东北大学秦皇岛分校PLC流量课设Word下载.docx

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四．系统控制方案………………………………………………………………………………………………………..3

五．系统硬件设计………………………………………………………………………………………………………..5

5.1设备的选型………………………………………………………………………………………………………5

5.1.1控制器的选型………………………………………………………………………………………..5

5.1.2变频器的选型………………………………………………………………………………………..5

5.1.3流量传感器变速器的选型……………………………………………………………………..5

5.1.4执行器的选型………………………………………………………………………………………..6

5.2硬件电路…………………………………………………………………………………………………………..7

六．软件设计…………………………………………………………………………………………………………………8

6.1控制规律的选择……………………………………………………………………………………………….8

6.2MATLAB仿真…………………………………………………………………………………………………….8

6.2.1传递函数的确定……………………………………………………………………………………..8

6.2.2采用PID控制的系统框图………………………………………………………………………9

6.2.3基于临界度比例法的PID参数整定……………………………………………………….9

6.3程序编写…………………………………………………………………………………………………………..13

6.3.1PLC寄存器的分配……………………………………………………………………………………13

6.3.2程序流程图……………………………………………………………………………………………..13

6.3.3源程序……………………………………………………………………………………………………..14

七．结束语…………………………………………………………………………………………………………………….17

八．参考文献………………………………………………………………………………………………………………..18

基于PLC的智能流量控制系统

一、设计实验条件

过程控制系统实验室实验系统

二、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、

（1）系统硬件电路设计自选。

（2）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。

三、前沿

本课题来自实验室建设。

目的是利用PLC来实现流量控制。

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。

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

四、系统控制方案设计

图1·

控制系统工艺流程图

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，由于系统只针多一个过程参数管道水流量，控制要求不高，故系统采用单回路控制。

由于系统采用一个调节器，一个检测变送器，一个执行器的简单控制回路，且只有一个控制对象和一个被控对象，所以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） 

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，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） 

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。

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

五、系统硬件设计

5.1设备的选型

由系统框图知，该系统分为：

控制机构、信号检测变送机构、执行机构三大部分，设计硬件选型的部分有：

控制器、变频器、水泵、流量传感变送器。

5.1.1控制器的选型

由于S7-200是一种小型的PLC，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，S7-200系列具有极高的性能/价格比，因此选择S7-200

具体选择CPU224型号的S7-200。

本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。

无I/O扩展能力。

6K字节程序和数据存储空间。

4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。

1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

非常适合于小点数控制的微型控制器。

5.1.2变频器的选型

由于本设计中PLC选择的是西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择SiemensMicroMaster440变频器。

它通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

SiemensMicroMaster440变频器靠内部IGB的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

其优点体现在:

（1）其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。

（2）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。

5.1.3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A/D转换模块的输入，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SHLDZ、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，该模拟信号经A/D转换模后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，送给与CPU224连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号。

5.1.4执行器的选型

水泵电机的选型基本原则:

（1）是要确保平稳运行；

（2）是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。

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低转速低噪音多级离心水泵电机（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。

5.2

硬件电路

六、软件设计

6.1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。

本控制系统采用离散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：

具有快速反应的特性，但有余差。

（2） 

积分环节：

能够消除余差，但有超调 

微分环节：

具有超前条件的特性，能够消除超调。

6.2MATLAB仿真

6.2.1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。

在Matlab中采用c2d函数将各环节传递函数离散化，转化为差分方程。

分别依次为：

传感器离散传递函数仍为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：

6.2.2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5.2Simulink仿真框图（离散化PID）

6.2.3基于临界比例度法的PID参数整定

临界比例度法整定离散PID参数的仿真数字PID的表达式为

步骤概括：

（1）利用开环连续传递函数的根轨迹图或劳斯定理求取系统等幅振荡时（此时P=

，I=0，D=0）的临界比例度

和临界振荡周期

；

（2）根据临界比例度法整定参数的经验算式计算PID，进行第一次整定

（3）根据实际曲线小范围条件PID的各个参数，进行第二次整定

具体仿真方法：

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振荡，可知，当临界比例K=5.27时，响应曲线等幅振荡，响应曲线如下图所示：

等幅振荡曲线

求得振荡周期Tk=67.3

取控制精度为1.50，查表计算得

T=0.09×

Tk=6.057

对应该仿真模块：

二次整定为：

P=3.0，I=0.025，D=0.01

对应单位阶跃响应曲线如下所示：

二次整定单位阶跃响应曲线

响应超调量为15.3%，3%误差带调节时间4.7s，调节质量较好。

6.3程序编写

6.3.1PLC寄存器分配

6.3.2程序流程图

开

N

Y

6.3.3源程序

源程序如下图所示：

1主程序

2初始化子程序

七、结束语

本文针对实验室设备，设计开发了一套基于智能化流量控制系统。

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。

通过这次的设计，我基本能按照规定的程序进行收集、调查有关资料，期间与指导教师进行了几次方案的讨论、修改，再讨论、再修改，最后定案。

从中不但学会了PID自动控制系统的基本应用还懂得了流量监测的工作原理。

此次设计学到了很多课本中学不到的东西，由此感受到了自控世界的强大与神奇.

八、参考文献

1.王永华主编的《现代电气控制及PLC应用技术》北京航空航天大学出版社

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