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1、项目五恒压供水的PLC控制系统设计、安装与调试,工作任务1PLC的数值运算 工作任务2基于PLC的恒压供水系统,工作任务1PLC的数值运算根据控制要求，拨码器X与Y分别有4个端子，并且要用数码管进行数值显示，所以在本任务中，PLC的输入信号有10个，输出信号有14个。下面对本任务进行具体设计。1.I/O分配I/O分配情况如表5-1所示。,表5-1I/O分配表,2.PLC硬件接线PLC硬件接线图如图5-1所示。,图5-1硬件接线图,3.设计梯形图程序根据控制要求，设计的梯形图程序如图5-2所示。4.系统调试(1)完成接线并检查，确认接线正确；(2)输入程序并运行，监控程序运行状态，分析程序运行结
2、果。,图5-2数值运算参考梯形图,一、递增/递减指令递增/递减指令主要实现数据的累加和递减，有微分和非微分两种形式。递增/递减指令非常简单，具体见表5-2。,表5-2递增/递减类指令,二、逻辑运算指令OMRON CP1E系列PLC中的逻辑运算指令主要是以字/双字为单位对数据进行“与”、“或”、“非”、“异或”、“同或”等逻辑运算。表5-3列出了COM(29)、ANDW(34)、ORW(35)、XORW(36)和XNRW(37)5种单字逻辑运算指令，双字逻辑运算指令有COML(614)、ANDL(610)、ORWL(611)、XORL(612)和XNRL(613)指令，与对应的单字逻辑运算指令功
3、能相似，这里不再介绍。,表5-3逻辑运算指令,例5.1图5-3是逻辑运算指令应用的例子，分析程序执行完之后D2中的内容。,图5-3例5.1梯形图,功能分析：当0.00为ON、0.01为OFF时，执行BSET指令，将所有存放结果的通道D0D4都清零。当0.00为OFF、0.01为ON时，执行如下逻辑运算指令：执行ANDW指令，将常数008F与0081进行逻辑“与”运算,结果0081放在通道D0中；执行ORW指令，将通道D0的内容与常数0073进行逻辑“或”运算，结果00F3放在通道D1中；执行XORW指令，将通道D0与D1两个通道的内容进行逻辑“异或”运算，结果0072放在通道D2中。程序执行逻
4、辑运算的过程如图5-4所示。,图5-4程序执行逻辑运算的过程,由例5.1可知，逻辑运算指令不仅可以完成逻辑运算，还可以用于通道清零；同时还能用逻辑指令将通道中的某些位屏蔽,保留其他位的状态，根据欲保留和欲屏蔽位的情况设定一个常数，用ANDW指令将通道数据与该常数相“与”即可。三、数据运算指令OMRON CP1E系列PLC中的数据运算指令种类比较多,按进制分类可分为十进制数和二进制数的加、减、乘、除运算；按是否带符号分类可分为无符号数和带符号数的加、减、乘、除运算等。由于在进行加、减运算时进位位也要参与，所以这里也包括进位位的置1和置0指令，这两个指令在编程软件中属于特殊指令类。,1.进位位置1
5、指令(STC(40)和进位位置0指令(CLC(41)(1)指令格式：STC(40)；无操作数 CLC(41)；无操作数STC和CLC指令的梯形图符号如图5-5所示。,图5-5STC和CLC指令的梯形图符号,(2)STC和CLC指令的功能：STC：当执行条件为ON时,进位标志位CY被置1；CLC：当执行条件为ON时,进位标志位CY被置0。在做加、减法运算时，CY要参与计算，所以在运算之前需要对CY进行清零操作。2.十进制运算指令十进制运算指令是用单/双字BCD码表示的十进制数据进行加、减、乘、除运算。其中，加、减法运算与CY有关,乘、除法与CY无关。下面介绍单字运算指令(+B、+BCB、BC、*
6、B、/B)，详见表5-4，对应的双字运算指令(+BL、+BCL、BLBCL*BL、/BL)与单字指令功能相似,这里不再赘述。,表5-4十进制加法指令,在十进制运算指令中，由于两个最大的单字BCD数相乘，即99999999=99980001，运算结果不发生进位，所以乘除法运算都不涉及进位位CY。双字指令与单字一样，乘除法也不涉及CY。3.二进制运算指令二进制运算指令就是用单/双字的二进制数据进行加、减、乘、除运算。其中，加、减法运算与CY有关，乘、除法与CY无关。下面介绍单字运算指令(+、+C、C*U、*、/U、/)，详见表5-5。对应的双字运算指令(+L、+CL、L、CL、*UL*L/UL、/
7、L)与单字指令功能相似，这里不再赘述。,表5-5二进制加法指令,同十进制运算相似，在二进制运算指令中，由于两个最大的单字二进制数相乘，即FFFFFFFF=FFFE0001，运算结果不发生进位，所以乘、除法运算都不涉及进位位CY。双字指令与单字一样，乘、除法也不涉及CY。四、数据运算指令应用示例例5.2图5-6所示梯形图程序是应用+B指令、定时器指令、MOV指令及CMP指令的例子，试分析程序功能。,图5-6+B指令应用举例,功能分析：当0.00及T001为ON(一个扫描周期)时:执行指令CLC将CY清零；执行指令+B将D10中的数据加上#0300，即定时器TIM000的设定值增加30 s；执行指
8、令CMP将#0900与D10比较，若D10 大于#0900，则执行指令MOV，再将#0300传送到D10中，即TIM000的设定值恢复为30 s。由此可知：TIM000的设定值是变化的，TIM001的设定值是固定的，TIM001用来控制100.00为ON的时间，TIM000用来控制100.00 为OFF的时间，100.00为ON的时间总是60 s,100.00为OFF的时间从30 s起依次增加30 s(不超过90 s)。该段程序对100.00实现了循环间歇OFF、ON的控制。程序执行的过程如图5-7所示。,图5-7程序执行的过程,在本例中，TIM000的设定值由D10来确定，可通过使用+B指令
9、来改变D10的值，从而使TIM000的设定值也将发生改变。因此，+B指令可用来修改定时器的设定值。思考：若要多次修改定时器的设定值，还可以使用哪些方案？例5.3图5-8所示梯形图程序是应用减法指令(-BC)的例子，请分析该程序的功能。,图5-8BC指令应用举例,功能分析：当0.00为ON时：执行CLC指令，将CY清零；执行(-BC)指令，用H0中的数据减去D0的数据，再减去CY的内容，差存入结果通道H1中。若运算没有借位，CY则被置0，H2即为0；若运算有借位时，结果通道中的内容是差的十进制补码，因此须进行第二次减法运算，于是根据CY的状态(ON)执行第二次减法运算，结果存于H1，同时把H2置
10、1。例5.4图5-9所示梯形图程序是使用二进制运算指令完成(25081000)/50运算，请分析该程序的执行过程。,程序功能分析：当0.00为ON、0.01为OFF时，执行BSET指令，将D0D4清零。当0.00为OFF、0.01为ON时，执行MOV指令，将#00FA(十进制的250)传送到H0中；执行*指令，将H0的内容与#0008相乘，把结果的低位07D0(十进制的2000)存入D0中、结果的高位0000存入D1中；执行CLC指令将CY清零,以准备进行相减运算。执行一次-C指令，以D0的内容为被减数与#03E8(十进制数1000)相减,结果#03E8存入D2中；执行/指令，将D2中的内容除
11、以#0032(十进制的50)，把商#0014(十进制的20)存入D3中，余数#0000存入D4中。,此外，本例中的运算也可以用十进制运算指令来实现，思路完全一致。,图5-9二进制运算指令应用举例,本项工作任务的评分标准见表5-6所示。,表5-6评 分 标 准,1.控制要求作50020+30015的运算，并将结果送到VW50中存储。2.训练内容(1)分析控制要求，写出I/O分配表，并根据控制要求设计梯形图程序；(2)输入程序并调试；(3)汇总整理文档，保留工程文件。,工作任务2基于PLC的恒压供水系统城市供水状况与人们的正常生活息息相关，传统供水系统中采用固定频率满负荷的运行方式进行工作，此种方
12、式对供水的管道内压力和水位变化不能做出及时、恰当的反应，尤其在晚上用水少的情况下资源消耗比较严重，不能有效节能。而采用变频器调速的供水系统，可以根据用水量的大小控制泵的转速和数量，从而有效解决供水系统的不稳定现象。,由PLC、变频器控制两台水泵的恒压供水系统如图5-10所示。只要储水池的水位低于高水位，就会通过电磁阀自动往水池注水，水池水满时电磁阀关闭。同时，水池的高/低水位信号可通过传感器直接传送给PLC，当水池水位到达高/低限时，继电器触点闭合；否则，继电器触点断开。具体控制要求如下：(1)只有水池水满时，才能启动水泵进行抽水；水池缺水，则不允许水泵启动。(2)系统有手动和自动两种控制方式
13、。一般都采用自动控制方式，只有在应急或者检修时才选择手动控制方式。,(3)在选用自动控制方式时，按下启动按钮，先由变频器启动1#水泵，如果当工作频率已经达到50 Hz，而压力仍不足时，将1#水泵切换成工频运行，再由变频器来启动2#水泵，这时供水系统处于“1工频1变频”的运行状态。如果变频器的工作频率已经下降至频率下限，而压力仍偏高时，则1#水泵停机，供水系统处于1台水泵变频运行的状态。如果变频器工作频率已经达到50 Hz，而压力仍不足时，延时后将2#水泵切换成工频运行，再由变频器去启动1#水泵。如此不断循环。,图5-10恒压供水系统图,根据控制要求，本任务中PLC的开关量输入信号有6个，模拟量
14、输入信号有1个，开关量输出信号有5个，模拟量输出信号有1个。下面进行具体设计。1.I/O分配I/O分配情况如表5-7所示。,表5-7I/O分配表,2.PLC硬件接线PLC硬件接线图如图5-11所示。,图5-11PLC硬件接线图,3.设计梯形图程序根据控制要求，设计的梯形图程序如图5-12所示。,图5-12恒压供水控制参考梯形图,4.系统调试(1)完成接线并检查，确认接线正确；(2)输入程序并运行，监控程序运行状态，分析程序运行结果。,一、PID控制算法PID(比例积分微分)控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，PID控制器简单易懂，在使用中不需精确的系统模型等先决条件，在冶金、机械、化工
15、等行业中得到广泛应用。PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为,(5-1),1.位置式PID控制算法由于计算机控制是一种采样控制，故需将模拟PID算法式(5-1)中的积分和微分项作如下近似变换：显然，式中的采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将e(kT)简化表示成e()等，即省去T。将式(5-2)代入式(5-1)，可得离散的PID表达式为,(5-2),由Z变换的性质，可得到数字PID控制器的z传递函数为,(5-3),(5-4),数字PID控制器的结构如图5-13所示。由于计算机的输出值u(k)和执行机构的位置是一
16、一对应的，所以通常称式(5-3)为位置式PID控制算法。位置式PID控制系统图如图5-14所示。位置式PID控制算法的缺点是计算时要对e(k)进行累加，所以计算机运算工作量较大，而且由于计算机输出的u(k)对应执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，那么u(k)的大幅度变化会引起执行机构的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中所不允许的，在某些场合可能会造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID控制算法。,图5-14位置式PID控制系统图,图5-13数字PID控制器的结构图,2.增量式PID控制算法所谓增量式PID，是指数字控制器的输出只是控制量的增量u(k)。当执行机构需要控制量的增量时，可由
17、式(5-3)导出提供增量的PID控制算式。根据递推原理可得用式(5-3)减去式(5-5)，可得,(5-5),(5-6),式(5-6)称为增量式PID控制算法。增量式PID控制系统图如图5-15所示。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了KP、KI和KD，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由式(5-6)求出控制增量。,图5-15增量式PID控制系统图,增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，却带来了不少优点：(1)由于计算机输出增量，所以误动作时影响较小，必要时可采用逻辑判断的方法去掉。(2)手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通
18、道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。(3)算式中不需要累加。控制增量u(k)的确定仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。,但增量式控制也有其不足之处，如积分截断效应大、有静态误差、溢出的影响大等。因此，在选择时不可一概而论。3.速度式PID控制算法速度式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量u(k)的变化率，反应控制输出的快慢程度。当执行机构需要控制量的速度时，可由式(5-6)导出提供速度的PID控制算式。由于速度是单位时间增量的变化率，可得,(5-7),二、过程类控制指令1.带自整定的PIDAT控制指令(191)(1)指令格式：PIDAT(
19、191)SCDS：测量输入通道；C：PID参数首通道；D：操作量输出通道。PIDAT指令的梯形图符号及操作数取值区域如图5-16所示。,图5-16PIDAT指令的梯形图符号及操作数取值区域,(2)PIDAT指令功能：当执行条件为ON时，按采样周期间隔执行，将S通道的二进制数据按照C设定参数进行PID运算，把运算结果存放到输出通道D中。PIDAT指令的功能如图5-17所示。其中，C通道存放设定值SV，C+1C+4分别存放比例带系数P、积分时间常数TIK、微分时间常数TDK以及采样时间，C+5与C+6主要是对操作变量进行设定，C+7和C+8分别操作变量输出下限和上限，C+9是自整定计算时的增益，C
20、+10用来设定周期延迟，C+11C+40是PIDAT指令的工作区，用户不能使用。PIDAT指令修改标志位：P_CY，P_GT，P_LT。,图5-17PIDAT指令中CC+40通道的功能,2.标度指令SCL(194)(1)指令格式：SCL(194)SP1RS：源数据；P1：参数首通道；R：结果通道。SCL指令的梯形图符号及操作数取值区域如图5-18所示。,图5-18SCL指令的梯形图符号及操作数取值区域,(2)SCL指令功能：当执行条件为ON时，根据指定的线性关系，将无符号的二进制数按照控制数据设定的一次函数转换为对应的无符号BCD码，并将结果输出到指定通道。SCL指令功能如图5-19所示。转换
21、公式：D=Bd(BdAd)/(BsAs)(BsCs),图5-19SCL指令功能,3.标度指令SCL2(486)(1)指令格式：SCL2(486)SP1RS：源数据；P1：参数首通道；R：结果通道。SCL2指令的梯形图符号及操作数取值区域如图5-20所示。,图5-20SCL2指令的梯形图符号及操作数取值区域,(2)SCL2指令功能：当执行条件为ON时，根据指定的线性关系，将带符号的二进制数按照控制数据设定的一次函数转换为对应的带符号BCD码，并将结果输出到指定通道。SCL2指令功能如图5-21所示。转换公式：偏移量=(AdBsAsBd)/(AdBd),图5-21SCL2指令功能,其中，参数P的设
22、置如图5-22所示。注：P1P1+2必须在同一区中。,图5-22参数P的设置,4.标度指令SCL3(487)(1)指令格式：SCL3(487)SP1RS：源数据；P1：参数首通道；R：结果通道。SCL3指令的梯形图符号及操作数取值区域如图5-23所示。,图5-23SCL3指令的梯形图符号及操作数取值区域,(2)SCL3指令功能：当执行条件为ON时，根据指定的线性函数，将带符号的BCD码按照设定参数(斜率和偏移量)所确定的一次函数转换为对应的带符号二进制数，并将结果输出到指定通道。SCL3指令功能如图5-24所示。转换公式：,图5-24SCL3指令功能,其中，参数P的设置如图5-25所示。注：P
23、1P1+4必须在同一区中。,图5-25参数P的设置,5.平均值指令AVG(195)(1)指令格式：AVG(195)SNRS：源数据；N：循环数通道；R：结果首通道。AVG指令的梯形图符号及操作数取值区域如图5-26所示。,图5-26 AVG指令的梯形图符号及操作数取值区域,(2)AVG指令功能：当执行条件为ON时，开始N-1次循环，将S的数据写入R。每执行一次AVG指令，它就将S的先前值依次存入到R+2R+N+1的连续通道中，最后求取平均值。AVG指令功能如图5-27所示。,图5-27AVG指令功能,本项工作任务的评分标准见表5-8所示。,表5-8评 分 标 准,1.控制要求用PLC实现单容水箱液位控制系统，具体要求如下：水箱液位控制系统结构图和方框图如图5-28所示。被控量为上水箱(也可采用中水箱或下水箱)的液位高度，要求上水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT检测到的上水箱液位信号作为反馈信号，调节器根据反馈信号与给定值的偏差控制电动调节阀的开度，以达到控制上水箱液位的目的。,图5-28水箱液位控制系统结构图和方框图,2.训练内容(1)分析任务，确定控制方案。(2)写出I/O分配表，并根据控制要求设计梯形图程序；(3)输入程序并调试；(4)汇总整理文档，保留工程文件。,
