基于PLC的流量控制系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1.1.1 目錄專心-專注-專業(yè)設計題目：智能化流量控制系統(tǒng)設計一. 設計任務1、 系統(tǒng)構(gòu)成：系統(tǒng)主要由流量傳感器，PLC控制系統(tǒng)、對象、執(zhí)行器（查找資料自己選擇）等組成。傳感器、對象、控制器、執(zhí)行器可查找資料自行選擇，控制器選擇PLC為控制器。PLC類型自選。2、寫出流量測量與控制過程，繪制流量控制系統(tǒng)組成框圖。3、系統(tǒng)硬件電路設計自選。4、編制流量測量控制程序：軟件采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設計，由流量采集程序、流量校準程序、流量控制程序等部分組成二. 前言本課程設計來源于工業(yè)工程中對于流量的監(jiān)測和控制過程，其目的是利用PLC來實現(xiàn)過程自動控制。目前，PLC使用范圍可覆蓋

2、從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制，應用領域極為廣泛，涉及到所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領域。PLC通過模擬量I/O模塊和A/D、D/A模塊實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，并對模擬量進行閉環(huán)控制。三. 系統(tǒng)控制方案設計圖1 控制系統(tǒng)的工藝流程圖如圖1所示為該控制系統(tǒng)的工藝流程圖，該控制系統(tǒng)主要是控制流過管道水的流量，由于系統(tǒng)對控制要求不高，故系統(tǒng)采用單回路控制，被控對象為水的流量，控制量為水泵電機的轉(zhuǎn)速，控制器選用PLC和變頻器,傳感變送器選用電磁流量傳感變送器，執(zhí)行器選用水泵。根據(jù)工藝流程圖畫出系統(tǒng)框圖如下圖2所示圖2 系統(tǒng)框圖從圖2中可看出，系統(tǒng)可分為：控制機構(gòu)、信號檢

3、測變送機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)三大部分，具體為： (l)控制機構(gòu)：本系統(tǒng)的控制機構(gòu)包括控制器(PLC)和變頻器兩個部分。控制器是整個流量控制系統(tǒng)的核心?？刂破髦苯訉ο到y(tǒng)中的流量信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵電機)進行控制；變頻器是對水泵電機進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤控制器送來的控制信號改變水泵電機的轉(zhuǎn)速控制(2) 信號檢測變送機構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管道水流量信號，其中水流量信號是本控制系統(tǒng)的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進行A/D轉(zhuǎn)換。&#

4、160;(3) 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一個水泵電機組成，它用于將水供入管道，通過變頻器改變電機的轉(zhuǎn)速，以達到控制管道水流量的目的。  流量控制系統(tǒng)以供水出口管道水流量為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口管道的實際流量跟隨設定的水流量。設定的水流量可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。水流量控制系統(tǒng)通過安裝在管道上的流量變送器實時地測量參考點的水流量，檢測管道出水流量，并將其轉(zhuǎn)換為420mA的電信號，此檢測信號是實現(xiàn)水流量恒定的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID運

5、算，再將運算后的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，進而控制管道中的水流量，實現(xiàn)水流量恒定。四. 系統(tǒng)硬件設計4.1 設備的選型4.1.1 控制器的選型由于PLC控制器具有抗干擾能力強，擴展模塊組合方便、編程簡單等優(yōu)點，該控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器。由于水流量自動控制系統(tǒng)控制設備相對較少因此，我們選用Siemens S7-200系列PLC，該系列PLC結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，并考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預留量，因此，CPU選用Siemens CPU

6、 224，其開關(guān)量輸出為10點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入為14點，輸入形式為+24V直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要選擇擴展模塊，模擬量擴展模塊選用Siemens EM 235，該模塊有4個模擬量輸入通道，1個模擬量輸出通道。4.1.2 變頻器的選型由于本設計中PLC選擇的是Siemens S7-200型號，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇Siemens MicroMaster440變頻器。它是用于三相交流電動機調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和很強的功能。MicroM

7、aster440變頻器的輸出功率為0.7590KW，適用于要求高、功率大場合，恰好其輸出信號能作為75KW的水泵電機的輸入信號。另外該變頻器可以通過RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設備之間的通信。4.1.3 流量傳感器變送器的選型流量變送器用于檢測管道中的水流量，常裝設在泵站的出水口，流量傳感器和流量轉(zhuǎn)換器是將水管中的水流量變化轉(zhuǎn)變?yōu)?20mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用420mA輸出流量轉(zhuǎn)換器。 根據(jù)以上的分析，本設計中選用電磁流量傳感器SHLDG、電磁流量轉(zhuǎn)換器SHLDZ1實現(xiàn)流量的

8、檢測、顯示和變送。流量表測量范圍00.6m3/h，精度1.0；轉(zhuǎn)換器輸出420mA電流信號，送給與CPU224連接模擬量模塊EM235，作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號。4.1.4 執(zhí)行器的選型水泵電機的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使電機常處于高效區(qū)運行，則所選用的電機必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設計的要求為：電機額定功率0.37KW,額定轉(zhuǎn)速為2800r/min。根據(jù)本設計要求確定采用1臺SFL型水泵電機（電機功率0.37KW）。SFL型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5

9、%以上；采用低噪音電機，機械密封，前端配有泄壓保護裝置，噪聲更低(室外噪音60分貝)、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進低出的結(jié)構(gòu)設計，水力模型先進，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。因此本設計中選擇電機功率為0.37KW的SFL系列水泵電機1臺。4.2 硬件電路五. 軟件設計5.1 控制規(guī)律的選擇PID控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點。本控制系統(tǒng)采用PID控制規(guī)律。PID控制規(guī)

10、律如下yt=kpt+1Titt+Tdtt式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。相應的傳遞函數(shù)為Gs=UzEz=kp1+1TiS+TdS(1) 比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差e(t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差，具有快速性，但不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)Kp的增大而減少，比例系數(shù)過大將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 (2) 積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關(guān)。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大

11、，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強，易引起系統(tǒng)振蕩。 (3) 微分環(huán)節(jié)：對偏差信號的變化趨勢做出反應，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。5.2 MATLAB 仿真5.2.1 傳遞函數(shù)的確定用MATLAB中的Simulink仿真該控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)PID參數(shù)。由于用Simulink仿真需要知道各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，經(jīng)查資料，找到變頻器，水泵電機，管道傳遞函數(shù)近似分別為：50.5s+1， 0.30.4s+1 ， -s+110

12、s+1。傳感器傳遞函數(shù)為1。當不加任何控制器時，系統(tǒng)的單位階躍響應曲線如下圖3所示：圖3 系統(tǒng)單位階躍響應曲線5.2.2 采用數(shù)字PID控制的系統(tǒng)框圖由于采用PLC控制，所以采用離散PID控制?？驁D如下圖所示圖4 仿真框圖5.2.3 參數(shù)整定應用擴充臨界比例度法整定參數(shù)，該仿真數(shù)字PID的表達式為先令I=0，D=0，采樣周期取較小的值即Ts=0.001，調(diào)整P，使階躍響應曲線等幅震蕩，得出，當P=5.83時，響應曲線等幅震蕩，響應曲線如下圖所示圖5 等幅震蕩曲線求得振蕩周期Tk=6取控制精度為1.50，查表計算得T=0.09*6=0.54s， Ti= 0.43*6=2.4Td=0.2*0.43

13、=0.086對應該仿真模塊：P=0.54，I=1/Ti，D=Td=0.086然后根據(jù)實際響應曲線調(diào)整參數(shù)為：P=1.98 ，I=0.21，D=1.1，Ts=0.54對應Kp=1.98s，Ti=4.76s，Td=0.54對應單位階躍響應曲線為圖6 理想?yún)?shù)單位階躍響應曲線響應超調(diào)量為1.51%，3%誤差帶調(diào)節(jié)時間5.4s，調(diào)節(jié)質(zhì)量較好。5.3 程序編寫5.3.1 PLC寄存器分配表1 PLC 寄存器分配 5.3.2 程序流程圖 圖7 主程序流程圖 圖8 子程序流程圖5.3.3 源程序源程序如下圖所示：1、主程序2）、初始化子程序六. 結(jié)束語本文設計的基于PLC的流量控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的是對工業(yè)或生活用水流量的控制，該系統(tǒng)用電磁流量傳感變送單元測量將標準流量信號送至模擬量輸入模塊，然后送入CUP與給定值進行比較，將差值進行PID運算，結(jié)果通過模擬量輸出模塊送至變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量。該系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的功能，由于時間及設備的限制，沒能進行設備的組裝和調(diào)試，只是利用了MATLAB進行PID參數(shù)的整定，仿真出了階躍響應曲線。另外該系統(tǒng)還缺少個上位機來對控制過程參數(shù)進行設定以及對控制過程進行監(jiān)