1、.水塔水位 pid 控制系統設計 摘 要 供水是一個關系國計民生的重要產業。隨著社會的發展和人民生活水平的提 高，對城市供水提出了更高的要求，有一個水箱需要維持一定的水位，該水 塔 里的水以變化的速度流出。這就需要有一個輸入控制液體閥以不同的速度給水 塔供水，以維持水位的變化，這樣才能使 水塔不斷水。 研究設計的基于 plc 控制的水塔水位 pid 供水系統,以西門子公司的 s7-200 系列中 plc-cpu226 為基礎，結合模擬量模塊 em235、液位傳感器、輸入控制液 壓閥、輸出控制液壓閥等，組成一個基于 s7-200 系列中 pcl-cpu226 的水塔水 位控制系統，能完成邏輯控制

2、、水位調節和數據采樣等功能,實現對水塔的水位進 行控制及檢測。在設計中大量運用 plc 中 pid 來實現水塔水位的控制，為了精 確地實現對水位的控制 ，建立成閉環控制系統，實現了水塔中的進、出水的水 位自動控制。 關鍵詞： 可編程控制器 plc，水塔水位，pid 控制 water towers pid control system design abstract water supply is an important industry of the peoples livelihood. with the social development and peoples living stan

3、dards, 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, s

4、o 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

5、 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 lig

6、ht 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 lo

7、gic controller plc, water towers, pid control 目錄 前言.1 第 1 章 水塔水位自動控制系統的概述.2 1.1 水位控制系統現狀與發展.2 1.2 水塔水位自動控制系統的組成.2 1.3 水位控制系統效率及運行模式分析.3 第 2 章 plc 結構和工作原理 .4 2.1 plc 組成與基本結構 .4 2.1.1 plc 的系統結構 .4 2.1.2 plc 的基本工作原理 .5 2.2 plc 的主要應用 .6 2.3 s7-200 系列可編程控制器.6 2.3.1 s7-200 plc 系統組成.7 2.3.1 s7-200 系列 plc 元

8、件功能.7 2.4 pid 控制器簡介 .9 2.4.1 pid 控制器的結構及原理 .9 2.4.2 數字式 pid 控制 .10 2.4.3 數字式 pid 控制的實現 .12 第 3 章 水塔水位控制系統方案設計.14 3.1 系統的工作原理.14 3.1.1 設計分析.14 3.1.2 可行性試驗.15 3.1.3 可行性分析.16 3.2 水位閉環控制系統.16 3.2.1 plc 的選擇 .17 3.2.2 供水的控制方法.18 第 4 章 plc 中 pid 控制器的實現.20 4.1 pid 算法 .20 4.2 pid 應用 .21 4.3 plc 實現 pid 控制的方式.

9、21 4.4 plc pid 控制器的實現.22 4.5 pid 指令及回路表 .24 第 5 章系統硬件開發設計.26 5.1 可編程控制器的選型.26 5.3 em235 模擬量模塊.28 5.3.1 em235 的安裝使用.29 5.3.2 em235 的工作程序編制.29 5.4 硬件連接圖.30 5.5 控制系統 i/o 地址分配 .30 第 6 章 系統軟件應用設計.31 6.1 水位 pid 控制的邏輯設計 .31 6.2 梯形圖編程.35 6.3 控制程序.38 6.4 聯機.39 結 論.40 謝 辭.41 參考文獻.42 附錄.43 外文資料翻譯.46 前言 在工業生產中，

10、電流、電壓、溫度、壓力、液位、流量、和開關量等都是常 用的主要被控參數。其中，水位控制越來越重要。在社會經濟飛速發展的今天， 水在人們正常生活和生產中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生 活帶來極大的不便，重則可能造成嚴重的生產事故及損失。因此給水工程往往成 為高層建筑或工礦企業中最重要的基礎設施之一。任何時候都能提供足夠的水量、 平穩的水壓、合格的水質是對給水系統提出的基本要求。就目前而言，多數工業、 生活供水系統都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲水設備，由一級或二級水泵從 地下市政水管補給。傳統的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點。 可編程控制器（plc）是根據順序邏輯

11、控制的需要而發展起來的，是專門為工業 環境應用而設計的數字運算操作的電子裝置。鑒于其種種優點，目前水位控制的 方式被 plc 控制取代。同時，又有 pid 控制技術的發展，因此，如何建立一個 可靠安全、又易于維護的給水系統是值得我們研究的課題。 在工農業生產以及日常生活應用中，常常會需要對容器中的液位（水位）進 行自動控制。比如自動控制水塔、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中 抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進水控制等。雖然各 種水位控制的技術要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實際操 作系統中，穩定、可靠是控制系統的基本要求。因此如何設計一個精度高、穩定

12、 性好的水位控制系統就顯得日益重要。采用 plc 和 pid 技術能很好的解決以上 問題，使水位控制在要求的位置。 本論文側重介紹“水塔水位 pid 控制系統”的軟件設計及相關內容，使水塔水 塔維持一定的水位。通過對變頻器內置 pid 模塊參數的預置，利用遠傳液位傳感 器反饋量，構成閉環系統，根據用水量的變化，采取 pid 調節方式，在全流量范 圍內利用輸入液體控制閥連續調節和輸出控制閥分級調節相結合，實現水塔供水 且有效節能。水位 pid 控制系統集 plc 控制技術、pid 技術、電子電力技術、微 電子技術和計算機技術、測試技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系 統的穩定性和可靠性，

13、同時系統具有良好的節能性，這在能源日益緊缺的今天尤 為重要，所以研究設計該系統，對于提高企業效率以及人民的生活水平、降低能 耗等方面具有重要的現實意義。 第 1 章 水塔水位自動控制系統的概述 1.1 水位控制系統現狀與發展 節能是我國社會經濟能否保持可持續發展的一個重大問題.水位控制廣泛應用 于工農業生產與民用生活，其用電量大，是節能研究的主要內容之一.對變頻調速 水位控制系統的實際運行情況研究發現，目前國內在這方面普遍采用恒水位或恒 壓力變頻調速 pid 控制技術，取得了一 定的應用效果.但由于這類控制系統忽視 了水泵-電機組效率，致使水泵-電機組經 常處于低效區運行圖 1-1；另外，單目

14、 標的恒水位或恒壓力控制不能保證電機經 常處于節能運行狀態以充分發揮變頻調速 的節能功效，造成了變頻調速控制系統在 實際運行中效率不高，節能效果未能充分 體現,這也是變頻調速控制技術多年來一 直難以大規模采用的原委之一.水位控制 類變頻調速效率優化問題屬于一類復雜的 多變量、離散性強的非線性系統控制問題，要求控制 圖 1-1 水塔水位控制系 統模型 系統在滿足用水要求的同時，又要實現系統效率最優，采用傳統的控制策略很難 獲得簡便、實用的解決方法.本文結合水位控制類系統的特點，運用水位控制理論 與最優控制方法，以系統效率最大及滿足用水要求為目標，設計一種水位控制以 改善這類系統的控制策略與運行方

15、式，同時給出采用 plc 控制程序實現的此水位 控制。 1.2 水塔水位自動控制系統的組成 水位自動控制系統由 plc（核心控制部件） 、高低位的水位檢測電路、高低 水位信號傳送給 plc 水泵電動機控制電路（plc 控制啟停及主備切換） 、設備監 控臺四部分組成。 1.3 水位控制系統效率及運行模式分析 水位控制系統的效率主要由水泵的效率、電動機的效率和管道損失決定，本 文主要研究水泵-電機組的效率問題.由于水位控制系統的非線性、滯后性與時變 性，采用傳統的 pid 控制容易實現單目標，即水位恒定或水泵-電機組高效運行， 而無法兩者兼顧.為此引入模糊控制，使系統能夠最快地響應用戶的用水要求并

16、最 大限度地工作在高效區，以期能充分發揮變頻調速的節能功效，進一步提高系統 的運行效率.在分析變頻調速水位控制的節能問題時，以不同轉速下提供相同容積 圖 1-2 控制系統框圖 的水作比較得出圖 1-2：水泵消耗的軸功率與異步電動機轉速的三次方成正比， 由此可知，水泵-電機組的效率與電機的轉速成反比；其次，結合水泵與電機的效 率特性，為使系統經常高效運行，不失一般性，設：水泵-電機組的高效率區為異 步電動機的轉速 n=0.61.0n n(n n 為電動機的額定轉速)；當電機轉速 n=0.8n n 時，異步電動機的效率最佳.圖 1 給出了水位控制系統控制模型圖，h 表示水位高 度，依水位高度將水箱

17、劃分為 a、b、c 三區.a、c 區分別為水位極高、極低區 域，是高位、低位警戒區；b 區為高效運行區，是系統經常運行的區域.系統總的 控制模式為：當 ha 時，系統運行減機模式；當 hb 時，系統運行節能模式； 當 hc 時，系統運行加機模式.系統效率 kn3dtn0.61.0n n 系統節能模式是 本文的研究重點，根據此圖可設計一個水位控制器，使變頻器的輸出頻率即電動 機的轉速隨著水位的變化而自動改變，使系統能夠在最快地響應用戶用水要求的 同時，在時間上最大限度地工作在高效區，這樣，系統運行的效率就可以提高， 此時的系統工作于最佳狀態，從而提高系統的響應速度，達到系統穩定性與快速 性的較好

18、結合。 第 2 章 plc 結構和工作原理 2.1 plc 組成與基本結構 plc 是微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物，從廣義上講，plc 也 是一種計算機系統，只不過它比一般計算機具有更強的與工業過程相連接的輸入/ 輸出接口，具有更適用于控制要求的編程語言，具有更適應于工業環境的抗干擾 性能。因此，plc 是一種工業控制用的專用計算機，它的實際組成與一般微型計 算機系統基本相同，也是由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。 2.1.1 plc 的系統結構 目前 plc 種類多，功能和指令系統也都各不相同，但都是以微處理器為核心 用做工業控制的專用計算機，所以其結構和工作原理都大致相同，硬件

19、和微機相 似。主要包括 cpu、存儲器 ram 和 rom、輸入輸出接口電路、電源、i/o 擴展 接口、外部設備接口等。其內部也是采用總線結構來進行數據和指令的傳輸。 圖 2-3 plc 結構示意圖 如圖 1-1 所示。plc 控制系統有輸入量plc輸出量組成，外部的各種開 關信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為 plc 的輸入量，它們經 plc 外部輸入端子輸入到內部寄存器中，經 plc 內部邏輯運算或其他各種運算，處理 后送到輸出端子，作為 plc 的輸出量對外圍設備進行各種控制。由此可見，plc 的基本結構由控制部分、輸入和輸出部分組成。 2.1.2 plc 的基本工作原理 由于

20、plc 以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與 微機有很大的不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式 或 i/o 掃描方式，若有鍵按下或 i/o 變化，則轉入相應的子程序，若無則繼續掃 描等待。 plc 則是采用循環掃描的工作方式。對每個程序，cpu 從第一條指令開始執 行，按指令步序號做周期性的程序循環掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令 開始逐條順序執行用戶程序，直至遇到結束符號后返回第一條指令，如此周而復 始不斷循環，每一個循環稱為一個掃描周期。plc 的工作過程就是 plc 的掃描循 環工作過程，一個循環掃描周期主要可分為 3 個階段，輸入刷新階段

21、、程序執行 階段、輸出刷新階段。如圖 1-2 所示 plc 的掃描工作過程。 圖 2-3 plc 的掃描工作過程 2.2 plc 的主要應用 經過 20 多年的工業運行，plc 迅速滲透到工業控制的各個領域，從 plc 的 功能來看，它的應用范圍大致包括以下幾個方面： （1）邏輯控制 plc 具有邏輯運算功能，可以實現各種通斷控制。 （2）定時控制 plc 具有定時功能。它為用戶提供幾十個甚至上千個計 時器，其計時時間設定值既可以由用戶程序設定，也可以由操作人員在工業現場 通過人機對話裝置實時設定，計時器的實際計時值也可以通過人機對話 裝置實時讀出或 （3）計數控制 plc 具有計數功能。它為

22、用戶提供幾十個甚至上千個計 數器，其計數設定值的設定方式同計時器計時時間設定值一樣。計數器的實際計 數值也可以通過人機對話裝置實時讀出。 （4）步進（順序）控制 plc 具有步進（順序）控制功能。在新一代的 plc 中，還可以 iec 規定的用于順序控制的標準化語言順序功能圖（sfc） 編制用戶程序，plc 在實現按照事件或輸入狀態的順序控制相應輸出的場合更簡 便。 （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 控制模塊來實現。 （6）數據處理 plc 具有數據處理能力。它能進行自述運算數據比較， 數據傳送，數制轉換，數

23、據顯示和打印，數據通信等功能。新一代的大，中型 plc 還能進行函數運算，浮點運算等。 （7）通信和聯網 新一代的 plc 都具有通信功能。它既可以對遠程 i/o 進 行控制，又能實現 plc 和 plc，plc 和計算機之間的通信。因此，可以方便地 構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統。 （8）plc 還具有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，例如：定 位控制模塊，crt 模塊等。 2.3 s7-200 系列可編程控制器 德國的西門子（siemens）公司是歐洲最大的電子和電氣設備制造商，生產 的 simatic 可編程序控制器在歐洲處于領先地位。其第一代可編程序控制器是 于

24、1975 年投放市場的 simatic s3 系列控制系統。 1979 年微處理器技術被應用 到可編程序控制器中后，產生了 simatic s5 系列，隨后在 20 世紀末又推出了 s7 系列產品。 2.3.1 s7-200 plc 系統組成 1cpu 模塊 從 cpu 模塊的功能來看，simatic s7-200 系列小型可編程序控制器的發展， 大致經歷了兩代： 第一代產品其 cpu 模塊為 cpu 21x，主機都可進行擴展，它具有四種不同 結構配置的 cpu 單元：cpu 212，cpu 214，cpu 215 和 cpu 216。 第二代產品其 cpu 模塊為 cpu 22x，是在 21

25、 世紀初投放市場的，速度快， 具有較強的通信能力。它具有四種不同結構配置的 cpu 單元：cpu 221，cpu 222、cpu 224 和 cpu 226，除 cpu 221 之外，其他都可加擴展模塊。 2 輸入輸出擴展模塊 （1） 設備連接 圖 2-3 i/o 擴展示意圖 （2） 最大 i/o 配置的預算 在進行 i/o 擴展時,各擴展模塊在 5vdc 下所消耗的電流應不大于 cpu 主機模板 在 5vdc 下所能提供的最大擴展電流. 各 cpu 在 5vdc 下所能提供的最大擴展電流如表 2-4 所示。 表 2-4 cpu 提供的最大擴展電流 2.3.1 s7-200 系列 plc 元件

26、功能 1. 數據類型 數據類型 s7-200 系列 plc 的數據類型可以是字符串、布爾型（0 或 1） 、整 數型和實數型（浮點數） 。布爾型數據指字節型無符號整數；整數型數包括 16 位 符號整數（int）和 32 位符號整數（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 用來接收用戶設備輸入信 號的接口。plc 中的繼電器與繼電器控制系統中的繼電器有本質性的差別，是軟 繼電器，它實質是存儲單元 輸入映像寄存器的地址分配：s7-200 輸入映像寄存 器區域有 ib0ib15 共 16 個字節的存儲單元。系統對輸入映

27、像寄存器是以字節 （8 位）為單位進行地址分配的。 （2） 變量存儲器 v 變量存儲器主要用于存儲變量。可以存放數據運算的中間運算結果或設置參 數，在進行數據處理時，變量存儲器會被經常使用。變量存儲器可以是位尋址， 也可按字節、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號范圍根據 cpu 的型號有所 不同，cpu221/222 為 v0.0v2047.7 共 2kb 存儲容量，cpu224/226 為 v0.0v5119.7 共 5kb 存儲容量 （3） 內部標志位存儲器（中間繼電器）m 內部標志位存儲器，用來保存控制繼電器的中間操作狀態，其作用相當于繼 電器控制中的中間繼電器，內部標志位存儲器在 pl

28、c 中沒有輸入/輸出端與之對 應，其線圈的通斷狀態只能在程序內部用指令驅動，其觸點不能直接驅動外部負 載，只能在程序內部驅動輸出繼電器的線圈，再用輸出繼電器的觸點去驅動外部 負載。 （4） 特殊標志位存儲器 sm plc中還有若干特殊標志位存儲器, 特殊標志位存儲器位提供大量的狀態和 控制功能，用來在cpu和用戶程序之間交換信息，特殊標志位存儲器能以位、字 節、字或雙字來存取。 （5） 定時器 t plc 所提供的定時器作用相當于繼電器控制系統中的時間繼電器。每個定時 器可提供無數對常開和常閉觸點供編程使用。其設定時間由程序設置。 （6） 計數器c 計數器用于累計計數輸入端接收到的由斷開到接通

29、的脈沖個數。計數器可提 供無數對常開和常閉觸點供編程使用，其設定值由程序賦予。 （7） 累加器 ac 累加器是用來暫存數據的寄存器，它可以用來存放運算數據、中間數據和結 果。cpu 提供了 4 個 32 位的累加器，其地址編號為 ac0ac3。累加器的可用 長度為 32 位，可采用字節、字、雙字的存取方式，按字節、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。 2.4 pid 控制器簡介 基于偏差的比例(proportlonal)、積分(integral)和微分(derivative)的控制器簡稱 為 pdi 控制器，它是工業過程控制中最常見的一種過程控制器

30、。由于 pid 控制器 算法簡單、魯棒性強，因而被廣泛應用于化工、冶金、機械、熱工和輕工等工業 過程控制系統中。 盡管工業自動化飛速發展，但是 pid 控制技術仍然是工業過程控制的基礎。 根據日本有關調查資料顯示，在現今使用的各種控制技術中，pid 控制技術占 84.5%，優化 pid 控制技術占 6.8%，現代控制技術占 1.6%，手動控制占.66%， 人工智能(al)控制技術占 0.6%。如果把 pid 控制技術和優化 pid 控制技術加起來， 則占到了 90%以上，而文獻指出，工業過程控制中，95%以上的回路具有 pid 結 構。因此，可以毫不夸張地說，隨著工業現代化和其他各種先進控制技

31、術的發展， pid 控制技術仍然不過時，并且它還占著主導地位。同時，由于工業過程對象的 精確模型難以建立，系統參數又經常發生變化，因而在用 pid 控制器進行調節時， 又往往難以得到最佳的控制效果。 2.4.1 pid 控制器的結構及原理 pid 控制器是一種基于偏差“過去、現在和未來”信息估計的有效而簡單的控 制算法。常規 pid 控制系統原理圖如圖 2-5 示。 圖 2-5 pid 控制系統原理圖 整個系統主要由 pid 控制器和被控對象組成。作為一種線性控制器，pid 控制器 根據給定值 sv 和實際輸出值 pv 構成控制偏差， 即 e(t)=r(t)-y(t) (2. 1) 然后對偏差

32、按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。 由圖 2-5 得到 pid 控制器的理想算法為 (2. 2) 01 p )( )( 1 )(ku(t) dt tde tdtte t te d 或者寫成常見傳遞函數的形式為： (2. 3)() 1 1 ()( 1 sest st ksu dp 其中， 、ti、td 分別為 pid 控制器的比例增益、積分時間常數和微分時間常數。 式(2.2.2)和式(2.2.3)是我們在各種文獻中最經常看到的 pid 控制器的兩種表達形 式。各種控制作用(即比例作用、積分作用和微分作用)的實現在表達式中表述的 很清楚，相應的控制器參數包括比例增益凡

33、、積分時間常數 ti 和微分時間常數路。 這三個參數的取值優劣將影響到 pid 控制系統的控制效果好壞。 2.4.2 數字式 pid 控制 在供水系統的設計中，選用了具有 pid 調節模塊的變頻器來實現閉環控制保 證供水系統中的壓力恒定，較好地滿足系統的恒壓要求。在連續控制系統中，常 采用 proportional(比例)、integral(積分)、derivative(微分)控制方式，稱之為 pid 控制。pid 控制是連續控制系統中技術最成熟、應用最廣泛的控制方式。具有以 下優點:理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。pid 控制器 是一種線性控制器，它是對給定值:r(t)

34、和實際輸出值只 t)之間的偏差 e(t): e(t)=y(t)一 r(t) (2.4)() 1 1 ()( 1 sest st ksu dp 經比例(p)、積分(i)和微分(d)運算后通過線性組合構成控制量 u(t)， 對被控對象進行控制，故稱 pid 控制器。系統由模擬 pid 控制器和被控對象組成， 其控制系統原理框圖如圖 2-6 所示，圖中 u(o 為 pid 調節器輸出的調節量。 圖 2-6 pid 控制原理圖 pid 控制器規律為： （2.5） dt tde tdtte t tekty dp )( )( 1 )()( 1 式中：為比例系數；為積分時間常數；為微分時間常數。 p k 1

35、 t d t 相應地傳遞函數形式： （2.6）) 1 1 ( )( )( )(g 1 st st k se su s dp pid 控制器各環節的作用及調節規律如下: l)比例環節:成比例地反映控制系統偏差信號的作用，偏差 e(t)一旦產生，控 制器立即產生控制作用，以減少偏差。比例環節反映了系統對當前變化的一種反 映。比例環節不能徹底消除系統偏差，系統偏差隨比例系數凡的增大而減少，比 例系數過大將導致系統不穩定。 2)積分環節:表明控制器的輸出與偏差持續的時間有關，即與偏差對時間的積 分成線性關系。只要偏差存在，控制就要發生改變，實現對被控對象的調節，直 到系統偏差為零。積分環節主要用于消除

36、靜差，提高系統的無差度。積分作用的 強弱取決于積分時間常數不，不越大，積分作用越弱，易引起系統超調量加大， 反之則越強，易引起系統振蕩。 3)微分環節:對偏差信號的變化趨勢(變化速率)做出反應，并能在偏差信號變 得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度， 減少調節時間。微分環節主要用來控制被調量的振蕩，減小超調量，加快系統響 應時間，改善系統的動態特性。但過大的幾對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。 pid 的三種作用是相互獨立，互不影響。改變一個調節參數，只影響一種調節作 用，不會影響其他的調節作用。然而，對于大多數系統來說，單獨使用一種控制 規律都難以獲得良好的控

37、制性能。如果能將它們的作用作適當的配合，可以使調 節器快速，平穩、準確的運行，從而獲得滿意的控制效果。自從計算機進入控制 領域以來，用數字計算機代替模擬調節器來實現 pid 控制算法具有更大的靈活性 和可靠性。數字 pid 控制算法是通過對式（2.6）離散化來實現的。用一系列的采 樣時刻點 nt 代表連續時間，用矩形法數值積分近似代替連續系統的積分，以一 階后向差分近似代替連續系統的微分，得到 pid 位置控制算法表達式: （2.7） ) 1()()()()( 0 nene t t je t t neknu d n j i p 式中:t 為采樣周期;n 為采樣序號;e(n)為第 n 時刻的偏差

38、信號;e(n 一 l)為 第 n 一 1 時刻的偏差信號。pid 位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計算本 次與上次的偏差信號 e(n)和 e(n 一 l)，而且還要把歷次的偏差信號 e(j)相加，計算 繁鎖，占用內存大;另一方面計算機輸出的控制量 u(n)對應的是執行機構的實際位 置偏差，如果位置傳感器出現故障，u(n)可能出現大幅度變化，引起執行機構的 大幅度變化，這是不允許的。為此實際控制中多采用增量式 pid 控制算法，其表 達式為（2.8）: 1 ( )( )(1)( )(1)( ) p u nu nu nke ne nk e n （2.8）( )2 (1)(2) d ke ne

39、ne n 式中：為調節器輸出的控制增量：( )u n 1 ; d ipdp tt kkkk tt 增量式算法中不需要累加，調節器輸出的控制增量 au(n)僅與最近幾次采樣有關， 所以誤動作時影響較小，必要時可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易 通過加權處理獲得比較好的控制效果。 2.4.3 數字式 pid 控制的實現 pid 控制器是控制系統中應用最廣泛的一種控制器，在工業過程控制中得到 了普遍的應用。過去的 pid 控制器通過硬件模擬實現，但隨著微型計算機的出現， 特別是現代嵌入式微處理器的大量應用，原先 pid 控制器中由硬件實現的功能都 可以用軟件來代替實現，從而形成了數值 pid

40、 算法，實現了由模擬 pdi 控制器到 數字 pid 控制器的轉變。數字 pid 控制器在實際應用中可分為兩種:位置式 pid 控制器和增量式 pid 控制器。 應用中，位置式 pid 控制器和增量式 pid 控制器的算法實現分別如圖 2-7 和 圖 2-7、圖 2-8 所示。 圖 2-7 位置式 pid 算法實現 圖 2-8 增量式 pid 算法實現 第 3 章 水塔水位控制系統方案設計 在傳統的水塔、水箱供水的基礎上，加入了 plc 及液壓變送器等器件利用 plc 和組態軟件來實現水塔水位的控制提供了一種實用的水塔水位控制方案。 控制系統組成 3.1 系統的工作原理 在系統中，只使用比例和

41、積分控制，其回路增益和時間常數可以通過工程 計算初步確定，但還需要進一步調整達到最優控制效果。系統啟動時，關閉出 水口，用于動控制輸入控制液體閥，使水位達到滿水位的 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 數字量控制。 3.1.1 設計分析 圖 3-1 設計分析示意圖 “水塔水位自動控制系統”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 1（a） 。當水位在低于 c 點時，水泵開始進 水，如圖 1（b） 。當水位高于 d 點時，水泵停止進水，如圖 1（c） 。當水位低于 c 點并到達 b 點時就報警，采

42、取手動啟動水泵，如圖 1（d） 。當水位超過 d 點并 到達 e 點時上限報警，采取強制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖 1（e） 。 3.1.2 可行性試驗 圖 3-2 為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報警確認燈、水位指示 燈以及報警確認開關組成。接通電源時，電源指示燈亮，當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 3-2 水塔水位控制器外觀圖 當水位處于 b 點之下，指示燈 b、c、d、e 全亮，報警電路開始報警， 即下限報警。 當水位處于 b、c 之間，指示燈 b 滅，c、d、e 亮，水泵開始進水。 當水位處于 c、d 之間，指示燈 b、c 滅，

43、c、d 亮，保持狀態，即保持 進水。 當水位處于 d、e 之間，指示燈 b、c、d 滅，e 亮，停進狀態，即水泵 不工作。 當水位處于 e 點之上，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。 報警電路可以手動關閉，只要按下報警確認開關，就可以解除報警的蜂鳴 聲。此時，報警確認燈亮起。處理完故障時，必須關閉報警確認燈，報警確認電 路復位，恢復其監測故障的功能。 3.1.3 可行性分析 此方案采用純硬件電路設計，避免了軟件程序設計中的不穩定因素，提高了 實際運用中的可靠性。同時，對于不同類型的液體，此系統均有良好的兼容性。 當水塔中液體改變時，只需要將電位器中的

44、阻值和該液體的阻值調節到一個數量 級上就可以很方便的實現此液體的水位控制操作。試驗證明，此水塔水位控制器 不僅實現了對水塔水位的精確控制，而且，此系統更具有工業生產的實際性。 3.2 水位閉環控制系統 圖 3-3 供水系統控制原理圖 m1、m2水泵 y0-y3液位開關 f1手閥 f2電磁閥 為了精確的實現對水位的控制，必須建立閉環控制系統。根據水塔中的進、 出水的水位可以自動控制水泵，使水位處于動態的平衡狀態。 供水系統的基本原理如圖 1 所示，水位閉環調節原理是：通過在水塔中的三個液 壓變送器，將水位值變換為 420 ma 電流信號進入 plc，把該信號和 plc 中的 設定值的程序進行比較

45、，并執行較后程序，通過水泵的開關對水塔中的水位進行 自動控制。當 plc 出現故障時，還有一套手動控制來進行對水塔水位控制。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，f2 打開。液位上升至 y2 時，m2 停 止，f2 關閉，m1 繼續工作。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下水箱液位低于 y0 時意味著水泵 進水口缺水，此時

46、應自動切斷電源并報警。 圖 3-4 水位閉環控制圖 3.2.1 plc 的選擇 由于該系統為中型 plc 自動控制系統，要求 plc 能夠提供可編程邏輯分析 和 pid 功能，故選用中達公司生產的臺達 dvp14es00r 可編程邏輯控制器。臺 達 dvp14es00r 具有標準的輸入、輸出及通信單元，可用于較為惡劣的環境中。 主要配件有中央處理器 cpu，電源單元 pse，i/o 單元。包括數字輸入板 idpg、 數字輸出板 odpg、附屬單元。 3.2.2 供水的控制方法 圖 3-5 給水泵控制原理圖 系統的硬件接線圖如圖 3-5 所示。從整個流程中可以看到兩套控制方式： 由一臺可編程序控

47、制器來控制兩臺水泵的自動運行。由交流接觸器來控制兩臺 水泵的手動運行。當換項開關 kkl 打到手動時，按下起動按鈕 sbl，1#泵起動運 行向水塔注水，由于設置了順序開啟和逆序關閉，在 1#泵沒有開起的情況下，2# 泵不能起動運行，而在兩個水泵同時運行時，2#泵在沒有停止的情況下，1#泵不 能夠停止。現在 1#泵運行的時候，按下起動按鈕 sb2，2#泵起動運行向水塔注水。 此時，控制臺上的水位燈，由水塔中的液位變送器將水位變換為 420ma 電流信 號輸入到 plc 中，經 idpg 將其轉換為數字信號。該信號與水位給定值進行比較， 由 plc 輸出一個控制信號經 odpg 轉換控制信號點亮此

48、時水塔水位所在的水位燈。 當換項開關 kk1 打到自動時，系統將根據水塔中水位的情況，通過在水塔中的液 位變送器送出的 420 ma 電流信號由 plc 接受并對其于給定值進行比較，執行 事先編譯好的程序。程序流程是：在水塔中無水時，1#、2#泵同時開起，對水塔 進行注水；水位到達低水位時，控制臺上的低水位燈點亮；水位到達中水位時， 2#泵停止，1#泵繼續運行，中水位燈點亮；水位到達高水位時，1#、2#泵都停止， 高水位燈點亮。而當下水箱水位到達報警水位的時候，報警器開始報警，并切斷 1#、2#泵的運行。 系統各種功能的實現 1水位顯示及報警功能 為了及時觀測到水塔中的水位，特別在控制臺上安裝

49、了 4 盞水位顯示燈，并 將它們與 plc 連接，根據變送器給 plc 的信號，由 plc 輸出信號開啟這 4 盞水 位燈來顯示當前水塔水位的情況。其中一盞燈是報警燈，在下水箱缺水的時候進 行報警，提醒工作人員前來處理。 2手動/自動功能 為了系統能正常運行，設置兩套手動/自動運行方式。手動方式是利用繼電器- 接觸器控制，可以在環境比較惡劣的條件下繼續工作，自動方式是利用 plc 來控 制。 3組態軟件功能 在這里利用組態軟件的采集數據的功能，對水塔的水位進行實時監控，通過 實際的數字和圖表反映出現在的水位狀況。 第 4 章 plc 中 pid 控制器的實現 4.1 pid 算法 pid(pr

50、oportiona1integralderivative)是工業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+積分項+微分項】組成。積分項的作用是消 除系統靜差，而微分項則改善系統的動態響應速度。 plc 技術不斷增強，運行速度不斷提高;不但可以完成順序控制的功能，還可 以完成復雜的閉環控制。圖 4.1 是常見閉環控制系統的構成。 4-1 閉環控制系統 作為閉環控制的重要特征，采用了“誤差”的概念，即:在閉環控制系統中，利 用給定輸入 sp(t)與實際輸出 c(t)經過測量裝置裝置轉換后的反饋量

51、pv(t)之間的差 值 e(t)作為控制量，來實現對系統的控制。 在實際閉環控制系統中，誤差 e(t)一個很小的變化量。因此，為了對系統進行更 精確的控制，消除系統在穩態的輸出誤差，改善系統的動態響應性能，需要對誤 差進行放大(比例調節 p)、積分(積分調節 i)、微分(微分調節 d)，才能有效地控制 系統中的執行機構，保證系統具有良好的動、靜態性能。 在自動控制系統中，用來對誤差進行放大、積分、微分等處理的裝置稱為 “調節器”，當調節器具有“放大”、 “積分”、 “微分”功能時，即成為 pid 調節器。 在變頻恒壓供水自動控制系統的產品開發和應用實踐中，經常采用 pid 控制 器、軟件 pi

52、d 以及變頻器內置 pid 來實現系統的 pid 調節功能，三種方法各具優 缺點，本設計選用 pid 算法的 plc 實現方法。 4.2 pid 應用 在工業生產中，常常需要用閉環控制方式來控制溫度、液位、壓力、流量等 連續變化的模擬量。無論是使用模擬控制器的模擬控制系統，還是使用計算機 （包括 plc）的數字控制系統，pid 控制都等到了廣泛的應用。pid 控制簡單易 懂，使用中不必能清楚系統的數字模型。有人稱贊它是控制領域的常青樹是不無 道理的。 pid 控制器是比例-積分-微分控制(proportional-integral-derivative)的簡稱,之 所以得到廣泛應用是因為它具有

53、如下優點： （1）不需要精確地控制系統數字模型。由于非線性和時變性很多工業控制 對象難以得到其準確的數字模型，因此不能使用控制理論中的設計方法。對于這 一類系統，使用 pid 控制可以得到比較滿意的效果。 （2）有較強的靈活性和適應性。積分控制可以消除系統的靜差，微分控制 可以改善系統動態響應速度，比例、積分、微分控制三者有效地結合就可以滿足 不同的控制要求。根據被控制對象的具體情況，還可以采用各種 pid 控制的變種 和改進的控制方式，如 pi、pd、帶死區的 pid、積分分離 pid、變速積分 pid 等。 （3）pid 控制器的結構典型，程序簡單，工程上易于實現，參數調整方便。 在 pl

54、c 控制系統中，經常采用模擬量輸入/輸出模塊實現模擬量的數字化處 理，本系統選擇 s7-20o 系列 em235 模擬量模塊，對管網壓力信號進行采樣，并 通過變頻器調整液壓閥輸入與輸出。 4.3 plc 實現 pid 控制的方式 用 plc 對模擬量進行 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 生產廠家設計的，并存放在模塊中，用戶 在使用時只需設置一些參數，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾 十路閉環回路，但是這種模塊的價格較高，一般在大型控制系統中使用。 （2） 使用 pid 功能指令 現在很多 plc 都

55、有供 pid 控制用的功能指令，如 s7-200 的 pid 指令。它們實際 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) 用自編的程序實現 pid 閉環控制 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 控制器的實現 plc 的 pid 控制器的設計是以連續系統的 pid 控制規律為基礎，將其數字化， 寫成離散形勢的 pi

56、d 控制方程，再根據離散方程進行控制程序設計。 在連續系統中，典型的 pid 閉環控制系統如圖 3-1 所示。圖中為給定值，( )sp t 為反饋量，c(t)為系統的輸入量，pid 控制器的輸入輸出關系式為：( )pv t 0 0 1 11 ( )( )( )( ) t c d m tke te t dtde tdtm tt 式中， 控制器的輸出，為輸出的初始值，( )m t 0 m = 誤差信號，( )e t( )( )sp tpv t 比例系數， c k 積分時間常數， 1 t 微分時間常數。 d t 圖 4-2 連續閉環控制系統方框圖 上式中等號右邊前 3 項分別是比例、積分、微分部分，

57、它們分別與誤差、誤 差積分和微分成正比。如果取其中一項或兩項，可以組成 p、pd 或 pi 控制器。 假設采樣周期為，系統開始運行的時刻為 t=0，用矩形積分來近似精確積 s t 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 1 () n ncnjdnn j mk ekekeem 式中， 第 n-1 次采樣誤差值。 1n e 積分系數。 1 k 微分系數。 d k 在 s7-200plc 中，實際使用的 pid 算法為： ( )( )( )( ) pid m nmnmnmn 式中： 第 n 次采樣的調節器輸出 ( )m n 比例項 ( ) p mn ( )(

58、) pc mnk e n 積分項 ( ) i mn 0 ( )( ) n iiij j mnk e nke 微分項 ( ) d mn ( )1 dd mnke ne n 基于 plc 的閉環控制系統如圖 4-2 所示，圖中虛線部分在 plc 內。這圖中 的、分別為模擬量、在第 n 次采樣的 n sp n pv n e n m( )sp t( )pv t( )e t( )m t 數字量。 圖 4-3 plc 閉環控制系統方框 在許多控制器系統內，可能只需要 p、i、d 中的一種或兩種控制器類型。例 如，可能只要求比例控制或積分控制，通過設置參數可對回路控制類型進行選擇。 本系統只適用比例和積分控

59、制，其回路增益和時間常數可以通過工程計算初 步確定，但還需要近一步調整已達到最優控制效果。系統啟動時，關閉出水口。 用手動控制液體閥，使水位達到滿水位的 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。這種切換有一個輸入的數字量控制。 4.5 pid 指令及回路表 s7-200 的 pid 指令圖如圖 3-4 所示。 圖 4-4 pid 指令圖 指令中 tbl 是回路表的起始地址，loop 是回路編號。編譯時如果指令指定的回 路表起始地址或回路號超出范圍，cup 將產生編譯錯誤（范圍錯誤） ，引起編譯 失敗。pid 指令對回路表中的某些輸入值不進行范圍檢查，應保證過程變量

60、、給 定值等不超限。回路表見表 4-1. 過程變量與給定值是 pid 運算的輸入值，在回路表中它們只能被 pid 指令讀 取而不能改寫。每次完成 pid 運算后，都要更新回路表內的輸出值，它被限 n m 制在 0.01.0 之間。 表 4-1 pid 指令的回路表 偏移地址變量格式類型描述 0過程變量 n pv雙字實數輸入應在 0.01.0 之間 4給定值 n sp雙字實數輸入應在 0.01.0 之間 8輸出值 n m雙字實數輸入/輸出應在 0.01.0 之間 12增益 c k雙字實數輸入比例常數，可正可負 16采樣時間 s t雙字實數輸入單位為 s，必須為正 20積分時間 1 t雙字實數輸入