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基于S7-200液位过程控制系统设计-论文(含梯形图)






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 ................................................................................................................................... 1 1.1 课题的提出............................................................................................................. 1 1.2 PLC 液位控制系统的概述及发展........................................................................... 1 1.3 课题研究的内容与目的 ......................................................................................... 2 2 PLC 液位控制系统的总体设计 ........................................................................................ 3 2.1 S7-200 PLC 的概述 ................................................................................................... 3 2.1.1 STEP 7-MICRO/WIN 简介 ............................................................................... 5 2.1.2 PLC 内置 PID 模块控制指令应用 ................................................................ 8 2.2 建立液位控制系统结构....................................................................................... 12 2.2.1 硬件组成 ................................................................................................... 12 2.2.2 控制方法及实现的功能 ........................................................................... 12 2.2.3 软件设计 ................................................................................................... 14 2.3 PID 回路输入变量的转化与标准化 ..................................................................... 14 2.4 液位控制系统 PLC 程序设计 ............................................................................... 16 3 系统调试 ....................................................................................................................... 138 4.1 液位控制系统反馈极性确定 ............................................................................. 138 4.2 液位控制系统的控制指标................................................................................... 39 附录 1 .................................................................................................................................. 42 结 论 ................................................................................................................................... 46 参考文献: ......................................................................................................................... 47 致 谢 ................................................................................................. 错误!未定义书签。

1 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 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,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,
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同时也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。 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

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2 PLC 液位控制系统的总体设计
随着我国科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、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
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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 S7-200 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 CPU222 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。
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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。
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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
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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(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,设置的参数才起作用。

图 2-2 系统块参数设置
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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 PID 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:
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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 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
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引起频率较高的振荡,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 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 (0~7) 。 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:0~7 的常数。
PID
EN TBL LOOP ENO OUT

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。

M( t)? Kc( e( t) ? 1/TI
式中:

? e( t)dt ? T
0

t

? M0 D de( t)/dt)

(2-1)

M(t)——PID 回路的输出,是时间的函数; Kc Mo ——PID 回路的增益; ——PID 回路的初始值; e(t)——PID 回路的偏差(给定值与过程变量之差) ;

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 次采样时控制器的输出为:
(2-2) M n ? K c en ? K I ? e j ? K D (en ? en?1 ) ? M错误!未找到引用源。 0
j ?1 n

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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。

spn

en

PID控制器

Mn

D/A

M(t)

执行机构

被控对象

c(t )

?

pvn

A/D

pv(t )

敏感元件

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 2-1 PID 回路表: 参数 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-1 偏移地址 0 4 8 12 16 20 24 28 32 数据格式 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 I/O 类型 I I I/O I I I I I/O I/O 描述 过程变量,0.0~1.0 给定值,0.0~1.0 输出值,0.0~1.0 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,0.0~1.0 最近一次 PID 变量值

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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。

压力变 送器

A/D 转换

D/A 转换

上位机 监控

电磁调 节阀控 制流量

进行PID调节

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, 压力变送器的主要参数,扩散硅压力变送器输出 4mA~20mA 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。
QV105

LG 104

V103
LT 103

PLC 12

QV116

M

SP

FV101

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 1 2 位号或代号 FV101 LT103 设备名称 电动调节阀 压力变送器 用途 阀位控制 上水箱液位 原始信号类型 2~10VDC 4~20mADC AO AI 工程量 0~100% 2.5kPa

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 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:
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1)使设定值(SPn )等于进程变量( ; PVn )

PVn ?1)等于进程变量(PVn) 2)使上一次进程变量( ;
3)使输出初始值(MX)等于输出值(? n ) 。 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 0.0~1.0 之间的标准化数值。 转化公式如式 2-3

R norm ? ??R raw /Span? ? Offest ?

(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 4mA~20mA, 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。
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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。

R scal ? ?M n ? Offest ?? Span
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。

(2-4)

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。

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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。

spn

en

PID控制器

Mn

D/A

M(t)

执行机构

被控对象

c(t )

?

pvn

A/D

pv(t )

敏感元件

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;
开始

数据采(AIWO) 并归一化处理 定时中断 PID计算 手动/自动 自动

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手动 手动调节

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 0~32000,而 PLC 中的 PID 回路表 PV 值的范围为 0.0~1.0 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[0~1]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子程序

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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。

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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。

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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 “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
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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 3-2 图库对话框 图库是用计算机语言编写的一部分组件,它们的文件是以 dll 为后缀的,它的图 形是一个“矢量”的,任意放大和缩小不会失真,同时子图精灵的动画定义可以直接 进行变量选取。 6.2 液位控制系统组态界面 6.2.1 液位控制系统组态界面要求
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要求设计液位控制系统组态界面,系统包含泵、水罐、出水阀各一个,报警指示 灯能指示液位报警状态,可以进行系统手动运行与自动运行的切换按钮,可以手动启 动水泵的开关等。设计界面效果如图 3-3 所示。

图 3-3 液位控制系统组态界面 1.在工程项目的窗口项上右键单击鼠标,在右键菜单中选择新建窗口命令。 2.在弹出的新建窗口对话框的窗口名字栏中输入窗口名字“水罐液位控制” 。 3.在工具栏的图库按钮单击,弹出图库窗口。在图库中找出所需要的图元 并双击鼠标,将其添加到窗口组态界面中。 4.系统所需图库如表下所示。 表 3-1 元件 库名 图例 水罐 罐 自动与手动选择按钮 开关 水泵启动按钮 开关 水泵 泵 水罐液位显示 仪表 手动液位调整 游标 报警指示灯 报警灯 出水阀 阀门 5.将前面添加的图库拜访在合适的位置,并在工具箱的基本图元中选择标签和立体 管道控件。 6.3 动画连接 在创建图形对象或文本后,可以通过动画连接来赋予其“生命” ,通过动画连接,可 以改变对象的外观,以反映变量点或表达式值所发生的变化,动画功能也就是图形对
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象的事件。图形对象的事件包括鼠标动画、颜色动画、尺寸动画、数值动画等。 6.3.1 动画连接的创建方法 创建并选择连接对象,如线、填充图形、文本、按钮、子图等的动画连接创建方法有 以下几种: 1.先选中图形对象,然后在属性设置导航栏中,点击按钮 切换到动画页,选择相应 的动画功能。 2.用鼠标右键单击对象,弹出右键菜单后选择其中的“对象动画” 。 3.选中图形对象后直接按下“Alt + Enter”键。 4.双击图形对象。 使用后三种方法创建动画连接,会弹出“动画连接” 。 6.3.2 动画连接的删除方法 选择存在动画连接的连接对象,如线、填充图形、文本、按钮、子图等的动画连接创 建方法有以下几种: 1.先选中图形对象,然后在属性设置导航栏中,点击按钮 切换到动画页,然后点击 相应的动画功能后面的下拉框,选择“删除动画连接” 。 2.双击图形对象,弹出“动画连接”对话框,然后去掉相应动画功能按钮前复选框 的选择标志就可以了。 6.3.3 鼠标动画 该类动作分为:垂直拖动、水平拖动、窗口显示、左键动作、右键菜单、信息提示六 大类,图形对象一旦建立了与鼠标相关的动作的动画连接,在系统运行时当对象被鼠 标选中或拖拽时,动作即被触发。 1.垂直拖动:拖动连接使图形对象的垂直位置与变量数值相关联。变量数值的改变 使图形对象的位置发生变化,反之,用鼠标拖动图形对象又会使变量的数值改变。 2.水平拖动:拖动连接使图形对象的水平位置与变量数值相关联。变量数值的改变 使图形对象的位置发生变化,反之,用鼠标拖动图形对象又会使变量的数值改变。 3.窗口显示:窗口显示能使按钮或其它图形对象与某一窗口建立连接,当用鼠标点 击按钮或图形对象时,自动显示连接的窗口。 4.左键动作:对于选中的图形对象鼠标单击左键时,执行在按下鼠标、鼠标按着周 期执行、释放鼠标这三个事件的脚本编辑器中的动作程序。 5.右键菜单:右键菜单与“自定义菜单”中的右键弹出菜单配合使用,进入运行系 统后,使鼠标右键点击该对象时,显示一列右键弹出菜单。 6.信息提示:使图形对象与鼠标焦点建立连接,当鼠标的焦点移动到图形对象上时, 执行本动作,可以显示常量或变量等提示信息。 6.3.4 颜色动画 该类动作分为:边线、实体文本、条件、闪烁、垂直填充、水平填充六大类。颜色变 化连接可使图形对象的线色、填充色、文本颜色等属性随着变量或表达式的值的变化 而变化。 1.边线:边线变化连接是指图形对象的边线颜色随着表达式的值的变化而变化。 2.实体文本:实体文本变化连接是指图形对象的填充色或文本的前景色随着表达式 的值的变化而变化。 3.条件:条件变化连接是指图形对象的填充色或文本的前景色随着逻辑表达式的值 的变化而改变。
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4.闪烁:闪烁连接可使图形对象根据一布尔变量或布尔表达式的值的状态而闪烁。 闪烁可表现为颜色变化及或隐或现。颜色变化包括填充色、线色的变化。 5.垂直填充:垂直填充连接可以使具有填充形状的图形对象的填充比例随着变量或 表达式值的变化而改变。 例如: 某变量值客观反映生产过程中某实际容器液位的变化, 把此变量与一个填充图形进行垂直填充连接, 这个填充图形的填充形状的变化就可以 形象地表现容器液位的变化了。 6.水平填充:水平填充连接的建立方法与垂直填充连接的建立方法类似。只是填充 区域是在水平方向上变化。 6.3.5 尺寸动画 可以把变量值与图形对象的水平、垂直方向运动或自身旋转运动连接起来,以形象地 表现客观世界物体运动的状态;也可以把变量与图形对象的尺寸大小连接,让变量反 映对象外观的变化。此类动作包括:垂直移动、水平移动、旋转、高度变化和宽度变 化五大类。 1.垂直移动:垂直移动是指图形的垂直位置随着变量或表达式的值的变化而变化。 2.水平移动:水平移动连接的建立方法与垂直移动连接的建立方法类似。 3.旋转:旋转连接能使图形对象的方位随着一变量或表达式的值的变化而变化。 4.高度变化:高度变化连接是指图形对象的高度随着变量或表达式的值的变化而变 化。 5.宽度变化:宽度变化连接的建立方法与高度变化的建立方法类似 6.3.6 数值动画 包括数值输入和数值输出两大类, 其中可以细分为: 模拟输入、 开关输入、 字符输入、 模拟输出、开关输出、字符输出六小项。 1.模拟输入:模拟输入连接可使图形对象变为触敏状态。在运行期间,当鼠标点中 该对象或直接按下设定的热键后,系统出现输入框,提示输入数据。输入数据后用回 车确认,与图形对象连接的变量值被设定为输入值。模拟输入连接中与对象连接的变 量为模拟量。 2.字符输入:字符串输入连接中的连接变量为字符串变量。 字符串输入连接的创建 方法与模拟输入连接的创建方法类似。 唯一的区别是连接的变量的数据类型是字符型 变量。 3.开关输入:开关输入连接中连接变量为开关量。 4.模拟输出:模拟输出连接能使文本对象(包括按钮)动态显示变量或表达式的值。 模拟输出连接中与对象连接的变量为模拟量。 5.开关输出:开关输出连接中对象连接变量为离散型变量。 6.字符输出:字符串输出连接的建立方法与模拟输出连接的建立方法类似。只是表 达式输入框应填写字符型变量或字符型表达式。 需要注意的是图形对象必须为文本或 按钮,并且文本或按钮中的文字表明了输出格式。 6.3.7 杂项 1.隐藏:显现/隐藏动作可以控制图形的显现或隐藏效果。 2.禁止:允许/禁止动作可以控制图形的允许和禁止操作。 3.流动属性:该动作可以形成流体流动的效果。 6.4 水罐水位控制系统动画连接 1.将水泵与数据库变量 Shuibengqt.PV 连接起来,如图 3-4 所示。
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图 3-4 水泵动画连接 2.手动启动泵开关与 Shoudongbeng.PV 连接,如图 3-5 所示。

图 3-5 水泵启动与停止开关动画连接 3.水罐液位变量 Shuiguansw.PV 与水罐连接,如图 3-6 所示。

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图 3-6 水罐液位动画连接 4.水位指示仪表与 Shuiguansw.PV 连接,用来以刻度显示水罐水位高低,如图 3-7 所 示 示 。

图 3-7 指示仪表动画连接 5.出水阀与 Chuishuif.PV 数据库变量连接,如图 3-8 所示。

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图 3-8 出水阀动画连接 6.手动控制和自动控制泵开关动画连接如图 3-9 所示。

图 3-9 手动/自动控制泵开关动画连接 7.水位报警指示灯动画连接如图 3-10 所示。

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图 3-10 报警指示灯动画连接 报警条件表达式为:(Shuiguansw.PV < 90) && (Shuiguansw.PV> 10) 8.水罐水位数值显示动画连接。双击标签组件,弹出文本动画连接,单击数值输出 模拟输出按钮。在模拟值输出中选择变量 Shuiguansw.PV,单击确定。 9. 游标动画连接如图 3-13 所示, 游标为数值输入控件, 可以模拟水罐水位变化情况。

图 3-13 游标向导动画连接 10.确认后,进入系统运行状态,拖动游标控件,浏览水罐液位控制系统效果如图 3-14 所示。

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图 3-14 水罐液位控制系统动画连接后效果窗口 6.脚本动作 6.5.1 动作脚本概述 为了给用户提供最大的灵活性和能力,力控提供了动作脚本编译系统,具有自己的编 程 语言,语法采用类 BASIC 的结构。这些程序设计语言,允许在力控的基本功能的基 础上,扩 展自定义的功能来满足用户的要求。力控的动作脚本语言功能很强大,可以访问和控 制实时系统的所有组件,如实时数据、历史数据、报警、报表、趋势和安全等;同时, 用户通过这类脚本语言,可以实现从简单的数字计算到用于高级控制的算法的功能。 力控中动作脚本是一种基于对象和事件的编程语言,可以说,每一段脚本都是与某一 个对象或触发事件紧密关联的,利用开发系统编制完的动作脚本,可以在运行系统中 执行, 运行系统通过脚本对变量、 函数的操作, 便可以完成对现场数据的处理和控制, 进行图形化监控。 6.5.2 动作脚本 动作脚本可以增强对应用程序控制的灵活性。比如,用户可以在按下某一个按钮,打 开某个窗口或当某一个变量的值变化时,用脚本触发一系列的逻辑控制、联锁控制, 改变变量的值、图形对象的颜色、大小,控制图形对象的运动等等。 所有动作脚本都是事件驱动的。 事件可以是数据改变、 条件、 鼠标或键盘、 计时器等。 处理顺序由应用程序指定,不同类型的动作脚本决定以何种方式加入控制。 动作脚本往往是与监控画面相关的一些控制,主要有以下类型: 1.窗口脚本:可以在窗口打开时执行、窗口关闭时执行或者窗口存在时周期执行。 2.应用程序脚本:可以在整个工程启动时执行、关闭工程时执行或者在运行期间周 期执行。 3.数据改变脚本:当指定数据发生变化时执行。 4.按键脚本:当按下某一个键时执行指定动作。
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5.条件脚本:当指定的条件发生时执行的动作。 6.5.3 动作脚本的创建方式 动作脚本包括:窗口动作、应用程序动作、数据改变动作、键动作和条件动作等。它 们的创建方式有: 1.工程项目导航栏中动作树下可以创建应用程序动作、数据改变动作、按键动作、 条件动作。 2.选择菜单命令“特殊功能[S]/动作”或者选择工程项目的树形菜单中的“动作”子 节点都可以创建各种动作脚本。 6.5.4 脚本编辑器 创建动作脚本时,会直接弹出脚本编辑器对话框,如图 7-2 所示。在脚本编辑器中, 你可以创建自己的脚本程序,来控制程序。 6.5.5 脚本编辑器的语法格式 脚本编辑器里的基本语法格式是: #[窗口名].#[对象名].[对象/方法] 6.5.6 动作脚本编程语法 “脚本”的英文叫 Script。它是一种解释性的编程语言,是从主流开发编程语言演变 而来的,比如 C、BASIC、PASCAL 等,通常是它们的子集,脚本不能单独运行,比如 力控软件的脚本要靠 VIEW 程序解释执行, 脚本可以扩充和增强 VIEW 程序的功能, 使系统更具灵活,根据特殊需要可进行特殊定制,使二次开发时更加灵活方便。 在计算机控制的项目中,项目千差万别,动作脚本是面向应用开发工程师的,它简单 易用,便于掌握。其基本类似于 BASIC 语言和 C 语言,只要有一些高级语言的编程 基础,可以很容易的掌握。 注意:动作脚本语言是力控开发系统 Draw 提供的一种自行约定的内嵌式程序语言。 它只生存在 VIEW 的程序中,通过它便可以作用于实时数据库 DB,数据是通过消息 方式通知 DB 程序的,本节介绍该语言的语法及用法。 动作脚本语言支持赋值、数 学 运算等基本语法,也可以书写由 IF-ELSE-ENDIF 等语 句构成的带有分支结构的程序脚本。它由以下几个部分组成: 1.变量和常数:数据运算的最基本单位。 2.操作符:对数据实施的运算。 3.表达式:关键字、运算符、变量、字符串常数、数字或对象的组合。表达式可用 来执行运算、操作字符或测试数据。 4.赋值语句:为变量或属性赋值的语句。 5.条件语句:使用条件语句可以根据指定的条件控制脚本的执行流程。 6.多分支语句:使用多分支语句可以根据指定的条件控制脚本的执行流程,在根据 同一个条件处理多个分支时,它比条件语句更清晰。 7.循环语句:循环用于重复执行一组语句。 8.注释:用来解释代码如何工作的附加文本。 "//"表示该行后面的所有文本是注释。 "/*"、"*/"必须配对使用,出现在这两者之间的所有文本都是注释。不支持嵌套,"/*" 会在后续文本中找一个与它最靠近的"*/"与它配对,不管中间是否又出现了"/*"。 9.函数:软件提供了一些定制好的系统函数,用户也可以自定义函数。 6.5.6 程序结构 程序结构基本分为三种:顺序程序结构、分支程序结构和循环结构:
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1.顺序程序结构 脚本是一种顺序执行的关系,是按表达式的先后顺序进行执行 2.分支程序结构 主要有以下两种表现形式: 1.顺序程序结构 脚本是一种顺序执行的关系,是按表达式的先后顺序进行执行 2.分支程序结构 主要有以下两种表现形式: 1) IF 结构 If 语句也称条件语句,它与 Switch 语句合称为分支语句。意即程序运行到此处可以 根据 条件的真假而决定执行什么样的后继语句。 (1) IF 表达式 THEN 执行体 1 ENDIF 如果表达式的条件成立,则执行 THEN 和 ENDIF 之间的语句,否则跳过执行这些语 句。 2) IF 表达式 THEN 执行体 1 ELSE 执行体 2 ENDIF 如果表达式的条件成立,则执行执行体 1,否则执行执行体 2。 3) if(表达式 1) then 执行体 1 Else if(表达式 2) then 执行体 2 Else if(表达式 3) then 执行体 3 ...... endif//3 endif//2 endif//1 IF 语句可以嵌套使用,嵌套次数不受限制,嵌套使用时必须注意每一个 IF 必须要有 配套的 ENDIF。 4) SWITCH 多分支结构 Switch 语句也称为开关语句,它是多分支结构,而 if 语句是二分支结构,多分支语 句用来实现多分支选择,它能够根据表达式的值来决定控制的转向,即根据表达式的 值,来决定执行几组语句中的其中之一。IF 语句可以实现两路选择,而实际情况却经 常需要多分支的选择。如根据炉膛温度的不同范围(如 320~330;330~340;340~ 350;...) ,采取不同的处理方案。通过一条 Switch 语句可以清晰的对各种情况进 行处理。虽然 IF 语句嵌套也能实现,但是层数多,不直观,可读性差。 语法:
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Switch (E) [Case c-1: [statements-1]] ... [Case c-i: [statements-i]] ... [Case c-n: [statements-n]] ... [Default: [elsestatements]] EndSwitch 说明: E:Switch 括号内的 E 为必有参数,为数值表达式。 当该表达式的值与下面哪一个 Case 语句中的常量匹配时,就将转向执行那个 Case 后的语句。 c-1,...,c-n:一般为一常量,也可以是一组分界列表,形式为:c1,c2 ,c3,...各分界间以 逗号 “,”分隔。To 关键字可用来指定一个数值范围,如 5 TO 10,表示取值为 5 到 10 之 间,包括 5 和 10。 如果使用 To 关键字, 则一般较小的数值要出现在 To 之前。 当表达式 E 的 值与 c-n 的任何一分界值相匹配时, 便执行其后的执行语句, 当执行到下一个 Case 或 Default 语句时, 将跳出多分支语句。 statements-i:一条或若干条执行语句。 Default: 当 E 不匹配 Case 子句的任何部分时执行其后的执行语句。 当 执 行 到 下 一个 Case 时,将跳出多分支语句。如果没有 Default 语句,且没有哪一个 Case 的界值与表达 式 E 的值 相匹配,多分支内的任何语句都不会被执行,控制将转向多分支体后的语句执行。 注意事项: Case 语句与执行语句间必须以“:”结束;Default 语句可以没有,但是不能有多个; 界 符不能重复或交叉;Switch 语句可以任意嵌套。 示例 1: Switch (a) Case 0: b = b+ 1; Case 1: b = b+2; Default: b = b+10; EndSwitch 在上例中, a 的值为 0 时将执行 b = b+1;a 的值为 1 时将执行 b = b+2;a 为 0, 1 以 外的其
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他值时将执行 b = b+10; 示例 2: Switch (a) Case 0, 1, 2: - 52 b = b+ 1; Case 3: b = b+2; Default: b = b+10; EndSwitch 在上例中,a 的值为 0,1,2 时将执行 b = b+1;a 的值为 3 时将执行 b = b+2;a 为 0,1,2,3 以外 的其他值时将执行 b = b+10。 示例 3: Switch (a) Case 0,1, 10 TO 15, 21: B = b+ 1; Case 3: b = b+2; Default: b = b+10; EndSwitch 在上例中,a 的值为 0,1,10 ~15,21 时将执行 b = b+1;a 的值为 3 时将执行 b = b+2;a 为其 他值时将执行 b = b+10。 3.循环结构 语句循环操作的实现使计算机真正充当了代替人工作的角色。 循环语句可以将计算机 定 义成无休止的工作状态。力控 eq \o\ac(○ ,R)R 提供两种循环语句, WHILE 循环和 FOR 循环, 循环语句一般配合数组使用。在变量一章,我们介绍了间接变量的数组概念,这里结 合循环 语句介绍一下: 注意:在数组元素使用前,首先要对其指向的变量进行指定,然后才可以对其进行各 种 操作。否则对数组元素的引用或操作将无意义。这里是一个数组循环的使用举例: 求数值型变量 A,B,C,D,E 的最大值。 ( IndirVar 为一间接变量) IndirVar[0] = &A; IndirVar[1] = &B; IndirVar[2] = &C; IndirVar[3] = &D; IndirVar[4] = &E;
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n = 0; Max = IndirVar[0]; WHILE n < 5 DO - 53 IF (IndirVar[n] > Max) THEN Max = IndirVar[n]; ENDIF n = n + 1; ENDWHILE 1) FOR 循环 FOR 的语法为: FOR I = E1 TO E2 [STEP E3] 执行体 NEXT 说明: 上述语法结构中的变量或表达式含义如下: I 为循环控制变量,必须为整型,一般应为中间变量,或窗口中间变量。 E1 为 I 的初值表达式。 E2 为 I 的上限。 E3 为循环控制变量 I 的增量表达式。 FOR TO STEP NEXT 为 FOR 循环保留字。 中括号中的 STEP E3 可以省略,如果没有 STEP 子句,增量缺省为 1。 注意:初值表达式 E2, 增量表达式 E3 在进入循环时对其求值一次,循环中不在计 算。 示例 1: m = 0; FOR I = 0 TO 3 m = m+1; NEXT 在上例中,循环次数为 4,I 每次增量为 1。第一次循环 I 取值为 0。第二次循环 I 取值 为 1。第三次循环 I 取值为 2。执行完后 m 的值为 3。 其中 I=0 为循环变量初始化,I=0 TO 3 表示循环的结束判断,当 I=3 时,则说明循 环应 用结束;在这个示例中 STEP 省略,所以增量为 1 进行修正。 示例 2: m = 0; FOR I = 0 TO 10 STEP 2 m = m+1; NEXT 在上例中,循环次数为 6,I 每次增量为 2。 执行完后 m 的值为 5。 - 54 示例 3:
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m = 0; FOR I = 0 TO I + 10 STEP I + 2 m = m+1; m = m+1; NEXT 在上例中,I 上限为 10,循环增量为 2。循环次数为 6,I 每次增量为 2。执行完后 m 的 值为 10。 2) WHILE 循环 WHILE 的语法为: WHILE 条件表达式 DO 执行体 ENDWHILE 示例: n = 0; m = 1; WHILE n < 10 DO m = m * n; n = n +1;//n 为循环控制变量 ENDWHILE 7.2.7 调试脚本 当保存或从脚本编辑器中返回时,脚本编辑器对脚本程序进行语法检查和编译。当发 现 语法错误时,会发出警告提示。如图 7-3 所示。 图 7-3 语法错误对话框 也可以使用编辑器自带的编译工具 对所输入脚本进行检查,如果脚本有语法错误, 编译时同样会提示语法错误。 - 55 7.3 实例——水罐液位控制系统脚本控制 7.3.1 水罐液位控制胸膛那个脚本控制设计要求 在本例中,使用的是力控的仿真驱动程序(Simulator) ,并不是真实的硬件,因此, 为了 实现锅炉的控制逻辑,在“应用程序动作”中实现,以达到逻辑控制仿真的效果。 7.3.2 脚本程序设计步骤 1.在工程项目的动作中选择应用程序动作双击,如图 7-4 所示。 图 7-4 工程项目管理器 2. 在应用程序动作脚本编辑器的进入程序窗口编写系统初始化脚本, 如图 7-5 所示。 图 7-5 脚本编辑器窗口 - 56 系统初始化脚本如下: shuiguansw.pv = 0; shuibengqt.pv = 0; chushuif.pv = 0;
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kongzhi.pv = 0; shoudongbeng.pv = 0; 3.在程序运行周期执行窗口输入如下控制程序,实现系统的手动和自动控制。 IF kongzhi.pv == 0 && shoudongbeng.pv == 1 THEN shuibengqt.pv = 1; ELSE ENDIF IF kongzhi.pv == 0 && shoudongbeng.pv == 0 THEN shuibengqt.pv = 0; ELSE ENDIF //手动挡控制; IF kongzhi.pv == 0 && shoudongbeng.pv == 1 && chushuif.pv == 0 && shuiguansw.pv < 100 THEN shuiguansw.pv = shuiguansw.pv + 10; ELSE ENDIF IF kongzhi.pv == 0 && shoudongbeng.pv == 0&& chushuif.pv == 1 && shuiguansw.pv > 0 THEN shuiguansw.pv = shuiguansw.pv - 10; ELSE ENDIF IF kongzhi.pv == 0 && shoudongbeng.pv == 1 && chushuif.pv ==1 THEN - 57 shuiguansw.pv =shuiguansw.pv; ELSE ENDIF //自动挡控制; IF kongzhi.pv == 1 && shuiguansw.pv > 90 THEN shuibengqt.pv = 0; chushuif.pv = 1; ELSE ENDIF IF kongzhi.pv == 1 && shuiguansw.pv < 10 THEN shuibengqt.pv = 1; chushuif.pv = 0; ELSE ENDIF IF kongzhi.pv == 1 && shuibengqt.pv == 0 && chushuif.pv == 1 THEN shuiguansw.pv = shuiguansw.pv - 10; ELSE ENDIF IF kongzhi.pv == 1 && shuibengqt.pv == 1 && chushuif.pv == 0 THEN
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shuiguansw.pv = shuiguansw.pv + 10; ELSE ENDIF 4.输入完成后,进入运行系统观看系统运行情况如图 7-6 所示。 - 58 图 7-6 水罐液位控制系统主控窗口运行状态 - 59 第 8 章 运行系统 8.1 运行系统

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4 系统调试

液位过程控制是对连续变化的模拟量的闭环控制。PLC 通过其模拟量 I/O 模块, 及数据处理和数据运算等功能,实现对模拟量的闭环控制。现代的大中型 PLC 一般 都具有 PID 闭环控制功能,这一功能可以用 PID 子程序或专用的 PID 模块来实现, S7-200 具有专门的 PID 指令,配置适当的参数,就可以方便地实现 PID 控制功能。 PID 调节是一般闭环控制系统中用的较多的一种调节方法, 在其他行业如: 冶金、 化工、热处理、锅炉、液位控制等场合有非常广泛的应用。 4.1 液位控制系统反馈极性确定 液位控制系统属于闭环控制,闭环控制必须保证系统是负反馈,而不是正反馈。 如果系统接成了正反馈,将会失控,被控量将会往单一方向增大或减小,给系统的安 全带来极大的威胁。 闭环控制系统的反馈极性与很多因素有关, 例如因为接线改变了变送器输出电流 或输出电压的极性, 在 PID 控制程序中改变了误差的计算公式, 都会改变反馈的极性。 在调试前可以用下述方法来判断反馈的极性:在调试时断开 D/A 转换器与执行 机构之间的连线,在开环状态下运行 PID 控制程序。如果控制器中有积分环节,因为 反馈被断开了,不能误差,D/A 转换器的输出会朝一个方向变化。这时如果接上执行 机构,能减小误差,则为负反馈,反之为正反馈。
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本控制系统,假设开环运行时给定值大于反馈值,若 D/A 转换器的输出值不断 增加,如果形成闭环,将电动调节阀的开度减小,闭环后液位反馈值将会增大,使误 差减小,由此可以判断系统是负反馈。 4.2 液位控制系统的控制指标 闭环控制系统的品质指标主要由过渡过程性能反映。 控制系统的过渡过程是衡量 控制系统品质优劣的重要依据。 一个合格的、 稳定的控制系统, 当受到外界干扰以后, 被控变量的变化应是一条衰减的曲线。 图 4-1 表示了一个定值控制系统受到外界阶跃 干扰以后的过渡过程曲线,对此曲线采用以下指标来衡量系统的好坏。 1)最大偏差 A 或超调量 最大偏差是指在过渡过程中,被控变量偏离设定值的最大数值。最大偏差表示系 统瞬间偏离新稳态值的最大程度。在衰减震荡过程中,最大偏差就是第一波的峰值, 用 A 来表示。超调量来表征被控变量偏离设定值的程度。在图 4-1 中超调量用 B 来 表示,它是第一个波峰值与新稳态值的差,由于图 4-1 所示系统为无差系统,所以新 稳态值等于设定值,即 A=B。在工程实际中一般以百分数给出,即相对超调量。

??

B ? 100% C

(4-1)

图 4-1 过渡过程品质指标示意图 2)衰减比 衰减比是衡量调节过程衰减速度的指标, 它用过渡过程曲线相邻两个波峰值的比 来表示,在图 4-1 中的衰减比是 B 与 B’的比。若衰减比小,接近于等幅振荡过程, 过程变化灵敏,但波动过于激烈,不易稳定;若衰减比大,则又接近于非振荡过程, 过渡过程过于稳定,但反应太迟缓。根据实际经验,为保持足够的稳定裕度,一般希
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望在两个波峰左右系统稳定下来,与此相对应的衰减比在 4:1~10:1。在 4:1 衰 减振荡过程中,大约两个波以后就可以认为是稳定的,而衰减比为 10:1 时,过渡过 程基本上可以认为是只有一个波。 3)余差 余差是衡量控制系统稳定性的一个动态指标。当过渡过程结束时,被控变量的设 定值与新稳态值之间的偏差,叫做余差。余差的符号可能是正,也可能是负。余差的 大小反映了自动调节的控制精度,一般要求余差能满足工艺要求就可以了。 4)过渡时间 Ts 从干扰作用发生的时刻起,到系统重新建立新的平衡时止,过渡过程所经历的时 间,叫做过渡时间或控制时间。实际上,由于测量元件灵敏度的限制,当被控变量接 近稳态值时,指示值就基本不改变了。因此,一般是在稳态值的上下规定一个小的范 围,当被控变量进入这一小范围,并不在超出时,就认为被控变量已经达到新的稳态 值,所以规定,当被控变量衰减到进入最终稳态值的±5%(也有的规定为±2%)范 围之内所经历的时间,定义为过渡时间 Ts。 5)振荡周期 Tp 或频率 f 从第一个波峰到同方向的第二个波峰之间的间隔时间, 称为过渡过程的振荡周期 Tp,其倒数称为振荡频率 f。在衰减比相同的条件下,周期与过渡过程时间成正比。 振荡周期越短,过渡时间越快。因此它也是衡量控制系统控制速度的品质指标。 上述五个过程控制指标在不同的控制系统中各有其重要性, 而且相互之间又有着 内在联系。对一个系统总是希望能够余差小,最大偏差小,调节时间短,回复快,但 上述几个指标往往是互相矛盾。我们应该根据在不同控制系统中重要性的不同,分清 主次,区别轻重,优先保证重要的质量指标。 依照 PID 的参数整定方法,依次对 P、I、D 的参数进行整定,直至达到系统设 计的要求为止。 PID 控制器参数选择的方法很多, 在前面已经作了介绍,在此我们主要以系统 调试过程中,如何调节 PID 参数,做详细说明。 对于 PID 控制而言, 参数的选择始终是一件非常烦杂的工作, 需要经过不断的调 整才能得到较为满意的控制效果。具体调试步骤如下: (1) 确定比例系数 Kc 确定比例系数 Kc 时,首先去掉 PID 的积分项和微分项,可以令 Ti=0、 TD =0, 使之成为纯比例调节。输入设定为系统允许输出最大值的 60%~70%,比例系数 K C 由 0 开始逐渐增大,直至系统出现振荡;再反过来,从此时的比例系数 Kc 逐渐减小, 直至系统振荡消失。记录此时的比例系数 Kc,设定 PID 的比例系数 Kc 为当前值的 60%~70%。
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(2) 确定积分时间常数 Ti 比例系数 Kc 确定之后,设定一个较大的积分时间常数 Ti,然后逐渐减小 Ti,直 至系统出现振荡,然后再反过来,逐渐增大 Ti,直至系统振荡消失。记录此时的 Ti, 设定 PID 的积分时间常数 Ti 为当前值的 150%~180%。 (3) 确定微分时间常数 Td 微分时间常数 Td 一般不用设定,为 0 即可,此时 PID 调节转换为 PI 调节。如果 需要设定,则与确定 Kc 的方法相同,取不振荡时其值的 30%。 进行 PID 参数调整及功能演示画面如图 4-2(a、b、c)所示。 通过以上三组 PID 参数的设置和液位显示曲线对比, 总结出以下结论, 当系统比 例参数设置比较大是,系统有振荡现象,而设置比较小时系统放大倍数又达不到,综 合比较,通过多次试验得到较好的控制参数,画面显示如图 4-3。

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图 4-2

PID 参数调整及功能演示画面(c)

附录 1

主程序:

42

子程序 0:

子程序 1:

子程序 2:
43

子程序 3:

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中断程序 0:

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结 论

经过三个多月的艰苦努力,本设计基本上达到了设计目的。通过上位机来设定一 个给定值,根据 PID 的输出值与模拟负载量的大小,系统自动调节电动调节阀,使液 位快速达到给定值,从而实现了对液位的自动控制。在系统设计过程中,成功地解决 了组态王与 PLC 的连接通信,组态动画的设置与连接。软件的开发,主要是 PLC 的 模块化编程、PID 模块的设计、数据的归一化和设计控制系统组态实时监控画面,通 过上位机对液位的自动控制,基本达到了对液位的自动控制要求。 通过本次设计,我的知识领域得到了进一步扩展,专业技能得到进一步提高,同 时增强了分析和解决工程实际的综合能力。另外,也培养了自己严肃认真的科学态度 和严谨求实的工作作风。 由于时间的原因,设计中还有存在不足之处,请各位专家和老师指正。 系统调试包括两个部分,分别是软件调试和硬件调试。软件调试的顺利完成是建 立于硬件调试之上的,所以在软件调试之前首先要进行硬件的调试工作,在 PLC 处 于编程状态下,检测传感器、电动调节阀、水泵、开关等设备,以确保信号能够正确 地输入 PLC;确认运动机构均可以正常运动,将液位控制在预定值上下,同时防止出 现液位溢出或水槽无水等现象。 在硬件的调试过程中出现了不少的问题,首先是 PLC 和外围电路的连接,遇到 了一连串的低压电器连接的问题,在指导老师的正确指导下我很快就掌握了连接方
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法。通过反复的连接操作训练后,这些问题得到了妥善的解决。 硬件调试的问题解决了,下面进行的就是软件的调试工作。软件调试较硬件调试 来说要复杂的多。首先根据 PLC 程序流程图编写程序,然后通过实物的实际情况反 复的编程实验。经过努力,一一解决了编程时遇到的困难。系统有多个功能,要本着 先单一, 后多种, 先简单, 后复杂的顺序来编写和调试程序, 直到完全符合设计要求, 完成最终的调试工作。在程序调试的过程中,我感觉到充分理解 PLC 串行工作方式 的重要性。

参考文献:

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