水箱水位控制系统PLC设计Word文档下载推荐.docx
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1PLC简介
1.1PLC的产生、定义与现状
一、可编程控制器的产生
20世纪60年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。
1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。
二、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。
可编程控制器与其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩大其功能的原如此设计。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化开展阶段，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功能与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开展的特点是大规模、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。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC开展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的开展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期开展了大型机和超小型机；
从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；
从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的开展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备与产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上某某屋电气某某生产的CF系列、某某机床电器厂生产的DKK与D系列、某某组合机床研究所生产的S系列、某某电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，某某华光公司、某某乡岛公司等中外合资企业也是我国比拟著名的PLC生产厂家。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
进入90年代以来，自动化技术开展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。
过程控制是自动化技术的重要组成局部。
在现代工业生产自动化中，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。
在本世纪40年代前后，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。
生产过程中的噶参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。
因此，当时的劳动效率是很低的。
40年代以后，生产自动化开展很快。
尤其是近年来，过程控制技术开展更为迅速。
纵观过程控制的开展历史，大致经历了下述几个阶段：
50年代前后，过程控制开始得到开展。
一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。
这是过程控制开展的第一阶段。
这阶段主要的特点：
检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和局部组合仪表；
过程控制结构大多数是单输入单输出系统；
被控制参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数；
控制目的是保持这些参数的稳定，消除或减少对生产过程的主要扰动。
在60年代，随着工业生产的不断开展，对过程控制提出了新的要求；
随着电子技术的迅速开展也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二阶段。
在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表。
为了满足定型、灵活、多功能的要求，有出现了组合仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比拟复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。
70年代以来，随着现代工业生产的迅猛开展，仪表与硬件的开发，微型机算计的开发应用，使生产过程自动化的开展达到了一个新的水平。
对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进展多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进展控制和经营管理，是这一阶段的主要特征。
过程控制开展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制开展的第三阶段。
在新型的自动化技术工具方面，开始采用微处理器为核心的智能单元组合仪表；
在测量变送器方面，教为突出的成分在线检测与数据处理的应用日益广泛；
在模拟式调节仪表方面，不仅Ⅲ型仪表产品品种增加，可靠性提高，而且是本质安全防爆，适应了各种复杂控制系统的要求。
1.3本文研究的目的、主要内容
为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。
从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。
在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。
一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的上下、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。
随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制〔又称PLC〕。
引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的与时。
在我国随着社会的开展，很早就实行了自动控制。
而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。
还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位的上下，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。
一、一个系统是否能达到预期的控制效果，其系统的数学模型相当的重要，直接关系到控制结果的正确与否。
二、在液位控制系统中，调节阀是否与所控制的液体发生化学反响等，直接的影响到控制结果。
三、控制方案的选取，一个好的方案会让系统更加完美，所以方案的选取也非常重要。
四、调节器参数的整定，一个系统有了好的方案，但是如果参数整定错误那也是功亏一篑。
2FX2系列PLC和控制对象介绍
2.1三菱PLC控制系统
FX2系列PLC是三菱电机公司1991年继F、F1、F2系列之后推出的产品，是目前运行速度最快的小型PLC之一。
下面我们以小型FX2系列PLC为例介绍PLC的硬件组成。
图2.1为PLC的原理图。
图2.1PLC的原理图
CPU是PLC的核心组成局部，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑〞。
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、用扫描方式承受现场输入装置的状态，并存入映像存放器。
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。
在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读去用户程序，按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去起闭有关控制电路。
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变换以与其他功能模块等。
I/O模块将外部输入信号变换成CPU能承受的信号，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。
其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。
输出方式有三种：
继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。
根据PLC的设计特点，它对电源并无特殊需求，它可使用一般工业电源。
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根底资料。
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。
所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。
单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。
一、自衡过程的建摸
所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。
液位过程，图2.2所示为一个单容液位被控过程，其流入量Q1，改变阀1的开度可以改变Q1的大小。
其流出量为Q2，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变Q2。
液位h的变化反映了Q1与Q21作为被控过程的输入变量,h为其输出变量,如此该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
〔a〕
二、无自衡过程的建模
所谓无自衡过程，是指过程在扰动的作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身能力不能重新恢复平衡的过程。
下面以图2.4所示为例，介绍其建模方法。
当过程具有纯时延时，如此其传递函数为W0（s）=1/T0s*e-t0s〔2-8〕
在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。
现在，以具有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法。
3PID调节与串级控制系统
3.1PID调节的各个环节与其调节过程
PID控制的原理和特点
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。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到准确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
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展控制的。
〔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-stateerror〕。
〔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，
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