基于plc 的流量控制系統(tǒng)

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1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué)電氣控制與電氣控制與PLCPLC技術(shù)技術(shù) 課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）題目：題目： 基于基于PLCPLC的流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 自動(dòng)化自動(dòng)化112112 學(xué)學(xué) 號：號： 110302032110302032 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 王毅王毅 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：起止時(shí)間： 2014.6.302014.7.11 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）I課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 自動(dòng)化學(xué) 號110302032學(xué)生姓名

2、王毅專業(yè)班級自動(dòng)化112課程設(shè)計(jì)（論文）題目基于PLC的流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課題完成的功能：課題完成的功能：本課程設(shè)計(jì)要求以管道流量作為被控對象，采用西門子 S7-200 型 PLC 作為控制核心，實(shí)現(xiàn)流量大小的控制運(yùn)行。設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：（1）認(rèn)真查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，清楚了解管道流量控制的工作過程。（2）完成 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括 DI/AI/DO/AO 信號分配、PLC 硬件電氣接線原理圖等。（3）完成流量傳感器、變送器、I/V 變換、A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換和電動(dòng)閥門的信號控制。（4）完成 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括主程序及相關(guān)子程序

3、的程序流程圖設(shè)計(jì)和梯形圖程序設(shè)計(jì)。（5）撰寫課程設(shè)計(jì)說明書（論文）：其中應(yīng)包含設(shè)計(jì)方案選擇與論證、總體功能框圖、總體電路原理圖、軟件流程圖及部分程序等內(nèi)容。技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)：管道直徑 0.5 米，要求給定流量 0.1m3/s，變送器 4-20mA ，I/V 變換 0-5V。進(jìn)度計(jì)劃（1）布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)組成和功能分析（2 天）（2）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（3 天）（3）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究（2 天）（4）撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書（2 天）（5）答辯（1天）指導(dǎo)教師評語及成績平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日本科生課程設(shè)計(jì)（論文）II注：成績：平時(shí)20% 論文

4、質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III摘 要隨著科技的飛速發(fā)展，自控系統(tǒng)的應(yīng)用正在不斷深入，同時(shí)代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制檢測技術(shù)日益更新。自動(dòng)控制技術(shù)可謂無所不能。本文提出一種對液體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制的設(shè)計(jì)方案。 該方案以 PLC 控制為基礎(chǔ)，由上位機(jī)、PL C、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。它不僅適用于流量控制，在改變動(dòng)作設(shè)備后同樣適用于對溫度、液位、速度、高度等模擬量的控制。論文采用文字?jǐn)⑹雠c圖表相結(jié)合的方式，逐步做出解釋，從而得出具體結(jié)論。更清晰的展示了設(shè)計(jì)的全過程與每個(gè)細(xì)節(jié)之間的處理方式。關(guān)鍵詞：PLC；自動(dòng)控制；流量控制本科生課程設(shè)計(jì)（論文）IV目 錄第 1 章 緒論 .1第 2

5、章 課程設(shè)計(jì)的方案 .22.1 概述 .22.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) .22.2.1 控制方案比較和確定.22.2.2 流量控制系統(tǒng)的組成及原理圖.32.2.3 水流量系統(tǒng)控制流程.4第 3 章 硬件設(shè)計(jì) .63.1 PLC S7-200 介紹.63.2 主機(jī) CPU224 .73.3 變頻器的選擇 .93.4 水泵電機(jī)的選擇 .93.5 流量變送器的選擇 .10第 4 章 軟件設(shè)計(jì) .114.1 PLC 程序設(shè)計(jì) .114.2 系統(tǒng)流程圖 .114.3 程序 .13第 5 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) .17參考文獻(xiàn) .18本科生課程設(shè)計(jì)（論文）1第 1 章 緒論P(yáng)LC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)

6、的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 目前，PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來P

7、LC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC 等各種工業(yè)控制中。加上PLC 通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。本文提出一種對液體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制的設(shè)計(jì)方案。 該方案以 PLC 控制為基礎(chǔ)，由上位機(jī)、PL C、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。它不僅適用于流量控制，在改變動(dòng)作設(shè)備后同樣適用于對溫度、液位、速度、高度等模擬量的控制。論文采用文字?jǐn)⑹雠c圖表相結(jié)合的方式，逐步做出解釋，從而得出具體結(jié)論。更清晰的展示了設(shè)計(jì)的全過程與每個(gè)細(xì)節(jié)之間的處理方式。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）2第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案2.1 概述 本設(shè)計(jì)采用 S7-200PLC

8、為核心對液體流量進(jìn)行控制。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，PLC 對流量的控制技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。本文采用 PLC 對流量進(jìn)行控制，通過合理的設(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 PLC 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?.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)2.2.1 控制方案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電動(dòng)機(jī)，

9、實(shí)現(xiàn)管道流量的恒定，同時(shí)還要能對運(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，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(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

10、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 PC 機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(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)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合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）3通過對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。2.2.2

11、 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 系統(tǒng)的控制流程圖從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(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，通過變頻器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制管道水流量的目的。 (2) 信號檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管道水流量信號，其中水流量信號是本控制系統(tǒng)的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時(shí)，需進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 (3) 控制機(jī)構(gòu)：本

12、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ο到y(tǒng)中的流量信號進(jìn)行采集，對來自人機(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，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵電機(jī))進(jìn)行控制；變頻器本科生課程設(shè)計(jì)（論文）4是對水泵電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤控制器送來的控制信號改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。 流量控制系統(tǒng)以供水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：圖 2.

13、2 水流量控制系統(tǒng)框圖水流量控制系統(tǒng)通過安裝在管道上的流量變送器實(shí)時(shí)地測量參考點(diǎn)的水流量，檢測管道出水流量，并將其轉(zhuǎn)換為 420mA 的電信號，此檢測信號是實(shí)現(xiàn)水流量恒定的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過 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)字信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，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。2.2.3 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)信號后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)電

14、動(dòng)機(jī)工作，根據(jù)流量變送器測得的管道實(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減小，偏差變大，PLC 的輸出信號變大，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)管道水流量增加時(shí)，通過流量閉環(huán)，減小水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）5第 3 章 硬件設(shè)計(jì)3.1 PLC S7-200 介紹(1)適用范圍S7-200 系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使

15、用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(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，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。如：中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。S7-200 系列PLC 可提供4 個(gè)不同的基本型號的8 種CPU 供您使用。 （2）CPU單元設(shè)計(jì) 集成的24V 負(fù)載電源：可直接連接到傳感器和變送器（執(zhí)行器），CPU 221，222 具有180mA 輸出，CPU 224，CPU 224XP，CPU 226 分別輸出280，400mA。可用作負(fù)載電源。CPU 221226 各有2 種類型CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。本

16、機(jī)數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)：CPU 221 具有6 個(gè)輸入點(diǎn)和4 個(gè)輸出點(diǎn)，CPU 222 具有8 個(gè)輸入點(diǎn)和6 個(gè)輸出點(diǎn)，CPU 224 具有14 個(gè)輸入點(diǎn)和10 個(gè)輸出點(diǎn)，CPU 224XP 具有14 個(gè)輸入點(diǎn)和10 個(gè)輸出點(diǎn)，CPU 226 具有24 個(gè)輸入點(diǎn)和16 個(gè)輸出點(diǎn)。本機(jī)模擬量輸入/輸出點(diǎn)：CPU 224XP 具有2 個(gè)輸入點(diǎn)，1 個(gè)輸出點(diǎn)。高速計(jì)數(shù)器：CPU 221/222 ：4 個(gè)高速計(jì)數(shù)器，可編程并具有復(fù)位輸入，2 個(gè)獨(dú)立的輸入端可同時(shí)作加、減計(jì)數(shù)，可連接兩個(gè)相位差為90的A/B 相增量編碼器。CPU224/224XP/226 ：6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器，具有CPU221/222 相同

17、的功能。CPU 222/224/224XP/226 ：可方便地用數(shù)字量和模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展。可使用仿真器（選件）對本機(jī)輸入信號進(jìn)行仿真，用于調(diào)試用戶程序。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）6（3）各型號的優(yōu)缺點(diǎn) CPU 221：本機(jī)集成6 輸入/4 輸出共10 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。無I/O 擴(kuò)展能力。6K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。4 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出。1 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。CPU 222：本機(jī)集成8 輸入/6 輸出共14 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。可連接2

18、個(gè)擴(kuò)展模塊。6K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。4 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出。1 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。CPU 224：本機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID 控制器。RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通

19、訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。具有較強(qiáng)控制能力的控制器。CPU 224XP：本機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)，2 輸入/1 輸出共3 個(gè)模擬量I/O 點(diǎn)，可連接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展值至168 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或38 路模擬量I/O 點(diǎn)。20K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6 個(gè)獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)器（100KHz），2 個(gè)100KHz 的高速脈沖輸出，2 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。本機(jī)還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量I/O,位控特性，自整定PID 功能，線性斜坡脈沖指令，診斷LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等。是具

20、有模擬量I/O 和強(qiáng)大控制能力的新型CPU。 CPU 226：本機(jī)集成24 輸入/16 輸出共40 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID 控制器。2 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議本科生課程設(shè)計(jì)（論文）7和自由方式通訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m

21、應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。3.2 主機(jī) CPU224本機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。可連接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID控制器。1 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。如圖3.1 所示。圖 3.1CPU224 實(shí)物圖主機(jī)CPU224 模塊編址如表3.2 所示。表3.2 各模塊編址本科生課程設(shè)

22、計(jì)（論文）83.3 I/O 口分配及總電路圖程序中的輸入/輸出地址分配如表3.3 所示。表3.3 I/O 地址分配表輸入 輸出名稱 符號 地址 名稱 符號 地址啟動(dòng)按鈕 SB1 I0.0 變頻器輸入模擬量 UF Q0.0停止按鈕 SB2 I0.1流量轉(zhuǎn)換器模擬量 UP I0.3系統(tǒng)總電路設(shè)計(jì)如圖3.4 所示。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）9 圖3.4 系統(tǒng)電路圖3.4 變頻器的選擇變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類

23、等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)對電機(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)格相對便宜的U/f控制變

24、頻器。 由于本設(shè)計(jì)中PLC選擇的西門子S7-200型號，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接口和用于簡單過程控制的PI本科生課程設(shè)計(jì)（論文）10閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對I/O端子進(jìn)行功能自定義。快速電流限制實(shí)現(xiàn)了無跳閘運(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

25、的輸出功率為0.7590KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為75KW的水泵電機(jī)的輸入信號。另外選擇西門子的變頻器可以通過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。3.5 水泵電機(jī)的選擇 水泵是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。水泵性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、揚(yáng)程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為容積水泵、葉片泵等類型。容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量；葉片泵是

26、利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量，有離心泵、軸流泵和混流泵等類型。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；下軸承采用柔

27、性耐磨軸承，噪音低，壽命長；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)類似于水的無顆粒、無雜質(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。3.6 流量變送器的選擇流量變送器又稱為流量傳感器簡稱為流量計(jì)。按照 ISO9951 標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合國內(nèi)外流量儀表先進(jìn)技術(shù)而研制開發(fā)的集溫度、壓力、流量傳感器和智能流量積算儀于一體的新一代高精度、高可靠性的精密計(jì)量儀表，它出色的低壓和高壓計(jì)量性能，多種信號輸出方式以及對流體擾動(dòng)的低敏感性，使得流量計(jì)成為一種特別優(yōu)秀的能準(zhǔn)確計(jì)量氣體累積量的商業(yè)貿(mào)易計(jì)量儀表。 流量變送器用于檢測管道中的本科生課程設(shè)計(jì)（

28、論文）11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)?420mA 的模擬量信號，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、顯示和變送。流量表測量范圍 00.6m3/h，精度1.0；轉(zhuǎn)換器輸出 420mA 電流信號，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。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）12第 4 章 軟件設(shè)計(jì)4.1 PLC 程序設(shè)計(jì)PLC 控制程序采

29、用 SIEMENS 公司提供的 STEP 7-MicroWIN-V40 編程軟件開發(fā)。該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語言，即語句表(STL)語言、梯形圖(LAD)語言、功能塊圖(FBD)語言。語句表(STL)語言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言，特別適合于來自計(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)器硬件的語言。梯形圖(LAD)語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言，與計(jì)算機(jī)語言相比，梯形圖可以看作是 PLC 的高級語言，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

30、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 PC/PPI 電纜把程序下載到 PLC，控制任務(wù)的完成，是通過在 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

31、 控制的定時(shí)采樣及輸出控制。 4.2 系統(tǒng)流程圖本科生課程設(shè)計(jì)（論文）13圖 4.1 系統(tǒng)流程圖本科生課程設(shè)計(jì)（論文）144.3 程序4.3.1 程序初始化與故障分析程序初始化一個(gè)程序基本的編程方式。一般會(huì)先將 PLC 進(jìn)行初始化，設(shè)置基本參數(shù)，保證可以與其他設(shè)備正常通訊，然后才開始撰寫實(shí)際的控制程序。在此設(shè)計(jì)初始化程序中用到了特殊輔助繼電器 M8000 和 M8002。M8000 起運(yùn)行監(jiān)視的作用。當(dāng) PLC 執(zhí)行用戶程序時(shí)，M8000 為 ON，停止監(jiān)視時(shí)，M8000 為OFF；M8002 為初始化脈沖，僅在可編程控制器運(yùn)行開始的瞬間接通一個(gè)掃描周期，M8002 的常開觸點(diǎn)常用于某些元件的

32、復(fù)位和清零，也可作為啟動(dòng)條件。以下為系統(tǒng)初始化程序：圖 4.2 始化程序本科生課程設(shè)計(jì)（論文）15在程序設(shè)計(jì)中，要考慮到系統(tǒng)運(yùn)行過程中的一些突發(fā)問題，必須要有正確的控制：故障控制開關(guān)，急?？刂崎_關(guān)，故障復(fù)位控制開關(guān)。以下為故障控制程序：圖 4.3 故障控制程序4.3.2 PID 初始化及程序分析在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的 其它

33、技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 比例(P)控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 積分(I)控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱

34、這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）16積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。 微分(D)控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于

35、誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 以下為 PID 初始化程序，M33 是將程序指定到 PID 初始化部分。圖 4.4 PID 初始化在 PID 調(diào)節(jié)中，程序固然重要，但是程序里的 PID 參數(shù)

36、更重要，沒有PID 參數(shù)就不可能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)該有的功能。在 PID 調(diào)節(jié)中主要有比例環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)，微分環(huán)節(jié)，在此設(shè)計(jì)中只是用到了比例環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)。此次設(shè)計(jì)主要就是實(shí)現(xiàn)比例控制，所以比例環(huán)節(jié)是必不可少的，而積分調(diào)節(jié)的作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差。PID 參數(shù)主要是：采樣時(shí)間 17 秒、PID 濾波常數(shù) 80%、比例增益 Kp=70、積本科生課程設(shè)計(jì)（論文）17分時(shí)間 Ti=100、微分增益與微分時(shí)間為 0。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）18第 5 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)基于 PLC 的流量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用變頻器實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)調(diào)速，把水泵電機(jī)控制納入自動(dòng)

37、控制系統(tǒng)。流量變送器采樣管道流量信號經(jīng) PID 處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)流量大小調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過改變水泵性能曲線來實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管道流量恒定。該系統(tǒng)不僅有效地保證了管道流量恒定，而且工作可靠。在本次課程設(shè)計(jì)完成過程中，確實(shí)遇到了一些困難。比如：在硬件設(shè)備之間的連接，I/O 端口的分配，地址的分配這幾方面自己不是很了解，通過查找相關(guān)書籍，向老師、同學(xué)們請教，我對這些知識有了更深入的理解；對三菱中模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊以及 PID 模塊的不熟悉，通過在網(wǎng)上查詢相關(guān)資料解決了我在這方面的疑惑。在這個(gè)過程中遇到的最大困難是程序的編寫以及對程序的理解，在程序的編寫過程中根據(jù)書上的類似程序，在

38、 PLC 程序軟件編寫要求的程序，通過多次調(diào)試程序，程序編寫的問題也基本完成了。這個(gè)過程雖然是有一定的難度但還是通過自己的慢慢的摸索和老師的指導(dǎo)下從熟悉到上手，經(jīng)過這次努力對自己的信心很好的提高。雖然課程設(shè)計(jì)根據(jù)老師所給的要求完成了，但是本次課程設(shè)計(jì)還是存在著一些不足。本次的設(shè)計(jì)只是對流量的一個(gè)簡單控制，如果要運(yùn)用到生產(chǎn)中還需要一些改進(jìn)，如果要精確的控制還需要加大對積分調(diào)節(jié)部分的控制；在本次設(shè)計(jì)中也運(yùn)用到了組態(tài)的的控制，但是在此次設(shè)計(jì)中只是對整個(gè)過程進(jìn)行了靜態(tài)的控制，如果想精確地觀察整個(gè)過程還需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）19參考文獻(xiàn)1 張榮妮,吳鐫峰.運(yùn)用 PLC 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的控制

39、J.機(jī)械工程與自動(dòng)化,2010(2):187-1882 周萬珍，高鴻斌.PLC 分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，20043 李英輝.PLC 程序設(shè)計(jì)方法綜述J.無線互聯(lián)科技,2014(2):104-1054 王永華.電氣控制技術(shù)及 PLC 應(yīng)用技術(shù)M.北京航空航天大學(xué)出版社,20055 焦海生.可編程程序控制器梯形圖的順序控制設(shè)計(jì)J.內(nèi)蒙古電大學(xué)刊,2006(6):34-366 孫欣.電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用J.2010(4):11-187 陳延奎.淺談 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法J.2009(10):55-638 基于西門子的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.2012.(8):9-139 宋伯生.PLC 編程實(shí)用指南J.2007,(7):35-4110 呂景泉.可編程控制器技術(shù)教程M.北京:高等教育出版社,201111 梅麗鳳.電氣控制與 PLC 應(yīng)用技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社,201212 廖常初. S7-200PLC 編程技術(shù)及應(yīng)用M.機(jī)械工業(yè)出版社,200913 曹輝.鍋爐上煤系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的順序啟?？刂圃O(shè)計(jì)J.2013(1):23-3114 駱智.可編程控制器(PLC)運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.2004(6):36-4115 梁倍源.鍋爐上煤系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的順序啟停控制設(shè)計(jì)J.2013（6）：73-74