基于PID调节的PLC控制系统触摸屏和PLC在可乐原液.docx

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基于PID调节的PLC控制系统触摸屏和PLC在可乐原液

摘要

可乐原液稀释控制系统的工艺是用一定的热水去稀释可乐原液，使混合液达到一定的温度，以满足后续发酵工艺的要求。

本课题主要针对可乐原液稀释控制系统，提出了基于PID调节的PLC控制系统，并用触摸屏显示混合液的实测温度，流量和电动控制阀门开度。

本系统是一个带负反馈的闭环系统，PID控制的输入是被测温度和设定温度的偏差，温度传感器将测得的温度经过A/D模块送给PLC处理，PID控制的输出经过D/A模块后送给电动控制阀作为其输入信号，来改变阀的开度，通过改变阀的开度来改变热水的流量，从而改变混合液的温度，直到达到设定温度。

然后利用触摸屏来显示混合液的实测温度，流量以及电动控制阀的开度。

本课题的重点是实现对可乐混合液的温度控制，其采用的是PID调节控制温度。

先确定一个和系统相近的控制系统，并且在MATLAB的SMULINK环境仿真，用临界振荡法求得该系统的PID各调节参数，再根据系统响应不断调节PID的控制参数，直到得到一组合适的调节时间和超调量。

将这组PID的控制参数应用到不同的控制系统下，去检验这组控制参数的通用性。

通用性良好则采用这组参数作为本系统的PID控制参数。

关键词：

PLC；A/D；D/A；PID调节；温度控制；触摸屏；

Abstract

Somehotwateristousedtodilutethecolaliquidinthetechnologyofcokeliquiddilutioncontrolsystem,sothatthemixturereachesacertaintemperatureinordertomeettherequirementsofthefollow-upfermentationtechnology.

Theissueisfocusedoncokeliquiddilutioncontrolsystem,andthePLCcontrolsystemwhichisbasedonPIDregulationisproposed,usingtouchscreendisplayedthemeasuredtemperature,flowofthemixture,andelectriccontrolvalveopening.Thissystemisaclosed-loopsystemwithnegativefeedback,PIDcontrolinputisthedeviationofthemeasuredtemperatureandsettemperature,thetemperaturesensorsendsthemeasuredtemperaturethroughtheA/DmodulestogivePLprocessingC,PIDcontroloutputthroughtheD/Amoduletogiveelectriccontrolvalveasitsinputsignal,tochangethevalveopening,bychangingthevalveopeningtochangethewaterflow,thuschangingthetemperatureofthemixture,untilreachingthesettemperature.Thenusingthetouchscreentodisplaythemeasuredtemperature,flowofthemixture,andelectriccontrolvalveopening.

Thefocusofthisissueistorealizethetemperaturecontrolofthecolamixture,andusingthePIDregulationtocontroltemperature.Firsttoidentifyasimilarcontrolsystem,andsimulateinMATLAB'sSMULINKenvironment,obtainedthePIDadjustmentparametersbyCriticaloscillation,andthencontinuouslyadjustthethecontrolparametersofPID,untilgetasuitablesettlingtimeandovershoot.ThenthisgroupofPIDcontrolparametersappliedtodifferentcontrolsystems,toexaminethissetofcontrolparameters‘sversatility.Iftheuniversalisgood,thenusethissetofparametersasthePIDcontrolparametersofthesystem.

Keywords:

：

PLC；A/D；D/A；temperaturecontrol；PIDregulation；touchscreen；

目录

1引言1

1.1本课题研究的背景1

1.2温度控制系统的发展状况1

1.3本课题研究的内容和目标3

1.3.1研究内容3

1.3.2研究目标3

2可乐原液稀释控制系统的简介及控制方案的分析4

2.1可乐原液稀释控制系统的简介4

2.2控制方案要求5

2.2控制系统的方案论证与选择5

2.3系统方案6

3系统控制模块的硬件设计7

3.1主控模块的选取7

3.1.1FX2N系列产品的描述7

3.2特殊功能模块FX2N-4A/D的选取8

3.2.1FX2N-4AD的技术指标8

3.2.2FX2N-4AD的缓冲寄存器BFM8

3.3特殊功能模块FX2N-4DA的选取9

3.2.1FX2N-4DA的技术指标9

3.2.2FX2N-4DA的缓冲寄存器BFM9

3.4触摸屏的选取10

3.4.1触摸屏的选取10

3.5温度传感器的选取11

3.6流量变送器的选择12

3.7电动调节阀的选择14

3.8电磁的选择15

3.9按钮开关的选择17

3.10指示灯的选择17

4软件设计电路18

4.1系统描述18

4.1.1系统的编程语言的描述18

4.1.1系统的I/O地址表18

4.2程序流程图描述19

4.3各种数据转换关系21

4.3.1测量温度与PLC内部可识别数据之间的转换关系21

4.3.2测量流量与PLC内部可识别数据之间的转换关系22

4.3.3电动控制阀的开度与PLC内部可识别数据之间的转换关系23

4.4PID控制参数的确定24

4.41PID控制算法描述24

4.4.2PID控制参数的确定25

4.5系统干扰的处理30

4.6PLC控制系统中的各PID参数的确定30

4.7系统软件程序31

5系统调试运行及问题分析32

5.1触摸屏模块的设计32

5.1.1主控画面32

5.1.2自动画面33

5.1.3手动画面33

5.2梯形图的仿真34

5.3系统仿真34

6结论36

谢辞37

参考文献38

附录一：

电气安装图39

附录二：

梯形图40

附录二：

程序指令图44

1引言

1.1本课题研究的背景

本课题主要针对可乐原液稀释控制系统，提出了基于PID调节的PLC控制系统，并用触摸屏显示混合液的实测温度，流量和电动控制阀门开度。

本课题的重点是实现对可乐混合液的温度控制。

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。

在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。

对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。

例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。

温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。

它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。

但就其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的PID控制。

PID结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。

PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。

触摸屏作为人机界面（HMI）是一种内含微处理芯片的智能化设备，它与PLC相结合可取代电控柜上众多的控制按钮、选择开关、信号指示灯，及生产流程模拟屏和电控柜内大量的中间继电器和端子排。

所有操作都可以在触摸屏上的操作元件上进行。

PLC可以方便、快捷地对生产过程中的数据进行采集、处理，并可对要显示的参数以二进制、十进制、十六进制、ASCII字符等方式进行显示。

在显示画面上，通过图标的颜色变化反应现场设备的运行状态，如阀门的开与关，电机的启动与停止，位置开关的状态等。

1.2温度控制系统的发展状况

温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。

温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。

期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。

当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。

单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。

单片机已经由开始的4位机发展到32位机，其性能进一步得到改善。

基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。

但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。

PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。

PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用。

相对于IPC，DCS，FSC等系统而言，PLC是具有成本上的优势。

因此，PLC占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。

工控机（IPC）即工业用个人计算机。

IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。

它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电磁辐射。

过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。

影响燃烧的因素十分复杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的PID为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。

而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离PID，选择性PID。

参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的。

在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的监控品质，提高了平均热效率。

但如果单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。

集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。

与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。

DCS的关键是通信。

也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。

由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。

基本DCS的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率。

但DCS在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致DCS成本太高。

现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。

其优势在于网络化、分散化控制。

基于总线控制系统（FCS）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点，FCS系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。

而且它可以对现场装置（含变送器、执行器等）进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的。

但是，FCS还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，目前现场总线的国际标准共有12种之多，这给FSC的广泛应用添加了很大的阻力。

各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。

成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。

它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。

而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。

但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。

控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。

国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。

日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。

目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。

1.3本课题研究的内容和目标

1.3.1研究内容

本论文主要是利用PLCFX2N-64MR基本模块、A/D模块、D/A模块,采用PID控制技术做一个温度控制系统，并且用MATLAB软件实现仿真。

具体有以下几方面的内容：

第一章，对PLC系统应用的背景进行了阐述，并介绍当前温度控制系统的发展状况。

第二章，对可乐原液稀释控制进行简单介绍，提出控制方案并进行分析。

第三章，介绍了控制系统设计所采用的硬件连接、以及器件的选取。

第四章，介绍了本论文设计程序的设计思想和步骤，以及其中用到的一些算法技巧和思想，包括PID控制、PID在PLC中的使用方法以及PID的参数整定方法。

第五章，系统调试运行及运行分析。

第六章，总结。

1.3.2研究目标

本研究的目标是在可乐原液稀释控制系统中通过PLC的程序设定、运用PID调节实现对混合液的温度控制，利用触摸屏实现对混合液的实际温度和流量、阀门开度的显示；通过反复试验和改进，最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。

2可乐原液稀释控制系统的简介及控制方案的分析

2.1可乐原液稀释控制系统的简介

图2-1可乐原液稀释控制系统装置示意图

如上图2-1所示为可乐原液稀释控制系统装置示意图。

该系统主要是在可乐原液中掺入一定流量的热水，使混合液能够达到要求的温度，以满足后续发酵工艺的要求。

热水的流量是通过电气调节阀的开度来改变的。

根据温度传感器检测到的混合液的实际温度和系统要求温度的温度差，通过控制器来改变调节阀的开度即改变热水的流量，温度差大，则调节阀的开度大，温度差小，则调节阀的开度小，这样直到混合液的温度达到要求的温度。

已知热水管道的口径为100mm，原液管道的口径为150mm。

热水的最大供应流量为120m3/h，原液的最大供应流量为180m3/h。

2.2控制方案要求

设计可乐原液稀释控制系统时，有如下要求：

a.能按可乐原液稀释控制系统的工艺要求，实现对混合液温度的自动控制；

b.应包括自动程序和手动程序；

c.用MATLAB软件对控制系统进行仿真。

2.2控制系统的方案论证与选择

（1）方案一：

利用基于PLC的PID调节来实现对可乐混合液的温度控制。

本方案是通过温度传感器检测到混合液的温度，然后经过A/D转换，将检测到的模拟信号转换为PLC可以识别的数字信号，然后通过将测得温度信号和系统要求的温度比较，得到温度差，将温度差作为PID调节的输入信号，将经PID调节后输出的数字信号经D/A转换后得到的模拟信号传给电器调节阀，通过改变阀的开度来改变热水的流量，从而改变混合液的温度使之达到要求。

优点：

PID控制简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

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控制技术。

（2）方案二：

利用基于PLC的比例调节来实现对可乐混合液的温度控制。

同方案一相比，本方案基本相同，只是在采用P调节来是对可乐混合液的温度控制。

特点：

控制及时，反应灵敏，偏差越大，控制力度大但是控制结果仍存在余差，精确度不高。

（3）方案三

利用基于PLC的比例积分调节来实现对可乐混合液的温度控制。

同方案一和方案二相比，本方案基本相同，只是在采用PI调节来是对可乐混合液的温度控制。

特点：

可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。

（4）方案比较

通过对以上的三个方案的比较，本系统选择方案一为佳。

因为虽然P、I、D各有自己的优点和缺点，但是只有它们在一起使用的时候才可以互相制约，只有合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量。

采用PID调节简单易懂，方便快速，稳定性强，灵敏度高。

2.3系统方案

根据课题的设计要求，本系统的分析与设计主要从两个方面出发：

一是要以三菱FX2N系列的PLC产品为核心设计其电气控制电路，完成设计课题所要求实现的各种功能；二是要从性能和成本方面出发，设计的系统功能要尽可能完善，元件要尽可能少和便宜，即系统的性价比要尽可能高。

根据要求得出了系统方案结构图，如图2-2所示：

图2-2系统方案结构图

从系统方案结构图可知，本可乐原液稀释控制系统是以PLC作为主控模块，各电气控制阀以及显示装置等设计为它的外围装置。

3系统控制模块的硬件设计

3.1主控模块的选取

本系统已经确定使用PLC编程语言，PLC有许多系列，不同的系列有不同的编程语言。

使用范围比较广的有西门子s7系列，欧姆龙c系列，松下，LG，三菱FX2N等系列。

基于学校实验室提供的设备是三菱公司的FX2N系列的产品，本设计中应用了三菱公司FX2N-64MR的基本模块。

3.1.1FX2N系列产品的描述

本系统采用三菱FX2N系列PLC作为主控模块。

FX2N系列是PLCFX家族中最先进的系列，由于FX2N系列具有如下优点：

最大范围地包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，所以它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

系统选用FX2N系列PLC的原因是，与其他类型PLC相比，FX2N系列PLC具有以下技术特点：

（1）FX2N系列PLC采用一体化箱体结构，其基本单元将CPU，存储器，I/O接口及其电源等都集成在一个模块内，结构紧凑，体积小巧，成本低，安装方便。

（2）FX2N是FX系列中功能最强，运行速度最快的PLC。

FX2N基本指令执行时间高达0.08微秒，比FX2快4倍，超过了许多大中型PLC。

（3）FX2N的用户存储器容量可扩展到16KB，其I/O点数最大可扩展到256点。

（4）FX2N有多种特殊功能模块，如模拟量I/O模块，高数计数器模块，脉冲输出模块，位置控制模块，RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展块，模拟定时器扩展板等。

使用这些特殊功能模块和功能扩展板，可以实现模拟量控制，位置控制和联网通信等功能。

（5）FX2N有3000多点辅助继电器，1000点状态继电器，200多点定时器，200点16为加计数器，35点32为加/减计数器，8000多点16位数据寄存器，128点跳步指针以及15点中断指针。

（6）FX2N有128中功能指令，具有中断输入处理，修改输入滤波器常数，数学运算，浮点数运算，数据检索，数据排序，PID运算，开平方，三角函数运算，脉冲输出，脉宽调制，ACL码输出，串行数据传送，校验码一起比较触点等功能指令。

（7）FX2N还有矩阵输入，10键输入，16键输入，数字开关，方向开关以及七段显示器扫描显示等方便指令。

3.2特殊功能模块FX2N-4A/D的选取

由系统方案图中可以看出，由于主控模块FX2N-64MR只能识别数字量，然后通过数字量的变化来控制相应的电气控制阀的动作。

故本系统需要模拟量输入模块，将温度传感器和流量传感器的电量信号转换为数字信号，供PLC控制。

随着PLC应用范围的扩大，各PLC制造厂家在提供PLC主机性能的同时，还开发了专门用途的功能模块，以满足各种工业控制的特定需要。

同样的，FX2N系列PLC有多种专用功能模块，使FX2N系列PLC的应用更加方便和有效。

本系统选用的特殊功能模块为FX2N-4AD，以此模块来进行模数转换。

3.2.1FX2N-4AD的技术指标

FX2N-4AD为12为高精度模拟量输入模块，具有4输入A/D转换通道，输入信号类型可以是电压（-10～+10V）、电流（-20～+20mA），每个通道都可以独立的制定为电压输入或电流输入。

FX2N系列PLC最多可以连接8台FX2N-4AD。

3.2.2FX2N-4AD的缓冲寄存器BFM

模拟量输入模块FX2N-4AD的缓冲寄存器BFM是特殊功能模块工作设定及与主机通信用的数据中介单元，是FROM/TO指令读和写的操作目标。

FX2N-4AD的缓冲寄存器区由32个16位的寄存器组成，编号为BFM#0～#31，在本课题中只用到#0，#1，#3，#5，#7，#29，#30，因此只对这几个存储空间做详细介绍。

表3-1FX2N-4AD模块部分BFM分配表

BFM编号

内容

说明

#0（*）

通道初始化，用4位16位数字HXXXX表示，4位数字从右至左分别控制1，2，3，4这四个通道

每位数字取值范围为0~3，其含义如下：

0表示输入范围为-10~+10V

1表示输入范围为+4mA~+20mA

2表示输入范围为-20~+20mA

3表示通道关闭

缺省值为H0000

#1（*）

通道1

采样次数设置

采样次数是用于得到平均值，其设置范围为1~4096，缺省值为8