基于PLC技术在过程控制中的应用设计研究.docx
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基于PLC技术在过程控制中的应用设计研究
惠州学院
HUIZHOUUNIVERSITY
毕业论文（设计）
中文题目：
基于PLC技术在过程控制中的应用设计研究
英文题目：
BasedonthePLCtechnologyinprocesscontrolsappliedresearchdesign
姓名：
学号：
专业班级：
指导教师：
职称：
提交日期：
2010.05.23
摘要
本文介绍了基于PLC（可编程控制器）技术过程控制实验系统的体系结构和系统组成。
以流量对象为例子,简述PID控制远程控制算法的实现过程，同时介绍了基于PLC的单闭环系统的实现及实际运行情况。
此实验平台拥有较高的实验效率,有利于了解和掌握PLC应用技术，同时也是研究控制算法和学习过程控制工程的良好平台,是一种小型集散控制系统（DCS）,上位机完成对下位机和被控对象的监控，下位机完成对被控对象的检测,从而实现对被控对象的模拟控制。
关键词:
PLC过程控制PID算法流量控制
1绪论
可编程控制器简称——PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。
它结构简单、编程方便、可靠性高，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。
是工业自动化装置中应用最多的一种设备。
将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
长期以来，plc始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，
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，使用情况大致可归纳为如下几类:
开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网
自动控制按输入量的变化规律分类，可分恒值控制系统（FixedSet-PointControlSystem）、随动控制系统（Follow-UpControlSystem）、过程控制系统（ProcessControlSystem）。
过程控制是基于工业过程物理模拟对象，它集自动化仪表技术,计算机技术,通讯技术,自动控制技术多功能于一体实验装置.系统包括压力、流量、液位、温度等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路，串极控制，前馈控制，解耦控制等多种控制方式。
过程控制的常用控制方式：
单回路开环控制、单回路控制系统、串级控制、前馈控制方式、解耦控制方式、Smith预估控制方式。
1.1使用情况分类
1.1.1开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等；
1.1.2模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制；
1.1.3运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合;
1.1.4过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用；
1.1.5数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统；
1.1.6通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
1.2常用控制方式
1.2.1单回路闭环控制方式
单回路控制系统又称简单控制系统,它由被控对象、传感器、变送器、控制器和执行器组成一个闭合回路，也称反馈控制系统。
单回路控制系统是最简单、基本的一种控制系统，它适用于被控对象滞后时间比较小、负荷和干扰变化不大、控制质量要求不很高的场合。
单回路控制系统的设计和参数整定方法是各类复杂控制系统设计和整定的基础。
1.2.2前馈控制方式
基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统，它实现了系统对全部扰动或部分扰动的不变性，实质上是一种按照扰动进行补偿的开环系统。
前馈控制系统中的被调量没有象反馈控制那样用来进行控制，只是将负荷扰动测出送入前馈调节器。
前馈控制和反馈控制之间存在着一个根本的差别，即前馈控制是开环控制，它的控制效果将不通过反馈加以检验；而反馈控制是闭环控制，它的控制效果通过反馈加以检验。
1.2.3串级控制方式
当调节对象的动态特性比较复杂，而工艺对调节质量的要求又很高的时候，简单的单回路控制系统不能够满足要求。
在这种情况下，需要在单回路控制系统的基础上，采取其他措施，组成复杂控制系统，也称为多回路系统，如串级控制系统、带有补偿的控制系统以及解耦系统。
由两个调节器串接在一起控制一个调节阀的系统叫做串级控制系统。
主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。
串级控制系统只比简单控制系统增加了一个测量变送元件和一个调节器，但是控制效果却有显著的提高，具有较好的控制性能，能够改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化也有一定的自适应能力。
1.2.4解耦控制方式
生产装置往往要设置若干个控制回路来稳定各个被控变量，回路之间可能相互关联，相互耦合，相互影响，构成多输入多输出的相关系统。
各个参量之间存在着关联和耦合，相互影响。
这种各个变量之间相互耦合、相互影响的控制系统是普遍存在的实际装置中，系统之间的耦合，通常可以通过设计解耦控制系统，使各个控制系统相互独立（或称自治）。
多变量解耦控制的综合方法有：
对角线矩阵综合法、单位矩阵综合法、前馈补偿综合法。
1.2.5Smith预估控制方式
在被控对象的输入端施加一阶跃输入信号，根据其阶跃响应估计出被控对象的数学模型，再根据此估计模型在线地修正Smith预估补偿器，从而克服了传统的Smith预估补偿控制方法因模型误差而使控制品质变坏的缺点。
2.过程控制系统的硬件设备
2.1过程控制实验系统
本系统是工业生产原理的压缩和应用，控制设备是PCT-II型过程控制实验系统，以二级水箱液位控制为背景,该实验系统由控制对象、PLC、计算机3部分组成,其中控制对象是由2个水箱组成的循环供水系统.
控制对象是两个水箱结构,包括上位水箱、下位水箱、储水箱、温控圆筒、加热器、液位（压力）变送器、流量传感器、流量转换器、电动调节阀、变频器、水泵、加温模块。
其电气原理力图如下:
2.1.1水箱
水箱的结构特点有：
采用三槽结构，即可变容积工作槽、溢流排水槽、主要分溢流缓冲槽。
1.可变容积工作槽：
分为两槽结构，当实验过程当中要求验证不同的容积系统参数不同的结果时，可以通过改变容积达到要求；另外一方面，实验过程当中为了实现液位双闭环控制系统时，要求内环和外环的容积差在3~5倍，则可以通过改变容积实现。
2.溢流排水槽：
当设备无人职守时有时会出现水箱的水位已经到达最高水位，为了防止液位满出水箱，则多出的水可以通过溢流排水槽流回储水箱。
3.溢流缓冲槽：
是为了解决水流直接注入水箱造成被测液面波动
而设计的，当水流注入水箱后经过溢流缓冲槽缓冲，溢出水槽沿水槽壁流下达到减少被测液面波动。
2.1.2流量传感器
流量传感器主要用于对现场水管水流量的测量，在闭环PID恒流控制中起到流量反馈环节的作用，实验装置采用了LWGY电磁流量传感器。
LWGY型涡轮流量传感器是一种速度式流量测量仪表，用于测量充满于封闭管道中连续流过的液体的体积流量。
2.1.3温度传感器的使用
实验装置使用了6个温度传感器分别去测量不同位置的温度
PT1为加热器内桶温度检测点
PT2为加热器冷却层温度检测点
PT3为加热器上盘管滞后时间最长的温度检测点
PT4为加热器上盘管滞后时间半时的温度检测点
PT5为加热器上盘管滞后时间最短的温度检测点
PT6为下水箱温度和变比值控制温度检测
2.1.4压力变送器
压力变送器采用PT330工业现场压力变送器。
PT330工业现场压力变送器是压阻式压力传感器，由于电机转速的变化，导致水管内壁压力的变化，将此变化压力引至传感器则可改变传感器内阻使其输出变化的电压。
压力变送器将现场水压传送给PLC，使其实现恒压控制
2.1.5液位变送器
1．液位变送器I连接上位水箱的底部，检测上位水箱的液位，同时输出4～20mA的电流信号。
提供给计算机作为液位检测信号。
2．液位变送器II连接中位水箱（水箱II）
2.1.6电动调节阀
采用智能电动调节阀，具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。
该电动调节阀具有自反馈系统只需要在外部加4～20mA电流即可控制，4mA为全关状态，20mA为全开状态，在无输入信号的情况下电动调节阀处于全关状态。
2.1.7三相磁力水泵
水泵采用循环水泵，噪音低、寿命长、功耗小、AC380V供电。
在水泵出口装有压力变送器，与变频器一起构成恒压供水系统。
磁力水泵在长时间不使用的情况下，第一次运行请打开水泵排水口，使水泵运行时排空里面的空气，然后关闭排水口。
2.1.8流量计的使用
合上控制屏主电源，则流量计显示值位0％，下部的流量计检测值为外环红管（主回路）的流量值。
上部的流量计检测值为内环管（副回路）的流量。
流量计输出的电流信号为4～20mA的电流值。
PCT-01B上的流量I为主回路，流量II为副回路。
（注意:
此电流由流量计内部电源产生，无需另外接电源供电）
2.1.9全保护报警系统
1.加热器内桶和储水箱都有液位检测装置，当加热器内桶和储水箱缺水时内部蜂鸣器发出声光告警，可以有效防止干烧及抽干现象。
2.带漏电保护的总电源输入，加热电源单独分开，并配有单独的漏电保护.每个支路都配有断路器和电源开关。
3.总电源设有电源指示灯、24V电源指示、加热器具有电压和电流指示灯，可以提供学生观察实验状态。
4.面板上有熔断保险丝当电流过大时起到保护作用。
5.控制台上接线端子都是弱电，绝对避免触电事故发生。
2.1.10实验装置的特点
1.结构合理、功能完善。
2.性能稳定可靠、网络功能强大。
3.性能先进、科学性强,全数字控制、自动化程度高，能够实现远程控制、网络控制和基于WEB的控制方式。
2.2变频器的使用
变频器可以实现电机无极调速、软启动和提高控制精度，是整个系统实现恒压供水的核心设备，解决了电机在供水系统中因频繁启动而产生能源浪费、水压波动大、设备易损坏等问题。
变频器的使用：
图2-2三菱变频器
（1）合上控制对象上的电源
（2）把PCT-II上的内外控开关打到内控状态，
按下设置PU灯亮
（3）设置参数如下：
C5=15P21=3P30=1P39=80P53=1P59=1P60=4P61=4P62=4P63=4（内定）
（4）按
按钮设置EXT灯亮，把PCT-II上的内/外控开关打到外控状态，在PCT-II上变频器输入端子上输入4～20mA电流即控制变频器的频率设定值。
（5）停止外部控制，只要把PCT-II上的内/外控制开关打到内控一端即可停止控制。
（6）由外部控制切换到内部控制步骤：
a.PCT-II上内外控开关打到内控一边;b．按变频器上PU使PU灯亮;c.按变频器上
键使Run灯亮，旋动变频器上频率设定电位器到合适值。
（7）由内部控制切换到外部控制步骤
a.按变频器STOP键停止变频器;b.按
键使EXT灯亮;c.按
键使Run灯亮PCT-01B上的内/外控开关打到外控状态，控制端输入电流控制信号。
2.3SIMENSS7-300型PLC
实验装置使用的是SIMATICS7-300可编程序控制器，它是模块化结构设计。
各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展系统组成：
中央处理单元（CPU）各种CPU有各种不同的性能，例如，有的有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通讯接口等。
图2-3SIMENSS7-300型PLC
表2-1S7-300的组件
（1）SIMATICS7-300适用于通用领域：
高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。
（2）导轨
导轨上可以安装电源、CPU、IM和最多八个信号模板。
（3）连接电缆
用一个PG电缆可以直接连接编程设备。
几台可编程控制器之间组网也需要PROFIBUS电缆和电缆连接器。
（4）功能模块（FM）：
用于高速计数，定位操作（开环或闭环控制）和闭环控制。
功能模板替换当前智能处理器模板。
（5）通讯处理器（CP）：
用于连接网络和点对点连接电源电源的输出是24VDC，有2A、5A和10A三种型号。
输出电压是隔离的，并具有短路保护，不带负载时输出稳定。
一个LED用来指示电源是否正常，当输出电压过载时，LED指示灯闪烁。
用选择开关来选择不同的供电电压：
120V和230V。
现场总线系统的通讯处理器。
（6）中央处理器CPU的前面板有如下的部件：
•状态和故障指示灯，
•可取下的4位模式开关，
•24V电源的连接，
•连接到编程设备或另一台可编程控制器的多点接口（MPI），
•电池盒，（CPU312/FM不具备）
•存储器模块盒（CPU312/FM和314/FM不具备），
（7）接口模块（IM）：
用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。
S7-300通过分布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块。
运行时无需风扇。
接口模板提供多层组态的能力。
（8）电源（PS）：
用于将SIMATICS7-300连接到120/230伏交流电源。
（9）信号模块（SM）：
用于数字量和模拟量输入/输出.这些模板根据电压范围或输出电压来选择。
每个模板都有一个总线连接器，总线连接器连接背板总线。
过程信号连接到前连接器的端子上。
2.3.1PLC的工作原理
可编程逻辑控制器由CPU（中央处理单元）、存储器、输入输出模块、可编程器和电源五大部分组成，结构如下图所示：
图2-4可编程逻辑控制器的基本结构
它的CPU采取扫描方式工作，每一次扫描完成以下工作:
（1）将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。
（2）逐条读入后解释用户程序，产生相应控制信号去控制相关电路，完成数据存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各个相关寄存器内容。
（3）将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。
PLC的CPU是以分时操作的方式处理各项任务的。
由于运算速度高，从PLC的外部输人、输出关系来看，处理过程几乎是瞬时完成的。
PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。
用户程序采取扫描工作方式运行。
在没有跳转指令的情况下，CPU从第一条指令开始，顺序逐条的执行用户程序，直到用户程序结束，然后，程序返回第一条指令开始新的一轮扫描。
PLC就是这样周而复始地重复上述的扫描循环，达到实时控制的目的。
（4）根据实验装置的控制需要,PLC的I/O口具体地址分配,请看附录1。
2.3.2CPU性能简介
（1）性能适合运用者的要求
SIMATICS7－300能使你选择最适合的CPU以满足特殊应用。
这可以是有"纯粹"过程控制能力的CPU，集成过程控制功能的CPU或带有一个集成的PROFIBUS－DP接口的CPU。
所有这些CPU都有一个编程用的接口。
多点接口的其他优点是，它很容易建立一个小型
网络。
不需要附加任何硬件或软件，不需编程。
（2）智能与速度相结合
大多数这类CPU能在不到0.6~0.1ms时间内处理1024条二进制语句。
由于纯粹的二进制命令是不多见的，因此提供混合操作时的处理速度：
用65％二进制语句和35％字操作，这位锐利的小CPU依旧能在0.8ms内处理1K语句。
（3）集成的PROFIBUS－DP接口：
包括通信，
S7－300CPU的最强大功能也可用一个集成的PROFIBUS－DP接口达到，并可作为主设备或从设备设置。
最多可将125个PROFIBUS－DP站连接到主设备。
数据传输率为12M位/S。
CPU肯定加速通信过程。
分布式I/O以与中央I/O完全图2-5PLC的CPU
相同的方式（即用STEP7）进行配置和编程。
如果寻找实现
现场分布式智能的、灵巧的方式，作为从设备连接到PROFIBUS－DP的SIMATICS7－300单元是最理想的解决方案。
也可将SIMATIC编程设备和操作员面板连接到集成的PROFIBUS－DP接口。
（4）PID控制任何事情都保持在极限之内
应用包括压力、温度的控制或流量控制，集成的PID控制器可作为是参数化连续作用控制器，或作为阶跃作用控制器。
2.3.3功能模块
功能模块毫无疑问的使S7－300用途更为广泛－－并提高性能，尤其是用于机械工程更是如此。
所有功能模块都有在STEP7中的统一参数分配，而且操作简便，不必编程。
应用在线帮助使起动十分容易。
具有高速计数，不管是频率测量、转速测量、长度测量，还是位置检测：
FM350模块提供吸引人的解决方案；频率最高为500KHZ。
对于不仅要求高动态性能，还要求高精度轴定位的应用，最佳的解决方案是使用伺服电机。
FM354功能模块也控制对动态性能，精度和速度都有高要求的复杂的往复进给运动。
FM357非常适宜于最多4个插补轴的协同定位－－既能用于伺服电机也能用于步进电机。
所有定位模块的一个附加优点是，它们可以与控制程序无关的定位各轴。
其结果是：
有可能进行自主测试，全面降低复杂性－－从而在启动过程中提高了效率。
2．3．4S7-300指令系统
SIMATICS7－300远非一般的特性反映在它的特殊功能度上。
有350多条指令，包括熟知的、功能强大的STEP5指令和SIMATICTISOFT指令。
3.PLC软件系统及通讯技术的应用
3.1软件系统
控制系统采用国内市场占有率极高的控制组态软件“组态王”和西门子专业控制软件“WINCC、step7”，同时在组态王（KingView）控制系统当中实现多机联网模式，可以实现多台操作站控制一个实验对象。
3.1.1SETP7
STEP7是用于SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图、功能块图或语句表。
SIMATIC管理器是STEP7的中央窗口，在STEP7启动时激活。
缺省设置启动STEP7向导，它可以在您创建STEP7项目时提供支持。
用项目结构来按顺序存储和排列所有的数据和程序SIMATIC管理器用于基本的组态编辑，SIMATIC管理器具有下列功能：
·建立Project
·硬件组态及参数设定
·组态硬件网络
·编写程序
·编辑、调试程序
3.1.2工控软件WINCC
3．1．2．1WINCC-人机界面
WINCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统.它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板.高性能的过程耦合、快速的画面更新、心腹可靠的数据使其具有高度的实用性。
除了这些系统功能外,WINCC还提供了开放的界面用于用户解决方案。
这使得将WINCC集成入复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。
如果通过开始菜单启动WINCC，将首先打开WINCC资源管理器。
在此可以访问各种编辑器，从中执行操作和监控系统的指定任务。
3．1．2．2WINCC编辑器
1．图形编辑器：
它是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。
也可以用包含在对象和样式选项板中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。
可以通过动作编程将动态添加到单个图形对象上。
向导提供了自动生成的动态支持并将他们链接到对象。
也可以在库中存储自己的图形对象。
2．变量记录
它被用来从运动过程中采集数据并准备将它们显示和归档。
可以自由地选择归档、采集和归档定时器的数据格式。
可以通过WINCC在线趋势和表格控件显示过程值，并分别在趋势和表格形式下显示。
3．报警记录
它提供了显示和操作选项来获取和归档结果。
可以任意地选择消息志、消息级别、消息类型、消息显示以及报表。
系统向导和组态对话框在组态期间提供相应的支持。
为了在运行中显示消息，可以使用包含在图形编辑器的对象选项板中的报警控件。
3.1.3PID算法
过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。
它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。
PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。
3．1．3．1调节器参数设定方法
调节器参数整定有两大类方法：
理论计算法和工程整定法。
理论计算法，需要较多的控制理论知识，由于实际情况复杂，理论计算不可能考虑周到，因此，理论方法没有得到应用，只能依据理论和工程经验法相似。
工程整定法有三种：
经验法、临界比例度法和衰减曲法。
（1）临界比例方法
该方法是先将调节器设置为纯比例作用（即把积分时间Ti放在”∞”位置，微分时间话在”0”位置，就消除了积分和微分作用），且比例度δ放在较大的位置，将系统投入闭环控制，然后逐步减小比例度δ（即增加放大系数Kp）并施加干扰作用，直到控制系统出现等幅振荡的过渡过程。
这时的比例度就叫做临界比例度δk，振荡周期就叫做临界振荡周期Tk。
根据δk和Tk从下表中查找调节器应该采用的参数值。
应采用的控制规律
δ/%
Ti/mi
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