PLC在流量控制系统中的应用.docx
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PLC在流量控制系统中的应用
摘要
随着社会的快速发展，人们对物质需求越来越大，在工业的生产中需要引入更多的自动控制去提高工作效率和节约生产成本。
流量控制是一项不可或缺的自动控制技术，无论是在工业生产中还是生活应用中都极为重要。
流量精确的输出可提高产品质量，合理利用资源，提高生产效率，降低生产成本。
本文基于PLC工作原理，利用PLC作为下位机去实现流量控制。
通过组态王与PLC的通信连接，在组态王上创建控制面面去监督控制与数据采集，结合PID原理去实现对流量的精确控制。
本设计是在过程控制设备AE2000B去实现的，主要是通过PLC来调节电动调节阀的开度以达到流量的控制。
本次设计可作为今后在真正的工业控制应用上的一个原形，为今后的工业控制打下理论基础。
关键字流量控制；PLC；组态王；AE2000B；PID
Abstract
Withtherapiddevelopmentofsociety,people'smaterialneedsaregrowing,theneedtointroducemoreautomaticcontrolinindustrialproductiontoimproveefficiencyandreduceproductioncosts.Flowcontrolisanintegralpartofautomaticcontroltechnology,bothinindustrialproductionorlifeapplicationsareextremelyimportant.Trafficpreciseoutputcanimproveproductquality,rationaluseofresources,improveproductionefficiencyandreduceproductioncosts.
ThisarticleisbasedonthethePLCworkingprinciple,theuseofthePLCasthenextcrewtoachieveflowcontrol.ByKingViewandPLCcommunicationconnectedwithPIDcontroltheconfigurationkingasthehostcomputersupervisorycontrolanddataacquisition,tuningPIDparameterstoachieveprecisecontroloftheflow.ThedesignprocesscontrolhardwaresystemequipmentAE2000BtoachieveinordertoachievetheflowcontrolisadjustedthroughthePLCelectriccontrolvalveopeningdegree.Thedesignandlayasolidfoundationforthefutureintherealindustrialautomationapplications.
KeywordsFlowcontrolPLCKingViewAE2000BPID
目录
摘要I
AbstractII
目录III
第1章绪论1
1.1研究的背景和意义1
1.2国内外在该方向上的现状与分析1
1.3流量控制的原理与特点2
1.3.1流量的概述2
1.3.2流量控制原理2
1.3.3反馈控制系统2
1.4本文研究的主要内容3
第2章系统结构及其工具4
2.1西门子PLC介绍4
2.1.1PLC的产生4
2.1.2PLC的特点4
2.1.3PLC的工作原理4
2.1.4西门子S7-200主要特点5
2.2AE2000B型系统介绍6
2.2.1系统主要特点6
2.2.2检测装置7
2.3STEP7-Micro/Win编程软件8
2.3.1STEP7-Micro/WIN的基本功能8
2.3.2STEP7-Micro/WIN窗口组件9
2.3.3设计一个微型PLC系统的步骤10
2.4组态软件KingView10
2.4.1组态软件的特点10
2.4.2组态软件的系统构成11
2.4.3组态软件使用步骤12
本章小结12
第3章流量控制系统的设计与实现13
3.1流量控制系统方案13
3.2PID控制13
3.2.1PID控制原理13
3.2.2PID控制的特点15
3.2.3PLC实现PID控制的方法15
3.3编写PLC程序16
3.4建立组态19
3.4.1设计图形界面19
3.4.2设备连接22
3.4.3变量设置24
3.4.4动画连接25
本章小结27
第4章系统的运行与调试28
4.1PLC运行与调试28
4.1.1编译28
4.1.2程序下载28
4.2系统现场设备连线29
4.3组态运行与调试30
4.3.1参数整定31
4.3.2实验的总结36
本章小结36
结论37
参考文献38
致谢39
第1章绪论
1.1研究的背景和意义
流量是衡量效率的重要指标，在工业生产已成为重要的被控对象参数，特别是在石油化工、污水处理等各类工业中，在生活中也处处可见，例如喷泉、液体的稀释等。
流量的控制能很好的节约成本，节约资源，在提高产品质量上起到至关重要的作用。
然而基于PLC的流量控制方便快捷、可靠性高、控制功能强、成本低。
本课题的主要目的是研究PLC在流量控制中的应用。
在此基础上熟悉掌握一般PLC控制系统的组建及其控制编程实现。
结合PID控制原理，在组态王创建出流量控制主画面，与PLC建立通信连接。
将可靠性高的PLC作为下位机控制流量的输出，在过程控制实验室中实现流量控制，总结出一般PID参数的整定方法。
1.2国内外在该方向上的现状与分析
PLC与一般断电器相比，体积要小得多，功能更强大，程序编写、操作使用更加简便，重要的是它具有更高可靠性，在恶劣工业环境中也能正常工作。
经过几十年不断开发研究，不断改进优化其功能，现已成为现代工业控制的三大支柱之一，被广泛地应用于机械制造、化工、冶金、交通工程、建材、电力等自动控制方向上。
第一台PLC由美国数字设备公司研制出，如今在欧美等国家，PLC已经成为重点投资对象，且PLC的市场需求也在不断增长。
我国从1974年也开始研制属于自己的PLC，虽然起步较晚，现一些自动化软件公司也在研发自主版权的中文PLC产品。
今天的PLC已成为工业控制领域的主流设备，在各行各业中起到重要的作用。
随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的功能越来越强大，各种PLC品牌的厂家都推出新的产品，每3到5年就更新换代，去满足更多用户的需求。
现代PLC主要的发展趋势有：
体积更小，处理速度更快，功能更多，价格低廉，配置更加灵活。
小型化、低成本的PLC将广泛应用于各行工业生产中。
更多的I/O接口，去满足更复杂的控制系统，例如CPU224主机可以扩展7个模块。
在发展大型PLC方向上，提高其兼容性、可靠性，以致能应用到更多的设备上。
不断增强通信能力，实现与远程设备相连，构成整个工厂的自动化控制系统。
编程工具更加开放，尽量减少调试时间，提高控制精度。
1.3流量控制的原理与特点
1.3.1流量的概述
所谓流量是指单位时间内通过某一截面的流体总量，也可指虚拟量（网络流量）。
本文主要研究的流体是指水，即单位时间内流过某一截面水的体积。
无论是在生活中，还是在工业应用中都离不开流量控制。
流量是一个重要的被控对象之一。
如对石油管道运输、水泥的搅拌生产、音乐喷泉中水的高低大小、农作物灌溉等都需要流量控制来实现。
为了提高产品质量，降低生产成本，控制污水的排放以保护环境，因此对流量的测量与控制都是工业生产或者生活应用中不可或缺的。
1.3.2流量控制原理
流量控制系统主要是由流量计、调节器和流量调节装置构成，如图1-1所示。
图1-1流量控制系统
本系统中的流量作为被控对象，流量的输出值用流量计来测量。
将输出值与设定值对比，反馈差值到调节器中，从而形成单回路反馈系统。
调节器根据反馈值控制流量控制置去调节流量输出，达到流量控制的目的。
调节器有多种选择，如PLC、单机片都可作为可靠的下位机控制执行装置。
流量控制的执行装置也可以实际情况选取，可用电动调节阀的开度大小控制流量，也通过改变抽水泵的转速控制流量。
目前市面上也存在各式各样的流量计，主要有以电磁感应为原理的电磁流量计，有通过测叶轮转速的速度式流量计，还有量程极大的超声波流量计。
本次流量选PLC来控制，用电磁流量计来测量管道流量。
这样组成的流量控制系统有以下几个特点：
（1）控制成本低。
（2）程序编写容易。
（3）对流量控制精准，抗干扰能力强。
（4）但本系统电磁流量计量程有限，只能控制小管道流量。
1.3.3反馈控制系统
常规的自动控制系统中，都含有反馈环节。
反馈是指实际值与期望值存在有偏差，系统将这偏差送到调节器，调节器再根据偏差的变化，来控制系统的输出。
反馈的引入使得实际值与期望值相近，最终达到自动控制的目的。
因此加入反馈环节可以消除系统误差，并具有一定的抗干扰能力。
反馈系统又称为闭环控制系统，相对开环系统来说，多了一条或者一条以上的反馈回路。
开环系统不能消除系统误差，然而反馈系统的克服了这一缺点。
像本次的流量控制系统设计，通过与电磁流量计的测量值对比，反馈误差到电动调节阀中，再根据误差的大小变化控制开关开度大小来控制流量输出。
但不是所有的控制系统都能加入反馈环节，某些系统因为加入了反馈环节，系统变得过于复杂、过于灵敏，最终破坏了系统的稳定性。
1.4本文研究的主要内容
本文以基于PLC的流量控制系统为研究对象，深入研究了PID控制的方法和PID控制参数的整定。
主要思路如下：
依靠PID控制原理，运用可靠性很高的PLC作为下位机，以组态软件进行对系统实现控制和监测，实现流量控制的目的。
本文最终的目的就是流量控制在过程控制系统AE2000B上实现。
设计出一个流量控制的原形，为今后真正的应用到工业上奠定基础，广泛应用工业控制中，提高产品质量，减少员工的操作量。
本文各章节内容安排如下：
第二章先介绍硬件系统中的PLC与AE2000B，熟悉PLC的工作原理与特性，熟悉AE2000B型过程控制系统的组成以及特点，深入了解控制系统中用到的每个硬件，例如：
电磁流量计、电动调节阀等。
对硬件可熟练操作，为整个设计的完成打下了基础。
之后再介绍STEP7-Micro/WIN编程软件和组态王，其是整个设计中的核心软件。
主要介绍了STEP7-Micro/WIN编程软件的特点、功能组成、菜单栏属性与编程工具同时还讲述了组态软件系统构成、特点及组态王系统的设计步骤，为接下来的编写PLC程序与创建主控画面做好充分的准备。
第三章介绍了PID控制器的基本原理，再讲述PID控制在PLC中实现编程，设计出程序，另外在组态中建立了流量控制系统画面，主要包括主控制画面、历史数据报表、实时监控曲线图等，引入基本的控制参数与变量，使PID控制顺利实现。
第四章介绍了设计系统的运行与调试过程，对PID控制参数详细分析，参数合理整定，对各组参数的结果分析，最终调试出的较佳参数结果即是测量值很快等于设定值，实现对流量的精确控制。
结束语对本文所做工作的回顾和展望，总结了工作中取得的成绩和不足，并对确立下一步的研究方向，继续努力改进。
第2章系统结构及其工具
2.1西门子PLC介绍
2.1.1PLC的产生
随着科学的发展、社会的进步，为了迎合更多产品的小批量的生产需求，一般的继电器已经满足不了，需要一种新工业控制装置替代，且其需要具有极高的可靠性和灵活性的特点。
可编程序控制器（programmablelogiccontroller）就因此诞生了。
前期的PLC是体积大、功能单一、指令少，只能运行一些较简单的逻辑运算。
随着科学的发展，不断改进PLC，引入更多实用的功能，有着强大的数据运算处理、数据监控等功能，现在其已被广泛应用到工业控制中。
2.1.2PLC的特点
（1）体积小，价格低廉。
（2）系统的设计、安装、维护简单。
（3）可靠性高、稳定。
（4）支持多种编程语言，简单易学。
（5）功能强大，操作简便，可直接读写模拟量I/O。
（6）可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
（7）灵活方便的寻址方式。
（8）硬件配套齐全。
2.1.3PLC的工作原理
PLC在接通电后，对硬件和软件作一些初始化工作。
PLC不停循环地分阶段处理各种不同的任务，以不断扫描的工作方式进行。
在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态。
它们被称为过程映像寄存器和输出过程映像寄存器。
PLC采用循环扫描的工作方式进行，其工作过程包括5个阶段：
内部处理、通信处理、输入扫描、执行用户程序、输出处理[1]。
其工作过程如图2-1所示。
用户的程序由指令组成，在存储器中以顺序的排列着。
在RUN模式下，如果没有跳转指令，CPU从第一条指令开始，逐条顺序执行程序。
如果有中断事件出现，CPU将停止正常的顺序扫描，立即执行中断程序，因此中断事件可大大提高PLC对一些事件的响应速度。
图2-1PLC工作原理图
2.1.4西门子S7-200主要特点
S7-200PLC在S7-200/300/400系列产品中功能最精简、扩展性最低。
其有5种CPU模块，最多可以扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O和38路模拟量I/O。
集成了6个12种工作模式的高速计数器，其中高速计数器的最高计数频率为200KH[2]。
S7-200的CPU，指令功能丰富，有传送、比较、调用子程序、跳转、算术运算和PID控制等指令。
有着最多8级子程序和中断程序，可以使用1至255毫秒的定时中断，提高PLC的响应速度。
集成有两路模拟量输入与一路模拟输出，有RS-485通信口，支持PPI点对点连接。
2.2AE2000B型系统介绍
2.2.1系统主要特点
AE2000B系统是结合我国教学特点与现代工业自动控制的特点设计出来的，是现代工业自动控制系统的一个缩影，其包含了现在工业上先进的智能仪表控制与PLC控制。
它以工业自动控制的原形去作为学生的教学基础，满足不同层次的教学要求，为学生提供一个模拟的工业控制场所。
AE2000B型过程控制实验装置有：
三个圆筒形水箱，分别是上水箱（Ф200×330mm）、中水箱（Ф200×330mm）、下水箱（Ф200×180mm）、储水箱、单相1.5KW电加热锅炉。
系统动力支路分为两路组成：
一路由单相循环水泵、电动调节阀、电磁流量计、水管及手动切换阀组成；另一路单相循环水泵、变频调速器、涡轮流量计、水管及手动切换阀组成[3]。
系统的控制面板上有各种控制仪表、PLC模块、各装置的接线口。
系统结构如图2-2所示。
图2-2系统结构图
2.2.2检测装置
过程系统有很多检测装置，其中包括测水箱液位的压力传感器，分别测锅炉内外胆的温度传感器，还有测各支路液体流量的涡轮流量计与电磁流量计。
下面对本次设计用到的检测装置详细说明。
电磁流量计的输出信号：
测量范围：
。
接线如图2-3所示。
图2-3电磁流量计接线图
电磁流量计的工作原理：
电磁流量计装置里面的两边装有磁块，形成了一个磁场。
当液体流过装置时，液体将作为导体，切割磁感线，由电磁定律可知，导体将会产生电动势。
通过流量计里装有的电极检测，根据测量到的电动势，算出流量值的大小。
其缺点是对于带有气泡的液体不能精确测量。
1.电动调节阀
QSTP-16K智能电动单座调节阀
主要技术参数：
执行机构
输入信号：
0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC
输入阻抗：
250Ω/500Ω
输出信号：
4~20mADC
输出最大负载：
<500Ω
电源：
220V±10%/50Hz
2.单相可控硅移相调压模块
通过4~20mA电流控制信号控制单相220V交流电源在0~220V之间根据控制电流的大小实现连续变化。
3.S7-200PLC模块面板
S7-200PLC模块面板上开出了5个输入与10个输出开关量接口和4入/1出模拟量接口，如图2-4所示。
图2-4S7200PLC面板图
a：
S7200PLC（包括CPU224模块和EM235模块）；b：
电源开关；c：
开关量输入接口；d：
模拟量输入输出接口；e：
开关量输出接口。
2.3STEP7-Micro/Win编程软件
STEP7-Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件，为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。
由西门子公司专为S7-200系列PLC设计开发。
2.3.1STEP7-Micro/WIN的基本功能
STEP7-Micro/WIN最基本功能是帮助用户完成开发应用程序的，可以直接用软件控制PLC的工作方式，监控各个参数的运行状况。
（1）STEP7-Micro/WINV4.0已支持中文语言，现在在国内已经得到大量的应用，其还有大量的使用向导，简单易学。
（2）支持STL、LAD、FBD三种编程语言，各种编程语言之间可以在随时转换，带有一般语法的检测功能，排除某些语法或者数据类型方面错误。
在编程指令方面，对应的每一个指令按“F1”都详细解释说明其功能及其如何去使用。
（3）STEP7-Micro/WIN里包含了软件工具能帮助用户调试和测试程序。
随便监控数据变化，对数据变量进行强写等。
（4）具有PID自整定调节面板，可以为用户提供合理的PID控制参数，在运行的过程中有，有较多的设置向导。
2.3.2STEP7-Micro/WIN窗口组件
如图2-5所示为STEP7-Micro/WIN窗口组件。
浏览条
指令树
状态条
程序区
输出窗口
图2-5STEP7-Micro/WIN窗口组件
菜单栏——主要是对工程文件的一般操作，例如：
新建、删除或者重命名等。
还包含了一些常用工具，对程序的编译，调试等。
浏览条——主界面的左侧是浏览条，都是显示编程特性的主按钮，可以观察主程序块、状态表、系统块等，可在通信设置中与PLC进行通信连接。
指令树——包含了PLC操作的所有指令，各个指令都以一定的类型分好，方便用户选取指令。
程序区——编写的程序的工作区，用PLC指令编辑控制程序，下面还有对程序的分类，如主程序与中断程序分别在不同的编辑界面。
输出窗口——显示程序的编译结果，如果编译出现错误，从错误窗口指示中，可快速去到错误代码与位置，方便纠正。
状态条——显示操作的状态信息。
工具条——对控制程序的总体操作，控制PLC的工作模式，打开数据监控等。
局部变量——在表中可看到各个参数的变化。
2.3.3设计一个微型PLC系统的步骤
设计一个微型PLC系统有许多设计方法。
以下这些通用的设计步骤适用于许多设计项目。
（1）定义符号地址
对变量符号地址的定义可方便程序的调试和查阅，对于某些较复杂的变量中，还可以加入注释，方便理解与调试。
（2）编写程序
有三种编程语言随意选择，根据设计的内容，选择适当的PLC指令。
在编写的过程中，一个程序网络只能存在一个独立电路。
如果用在梯形图编程语言时，还要点击该触点的红色问号，设置触点的地址或者其他参数。
（3）编译程序
程序编写好后，进行程序的编译可以检测程序的正确性，在界面下方的输出窗口可看到程序是否有错。
如果程序有错，其可以显示错误的总个数，还可指出错误的位置，方便改正程序。
（4）建立通信连接
设置好CPU类型与通信接口，通过PPI线，建立起编程软件与PLC通信连接，为下载程序做好准备。
（5）下载程序
再工具栏中点击“下载”按钮，选择必要的模块，将控制程序下载到PLC中。
（6）运行与调试
程序下载完成后，点击“运行”，让PLC处于运行模式，观察PLC是否正常工作，如果没有达到设计的要求，先PLC停止下来，再进行修改程序，然后再次下载程序进行调试，重复以上步骤，直到PLC正常工作，实现设计要求的功能。
2.4组态软件KingView
随着社会的发展，PC的技术越来越成熟，软件资源也越来越多，PC技术应用到工业自动控制中可以有效减小成本，让控制更加简便，操作更加安全。
组态软件的出现推进了工业自动控制的进程，它具有数据采集与过程控制两个大功能。
组态软件为工业自动控制提供了一个软件平台与一个开发的环境。
2.4.1组态软件的特点
（1）集成多种数据采集方式，多种数据采集程序。
在OPC系统中，为使用者提供了使用的捷径，不需知道接口程序编写，能自动提供驱动程序。
（2）该系统是简结明了的中文界面，操作人性化，符合大多数国人的使用习惯。
操作易上手，而且编程简单，参数的修改灵活，运行速度快。
可以重复仿真运行，再根据运行结果，随便修改主控画面。
（3）更具有开放性，不局限于单纯的数据采集与监控，为了满足现代生产的需要，具有了数据导出功能，方便其他的系统对数据进一步处理分析。
不久的将来组态王也会有自己的数据分析系统去满足工业生产需求。
（4）多种控制功能，除了经典理论还集成了大量的先进的过程控制理论，软件一直在不断优化开发控制策略的，去满足更多用户的需求。
2.4.2组态软件的系统构成
1.工程管理
组态王的工程管理器可方便浏览到PC上所有的工程，具有指定目录搜索工程，方便查阅工程。
其除了基本的新建工程、删除工程外，还具备了工程的备份与恢复等强大功能，防止用户数据丢失。
同时具备了数据的导入导出，还可以切换到开发或运行状态。
2.画面制作系统
（1）组态王的6.53的调色板非常丰富，可调出任意颜色，工具箱中还带有吸色管工具，方便提取颜色，更容易画出多彩缤纷、美轮美奂的画面。
（2）图库仪器种类非常丰富，可供用随意选择，减小了设计界面的难度，减少开发工程的时间。
其中更具有人性化是可以生成自己的图库元素，方便用户下次继续使用。
（3）组态王可插入多种的图表格式的图片，随意创造。
（4）自由对部件移动、旋转，多种对齐方式，进一步美化图片。
3.报警和事件系统
报警组可自定义各个报警的界阶值，还可设置报警优先级，当报警事件发生时，系统可以根据设置的条件筛选之后显示，还可以记录安全区的工作情况。
4.报表系统
生产过程中的数据与状态可以通过数据报表来显示，可对数据进行采集，方便再次分析。
数据报表能实时地反应生产状况、对生产数量进行统计，是生产过程中必要的一部分。
组态王的报表系统中存在了大量的运算函数，方便对数据的统计分析与处理。
5.控件的功能
在组态王软件中自身包含许多常用的控件，例如：
棒图、温控曲线、列表框等。
用户只需对其加入相应的控件函数就可使用，无需创建[4]。
6.通讯系统
组态王支持TCP/IP通信协议的网络。
多台计算机要设置相同的通信协议就可以连接起来，从多方面去监控工作现场。
还可以与其他远程设备进行远程拨号连接，它能和组态王自带的驱动程序随便连接起来，还可以通信远程拨号实时监
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