基于PLC的流量控制系统样本.doc

1.1.1 目录
一. 设计任务 1
二. 前言 1
三. 系统控制方案设计 2
四. 系统硬件设计 4
4.1 设备的选型 4
4.1.1 控制器的选型 4
4.1.2 变频器的选型 4
4.1.3 流量传感器变送器的选型 5
4.1.4 执行器的选型 5
4.2 硬件电路 6
五. 软件设计 7
5.1 控制规律的选择 7
5.2 MATLAB 仿真 8
5.2.1 传递函数的确定 8
5.2.2 采用数字PID控制的系统框图 8
5.2.3 参数整定 9
5.3 程序编写 11
5.3.1 PLC寄存器分配 11
5.3.2 程序流程图 11
5.3.3 源程序 12
六. 结束语 14
七. 参考文献 15

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：
系统重要由流量传感器，PLC控制系统、对象、执行器（查找资料自己选取）等构成。
传感器、对象、控制器、执行器可查找资料自行选取，控制器选取PLC为控制器。PLC类型自选。
2、写出流量测量与控制过程，绘制流量控制系统构成框图。
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构造设计，由流量采集程序、流量校准程序、流量控制程序等某些构成

二. 前言
本课程设计来源于工业工程中对于流量监测和控制过程，其目是运用PLC来实现过程自动控制。当前，PLC使用范畴可覆盖从代替继电器简朴控制到更复杂自动化控制，应用领域极为广泛，涉及到所有与自动检测、自动化控制关于工业及民用领域。PLC通过模仿量I/O模块和A/D、D/A模块实现模仿量与数字量之间转换，并对模仿量进行闭环控制。

三. 系统控制方案设计
图1 控制系统工艺流程图
如图1所示为该控制系统工艺流程图，该控制系统重要是控制流过管道水流量，由于系统对控制规定不高，故系统采用单回路控制，被控对象为水流量，控制量为水泵电机转速，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。
依照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、执行机构三大某些，详细为： 
(l)控制机构：本系统控制机构涉及控制器(PLC)和变频器两个某些。控制器是整个流量控制系统核心。控制器直接对系统中流量信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口数据信息进行分析、实行控制算法，得出对执行机构控制方案，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单元，其跟踪控制器送来控制信号变化水泵电机转速控制
(2) 信号检测变送机构：在系统控制过程中，需要检测信号涉及管道水流量信号，其中水流量信号是本控制系统重要反馈信号。此信号是模仿信号，读入PLC时，需进行A/D转换。 
(3) 执行机构：执行机构是由一种水泵电机构成，它用于将水供入管道，通过变频器变化电机转速，以达到控制管道水流量目。  
流量控制系统以供水出口管道水流量为控制目的，在控制上实现出口管道实际流量跟随设定水流量。设定水流量可以是一种常数，也可以是一种时间分段函数，在每一种时段内是一种常数。
水流量控制系统通过安装在管道上流量变送器实时地测量参照点水流量，检测管道出水流量，并将其转换为4—20mA电信号，此检测信号是实现水流量恒定核心参数。由于电信号为模仿量，故必要通过PLCA/D转换模块才干读入并与设定值进行比较，将比较后偏差值进行PID运算，再将运算后数字信号通过D/A转换模块转换成模仿信号作为变频器输入信号，控制变频器输出频率，从而控制水泵电机转速，进而控制管道中水流量，实现水流量恒定。

四. 系统硬件设计
4.1 设备选型
4.1.1 控制器选型
由于PLC控制器具备抗干扰能力强，扩展模块组合以便、编程简朴等长处，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而，咱们选用Siemens S7-200系列PLC，该系列PLC构造紧凑，价格低廉，具备较高性价比，广泛合用于某些小型控制系统。依照控制系统实际所需端子数目，并考虑PLC端子数目要有一定预留量，因而，CPU选用Siemens CPU 224，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。由于实际中需要模仿量输入点1个，模仿量输出点1个，因此需要选取扩展模块，模仿量扩展模块选用Siemens EM 235，该模块有4个模仿量输入通道，1个模仿量输出通道。
4.1.2 变频器选型
由于本设计中PLC选取是Siemens S7-200型号，为了以便PLC和变频器之间通信，咱们选取Siemens MicroMaster440变频器。它是用于三相交流电动机调速系列产品，由微解决器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具备很高运营可靠性和很强功能。MicroMaster440变频器输出功率为0.75~90KW，合用于规定高、功率大场合，正好其输出信号能作为75KW水泵电机输入信号。此外该变频器可以通过RS-485通信合同和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间通信。
4.1.3 流量传感器变送器选型
流量变送器用于检测管道中水流量，常装设在泵站出水口，流量传感器和流量转换器是将水管中水流量变化转变为4~20mA模仿量信号，作为模仿输入模块(A/D模块)输入，在选取时，为了防止传播过程中干扰与损耗，咱们采用4~20mA输出流量转换器。 
依照以上分析，本设计中选用电磁流量传感器SHLDG、电磁流量转换器SHLDZ—1实现流量检测、显示和变送。流量表测量范畴0—0.6m3/h，精度1.0；转换器输出4~20mA电流信号，送给与CPU224连接模仿量模块EM235，作为PID调节反馈电信号。
4.1.4 执行器选型
水泵电机选型基本原则，一是要保证平稳运营；二是要经常处在高效区运营，以求获得较好节能效果。要使电机常处在高效区运营，则所选用电机必要与系统用水量变化幅度相匹配。本设计规定为：电机额定功率0.37KW,额定转速为2800r/min。依照本设计规定拟定采用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、导叶采用锻造件，通过静电喷塑解决，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；采用低进低出构造设计，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无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，普通用在都市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。因而本设计中选取电机功率为0.37KWSFL系列水泵电机1台。
4.2 硬件电路
五. 软件设计
5.1 控制规律选取
PID控制是持续控制系统中技术最成熟、应用最广泛控制方式。具备理论成熟，算法简朴，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等长处。
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。相应传递函数为

(1) 比例环节：成比例地反映控制系统偏差信号作用，偏差e(t)一旦产生，控制器及时产生控制作用，以减少偏差，具备迅速性，但不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数Kp增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。 
(2) 积分环节：表白控制器输出与偏差持续时间关于。只要偏差存在，控制就要发生变化，直到系统偏差为零。积分环节重要用于消除静差，提高系统无差度。积分作用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：对偏差信号变化趋势做出反映，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一种有效初期修正信号，从而加快系统动作速度，减少调节时间。微分环节重要用来控制被调量振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改进系统动态特性。
5.2 MATLAB 仿真
5.2.1 传递函数拟定
用MATLAB中Simulink仿真该控制系统，调节PID参数。由于用Simulink仿真需要懂得各环节传递函数，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
5.2.2 采用数字PID控制系统框图
由于采用PLC控制，因此采用离散PID控制。框图如下图所示
图4 仿真框图
5.2.3 参数整定
应用扩充临界比例度法整定参数，该仿真数字PID表达式为
先令I=0，D=0，采样周期取较小值即 Ts=0.001，调节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
相应当仿真模块：
P=0.54，I=1/Ti，D=Td=0.086
然后依照实际响应曲线调节参数为：
P=1.98 ，I=0.21，D=1.1，Ts=0.54
相应Kp=1.98s，Ti=4.76s，Td=0.54
相应单位阶跃响应曲线为
图6 抱负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。
5.3 程序编写
5.3.1 PLC寄存器分派
表1 PLC 寄存器分派

5.3.2 程序流程图

图7 主程序流程图 图8 子程序流程图
5.3.3 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
本文设计基于PLC流量控制系统重要实现是对工业或生活用水流量控制，该系统用电磁流量传感变送单元测量将原则流量信号送至模仿量输入模块，然后送入CUP与给定值进行比较，将差值进行PID运算，成果通过模仿量输出模块送至变频器控制水泵转速调节流量。该系统实现了基本功能，由于时间及设备限制，没能进行设备组装和调试，只是运用了MATLAB进行PID参数整定，仿真出了阶跃响应曲线。此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理解，使我对所学理论知识有了更深理解，也锻炼了我动手能力和团队合伙能力。这些收获是在课堂上学不到，是人生中一笔财富。
七. 参照文献
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控制泵供水系统仿真实验》