基于PLC的液位控制系统设计

基于PLC的液位控制系统设计 李怡华

基于PLC的液位控制系统设计

第一 基本格式 1 绪论 1.1 PLC的产生、定义及现状 的产生、 的产生 1.1.1PLC的产生、定义 1.1.2PLC的发展现状 1.2过程控制的发展 1.2过程控制的发展 1.3本文研究的目的、主要内容 本文研究的目的、 本文研究的目的 1.3.1本文研究的目的、意义 1.3.2本文研究的主要内容

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1 绪论1.1.1PLC的产生、定义 可编程控制器的定义 国际工委员会(IEC)曾于1982年11月颁布了可 编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了 第二稿，1987年2月颁布了第三稿。该草案中对可 编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运 算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计 。它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执 行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等 面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和 输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控 制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成 一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

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PLC的发展现状 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化 发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中 ，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型 体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、 PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的 地位。20世纪80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。

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2 FX2系列 系列PLC和控制对象介绍 系列 和控制对象介绍 2.1 三菱 三菱PLC控制系统 控制系统 2.1.1 CPU模块 2.1.2 I/O模块 2.1.3电源模块 2.2 过程建模 2.2.1 一阶单容上水箱对象特性 2.2.2 二阶双容下水箱对象特性

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CPU模块CPU是PLC的核心组成部分,其功能是： 1、PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储 从编程器输入的用户程序和数据。 2、用扫描方式接受现场输入装置的状态， 并存入映像寄存器。 3、诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程 过程中的语法错误。

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I/O模块I/O模块是CPU与现成I/O装置或其他外部 设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作 电平与驱动能力的I/O模块和各种用途I/O 元件供用户选用。如输入/输出电平转换、 电气隔离、串/并行转换、数据传送、误码 校验、A/D或D/A变换以及其他功能模块等 A/D D/A 。I/O模块将外部输入信号变换成CPU能接 受的信号，或将CPU的输出信号变换成需要 的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系 统正常的工

作。

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2.2 过程建模过程控制系统的品质，是由组成系统的过程 和过程检测控制仪表各环节的特性和系统的 结构所决定。在构成控制系统的分析和设计 中，过程的数学模型是极其重要的基础资料 。所以，建立过程的数学模型，对实现生产 过程自动化有着十分重要的意义。可以这样 说，一个过程控制系统的优劣，主要取决于 对生产工艺过程的了解和建立过程的数学模 型。

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3 PID调节及串级控制系统 调节及串级控制系统 3.1 PID调节的各个环节及其调节过程 调节的各个环节及其调节过程 3.1.1比例控制及其调节过程 3.1.2比例积分调节 3.1.3比例积分微分调节 3.2 串级控制 3.2.1串级控制系统的结构 3.2.2串级控制系统的特点 3.2.3串级控制系统的设计 3.3 扩充临界比例度法 3.4 三菱 三菱FX2系列 系列PLC中PID指令的使用 系列 中 指令的使用 3.5在PLC中的 在 中的PID控制的编程 控制的编程 中的 3.5.1回路的输入输出变量的转换和标准化 3.6变量的范围 变量的范围

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3.1 PID调节的各个环节及其调节过程

PID控制的原理和特点,PID控制器就是根据系统的 误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控 制的。 工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比 例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调 节。 (1)比例(P)控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输 出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时 系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。

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(2)积分(I)控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比 关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误 差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统( System with Steady-state Error)。 (3)微分(D)控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误 差的变化率)成正比关系。 对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器 能改善系统在调节过程中的动态特性。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性 组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误 组件(环节)或有滞后( )组件， 差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的 办法是使抑制误差的作用的变化“超前” 办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误 差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

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3.1.1比例控制及其调节过程在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度 与被调参数偏差成比例的

话，就有可能使输 出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定 ，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数 的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。 比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余 差存在，被调参数不能完全回复到给定值， 调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗 调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后 较小，而时间常数又不太小的对象

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3.1.2比例积分调节对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下， 比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法 是引入积分调节。 单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振 荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作 用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI调节 器 它是在比例调节(粗调)的基础上，有加上一个积 分调节(细调),所以又称再调调节或重定调节。 但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡 剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明 显，余差消除就很慢。

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3.1.3比例积分微分调节因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调 节对象的调节质量。微分调节的作用主要是 用来克服被调参数的容量滞后。比如当看到 偏差变化很大时，就估计到即将出现很大的 偏差而过量地打开(关闭)调节阀 PID三作用调节质量最好，PI调节第二，PD 调节有余差。纯比例调节虽然动偏差比PI调 节小，但余差大，而纯积分调节质量最差， 所以一般不单独使用。

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3.2 串级控制3.2.1串级控制系统的 结构 串级控制系统采用两套 检测变送器和两个调节 器，前一个调节器的输 出作为后一个调节器的 设定，后一个调节器的 输出送往调节阀x1 + e1 - z 1调 器 主 节

x2 + e2 - z 2

调 器 副 节

行 执 器

对 副 象

y2

对 主 象

y1

变 器 副 送

变 器 主 送

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整个系统包括两个控制回路，主回路和副回 路。副回路由副变量检测变送、副调节器、 调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测 变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过 程和主过程构成。 一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包 括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用 在副被控过程上的，即包括在副回路范围内 的