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1、 摘 要 基于西门子PLC变频控制系统，采用西门子S7-200PLC,其扩展输入模块EM231，模拟输出模块EM232，利用其内部的PID控制指令，配合三菱D700系列变频器FR-D720S-0.4K-CHT和电机，同时采用压力变送器来检测管网压力，构成闭环调速系统。 变频技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而实现管网水压连续变化。 可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是近几十年发展起来的一种新型的、非常有用的工业控制装置，作为工业自动控制的核心控制部分，使系统的控制精度更
2、高、反应速度更快、系统稳定性更强。在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中得到了广泛的应用，已成为当代工业自动化的主要控制装置之一。液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，在液位控制系统设计中采用PLC内部数字PID控制器，进行输入量的归一化转换，PID计算，输出量转换工程量等操作。促进工业液位控制向着智能控制的方向发展。关键词： PLC、PID控制、闭环调速系统、变频、模拟信号采集目 录1 绪论11.1 课题的提出11.2 PLC液位控制系统的概述及发展11.3课题研究的内容与目的22 PLC液位控制系统的总体设计32.1 S7-200 PLC的
3、概述32.1.1 STEP 7-Micro/WIN简介52.1.2 PLC内置PID模块控制指令应用82.2 建立液位控制系统结构122.2.1 硬件组成122.2.2 控制方法及实现的功能132.2.3 软件设计142.3 PID回路输入变量的转化与标准化142.4 液位控制系统PLC程序设计163 系统调试174.1液位控制系统反馈极性确定174.2 液位控制系统的控制指标17附录1182结 论36参考文献：37致 谢381 绪论1.1 课题的提出近几十年来，自动控制系统已被广泛使用，在其研究与发展上也已趋于完备，而控制的概念更是应用在许多生活周围的事物。在人们生活以及工业生产等诸多领域经
4、常涉及到液位和流量的控制问题，液位控制系统已是一般工业界所不可缺少，例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工, 溶液过滤, 化工生产等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。假若我们能使用此系统来自动维持液位的高度，那么工作人员便可轻易的在操作室获知整个设备的储水状况，因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，不仅能得到很好的效果，而且提升了工作效率。在液位控制系统中采用PLC作为控制器，可以代替大量继电器实现逻辑控制，相对传统液位控制大幅
5、降低了能耗。而且可以在恶劣的工业环境中使用，加强了操作人员的安全系数，同时提高了工作效率。而 PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法，在液位控制系统中，实现了液位模拟量的数字PID控制，从而使系统的稳定性和安全性大大提高。不但大大减低工作人员的危险性，还降低了工作强度。因此，液位自动控制系统对降低能耗、节约成本、提高企业的经济效益，在现代工业液位控制中具有非常重要的意义。1.2 PLC变频控制系统的概述及发展在工业工程生产过程控制中，如液位控制等，有许多元器件需要很精确的控制，并且在生产过程中，为了方便系统的维护，往往需要随时知道各个关键部件的运行状况，以便工作人员进行维护
6、，而在生产设备中安装大量的传感器显然会增加无谓的成本，这时我们就需要一种即可以精确的控制生产设备，有可以随时可以监控设备运行状态的控制设备。继电器在工业过程控制中是经常用到的执行元件，但是我们对继电器发出命令后，如果想知道它的运行状态等信息就无能为力了，而且继电器有机械磨损、老化和容易受环境影响的不利因素，今年来计算机技术的飞速发展，使计算机技术已全面引入可编程控制器中，从而使控制技术的功能发生了飞跃。尤其是可编程控制器（PLC）的出现，使得更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、仿真量运算、PID功能及极高的性价比的控制系统成为可能，同时也奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80
7、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。目前可编程控制器PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展。与计算机技术相结合，形成工业控制系统、分布式控制系统DCS（Distributed Control System）、现场总总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)、这将使PLC功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用面更广。1.3课题研究的内容
8、与目的PLC变频控制系统中，主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PLC控制、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，控制方式采用了PID算法，控制核心为S7-200系列的CPU226以及PLC内部A/D、D/A转换模块，检测元件为扩散硅压力传感器，执行器为三菱变频器D400。通过以上的器件设备、PID控制算法和PC编程软件等，实现对液位的自动控制。本课题研究内容：（1）通过PLC实现PID控制器（2）对输入变量的转换与归一化（3）熟悉力控组态软件的使用（4）实现上位机对液位的实时监控2 PLC液位控制系统的总体设计随着我国科
9、学技术和经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。智能化也往往是从设备自动控制系统开始。可编程控制器（Programmable Logic Controller, PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。2.1 S7-200 PLC的概述可编程控制器是计算机家族中的一员，是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，是为工业控制应用而设计制造的以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术和通讯技术融为一体的新型工业自动控制
10、装置。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，还可以进行算术运算和模拟量控制等，因此，美国电器制造协会（NEMA）于1980年正式将这种装置命名为可编程控制器（Programmable Controller），简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。PLC工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求
11、编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序从放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符号后又返回到第一条，如此周而复始不断循环，一般而言，PLC的扫描过程分为内部处理（自诊断）、通信操作、输入采样、用户程序执行、输出刷新等几个阶段。全过程扫描一次所需的时间为扫描周期。当PLC处于停止（STOP）状态时（自诊断）、通信操作
12、、输入采样、执行用户程序、输出刷新，一直循环扫描工作。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。S7-200系列PLC S7-2
13、00系列PLC是一类小型PLC，其外观如图2-2所示。由于S7-200系列PLC具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格和强大的指令系统，使得它能近乎完美地满足小规模的控制要求，适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络，皆能实现复杂的控制功能。另外，其丰富的CPU类型及电压等级，使其在解决用户的自动化问题时，具有很强的适应性。1. S7-200 PLC的结构S7-200系列PLC将一个微处理器（CPU）、若干I/O点和一个集成电源集成在一个紧凑的机壳内，统称为CPU模块，其外形如图2-1所示。图2-1 S7-200 CP
14、U222其硬件组成如下：电源及输出端子：连接输出器件及电源用的接线端子位于机箱顶部。输入端子及传感器电源：位于机身底部端子盖内。状态指示灯：位于机身左侧，显示CPU的工作方式、本机I/O的状态及系统错误状态。存储卡（EEPOM卡）可以存储CPU程序。RS-485的串行通信端口：位于机身的左下部，是PLC主机实现人-机对话、机-机对话的通道，实现PLC与上位计算机的连接，实现PLC与PLC、编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备的连接。扩展接口、模式选择开关、模拟量电位器：位于机身中部右侧前盖下。扩展接口提供PLC主机与输入、输出扩展模块的借口，做扩展系统之用，主机与扩展模块之间由导轨固定，并
15、用扩展电缆连接；模式选择开关具有RUN、STOP及TERM等3种状态；模拟量电位器可用于定时器的外设定及脉冲输出等场合。2.1.1 STEP 7-Micro/WIN简介STEP 7-Micro/WIN是S7-200系列PLC的编程软件，运行在32位Windows操作系统下（Windows95以后的微软视窗操作系统）。它功能强大，为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。它是西门子S7-200用户悄可缺少的开发工具。除此之外，要对S7-200进行实际的编程和调试，必须在运行编程软件的计算机和S7-200CPU间配备下列设备中的一种：（1）一条PC/PPI电缆或PPI多主站电缆，其
16、价格便宜，用得最多。（2）一块插在个人计算机中的通信处理器（CP）卡和MPI（多点接口）电缆。STEP7-Micro/WIN32的基本功能是协助用户开发应用软件。在STEP7-Micro/WIN32环境下可创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序，实现用户所编辑程序的管理。该软件还具有语法检查功能，可在编程中检查用户程序的语法错误。利用该软件的监控功能还能实现用户程序的调试及监控。1. 软件的基本功能STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATIC S7-200 PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。适用于所有SIMATIC S7-200PLC机型的软
17、件编程。支持梯形图（LAD）、指令表（STL）和功能块图（FBD）等3种编程语言，可以在三者之间随时切换。STEP 7-Micro/WIN提供软件工具帮助用户调试和测试程序。这些特征包括：监视S7-200正在执行的用户程序状态；为S7-200指定运行程序的扫描次数；强制变量值等。指令向导功能包括：PID自整定界面；PLC内置脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）指令向导；数据记录向导；配方向导。除此之外，该软件还具有运动控制、PID自整定等其他功能。2. 项目及其组件STEP 7-Micro/WIN把每个实际的S7-200系统的用户程序、系统设置等保存在一个项目（Project）文件中，扩展
18、名为.mwp 。打开一个.mwp文件就打开了相应的工程项目。如图2-2所示的是V4.0版编程软件的主界面，其中的“项目”中包括下列基本组件。图2-2 PLC编程主界面程序块程序块有可执行文件的代码和注释组成，可执行的代码由主程序（OB1）、可选的子程序和中断程序组成。代码被编译并下载到PLC，注释被忽略。数据块显示数据块的内容。由数据（变量存储器的初始值）和注释组成。数据被编译并下载到PLC，注释被忽略。用户可以在该窗口设置和修改变量存储区各个类型存储区的变量值。系统块系统块用来设置系统的参数，例如密码、STOP模式时PLC的输出状态（输出表）等，以适应具体应用。系统块需经编译和下载到CPU内
19、才起作用。符号表符号表允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。程序编译后下载到PLC时，所有的符号地址被转换为绝对地址，符号表中国信息不会下载到PLC。状态表状态表用来观察程序执行时指定的变量的状态，状态表并不下载到PLC，仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具。交叉引用表交叉引用表提供3个方面的参考信息：交叉引用信息、字节使用情况信息和位使用情况信息。交叉引用表不下载到PLC，程序编译成功后才能看到交叉引用表的内容。使用编程软件主界面中浏览条上的“检视”按钮，可以查看项目的各个组件，并且在它们之间切换。3设置编程计算机与CPU通信（1） 硬件连接建立编程计算机（
20、主站）与S7-200CPU（从站）的通信，可通过支持PPI协议的编程电缆和PLC进行上传、下载程序来实现，这种方式主要有下面3种形式。通过PC/PPI编程电缆通信。这是单主站模式，一台PLC和PC直接连接，PC接口为RS232串口。4建立和修改PLC通信参数S7-200 CPU提供了多种参数和选择设置以适应具体应用。建立了计算机和PLC的在线联系，就可以在“系统块”窗口内对这些参数和选项进行软件检查、设置和修改。单击浏览条中的“系统块”图标，将打开系统块对话框。如图2-3所示：设置完所有的参数后，单击工具条中的“下载”按钮，把修改后的参数下载到PLC。只有把修改后的参数下载到PLC中，设置的参
21、数才起作用。图2-2 系统块参数设置2.1.2 PLC内置PID模块控制指令应用S7-200 CPU最多可以支持8个PID控制回路（8个PID指令功能块）。PID是闭环控制系统的比例（P）积分（I）微分（D）控制算法，是根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。在S7-200中，PID功能是通过PID指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比例积分微分数据，计算出控制量。从而抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。PID功能块通过一个PI
22、D回路表交换数据，这个表是在V数据存储区中的开辟，长度为36字节。因此每个PID功能块在调用时需要指定两个要素：PID控制回路号以及控制回路表的起始地址（以VB表示）。由于PID可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID功能块识别。S7-200中的PID功能使用占调节范围百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。PID功能块只接受0.0-1.0之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用PID功能块编程，必须保证数据在这个范围
23、之内，否则会出错。其他如增益、采样时间、积分时间、微分时间都是实数。因此，必须把外围实际的物理量与PID功能块需要的（或者输出的）数据之间进行转换。这就是所谓输入/输出的转换与标准化处理。PID控制的效果就是看反馈（也就是控制对象）是否跟随设定值（给定），是否响应快速、稳定，是否能够抑制闭环中的各种扰动而回复稳定。要衡量PID参数是否合适，必须能够连续观察反馈对于给定变化的响应曲线；而实际上PID的参数也是通过观察反馈波形而调试的。因此，没有能够观察反馈的连续变化波形曲线的有效手段，就谈不上调试PID参数。观察反馈量的连续波形， 在本系统设计中，我们可以通过对组态王画面的设计，在画面中加入实时
24、数据显示窗口，并将要显示的参数与此窗口连接，即可进行观察。新版编程软件STEP 7 - Micro/WIN V4.0内置了一个PID调试控制面板工具，具有图形化的给定、反馈、调节器输出波形显示，可以用于手动调试PID参数。对于没有“自整定PID”功能的老版CPU，也能实现PID手动调节。PID参数的取值，以及它们之间的配合，对PID控制是否稳定具有重要的意义。这些主要参数是：比例增益Kc 比例部分与误差同步，它的调节作用及时，较积分控制信号的反应快。在误差出现时，比例控制能立即给出控制信号，使被控量朝误差减小的方向变化。如果Kc太小，虽然没有超调量，系统输出量变化缓慢，调节时间过长。如果闭环系
25、统中没有积分作用，比例调节存在稳态误差，稳态误差与Kc成反比。增大Kc使系统反应灵敏，是长速度加快，且可以减小稳态误差。但是Kc过大会使超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，导致动态性能变坏，Kc过大甚至会使闭环系统不稳定。如果PID控制器中有积分作用（如采用PI或PID控制），积分能消除阶跃输入的稳态误差，这时可以将Kc调得小一些。积分时间Ti积分部分与误差对时间的积分成正比，因为积分时间Ti在积分项的分母中，Ti越小，积分速度越快，积分作用越强。控制器中积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况（累加值）都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，误差为正时积分项不断增
26、大，反之不断减小。积分项有减小误差的作用，一直要到系统处于稳定状态，这时误差恒为零，比例部分和微分部分均为零，积分部分才不再变化，并且刚好等于稳态时需要的控制器的输出值。因此积分部分作用是消除稳态误差和提高控制精度，积分作用一般是必须的。但是积分作用具有滞后特性，不像比例部分，只要误差一出现，就立即起作用。积分作用太强会使系统响应的动态性能变差，超调量增大，甚至使系统不稳定。因此积分作用很少单独使用，它一般与比例和微分联合使用，构成PI或PID控制器。PI控制器即克服了单纯的比例调节有稳态误差和缺点，又避免了积分响应慢、动态性能不好的缺点，因此广泛使用。综上所述，积分作用太强（即Ti太小）使系
27、统的稳定性变差，超调量增大；积分作用太弱（即Ti太大）使系统消除误差的速度减慢，Ti的值应取得适中。微分时间Td微分部分的输出与误差的微分（即误差的变化速率）成正比，反映了被控量变化的趋势其作用是阻碍被控量的变化。在图中启动过程的上升阶段，当c(t)c()时被控量尚感未超过其稳态值，超调量还没有出现。但是因为误差e(t)不断减小，误差的微分和控制器输出的部分为负，减小了控制器的输出量，相当于提前给出制动作用，以阻碍被控量的上升，所以可以减少超调量。因此微分控制具有超前和预测的特性，在超调量出现之前，就能提前给出控制作用。微分时间Td表示了微分作用的强弱，Td越大，微分作用越强。但是Td太大可引
28、起频率较高的振荡，或使被控量接近稳态值时变化缓慢。这是因为接近稳态值时，误差很小，比例部分消除误差的能力很弱。因为微分部分太强，抵制了被控量上升，导致被控量上升极为缓慢，到达稳态的时间过长。如果微分时间设置为0，微分部分将起不到作用。采样周期 Ts采样同期Ts越小，采样值越能反映模拟量的变化情况。但是Ts太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，将使PID控制器输出的微分部分接近为零，所以也不宜将Ts取得过小。确定采样周期时，应保证在被控量迅速变化时（如启动过程中的上升段）能有足够多的采样点数，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。PID回路指令PID
29、指令（如图2-4）中的TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路的编号（07）。不同的PID指令不能使用相同的回路编号。功能：用回路表中的输入信息和组态信息，进行PID运算。回路表的起始地址TBL：VB；回路号LOOP：07的常数。 图2-4PID指令PID调节时闭环模拟量控制的传统调节方式，其控制的原理基于式 2-1。 （2-1）式中： M（t）PID回路的输出，是时间的函数； Kc PID回路的增益；e（t）PID回路的偏差（给定值与过程变量之差）； Mo PID回路的初始值；为了能让数字计算机处理这个控制算式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值。将式2-1离散化，第n
30、次采样时控制器的输出为：（2-2）基于PLC的闭环控制系统如图2-5所示，图中虚线部分在PLC内。图2-5 PLC闭环控制系统框图S7-200的PID指令使用一个存储回路参数的回路表，该表的长度为36个字节，包括回路的基本参数。PID控制回路的选择在许多控制系统中，只需要一种或两种回路控制类型。例如，只需要比例回路或比例积分回路。通过设置常量参数，可选择需要的回路控制类型。如果不需要比例回路，但需要积分或微分回路，可把比例增益Kc设为0.0。如果不需要积分回路，可以把积分时间Ti设为无穷大。即使没有积分作用，积分相还是不为零，因为有初值MX。如果不需要微分回路，可以把微分时间Td置为零。表2-
31、1 PID回路表：参数偏移地址数据格式I/O类型描述过程变量PVn给定值SPn输出值Mn增益Kc采样时间Ts积分时间Ti微分时间Td上一次积分值MX上一次过程变量PVn-1048121620242832双字，实数双字，实数双字，实数双字，实数双字，实数双字，实数双字，实数双字，实数双字，实数III/OIIIII/OI/O过程变量，0.01.0给定值，0.01.0输出值，0.01.0比例常数，正、负单位为s，正数单位为min，正数单位为min，正数积分相前值，0.01.0最近一次PID变量值2.2 建立液位控制系统结构单容液位控制系统控制框图如下图2-6所示：其中A/D转换、PID调节、D/A转
32、换等运算都是在PLC内部执行，同时为上位机提供可用的数据，用以显示。上位机也可对相应的地址进行赋值，来设定相关参数。图2-6 单容液位系统控制框图2.2.1 硬件组成液位控制系统组成部分由硬件和软件两部分组成，硬件有水槽、扩散硅压力变送器、电动调节阀、S7-200 PLC及模拟量扩展模块EM235、预装有组态王的PC。（1）水槽装置（被控对象）水槽有一个入水口，一个出水口，一个压力引水口。水槽用挡板分隔为若干部分，使可调节挡板两边的液位互相流动，形成类似于连通器的形式，以至使得引压槽内的压力变化相对稳定，从而使压力变送器采集到得数据较准确，减小了对PID运算的扰动量。（2 扩散硅差压变送器，
33、压力变送器的主要参数，扩散硅压力变送器输出4mA20mA信号。（3） 电动执行器（变频器）（4） 西门子S7-200 PLC及扩展模块EM231，EM232主要进行数据采集、A/D转换、PID运算、D/A转换。（5） 水泵-向水槽供水提供原动力.2.2.2 控制方法及实现的功能单容上水箱液位PID控制结构示意图如2-7所示。图2-7单容上水箱液位PID单回路控制示意图系统检测点清单如表2-2所示。表2-2单容上水箱液位调节阀PID单回路控制检测点清单序号位号或代号设备名称用途原始信号类型工程量12FV101 LT103电动调节阀压力变送器阀位控制上水箱液位210VDC420mADCAOAI01
34、002.5kPa注：为了使系统监控方便，最终信号全部为2-10V信号。水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压力，经由调节阀FV101进入水箱V103，通过挡板QV116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用调节挡板QV116的开启程度来模拟负载的大小。本论文为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。手/自动无扰切换所谓手/自动无扰切换就是在进行手动到自动或自动到手动的切换时，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器机构的现有位置产生扰动。S7-200
35、PID回路没有内装模式控制，只有在使能位进入PID方框时才执行PID计算。因此，循环执行PID计算时存在“自动”模式；不执行PID计算时存在“手动”模式。PID指令有一个使能位记录位，与计数器指令类似。该指令使用该记录位检测0至1使能位转换，当检测到这种转换时，将执行一系列运算，提供从手动控制到自动控制的顺利转变。为了顺利转变为自动模式控制，在转换至自动控制之前由手动控制的输出值必须作为Mn写入回路表中对应Mn的地址中。PID 指令对回路表中的数值执行下列运算，以确保检测到0至1使能位转换时从手动控制顺利转换成自动控制：1）使设定值（ ）等于进程变量（ ）；2）使上一次进程变量（ ）等于进程变
36、量（ ）； 3）使输出初始值（MX）等于输出值（ ）。2.2.3 软件设计软件设计主要包括两部分内容：第一：组态软件的使用，创建一个单容液位控制画面，画面的主要内容有：水箱的控制，主要实现A/D转换、D/A转换、数据的归一化与PID算法。第二：通过STEP 7-Micro/WIN4.0 编写PLC程序；实现可编程逻辑控制器对液位的控制，主要实现A/D转换、D/A转换、数据的归一化与PID算法。2.3 PID回路输入变量的转化与标准化PID回路有两个输入量，即给定值（SP）与过程变量（PV）。在实际应用中，给定值（SP）与过程变量（PV）均为实际数值，其大小、范围和工程单位可能不同。将这些实际数
37、值用于PID指令之前，必须将其转化成标准化小数表示法。方法如下：第一步是将实际值从16位整数数值转换成浮点数，然后将小数数值表示转换成0.01.0之间的标准化数值。转化公式如式2-3 (2-3) 式中 Rnorm工程实际的归一化值； Rraw 工程实际值的实数形式值，未归一化处理； Offset调整值。标准化实数又分为单极性（以0.0为起点在0.0和1.0之间变化）和双极性（围绕0.5上下变化）两种。对于单极性Offset为0.0，双极性Offset为0.5；由于扩散硅压力变送器的输出信号为4mA20mA，也就是说PID最小输入值为4，那么对应的调整值为6400。 Span 值域大小，可能的最
38、大值减去可能的最小值，单极性为32，000（典型值），双极性为64，000（典型值）。由于调整值不为0，在系统中Span=32000-6400=25600。PID采样输入值AIW0由整数转换为双整数，然后减去调整值Offset（6400），再由双整数转换为实数除以值域（25600），即为工程实际的归一化值，梯形图如图2-8所示。回路输出转换成按工程量标定的整数值回路输出值一般是控制变量，也是一个标准化实数运行的结果。这一结果同样也要用程序将其转化为相应的16位整数，然后周期性的传送到AQW输出，用以驱动模拟量的负载（电动调节阀）。这一过程，是给定值或过程变量的标准化转换的逆过程。图2-8 输入
39、模拟量的数值转换把回路输出转换成工程量标定的实数，公式2-4所示。 （2-4）式中 Rscal按工程量标定的实数格式的回路输出； Mn 回路输出的归一化实数值；这一过程可以用下面的梯形图完成，如图2-9。图中VD416为回路输出值。其中主要用到得指令是：运算指令、转换指令、传递指令等。图2-9 输出转换成按工程量标定值2.4 液位控制系统PLC程序设计S7-200液位控制系统框图如图2-10所示，虚线部分在PLC内部。图2-10 PLC液位闭环控制系统框图编写程序并进行调试在PID指令框中输入的表格（TBL）起始地址为首地址，回路表分配八十个字节。S7-200的PID指令引用一个包含回路参数的
40、回路表，此表起初的长度为36个字节。在增加了PID自动调谐后，回路表现已扩展到80个字节，PID回路表如表2-1所示。液位控制系统PLC设计流程图如图2-11所示（1）主程序（main）主程序要完成任务有：1）调用输入子程序（SBR0），进行采集PV信号，同时设定SP值；2）调用初始化子程序（SBR_1），在PLC运行的第一个扫描周期，完成PID参数初始化，开始进行PID计算；3）调用子程序（SBR_2），将PID计算结果送出，是电动调节阀动作；图2-11 PLC程序流程图（2）输入模拟量的数值转换子程序（SBR_0）用EM235测量的模拟值，在PLC中PID单极性值域范围为032000，而P
41、LC中的PID回路表PV值的范围为0.01.0的标准化数值，所以要利用PID指令，必须将工程实际值标准化。并且进一步转换为上位机可以显示的数值（百分制）。梯形图如图2-12所示。（3）参数初始化子程序（SBR_1）参数初始化子程序是初始化PID参数，同时使能定时中断0，设置定时中断时间为100ms，将定时中断事件与INT_0子程序关联。梯形图如图2-13所示（4）输出模拟量的数值转换子程序（SBR_2）在对模拟量进行PID运算后，对输出的控制作用是在01范围的标准化值，为能够驱动实际的驱动装置，必须将其转换成工程实际值，转换公式为2-4。梯形图如图2-14所示。图2-12 输入模拟量的数值转换
42、子程序图2-13 参数初始化子程序图2-14 输出模拟量的数值转换子程序（5）定时中断子程序（INT_0）完成输入/输出模拟量的数值转换，更新输入/输出，根据手自动控制位，决定执行方式，发起新一次的PID计算，并保持手动/自动无扰切换。3液位过程控制系统的组态界面及动画连接3.1创建组态画面 进入开发系统后，可以为每个工程建立无限数目的画面，在每个画面上可以组态相互关联的静态或动态图形，这些画面是由开发系统提供的丰富的图形对象组成的。 开发系统提供了文本、直线、矩形、圆角矩形、圆形、多边形等基本图形对象，同时还提供了增强型按钮、实时历史趋势曲线、实时历史报警、实时历史报表等组件，开发系统还提供
43、了在工程窗口中复制、删除、对齐、打成组等编辑操作，提供对图形对象的颜色、线型、填充属性等操作工具。 力控开发系统提供的上述多种工具和图形，方便用户在组态工程时建立丰富的图形界面。3.1.1创建窗口创建窗口的方法有三种，分别是： （1）选择菜单命令“文件F/新建” （2）在标准工具栏上，单击按钮 （3）在工程项目导航栏上，选中“窗口”项，单击右键。 创建窗口对话框如图 3-1 所示。 图 3-1 新建窗口对话框 1窗口名字 输入窗口名称，这个名称将作为新窗口的标题在开发系统上显示。名称的长度最大为64个字符。窗口名字属性只在界面创建时可设。 2说明 输入与窗口相关的说明文字（可选）。 3背景色
44、“背景色”颜色框中显示的颜色为新建窗口当前的背景色，单击颜色框会弹出调色板。可为窗口选择背景色。 4窗口风格 1) 显示风格 （1）覆盖窗口（2）弹出式窗口（3）顶层窗口（4）隐藏窗口2）边框风格（1）无边框（2）细边框（3）粗边框3）标题4）系统菜单5）禁止移动6）全屏显示7）带有滚动条8）打开其他窗口时自动关闭9）失去输入焦点时自动关闭10）使用高级缓缓存6.1.2图库 在工程应用开发的过程中，使用图库对界面的图形画面可以节省大量时间，同时，使用图库中的对象易于使用便于配置。 1打开图库 图库的操作方式有： （1）选择菜单命令“工具T/图库C”。 （2）选择工程项目导航栏中的图库。 2图库
45、的分类 图库中包括精灵图库和标准图库两部分。 （1）精灵图库是指包含由系统预先定义的动画连接，具备特定动画效果。它 的 图 形 是“ 矢量 ” 的 ， 任 意 放 大 和 缩 小不会失真，同时精灵图库中的图形对象的动画定义可以直接进行变量选取。 （2）标准图库由若干简单图形对象组成，是用力控中的图形开发工具进行绘制，然后打成单元或智能单元，以任意进行缩放处理，也可以打散单元进行处理。力控的子图库中提供了包括控制按钮、指示表、阀门、电机、泵、管路和其它标准工业元件在内的数千个子图。工程人员可以从子图库中取出子图加到自己的应用中，并按照需要任意调整大小。 3图库中的对象 点击进入图库对话框，如图 3-2所示。 图 3
