基于PLC的流量控制——畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)

1、無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院基于plc的流量控制畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告題 目 基于plc的流量控制系 別 中德機(jī)電學(xué)院 專 業(yè) 電氣自動(dòng)化技術(shù) 班 級(jí) 0901 學(xué)生姓名 * 學(xué) 號(hào) 100091635 指導(dǎo)教師 * 2012年 4 月基于plc的流量控制摘要：本設(shè)計(jì)采用s7-200plc為核心對(duì)液體流量進(jìn)行控制。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，plc對(duì)流量的控制技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文采用plc對(duì)流量進(jìn)行控制，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，提高流量控制水平，進(jìn)而改善流量運(yùn)行的穩(wěn)定性，使其更加精確。本文主要介紹了流量的plc控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)過(guò)程、組成、列出流量的梯形圖，并給出了系統(tǒng)組成框圖，分析流量邏輯關(guān)系，提出p

2、lc的編程方法。能夠給一些初學(xué)者點(diǎn)建議，能夠?qū)α髁康幕驹?、基本編程思路有大致的了解。關(guān)鍵詞：流量，plc，控制plc based flow controlabstract：this design uses the s7-200plc as the core of the liquid flow control. with the rapid development of automatic control technology, plc flow control technology is applied more and more widely. this paper used plc

3、to flow control, through reasonable design, improve the flow of control level, thereby improving the flow stability of running, making them more precise. this article mainly introduced the flow of plc control system design, design process, composition, lists the flow ladder diagram, and gives the bl

4、ock diagram of the system, analyzes the flow of logic relation, put forward plc programming method. can give some suggestions to beginners, basic principle, basic flow programming ideas have roughly understanding.keywords: flow, plc, control目錄第一章 課題的提出41.1 選題背景41.2 方案論證4第二章 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定52.1控制方案的比較

5、和確定52.2 流量控制系統(tǒng)的組成及原理圖52.3水流量系統(tǒng)控制流程7第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)83.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型83.1.1 plc及其擴(kuò)展模塊的選型83.1.2變頻器的選型113.1.3水泵電機(jī)的選型123.1.4流量變送器的選型123.2 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì)123.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì)14第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)164.1 plc程序設(shè)計(jì)164.1.1 流量pid控制邏輯圖174.1.2 編程184.1.3 運(yùn)行224.2 pid控制22第五章 實(shí)物制作及調(diào)試24第六章 結(jié)束語(yǔ)26致 謝27參考文獻(xiàn)28第一章 課題的提出1.1 選題背景本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題來(lái)自實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。目的是

6、利用plc來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制。目前，plc使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。plc通過(guò)模擬量i/o模塊，實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的a/d、d/a轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量進(jìn)行閉環(huán)pid控制。1.2 方案論證本畢業(yè)設(shè)計(jì)原理是利用擴(kuò)展模塊em235進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后把采集到的數(shù)據(jù)利用程序進(jìn)行工程量轉(zhuǎn)換，給定量與輸入量相減得出換，送到執(zhí)行器，從而構(gòu)成的是單閉環(huán)控制。采用pid，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）增量算法控制誤動(dòng)作影響小。（2）增量算法控制易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切

7、換。（3）不產(chǎn)生積分失控，易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。在實(shí)際應(yīng)用中，在以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器作執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則采用增量式pid算法。第二章 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定2.1控制方案的比較和確定流量控制系統(tǒng)主要有流量變送器、變頻器、恒流控制單元、電動(dòng)機(jī)組成。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒流控制單元使變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)管道流量的恒定，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，有以下兩種方案可供選擇：(1) 通用變頻器+單片機(jī)(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制) +流量傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價(jià)比，但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場(chǎng)

8、調(diào)試的靈活性差，同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。(2) 通用變頻器+plc(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+流量傳感器這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性強(qiáng)；由于plc產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定plc的硬件配置和i/o的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過(guò)pc機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。同時(shí)由于plc的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)

9、的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。通過(guò)對(duì)以上兩種方案的比較和分析，可以看出第二種控制方案更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。2.2 流量控制系統(tǒng)的組成及原理圖基于plc的流量控制系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、流量變送器和水泵電機(jī)一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖2-1所示：圖2-1流量控制系統(tǒng)流程圖從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為：(l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一個(gè)水泵電機(jī)組成，它用于將水供入管道，通過(guò)變頻

10、器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制管道水流量的目的。(2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括管道水流量信號(hào)，其中水流量信號(hào)是本控制系統(tǒng)的主要反饋信號(hào)。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入plc時(shí)，需進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。(3) 控制機(jī)構(gòu)：本系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)包括控制器(plc)和變頻器兩個(gè)部分?？刂破魇钦麄€(gè)流量控制系統(tǒng)的核心?？刂破髦苯訉?duì)系統(tǒng)中的流量信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵電機(jī))進(jìn)行控制；變頻器是對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。流量控制系統(tǒng)以供水

11、出口管道水流量為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口管道的實(shí)際流量跟隨設(shè)定的水流量。設(shè)定的水流量可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。水流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示：給定水泵電機(jī)變頻器流 量流量變送器+pid圖2-2水流量控制系統(tǒng)框圖水流量控制系統(tǒng)通過(guò)安裝在管道上的流量變送器實(shí)時(shí)地測(cè)量參考點(diǎn)的水流量，檢測(cè)管道出水流量，并將其轉(zhuǎn)換為420ma的電信號(hào)，此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)水流量恒定的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號(hào)為模擬量，故必須通過(guò)plc的a/d轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行pid運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)d/a轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信

12、號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制管道中的水流量，實(shí)現(xiàn)水流量恒定。2.3水流量系統(tǒng)控制流程水流量系統(tǒng)控制流程如下:(l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，根據(jù)流量變送器測(cè)得的管道實(shí)際流量和設(shè)定流量的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出流量達(dá)到設(shè)定值，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間水泵電機(jī)工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。(2) 當(dāng)管道水流量減小時(shí)，流量變送器反饋的水流量信號(hào)減小，偏差變大，plc的輸出信號(hào)變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。反之，當(dāng)管道水流量增

13、加時(shí)，通過(guò)流量閉環(huán)，減小水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)基于plc的流量控制系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3-1所示：可編程控制器(plc)a/d模塊流量變送器變頻器水泵電機(jī)圖3-1 系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分：(1) plc及其擴(kuò)展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵電機(jī)、(4) 流量變送器。主要設(shè)備選型如表3-1所示：表3-1 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號(hào)可編程控制器（plc）siemens cpu 224模擬量擴(kuò)展模塊siemens em 235變頻器siemens

14、 mm440水泵電機(jī)水泵1臺(tái)（0.37kw）流量變送器電磁流量傳感器shldg、電磁流量轉(zhuǎn)換器shldz13.1.1 plc及其擴(kuò)展模塊的選型plc是整個(gè)流量控制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入信號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、流量的控制以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。因此我們?cè)谶x擇plc時(shí)，要考慮plc的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于水流量自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少，因此plc選用德國(guó)siemens公司的s7-200型。s7-200型plc的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性價(jià)比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。siemens公

15、司的plc具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；plc可以上接工控計(jì)算機(jī)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮plc端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的s7-200型plc的主模塊為cpu224，其開(kāi)關(guān)量輸出為10點(diǎn)，輸出形式為ac220v繼電器輸出；開(kāi)關(guān)量輸入cpu224為14點(diǎn)，輸入形式為+24v直流輸入。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是em235，該模塊有4個(gè)模擬輸入(aiw)，1個(gè)模擬輸出(aqw)信號(hào)通道。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成a/d的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)

16、字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成d/a的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。em235模塊可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，通過(guò)dip開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置。模擬量擴(kuò)展模塊接線圖及模塊設(shè)置:em235是最常用的模擬量擴(kuò)展模塊，它實(shí)現(xiàn)了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。下面以em235為例講解模擬量擴(kuò)展模塊接線圖，如圖3-2。圖3-2 em235接線圖圖3-2演示了模擬量擴(kuò)展模塊的接線方法，對(duì)于電壓信號(hào)，按正、負(fù)極直接接入x和x；對(duì)于電流信號(hào)，將rx和x短接后接入電流輸入信號(hào)的“”端；未連接傳感器的通道要將x和x短接。對(duì)于某一模塊，只能將輸入端同時(shí)設(shè)置為一

17、種量程和格式，即相同的輸入量程和分辨率。下表3-2說(shuō)明如何用dip開(kāi)關(guān)設(shè)置em235擴(kuò)展模塊，開(kāi)關(guān)1到6可選擇輸入模擬量的單/雙極性、增益和衰減。表3-2em235開(kāi)關(guān) 單/雙極性選擇增益選擇衰減選擇sw1sw2sw3sw4sw5sw6on單極性off 雙極性off off x1off onx10 onoff x100onon無(wú)效onoff off 0.8off onoff 0.4off off on0.2由上表可知，dip開(kāi)關(guān)sw6決定模擬量輸入的單雙極性，當(dāng)sw6為on時(shí)，模擬量輸入為單極性輸入，sw6為off時(shí)，模擬量輸入為雙極性輸入。sw4和sw5決定輸入模擬量的增益選擇，而sw1，s

18、w2，sw3共同決定了模擬量的衰減選擇。根據(jù)上表6個(gè)dip開(kāi)關(guān)的功能進(jìn)行排列組合，所有的輸入設(shè)置如表3-3：表3-3單極性滿量程輸入分辨率sw1 sw2sw3 sw4 sw5 sw6 onoffoffonoffon0到50mv 12.5v offonoffonoffon0到100mv 25v onoffoffoffonon0到500mv125ua offonoffoffonon0到1v 250vonoffoffoffoffon0到5v1.25mv onoffoffoffoffon0到20ma 5aoffonoffoffoffon0到10v 2.5mv 雙極性滿量程輸入分辨率sw1 sw2sw3

19、sw4sw5sw6off onoff onoff off 50mv 25voff off ononoff off 100mv 50v onoff off off onoff 250mv 125voff off onoff onoff 1v 500v onoff off off off off 2.5v 1.25mv off onoff off off off 5v 2.5mv off off onoff off off 10v 5mv 6個(gè)dip開(kāi)關(guān)決定了所有的輸入設(shè)置。也就是說(shuō)開(kāi)關(guān)的設(shè)置應(yīng)用于整個(gè)模塊，開(kāi)關(guān)設(shè)置也只有在重新上電后才能生效。模擬量輸入模塊使用前應(yīng)進(jìn)行輸入校準(zhǔn)。其實(shí)出廠前已經(jīng)進(jìn)行

20、了輸入校準(zhǔn)，如果offset和gain電位器已被重新調(diào)整，需要重新進(jìn)行輸入校準(zhǔn)。其步驟如下：a、切斷模塊電源，選擇需要的輸入范圍。b、接通cpu和模塊電源，使模塊穩(wěn)定15分鐘。c、用一個(gè)變送器，一個(gè)電壓源或一個(gè)電流源，將零值信號(hào)加到一個(gè)輸入端。d、讀取適當(dāng)?shù)妮斎胪ǖ涝赾pu中的測(cè)量值。e、調(diào)節(jié)offset（偏置）電位計(jì)，直到讀數(shù)為零，或所需要的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值。f、將一個(gè)滿刻度值信號(hào)接到輸入端子中的一個(gè)，讀出送到cpu的值。g、調(diào)節(jié)gain（增益）電位計(jì)，直到讀數(shù)為32000或所需要的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值。h、必要時(shí)，重復(fù)偏置和增益校準(zhǔn)過(guò)程。3.1.2變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過(guò)頻率的改

21、變實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據(jù)電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型u/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型u/f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對(duì)便宜的u/f控制變頻器。由于本設(shè)計(jì)中plc選擇的西門子s7-200型號(hào)，為了方便plc和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的micromaster440變頻器。它是用于三相交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠

22、性和很強(qiáng)的功能。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的rs-485/232c接口和用于簡(jiǎn)單過(guò)程控制的pi閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對(duì)i/o端子進(jìn)行功能自定義?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無(wú)跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，低頻時(shí)也可以輸出大力矩。micromaster440變頻器的輸出功率為0.7590kw，適用于要求高、功率大的場(chǎng)合，恰好其輸出信號(hào)能作為75kw的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。另外選擇西門子的變頻器可以通過(guò)rs-485通信協(xié)議和接口直接與西門子plc相連，更便于設(shè)備之間的通信。3.1.3水泵電機(jī)的選型水泵電機(jī)的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二

23、是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使電機(jī)常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的電機(jī)必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設(shè)計(jì)的要求為：電機(jī)額定功率0.37kw,額定轉(zhuǎn)速為2800r/min。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求確定采用1臺(tái)sfl型水泵電機(jī)（電機(jī)功率0.37kw）。sfl型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過(guò)靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低(室外噪音60分貝)、磨損小、壽命更長(zhǎng)；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長(zhǎng)；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無(wú)顆粒

24、、無(wú)雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。因此本設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)功率為0.37kw的sfl系列水泵電機(jī)1臺(tái)。3.1.4流量變送器的選型流量變送器用于檢測(cè)管道中的水流量，常裝設(shè)在泵站的出水口，流量傳感器和流量轉(zhuǎn)換器是將水管中的水流量變化轉(zhuǎn)變?yōu)?20ma的模擬量信號(hào)，作為模擬輸入模塊(a/d模塊)的輸入，在選擇時(shí)，為了防止傳輸過(guò)程中的干擾與損耗，我們采用420ma輸出流量轉(zhuǎn)換器。根據(jù)以上的分析，本設(shè)計(jì)中選用電磁流量傳感器shldg、電磁流量轉(zhuǎn)換器shldz1實(shí)現(xiàn)流量的檢測(cè)、顯示和變送。流量表測(cè)量范圍00.6m3/h，精度1.0；轉(zhuǎn)換器輸出420ma電流信號(hào)，

25、送給與cpu224連接模擬量模塊em235，作為pid調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)。3.2 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì)基于plc的水流量控制系統(tǒng)主電路圖如圖3-3所示：水泵電機(jī)為m1； qs1為變頻器主電路的隔離開(kāi)關(guān)；fu為主電路的熔斷器。本系統(tǒng)采用單泵變頻運(yùn)行方式，即1臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行。圖3-3 水流量控制系統(tǒng)主電路圖三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開(kāi)關(guān)接至變頻器的r、s、t端，變頻器的輸出端u、v、w接至電機(jī)。變頻器出廠設(shè)置：p0010=30，p0970=1。模擬信號(hào)操作控制參數(shù)設(shè)置如表3-4所示：表3-4 模擬信號(hào)操作控制參數(shù)設(shè)置p0003=1 設(shè)用戶訪問(wèn)級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)級(jí) p0004=7 命令和數(shù)字1

26、/0參數(shù)號(hào)出廠值設(shè)置值說(shuō)明p070022命令源選擇“由端子排輸入”，這時(shí)變頻器只能從端口控制，而不能由前操作面板控制。p0003=2 設(shè)用戶訪問(wèn)級(jí)為擴(kuò)展級(jí) p0004=7 命令和數(shù)字1/0p070111on接通運(yùn)行，off停止p0003=1 設(shè)用戶訪問(wèn)級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)級(jí) p0004=10 設(shè)定值通道和斜坡函數(shù)發(fā)生器p100022頻率設(shè)定值選擇為“模擬輸入”p1120105斜坡上升時(shí)間（s）p1121105斜坡下降時(shí)間（s）3.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水流量恒定的主體控制設(shè)備是plc，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本系統(tǒng)采用西門子公司s7-200系列plc，它體

27、積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。plc主要是用于實(shí)現(xiàn)水流量系統(tǒng)的自動(dòng)控制，要完成以下功能：自動(dòng)控制水泵電機(jī)的投入運(yùn)行，控制水流量恒定在給定值，系統(tǒng)要能顯示運(yùn)行狀況?？刂埔螅焊鶕?jù)系統(tǒng)控制原理，由變頻器、水泵電機(jī)、流量轉(zhuǎn)換器和plc模擬量模塊組成閉環(huán)系統(tǒng)。給定值由計(jì)算機(jī)設(shè)定，過(guò)程變量由流量變送器輸出到模擬量模塊輸入1口中，輸出變量由模擬量模塊電流輸出口送到變頻器電壓調(diào)節(jié)口，從而帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，最后使管道流量恒定。根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)如表3-5所示。表3-5 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào)名 稱代 碼地址編號(hào)輸入信號(hào)啟動(dòng)運(yùn)行sb1i0.0停止運(yùn)行sb2

28、i0.1流量轉(zhuǎn)換器輸出模擬量upaiw0輸出信號(hào)變頻器輸入模擬量ufaqw0結(jié)合系統(tǒng)控制原理和plc的i/o端口分配表3-5，畫出plc及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，如圖3-4所示：圖3-4 plc及擴(kuò)展模塊外圍接線圖本流量控制系統(tǒng)有3個(gè)輸入量，其中包括2個(gè)數(shù)字量和1個(gè)模擬量。流量變送器將測(cè)得的管道流量輸入plc的擴(kuò)展模塊em235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開(kāi)關(guān)sb1與i0.0相連運(yùn)行pid運(yùn)算，開(kāi)關(guān)sb2與i0.1相連停止pid運(yùn)算。本流量控制系統(tǒng)有1個(gè)模擬量輸出信號(hào)。aqw0輸出的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，dip開(kāi)關(guān)設(shè)置為單極性，滿量程為0-20ma，所以sw1和sw6

29、設(shè)置為on，sw2sw5設(shè)置為off。本設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的流量變送器接線圖如圖3-5所示。圖3.5 流量變送器接線圖第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 plc程序設(shè)計(jì)plc控制程序采用siemens公司提供的step 7-microwin-v40編程軟件開(kāi)發(fā)。該軟件的simatic指令集包含三種語(yǔ)言，即語(yǔ)句表(stl)語(yǔ)言、梯形圖(lad)語(yǔ)言、功能塊圖(fbd)語(yǔ)言。語(yǔ)句表(stl)語(yǔ)言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言，特別適合于來(lái)自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機(jī)器硬件的語(yǔ)言。梯形圖(lad)語(yǔ)言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語(yǔ)言，與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相

30、比，梯形圖可以看作是plc的高級(jí)語(yǔ)言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。功能塊圖(fbd)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個(gè)模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。plc控制程序由一個(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過(guò)pc/ppi 電纜把程序下載到plc，控制任務(wù)的完成，是通過(guò)在run模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于模擬量單元及pid調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序

31、可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)pid控制的定時(shí)采樣及輸出控制。程序中使用的plc元件及其功能如表4-1所示。表4-1 程序中使用的plc元件及其功能器件地址功 能器件地址功 能vd100過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值vd120積分時(shí)間tivd104裝入回路設(shè)定值vd124微分時(shí)間tdvd108回路累加器i0.0啟動(dòng)運(yùn)行vd112回路增益kci0.1停止運(yùn)行vd116回路采樣時(shí)間ts4.1.1 流量pid控制邏輯圖流量pid控制程序分為3部分，每部分流程圖如下：（1）主程序調(diào)用模塊，如圖4-1所示。主程序開(kāi)始首次

32、掃描：1） 調(diào)用子程序0進(jìn)行啟動(dòng)計(jì)算和初始化2） 調(diào)用子程序0初始化定時(shí)中斷主程序結(jié)束圖4-1 主程序調(diào)用模塊（2）主程序調(diào)用子程序0,如圖4-2所示。啟動(dòng)子程序設(shè)置pid參數(shù)： 裝入回路設(shè)定值=75% 回路增益kc=0.25 裝入回路采樣時(shí)間ts=1s 裝入積分時(shí)間ti=3min設(shè)定定時(shí)中斷0的時(shí)間為100ms子程序0結(jié)束圖4-2 主程序調(diào)用子程序0（3）中斷子程序模塊，如圖4-3所示。啟動(dòng)中斷子程序0定時(shí)中斷計(jì)數(shù)器值加1計(jì)數(shù)器值到達(dá)了嗎？計(jì)算pid公式：mn=kc*en+ki*en+mx+kd*(en-en-1)中斷子程序0結(jié)束是否圖4-3 中斷子程序模塊其中，各符號(hào)名說(shuō)明如下：mn 在第

33、n采樣時(shí)刻，pid回路輸出的計(jì)算值；kc pid回路增益；en 在第n采樣時(shí)刻的偏差值；en-1 在第n-1采樣時(shí)刻的偏差值；ki 積分項(xiàng)的比例常數(shù)；mx 積分項(xiàng)的前值；kd 微分項(xiàng)的比例常數(shù)。4.1.2 編程(1) 主程序部分，如圖4-4所示。在首次掃描調(diào)用初始化子程序圖4-4 主程序部分(2) 子程序sbr_0，如圖4-5所示。裝入回路設(shè)定值=0.75裝入回路增益kc=0.25裝入回路采樣時(shí)間=0.1秒裝入積分時(shí)間常數(shù)=3分鐘關(guān)閉微分作用設(shè)定定時(shí)器中斷0時(shí)間常數(shù)為100毫秒連接定時(shí)0中斷事件10和與中斷0開(kāi)放中斷圖4-5 子程序sbr_0(3) 中斷程序int_0部分，如圖4-6、4-7和

34、4-8所示。將aiw0與6400相減將整數(shù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)將雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)將數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化，即化為0.01.0的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)數(shù)將標(biāo)準(zhǔn)化后的過(guò)程變量存入回路表vd100圖4-6圖4-6的功能是將aiw0的數(shù)值640032000化為0.01.0的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)，并存入vd100中，公式為vd100=（aiw0-6400）/25600。（三角形相似原理）執(zhí)行pid指令圖4-7實(shí)數(shù)相乘實(shí)數(shù)相加將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)將雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)把輸出值存入aqw0中圖4-8圖4-8的功能是將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)值化為實(shí)數(shù)，即將vd108中的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值0.01.0化為640032000之間的實(shí)數(shù)并存入aqw0中，公式為aqw0=25600*vd

35、108+6400。4.1.3 運(yùn)行單機(jī)水泵控制按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)打開(kāi)出水口，用手動(dòng)控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速是管道流量達(dá)到75%，這時(shí)系統(tǒng)裝載pid參數(shù)和連接pid中斷服務(wù)程序。裝入回路設(shè)定值vd104,回路增益vd112，回路采樣時(shí)間vd116，積分時(shí)間vd120，同時(shí)設(shè)定定時(shí)中斷0的時(shí)間（smb34）間隔為100ms，設(shè)定定時(shí)中斷執(zhí)行pid程序int_0。關(guān)閉微分作用vd124。在中斷處，將過(guò)程變量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)。首先將整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)（aiw0ac0），將雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)，而后將數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化（ac0，32000.0ac0），最后將標(biāo)準(zhǔn)化后的值存入回路表（ac0vd100）。而i0.0控制pid指

36、令的運(yùn)算，i0.1控制pid停止運(yùn)算。程序運(yùn)行后把輸出值轉(zhuǎn)換成16位的整數(shù)，首先判斷輸出值為單極性且非負(fù)的數(shù)，把輸出值送到累加器（vd108，32000.0ac0），然后標(biāo)準(zhǔn)化累加器中的值，將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)，再將雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)，最后將數(shù)值寫入模擬量輸出（ac0aqw0）。再去控制輸出水泵電機(jī)以控制管道流量維持一定的流速。4.2 pid控制在流量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了含pid調(diào)節(jié)的plc來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證流量系統(tǒng)中的流量恒定。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用proportional(比例)、integral(積分)、derivative(微分)控制方式，稱之為pid控制。pid控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)

37、最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡(jiǎn)單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點(diǎn)。pid控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t)： （4.1）經(jīng)比例(p)、積分(i)和微分(d)運(yùn)算后通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱pid控制器。系統(tǒng)由模擬pid控制器和被控對(duì)象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-9所示，圖中u(t)為pid調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。比例積分微分給定流量r(t)+e(t)頻率u(t)變頻器水泵電機(jī)變頻流量轉(zhuǎn)速流量變送器y(t)圖4-9 pid控制原理框圖pid控制規(guī)律為： （4.2）式中：kp為比例系數(shù)；ti為

38、積分時(shí)間常數(shù)；td為微分時(shí)間常數(shù)。相應(yīng)的傳遞函數(shù)形式： （4.3）pid控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下：(1) 比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號(hào)的作用，偏差e(t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差，但不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)kp的增大而減少，比例系數(shù)過(guò)大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2) 積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)ti，ti越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。(3) 微分環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來(lái)控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。第五章 實(shí)物制作及