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1、装订线毕业设计（论文）报告纸目 录前言21课题设计的背景22造纸废液处理的意义23过程控制的发展概况24可编程逻辑控制器（PLC）的发展35 PLC生产过程控制系统4第二章过程控制方案比较、设计51工艺过程分析52配料（混料）反应系统63干燥处理系统74控制原理图（见附录）85调节阀流通能力的计算95.1调节阀95.2 PID控制算法106数字PID参数的选择166.1采样周期的选择166.2数字PID控制的参数选择17.6.3数字PID控制的工程实现19第三章控制系统的硬件设计231可编程控制器231.1可编程控制器（PLC）231.2可编程控制器的基本原理231.3可编程控制器261.4模
2、拟量输入模块261.5模拟量输出模块272液位计273温度变送器283.1概述283.2主要特点283.3工作原理294压力变送器305电动执行机构31第四章控制系统软件设计341控制系统整体分析341.1系统设计基本原则341.2逻辑控制要求341.3系统主电路图351.4输入/输出点数统计351.5PLC最终选型37总结38致谢39参考文献40附录41前言1课题设计的背景本设计的背景是利用造纸工业产生的废液生产颗粒状复合肥料,要求为该生产过程设计相应的控制系统。造纸企业污染排放是我国水污染的一个主要原因。将造纸厂的废水直接排放会导致生态环境严重恶化，而废水污染治理不仅技术复杂，而且投资很大
3、，因此造纸废液治理成为企业和社会日益关注的问题。另一方面，造纸黑液也含有大量的可利用成分，其中含氮、钾（硫酸钾）、磷、硅及有机物等因此。可以将造纸厂排出的黑液浓缩后，与有机质预配料混合,再通过喷雾干燥成复合肥，达到治理造纸黑液的目的。2造纸废液处理的意义造纸术作为我国古代“四大发明”之一，对人类文明的进步做出了巨大的贡献，但现代造纸工业却处在落后水平。在我国，造纸业是传统的用水大户，也是造成水污染的重要污染源之一。随着经济的发展，企业日益面临水资源短缺、原料匮乏的问题，而另一方面，水污染也越来越严重。目前我国造纸工业废水排放量及COD排放量均居我国各类工业排放量的首位，造纸工业对水环境的污染最
4、为严重，它不但是我国造纸工业污染防治的首要问题，也是全国工业废水进行达标处理的首要问题。据统计，我国县及县以上造纸及纸制品工业废水排放量占全国工业总排放量的18.6%，其中处理排放达标量占造纸工业废水总排放量的49.3%，排放废水中COD约占全国工业COD总排放量的44.0%。近年经多方不懈努力，造纸工业水污染防治已经取得了一定的成绩，虽然纸及纸板产量逐年增加，但排放废水中的COD却逐年降低。由此看出，造纸工业初步实现了“增产减污”的目标。但目前造纸行业约占排放总量50%的废水尚未进行达标处理，废水污染防治任务还相当繁重。造纸黑液作为造纸工业的主要污染物，含有大量可利用成分。典型造纸黑液所含的
5、污染杂质中，约有1/3为无机物，无机物主要包括大量的游离碱和硫化物。2/3为有机物，有机物主要是木质素、半纤维素、糖类和有机酸等。这些物质作为资源进行回收，就能化害为利，创造出极为可观的价值。因此对造纸黑液的治理，只有走资源化的道路，搞综合利用，才能从根本上解决污染环境的问题，并在取得环境效益的同时，还可取得良好的经济效益和社会效益。3过程控制的发展概况基本概念过程控制系统-指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。过程控制-指工业部门生产过程的自动化。过程控制的重要性进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术
6、。过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。过程控制的发展概况19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。主要特点：检测和控制仪表-采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构-单输入、单输出系统；被控参数-温度、压力、流量和液位参数；控制目的-保持这些参数的稳定，
7、消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论-频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车间或大型装置的集中控制。主要特点：检测和控制仪表-采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构-多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；控制目的-提高控制质量或实现特殊要求；理论-除经典控制理论，现代控制理论开始应用。前馈控制-按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以地提高控制质量。
8、选择性控制-在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事，自动实现的保护性控制。19世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点：检测和控制仪表-新型仪表、智能化仪表、微型计算机；过程控制系统结构-由单变量到多变量系统，由PID控制规律到特殊控制规律，由定值控制到最优控制、自适应控制，由仪表控制系统到智能化计算机分布式控制系统；理论-现代控制理论过程控制领域，如状态空间分析，系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。4可编程逻辑控制器（PLC）的发展可编程控制器（Programble Controller）由美国设备数字公司于60年代末首先
9、开发出来，并在通用汽车公司的技术改造中得到了成功的应用。主要实现多种逻辑控制问题以取代传统的继电器硬接线方式控制系统，另外也具备简单的逻辑处理、计数、定时功能。到20世纪70年代后期，人们将微处理器应用于PLC中，使之成为一种专业的工业控制计算机，功能大大增强。逐渐成为实现工业自动化的主要手段之一。PLC正朝着两个方向发展，一是微小型，具有体积更小、速度更快、功能更强、多功能、兼容性更好等特点，为小型化、低成本的控制要求服务；二是大型，在具有以上特点的同时，还具有网络化、通信等特点，以满足组网功能，组建整个工厂的自动化控制系统。随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能正在不断的改进，
10、各个厂家也在不断推出自己的新产品，产品的更新换代速度很快。在造纸废液处理这个领域，传统的技术大多使用的传统的控制方式继电器式。但是很多大型现代化的污水处理企业已经开始使用PLC控制系统。相比之下，PLC控制系统在控制性能和了或新性上都超过传统控制方式，在行业内也得到了广泛的认可。逐步在新一轮的技术改造中占据优势。5 PLC生产过程控制系统可编程控制器（PLC）作为一种新兴的工业控制设备，它集合了计算机技术和自动化技术。其灵活可靠、功能强大、使用方便的优点，使得可编程控制器在控制系统中的应用越来越广泛。随着科技的飞速发展，现在的可编程控制器已经拥有了很多的功能，可以用于逻辑控制、模拟控制、设备控
11、制、自动化生产控制等。还可以与其他的计算机等设备组成集散控制系统。可编程控制器之所以能得到飞速发展，是因为它和传统的电器控制相比有很多优点，它继承了传统控制方式的控制效果和功能，它还有传统控制方式无法实现的功能。具体的说，相对于传统的控制方式，它有以下优点：1.控制方法，传统控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合进行控制逻辑，其明显的缺点是线多且复杂、体积大、功耗大。系统一旦架构完毕，将无法进行实时的系统改进和升级。可编程控制器因为采用了计算机技术，其逻辑是以方程式的方式存在存储器里，因此，在结构上体积小、接线少、功耗小。触点结构也可以灵活的扩展。2.控制速度，传统
12、控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快， 程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。3.控制精度，传统控制电路由于机械接触问题，无法达到可编程控制器精度高。4.可靠性，传统的控制系统用机械触点接触，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。第二章过程控制方案比较、设计1工
13、艺过程分析利用造纸工业产生的废液生产颗粒状复合肥的简化工艺过程如图2-1所示：图2-1工艺过程可以如下描述，在颗粒复合肥的生产过程中，经浓缩后的造纸黑液经泵P1送入1#储料罐，有机配料浓液经泵P2送入2#储料罐中。经泵P3、P4将两种液体输入反应器3#罐中，先加热到一定温度，然后进行搅拌。搅拌一段时间后由P5送入4#原料罐中，再由高压泵P5打入压力式干燥器中进行干燥处理，产品由干燥器下部收集。通过对整个工艺过程的分析，可以将该生产过程分为两大部分，如图2-2所示，即混料反应过程和干燥工程。图2-2据此，我们将造纸废液生产颗粒状复合肥料（plc）控制系统主要分两大（系统）部分组成：一是配料（混料
14、）反应系统，如图2-3所示；二是干燥处理系统，如图2-4所示。图2-3配料（混料）反应系统图2-4 干燥系统2配料（混料）反应系统图2-3配料（混料）反应系统的工艺过程控制仪描述为，将1#、2#罐中的反应液按一定得要求倒入3#反应罐中，进行加热到T,然后进行搅拌工序，搅拌t时间后，将3#罐中的混合料打入4#罐中，准备进入干燥系统。如何将1#、2#罐中的原料注入3号罐中，以实现原料的按比例注入，其方法大致有以下几种：第一种设计方法，通过调节泵P3、P4的流量来实现对原料成比例注入反应罐的控制。该设计方法能够实时的实现原料的按比例注入，更利于原料的混合，但是要通过PLC实现，则需要采用比例，比例-
15、积分-微分等复杂的控制。对现场的仪表、设备及整个系统的要求比较高。第二种设计方法，通过调节1#、2#罐的液位上下限来实现对原料成比例注入反应罐的控制。该设计方法利用简单的设备，即实现了原料的按比例注入，考虑到3#反应罐在混料后有搅拌过程，所以，这种方法也不会出现原料混合不均的情况。但是，这种方法却无法最好的利用大容量的1#、2#储料罐的储料功能。第三种设计方法，在反应罐中设置上中下三个液位限，按先后顺序注两种原料，以此来实现对原料成比例注入反应罐的控制。这种方法基本上克服了第一、二种方法中的缺点，同时，也满足了基本的要求。经过对已知三种方法的对比分析，在本设计中选择第三种设计方法进行3#罐的原
16、料按比例注入控制。3干燥处理系统图2-4干燥系统的工艺过程可以描述为，来自1#、2#原料罐的原料在3#罐经过反应、加热、搅拌等工序以后，形成了高浓度的糊状物质，储存在4#原料罐中，经过高压泵P6打入到干燥器中，干燥后最终得到我们的产品。要实现该干燥过程的自动控制，首先要选择出合适的被控参数，要检测产品是否干燥合格，最直接的方法就是检测产品中的水分，但是由于技术水平等原因，测量水分十分困难，所以，我们选择干燥器温度作为被控参数。温度波动小于1.在干燥过程中分别有原料流量、空气量、蒸汽量影响干燥器温度，分别会形成不同的控制方式，具体的控制示意图分别如下：图2-5以混合料流量为控制参数的控制方案示意
17、图图2-6以进风量为控制参数的控制方案示意图图2-7以蒸汽量为控制参数的控制方案示意图说明：f1(t)混合料流量；f2(t)风量；f3(t)蒸汽量。按照图2-5使用混合料流量作为控制参数时，控制通道滞后最小，对干燥温度的校正是最灵敏的，绕的通道的时间延迟大并且作用位置靠近调节阀，从控制方面来看是最好的选择。但是，该生产过程的最终产品是颗粒状的复合肥料，要检测产品的生产能力会很难实现，因此，图2-5所示控制工艺不可取。图2-6、图2-7所示控制工艺区别在于：由于换热器是一双容对象，时间常数大，因而采用风量为控制参数时，图2-6控制系统的控制通道的时间常数小，扰动通道的时间常数则大；采用蒸汽量为控
18、制参数时（图2-7），控制通道时间常数大，扰动通道时间常数反而小。此外，采用风量为控制参数时，扰动作用点位置靠近调节阀，根据相关选择控制参数的原则，选择空气量为控制参数的方案为最佳，亦即图2-6控制方案。4控制原理图（见附录）5调节阀流通能力的计算调节阀额定流量系数的定义是：在规定条件下，即阀的两端压差为105Pa，流体的密度为1g/cm3，额定行程时流经调节阀以m3/h或t/h的流量数。调节阀的流通能力值，是调节阀的重要参数，它反映流体通过调节阀的能力，也就是调节阀的容量。根据调节阀流通能力值的计算，就可以确定选择调节阀的口径。为了正确选择调节阀的尺寸，必须准确计算调节阀的额定流量系数值。5
19、.1调节阀（空气类介质）Kv值计算调节阀的流通能力Kv值，介质不同，算法也不同。本设计选用的调节阀是用来控制进风量的，属于气体类介质，所以计算Kv值夜选用气体类算法。a.一般气体当P20.5P1时当P20.5P1时式中：P1阀前压力（绝对压力）KPa；P2阀后压力（绝对压力）KPa；Qg标准状态下气体流量m3/h；Pm (P1、P2为绝对压力)KPa；P=P1-P2；G气体比重（空气G=1）；t气体温度；b.高压气体（PN10MPa）；当P20.5P1时， 当P20.5P1时，式中：Z气体压缩系数，可查GB2624-81流量测量节流装置的设计安装和使用。调节阀选择的一般步骤（1）首先根据生产能
20、力和设备负荷计算最大流量Qmax和最小流量Qmin。（2）根据所选择的流量特性及系统特点选定S值，然后再根据压力分配和管路损失，确定最小压差Pmin和最大压差Pmax。（3）按流通能力计算公式，求行最大流量时的Kvs。（4）根据Kvs在所选产品型式的标准，选取大于Kvs并接近的Kv值。（5）根据选定的Kv值和流量特性，验证调节阀的开度，要求开度在10%与90%之间。（6）计算R，验算可调比。（7）名项验证合格后，根据Kv值确定调节阀的口径。5.2 PID控制算法模拟PID控制系统1、模拟PID控制系统组成 图28 模拟PID控制系统原理框图2、模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是
21、一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。 1、PID调节器的微分方程 式中 2、PID调节器的传输函数 3、PID调节器各校正环节的作用比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。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TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，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
22、小调节时间。数字PID控制器1、模拟PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式2、数字PID控制器的差分方程式中 称为比例项 称为积分项 称为微分项3、常用的控制方式P控制 PI控制 PD控制 PID控制 4、PID算法的两种类型 、位置型控制例如图515调节阀控制 、增量型控制例如图516步进电机控制 PID算法的程序实现1、增量型PID算法的程序流程1、 增量型PID算法的算式 式中，2、增量型PID算法的程序流程图517（程序清单见教材） 二、位置型PID算法的程序流程 1、位置型的递推形式 2、位置型PID算法的程序流程图519只需在增量型PID算法的程序流程基础上增加一次加运算u(n)
23、+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。 三、对控制量的限制1、控制算法总是受到一定运算字长的限制2、执行机构的实际位置不允许超过上(或下)极限 标准PID的改进1、微分项的改进一、不完全微分型PID控制算法 1、不完全微分型PID算法传递函数 图521 不完全微分型PID算法传递函数框图 2、完全微分和不完全微分作用的区别 图5-2-2 完全微分和不完全微分作用的区别 3、不完全微分型PID算法的差分方程 4、不完全微分型PID算法的程序流程图523 二、微分先行和输入滤波1、 微分先行微分先行是把对偏差的微分改为对被控量的微分，这样，在给定值变化时，不会产生输出的大幅度变化。而且由
24、于被控量一般不会突变，即使给定值已发生改变，被控量也是缓慢变化的，从而不致引起微分项的突变。微分项的输出增量为 2、 输入滤波输入滤波就是在计算微分项时，不是直接应用当前时刻的误差e(n)，而是采用滤波值e(n)，即用过去和当前四个采样时刻的误差的平均值，再通过加权求和形式近似构成微分项 积分项的改进一、抗积分饱和积分作用虽能消除控制系统的静差，但它也有一个副作用，即会引起积分饱和。在偏差始终存在的情况下，造成积分过量。当偏差方向改变后，需经过一段时间后，输出u(n)才脱离饱和区。这样就造成调节滞后，使系统出现明显的超调，恶化调节品质。这种由积分项引起的过积分作用称为积分饱和现象。克服积分饱和
25、的方法：1、积分限幅法积分限幅法的基本思想是当积分项输出达到输出限幅值时，即停止积分项的计算，这时积分项的输出取上一时刻的积分值。其算法流程如图5-2-4所示。2、积分分离法积分分离法的基本思想是在偏差大时不进行积分，仅当偏差的绝对值小于一预定的门限值时才进行积分累积。这样既防止了偏差大时有过大的控制量，也避免了过积分现象。其算法流程如图5-2-5。 图5-2-4积分限幅法程序流程 5-2-5积分分离法程序流程3、变速积分法变速积分法的基本思想是在偏差较大时积分慢一些，而在偏差较小时积分快一些，以尽快消除静差。即用代替积分项中的 式中 为一预定的偏差限。二、消除积分不灵敏区 1、积分不灵敏区产
26、生的原因 当计算机的运行字长较短，采样周期T也短，而积分时间TI又较长时，)容易出现小于字长的精度而丢数，此积分作用消失，这就称为积分不灵敏区。2、消除积分不灵敏区的措施：1）增加A/D转换位数，加长运算字长，这样可以提高运算精度。2）当积分项小于输出精度的情况时，把它们 一次次累加起来，即其程序流程如图5-2-6所示。6数字PID参数的选择6.1采样周期的选择一、选择采样周期的重要性采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果越接近连续控制。对大多数算法，缩短采样周期可使控制回路性能改善，但采样周期缩短时，频繁的采样必然会占用较多的计算工作时间，同时也会增加计算机的计算负担，而对有些变化缓慢的受控
27、对象无需很高的采样频率即可满意地进行跟踪，过多的采样反而没有多少实际意义。二、选择采样周期的原则采样定理 最大采样周期 式中为信号频率组分中最高频率分量。三、选择采样周期应综合考虑的因素1、给定值的变化频率加到被控对象上的给定值变化频率越高，采样频率应越高，以使给定值的改变通过采样迅速得到反映，而不致在随动控制中产生大的时延。2、被控对象的特性1） 考虑对象变化的缓急，若对象是慢速的热工或化工对象时，T一般取得较大。在对象变化较快的场合，T应取得较小。2） 考虑干扰的情况，从系统抗干扰的性能要求来看，要求采样周期短，使扰动能迅速得到校正。3、使用的算式和执行机构的类型1） 采样周期太小，会使积
28、分作用、微分作用不明显。同时，因受微机计算精度的影响，当采样周期小到一定程度时，前后两次采样的差别反映不出来，使调节作用因此而减弱。2） 执行机构的动作惯性大，采样周期的选择要与之适应，否则执行机构来不及反应数字控制器输出值的变化。4、控制的回路数要求控制的回路较多时，相应的采样周期越长，以使每个回路的调节算法都有足够的时间来完成。控制的回路数n与采样周期T有如下关系：式中，Tj是第j个回路控制程序的执行时间。表5-3-1是常用被控量的经验采样周期。实践中，可按表中的数据为基础，通过试验最后确定最合适的采样周期。6.2数字PID控制的参数选择一、数字PID参数的原则要求和整定方法1、原则要求：
29、被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统与环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述各项要求是困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。2、PID参数整定方法：理论计算法依赖被控对象准确的数学模型（一般较难做到）工程整定法不依赖被控对象准确的数学模型，直接在控制系统中进行现场整定（简单易行） 二、常用的简易工程整定法1、扩充临界比例度法适用于有自平衡特性的被控对象整定数字调节器参数的步骤是：(1)选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。(2)去掉积分作用和微分作用，逐渐增大
30、比例度系数直至系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态(稳定边缘)，记下此时的临界比例系数及系统的临界振荡周期。(3)选择控制度。通常，当控制度为1.05时。就可以认为DDC与模拟控制效果相当。(4)根据选定的控制度，查表5-3-2求得T、KP、TI、TD的值。2、扩充响应曲线法适用于多容量自平衡系统参数整定步骤如下：(1)让系统处于手动操作状态，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来，然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。(2)用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图5-3-1所示。(3)在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间，被控对象时间常数T以及它们的比值T/。(4)由
31、求得的、T及T/查表5-3-3，即可求得数字调节器的有关参数KP、TI、TD及采样周期T。 3、归一参数整定法令，。则增量型PID控制的公式简化为 改变KP，观察控制效果，直到满意为止。.6.3数字PID控制的工程实现给定值和被控量处理一、给定值处理图5-4-2 给定值处理 1、选择给定值SV通过选择软开关CL/CR和CAS/SCC选择： 内给定状态给定值由操作员设置 外给定状态给定值来自外部，通过软开关CAS/SCC选择： 串级控制给定值SVS来自主调节模块 SCC控制给定值SVS来自上位计算机2、给定值变化率限制变化率的选取要适中二、被控量处理图5-4-3 被控量处理 1、被控量超限报警：
32、当PVPH(上限值)时，则上限报警状态(PHA)为“1”；当PVPL(下限值)时，则下限报警状态(PLA)为“1”。为了不使PHA/PLA的状态频率改变，可以设置一定的报警死区(HY)。 2、被控量变化率限制变化率的选取要适中偏差处理 图5-4-4偏差处理一、计算偏差根据正/反作用方式(D/R)计算偏差DV二、偏差报警偏差过大时报警DLA为“1”三、输入补偿根据输入补偿方式ICM的四种状态，决定偏差输出CDV：一、 非线性特性 图545非线性特性控制算法的实现 图5-4-6 PID计算当软开关DV/PV切向DV位置时，则选用偏差微分方式；当软开关DV/PV切向PV位置时，则选用测量(即被控量)
33、微分方式。控制量处理 图5-4-7 控制量处理一、输出补偿根据输出补偿方式OCM的四种状态，决定控制量输出二、变化率限制控制量的变化率MR的选取要适中三、输出保持通过选择软开关FH/NH选择当软开关FH/NH切向NH位置时，输出控制量保持不变；当软开关FH/NH切向FH位置时，又恢复正常输出方式。四、安全输出当软开关FS/NS切向NS位置时，现时刻的控制量等于预置的安全输出量MS；当软开关FS/NS切向FS位置时，又恢复正常输出方式。自动/手动切换在正常运行时，系统处于自动状态；而在调试阶段或出现故障时，系统处于手动状态。图5-4-8为自动/手动切换处理框图。一、软自动/软手动当软开关SA/S
34、M切向SA位置时，系统处于正常的自动状态，称为软自动(SA)；当软开关SA/SM切向SM位置时，控制量来自操作键盘或上位计算机，称为软手动(SM)。一般在调试阶段，采用软手动(SM)方式。二、控制量限幅对控制量MV进行上、下限限处理, 使得MHMVML.三、自动/手动当开关处于HA位置时，控制量MV通过D/A输出，称为自动状态(HA)状态)；当开关处于HM位置时，手动操作器对执行机构进行操作，称为手动状态(HM状态)。四、无平衡无扰动切换1、无平衡无扰切换的要求在进行手动到自动或自动到手动的切换之前，无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行
35、机构的现有位置产生扰动。2、无平衡无扰切换的措施。在手动(SM或HM)状态下，应使给定值(CSV)跟踪被控量(CPV)，同时也要把历史数据，如e(n-1)和e(n-2)清零，还要使u(n-1)跟踪手动控制量(MV或VM)。从输出保持状态或安全输出状态切向正常的自动工作状态时，可采取类似的措施。第三章控制系统的硬件设计1可编程控制器1.1可编程控制器（PLC）PLC(programmer logic controller),即可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程控制器的存储器，用来在其内部进行逻辑运算。顺序控制、定时、计算和运算操作的指令，并通过数字
36、式和模拟式的输入和输出，控制机械的生产过程，PLC及其有关外围设备，都易于扩充功能原则设计。可编程控制器具有以下特点：可靠性高，抗干扰能力强工业生产一般对控制设备有很高的可靠性要求，应具有很强的抗干扰能力，能在恶劣的环境中可靠的工作，平均无故障间隔（MTBF）高，故障修复时间短。功能完善PLC具有数字和模拟量的输入输出，逻辑算术运算定时，计数，顺序控制，功率驱动，通信，人机对话，自检记录和显示功能，使控制水平大提高。编程简单，使用方便目前，大多数PLC均采用继电器式控制形式的“梯形图”编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观，又易于接受，因此普遍受到欢迎。控制程序可变，具有很好的灵活性PLC只
37、需改变程序就可以满足不同的要求，是PLC较继电器控制无可比拟的优点。扩充方便，组合灵活PLC产品大多为模块化设计，都有扩充插口，可以适应各种不同的工业控制需要。1.2可编程控制器的基本原理PLC基本组成部分有输入部分，逻辑部分和输出部分。输入部分是指各种按钮、行程开关，接近开关，转换开关。逻辑部分是由各种继电器及触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路。输出部分是各种继电器。接触器和电磁闸以及信号灯等执行电器。输入逻辑输出图4.1基本组成形式Fig 4.1 The format of basical structure各部分的主要功能作用：输入部分：它收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。逻辑部
38、分：处理输入部分所取得的信息，并且按照被控对象的实际动作要求，做出逻辑反映。输出部分：可提供正在被控制的许多装置中的某些设备实时操作处理。可编程控制器的主要逻辑部件：a. 继电器逻辑：1 输入继电器 2输出继电器 3内部继电器定时器逻辑：1定时条件,2定时语句,3定时器当前值,4定时继电器;计数器逻辑：1计数器的复位信号,2计数器的计数信号,3计数器设定值的记忆单元,4计数器当前计数值单元,5计数器继电器.b. 触发器逻辑 c. 移位寄存器d. 数据寄存器可编程控制器内部存储单元有“I”和“O”这两种状态，对应于继电器的“ON”“OFF”状态，软件为“软继电器”，它与通常的物理继电器相比有以下
39、特点：e. 体积小，功耗低f. 无触点，速度快，寿命长g. 有上千个常开、常闭触点，供程序使用，在使用过程中不考虑触点容量。可编程控制器的内部硬件组成：a. CPU（centrol process unit）它是PLC核心组成部分，功能与微机的CPU功能一致。b. 系统程序存储器它用以存放系统工作程序（监控程序），模块化应用功能子程序，命令解释、功能子程序调用管理，存储各种系统参数等功能。c. 用户存储器用以存放用户程序，即存放通过编程器输入的用户程序d. 输入输出组件（I/O）模块I/O模块是CPU与现声I/O装置或其它外部设备之间的连接部件。e. 编程器编程器是用于用户程序的编制、编辑、调
40、试检查和监视。f. 外部设备g. 电源其原理图如下所示：图 4-2 PLC原理图（3）PLC工作过程的特点PLC工作过程是周期循环扫描的工作过程，如图4-3所示：PLC采用集中采样，集中输出的工作方式，减少了外界干扰的影响。PLC工作过程分三阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段.图 4-3 PLC扫描工作原理图Fig 4.3 The principle of PLC scanning（4）PLC对输出的处理原则a. 输入映像存器的数据，取决于输入端子板上各输入点的上一个刷新期间的接通/断开状态。b. 程序如何执行取决于用户所编制的程序和输入/输出映像寄存器的内容及其它各元件映像
41、寄存器的内容。c. 输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。d. 输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。e. 输出端子的接通/断开状态，由输出锁存器决定。1.3可编程控制器可编程控制器的基本特点：FX系列是由电源、CPU、存储器和输出入器件组成的单元型可编程控制器。而且，AC电源、DC输入型的内装DC24V电源作为传感器的辅助电源。基本单元及扩展单元采用易于维修的装卸式端子台。在编程端子罩内装有RUN/STOP开关。标准型内装8K步有备用电池的RAM存储器。另外，若采用可选的存储卡盒，那么，最大可扩展到16K步。关于存储器的类型，可以选用RAM、EEPROM
42、、EPROM。内含计时器功能，也可以进行时间控制。PC使用A7PHP/A7HGP、A6GPP/A6PHP相对应的编程软件，可以在RUN时改变程序。通过设定参数可以确保编程存储器内原件注释（日文字母/字母数字）区域。此外，还具有利用可输入汉字的外围设备给程序加汉字注释的显示功能。可表现SFC（顺序功能图）方式程序。可设计适合机器运行的顺空程序。此外，程序也可以和指令、梯形电路图互相转换。可编程控制器是由简便指令到复杂控制指令支持。简便指令是为减轻序列程序编辑负担，复杂控制指令则要求控制复杂。可编程控制器具有高速计数器、脉冲捕捉功能、输入输出更新功能、输入滤波器常数变更功能、输入中断功能、定时中断功能、计数中断功能。1.4模拟量输入模块模拟量输入模块的基本特点：模拟特殊模块有四个输入通道，输入通道接受模拟信号并将其装换成数字量，这称为A/D转换。最大分辨率是12位。基于电压或者电流的输入/输出的选择通过用户配线来完成，可选用的模拟范围是-10V到10VDC(分辨率：5mV)、或者4到20mA，-20到20mA(分辨率：20uA)。和主单元之间通过缓冲存储器交换数据，共有32个缓冲存储器（每个16位）。占用扩展总线的8个点，这8个点可以分配成输入或输出，消耗主单元或有源扩展单元5V电源槽30mA的电流。1.5模拟量输出模块模拟量输出模块的基
