PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。
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它們用于優化連接工業以太網快速連接電纜到數據終端及網絡部件。插頭都配有堅固的工業兼容金屬外殼，可防止數據通訊過程中的故障4個集成絕緣刺破型觸點，可很容易地連接 FC 電纜，防止故障。在剝皮電纜端插入刀形端子（開式鉸接）之后，壓接并與導線接觸由于其結構緊湊，插塞式接頭（180°IE FC 接頭）可用于帶有分立式接口的設備以及帶有多接口（排）的設備IE FC RJ45 接頭用于連接非交叉 100 Mbit/s 以太網，距離遠 100 m，無需使用插接線。 通過交換插頭中的發送和接收線對，還可以連接交叉電纜打開外殼，里面有彩色標記，即可很方便地將芯線與刀形端子連接。 通過由透明材料制成的觸點蓋，用戶可以檢查是否有接觸不良現象。PLC還采用了冗余技術等，進一步增強了PLC的可靠性。
3、編程簡單、使用方便
PLC在基本控制方面采用梯形圖語言進行編程，這種梯形圖是與繼電器控制電路圖相呼應的，形式簡單、直觀性強，廣大電氣人員容易接受。用梯形圖編程出錯率比匯編語言低得多。梯形圖、流程圖、語句表之間可以有條件的相互轉換，使用極其方便。
4、模塊化結構、安裝簡單、調試方便
PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化結構設計，由機架和電纜將各模塊連接起來，由于配置靈活，使擴展、維護更加方便。另外，PLC的接線十分方便，只需將輸入信號的設備（如按鈕、開關等）與PLC的輸入端子相連，將接受控制的執行元件（接觸器、電磁閥等）與輸出端子相連即可。調試工作大部分是室內調試，用模擬開關模擬輸入信號，其輸入狀態和輸出狀態可以觀察PLC上相應的發光二極管，可以根據它進行測試、排錯和修改[2]。
2.3 西門子S7-300 PLC
2.3.1 S7-300的系統結構
S7-300 PLC是模擬式中小型PLC，電源、CPU和其他模塊都是獨立的，可以通過U形總線把電源（PS）、CPU和其他模塊緊密固定在西門子S7-300的標準軌道上。每個模塊都有一個總線連接器，后者插在各模塊的背后。電源模塊總是安裝在機架的左邊，CPU模塊緊靠電源模塊。CPU的右邊是可以選擇的IM接口模塊，如果只用主架導軌而沒有使用擴展支架可以不選擇IM接口模塊。
S7編程軟件組態主架導軌硬件時，電源，CPU和IM分別放在導軌的1號槽、2號槽和3號槽上。一條導軌共有11個槽號：1號槽至11號槽，其中4號槽至11號槽可以隨意放置除電源、CPU和IM以外的其他模塊。如：DI（數字量輸入）、DO（數字量輸出）、AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）、FM（功能模塊）和CP（通信模塊）等[3]。
2.3.2 S7-300 CPU模塊
CPU模塊是控制系統的核心，負責系統的中央控制責任，存儲并執行程序，實現通信功能，為U形總線提高5V電源。
CPU有4種操作模式：STOP（停機），STARTUP（啟動），RUN（運行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通過MPI接口與其他設備通信。
S7-300的CPU模塊大致可以分為以下幾類：
1、6種緊湊型CPU，帶有集成的功能和I/O：CPU 312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。
2、革新的標準型CPU：CPU 312、314和315-2DP。
3、5種標準的CPU：CPU 313、314、315、315-2DP和316-2DP。
4、戶外型CPU：CPU 312 IFM、314 IFM、314戶外型和315-2DP。
5、大容量高端型CPU：317-2DP和CPU 318-2DP。
6、主從接口安全型CPU：CPU 315F-2DP[3]。
2.3.3 S7-300的模擬量輸入模塊
在生產過程中有大量的連續變化的模擬量需要用PLC來測量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量物體的成分和頻率等。有的是強電量，例如發電機組的電流、電壓、有功功率和無功功率等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉換成標準的量程的直流電流和直流電壓信號，例如DC1~5V和DC4~20mA。
模擬量輸入模塊用于將模擬量信號轉換為CPU內部處理用的數字信號，其主要組成部分是A/D轉換器。模擬量輸入模塊的輸入信號一般都是模擬量變送器輸出的標準量程的直流電壓，直流電流信號。
模擬量輸入/輸出模塊中模擬量對應的數字稱為模擬值，模擬值用16位二進制補碼來表示高位為符號位。模擬量輸入模塊的模擬值與百分數表示的模擬量之間的對應關系為：雙極性模擬量量程的上下限(100%和-100%)分別對應模擬值27648和-27648。單極性模擬量量程的上下限(100%和0%)分別對應于模擬值27648和0[3]。
2.4 程序設計功能模塊
本程序的設計主要是針對水箱液位的在線控制而設計的，利用PID控制方式，使下水箱液位達到控制要求。本人設計了兩套系統，一個是單閉環的一個是三閉環的，對其控制效果進行比較，得出兩系統優缺點。下面對本程序的設計作詳細介紹。在本程序中，使用的主要模塊有：OB35，DB41，DB42, DB43，DB44，DB1，OB1和FB41。
2.4.1 OB35模塊
S7 CPU提供循環中斷OB，可用于按一定間隔中斷循環程序的執行，循環中斷按間隔觸發，間隔的時間是從STOP狀態到RUN時開始計算。
時間間隔不能小于5ms，如果時間間隔過短，還沒有執行完循環中斷程序又開始調用它，將會產生時間錯誤事件。在本程序中，使用循環中斷OB35，其默認的時間間隔為100ms，程序運行后每隔100ms將自動調用一次OB35，周期性地執行閉環控制系統的PID運算程序[3]。
2.4.2 FB41模塊
FB41稱為連續控制的PID用于控制連續變化的模擬量，其功能是S7-300提供的標準的已經為用戶編制好程序模塊，用戶可以直接調用它們，以便高效地編制自己的程序，但不能修改這些功能塊。系統功能塊有存儲功能，其變量保存在指定給它的背景數據塊中。FB41的框圖如圖2.1所示。圖2.1 FB41的框圖
（1） 對設定值、過程變量和誤差的處理
設定值的輸入：浮點數格式的設定值用變量SP_INT（內部設定值）輸入。 過程變量的輸入：可以用兩種方式輸入過程變量（即反饋值）：
1、用PV_IN（過程輸入變量）輸入浮點格式的過程變量，此時開關量PVPER_ON（外圍設備過程變量ON）應為0狀態。
2、用PV_PER（外圍設備過程變量）輸入外圍設備（I/O）格式的過程變量，即用模擬量輸入輸出的數字值作為PID調節的過程變量，此時開關量PVPER_ON應為1狀態。
外圍設備過程變量轉換為浮點數：外圍設備（即模擬量輸入模塊）正常范圍的大輸出值（100.0%）為27648（6C00H），功能CRP_IN將外圍設備輸入值轉換為-100.0%至100.0%之間的浮點數格式的數值，CPR_IN的輸出（以%為單位）用下式計算：
PV_R=PV_PER*100/27648
（2.1）
外圍設備過程變量的標準化：PV_NORM功能用下面的公式將CPR_IN的輸出PV_R格式化：
PV_NORM的輸出=PV_R*PV_FAC+PV_OFF （2.2）
式中：PV_FAC —— 過程變量的系數，默認值為1.0；
PV_OFF —— 過程變量的偏移量，默認值為0.0。 PV_FAC和PV_OFF用來調節過程輸入的范圍。
如果設定值有物理意義，實際值（即反饋量）也可以轉換為該物理值。 （2） 手動模式
參數MAN_ON（手動值ON）為1時為手動模式，為0時為自動模式。在手動模式中，控制變量（Manipulated Variable，即控制器的輸出值）被手動選擇的值MAN（手動值）代替。
在手動模式時如果令微分分項為0，將積分部分（INT）設置為LMN-LMN_P-DISV，可以保證手動到自動的無憂切換，即切換時控制器的輸出值不會突變，DISV為擾動輸入變量。 （3） 輸出限幅
LMNLIMIT（輸出量限幅）功能用于將控制器輸出值（Manipulated Value）限幅。 LMNLIMIT功能的輸入量超出控制器輸出值的上極限LMN_HLM時，信號位QLMN_HLM（輸出超出上限）變為1狀態；小于下極限值LMN_LLM時，信號位QLMN_LLM（輸出超出下限）變為1狀態。 （4） 輸出量的格式化處理
LMN_NORM（輸出量格式化）功能用下述公式來講功能LMNLIMIT的輸出量LMN_LIM格式化：
LMN=LMN_LIM×LMN_FAC+LMN_OFF （2.3）
式中：LMN —— 格式化后浮點數格式的控制器輸出值；
LMN_FAC —— 輸出量的系數，默認值為1.0； LMN_OFF —— 輸出量的偏移量，默認值為0.0； LMN_FAC和LMN_OFF用來調節控制器輸出量的范圍。 （5） 輸出量轉換為外圍設備（I/O）格式