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过程控制系统设计

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目录

1．系统控制要求4

2．系统硬件设计4

2.1方案论述4

2.2主要控制器件选择6

2.2.1PLC的选择6

2.2.2变频器的选择7

2.2.3温度变送器的选择8

2.2.4流量变送器的选择9

2.2.5压力变送器的选择9

2.2.6液位变送器的选择10

2.2.7触摸屏的选择10

2.2.8A/D模块的选择11

2.2.9D/A模块的选择12

2.3系统其它设备及元器件规格14

2.4系统电气原理14

3．系统软件设计16

3.1变频器配置16

3.1.1变频器配置参数16

3.1.2FR-D700系列的操作面板17

3.1.3变频器的运行模式18

3.2PLC程序设计19

3.3触摸屏界面设置20

4．安全文明规范操作26

5．系统安装与调试26

5.1系统安装26

5.2系统调试26

5.2.1硬件调试26

5.2.2软件调试27

6．总结27

7．附录28

摘要

【摘要】随着科技的发展社会的进步，人们对工业控制的要求越来越高。

本文主要介绍了如何利用触摸屏、变频器、PLC、AD模块、DA模块与各种变送器设计出过程控制系统。

利用该系统来准确、及时、有效的控制温度、压力、流量和液位。

【关键词】过程控制；触摸屏；变频器；PLC；PID运算。

1、系统控制要求

液位、压力、流量过程控制系统由一台帕斯卡微泵驱动，该泵的速度利用三菱PLC由PID指令运算产生的数字量经D/A转换成的模拟量控制，以实现恒液位、恒压力、恒流量；恒温度过程控制采用加热棒控制。

（1）系统配置：

PLC（含D/A、A/D模块）、变频器、触摸屏、帕斯卡微泵、液位计变送器、压力变送器、涡轮流量变送器、温度变送器。

（2）系统连接：

从工作台的电源板用安全插线引出电源到电源端子排，变频器连接PLC的D/A，触摸屏利用串口通讯连接PLC，用于参数设定及显示，压力、流量、液位及温度传感器与A/D模块连接。

（3）触摸屏界面编制：

开关、指示灯在触摸屏第一页显示，液位、流量、压力、温度在此页面选择。

液位、流量、温度、压力页面分别显示每个传感器所对应的实际值、设定值和对P、I、D的设置。

2、系统硬件设计

2.1方案论述

本系统通过PLC、变频器实现了对电动机的转速控制，并通过触摸屏实现了实际设定和实测数值的显示。

通过编写程序使得PLC输出变频器的启动信号，同时通过PLC（A/D模块）的运算处理把通过液位传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器采集的这一模拟量（电流）转换成数字量输入，PLC（D/A模块）通过运算输出启动信号和频率信号转换成的模拟量（电流信号）给变频器，变频器按照给定的频率信号，实时输出不同频率的电流从而改变电机的转速，PLC和触摸屏进行通讯，把传感器读出的这一数据量通过PLC运算在触摸屏上进行显示。

本系统是实时信号输入，实时反馈信号，并且实时显示数据值。

该系统的主要硬件配置为PLC、变频器、触摸屏、SBWZP型温度变送器、LWGY-A型涡轮流量传感器、AOB-131型压力变送器、GB2100A型液位传感器、加热棒各一个和一台三相异步电机，其框图如图2-1所示,其软件流程图如2-2所示。

人机界面

计算机

三相异步

电动机

加热棒

变频器

压力、温度

流量液位传感器

A/D

模块

D/A

模块

FX3U

PLC

图2-1系统主要硬件

图2-2软件流程图

2.2主要控制器件选择

2.2.1PLC的选择

由于此控制系统采用液位传感器、压力变送器、流量传输器、温度变送器对水位、水压力、水流量、水温进行实时测量，并根据设定值计算控制电机的转速、加热棒加热时间，并将此数值和温度值反馈至触摸屏加以显示。

因此，在选择PLC时，要考虑PLC的功能是否满足题目要求，而且在在根据实验室的现有设备，本系统选择了FX3U系列的PLC，FX3U系列PLC是FX2N系列的升级产品，具有功能强大、速度快、容量大、性价比高等特点完全满足此控制系统的控制要求。

PLC另外承担的任务是通过输出点的开关信号控制变频器的启停、脉冲信号控制继电器的闭合，因此在选择PLC输出点类型时，采用继电器、晶体管输出型均可，综上所述，采用实验室现有的PLC型号：

FX3U-32M作为系统的控制器，各部位名称如图2-6所示。

图2-6三菱FX3u型PLC-32MR的各部位名称

三菱FX3u-32M型PLC的主要特点有可编程控制器上直接接线的输入输出（最大256点）和网络（CC-Link）上的远程I/O（最大256点）的合计点数可以扩展到384点；输入输出的扩展设备可以连接FX3u系列的输入输出扩展单元/模块；可以通过内置开关进行RUN/STOP的操作，也可以从通用的输入端子或外围设备上发出RUN/STOP的指令；通过计算机用的编程软件，可以在可编程控制器RUN时更改程序。

2.2.2变频器的选择

变频器在此控制系统中主要根据实际反馈的数值对三相导步电动机进行调速，根据系统设计方案中，采用变频器的模拟量输入功能即可满足题目要求，对变频器的其他功能没有太高要求，普通变频器即可满足要求。

因此，选择实验室现有的变频器型号：

FR-D700。

变频器频率给定通道有两种选择方案，一种是采用外部输入模拟量信号给定，即通过变频器的模拟量端子从外部输入模拟量信号（电压或电流）进行给定，并通过调节模拟量的大小来改变变频器的输出频率。

需要PLC连接D/A特殊功能模块，优点：

PLC程序编制简单方便、工作稳定。

缺点：

在大规模生产线中，控制电缆较长，尤其是D/A模块采用电压信号输出时，线路有较大的电压降，影响了系统的稳定性和可靠性。

另一种是采用端子脉冲给定，即通过变频器的特定的高速开关端子从外部输入脉冲序列信号进行频率给定，并通过调节脉冲的频率来改变变频器的输出频率。

由PLC输出点产生可调脉冲，要求PLC的输出类型为晶体管型，且输出脉冲频率达50KHZ。

根据以上分析及实验室现有条件，采用外部输入模拟量（电流）信号作为变频器的频率给定通道。

变频器与PLC的接线如图2-7所示，变频器的STF接控制电机的线圈Y6、SD接公共端COM2，变频器的U、V、W分别接电机的三根相线，因为变频器的模拟量输入我们用的是电流输入，而且是通道一，所以变频器的4端与D/A模块的IOUT1相接，5接公共端COM1。

并且在D/A模块和变频器接线的时候用的线是屏蔽线，这样能够很好的避免电压信号的干扰。

图2-7变频器与PLC的接线图

2.2.3温度变送器的选择

热电偶温度变送器的工作原理是，两种不同成分的导体两端经焊接、形成回路，当测量端和参比端存在温差时，就会在回路中产生热电流，接上显示仪表，仪表上就指示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。

根据实际情况的设备，本文所选的温度变送器的规格如表2-1所示。

表2-1温度变送器规格表

类型

SBWZP型

电源电压

24VDC

输出电流

4～20MA

量程

0～100°C

精度

0.25%FS

2.2.4流量变送器的选择

涡轮流量传感器是一种精密流量测量仪表，与相应的流量积算仪表配套可用于测量液体的流量和总量。

其工作原理：

流体流经传感器壳体，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电信号，此信号经过处理后，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量和累计量。

根据实际情况的设备，本文所选的温度变送器的规格如表2-2所示。

表2-2流量传感器规格表

类型

LWGY-A型

电源电压

24VDC

输出电流

4-20MA

量程

0.04-0.25M3/h

精度

±0.5%

2.2.5压力变送器的选择

压力变送器主要由测压原件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。

它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4~20MADC等），以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

工作原理:

当压力信号作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经差分放大和输出放大器放大，最后经电流转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的4-20MA标准电流输出信号。

根据实际情况的设备，本文所选的温度变送器的规格如表2-3所示。

表2-3压力变送器规格表

类型

AOB-131型

电源电压

16V-33VDC

输出电流

4-20MA

量程

0-0.6MPa

精度

0.25KPS

2.2.6液位变送器的选择

S18UIA工作原理：

可分为四个区域，最小和最大工作范围，近限和远限设定点。

（1）检测物体在最小和最大工作范围内，电源指示灯变为绿色，代表物体在可工作区域内；

（2）检测物体在近限和远限设定点内，信号指示灯变为黄色，代表物体在

设定点范围内，有信号输出；

（3）检测物体在最小和最大工作范围外，电源指示灯变为红色，信号指示灯变为白色，代表物体在工作范围外，无信号输出。

根据实际情况的设备，本文所选的液位传感器的规格如表2-4所示。

表2-4液位变送器规格表

类型

S18UIA型

电源电压

12-36VDC

输出电流

4-20MA

量程

30-300MM

精度

0.2%F.S

2.2.7触摸屏的选择

触摸屏的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。

在此控制系统中，触摸屏提供系统的启动与停止信号并设定P、I、D值和所需的数值，显示实际中的设定值和传感器的输入值，因此，普通的触摸屏便可满足要求，选择了实验室内现有三菱GT15触摸屏，该触摸屏具有表现力丰富的字体、语言切换画面制作简单、支持USB接口/FA透明传输等特点，并能同时让电脑监测程序运行状况，提高了工作效率，缩短了启动与调试时间，完全满足此系统的控制要求。

2.2.8A/D模块的选择

A/D模块的外部联接则需根据外界输入的电压或电流量不同而有所不同，选择分辨率为12位的A/D模块。

由需要四路输入方可满足要求，因此，选择了FX2N-2AD作为模拟量的输入模块。

FX2N-2AD有2个输入通道，分别为通道1（CH1）、通道2（CH2）。

每一通道都可以进行A/D转换，输入的模拟值范围，电压为DC-10V～+10V，DC0V～+5V，DC-4MA～+20MA，分辨率为2.5MV,1.25MV，4uA。

D/A转换模块提供了12位高精度分辨率（包括符号）；2通道电压输入（DC0～+10V，DC0～+5V）或电流输出（DC4～+20MA）；对每一通道，可以规定电压或电流输入。

FX2N—2AD模拟量输入模块的性能见表2-5。

表2-5FX2N—2DA模拟量输入模块的性能

项目

电压输入

电流输入

模拟输入范围

在装运时，对于0到10VDC的模拟电压输入，此单元调整的数字范围是0到4000。

当使用FX2N-2AD并通过电流输入或通过0到5VDC输入时，就有必要通过偏置和增益量进行在调节。

0到10VDC，0到5VDC（输入阻抗为200K欧姆）

警告：

当输入电压超过-0.5V，+15VDC时，此单元有可能造成损坏。

4到20MA（输入阻抗为250K欧姆）

警告：

当输入电压超过-2MA，+60MA时，此单元有可能造成损坏。

数字输出

12位

分辨率

2.5MV（10V/4000）1.25MV（5V/4000）

4uA{（20-4）/4000}

集成精度

±1%（全范围0到10V）

±1%（全范围4到20MA）

处理时间

2.5Ms/1通道（顺序程序和同步）

A/D转换的关系有电压和电流输入两种形式，本系统设计采用电电流输入模式。

其转换关系如图2-8所示;

图2-8A/D转换的关系

FX2N—2AD的缓冲寄存器（BFM）分配见表2-6

表2-6FX2N—2ADBFM分配表

BFM序号

b15～b8

b7～b4

b3

B2

b1

b0

#0

保留

输入数据当前值（低8位数据）

#1

保留

输入数据当前值（高端4位数据）

#2到#16

保留

#17

保留

模拟到数字转换开始

模拟到数字转换通道

#18及更大

保留

BFM#0：

由BFM#17（低8位数据）指定的通道的输入数据当前值被存储。

当前值数据以二进制形式存储。

BFM#1：

输入数据当前值（高端4位数据）被存储。

当前值数据以二进制形式存储。

BFM#17：

b0进行模拟到数字转换的通道（CH1,CH2）被指定。

当b0由1→0时，通道CH2A/D转换开始。

当b1由1→0时，通道CH1D/A转换开始。

2.2.9D/A模块的选择

D/A模块的作用是将数字量转换成模拟量的装置，此模拟量作为变频器的频率给定，为了提高设定与运行速度曲线的平滑度和精度，选择分辨率为12位的D/A模块。

由于只需要一路输出便可满足要求，因此，选择了FX2N-2DA作为模拟量的输出模块。

FX2N-2DA有2个输出通道，分别为通道1（CH1）、通道2（CH2）。

每一通道都可以进行D/A转换，输出的模拟值范围，电压为DC0V～+10V，DC0V～+5V，DC4MA～+20MA，分辨率为2.5MV,1.25MV，4uA。

D/A转换模块提供了12位高精度分辨率（包括符号）；2通道电压输出（DC0V～+10V，DC0V～+5V）或电流输出（DC4MA～+20MA）；对每一通道，可以规定电压或电流输出。

FX2N—2DA模拟量输出模块的性能见表2-7。

项目

电压输出

电流输出

模拟量输出范围

DC0～10V,DC0～5V

（外部负载电阻2kΩ～1MΩ）

4～20MA

（外部负载电阻不超过500Ω）

数字输出

12位

分辨率

2.5MV（10V/4000,1.25MV（5V/4000）

总体精度

±1%（满量程0～10V）

±1%（满量程4～20MA）

转换速度

4Ms/通道（顺控程序和同步）

隔离

在模拟和数字电路之间光电隔离、直流/直流变压器隔离主单元单源、在模拟通道之间没有隔离

电源规格

DC5V、30MA（主单元提供的内部电源）；DC24V（1±1%）V、85MA（主单元提供的内部电源）

占用的I/O点数

这个模块占用8个输入或输出点（输入或输出均可）

适用的控制器

FX1N/FX2N/FX2NC/（需要FX2NC—CNV—1F）

尺寸：

宽×厚×高

43MM×87MM×90MM

质量

0.2kg

表2-7FX2N—2DA模拟量输出模块的性能

D/A转换的关系有电压和电流输出两种形式，系统设计采用电流输出模式。

其转换关系如图2-9所示，

图2-9D/A转换的关系

FX2N—2DA的缓冲寄存器（BFM）分配见表2-8。

BFM#16用于写入由BFM#17通道指定标注位指定的通道输出的D/A转换数据值，数据值按二进制形式保存，这样可以有利于保存低八位和高四位数据分两部分保存。

在BFM#17中，当b0由1→0时，通道CH2D/A转换开始。

当b1由1→0时，通道CH1D/A转换开始。

当b2由1→0时，D/A转换的低八位数据保持。

表2-8FX2N—2DABFM分配表

BFM序号

b15～b8

b7～b3

b2

b1

b0

#0～#15

没使用

#16

保留

输出的数字资源（8位）

#17

保留

D\A低8位数据保持位

CH1D/A转换开始

CH2D/A转换开始

#18及其他

保留

2.3系统其它设备及元器件规格

该系统除了PLC、D/A模块、A/D模块、变频器、触摸屏、传感器等，还用到了一些其它设备及元器件，其名称、规格型号和数量见表2-9。

表2-9主要设备及元器件

序号

器件名称

规格型号

数量

1

三相异步电机

帕斯卡微泵

1

2

24V稳压电源

YL003

1

3

低压断路器

BH-D6

4组

4

接线端子

UX2.2B

31

5

线槽

3035

若干

6

导线

10.750.50.35

若干

2.4系统电气原理

根据系统原理的需要，绘制了电气原理图如图2-6。

其中空气开关用到四个。

QF1用于给整个系统供电，并在系统内部出现短路现象时给系统断电的功能，实现了保护系统元器件的作用。

QF2用于给变频器供电并且保护变频器,变频器的U、V、W端子和电机相接用于给电机不同频率的电压。

QF3用于给PLC和触摸屏供电并在特殊情况下保护PLC和触摸屏。

QF4用于给24V电源模块供电。

变频器的STF、SD端子和PLC的Y0、COM1端子依次相接，COM1、SD是公共端子。

A/D模块的输入端口和温度、压力、液位、流量传感器相接，实现了实际环境中温度、压力、液位、流量的采集，通过模拟转换成数字。

PLC端口控制加热棒的加热时间，D/A模块输出端口和变频器模拟量给定端口相接，实现了通过PLC改变电机转速的功能。

电气原理图如图2-10所示。

图2-10系统电气原理图

进行通讯时，计算机通过数据线与触摸屏的USB接口相连，触摸屏的RS-232接口与PLC的串行接口相连，如图2-11所示。

图2-11电缆连接图

三．系统软件设计

3.1变频器配置

3.1.1变频器配置参数

根据本系统设计需要所用到的变频器配置参数见表3-1。

表3-1变频器配置参数表

参数

名称

单位

备注

内容

1

上限频率

0.01HZ

设为50Hz

输出频率的上限

2

下限频率

0.01Hz

设为0Hz

输出频率的下限

3

基本频率

0.01Hz

设为30Hz

电机的额定频率（50Hz/60Hz）

7

加速时间

0.01s

5

电机启动时间5s

77

参数写入选择

1

2

在所有模式下课写入参数

79

运行模式选择

1

2

外部运行模式固定

182

端子4功能选择

1

0

4~20MA电流输入

160

扩展功能显示选择

1

0

显示所有参数

161

频率设定/键盘锁定操作选择

1

0

M旋钮频率设定模式

键盘锁定模式选择

267

RH端子功能选择

1

4

端子4输入

3.1.2FR-D700系列的操作面板

FR-D700系列变频器的参数设置，通常利用固定在其上的操作面板（不能拆下）实现，使用操作面板可以进行运行方式、频率的设定，运行指令监视，参数设定、错误表示等。

操作面板如图3-1所示，其上半部为面板显示器，下半部为M旋钮和各种按键。

它们的具体功能分别如表3-2和表3-3所示。

图3-1FR-D700的操作面板

表3-2旋钮、按键功能

旋钮和按键

功能

M旋钮（三菱变频器旋钮）

旋动该旋钮用于变更频率设定、参数的设定值。

按下该旋钮可显示以下内容。

·监视模式时的设定频率

·校正时的当前设定值

·报警历史模式时的顺序

模式切换键MODE

用于切换各设定模式。

和运行模式切换键同时按下也可以用来切换运行模式。

长按此键（2秒）可以锁定操作。

设定确定键SET

各设定的确定

此外，当运行中按此键则监视器出现以下显示：

运行模式切换键

PU/EXT

用于切换PU／外部运行模式。

使用外部运行模式（通过另接的频率设定电位器和启动信号启动的运行）时请按此键，使表示运行模式的EXT处于亮灯状态。

切换至组合模式时，可同时按MODE键0.5秒，或者变更参数Pr.79。

启动指令键RUN

在PU模式下，按此键启动运行。

通过Pr.40的设定，可以选择旋转方向。

停止运行键

STOP/RESET

在PU模式下，按此键停止运转。

保护功能（严重故障）生效时，也可以进行报警复位。

表3-1-3运行状态显示

显示

功能

运行模式显示

PU：

PU运行模式时亮灯；

EXT：

外部运行模式时亮灯；

NET：

网络运行模式时亮灯

监视器（4位LED）

显示频率、参数编号等

监视数据单位显示

Hz：

显示频率时亮灯；A：

显示电流时亮灯。

（显示电压时熄灯，显示设定频率监视时闪烁。

）

运行状态显示RUN

当变频器动作中亮灯或者闪烁；其中：

亮灯——正转运行中；

缓慢闪烁（1.4秒循环）——反转运行中；

下列情况下出现快速闪烁（0.2秒循环）：

•按键或输入启动指令都无法运行时

•有启动指令，但频率指令在启动频率以下时

•输入了MRS信号时

参数设定模式显示PRM

参数设定模式时亮灯

监视器显示MON

监视模式时亮灯

3.1.3变频器的运行模式

由表3-2和表3-3可见，在变频器不同的运行模式下，各种按键、M旋钮的功能也不同。

所谓运行模式是指对输入到变频器的启动指令和设定频率的命令来源的指定。

FR-D700系列变频器通过参数Pr.79的值来指定变频器的运行模式，设定值范围为0，1，2，3，4，5，6，7；这8种运行模式的内容以及相关LED指示灯的状态如表3-4所示。

表3-4运行模式选择（Pr.79）

设定值

内容

LED显示状态（

：

灭灯

：

亮灯）

0

外部/PU切换模式，通过PU/EXT键可切换PU与外部运行模式。

注意：

接通电源时为外部运行模式

外部运行模式：

PU运行模式：

1

固定为PU运行模式

2

固定为外部运行模式

可以在外部、网络运行模式间切换运行

外部运行模式：

网络运行模式：

3

外部／PU组合运行模式1

频率指令

启动指令

用操作面板设定

或用参数单元设定，

或外部信号输入（多段速设定，端子4-5

间（AU信号ON时有效））

外部信号输入

（端子STF、STR）

4

外部／PU组合运行模式2

频率指令

启动指令

外部信号输入

（端子2、4、JOG、多段速选择等）

通过操作面板的RUN键、或通过参数单元

的FWD、REV键来输入

6

切换模式

可以在保持运行状态的同时，进行PU运行、外部运行、网络运行的切换

PU运行模式：

外部运行模式：

网络运行模式：

7

外部运行模式（PU运行互锁）

X12信号ON时，可切换到PU运行模式

（外部运行中输出停止）

X12信号OFF时，禁止切换到PU运行模式

PU运行模式：

外部运行模式：

3.2PLC程序设计

本系统的程序程序设计主要通过AD模块，DA模块，对模拟量信号的处理，再通过PID运算指令对相应量进行运算，运算出来的模拟量再进行相应的处理输送至变频器里面，从而实现对变频器的调速，带动水泵的运作。

加热部分则是通过PWM来控制固态继电器的通断实现对加热棒的控制。

具体程序设计请看附录部分。

3.3触摸屏界面设置

触摸屏界面图共有6个画面，画面1为主画面，画面2为液位PID控制画