过于复杂，有时可能无论怎么调参数，都不易达到控制目的，需要采用 其他更为先进的控制算法。 4.1 PID 算法介绍 PID 是比例（P）、积分（I）、微分（D）之意。标准的 PID 控制值与偏差（控制系 统

47、的设定值与实际值之差）、偏差对时间的积分、偏差对时间的微分，三者之和成正比， 可以用式子表示如下： （4.1） 00 ( )(/) t c M tKeedtde dtM 式中 -为时间函数，是 PID 控制回路的输出)(tM -PID 控制回路的增益 C K -PID 控制回路偏差e -PID 控制回路初始值 0 M PID 控制就是用去进行控制对象的控制。计算偏差要使用反馈信号，所以 PID)(tM 控制是闭环控制，由式（4.1）可以看出，PID 控制算法由比例环节、积分环节和微分环 节构成。 比例环节中比例系数越大，对同样的偏差，其控制作用也越强，意味着控制系统的 反应速度也越快。但同时过

48、大的比例系统也容易引起系统超调量增大，导致系统振荡。 积分环节主要用于消除控制系统的积累误差，使系统称为无静差系统。微分环节则是与 偏差的变化有关系，偏差越大其控制作用越强，以抑制偏差的增大，如偏差的变化减小， 其控制作用就减弱，以抑制偏差的减小。 由于计算机是数字化工作模式，在处理连续函数时，需将之离散化。式（4.1）离散 形式为 （4.2）10 () 1 nC nIDnn n MK eKeKeeM i i 式中 -在第采样时刻 PID 回路输出的计算值； n Mn 宁夏理工学院毕业设计 22 -PID 控制回路增益 C K -在第采样时刻 PID 控制回路的偏差 n en -在第采样时刻

49、PID 控制回路的偏差 1n e1n -PID 控制回路积分项系数 I K -PID 控制回路微分项系数 D K -PID 控制回路初始值 0 M 式（4.2）中，积分项是包括从第 1 个采样周期到当前采样周期的所有误差。计算中， 没有必要保存所有采样周期的误差项。只需要保存积分项前值即可。即MX (4.3) 1nC nI nDnnnnn MK eK eKeeMXMPMIMD 式中 -积分前项值MX -在第采样时刻的比例项 n MPn -在第采样时刻的积分项 n MIn -在第采样时刻的微分项 n MDn 比例项是增益和偏差的乘积，增益决定输出对偏差的灵敏度。该项可 n MP C K n e C K 以写为 (4.4)() nCnnn MPK eSPPV 式中 -在第采样时刻的给定值 n SPn -在第采样时刻的过程变量 n PVn 积分项与偏差的和