基于PLC的流量控制系统.docx

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基于PLC的流量控制系统

设计题目：

智能化流量控制系统设计

一.设计任务

1、系统构成：

系统主要由流量传感器，PLC控制系统、对象、执行器（查找资料自己选择）等组成。

传感器、对象、控制器、执行器可查找资料自行选择，控制器选择PLC为控制器。

PLC类型自选。

2、写出流量测量与控制过程，绘制流量控制系统组成框图。

3、系统硬件电路设计自选。

4、编制流量测量控制程序：

软件采用模块化程序结构设计，由流量采集程序、流量校准程序、流量控制程序等部分组成

二.前言

本课程设计来源于工业工程中对于流量的监测和控制过程，其目的是利用PLC来实现过程自动控制。

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，涉及到所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。

PLC通过模拟量I/O模块和A/D、D/A模块实现模拟量与数字量之间的转换，并对模拟量进行闭环控制。

三.系统控制方案设计

图1控制系统的工艺流程图

如图1所示为该控制系统的工艺流程图，该控制系统主要是控制流过管道水的流量，由于系统对控制要求不高，故系统采用单回路控制，被控对象为水的流量，控制量为水泵电机的转速，控制器选用PLC和变频器,传感变送器选用电磁流量传感变送器，执行器选用水泵。

根据工艺流程图画出系统框图如下图2所示

图2系统框图

从图2中可看出，系统可分为：

控制机构、信号检测变送机构、执行机构三大部分，具体为：

（l）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

（2） 信号检测变送机构：

在系统控制过程中，需要检测的信号包括管道水流量信号，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A/D转换。

（3） 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。

流量控制系统以供水出口管道水流量为控制目标，在控制上实现出口管道的实际流量跟随设定的水流量。

设定的水流量可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。

水流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，此检测信号是实现水流量恒定的关键参数。

由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D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D/A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，实现水流量恒定。

四.系统硬件设计

四.1设备的选型

控制器的选型

由于PLC控制器具有抗干扰能力强，扩展模块组合方便、编程简单等优点，该控制系统采用PLC作为控制器。

由于水流量自动控制系统控制设备相对较少因此，我们选用SiemensS7-200系列PLC，该系列PLC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。

根据控制系统实际所需端子数目，并考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此，CPU选用SiemensCPU224，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，所以需要选择扩展模块，模拟量扩展模块选用SiemensEM235，该模块有4个模拟量输入通道，1个模拟量输出通道。

变频器的选型

由于本设计中PLC选择的是SiemensS7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择SiemensMicroMaster440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。

MicroMaster440变频器的输出功率为0.75~90KW，适用于要求高、功率大场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。

另外该变频器可以通过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。

流量传感器变送器的选型

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（A/D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/h，精度1.0；转换器输出4~20mA电流信号，送给与CPU224连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号。

执行器的选型

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2800r/min。

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。

四.2硬件电路

五.软件设计

五.1控制规律的选择

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。

本控制系统采用PID控制规律。

PID控制规律如下

式中：

Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

相应的传递函数为

（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，具有快速性，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。

五.2MATLAB仿真

传递函数的确定

用MATLAB中的Simulink仿真该控制系统，调节PID参数。

由于用Simulink仿真需要知道各环节传递函数，经查资料，找到变频器，水泵电机，管道传递函数近似分别为：

，

，

。

传感器传递函数为1。

当不加任何控制器时，系统的单位阶跃响应曲线如下图3所示：

图3系统单位阶跃响应曲线

采用数字PID控制的系统框图

由于采用PLC控制，所以采用离散PID控制。

框图如下图所示

图4仿真框图

参数整定

应用扩充临界比例度法整定参数，该仿真数字PID的表达式为

先令I=0，D=0，采样周期取较小的值即Ts=0.001，调整P，使阶跃响应曲线等幅震荡，得出，当P=5.83时，响应曲线等幅震荡，响应曲线如下图所示

图5等幅震荡曲线

求得振荡周期Tk=6

取控制精度为1.50，查表计算得

T=0.09*6=0.54s，

Ti=0.43*6=2.4

Td=0.2*0.43=0.086

对应该仿真模块：

P=0.54，I=1/Ti，D=Td=0.086

然后根据实际响应曲线调整参数为：

P=1.98，I=0.21，D=1.1，Ts=0.54

对应Kp=1.98s，Ti=4.76s，Td=0.54

对应单位阶跃响应曲线为

图6理想参数单位阶跃响应曲线

响应超调量为1.51%，3%误差带调节时间5.4s，调节质量较好。

五.3程序编写

PLC寄存器分配

表1PLC寄存器分配

程序流程图

图7主程序流程图图8子程序流程图

源程序

源程序如下图所示：

1、主程序

2）、初始化子程序

六.结束语

本文设计的基于PLC的流量控制系统主要实现的是对工业或生活用水流量的控制，该系统用电磁流量传感变送单元测量将标准流量信号送至模拟量输入模块，然后送入CUP与给定值进行比较，将差值进行PID运算，结果通过模拟量输出模块送至变频器控制水泵的转速调节流量。

该系统实现了基本的功能，由于时间及设备的限制，没能进行设备的组装和调试，只是利用了MATLAB进行PID参数的整定，仿真出了阶跃响应曲线。

另外该系统还缺少个上位机来对控制过程参数进行设定以及对控制过程进行监控。

在后续的开发过程中将进行改进。

通过本次课程设计，使我对过程控制系统有了进一步的了解，使我对所学的理论知识有了更深的理解，也锻炼了我的动手能力和团队合作能力。

这些收获是在课堂上学不到的，是人生中的一笔财富。

七.参考文献

1、黄永红主编《电气控制与PLC应用技术》机械工业出版社

2、顾德英等主编《计算机控制技术》北京邮电大学出版社

3、任彦硕等主编《自动控制系统》北京邮电大学出版社

4、李红，郑颖，秦武轩《PID控制的泵供水系统仿真实验》

（注：

可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!

）