最新版基于PLC的流量控制毕业设计论文.docx
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最新版基于PLC的流量控制毕业设计论文
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目录
第一章课题的提出1
1.1选题背景1
1.2方案论证1
1.2.1纸机上浆系统.......................................................................................................................1
1.2.2绝干浆量的调节....................................................................................................................1
第二章系统的理论分析及控制方案确定5
2.1控制方案的比较和确定5
2.2纸机上浆系统绝干浆量控制系统的组成及原理图5
2.3纸机上浆系统绝干浆量控制系统控制流程7
第三章系统的硬件设计8
3.1系统主要设备的选型8
3.1.1PLC及其扩展模块的选型8
3.1.2变频器的选型11
3.1.3水泵电机的选型12
3.1.4流量变送器的选型12
3.2系统主电路分析及其设计12
3.3系统控制电路分析及其设计14
第四章系统的软件设计16
4.1PLC程序设计16
4.1.1流量PID控制逻辑图17
4.1.2编程18
4.1.3运行22
4.2PID控制22
第五章实物制作及调试24
第六章结束语26
致谢27
参考文献28
第一章课题的提出
1.1选题背景
本课程设计目的是利用PLC来实现纸机上浆系统的绝干浆量的控制。
目前，PLC使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
1.2方案论证
1.2.1纸机上浆系统
纸机上浆系统的范围是从纸机贮浆槽到流浆箱堰板，流送系统的术语中专指冲浆泵循环回路，在这一循环回路中队纸浆进行计量，稀释，必需的抄纸助剂混入及在纸浆最后上成形网前进行筛选与净化。
纸机上浆系统向流浆箱供浆的方式有：
1）由高位箱向流浆箱供送纸浆
1）用冲浆泵向流浆箱供送纸浆
冲浆泵是专用于向造纸机流浆箱输送纸浆的离心式浆泵，
1.2.2绝干浆量的调节
纸浆流量的测量，从生产工艺角度的要求，最终的目的是想要知道纸浆的实际绝干量。
当纸浆浓度经常在变化的情况下，测量这个纸浆的体积流量，其使用价值就不是很大。
因此，在一般情况下，这个流量测量系统中另外还配有纸浆浓度调节器以保证被测量纸浆浓度的一致。
对于这个浓度调节系统如果选用刀式纸浆浓度调节器时，要求被测量保持在一定的范围内，因此为了使浓度变送器获得准确的信号，又要求对纸浆流量进行自动调节，这样在流量调节与测量系统中，常同时存在纸浆浓度与流量两个自动调节系统，调节方案见图1。
第二章系统的理论分析及控制方案确定
2.1控制方案的比较和确定
纸机上浆系统绝干浆量控制系统主要有流量变送器、浓度计、变频器、调节阀、电动机组成。
系统主要的任务是利用变频器控制一台电动机，实现绝干浆量的恒定，同时还要能对运行数据进行传输和监控。
根据系统的设计任务要求，有以下两种方案可供选择：
（1）通用变频器+单片机（包括变频控制、调节器控制）+流量传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。
该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
（2）通用变频器+PLC（包括变频控制、调节器控制）+流量传感器
这种控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和IO的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。
该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
通过对以上两种方案的比较和分析，可以看出第二种控制方案更适合于本系统。
这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
2.2纸机上浆系统绝干浆量控制系统的组成及原理图
基于PLC的纸机上浆系统绝干浆量控制系统主要有变频器、可编程控制器、流量变送器、浓度计和水泵电机一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2-1所示：
图2-1绝干浆量控制系统流程图
从图中可看出，系统可分为：
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
（l）执行机构：
执行机构是由一个水泵电机组成，它用于将水供入管道，通过变频器改变电机的转速，以达到控制管道水流量的目的。
（2）信号检测机构：
在系统控制过程中，需要检测的信号包括管道水流量信号和浓度信号，其中水流量信号是本控制系统的主要反馈信号。
此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行AD转换。
（3）控制机构：
本系统的控制机构包括控制器（PLC）和变频器两个部分。
控制器是整个流量控制系统的核心。
控制器直接对系统中的流量信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵电机）进行控制；变频器是对水泵电机进行转速控制的单元，其跟踪控制器送来的控制信号改变水泵电机的转速控制。
绝干浆量控制系统通过安装在管道上的流量变送器实时地测量参考点的水流量，检测管道出水流量，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现绝干浆量恒定的关键参数。
由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的AD转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过DA转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制水泵电机的转速，进而控制管道中的水流量，实现绝干浆量恒定。
2.3纸机上浆系统绝干浆量控制流程
纸机上浆系统绝干浆量控制流程如下:
（l）系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动电动机工作，根据流量变送器测得的管道实际流量和设定流量的偏差调节变频器的输出频率，控制水泵电机的转速，当输出流量达到设定值，转速才稳定到某一定值，这期间水泵电机工作在调速运行状态。
（2）当管道水流量减小时，流量变送器反馈的水流量信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵电机的转速增大，供水量增大，最终水泵电机的转速达到另一个新的稳定值。
反之，当管道水流量增加时，通过流量闭环，减小水泵电机的转速到另一个新的稳定值。
第三章系统的硬件设计
3.1系统主要设备的选型
根据基于PLC的流量控制系统的原理，系统的电气控制总框图如图3-1所示：
图3-1系统的电气控制总框图
由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：
（1）PLC及其扩展模块、
（2）变频器、（3）水泵电机、（4）流量变送器。
主要设备选型如表3-1所示：
表3-1本系统主要硬件设备清单
主要设备
型号
可编程控制器（PLC）
SiemensCPU224
模拟量扩展模块
SiemensEM235
变频器
SiemensMM440
水泵电机
水泵1台（0.37KW）
流量变送器
电磁流量传感器SHLDG、电磁流量转换器SHLDZ—1
3.1.1PLC及其扩展模块的选型
PLC是整个流量控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、流量的控制以及对外的数据交换。
因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。
由于水流量自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。
S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。
SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。
根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU224，其开关量输出为10点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU224为14点，输入形式为+24V直流输入。
由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入（AIW），1个模拟输出（AQW）信号通道。
输入输出信号接入端口时能够自动完成AD的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（16bit）的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成DA的转换，一个字长（16bit）的数字信号能够转换成标准输出信号。
EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。
模拟量扩展模块接线图及模块设置:
EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。
下面以EM235为例讲解模拟量扩展模块接线图，如图3-2。
图3-2EM235接线图
图3-2演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X＋和X－；对于电流信号，将RX和X＋短接后接入电流输入信号的“＋”端；未连接传感器的通道要将X＋和X－短接。
对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。
下表3-2说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单双极性、增益和衰减。
表3-2
EM235开关
单双极性选择
增益选择
衰减选择
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
ON
单极性
OFF
双极性
OFF
OFF
X1
OFF
ON
X10
ON
OFF
X100
ON
ON
无效
ON
OFF
OFF
0.8
OFF
ON
OFF
0.4
OFF
OFF
ON
0.2
由上表可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。
SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。
根据上表6个DIP开关的功能进行排列组合，所有的输入设置如表3-3：
表3-3
单极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
ON
OFF
OFF
ON
OFF
ON
0到50mV
12.5μV
OFF
ON
OFF
ON
OFF
ON
0到100mV
25μV
ON
OFF
OFF
OFF
ON
ON
0到500mV
125uA
OFF
ON
OFF
OFF
ON
ON
0到1V
250μV
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
0到5V
1.25mV
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
0到20mA
5μA
OFF
ON
OFF
OFF
OFF
ON
0到10V
2.5mV
双极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
OFF
ON
OFF
ON
OFF
OFF
±50mV
25μV
OFF
OFF
ON
ON
OFF
OFF
±100mV
50μV
ON
OFF
OFF
OFF
ON
OFF
±250mV
125μV
OFF
OFF
ON
OFF
ON
OFF
±1V
500μV
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
±2.5V
1.25mV
OFF
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
±5V
2.5mV
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
OFF
±10V
5mV
6个DIP开关决定了所有的输入设置。
也就是说开关的设置应用于整个模块，开关设置也只有在重新上电后才能生效。
模拟量输入模块使用前应进行输入校准。
其实出厂前已经进行了输入校准，如果OFFSET和GAIN电位器已被重新调整，需要重新进行输入校准。
其步骤如下：
A、切断模块电源，选择需要的输入范围。
B、接通CPU和模块电源，使模块稳定15分钟。
C、用一个变送器，一个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端。
D、读取适当的输入通道在CPU中的测量值。
E、调节OFFSET（偏置）电位计，直到读数为零，或所需要的数字数据值。
F、将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个，读出送到CPU的值。
G、调节GAIN（增益）电位计，直到读数为32000或所需要的数字数据值。
H、必要时，重复偏置和增益校准过程。
3.1.2变频器的选型
变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。
变频器的选择必须根据电机的功率和电流进行选择。
本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。
根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：
普通功能型Uf控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型Uf控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。
供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的Uf控制变频器。
由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。
它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。
它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RSC接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对IO端子进行功能自定义。
快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。
MicroMaster440变频器的输出功率为0.75~90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。
另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。
3.1.3水泵电机的选型
水泵电机的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。
要使电机常处于高效区运行，则所选用的电机必须与系统用水量的变化幅度相匹配。
本设计的要求为：
电机额定功率0.37KW,额定转速为2800rmin。
根据本设计要求确定采用1台SFL型水泵电机（电机功率0.37KW）。
SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低（室外噪音60分贝）、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。
它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。
因此本设计中选择电机功率为0.37KW的SFL系列水泵电机1台。
3.1.4流量变送器的选型
流量变送器用于检测管道中的水流量，常装设在泵站的出水口，流量传感器和流量转换器是将水管中的水流量变化转变为4~20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块（AD模块）的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4~20mA输出流量转换器。
根据以上的分析，本设计中选用电磁流量传感器SHLDG、电磁流量转换器SHLDZ—1实现流量的检测、显示和变送。
流量表测量范围0—0.6m3在第n采样时刻，PID回路输出的计算值；
KcPID回路增益；
en在第n采样时刻的偏差值；
en-1在第n-1采样时刻的偏差值；
KI积分项的比例常数；
MX积分项的前值；
KD微分项的比例常数。
4.1.2编程
（1）主程序部分，如图4-4所示。
在首次扫描调用初始化子程序
图4-4主程序部分
（2）子程序SBR_0，如图4-5所示。
装入回路设定值=0.75
装入回路增益Kc=0.25
装入回路采样时间=0.1秒
装入积分时间常数=3分钟
关闭微分作用
设定定时器中断0时间常数为100毫秒
连接定时0中断事件10和与中断0
开放中断
图4-5子程序SBR_0
（3）中断程序INT_0部分，如图4-6、4-7和4-8所示。
将AIW0与6400相减
将整数转换为双整数
将双整数转换为实数
将数值标准化，即化为0.0—1.0的标准实数
将标准化后的过程变量存入回路表VD100
图4-6
图4-6的功能是将AIW0的数值6400—32000化为0.0—1.0的标准化实数，并存入VD100中，公式为VD100=（AIW0-6400）25600。
（三角形相似原理）
执行PID指令
图4-7
实数相乘
实数相加
将实数转换为双整数
将双整数转换为整数
把输出值存入AQW0中
图4-8
图4-8的功能是将标准化的数值化为实数，即将VD108中的标准化数值0.0—1.0化为6400—32000之间的实数并存入AQW0中，公式为AQW0=25600*VD108+6400。
4.1.3运行
单机水泵控制按钮，系统启动时打开出水口，用手动控制水泵电机的转速是管道流量达到75%，这时系统装载PID参数和连接PID中断服务程序。
装入回路设定值VD104,回路增益VD112，回路采样时间VD116，积分时间VD120，同时设定定时中断0的时间（SMB34）间隔为100ms，设定定时中断执行PID程序INT_0。
关闭微分作用VD124。
在中断处，将过程变量转换为标准化的实数。
首先将整数转换成双整数（AIW0→AC0），将双整数转换为实数，而后将数值标准化（AC0，32000.0→AC0），最后将标准化后的值存入回路表（AC0→VD100）。
而I0.0控制PID指令的运算，I0.1控制PID停止运算。
程序运行后把输出值转换成16位的整数，首先判断输出值为单极性且非负的数，把输出值送到累加器（VD108，32000.0→AC0），然后标准化累加器中的值，将实数转换成双整数，再将双整数转换成整数，最后将数值写入模拟量输出（AC0→AQW0）。
再去控制输出水泵电机以控制管道流量维持一定的流速。
4.2PID控制
在流量系统的设计中，选用了含PID调节的PLC来实现闭环控制保证流量系统中的流量恒定。
在连续控制系统中，常采用Proportional（比例）、Integral（积分）、Derivative（微分）控制方式，称之为PID控制。
PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。
具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。
PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r（t）和实际输出值y（t）之间的偏差e（t）：
（4.1）
经比例（P）、积分（I）和微分（D）运算后通过线性组合构成控制量u（t），对被控对象进行控制，故称PID控制器。
系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图4-9所示，图中u（t）为PID调节器输出的调节量。
·
图4-9PID控制原理框图
PID控制规律为：
（4.2）
式中：
Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。
相应的传递函数形式：
（4.3）
PID控制器各环节的作用及调节规律如下：
（1）比例环节：
成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e（t）一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差，但不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数Kp的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。
（2）积分环节：
表明控制器的输出与偏差持续的时间有关。
只要偏差存在，控制就要发生改变，直到系统偏差为零。
积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。
（3）微分环节：
对偏差信号的变化趋势做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。
第五章实物制作及调试
1.根据设计要求，组装设备并接线，其实物如图5-1所示。
图5-1
2.将编好的程序下载到PLC中，并运行监控。
以下是实验所用的两组数据截图，也是PID运算调试。
图5-2数据一
图5-3数据二
图5-4趋势图
实验参数：
回路增益Kc=1.0，回路采样时间Ts=0.1秒，积分时间Ti=2.0分钟，微分时间Td=0.0，流量给定值先是0.5后改成0.8。
给定值由0.5改成0.8后，观察过程变量VD100和输出值VD108的变化状况，总结如下：
过程变量和输出值随给定值的增加而增加，先经过比例调节数值变化较大，再经过2分钟的积分调节数值变化幅度较小但是再不断变化，最后过程变量和输出值均达到动态平衡，即实现流量恒定在给定值。
第六章结束语
本文针对实验室设备，设计开发了一套基于PLC的变频恒流供水自动控制系统。
该系统利用变频器实现水泵电机调速，把水泵电机控制纳入自动控制系统。
流量变送器采样管道流量信号经PID处理传送给变频器，变频器根据流量大小调节电机转速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管道流量恒定。
该系统不仅有效地保证了供水系统管道流量恒定，而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。
本文主要的工作如下：
（1）由PLC、变频器实现生活或工业用水的恒流控制。
系统采用PLC与变频器相结合实现对水泵电机的调速，从而实现对流量的调节。
（2）通过对控制过程和原理的分析，利用西门子STEP7MicroWIN编程软件设计了一个用于恒流供水系统的程序，本程序包括主程序，初始化子程序和中断子程序三部分。
通过本次毕业设计，不仅使我巩固了对原有知识的掌握，还拓宽了我的知识面。
在提高自己的同时，我也更加清楚的认识到自己的一些不足之处。
比如
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