基于PLC的压力过程控制系统设计.docx
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基于PLC的压力过程控制系统设计
基于PLC的压力过程控制系统设计
第一章绪论-1-
1.1PLC操纵在国内外的进展近况-2-
1.2基于PLC的压力过程操纵系统的进展前景-2-
1.3MCGS6.2软件错误!
未定义书签。
1.4设计目的和要求-2-第二章基于PLC的压力过程操纵系统方案-3-
2.1设计方案-3-
2.1.1设计方案-3-
2.1.2操纵阀的选择-4-
2.1.3操纵方式的选择-5-
2.2操纵算法-6-
2.2.1操纵算法的选择-6-
2.2.2PID操纵的原理和特点-7-
2.2.3PID操纵器的参数整定-8-第三章软件部分的实现-10-
3.1MCGS组态软件-10-
3.1.1组态软件的介绍-10-
3.1.2国内组态软件的比较与选择-10-
3.2组态软件的应用-12-
3.2.1MCGS软件编程-12-
3.3.2MCGS软件连接设置-13-
3.3FX2N编程软件的应用-18-
3.3.1PLC编程指令-18-
3.3.2操纵程序的编写-19-
第四章硬件部分实现-22-
4.1PLC特点-22-
4.2FX2N专门功能模块的应用-23-
4.2.1FX2N-4AD模拟量转换模块-23-
4.2.2FX2N-4DA模拟专门模块-28-
4.2.3PLC与运算机连接通讯-31-第五章调试-33-
5.1调试步骤-33-
5.2调试结果与常见故障分析-33-
5.2.1调试-33-
5.2.2常见故障分析-33-第六章结论-35-参考文献-36-谢辞-37-
第一章绪论
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑操纵器（ProgrammableLogic
Controller,PLC）取代传统继电器操纵装置以来，PLC得到了快速进展，在世界各地得到了广泛应用。
同时，PLC的功能也持续完善。
随着运算机技术、信号处理技术、操纵技术网络技术的持续进展和用户需求的持续提升，PLC在开
关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动操纵等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑操纵，在运动操纵、过程操纵等领域也发挥着十分重要的作用。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
同时，运算机监控系统是采纳集中监测、集中操纵、集中显示、集中治理、集中储存的系统，融合了较先进的自动化技术、运算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术，广泛应用在化工、供暖、机械、供水、水处理等多个领域，在工业生产中发挥越来越明显的作用。
1.1PLC操纵在国内外的进展近况
20世纪末期，可编程操纵器的进展特点是更加适应于现代工业的需要。
从操纵规模上来讲，那个时期进展了大型机和超小型机；从操纵能力上来讲，产生了各种各样的专门功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的操纵场合；从产品的配套能力来讲，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程操纵器的工业操纵设备的配套更加容易。
目前，可编程操纵器在机械制造、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进展。
我国可编程操纵器的引进、应用、研制、生产是相伴着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程操纵器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中持续扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已能够生产中小型可编程操纵器。
能够预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更宽敞的应用天地。
1.2基于PLC的压力过程操纵系统的进展前景
近10年来，随着PLC价格的持续降低和用户需求的持续扩大，越来越多的中小设备开始采纳PLC进行操纵，PLC在我国的应用增长十分迅速。
随着中国经济的高速进展和基础自动化水平的持续提升，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
专门在那些对实时性要求高，对成本敏锐，对尺寸敏锐的场合，嵌入式PLC大有可为。
1.4设计目的和要求
基于PLC的压力过程操纵系统要求第一辨识压力的数学模型,然后用
PLC进行智能操纵设计。
在众多生产领域中，经常需要对压力罐等容器中的液位进行监控，以往常采纳传统的继电器接触操纵，使用硬连接电器多，可靠性差，自动化程度不高。
而本课题采纳可编程操纵器（PLC）对压力进行监控，其电路结构简单，投资少，监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强，可直截了当运用于锅炉压力操纵中,也可用于恒压供水系统中。
第二章基于PLC的压力过程操纵系统方案
基于PLC的压力过程操纵系统要求第一辨识压力的数学模型，然后用PLC进行智能操纵设计。
在众多生产领域中，经常需要对压力罐等容器中的液位进行监控，以往常采纳传统的继电器接触操纵，使用硬连接电器多，可靠性差，自动化程度不高。
而本课题采纳可编程操纵器（PLC）对压力进行监控，其电路结构简单，投资少，监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强，可直截了当运用于锅炉压力操纵中，也可用于恒压供水系统中。
能够按照需要构成不同阶（1或2阶）的被控对象。
压缩空气通过两路进入压力容器中，通过两个流量调剂阀，在单回路操纵过程中，能够把一路作为主回路，另一路作为干扰回路。
被控对象调剂采纳线性的理想特点，构成的操纵系统为线性操纵系统。
2afheVi设计方案
图2.1压力过程监控系统
被控对象由上、下两个压力罐组成，其操纵要求为：
将压力罐1的压力
值P1和压力罐2的压力值P2分不操纵在某个范畴内。
两个个压力罐的压力信号分不由检测装置进行实时检测，然后将被测的标准信号经A/D转换
后输入运算机，按照采集到的信号情形，运算机将操纵信号经D/A转换后
输出给执行机构，对气泵和操纵阀进行通断操纵，从而形成运算机操纵的闭环操纵方案。
系统采纳气泵恒压供气，通过安装在出压力罐上的压力变送器，把压力信号变成4〜20mA的标准信号送入PLC（可编程操纵器），PLC通过PID程序运算后，输出转速信号送给电气转换器，由电气转换器操纵阀的开度，调剂气压，使压力罐内的压力保持在给定的压力值上。
当气压大于或小于压力罐的气压范畴时，通过PLC操纵阀以达到减压或者加压的目的，实现压力罐内气压保持在恒定范畴内。
2.1.2操纵阀的选择
1．主、副调剂器：
三菱FX2NPLC
2．压力变送器：
2台DBYG-300A压力变送器
3．调剂阀：
2台ZMAP-100B小流量调剂阀
4．电气转换器：
2台QZD-1000电气转换器
5．减压器：
3台QFH-221型空气过滤减压器
6．24VDC电源
所有外表所需的接线端子都全部拉到接线板上，也确实是面板上的接线端子差不多上跟外表的对应接线端子相并联的，因此能够直截了当在接线板上通过合理的连线组成所需要的操纵系统。
气动调剂阀动作分气开型和气关型两种。
气开型是当膜头上空气压力增加时，阀门向增加开度方向动作，当达到输入气压上限时，阀门处于全开状态。
反过来，当空气压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入空气时，阀门全闭。
气关型动作方向正好与气开型相反。
当空气压力增加时，阀门向关闭方向动作；空气压力减小或没有时，阀门向开启方向或全开为止。
气动调剂阀的气开或气关，通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现。
气开气关的选择是按照工艺生产的安全角度动身来考虑。
即当气源切断时，调剂阀是处于关闭位置安全依旧开启位置安全。
例如：
一个加热炉的燃烧操纵，调剂阀安装在燃料气管道上，按照炉膛的温度或被加热物料在加热炉出口的温度来操纵燃料的供应。
这时，宜选用气开阀更安全些，因为一旦气源停止供给，阀门处于关闭比阀门处于全开更合适。
如果气源中断，燃料阀全开，会使加热过量发生危险。
又如一个用冷却水冷却的换热设备，热物料在换热器内与冷却水进行热交换被冷却，调剂阀安装在冷却水管上，用换热后的物料温度来操纵冷却水量，在气源中断时，调剂阀应处于开启位置更安全些，宜选用气关式调剂阀。
压力罐操纵阀采纳气关型。
考虑缘故是，当压力信号中断时应保证设备和工作人员的安全。
在事故状态下保持阀门全开。
当压力罐内正常工作时，可保持气体不外泄。
总体而言，用气关型比较安全。
2.1.3操纵方式的选择
在操纵系统中，串级操纵系统对改善操纵过程的品质极为有效，它改善了
单回路系统时刻常数大、容易受到干扰等缺点，因此在生产过程中得到了广泛的应用。
鉴于其能够提升系统的放大系数、抗干扰能力以及有一定的自适应能力等优点。
“基于PLC的压力过程操纵系统”采纳串级操纵系统。
2.采纳串级操纵系统
串级系统由主、副两个操纵回路组成，主、副调剂其相串联工作。
以一阶回路为外环，二阶回路为内环设计串级操纵系统
3．串级系统的优点
1改善被控对象的特性
由负反馈原理可知，副回路不仅能改变副对象的结构，而且还能使副对象
的放大系数减小，频带变宽，从而使系统的响应速度变快，动态性能得到改善。
2能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提升了系统的抗扰动能力
串级操纵系统由于比单回路操纵系统多了一个副回路，当二次扰动进入副回路，由于主对象的时刻常数大于副对象的时刻常数，因而当扰动还没有阻碍到主控参数时，副调剂器就开始动作，及时减小或排除扰动对主参数的阻碍。
基于那个特点，在设计串级操纵系统时尽可能把可能产生的扰动都纳入到副回路中，以确保主参数的操纵质量。
至于作用在主对象上的一次扰动对主参数的阻碍，一样通过主回路的操纵来排除。
3提升了系统的鲁棒性
“鲁棒性”又称“强壮性”，系统地操纵品质对对象特性变化不灵敏，则系统的“鲁棒性”越好。
由于副回路的存在，它对副对象（包括执行机构）特性变化的灵敏度降低，即系统地鲁棒性得到提升。
4具有一定的自适应能力串级操纵系统的主回路时一个定值操纵系统，副回路则是一个随动系统。
朱调剂器能按照负荷和操作条件的变化，持续地自动改变副调剂器的给定值，使副调剂器的给定值能适应负荷的操作条件的变化。
2.2操纵算法
2.2.1操纵算法的选择
PID（比例-积分-微分）操纵器作为最早有用化的操纵器已有50多年历史,现在仍旧是应用最广泛的工业操纵器。
PID操纵器简单易明白，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的操纵器。
PID操纵器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其输入e⑴与输出u（t）的关系为
t
u（t）kp（e（（t）1/TIe（t）dtTD*de（t）/dt）
0
因此它的传递函数0为：
G（s）U（s）/E（s）kp（11/（TI*s）TD*s）
其中,kp为比例系数；TI为积分时刻常数；TD为微分时刻常数它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ki和Kd）即可。
在专门多情形下，并不一定需要全部三个单元，能够取其中的一到两个单元，但比例操纵单元是必不可少的。
PID应用范畴广。
尽管专门多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化能够变成差不多线性和动态特性不随时刻变化的系统，如此PID就可操纵了。
PID参数较易整定。
也确实是，PID参数Kp，Ki和Kd能够按照过程的动态特性及时整定。
如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就能够重新整定。
2.2.2PID操纵的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调剂器操纵规律为比例、积分、微分操纵，简称PID操纵，又称PID调剂。
它以其结构简单、稳固性好、工作可靠、调整方便而成为工业操纵的要紧技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全把握，或得不到精确的数学模型时，操纵理论的其它技术难以采纳时，系统操纵器的结构和参数必须依靠体会和现场调试来确定，这时应用PID操纵技术最为方便。
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操纵技术。
PID操纵，实际中也有PI和PD操纵。
PID操纵器确实是按照系统的误差，利用比例、积分、微分运算出操纵量进行操纵的。
比例（P）操纵
比例操纵是一种最简单的操纵方式。
其操纵器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例操纵时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
积分（I）操纵
在积分操纵中，操纵器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动操纵系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称那个操纵系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了排除稳态误差，在操纵器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时刻的积分，随着时刻的增加，积分项会增大。
如此，即便误差专门小，积分项也会随着时刻的增加而加大，它推动操纵器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）操纵器，能够使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）操纵在微分操纵中，操纵器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动操纵系统在克服误差的调剂过程中可能会显现振荡甚至失稳。
其缘故是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的方法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这确实是讲，在操纵器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能推测误差变化的趋势，如此，具有比例+微分的操纵器，就能够提早使抑制误差的操纵作用等于零，甚至为负值，从而幸免了被控量的严峻超调。
因此对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）操纵器能改善系统在调剂过程中的动态特性。
2.2.3PID操纵器的参数整定
PID操纵器的参数整定是操纵系统设计的核心内容。
它是按照被控过程的特性确定PID操纵器的比例系数、积分时刻和微分时刻的大小。
PID操纵器参数整定的方法专门多，概括起来有两大类：
一是理论运算整定法。
它要紧是依据系统的数学模型，通过理论运算确定操纵器参数。
这种方法所得到的运算数据未必能够直截了当用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它要紧依靠工程体会，直截了当在操纵系统的试验中进行，且方法简单、易于把握，在工程实际中被广泛采纳。
PID操纵器参数的工程整定方法，要紧有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点差不多上通过试验，然后按照工程体会公式对操纵器参数进行整定。
但不管采纳哪一种方法所得到的操纵器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一样采纳的是衰减曲线法。
衰减比例法是指：
在闭环系统中，在纯比例的情形下，按比例度从大到小的变化规则，关于某一值做小幅度的设定值阶跃干扰，直至显现4:
1的衰减为止。
利用该方法进行PID操纵器参数的整定步骤如下：
（1）第一预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例操纵环节，直到系统对输入的阶跃响应显现4：
1的衰减曲线。
记下这时的比例放大系数和衰减周期；（3）在一定的操纵度下通过公式运算得到PID操纵器的参数。
在实际调试中，能够先大致设定一个体会值，然后按照调剂成效修改。
关于压力串级操纵，能够设Kp=30Ki=10Kd=0
第三章软件部分的实现
3.1FameView组态软件
3.1.1组态软件的介绍
组态软件，又称监控组态软件，译自英文SCADA,即Supervision,ControlandDataAquisition（数据采集与监视操纵）,组态软件的应用领域专门广，它能够应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视操纵以及过程操纵等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统（RTUSystem,RemoteTerminalUnit）。
组态软件是指一些数据采集与过程操纵的专用软件，它们是在自动操纵系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动操纵系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，同时通常应提供分布式数据治理和网络功能。
对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI
的软件工具，或开发环境。
在组态软件显现之前，工控领域的用户通过手工或托付第三方编写HMI应用，开发时刻长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，专门难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严峻的限制。
组态软件的显现，把用户从这些逆境中解脱出来，能够利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。
随着它的快速进展，实时数据库、实时操纵、SCADA、通讯及
联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持差不多成为它的要紧内容。
3.1.2国内组态软件的比较与选择
1.力控ForceControlV6.0
力控6.0的设计幸免了目前市场上各类软件不是操作过于复杂或者确实是功能过于简单的弊病，在提升产品功能的前提下，即保证了产品的灵活性，又保证了使用的简单性，使您快速构建工业项目。
三维力控的软件构架是国际上最先进的数据库，界面，数据采集三者分离的结构，真正实现多进程处理。
优势在大点数多种设备的采集工程。
2.MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）6.2:
MCGS6.2通用版是北京昆仑通态数十位软件开发精英，历时整整一年时刻，辛勤耕耘的结晶，MCGS6.2通用版不管在界面的友好性、内部功能的强大性、系统的可扩充性、用户的使用性以及设计理念上都有一个质的飞跃，是国内组态软件行业划时代的产品，必将带领国内的组态软件上一个新的台阶。
要紧指标：
•全中文可视化组态软件，简洁、大方，使用方便灵活
•完善的中文在线关心系统和多媒体教程
•真正的32位程序，支持多任务、多线程，运行于Win95/98/NT/2000平台•提供近百种绘图工具和差不多图符，快速构造图形界面
•支持数据采集板卡、智能模块、智能外表、PLC、变频器、网络设备等700
多种国内外众多常用设备
•支持温控曲线、打算曲线、实时曲线、历史曲线、XY曲线等多种工控曲线•支持ODBC接口，可与SQLServer、OracleAccess等关系型数据库互联•支持OPC接口、DDE接口和OLE技术，可方便的与其他各种程序和设备互联
•提供渐进色、旋转动画、透亮位图、流淌块等多种动画方式，能够达到良好的动画成效
•上千个精美的图库元件，保证快速的构建精美的动画成效•功能强大的网络数据同步、网络数据库同步构建，保证多个系统完美结合•完善的网络体系结构，能够支持最新流行的各种通讯方式，包括电话通讯网，宽带通讯网，ISDN通讯网，GPRS通讯网和无线通讯网
MCGS6.2（MonitorandControlGeneratedSystem,通用监控系统）是一套用于快速构造和生成运算机监控系统的组态软件，能够在Windows平台上运行。
通过对现场数据的采集处理。
以动画显示、报警处理、流程操纵、实时曲
线、历史曲线和报表输出等多种方式。
向用户提供解决实际工程咨询题的方案充分利用windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。
比以往使用专用机开发的工业操纵系统更具通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。
3.2组态软件的应用
利用FameView组态软件设计。
在设备组态窗口中选择适当的串口通讯设备.添加三菱FX2N，正确设置其属性。
正确设置组态软件中数据变量设备通道的连接，即可实现PLC与组态软件的通讯。
将PLC中的串口驱动程序与组态软件的需求响应相结合，使电脑对PLC发出的信号有响应。
在MCGS组态软件的用姐口中系觥作一个动画界面。
。
在界面上设置各个控件的属性,使设置的控件按照真实的情形动彳运行状态的操纵成效。
。
Mcgs用系统的人机交互图—
321MCGS软件编程
程操纵
基于PLC的压力过程操纵系统”界面分成三个部分，分不是“压力过系统”（图3.1）、“实时曲线”（图3.2）和“PID”（图3.3）。
3.1压力过程操纵系统
它直观地展现了串级系统的工作方法和连接方法。
气体在变化。
“压力过程操纵系统界面”的显现使得原本复杂系统变得一目了然，流淌块的动作形象地展现了
管道中和压力罐中的流淌方式。
两个压力表则能更加清晰地显示压力
MIM
图3.2实时曲线
P1
P2
11
1?
a
D1
实时曲线
訂［界面
能清晰地
任显示压力变化的曲线，使压力过程的变化
更加直观。
操纵曲线的显示使得我们对操纵方式和有更深入的了解，从而能够
通过所学习的知识更好地改善系统
图3.3PID操纵
“PID操纵”界面显示了系统在进行比例积分微分操纵时当前的PID
值
3.3.2MCGS软件连接设置
MCGS通过通讯模块与三菱FX系列的PLC设备进行通讯，MCGS通过上位机中的串行口设备和PLC上的通讯单元（通讯模块）建立串行通讯连接，从而达到操作PLC设备的目的。
1硬件连接类型：
RS485通信用扩展模块
FX0N-485ADPFXON用，若连上FX2N-CNV-BD则能够和FX2N使
用。
FX2N-485-BDFX2N用。
双绞线连接
在RS485/422UNIT中SDA与SDB和RDA与RDB间接电阻（300欧姆），双绞线在485BD侧的屏蔽线要接地（100欧姆或更低）。
单绞线连接
在单绞线连接时RS485/422UNIT中SDA与RDA短接，SDB与RDB短接，RDA与RDB之间要接100欧姆左右的电阻。
485BD的SDA与RDA短接，SDB与RDB短接，
FX系列PLC支持无协议的RS232和RS485通信协议两种通信方式。
PLC的默认设置是只支持RS232通信，因此要使用RS485通信协议，必须事先用RS232（即PLC的编程口）通信，设置寄存器PLCD8120寄存器，因此必须具有编程电缆一条。
2.系统默认设置
D8120二H0086表示9600,7,偶校验，1位停止位，无命令头和命令尾,
整个命令不加校验和，无协议的通信方式，FX系列PLC在掉电后D8120复原成H0086，因此现在不能用RS485通信，必须用编程软件或RS232设备驱动
更换D8120,使其设置成RS485通信方式。
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