基于plc、变频器的液位控制系统设计

基于plc、变频器的液位控制系统设计内容摘要：

的输出 +24V∕ 50mA 7 输出 0V 控制方式 模拟控制 USS串行接口控制 8 输出 +10V RS485P+ 9 ADC 模拟输入 RS485N 10 输出 0V SINAMICS G110 是适合用于控制三相交流电动机速度的变频器系列，装有 CPM110 可控功率模块。 具有单相电源供电的多种型号，功率范围涵盖 120 W 至 3 kW 可供用户选用。 本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）作为功率输出器件。 因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。 其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。 全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良 好的保护。 SINAMICS G110 变频器具有缺省的工厂设置参数时，它是数量众多的采用简单 V/f 控制的电动机变速驱动系统供电理想变频驱动装置。 由于 8 SINAMICS G110 变频器具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它适用的领域也非常广泛。 变频器的参数既可以用 USS 串行通讯方式进行修改，也可以用 BOP 进行修改。 SINAMICS G110 变频器可以采用两种控制方式：模拟输入的控制信号或 USS 串行通讯 (采用 RS485 协议 )的控制信号。 在使用各种规格和型号的变频器时，可以带有滤波器，也可以 不带滤波器 (包括带有 “ 平板式 ” 散热器的变频器 )。 它们既可用于单机驱动系统，也可集成到 ‘ 自动化系统 ’ 中。 其优点有：便于安装，进行参数设置和调试；牢固的 EMC 设计；参数涉及的范围全面而且具有综合性，其适用范围非常广；电缆连接简易；可以通过模拟方式进行控制，也可以通过 USS串行通讯方式进行控制；采用较高的调试脉冲频率时点击运行的噪声小；装有基本控制板（ BOP，选件）时，可显示变频器运行的状态信息和报警星系；利用基本操作板（ BOP）在变频器之间克隆参数时，可以节省大量时间；具有完备的外部选件，可以实现与 PC 机的 通讯和基本操作板（ BOP）的连接；在机械系统具有共振频率的情况下，利用变频器的跳转频率功能，可以避免传动装置出现机械共振及由其产生的问题。 斜坡函数曲线的上升和下降时间通过参数化进行设置，最高可达 650s。 斜坡函数的起始段和结束段可以设置平滑圆弧特性。 以及电机仍然转动的情况下世变频器重新与电机连接等功能，可以保证机械系统平滑稳定的运行；变频器在电源电压消失或出现故障后重新上电时的自动在启动功能，提高的设备的稳定性。 变频器的作用 变频调速能够 应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，因此 可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行。 变频应用还可以大大地提高工艺的高效性（变速不依赖于机械部分），同时可以比原来的定速运行电动机更加节能。 变频器主要有以下作用： （ 1）控制电动机的启动电流。 变频调速可以在零速零电压启动，一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照 V/F 或矢量控制方式带动负载进行工作。 使用变频调速能充分减低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电动机的维护成本将进一步降低、电动机的寿命则相应增加。 （ 2）降低电力线路电压波动。 采用变频调速，由于能在零频零压时逐步启动，则能在最 大程度上消除电压下降。 9 （ 3）启动时需要的功率更低。 电动机功率与电压和电流的乘积成正比，那么通过工频直接启动的电动机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率。 （ 4）可控的加速功能。 变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑地加速，而且其加速曲线也可以选择（直线加速、 S型加速或者自动加速）。 （ 5）可调的运行速度。 通 过变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远程 PLC 或其他控制器来实现速度变化。 （ 6）可调的转矩极限。 通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏，从而保证工艺 过程的连续性和产品的可靠性。 （ 7）受控的停止方式。 在变频调速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择，同样它能减少对机械部件和电动机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。 （ 8）节能。 离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十几年的工程经验中已经得到体现。 由于是最终的能耗是与电动机的转速成立方比，所以采用变频后投资回报就更快，厂家也乐意接受。 （ 9）可逆运行控制。 在变频控制中，要实现可逆运行控制无需额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可，这样就能降低维护成本和节 省安装空间。 （ 10）减少机械传动部件。 运用直接变频传动系统可降低成本和空间，提高设备的性价比。 3 PID 指令介绍 3． 1 PID 算法 在工业生产过程控制中，模拟量 PID（由比例、积分、微分构成的闭合回路）调节是最常用的方法。 运行 PID 控制指令， S7200将根据参数表中的输入测量值、控制设定值及PID 参数，进行 PID 运算，并求得控制值。 参数表中有 9个参数，全部为 32位的实数，共占用 36个字节。 PID 控制回路的参数表如附 表 1所示。 典型的 PID算法包括三项 :比例项、积分项和微分项。 即：输出 =比例项 +积分项 +微分项。 计算机在周期性地采样并离散化后进行 PID 运算，算法如下： Mn=Kc*(SPnPVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPnPVn)+Mx+Kc*(Td/Ts)*(PVn1PVn) 比例项 Kc*(SPnPVn)：能及时地产生与 偏差 (SPnPVn)成正比的调节作用，比例系数 Kc 10 越大，比例调节作用越强，系统的调节速度越快，但 Kc 过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。 积分项 Kc*(Ts/Ti)*(SPnPVn)+Mx：与偏差有关，只要偏差不为 0， PID 控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，系统处于稳定状态，所以积分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，但积分的动作缓慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用。 从式中可以看出：积分时间常数增大，积分作用减弱，消除稳态误差的速度减慢。 微分项 Kc*(Td/Ts)*(PVn1PVn)：根据误差变化的速度（即误差的微分）进行调节，具有超前和预测的特点。 微分时间常数 Td 增大时，超调量减少，动态性能得到改善，如 Td过大，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。 3． 2 PID 控制回路 选项 在很多控制系统中，有时只采用一种或两种控制回路。 例如，可能只要求比例控制回路或比例和积分控制回路。 通过设置常量参数值选择所需的控制回路。 （ 1） 如果不需要积分回路（即在 PID 计算中无“ I”），则应将积分时间 Ti设为无限大。 由于积分项 Mx的初始值，虽然没有积分运算，积分项的数值也可能不为零。 （ 2）如果不需要微分运算（即在 PID 计算中无“ D”），则应将微分时间 Td 设定为。 （ 3）如果不需要比例运算（即在 PID 计算中无“ P”），但需要 I 或 ID 控制，则应将增益值 Kc指定为。 因为 Kc 是计算积分和微分项公式中的系数，将循环增益设为 在积分和微分项计算中使用的循环增益值为。 3． 3 回路输入量 输出量 的转化 1 回路输入量的转化和标准化 每个回路的给定值和过程变量都是实际数值，其大小、范围和工程单位可能不同。 在PLC 进行 PID 控制之前，必须将其转换成标准化浮点表示法。 步骤如下： （ 1）将回路输入量数值从 16位整数转换成 32位浮点数或实数。 下列指令说明如何将整数数值转换成实数。 ITD AIW0 ,AC0 //将输入数值转换为双字 DTR AC0 ,AC0 //将 32位整数转换成实数 （ 2）将实数转换成 ～。 实际数值的标准化数值 =实际数值的非标准化数值或原始实数／取值范围 +偏移量 11 其中取值范围 =最大可能数值 最小可能数值 =32020（单极数值）或 64000（双极数值）；偏移量：对单极数值取 ,对双极数值取 ；单极（ 0～ 32020），双极（ 32020～ 32020）。 将上述 AC0中的双极数值（间距为 64000）标准化，如下所示 /R ,AC0 //使累加器中的数值标准化 +R ,AC0 //加偏移量 MOVR AC0,VD100 //将标准化数值写入 PID 回路参数表中 2 PID 回路输出转换为成比例的整数 程序执行后， PID 回路输出 ～ ，必须被转换成 16位成比例整数数值，才能驱动模拟输出。 PID 回路输出成比例实数数值 =（ PID 回路输出标准化实数值 偏移量）取值范围 程序如下： MOVR VD108 ,AC0 //将 PID 回路输出送入 AC0 R ,AC0 //双极数值减偏移量 *R ,AC0 // AC0的值乘以取值范围，变成为成比例实数数值 ROUND AC0 ,AC0 // 将实数四舍五入取整，变为 32位整数 DTI AC0 ,AC0 //32位整数转 换成 16位整数 MOVW AC0 ,AQW0 //16位整数写入 AQW0 3． 4 PID 指令 PID 指令：使能有效时，根据回路参数表中的过程变量当前值、控制设定值及 PID参数进行 PID计算。 指令格式如 表 31所示。 表 31 PID指令格式 LAD STL 说明 PID TBL,LOOP TBL: 参数表起始地址 VB, 数据类型：字节 LOOP: 回路号，常量（ 0～ 7）， 数据类型： 字节 PID ENO EN LOOP TBL 12 说明： （ 1）程序中可使用 8条 PID 指令，分别编号 0～ 7，不能重复使用。 （ 2）使 ENO=0的错误条件： 0006（间接地址）， (溢出，参数表起始地址或指令中指定的 PID 回路指令号码操作数超出范围 )。 （ 3） PID 指令不对参数表输入值进行范围检查。 必须保证过程变量和给定值积分项前值和过程变量前值在 ～。 4 可编程控制器介绍 PLC 的基本结构 PLC 即可编程控制器（ Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。 在。