基于PLC的压力过程控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于PLC的压力过程控制系统设计毕业设计论文
毕业设计论文
基于PLC的压力过程控制系统设计
第一章绪论
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。
同时，PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制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，计算机监控系统是采用集中监测、集中控制、集中显示、集中管理、集中保存的系统，融合了较先进的自动化技术、计算机技术、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显著的作用。
1.1PLC控制在国内外的发展近况
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、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发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1.2基于PLC的压力过程控制系统的发展前景
近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。
随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
特别在那些对实时性要求高，对成本敏感，对尺寸敏感的场合，嵌入式PLC大有可为。
1.3MCGS6.2软件
MCGS6.2组态软件
北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem,通用监控系统）是用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。
它能够在基于Microsoft的各种32位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、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,在自动化领域有着广泛的应用。
MCGS组态软件具有全中文、面向窗口的可视化操作界面。
实时性强，有良好的并行处理性能和丰富生动的多媒体画面。
MCGS组态软件的开放式结构拥有广泛的数据获取和强大的数据处理功能。
同时。
提供良好的安全机制，为多个不同级别用户设定不同的操作权限。
MCGS组态软件支持多种硬件设备，实现“设备无关”，用户不必因外部设备的局部改动，而影响整个系统。
MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。
两部分互相独立，又紧密相关。
1.4设计目的和要求
基于PLC的压力过程控制系统要求首先辨识压力的数学模型,然后用PLC进行智能控制设计。
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，以往常采用传统的继电器接触控制，使用硬连接电器多，可靠性差，自动化程度不高。
而本课题采用可编程控制器（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，可直接运用于锅炉压力控制中,也可用于恒压供水系统中。
第二章基于PLC的压力过程控制系统方案
基于PLC的压力过程控制系统的被控对象是由两个压力容器对象组成，可以根据需要构成不同阶（1或2阶）的被控对象。
压缩空气经过两路进入压力容器中，经过两个流量调节阀，在单回路控制过程中，可以把一路作为主回路，另一路作为干扰回路。
被控对象调节采用线性的理想特征，构成的控制系统为线性控制系统。
2.1设计方案
2.1.1设计方案
“基于PLC的压力过程控制系统”利用工业控制计算机（IPC）作为上位机，利用MCGS软件作为程序开发平台，下位机采用可编程序控制器（三菱FX2N—16MPLC），组成一个压力过程控制监控系统（如图2.1）。
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，其控制要求为：
将压力罐1的压力值P1和压力罐2的压力值P2分别控制在某个范围内。
两个个压力罐的压力信号分别由检测装置进行实时检测，然后将被测的标准信号经A/D转换后输入计算机，根据采集到的信号情况，计算机将控制信号经D/A转换后输出给执行机构，对气泵和控制阀进行通断控制，从而形成计算机控制的闭环控制方案。
系统采用气泵恒压供气，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（可编程控制器），PLC通过PID程序运算后，输出转速信号送给电气转换器，由电气转换器控制阀的开度，调节气压，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围时，通过PLC控制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围内。
2.1.2控制阀的选择
1．主、副调节器：
三菱FX2NPLC
2．压力变送器：
2台DBYG-300A压力变送器
3．调节阀：
2台ZMAP-100B小流量调节阀
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
所有仪表所需的接线端子都全部拉到接线板上，也就是面板上的接线端子都是跟仪表的对应接线端子相并联的，所以可以直接在接线板上通过合理的连线组成所需要的控制系统。
气动调节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。
气动调节阀的气开或气关，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。
气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑。
即当气源切断时，调节阀是处于关闭位置安全还是开启位置安全。
比如：
一个加热炉的燃烧控制，调节阀安装在燃料气管道上，根据炉膛的温度或被加热物料在加热炉出口的温度来控制燃料的供应。
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，调节阀安装在冷却水管上，用换热后的物料温度来控制冷却水量，在气源中断时，调节阀应处于开启位置更安全些，宜选用气关式调节阀。
压力罐控制阀采用气关型。
考虑原因是，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控制方式的选择
在控制系统中，串级控制系统对改善控制过程的品质极为有效，它改善了单回路系统时间常数大、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。
鉴于其能够提高系统的放大系数、抗干扰能力以及有一定的自适应能力等优点。
“基于PLC的压力过程控制系统”采用串级控制系统。
1．串级系统的组成
SP1SP2dF1dF2
++++
__
PVPV
图2.2串级过程控制系统
2．采用串级控制系统
串级系统由主、副两个控制回路组成，主、副调节其相串联工作。
以一阶回路为外环，二阶回路为内环设计串级控制系统
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，提高了系统的抗扰动能力
串级控制系统由于比单回路控制系统多了一个副回路，当二次扰动进入副回路，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当扰动还没有影响到主控参数时，副调节器就开始动作，及时减小或消除扰动对主参数的影响。
基于这个特点，在设计串级控制系统时尽可能把可能产生的扰动都纳入到副回路中，以确保主参数的控制质量。
至于作用在主对象上的一次扰动对主参数的影响，一般通过主回路的控制来消除。
③提高了系统的鲁棒性
“鲁棒性”又称“强壮性”，系统地控制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高。
④具有一定的自适应能力
串级控制系统的主回路时一个定值控制系统，副回路则是一个随动系统。
朱调节器能按照负荷和操作条件的变化，不断地自动改变副调节器的给定值，使副调节器的给定值能适应负荷的操作条件的变化。
2.2控制算法
2.2.1控制算法的选择
PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂，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控制器。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其输入e（t）与输出u（t）的关系为
因此它的传递函数为：
其中,kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数
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。
在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
PID应用范围广。
虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
PID参数较易整定。
也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据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参数就可以重新整定。
2.2.2PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
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。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制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）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制
在微分控制中，控制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。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因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。
解决的办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。
这就是说，在控制器中仅引入“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”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
2.2.3PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是衰减曲线法。
衰减比例法是指：
在闭环系统中，在纯比例的情况下，按比例度
从大到小的变化规则，对于某一
值做小幅度的设定值阶跃干扰，直至出现4：
1的衰减为止。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现4：
1的衰减曲线。
记下这时的比例放大系数和衰减周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
在实际调试中，可以先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。
对于压力串级控制，可以设Kp=30Ki=10Kd=0
第三章软件部分的实现
3.1MCGS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（数据采集与监视控制）,组态软件的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
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，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、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，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
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。
在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，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，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。
组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。
随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容。
3.1.2国内组态软件的比较与选择
1.力控ForceControlV6.0
力控6.0的设计避免了目前市场上各类软件不是操作过于复杂或者就是功能过于简单的弊病，在提高产品功能的前提下，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，历时整整一年时间，辛勤耕耘的结晶，MCGS6.2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。
主要指标：
·全中文可视化组态软件，简洁、大方，使用方便灵活
·完善的中文在线帮助系统和多媒体教程
·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基本图符，快速构造图形界面
·支持数据采集板卡、智能模块、智能仪表、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、计划曲线、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、Oracle、Access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、透明位图、流动块等多种动画方式，可以达到良好的动画效果
·上千个精美的图库元件，保证快速的构建精美的动画效果
·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，可以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计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、流程控制、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问题的方案。
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控制系统更具通用性，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MCGS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组态软件的用户窗口中，制作一个动画界面。
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况动作，检验和测试电梯PLC控制系统对电梯的运行状态的控制效果。
MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面．组态配置各种不同类型和功能的对象或结构。
可以对实时数据进行可视化处理。
3.2.1MCGS软件编程
“基于PLC的压力过程控制系统”界面分成三个部分，分别是“压力过程控制系统”（图3.1）、“实时曲线”（图3.2）和“PID”（图3.3）。
图3.1压力过程控制系统
“压力过程控制系统界面”的出现使得原本复杂系统变得一目了然，它直观地展现了串级系统的工作方法和连接方法。
流动块的动作形象地展示了气体在管道中和压力罐中的流动方式。
两个压力表则能更加清楚地显示压力的变化。
图3.2实时曲线
“实时曲线”界面能清楚地显示压力变化的曲线，使压力过程的变化更加直观。
控制曲线的显示使得我们对控制方式和有更深入的了解，从而可以通过所学习的知识更好地改善系统。
图3.3PID控制
“PID控制”界面显示了系统在进行比例积分微分控制时当前的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-485ADPFX0N用，若连上FX2N-CNV-BD则可以和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，所以要使用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=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恢复成H0086，所以此时不能用RS485通信，必须用编程软件或RS232设备驱动更改D8120，使其设置成RS485通信方式。
3．RS485通信设置
RS485通信时最好设置成9600波特率，7，偶校验，2位停止位
若是采用协议1，不加校验和则向寄存器D8120中写H408E
若是采用协议1，加校验和则向寄存器D8120中写H608E
若是采用协议4，不加校验和则向寄存器D8120中写HC08E
若是采用协议4，加校验和则向寄存器D8120中写HE08E
需要注意的是，FX系列的PLC掉电后不能保存D8120中的数据，解决的办法是，使用D000-D255中的一个寄存器，把通信参数放在这里面，当上电后将寄存器中的数据移到D8120中，在FX2N系列的PLC中可以保存D8120中的数据，所以不需要这一步，相反在设置完D8120后需要把PLC的电源切断，在上电则设置的参数才能有效。
4．地址设置
若485总线上挂有多个PLC，则必须设置D8121，系统默认的地址为0。
地址的设置可以用编程软件，或使用本设备构件来设置。
若用本构件来设置时，请添加D8121寄存器，然后往寄存器中写数就可以了。
（如图3.4）
图3.4通信设备属性设置
由于系统中仅连接一个PLC，所以将设备地址设置为“0”。
5．串口设置
三菱FX系列串口设备必须挂接在通用串口父设备下，通用串口父设备在通用设备构件中。
通用串口父设备是用来设置上位机与具体设备连接的通信参数和通信端口的。
必须要注意的是，通信参数必须设置成与PLC的设置一样，否则就无法进行通信。
（如图3.5）只有将串口的各个属性设置正确，才能使MCGS与PLC设备正确连接、达到监控的效果。
图3.5串口设备设置
FX2N系列串口的属性包括
内部属性：
用来设置组态要具体操作的寄存器。
设备名称：
可根据需要来对设备进行重新命名，但不能和设备窗口中已有的其它设备构件同名。
采集周期：
为运行时，MCGS对设备进行操作的时间周期，单位为毫秒，一般在
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