基于PLC的水位PID控制系统设计

基于PLC的水位PID控制系统设计 摘 要 可编程控制器是近年来发展迅速，应用广泛的工业控制装置，是一种 专为工业应用而设计的数字电子控制系统。它采用了灵活、方便，快捷的 可编程序控制形式和结构，通过数字量或模拟量的输入与输出过程中的信 号转换，完成控制中的各类生产和生活过程。 基于PLC的PID水位控制系统已经广泛应用于人们的日常生产生活 中，它成功的解决水箱对恒定水位的要求。在工业和生活供水方面有它独 特的应用，具有成本低，精度高，稳定性好，易于操作和管理，劳动强度 低等优点。 基于PLC的PID水位控制系统采用西门子S7-200系列中PLC-CPU226为基础，结合模拟量模块E231、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的水箱水位控制系统，对水箱的水位进行监测与控制。 设计主要包括两个部分：硬件部分和软件部分。 硬件部分：CPU 模拟量块 液位传感器 输入控制液压阀 输出控制液压阀等 软件部分：PID逻辑控制 梯形图 控制程序 关键词：PLC，PID，水箱水位，自动控制 I PLC-BASED PID CONTRAI YSTEM FOR THE WATER LEVEL ABSTRACT Programmable logic controller is developed rapidly in recent years, the application of a wide range of industrial control devices, is a specially designed for industrial applications of the digital electronic control system. It uses a flexible, convenient and efficient process control can be made available for the form and structure, through digital or analog input and output signal conversion process to complete the control process of various types of production and life. PLC based on water level control system PID of already widely used in the production of people's day-to-day life, its success to solve the constant level water tank requirements. Water supply in the industrial and life has its unique application of low cost and high precision, good stability, ease of operation and management, and low labor intensity. PLC-based control system the PID level 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 tank water level control system, the water level of the water tank monitoring and control. Design mainly includes two parts: hardware and software parts. Hardware components: CPU block level analog sensor input to control the output of hydraulic control valves such as hydraulic valves Software: PID control ladder logic control program KEY WORDS: PLC，PID，level water tank，control II 目 录 前 言 ............................................................................................. 1 第1章 PLC概述 ............................................................................ 2 1.1 PLC的产生 ......................................................................... 2 1.2可编程控制器的发展 .......................................................... 2 1.3 PLC的特点 ......................................................................... 3 1.4 PLC的基本构成.................................................................. 3 1.5 PLC的各组成部分 .............................................................. 4 1.6 PLC的工作原理.................................................................. 5 1.7 PLC的主要应用.................................................................. 6 第2章 系统硬件设计 ..................................................................... 7 2.1 系统要求 ............................................................................. 7 2.2 系统设计思路 ...................................................................... 8 2.3 可编程控制器的选择........................................................... 8 2.4 CPU226型PLC的特点 ....................................................... 9 2.5 EM235模拟量模块 ........................................................... 10 2.6液位传感器 ....................................................................... 12 2.7流量控制阀 ....................................................................... 12 2.8 PLC输入和输出分配表 .................................................... 13 2.9接线图 ............................................................................... 14 2.10手动供水电路图 .............................................................. 15 2.11报警系统 ......................................................................... 16 第3章 PID控制 ........................................................................... 17 3.1 PID控制介绍 .................................................................... 17 3.2 PLC实现PID控制的方式 ................................................ 20 3.3 PLC PID控制算法 ............................................................ 20 3.4 PID指令及回路表 ............................................................. 22 3.5模拟量信号转换 ................................................................ 23 第4章 软件设计 .......................................................................... 24 III 4.1软件系统概况 .................................................................... 24 4.2水位PID控制的逻辑设计 ................................................ 24 4.3梯形图编程 ....................................................................... 27 4.4联机和运行 ....................................................................... 30 结 论 ........................................................................................... 32 谢 辞 ........................................................................................... 33 参考文献 ....................................................................................... 34 IV 前 言 可编程控制器（Programmable logic controller，PLC）是近年来发展迅速，应用广泛的控制装置，是一种为工业和生活应用而设计的数字电子控 制系统。它采用了灵活、方便的可编程序控制形式，通过数字量或模拟量 的输入与输出过程中的信号转换，完成控制中的各类生产过程。 当今的PLC吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，其应用已从 单机自动化推广到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自动化。从柔 性制造系统，工业机器人到大型分散控制系统，PLC均承担着重要的角色。目前，PLC几乎在工业生产的所有领域都得到广泛的运用，因此了解并熟 悉掌握PLC的基本原理及PLC控制系统的设计，已成为工业自动化 工程技术人员的重要要求。 PLC是以微处理器为核心，将计算机技术、自动化技术及通信技术融 为一体的一种新的高可靠性的工业自动化控制装置。它具有控制能力强、 可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，已经广泛 应用在各行各业的生产过程和自动控制中，它正在迅速地改变着工厂自动 控制的面貌和进程，将成为当今及今后工业控制的主要手段和重要的自动 化控制设备。因此专家认为，可编程控制器技术、计算机辅助设计/计算机 辅助生产（CAD/CAM）以及机器人技术，将成为工业生产自动化的三大 支柱。 PLC不但在工业中有重要用途，它也在生活中应用的越来越多。随着 人类的进步社会的发展，我们的要求也在随之提高。以往传统的方法已经 不能够满足我们的要求，尤其是在控制方面。以水箱水位控制为例来说明： 传统方法是人为频繁的进行观察以此为依据进行补充水，这种方法费时费 力效果也差。这就需要一种简便高效的方法来改变这种状况，来解决这个 问题。基于PLC的PID水位控制就为前面提出的问题提供了一个很好的解 决。PLC中的PID模块与传感器和流量控制阀一起配合使用可以随时 的监控水箱里水位的高度，然后把数据输入PLC，经PLC后，做出反应，使输入阀门做出相应的动作，使水位保持恒定。 1 第1章 PLC概述 1.1 PLC的产生 1968年，美国通用汽车公司（GM公司）为了适应生产工艺的不断更 新需求，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，并提出10条招标指示： 1．编程方便，现场可修改程序； 2．维修方便，采用模块化结构； 3．可靠性高于继电器控制装置； 4．体积小于继电器控制装置； 5．数据可直接送入管理计算机； 6．成本可与继电器控制装置竞争； 7．输入可以为交流115V； 8．输出可以是交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； 9．在扩展时，原系统只需少量的变更； 10．用户程序存储器容量至少能扩展到4KB； 这就是著名的GM10条，它是PLC出现的直接原因。 可编程序控制器(Programmable Controller)是美国数字设备公司（DEC） 在1969研制成功的。 1.2可编程控制器的发展 PLC的发展与微电子技术和计算机技术密切相关，随着可编程控制器 的应用领域不断扩大，它本身也在不断发展。 1． 小型化方向发展 目前的小型PLC大都局限在开关量输入输出，而且CPU和I/O部件组装在一个箱体内，今后小型PLC也将增加模拟量处理功能，而且将有灵 活的组态特性，并能与其他机型连用。既要简单经济，又要不断增强功能 2 和使用方便性是小型PLC的发展方向。 2． 大型化方向发展 主要有以下几个方面： 1、能不断加强。 2、应用范围不断扩大。 3、性能不断提高。 4、编程软件的多样化和高级化。 5、构成形式的分散化与集散化。 1.3 PLC的特点 PLC与现有的各种控制方式相比，具有如下优点： 1. 可靠性高 2. 控制程序可变，具有很好的柔性 3．编程方法简单易学 4．功能强，性能价格比高 5. 体积小，重量轻，能耗低 1.4 PLC的基本构成 PLC主要包括中央处理单元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。 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。 3 图1-1 PLC硬件图 1.5 PLC的各组成部分 1、中央处理器 CPU是PLC的核心部件，它类似人的大脑，能指挥PLC按时预先编好的系统程序完成各种任务。 2、存储器 存储器可以分为以下3种。 （1）系统程序存储器。系统程序是厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的，它决定了PLC的功能。系统程序存储器是只读存储器，用户不能 更改其内容。 （2）用户程序存储器。根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。 （3）工作数据存储器。用来存储工作数据的区域叫工作数据区。工作 数据是经常变化经常存取的，所以这种存储器必须可读写。 3、输入/输出单元 输入/输出（I/O）单元是PLC与外部设备相互联系的窗口。输入单元 接收现场设备向PLC提供的信号，输出单元将经过CPU处理的微弱电信号通过光电隔离，功率放大等处理转换成外部设备所需要的强电信号，以 驱动各种执行元件。 4、电源部分 4 PLC中一般配有开关式稳压电源为内部电路供电。开关电源的输入电 压范围宽，体积小，重量轻，效率高，抗干扰性能好。有的PLC能向外部提供24V的直流电源，可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。 编程器 编程器是生产厂家提供的与本公司PLC配套的编程工具。编程器分为 简易编程器和图形编程器两种。 编程器可以不参与现场运行，所以一台编程器可以供多台PLC使用。 1.6 PLC的工作原理 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1-2 PLC的扫描工作过程 1.输入采样阶段 PLC在输入采样阶段，首先扫描所有的输入端子，将各输入存入内存 中各对应的输入映像寄存器。此时，输入映像寄存器被刷新。 2.程序执行阶段 5 PLC按先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指 令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及到输 入，输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态。从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。 然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。 3.输出刷新阶段 在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态（接 通/断开）在输出刷新阶段存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱 动外部负载。 1.7 PLC的主要应用 PLC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，其计时时间设定值由用户程序设定。 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。 4、步进控制 PLC具有步进（顺序）控制功能。 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。 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。 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。 6 第2章 系统硬件设计 2.1 系统要求 有一水箱需要维持恒定的水位,该水箱的水以变化的速度流出。这就需 要一个输入控制液体阀,以不同的流量给水箱供水,以维持水位不变,这样才 能使水箱不断水。 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。 本设计使用一个液位传感器、一个输入液体控制阀、一个输出液体控 制阀（手动）、可编程控制器等。 图2-1 水位PID控制工艺图 7 2.2 系统设计思路 采用PLC控制，运用PLC模拟量控制模块EM235和PID算法。把传感器传输过来信号，经模拟量模块处理后，使用PID运算。然后与设定数据进行比较，PLC做出相应的输出，对电磁阀进行控制。 这样就实现了对水位的控制。 2.3 可编程控制器的选择 可编程控制器产品众多，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。 S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型整体式结构可编程控 制器，出现于20世纪90年代。本机自带RS-485通信接口，内置电源和I/O接口。它结构小巧，运行速度快，可靠性高，具有丰富的指令系统和 扩展模块。 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0.8μs，S7-200还有日期时间中断功能。还可以提供两个独立的6KHZ的脉冲输出，通过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。 现将S7-200 CPU的主要性能如表2-1，供用户在进行系统设计时进行 8 表2—1SIMATIC S7-200 CPU 主要性能表 选择。 CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226 项目 4KB 4KB 8KB 8KB 程序存储器 EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM 用户存储器类型 本机I/O 6入/4出 8入/6出 14入/10出 24入/16出 扩展模块数量 无 2个模块 7个模块 7个模块 数字量I/O 128入/128出 128入/128出 128入/128出 128入/128出 模拟量I/O 无 16入/16出 32入/32出 32入/32出 256 256 256 256 内部继电器 256/256 256/256 256/256 256/256 计数器/定时器 256 256 256 256 顺序控制继电器 内置高速计数器 4个(20kHz) 4个(20kHz) 6个(20kHz) 6个(20kHz) 1 1 2 2 模拟量调节电位器 脉冲输出 2（20kHz,DC） 2（20kHz,DC） 2（20kHz,DC） 2（20kHz,DC） 通信中断 1发送器/ 1发送器/ 1发送器/ 1发送器/ 2接收器 2接收器 2接收器 2接收器 定时中断 2（1-255ms） 2（1-255ms） 2（1-255ms） 2（1-255ms） 硬件输入中断 4，输入滤波器 4，输入滤波器 4，输入滤波器 4，输入滤波器 1 1 1 2 通信口（RS-485） 通过对上表各参数的比较,CPU226输入输出口多，可扩展模块多便于 以后继续开发和升级，最后选用CPU226型。 2.4 CPU226型PLC的特点 9 图2-2 CPU226外部电路连接示意图 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。8KB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。如图2-2为CPU226外部电路连接图。 2.5 EM235模拟量模块 10 由于液位传感器的输出为模拟信号,所以选用模拟量模块EM235。 因为它同时具有模拟量输入输出通道,可满足以后对系统的继续开发。 图2-3 EM235模块模拟量I/O连线示意图 如图2-3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。 11 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、仅在传感器侧端截屏。 6、未用通道应短接。 2.6液位传感器 液位传感器作为水位信号的检测元件，选用CYG型扩散硅压力变送器，安装在水箱的底部。正常情况下，扩散硅压力传感器测量的是压力信 号，根据压力与水位高度之间的关系，可知水箱中水位的高度。因此可以 根据测量的压力信号得到水位信号，从而将水位测量转换为压力测量。这 就实现了对水位信号的测量。测得的信号经转换后，以电流的形式传给 PLC。 图2-4 液位传感器 2.7流量控制阀 目前国内的流量控制阀有很多种，由于系统要求不高，普通控制阀即 可满足要求，这里选择直动式电磁阀。 直动式电磁阀： 12 原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打 开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但直径一般不超过30mm。 可根据电流大小做出相应的调节。 图2-4 直动式电磁阀 2.8 PLC输入和输出分配表 PLC的输入和输出分配表（如表2-2所示） 表2-2 I/O分配表 编号 地址 说明 功能 1 AQW0 输出模拟量 控制流量控制阀YV 2 I0.0 按钮，手动自动切换SB1 0为手动，1为自动 3 AIW0 输入模拟量 液位传感器的值 4 I0.1 急停按钮SB2 使系统快速停止 5 I1.5 手动供水起动按钮SB3 手动供水 6 I1.6 手动供水停止按钮SB4 手动供水停止 7 Q1.0 接触器KM1 使水泵得电 8 Q1.1 接触器KM1 断开水泵电路 9 Q1.5 高水位指示灯 提醒水位过高 10 Q1.6 低水位指示灯 提醒水位过低 YV为直动式电磁阀。 13 2.9接线图 图2-5 EM231接线图 图2-6 CPU226接线图 14 2.10手动供水电路图 图2-7 手动供水电路图 在手动状态下，闭合SB3，使接触器KM1得电，水泵得电运行，向水箱里供水。当水位达到预定值时，闭合SB4，使接触器KM2得电，长闭触点KM2得电断开，水泵失电，停止运行。 电路图如图2-7所示。 15 2.11报警系统 当水位过高或过低时会对系统造成危害，所以要避免这种情况的出现， 需要设置报警电路。 本系统的报警电路是有两个指示灯组成。当红色知识灯亮时说明水位 高，当黄色知识灯亮时说明水位低。由此为依据可以做出调整，使水位保 持恒定。 16 第3章 PID控制 3.1 PID控制介绍 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。 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。 在工业控制过程中，除了大量的开关量控制以外，还有许多模拟量控制， 例如对电压，电流，温度，压力，流量的控制。有时，在同一个控制系统中 既要对开关量控制还要对某些模拟量进行控制。因此为适应生产实际要求， PLC各生产厂家纷纷推出了各种专用的模拟量输入模块和模拟量输出模块。 1．模拟量输入模块（A/D模块） 模拟量输入模块是根据设备现场连续变化的物理量，转变为PLC可以处理的数字信息。如图3-1所示。 一般情况下，一块模拟量输入模板可分时输入多个信号，因此模板内有 多路转换开关，将选中的模拟量经A/D转换器变成数字量，经驱动器输出或 锁存，待CPU读取。 17 模拟量信号的输入过程如下： 1、当PLC用户程序运行并执行模拟量输入指令时，根据指令所指定的 输入通道号，经控制与译码电路工作，选中一路输入信号。 2、被选中的这路输入信号经预处理电路转换成PLC能接受的电平信号，再通过多路转换开关进入A/D转换器。 3、A/D转换器把这个输入采样值转换为带符号的二进制数，再由数据转 换电路进行转换后缀过光电隔离器进入数据驱动单元。 4、进入数据驱动单元的数据可按系统的控制要求传送到总线驱动器中， 然后送到PLC系统内部数据总线上，也可传送到中间寄存器中，等待CPU 模板的命令再读入。 图3-1 模拟量输入框图 2. 模拟量输出模块（D/A模块） 模拟量输出模块的作用是控制一些具有连续动作的执行机构。 3.输入输出变量的转换 PID控制有两个输入量:给定值(sp)和过程变量(pv)。多数工艺要求给定值是固定的值，过程变量是经A/D转换和计算后得到的被控量的实测值。给定 值与过程变量都是与被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范 18 围与工程单位有很大的区别。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前， 必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。 同样，对于PID指令的输出，在将其送给D/A转化器之前，也需进行转换。如图3—2所示。 图3-2 模拟量输出框图 使用PID指令关键有4点： 1、参数设定 要指定回路编号（LOOP）及参数表（TBL）首地址。并设定好采样时间、增益、积分时间、微分时间。 2 、预处理 编写程序把模拟量输入转换为PID计算对应的格式（处于0—1之间的实数）的过程值（PV）及设定值转换为PID计算对应格式（处于0—1之间的实数）的设定值（SV）.并传送到参数表的相应地址中，为PID运算做好前处理。 3、指令调用 为PID指令执行指定输入条件，调用PID指令。最好编写定时中断程序，在中断程序中调用PID中断指令。 4、后处理 编写程序把PID计算的控制输出（Mn, 处于0—1之间的实数）转换为对应格式(十六进制数，并选择好有效位)，并传送到指定的模拟量输出模块的相应地址中，为PID运算结果执行提供条件。 19 3.2 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。 3.3 PLC PID控制算法 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。 图3-3 连续闭环控制系统方框图 在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图3-3所示。图中 spt()为给 20 定值，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pvt() 为： ，，t11 MtKetetdtdetdtM,，，，()()()() （3-1） 0,,c,0TT1，，D 式中， — 控制器的输出，M为输出的初始值， Mt()0 = — 误差信号， sptpvt()(),et() — 比例系数， Kc T — 积分时间常数， 1 T — 微分时间常数。 D 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T，系统开始运行的时刻为t=0，用矩形积分来近似精S 确积分，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： n （3-2） M,Ke，Ke，K(e,e)，M,ncn1jDnn,10j,i 式中，e — 第n-1次采样误差值。 n,1 K— 积分系数。 1 K— 微分系数。 D 基于PLC的闭环控制系统如图3-4所示，图中虚线部分在PLC内。图中 的spt()spMpvepvt()、、、分别为模拟量、、et()、Mt()在第n次采样nnnn 的数字量。 图3-4 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。 21 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。 3.4 PID指令及回路表 S7-200的PID指令图如图3-5所示。 图3-5 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3-1. 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M，n 它被限制在0.0～1.0之间。 表3-1 PID指令的回路表 偏移地址 变量 格式 类型 描述 0 过程变量 双字实数 输入 应在0.0～1.0之间 4 给定值sp 双字实数 输入 应在0.0～1.0之间 n 8 输出值M 双字实数 输入/输出 应在0.0～1.0之间 n 12 增益K 双字实数 输入 比例常数，可正可负 c 16 采样时间T 双字实数 输入 单位为s，必须为正 s 20 积分时间T 双字实数 输入 单位为min，必须为正 1 22 24 微分时间T 双字实数 输入 单位为min，必须为正 D 28 上一次的积分值 双字实数 输入/输出 应在0.0～1.0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。 3.5模拟量信号转换 西门子S7-200系列的模拟量输入模块加入标准电信号4~20mA（A0~Am），经A＼D转换后数值为6400~32000(D0~Dm). 转换: D=(A－A0)( Dm－D0)＼(Am－A0)+ D0 （3-3） Am－模拟量输入信号最大值。 A0－模拟量输出信号最小值。 Dm－Am经A＼D转换得到的数值。 D0－A0经A＼D转换得到的数值。 A－模拟量信号值。 D－A经A＼D转换得到的数值。 设定水箱在满水位的情况下为100，当水位达到80以上时是高水位，当水位达到30一下时为低水位，这是指示灯分别发亮。 经过计算，经转换后为20480和7680。 当输出值大于20480时红灯亮，当输出值小于7680时黄灯亮。 23 第4章 软件设计 4.1软件系统概况 本系统只适用比例和积分0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。PID运算存在一种“自动” 运行方式，当PID运算不被执行时，称之为“手动”方式。所以，系统启动时在水位低于75%时PID不工作。 系统里调节器用的是PLC 的PID模块，给定水位即为水位设定值。水 箱里的水位信号经过，送入PLC的 PID模块。此值即为水位的实际值。PID 模块经输出转换，输出用于控制液体流量阀以实现实际控制。若水箱里水位 低，将入水阀门打开，使进入水箱的水增多，水箱的水水位升高使水位保持 恒定。 4.2水位PID控制的逻辑设计 水位PID控制程序分为3部分，每部分流程图如下： 1、主程序调用模块，如图4-1是所示。 主程序开始 首次扫描 ?调用子程序0进行启动计算机和初始化 ?调用子程序0初始化定时中断 主程序结束 图4-1 主程序调用模块 24 2、主程序调用子程序0，如图4-2所示。生活供水时系统设定为满量程 的75%，本系统中的增益和时间常数为:增益 Kc=0.25，采样时间Ts=1s，积 分时间Ti=30min。 启动子程 序 设置PID参数 装入回路设定值=75% 回路增益=0.25 装入回路采样1S 装入积分时间30min 设定定时中断时间为100ms 子程序0结束 图4-2 主程序调用子程序0 3、中断子程序模块，如图4-3所示。其作用主要用于PID的相应计算，在PLC的常闭继电器SM0.0的作用下工作，它包括:设定回路输入及输出选项、设定回路参数、设定循环报警选项、为计算指定内存区域、指定初始化 子程序及中断程序。 25 启动中断子程序0 定时中断计数器 值加1 否 计数器值 到达了吗 是 en+ K1en+MX+KD(en- en-1) 计算PID公式 Mn=Kc 对输出值限制 反馈仿真 中断子程序0 结束 图4-3 中断子程序模块 其中，各符号名说明如下： Mn 在第n采样时刻，PID回路输出的计算值 Kc PID回路增益 en 在第n采样时刻的偏差值 en-1 在第n-1采样时刻的偏差值 K1 积分项的比例常数 MX 积分项的前值 KD 微分项的比例常数 26 4.3梯形图编程 主程序部分。 SM0.1是特殊标志位存储器，该位在首次扫描时为１，用于调用和初始 化子程序。 SBR为子程序调用指令。 子程序SBR_0。 27 SM0.0是特殊标志位存储器，该位始终是1。 MOV＿R为实数传输指令。 ATCH为中断连接指令，将一个中断源和一个中断程序建立响应。 ENI允许中断指令。 中断程序INT_0。 28 I＿DI将整数类型数据转化为双整数类型。 DI＿R将双整数类型数据转化为实数类型。 I0.0 控制手动到自动的切换。0代表手动，1代表自动。 PID调用PID模块。 MUL＿R实数乘法指令。 ROUND将实数转换为双整数。 DI＿I将双整数转换为整数。 MOV＿W把字原值传送到字存储单元。 29 报警电路程序 手动供水电路程序 4.4联机和运行 1、 联机硬件图（如图4-4） 图4-4 联机硬件图 30 2、 运行 单击水泵控制按钮，系统启动时关闭出水口，用手动控制水泵后的输入 输出控制液体阀，使水位达到满水位的75%，这时系统装载PID参数和连接PID中断服务程序。装入回路设定值VD104，回路增益VD112，回路采样时间VD118，积分时间VD120，同时设定定时中断0的时间（SMB34）间隔100ms,设定定时中断执行PID程序INT_0。关闭微分作用VD124。 在中断处，将过程变量（PV）转换为标准化的实数。首先将整数转换成 双整数（AIW0?AC0），将双整数转换为实数，而后将数值标准化（AC0，32000.0?AC0）,最后将标准化后的PV存入回路表（AC0?VD100）。 而I0.0控制手动到自动的切换，0代表手动，1代表自动。 I0.1为急停按钮，按下后整个系统停止工作。 自动方式下将把输出值Mn转换成16位的整数，首先判断Mn为单极性且非负的数，把输出值送到累加器（VD108,32000.0?AC0），然后标准化累加器中的值，将实数转换成双整数，再将双整数转换成整数，最后将数值写 入模拟量输出（ACO?AQW 0）。再去控制输入控制液体阀从而控制水箱维持 一定水位。 31 结 论 这次设计做的是水位控制，发现以往水位控制比较落后。采用PLC控 制的系统与老式控制方法相比有很多的优点：灵活、方便、快捷可实现无 人职守，省时省力，有很强的可操作性。 毕业设计快要结束了，回过头来看这次设计我有很多的感触。这些感 触也只有在做了设计之后才能感受得到。 首先感受到的是毕业设计要用到知识量的巨大，于是我就拿出我有关 PLC方面的课本，又去图书馆借了几本PLC方面的书，然后就是把这书看一下，把重要的部分作了一些摘要。 有了这些基础部分，我又去网上找了一些这方面设计的例子。参考这 些例子，在心里确定下方案。 本以为有了这些准备就足够了，但我错了。做设计需要系统的知识， 那些散碎的知识要把他们组织起来，把他们变成一个系统，这样设计的各 个部分才是连贯的，前后才能构成一个整体。 此外，除了PLC之外还需要传感器和阀门的相关知识，这就要求我把 测试技术和机械方面的知识也复习了。 各方面的东西齐全之后，该进行综合的时候了。综合是一项很繁琐的 工作，要根据要求调整字体、字的大小、页边距、行距等等一系列的东西。 这是对文档编辑能力的考验，也是对计算机基础知识的考验。 这次毕业设计基本上把大学里学到的知识考查了一遍，也让我把他们 整体上粗略的复习了一遍。 32 谢 辞 在设计接近尾声时，我回头对这次设计做了一下梳理，在这次设计中 有很多老师和同学对我都有过帮助，我在此感谢他们。 首先要感谢的是我毕业设计的指导老师朱德荣老师，朱老师为我的设 计提供了很多的帮助。我在做设计中只要有不明白的地方，开口向朱老师 请教，朱老师就会毫不怜惜的向我讲解，一遍不行就两遍直到我明白为止， 朱老师这中诲人不倦的精神给我很深的印相，是我非常的尊敬他。 朱老师在我遇到实在找不到的资料时，还帮我找资料，然后给我讲解， 他这种关心学生学习的精神让我感动。 再设计中不仅老师给了我帮助，同学们也给了我很多的帮助。张浩同 学给我了很多关于PLC学习方面的资料，对我设计有很大的帮助。他还对 我设计中不好或是不准确的地方给出了他自己的看法。 张新奎同学和周中原同学也给了我很大的帮助。 这次毕业设计在紧张而充实的氛围里完成了，这意味着我的三年大学 生活也要即将结束了，要告别象牙塔般的学校生活，进入社会中。 回想这三年的大学生活，我学到了很多，不仅是在学习方面，还有在 为人方面。这是我人生中的重要财富，所以我要感谢学校以及那些给我财 富的人。他们是我的老师，我的同学，我的朋友…… 我要感谢学校，感谢洛阳理工学院，因为是学校给了我这个机会！ 33 参考文献 [1] 范永胜 王岷．电气控制与PLC应用．中国电力出版社，2004 [2] 宋伯生．PLC编程实用指南．机械工业出版社，2006 [3] 杨树兴 李擎 苏中等．计算机控制系统—理论、技术与应用．机械工 业出版社，2006.5 [4] 宋伯生．PLC编程理论?算法及技巧?机械工业出版社，2005.2 [5] 西门子S7-200中文手册（电子版），2001.1 [6] 西门子S7-200_300 PLC应用论文集.PDF，2007.2 [7] 常斗南．可编程控制器?原理?应用?实验．机械工业出版社，2002.7 [8] 宫淑贞等编著．可编程控制器原理及应用．北京：人民邮电出版社， 2002 [9] 张泽荣. 可编程序控制器原理与应用. 北京:清华大学出版社,2004 [10] 王也仿. 可编程序控制器应用技术. 北京:机械工业出版社, 2001 [11] 章文浩. 可编程序控制器原理及实验. 北京:国防工业出版社. 2003. [12] 李道霖．电气控制与PLC原理及应用 [M]北京: 电子工业出版社， 2004 [13] 李向东. 电气控制与PLC. 北京: 机械工业出版社, 2005 [14] 廖常初．可编程控制器的原理与应用．电工技术，1990.10－1991.2 [15] 胡学林等编．电气控制与PLC．北京：冶金工业出版社，1997 [16] 郁汉琪．电气控制与可编程序控制器应用技术 [M]南京: 东南大学出 版社，2003 [17] 路林吉 王坚 江龙康编著 可编程控制器原理及应用 北京：清华大学 出版社，2002 [18] 陈宇 段鑫编著 可编程控制器基础及编程技巧 广州：华南理工大学 出版社，2002.3 [19] 李世基主编 微机与可编程控制器 北京：机械工业出版社，1994 34