1、专业课程设计实验,设计题目：液位控制系统综合设计与调试控制科学与工程系实验中心,一、设计目的 综合控制理论、过程控制、微机控制、可编程控制器、软件程序设计等课程的相关理论知识，设计一个完整的液位控制系统，全面学习和掌握典型控制系统的设计方法、控制方法、调试方法。二、设计需求：设备：液位过程控制对象以及相应的检测装置、执 行装置，可编程控制器，计算机等。设计目标：用所提供的设备构建如图2所示系统，设计控制界面，实现液位的实时控制和监测。,图2,任务要求1、实现计算机与PLC之间的通讯。编制计算机与PLC通信程序，实现采集数据的上传，控制量下传（见参考图1）。,2、实现计算机对PLC的实时读、写并
2、显示读、写数据曲线 。,3、实现控制功能： 基本功能：设置参数，实现基本PID算法，进行实时控制，实时显示动态曲线等。,高级功能（选做）：智能控制算法实现（模糊、仿人控制，PID参数自动整定方法等）；开发平台 上位机软件开发平台不限（推荐使用Labwindows/CVI 7.0） ，PLC梯形图设计平台为FXGP_WIN-C。,三、设计要求1、每23人一组，分工合作，在4周时间内完成设计与调试任务。2、到实验室熟悉和掌握仪器设备的基本工作原理、使用方法，为设计工作的开展做好准备。3、根据设计目标，查阅相关资料手册，制定设计方案，论证方案的可行性。4、选择自己熟悉的编程语言，写出控制软件，完善帮
3、助文档，提供相关的语句注释。（本实验不规定控制软件用什么语言来完成。演示程序的软件开发平台为：Labwindows/CVI 7.0 ，FXGP_WIN-C）,5、调试程序，整定控制参数，获取控制曲线、响应曲线，完整的演示控制过程，通过指导教师的现场测试与答辩。6、撰写设计报告，报告内容应包含：设计题目、设计内容、方案设计与论证、控制算法、软件设计框图、设计难点、调试中所遇到的问题、实际问题的解决方法、结果对比与分析、达到的性能指标、体会建议与改进措施等，并提交程序原代码文件。,四、评分标准完成任务1满分30完成任务2满分20完成任务3的基本部分满分40完成任务3的选做部分满分10分五、预备知识
4、了解设计原理和任务设计。六、设计原理液位控制系统原理结构图（见下图）,控制系统的结构组成 如图7所示，计算机与可编程控制器构成主、从结构形式，计算机为主机，计算机控制软件完成用户界面的设计，控制算法的设计，以及完成与PLC的串行通讯。可编程控制器为从机，并带有A/D、D/A转换器，计算机可通过串口读入可编程控制器中A/D转换结果，在本系统中代表液位检测值；计算机可通过串口写出控制量到可编程控制器，由可编程控制器自动完成D/A转换，转换结果为420mA电流，控制电动流量伺服阀的开度，从而控制水箱入水量。,PID控制描述由文献1，模拟过程控制的PID控制算式为 (2)对上式进行离散化处理，以一系列
5、采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可得离散的PID控制算式为 (3)若令 ， ，则上式写成上述式子中，u(t)t时刻的控制输出（控制量），KP比例控制系数，TI积分时间常数，TD微分时间常数，KI积分控制系数，KD微分控制系数，T采样时间，u(k)第k时刻的控制输出（控制量）。,在PID控制中，比例（P）控制是起主导作用的，也保证了控制的快速性，积分（I）控制保证了系统无稳态误差，微分（D）控制为辅助控制，起到了增大系统阻尼是控制过程更加平滑。 PID算法中的量程转换问题 在工业现场中的变量量程千变万化，直接使用具有变量工程量量程的误差计算PID控制输出，虽然不会
6、导致计算错误，但是由于量程的不统一，在PID参数整定时整定出的参数必然有很大的差异，在整定过程中操作人员也没有什么参考标准。为了消除各个变量的量程差异，需要对变量的量程进行转换，并且将误差进行归一化，例如，液位设定值的范围为0100mm，将液位设定值/100以后，量程转化为01之间的值；液位测量值的范围为A/D转换对应范围L_MINL_MAX，如果将（液位测量值-L_MIN）/（L_MAX-L_MIN），则将测量值的量程转化为01之间的值。,量程转换的另外一个意义就是PID控制输出和模拟量输出之间的量程转换，上面我们已经讲过，误差的量程已经转换为01，经过PID计算以后，控制输出的量程也为01
7、，经过控制输出增量限幅和控制量限幅，可以保证最后计算出的PID控制输出量在01的范围内。但是PLC提供的4个D/A输出允许输出的电流值为0mA25mA，为了适应调节阀门开度的控制范围，这里有必要将01范围内的控制输出，经过量程转换化为4mA20mA间的一个数值，具体的转换代码为：PID控制输出量*（C_MAX-C_MIN）+C_MIN 可编程控制器简介 EASY-M0808R-A0404HB型可编程控制器是黄石科威公司生产的嵌入式PLC产品。有8路开关量输入和8路开关量输出，开关量输出为继电器型；有4路模拟量输入和4路模拟量输出，模拟量输入信号和模拟量输出信号的类型为420mA电流输入。有三种
8、通讯接口，分别为串口0（RS0），串口1（RS1），CAN总线口。,RUN、COM0：运行控制端子，短接RUN和COM0，可编程控制器处STOP状态；RUN和COM0断开，可编程控制器处RUN状态。X00X07、COM0：开关量输入端子，COM0为公共端。Y00Y03、COM1：开关量输出端子，COM1为公共端。Y04Y07、COM2：开关量输出端子，COM2为公共端。CANH、CANL：CAN网络接口端子。AI0+、AI0-：0#通道模拟量输入端子。AI1+、AI1-：1#通道模拟量输入端子。AI2+、AI2-：2#通道模拟量输入端子。AI3+、AI3-：3#通道模拟量输入端子。DAC0+、
9、DAC0-：0#通道模拟量输出端子。DAC1+、DAC1-：1#通道模拟量输出端子。DAC2+、DAC2-：2#通道模拟量输出端子。DAC3+、DAC3-：3#通道模拟量输出端子。,N、L：工作电源接入端子，电压范围：180260VAC，50Hz。RS0：编程口，配专用通讯电缆PRG_02，下载程序、与人机界面连接。RS1：RS232网络串口，配专用通讯电缆PRG_02，固化CAN网络配置、组建RS485网络。模拟量输入特性：输入范围为420mA电流输入，12位逐次逼近法测量，数据字格式为04095。模拟量输出特性：输出范围为420mA电流输出，输出分辨率为12位，转换速度为4个通道5ms。D
10、5000D5031：各模拟量输入通道对应的AD输入值。D5064D5095：各模拟量输出通道对应的DA输出值。通过完成附1的PLC熟悉实验掌握PLC的使用方法。,前端控制平台开发简介 完成本设计任务的上位机软件开发平台不限，可采用Labwindows/CVI，VC+，VB，Matlab，Delphi等，可自由选择。这里以Labwindows/CVI软件为例做些介绍。Labwindows/CVI为专业虚拟仪器开发软件，提供多种仪表、绘图控件，且其开发语言为标准C，很适合该设计的前端控制平台开发。通过完成Labwindows/CVI基本教程掌握Labwindows/CVI的编程方法。,七、任务设计
11、设备连接 PLC的模拟输入输出为标准420mA电流信号，此外，标准模块伺服阀、DDM和传感器也都为标准420mA电流信号接口。转接面板提供普通导线到标准七芯电缆之间的接口。,PLC梯形图程序设计 PLC在该系统中作为从机，执行的是将液位传感器的模拟信号转换为数字信号，将PC输出的控制量的数字信号转化为标准420mA电流信号以及与PC之间的数据通信等任务。PLC与PC的通信是基于RS485网络连接端口的主从式方式，计算机默认为主站，而对于PLC一方则需要定义其为从站，规定站号和通信参数以及其他的一些必要步骤，即在通信前将如下例梯形图程序下载到PLC中：,注：通信格式为十六进制参数6081H，代表
12、波特率为9600，校验方式为0，数据位长度为8，停止位长度为1。D5000为输入寄存器，D5064为输出寄存器，D7000与D7100为通信寄存器梯形图程序通过PLC的串口0下载。下载梯形图完毕后，必须先断开RUN和COM0，等可编程控制器运行后，才能断电，否则，程序得不到固化。,前端控制平台开发1）串行通讯程序设计该设计中，PC机和PLC为主从机结构，PC机为主站，PLC为从站，主、从双方需要数据通讯。PLC的物理层的通讯格式为：数据长度8位,停止位1位,无奇偶校验位,传输速率9600 bps.PC机上的物理层通讯格式（串口格式）也应如上设置。PC机上还需要根据PLC的主从站协议在发送和接收
13、时分别进行报文封装和报文解析。,主从站协议格式如下：,协议相关说明:横线上方表示主站发送的数据,横线下方表示从站发送的数据.数据发送顺序从左到右.站号:2字符十六进制数,范围1-3F,对应十进制1-63.表示可带63个从站.PC号:固定为FF.头元件:只能是数据寄存器D,用5个字符表示,如D1000.元件数:用2位十六进制的字符表示,如0A,表示十个字元件.指定元件数据:一个元件数据用4个十六进制的字符表示,如AB96.错误码:暂没使用.除控制字符外,其它字符均用ASCII码传输.校验和字符是对所作用范围的ASCII码作十六进制累加后取最后两位.校验和字符的传输也是用ASCII码传输.,.主站
14、读从站数据主站发信息：ENQ+站号+PC号+命令+等待时间+头元件+元件数+校验和代码。解释ENQ：询问，05H。属控制型字符。站号：从节点站号，01H-3FH，属数据型字符。PC号：固定为FFH，三菱FX2N控制器要求。属数据型字符。命令：WR，以一个字为单位进行读操作，1个字=16位。属数据型字符。等待时间：1个字符（0-F），用于本产品固定为0H，表示无等待需求。属数据型字符。头元件：用5个字符表示，取值范围：D7000-D7899。属数据型字符。元件数：取值范围00-40H，最多64字。属数据型字符。校验和代码：控制型字符原码传输，数据型字符用ASCII码传输，校验和属数据型字符。校验
15、和即是将和校验区的ASCII码字符的十六进制数相加后，取后两位字符（00-FF），用ASCII码型式传输。和校验： XXXXX 中内容为和校验区。,例子读10（0AH）号站数据：从D7223开始，共5个单元。则嵌入式PLC发送报文内容：05H（ENQ）+30H 41H（0A）+46H 46H（FF）+57H 52H（WR）+30H（0）+44H 37H 32H 32H 33H（D7223）+30H 35H（05）+34H 44H（4C）校验和XX：XX=30H+41H+46H+46H+57H+52H+30H+44H+37H+32H+32H+33H+30H+35H =34CH取最后2个字符4C，
16、用ASCII码表示是34H 44H。,从站回信息：STX+站号+PC号+指定元件的数据+ETX+校验和代码解释STX：文本起点，02H。属控制型字符。站号：从节点站号，01H-3FH，从节点自身站号。属数据型字符。PC号：固定为FFH，三菱FX2N控制器要求。属数据型字符。指定元件的数据：一个元件需四位0-F的字符表示；按要求指定个数。属数据型字符。ETX：文本终点，03H。属控制型字符。校验和代码：控制型字符原码传输，数据型字符用ASCII码传输，校验和属数据型字符。校验和即是将和校验区的ASCII码字符的十六进制数相加后，取后两位字符（00-FF），用ASCII码型式传输。和校验: XXX
17、XX 中内容为和校验区。,例子接上例，从节点回：02H（STX）+30H 41H（0A）+46H 46H（FF）+30H 31H 30H 31H（0101）+30H 39H 30H 39H（0909）+46H 46H 46H 46H（FFFF）+36H 35H 36H 35H（6565）+36H 44H 36H 44H（6D6D）+03H（ETX）+37H 36H（XX）校验和XX：XX=30H +41H（0A）+46H +46H（FF）+30H +31H +30H +31H（0101）+30H +39H +30H +39H（0909）+46H +46H +46H +46H（FFFF）+36H
18、+ 35H+ 36H +35H（6565）+36H+ 44H +36H +44H（6D6D）+03H（ETX）=576H取最后2个字符76，用ASCII码表示是37H 36H。,主站收到数据后再回信息：ACK+站号+PC号 或 NAK+站号+PC号解释ACK：确认，06H。属控制型字符。NAK：不确认，15H。属控制型字符。站号：从节点站号，00H-FFH。属数据型字符。PC号：固定为FFH，三菱FX2N控制器要求。属数据型字符。例子接上例，从节点回：确认：06H+30H 41H（0A）+46H 46H（FF）不确认：15H+30H 41H（0A）+46H 46H（FF）,.主站向从站写数据主
19、站发信息：ENQ+站号+PC号+命令+等待时间+头元件+元件数+指定元件数据+校验和代码。解释ENQ：询问，05H。属控制型字符。站号：从节点站号，01H-3FH，属数据型字符。PC号：固定为FFH，三菱FX2N控制器要求。属数据型字符。命令：WW，以一个字为单位进行写操作，1个字=16位。属数据型字符。等待时间：1个字符（0-F），用于本产品固定为0H，表示无等待需求。属数据型字符。头元件：用5个字符表示，取值范围：D7000-D7899。属数据型字符。元件数：取值范围00-40H，最多64字。属数据型字符。指定元件数据：一个元件需四位十六进制数表示，即四个字符，字符范围0-F，从头元件起，
20、顺次指定。属数据型字符。校验和代码：控制型字符原码传输，数据型字符用ASCII码传输，校验和属数据型字符。校验和即是将和校验区ASCII码字符的十六进制数相加后，取后两位字符（00-FF），用ASCII码型式传输。和校验: XXXXX 中内容为和校验区。,例子向10（0AH）号站写数据，从D7223开始，写0101H，0909H，FFFFH，6565H，6D6DH共5个单元。则主站发送报文内容：05H+30H 41H（0A）+46H 46H（FF）+57H 57H（WW）+30H（0）+44H 37H 32H 32H 33H（D7223）+30H 35H（05）+30H 31H 30H 31H
21、（0101）+30H 39H 30H 39H（0909）+46H 46H 46H 46H（FFFF）+36H 35H 36H 35H（6565）+36H 44H 36H 44H（6D6D）+43H 38H（XX）校验和XX：XX=30H+41H+46H+46H+57H+57H+30H+44H+37H+32H+32H+33H+30H+35H+30H+31H+30H+31H+30H+39H+30H+39H+46H+46H+46H+46H+36H+35H+36H+35H+36H+44H+36H+44H =7C8H取最后2个字符C8，用ASCII码表示是43H 38H。,从节点回信息：ACK+站号+P
22、C号 或 NAK+站号+PC号+错误代码解释ACK：确认，06H。属控制型字符。NAK：不确认，15H。属控制型字符。站号：从节点站号，00H-FFH，理论上可接256个从节点。属数据型字符。PC号：固定为FFH，三菱FX2N控制器要求。属数据型字符。例子接上例，从节点回：确认：06H（ACK）+30H 41H（0A）+46H 46H（FF）不确认：15H（NAK）+30H 41H（0A）+46H 46H（FF）+（？）(?):暂未规定代码内容,根据该协议，PC机接收字数据和发送字数据的流程可参照如下框图设计：,PLC熟悉实验目的：熟悉工具软件FX_GP-WIN的使用，用工具软件FX_GP-W
23、IN编写PLC的梯形图控制程序，并下载到PLC，通过PLC梯形图程序的运行检验程序。1工具软件FX_GP-WIN的功能FX_GP-WIN梯形图编辑软件为工厂自动化人员所熟悉,主要有以下功能:编写梯形图控制程序.按科威公司提供的PLC指令集和资源集,直接进行梯形图编程.语法检查程序加密和下载/上传监控程序运行在WINDOWS环境下,点击安装图标SETUP32.EXE,程序自动安装.,2用RS232串行通讯线连接计算机串口与PLC的RS0口，使PLC为设置状态（PLC的RUN与COM0短接），打开PLC的电源，打开工具软件FX_GP-WIN，开一个新文件，PLC类型设置选择FX2N/FX2NC，编
24、辑如下梯形图，梯形图完成后，点工具菜单中的转换菜单，梯形图程序自动转换为指令表形式，在PLC菜单的端口设置中设置选择串口1和9600波特率，在PLC菜单的传送菜单下选写出命令，编辑好的程序会写到PLC，然后断开PLC的RUN与COM0短接线，PLC面板上的RUN指示灯点亮后，关闭PLC的电源。到此控制程序写入了PLC。观察PLC的运行情况是否与设计的程序相符。,其操作界面如下图，新建一个文件时，PLC类型请选择“FX2N/FX2NC”。,编程语言：梯形图语言、指令表。程序下载程序编制完成后，将程序下载到可编程控制器中。先将编程电缆PRG_02插在可编程控制器的编程口RS0上,另一端与计算机的串口COM1连接,再确认可编程控制器处STOP状态（即将RUN和COM0短接），然后在编程操作界面上打开PLC菜单，选择“传送”“写出”（如上图），弹出“PC程序写出”对话框（如下图），选择所有范围，最后单击确认，程序就开始下载。,程序下载完毕，必须先断开RUN和COM0，让可编程控制器运行，程序才能得以保存，如果未断开RUN和COM0而先断电，程序就未得以保存，下次上电运行的仍是以前的程序。,
