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基于PLC的流量控制系统设计论文
序号（学号）：
吉林建筑大学城建学院
课程设计报告
基于PLC的流量控制系统设计
姓名
系
电气信息工程系
专业
电气工程及其自动化
班级
2010-1
指导教师
2013
年
12
月
23
日
摘要
随着科技的飞速发展，自控系统的应用正在不断深入，同时代替传统控制检测技术日益更新。
自动控制技术可谓无所不能。
本文提出一种对液体流量进行实时精确控制的设计方案。
该方案以PLC控制为基础，由上位机、PLC、电动调节阀组成。
它不仅适用于流量控制，在改变动作设备后同样适用于对温度、液位、速度、高度等模拟量的控制。
本论文采用文字叙述与图表相结合的方式，逐步做出解释，从而得出具体结论。
更清晰的展示了设计的全过程与每个细节之间的处理方式。
关键字：
PLC；PID；流量控制
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,applicationofautomaticcontrolsystemiscontinuallydeepening,andatthesametimeinsteadofmoretraditionalcontroldetectionupdate.Automaticcontroltechnologycanbeequaltoanything.
Thispaperpresentsadesignschemeofreal-timeandaccuratecontroloftheliquidflow.TheschemeisbasedonthePLCcontrol,thePC,PLC,electriccontrolvalve.Itisnotonlysuitablefortheflowcontrol,intheactionchangeofequipmentisalsoapplicabletoanalogvolumecontroltemperature,liquidlevel,velocity,heightetc.
Inthispaper,anarrativetextandgraphicscombinedway,stepbysteptoexplain,soastodrawspecificconclusions.Morecleardisplayoftheprocessingmodebetweenthewholeprocessandthedesignofeachdetail.
Keyword:
PLC;PID;Flowcontrol
第1章绪论
1.1自动控制系统
自动控制学科是近几十年来了发展起来的一门很重要的学科。
它的发展很迅速，特别是计算机的快速发展，更加快了它的发展，尤其是工业自动化技术近年来的发展。
自动化学科研究的范围也是很广泛的，对实现我国工业、农业、国防和科学技术现代化、对迅速提升我国综合国力具有重要和积极作用。
自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装臵，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。
自动控制是相对人工控制概念而言的。
指的是在没人参与的情况下，利用控制装臵使被控对象或过程自动地按预定规律运行。
自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。
自动控制是工程科学的一个分支。
它涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响，以使得输出值接近我们想要的值。
从方法的角度看，它以数学的系统理论为基础。
我们今天称作自动控制的是二十世纪中叶产生的控制论的一个分支。
自动控制的发展，从开始阶段的发生到形成一个控制理论，讲整个这个进程。
自动控制就是指这样的反馈控制系统，这是有一个控制器跟一个控制对象组成的，把这个控制对象的输出信号把它取回来，测量回来以后跟所要求的信号进行比较。
根据这误差告诉控制器，这就是机器内部的工作了。
让控制器完成这个控制作用，使得这个偏差消除或者说使得控制对象的输出跟踪我所需要的要求的信号。
控制对象的输出量一般来说都是一个物理量，比如说我控制一个机器的转速，就是需要把速度测量出来，才能进行控制。
1.2可编程控制器PLC
PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
它有如下特点：
1.编程方法简单易学：
梯形图是使用得最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，提醒图语言形象直观，易学易懂。
2.功能强，性能价格比高：
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性价比。
通过通信联网，PLC可以实现分散控制，集中管理。
3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：
PLC已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，使用能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
4.可靠性高，抗干扰能力强：
PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
5.系统的设计、安装、调试工作量下：
PLC使用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中问继电器、时问继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
完成了系统的安装和接线后，在现场调试过程中，一般通过修改程序就可以解决发现的问题，系统的调试时问比继电器系统少得多。
6.维修工作量小，维修方便：
PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速的排除故障。
7.体积小，功耗低：
对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小因此可以将开关柜的体积缩小到原来的1／2～1／10。
第2章实验设备介绍
2.1系统概述
过程控制综合实验装置（ProcEssControlSystEm，简称PCS），是模仿现代工业生产过程中常见的物理量，诸如温度、流量、液位、压力等参数，对其进行测量、控制，分析过程参数变化特性，研究过程控制规律的教学实验设备，过程控制综合实验装置选用智能化的工业用仪器仪表，接近工业实际，使用安全，运行稳定，维护简单，性价比优越。
整个系统结构紧凑、功能多样、既能进行验证性、设计性实验,又能提供综合性实验。
PCS-E型是在PCS-C型配置的基础上发展更新的新产品，PCS-E型优化了结构，增加了配置，扩展可实验内容（涵盖了PCS-C型全部功能），以满足用户更多的实验要求。
PCS-E型过程控制综合实验装置主要是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。
有仪表控制、PLC控制和DDC控制三种控制方式。
设备特点：
1.分体设计，模块化组装式结构，可以根据不同的需要选择仪表控制、PLC控制和DDC控制，组成不同的控制系统。
2.双实验水箱配置，双路供水系统。
3.实验柜采用不锈钢全开放式结构，内部器件全部可视，有利直观教学和维护。
4.人性化设计，配有储水箱，进排水自控装置，减轻工作人员劳动强度。
配有实验专用线的挂线板，取线挂线方便、整洁、美观。
为实验文明操作提供条件。
5.装置的仪表、部件均选用现代化技术工业级产品。
智能化程度高。
精度好，规格多样。
有利直观教学和拓宽学生工业现场知识。
6.安全度高，系统配有漏电保护，带保护套的专用实验电源连线，非操作部分的壳体门加有锁，及温控箱防止无水加温自动控制等，力求保护人身、设备安全。
7.开放度好，在教师指导下，学生可观察、可自己动手参与操作、可自行编程进行验证、可根据记录的实时曲线进行理论分析等。
2.2实验设备系统控制对象
图2-1实验对象水路图
1.被控对象
管道及阀门：
整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。
有效提高了实验装置的使用年限。
2.检测装置
流量传感器、变送器：
采用电磁流量计，型号为FMCLDE15。
它的优点是测量精度高，反应快。
采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。
流量范围：
0～1.2m3/h；精度：
1.0%；输出：
4～20mADC。
3.执行机构
电动调节阀：
本装置采用的电动调节阀是由是Honeywell的ML7420A6033型电动阀门执行器和三通线性阀门组成。
其执行器采用智能直行程调节，根据控制的信号变化，来调节执行器的行程，从而调节三通线性阀门的开度，进而对控制回路的流量进行调节；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、使用和校正非常方便等优点；工作时需提供24V交流电源（此电压由变压器提供） ，轴杆推力：
600N ，执行器行程：
20mm ，输入信号 :
0-10Vdc或2-10Vdc ；本装置中的执行器已被设置为输入信号为2-10Vdc，由于从实验控制台输出的信号为4～20mADC,故接到执行器的信号线两端加500欧的电阻。
其三通线性阀门的直径为20mm.
水泵：
本装置采用上海新西山有限公司生产的磁力驱动泵，型号为MP-55RM及MP-15RM，其中MP-55RM的进口直径：
25㎜，出口直径：
25㎜，流量为60升/分，扬程为4米，功率为90W；MP-15RM的进口直径为25mm;出口直径：
25㎜，流量为8升/分，扬程为2.4米，功率为10W。
泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。
此装置两只磁力驱动循环泵均接为单相变频220V输出驱动控制，分别为两条水路供水。
4.系统控制台
“PCS-E型过程控制综合实验装置实验控制台”主要由电气控制接线底板、信号控制板、DDC，智能仪表及S7-200PLC控制器单元组成。
5.电气控制接线底板
该电气控制接线底板位于控制台柜的底部，其主要有调压模块、液位继电器、4个接触器，一个温度变送器，两个开关电源以及几排接线端子等器件组成，通过它们之间和信号控制板间特定的连线来形成符合实验要求的整体统一控制系统。
6.信号及控制板
图2-2信号及控制板示意
此面板左侧装有具有安全保护作用的漏电保护器,当发生漏电和触电时，就立即在限定的时间内动作自动断开电源进行保护。
旋合上电源控制钥匙开关，此时其上面的信号灯亮，并且电源电压表显示为220V左右电压。
并在电压表与控制开关之间装有3A熔断保险丝对器件进行保护。
该面板右上侧是信号模板，主要包括有两路液位/压力输出信号实验插孔、一路流量输出信号实验插孔、一路温度输出信号实验插孔、一路电动阀输入信号实验插孔、一路温度输入信号实验插孔以及相配的开关按钮。
其主要是通过与控制底板的连线与对象系统连接，将各传感器检测信号及执行器控制信号同面板上实验插孔相连，便于学生自行连线组成不同的控制系统。
该面板下侧是控制模板，包括有四个控制开关，分别为电动调节阀、水泵1、水泵2、加热器。
其可对对象系统中的相应器件设备进行开关起停控制。
各开关上端安有0.5A熔断保险丝和220VAC供电的信号灯。
7.S7-EPLC控制器单元
PLC英文全称ProgrammablELogicControllEr，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
本系统采用的西门子的S7-200PLC,是采用模块化结构的中小型PLC,包括CPU222主机模块和一个EM235模拟量输入模块，其中CPU222主机模块是DC/DC/DC,8点数字量输入\6点数字量输出；EM235为4路模拟量输入\1路模拟量输出。
采用的是PPI通讯，只需用PC/PPI通讯线连接PC机与PLC，设置相应的通讯参数，即可与西门子S7-200PLC编程软件StEp7MicroWINV4SP3或上位机组态软件通讯。
2.3软件介绍
本装置中的智能仪表控制方案、远程数据采集控制方案和S7-EPLC控制方案都采用了北京昆仑公司的MCGS组态软件作为上位机监控组态软件。
版本为：
MCGS5.5通用版。
MCGS是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/NT/E0等操作系统。
MCGS5.5通用版是北京昆仑通态数十位软件开发精英，历时整整一年时间，辛勤耕耘的结晶，MCGS5.5通用版无论在界面的友好性、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。
MCGS5.5为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
软件特点：
组态王软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
第3章实验原理与实验操作
3.1系统控制原理
本实验采用PLC的PID控制来实现对流量给定值、流量测量值与电动阀输出值的运算处理。
PLC根据P、I、D参数进行运算，输出信号给电动调节阀，最终达到流量给定值与流量测量值相等（流量稳定）的目的。
其中，PID给定量由PC机提供，在PC机上将流量的给定值写入组态软件，然后PC机会通过RS232转RS485通信将给定数据送入试验台的PLC。
PID测量值由流量传感器提供，试验台中流量计将实时流量值传送给PLC。
而PID输出值则是电动阀的开通量了，PLC直接驱动电动阀，实时来调节动阀门的开通量大小，以改变流量的变化。
控制方框图如下：
图3-1系统控制方框图
3.2实验操作
1.按图3-2接好实验导线和通讯线。
图3-2实验接线图
2.将PLC上的通讯口用PC/PPI电缆与上位机连接。
3.将手动阀门2V10、2V1、V1打开，其余阀门全部关闭。
4.先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开PLC控制单元电源。
5.打开计算机上的PCS-E-PLC的MCGS运行环境，选择系统管理菜单中的用户登录，登录用户。
6.选择单回路控制实验的电动阀支路流量控制实验。
7.将AIO设置为0-50，点击退出，参数设置完毕。
8.选择PLC控制方式。
9.整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。
10.设置参数Tc,Sv,Kc,Ti,Td（参考值）。
11.在信号板上打开电动调节阀输入信号、流量输出信号。
12.在控制板上打开水泵2开关、电动调节阀开关。
13.观察计算机上的实时曲线和历史曲线。
控制系统流程图如下：
图3-3控制系统流程图
第4章流量的PID控制
4.1PID控制简介
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口﹑执行机构﹐加到被控系统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器（PLC）是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器（PLC）可以直接与ControlNet相连。
还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix产品系列，可以直接与ControlNet相连，利用网络实现其远程控制功能。
4.2PID的控制算法
PID典型的控制算法如下公式所示：
其中
为比例系数；
为积分时间常数；
为微分时间常数；
为给定值和测量值两者的偏差值。
由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。
因此，式中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。
现令T为采样周期，以一系列的采样时刻点
代表连续时间t,以累加求和近似代替积分,以一阶后向差分近似代替微分,做如下的近似变换:
图4-1PID程序流程图
其中，T为采样周期，
为系统第k次采样时刻的偏差值，
为系统第
次采样的偏差值，
为采样序号。
将上面的式子联合，则可以得到离散的PID表达式：
如果采样周期T足够的小（取200ms），该式可以很好的逼近模拟PID算式，因而使被控过程与连续过程十分接近。
上式为PID的位置式控制算法，进行转换后可得如下PID编程表达式：
其中
为第
次测量值，
为第
次测量值。
通过
、
、
三项系数的调整，来调节PID运算的比例、积分、微分运算环节。
4.3PID参数的调节
比例控制：
就是对偏差进行控制，偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，Kp减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。
但单纯的比例控制存在静差不能消除的缺点。
这里就需要积分控制。
积分控制：
实质上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。
积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。
简单来说就是把偏差积累起来，一起算处理。
微分控制：
它能敏感出误差的变化趋势,可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用,有利于提高输出响应的快速性,减小被控量的超调和增加系统的稳定性。
但微分作用很容易放大高频噪声,降低系统的信噪比,从而使系统抑制干扰的能力下降。
因此，在实际应用中，应慎用微分控制，尤其是当开始作实验时，不防将微分控制项去掉，看看能不能满足要求。
先整定比例部分：
将比例系数KP由小调大，并观察相应的系统响应趋势，直到得到反应快、超调小的响应曲线。
如果系统没有静差或静差已小到允许范围之内，同时响应曲线已较令人满意，那只需用比例调节器即可，最优比例系数也由此确定。
如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。
整定时一般先置一个较大的积分时间系数TI,同时将第一步整定得到的比例系数KP缩小一些（比如取原来的80%），然后减小积分时间系数，使在保持系统较好的动态性能指标的基础上，系统的静差得到消除。
在此过程中，可以根据响应曲线的变化趋势反复地改变比例系数KP和积分时间系数TI,从而实现满意的控制过程和整定参数。
如果即使有比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不令人满意，则可以加入微分环节，构成PID控制器。
在整定时，可先置微分时间系数TD为零，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数TD，同时相应地改变比例系数KP和积分时间系数TI，逐步试凑，以获得满意的调节效果和控制参数。
第5章上位机通信
5.1组态软件
组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。
其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系统集成。
组态软件通常有以下几方面的功能：
1.强大的界面显示组态功能:
目前，工控组态软件大都运行于Windows环境下，充分利用Windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的IE风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进人开发状态，节省时间。
丰富的图形控件和工况图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。
提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。
2.良好的开放性。
社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬件不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。
开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。
开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。
3.丰富的功能模块：
供丰富的控制功能库，满足用户的测控要求和现场要求。
利用各种功能模块，完成实时监控、产生功能报表、显示历史曲线、实时曲线、提供报普等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作。
系统既可适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可以是带远程通信能力的远程侧控系统。
4.强大的教据库，配有实时数据库，实现与外部设备的数据交换。
可存储各种数据，如模拟量、离散讨、字符型等。
5.可编程的命令语言。
强图形界面。
有可编程的命令语育，使用户可根据自己的需要编写程序，增强图形界面。
6.周密的系统安全防范：
全可靠运行。
对不同的操作者，赋予不同的操作权限，保证整个系统的安全可靠运行。
7.仿真功能。
提供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。
5.2RS232与RS485通信
在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域，通常情况下是采用串口通信的方式进行数据交换。
最初采用的方式是RS232接口，由于工业现场比较复杂，各种电气设备会在环境中产生比较多的电磁干扰，会导致信号传输错误。
除此之外，RS232接口只能实现点对点通信，不具
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