基于PLC的流量比值控制系统设计 - 图文

石家庄铁道大学四方学院毕业设计

基于PLC的流量比值控制系统设计

The Design of Ratio Control System Based on

PLC

2014

届 电气工程 系

专 业 自动化 学 号 20107493 学生姓名 张 赛 指导老师 安 树

完成日期 2014年5月20日

毕业设计成绩单

学生姓名 张赛 学号 20107493 班级 方1053-2 专业 自动化 毕业设计题目 基于PLC的流量比值控制系统设计 指导教师姓名 安树 指导教师职称 讲师 评 定 成 绩 指导教师 评阅人 答辩小组组长 成绩： 院长(主任) 签字： 年 月 日 得分 得分 得分

毕业设计任务书

题 目 学生姓名 承担指导任务单位 张赛 基于PLC的流量比值控制系统设计 学号 20107493 班级 电气工程系 导师 姓名 方1053-2 安树 专业 导师 职称 自动化 讲师 一、主要内容 按照控制要求，设计一个具有较美观的组态画面和较完善组态控制程序的流量比值控制系统。 二、基本要求 1. 了解PID的基本原理。 2. 熟悉掌握组态王6.52软件。 3. 了解用PLC编程的思想，并能够画组态界面。 4. 系统综合调试。 三、主要技术指标(或研究方法) 通过PID参数的整定，使系统满足较快较稳的性能要求。 四、应收集的资料及参考文献 [1] 徐国林. PLC应用技术. 北京械工业出版社. 2011. [2] 胡寿松. 动控制原理. 北京国科学出版社. 2005. [3] 曹立学. 基于组态软件的计算机液位串机控制系统设计 [J]. 控制计算机. 2009. [4] 郁汉琪. 电气控制与可编程序控制器应用技术. 南京东南大学出版社. 2010. [5] 刘爱华. 传感器原理与应用技术. 北京民邮电出版社. 2010. 五、进度计划 第1-3周： 调研、收集材料、完成开题报告。 第4-5周： 分析、确定方案。 第6-7周： 设计、计算、绘图。 第8周： 中期检查。 第9-12周： 撰写论文。 第13-14周：论文审核定稿。 第15-16周：答辩。 教研室主任签字 时 间 年 月 日

毕业设计开题报告

题 目 学生姓名 张赛 学号 基于PLC的流量比值控制系统设计 20107493 班级 方1053-2 专业 自动化 一、研究背景 在现代工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料流量保持一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，造成污染，甚至产生生产事故。所以在科技发达的社会，合理分配资源，实现可持续发展，研究实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统是非常有必要的，这项研究对工业的的发展有很大帮助。 在当前信息时代下，PLC更多的具备了计算机功能，不但实现了逻辑控制，同时具备通信、数据处理以及网络等多种功能。此外，由于PLC自身体积较小，便于维护和组装，同时在编程上比较简单，有很高的可靠性高和极强的抗干扰能力，这些优点使得PLC受到了工业的广泛青睐，得到了普遍的应用。PLC技术的快速发展为工业生产带来了巨大的便利，PLC技术以其独特的优势，在工业生产当中有广阔的应用前景。 二、国内外研究现状 在可编程序问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域占主导地位。但是随着科技的进步和社会的发展，继电器接触控制已经不能满足社会的需要，另外继电器的缺点例如：工作频率低，寿命短，容易造成系统故障等等，在社会上造成了时间和资金的浪费。美国数字设备公司于1969年研制出世界上的第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，并取得了成功。其后许多国家相继引进并发展这项技术，可编程控制器由此发展起来。经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。国外PLC的发展已经进入第四代，产品更新换代也愈来越快，智能化也越来越明显，应用于各个制造行业，成为推动经济的重要力量，同时国外对于PLC的各种应用也在大大研究力度。 目前，虽然我国在PLC生产方面非常弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每应用的行业也很广。国内的PLC市场主要是被国外产品占领，但是国内也有自己的品牌如和利时、德维森、安控等等。由于我国工业自动化程度低，PLC产品有很大的应用空间，随着着国内技术的发展与更新，PLC技术在很多领域都有应用如钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 三、研究方案 本次的课题是基于PLC的流量比值控制系统设计。主要是通过PLC技术对流量进行比值的控制。要求副流量根据主流量的变化而变化。首先要画出系统控制图的简略图，再根据课题要实现的功能进行改进。该系统要有两个控制回路，这两个回路通过比值器进行连接，来达到主流量对副流量的控制。系统要用到两个PID调节环节，两个调节阀还有检测环节。 四、预期达到的结果 在流量比值控制系统，运用PLC技术对其进行控制检测，可以轻松的实现副流量随主流量的变化而变化，而且可以克服副流量本身的干扰对比值的影响，使得主副流量的比值较为精确。同时要注意温度、压力等条件的控制。只要缓慢改变主流量控制器给定值，可以提降主流量，副流量会自动跟踪变化，两种比值不变。同时要注意温度、压力等条件的控制。 指导教师签字

时 间 年 月 日

摘 要

流量比值控制系统的设计，主要是用PLC控制液体的比例，以便提高工业的智能化，通过流量比值控制可以使得工业上液体的混合准确，能够更好地控制液体的比例，节约资源。

本设计采用PLC为核心对液体流量进行控制，通过合理的设计，提高流量控制水平，进而改善流量运行的稳定性，使其更加精确。本文主要介绍了流量的比值控制系统总体方案设计、设计过程、组成、列出流量控制的流程图，并给出了系统组成框图，分析流量逻辑关系，提出了编程方法。通过A/D采集模块接收流量计传感器的数据，对采集的相应数据进行处理分析并发出指令，该设计采用PID控制方法，通过PID控制的参数设定及自整定。根据PI调节的输出与输入的偏差成正比，还与偏差对时间的积分成正比，消除了控制过程中产生的静差。

本设计实现了流量双闭环调节的精确控制，这种控制方法对流量的调节具有较好的稳定性和动态特性。

关键词：流量 PLC 比值 PID

Abstract

The design of flow ratio control system, PLC is mainly used to control the ratio of liquid, in order to improve the intelligence industry, through flow ratio control can make industrial liquid mixing accurate, better able to control liquid ratio, save resources.

This design uses PLC as the core of the liquid flow control, through reasonable design, improve the flow of control level, thereby improving the flow stability of running, making them more precise. This paper mainly introduces the flow ratio control system scheme design, design process, composition, list the flow chart flow control, and gives the block diagram of the system, analyzes the flow of logic relation, put fortthe programming method. Receiving flow meter sensor through the A/D acquisition module data, the corresponding data processing analysis and instruction, the design adoptPID control method, setting and tuning the parameters of PID control. According to thedeviation of output and input is proportional to the PI regulation, also with the deviation on time is proportional to the integral, and eliminates the static error generated in the control process.

This design realizes the accurate control of flow of double closed loop regulation, this control method has better stability and dynamic characteristics of flow regulation.

Key words：Flow PLC Ratio PID

目 录

第1章 绪论 ··········································································································································· 1 1.1 课题研究的目的意义 ··················································································································· 1 1.2 国内外研究现状 ··························································································································· 1 1.3 论文研究内容 ······························································································································· 2 第2章 系统控制方案设计···················································································································· 3 2.1 系统整体方案的设计 ··················································································································· 3 2.1.1 方案论证 ······························································································································· 3 2.1.2 方案选择 ······························································································································· 4 2.1.3 双闭环比值控制系统的结构 ································································································ 4 2.2 双闭环比值控制系统的特点与分析 ··························································································· 5 2.3 控制方案的比较和确定 ··············································································································· 6 2.4 流量比值控制系统的组成及原理图 ··························································································· 6 2.5 流量比值系统控制流程 ··············································································································· 8 第3章 系统的硬件设计························································································································ 9 3.1 PLC的基本知识 ··························································································································· 9 3.1.1 PLC硬件介绍 ······················································································································· 9 3.1.2 编程语言 ····························································································································· 10 3.2 设备的选型 ································································································································· 10 3.2.1 PLC及其转换模块的选型 ································································································· 11 3.2.2 变频器的选型······················································································································ 13 3.2.3 水泵电机的选型 ·················································································································· 15 3.2.4 电磁流量计的选型 ·············································································································· 16 3.2.5 调节阀的选型······················································································································ 17 3.3 系统主电路分析及其设计 ········································································································· 18 第4章 系统的软件设计······················································································································ 20 4.1 流量比值控制逻辑图 ················································································································· 20 4.2 系统I/O分配 ······························································································································ 20 4.3 系统I/O接线图 ·························································································································· 21 4.4 系统控制过程 ····························································································································· 21 4.4.1 程序初始化与故障分析 ······································································································ 21 4.4.2 PID初始化及程序分析 ······································································································ 23 第5章 仿真设计 ································································································································· 25 5.1 组态王介绍 ··································································································································· 25 5.2 组态画面 ······································································································································· 25

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5.3监控画面 ······································································································································· 25 第6章 结论 ········································································································································· 28 参考文献 ················································································································································· 29 致谢 ························································································································································· 30 附录 ························································································································································· 31 附录A 外文资料 ······························································································································ 31 附录B 电路总图 ······························································································································· 42 附录C 流程图··································································································································· 43 附录D 程序 ······································································································································ 44

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的意义

在生产过程、科学研究和其他产业领域中，可编程序自动控制技术的应用都是十分广泛的，在自动控制的设备中，可编程序自动控制亦比其它的控制方法使用得更普遍。随着科学技术日新月异的发展，特别是大规模集成电路的问世和微处理机技术的应用,使可编程序自动控制技术进入了一个崭新的阶段，因此，了解和学习这些重要技术对高校工程类专业的学生来说,已是必不可少。PLC比值控制系统这个课题具有其重要的意义。

本次课程设计的目的是采用三菱系列PLC来实现过程控制系统的设计。学习使用变频器，并对其内控与外控模式运用自如；掌握PLC控制单元的使用，对三菱编程进而对整个过程进行控制；学会使用A/D、D/A转换模块，了解其工作机制，熟知模数、数模换换的接口地址通过模拟量I/O模块，并对其进行编程采集与控制；与此同时，学会使用不同的传感器件流量计、阀门等的控制欲使用。

当今，PLC的使用范围越来越广，从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用于所有与自动检测，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。可知，现在的工业生产和各领域的机械控制都是与此密切相关的，流量比值设计对于工业智能化、机械化有很大的帮助。

1.2 国内外研究现状

以可编程序控制器为主要控制装置所构成的控制系统为可编程序控制系统或PLC控制统。可编程控制器(PLC)控制系统以其运行可靠、易学易用、抗干扰性强等特点,在工业控制中得到广泛的应用。可编程控制器是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。由于它能满足设备使用环境的要求和控制的复杂、可靠性,在现代的工业控制系统中大量应用，前景非常广阔。

最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。

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目前，国外的可编程自动控制设备技术顺应时代潮流，与计算机技术同步发展，向着通用化、模块化、智能化、标准化、数字化、网络化方向迅猛发展。国内的发展从全盘引进、仿制到自行研究，取得了举世瞩目的成绩，但从整体上看，我们在技术性能、制造工艺等方面与国际先进水平还存在很大差距。众所周知，我国的生产力水平还不是很高，特别是80年代以前的国有大中型企业，出于人才和经济因素的考虑，还有很多的厂矿企业正在使用着原有的落后设备和技术。因此，改变原有的落后设备和技术，设计以可编程序器与计算机结合的自动控制系统，提高工业自动化的程度，对加速我国尽早成为现代化工业强国意义重大。

在国内的许多化工厂，水泥厂，钢厂，尤其是国有老厂，其控制系统还在使用过时的模拟控制，甚至是全人工控制。人工控制由于人员过多效益过低，生产的产品不够精确，安全隐患大增加了系统故障的可能性，还有就是工厂的试验设备和生产设备存在一定的相差度，以致影响了产品质量和生产效益。而随着产品性能的提高，对自动控制系统的要求也越来越高，传统控制已达不到系统要求。随着大规模及超大规模集成电路的发展以及计算机的出现，控制系统开始由传统控制向自动控制方向发展。

目前，虽然我国在PLC生产方面非常弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每应用的行业也很广。国内的PLC市场主要是被国外产品占领，但是国内也有自己的品牌如和利时、德维森、安控等等。由于我国工业自动化程度低，PLC产品有很大的应用空间，随着着国内技术的发展与更新，PLC技术在很多领域都有应用如钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

1.3 论文研究内容

此次设计是基于PLC的流量比值控制系统设计。主要是以PLC为核心，配合智能仪表，主要是通过PLC技术对流量进行比值的控制。要求副流量根据主流量的变化而变化。首先要画出系统控制图的简略图，再根据课题要实现的功能进行改进。该系统要有两个控制回路，这两个回路通过比值器进行连接，来达到主流量对副流量的控制。同时本设计需要用到变频器、A/D与D/A转换器及其相关的连接，I/O的连接。

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第2章 系统控制方案设计

2.1 系统整体方案的设计

2.1.1 方案论证

根据实际生产情况，比值控制系统可以选择不同的控制方案，比值控制系统的控制方案主要有开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统几种。

方案一：

单闭环控制系统原理设计的系统框图如图2-1所示。

检测/变送器1 副流量

比值器 控制器 变频器 泵 主流量 - 检测/变送器2 图2-１ 单闭环流量比值控制系统原理图

单闭环流量比值控制系统与串级控制系统相似，但功能不同。可见，系统中没有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在结构上与串级控制不同的地方，串级控制中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，而在比值控制中，副流量不会影响主流量，这是两者本质上的区别。

方案二：

在单闭环控制系统基础上，增加一个主流量闭环控制系统，单闭环比值控制系统就成为双闭环比值控制系统，其方框图如图2-2所示。

双闭环较之于单闭环而言更加复杂，选用的设备也更多，但对于实际生产，生产效率和质量十分重要，因此对系统的稳定性和精确度要求较高。双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定值控制，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料也比较

经过分析，当系统处于稳态时，比值关系是比较精确的；在动态过程中，比值关系相对而言不够精确。另外，如果主流量处于不变的状态，副流量控制系统又相当于一个定值控制系统。

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平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。

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主控制器 变频器 检测/变送器 1 比值器 泵 主流量

+ - + 副控制器 调节阀 副流量 - 2 检测/变送器

图2-2 双闭环流量比值控制系统原理图

方案二的双闭环流量比值控制系统，是在主流量也需要控制的情况下，增加一个主流量闭环控制系统构成的，由于增加了主流量闭环控制系统，主流量得以稳定，从而使得总流量能保持稳定。

双闭环比值控制系统主要应用于总流量需要经常调整的场合。如果没有这个要求，两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系，仅仅在动态过程中，比例关系不能保证。

2.1.2 方案选择

通过方案的论证可知，单闭环流量比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。而双闭环流量比值控制系统适用于主副流量扰动频繁，负荷变化较大，同时保证主、副物料总量恒定的生产过程。

该设计针对控制对象，主流量和副流量都是液体，实际生产中，两种液体可能会发生一些变化，因而可能造成扰动频繁，并且属于负荷变化较大。

经过分析，选择方案二的双闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统更为合适。

2.1.3 双闭环比值控制系统的结构

在现代工业生产过程中，经常遇到生产工艺要求两种或多种物料流量成一定比例关系的问题，一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，

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消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。如硝酸生产中的氨氧化炉，其进料是氨气和空气，两者的流量必须具有一个合适的比例，因为氨在空气中的含量，低温时在15~28％之间，高温时在14~30％之间都有可能产生爆炸的危险，严格控制其比例，使其不进入爆炸范围，对于安全生产来说十分重要。比值控制系统在实际生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，精确地输出，更能实现自动化控制，是过程控制系统的一个典型，在石化、制药等生产过程中，经常要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统，均称为比值控制系统。

本设计被控对象为电动阀支路的流量和变频器－水泵支路的流量，每个支路上分别装有流量传感器对支路的流量进行测量，变频器-水泵支路的流量是系统的主动量Q1，电动阀支路的流量是系统的从动量Q2。要求从动量Q2能跟随主动量Q1的变化而变化，而且两者间保持一个定值的比例关系，即Q2/Q1＝K，同时要求保证主动量与从动量保持总量恒定。

双闭环比值控制系统的结构图，如图2-3。

比值器 主控制器 变频器 泵 主流量

+ - 检测/变送器1 + 副控制器 调节阀 副流量 - 检测/变送器2 图2-3 双闭环比值控制系统的结构图

2.2 双闭环比值控制系统的特点与分析

双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定值控制，使从动量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。

双闭环比值控制系统另一优点是升降负荷比较方便，只需缓慢改变主动量控制的给定值，这样从动量自动跟踪升降，并保持原来比值不变。

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双闭环比值控制系统中的两个控制回路是通过比值器发生联系的，若除去比值器，则为两个独立的单回路系统。事实上，若采用两个独立的单回路系统同样能实现它们之间的比值关系，但只能保证静态比值关系。当需要实现动态壁纸关系时，比值器就不能省。

双闭环比值控制所用设备较多、投资较高，而且运行投入比较麻烦，只有在工业特定要求(如严格控制两种物料比例)的情况下使用。

2.3 控制方案的比较和确定

流量控制系统主要有流量变送器、变频器、恒流控制单元、调节阀、电动机组成。系统主要的任务是利用恒流控制单元使变频器控制一台电动机，实现管道流量的比值，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I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存储器中的控制程序，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。

2.4 流量比值控制系统的组成及原理图

基于PLC的流量控制系统主要有变频器、可编程控制器、流量变送器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2-4所示：

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主流量

主控制器 变频器 泵 + - 检测/变送器1 比值器 + 副控制器 调节阀 副流量 - 检测/变送器2

图2-4 流量控制系统流程图

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：

(1)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。

流量比值控制系统以管道主流量为控制目标，在控制上实现出口管道的实际流量跟随设定的流量给定值。设定的主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。

流量比值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液体流量，检测管道所流液体流量，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

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抛物线特性三种。调节阀适用于空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品等介质。英文名：control valve，位号通常FV开头。调节阀常用分类：气动调节阀，电动调节阀，液动调节阀，自力式调节阀。

调节阀用于调节介质的流量大小。根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成。调节阀通常分为直通单座式调节阀和直通双座式调节阀两种，后者具有流通能力大、不平衡办小和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合。

在此设计中要通过PLC给予模拟量输出给调节阀来控制副流量的流速。通过对比此设计的用途，选择了ZDLN电动双座调节阀 ，由3810L型(或PSL系列)直行程电子式电动执行机构和直通双座阀组成。内含饲服功能，接受统一的4-20mA或1-5VDC的标准信号，将电流信号转变成相对应的直线位移，自动地控制调节阀开度，达到对管道内流体的压力、流量、温度、液位等工艺参数的连续调节。具有动作灵敏、连线简单、流量大、体积小、调节精度高等特点。控制精度和性能比 DKZ 型有明显提高。双座阀不平衡力小、允许压差大、流通能力大等特点，适用于泄漏要求不严、压差较大的干净介质场合。广泛应用于电力、冶金、化工、石油、环保、轻工、设备等行业。

综上所述，所选器件型号如下表3-2所示。

表3-2 本系统主要硬件设备清单

主要设备 可编程控制器(PLC)

模拟量转换模块

变频器 水泵电机 电磁流量计 电磁阀

型号

FX2N-16MR

FX2N-4AD//FX2N-2DA

MM440(西门子) SFL-28(3KW) LDG-DN25

ZDLN电动双座调节阀

3.3 系统主电路分析及其设计

基于PLC的水流量控制系统电路图见附录B所示：水泵电机为M1；QS1为变频器主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。

本系统采用单泵变频运行方式，即1台水泵在变频器控制下作变速运行。 主电源开关QF1通过熔断器FU，接到断路器QF2，QF2的输出接变频器，给变频器供电。

变频器的输出接过载保护FR1，FR1接到泵电机，控制M1。

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PLC的输出Y0(KA1，KA1是继电器)，当Y0输出是1的时候，KA1线圈得电，KA1常开触点闭合，变频器启动。

系统实现水流量恒定的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用三菱公司FX2N系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。

PLC主要是用于实现水流量系统的自动控制，要完成以下功能：自动控制水泵电机的投入运行，控制水流量恒定在给定值，系统要能显示运行状况。

控制要求：根据系统控制原理，由变频器、水泵电机、流量转换器和PLC模拟量模块组成闭环系统。给定值由计算机设定，过程变量由流量变送器输出到模拟量模块输入1口中，输出变量由模拟量模块电流输出口送到变频器电压调节口，从而带动电机运行，最后使管道流量恒定。

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第4章 系统的软件设计

4.1 流量比值控制逻辑图

本次设计是基于三菱的程序设计主要包含了模数、数模转换模块、PID调节模块几部分，其实现过程流程图见附录C所示。

4.2 系统I/O分配

PLC控制程序采用三菱提供的GX-Developer编程软件。该软件的编程语言包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FBD)语言。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受。功能块图(FBD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式相同。

PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI 电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。

由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可分为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。

根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表4-1、4-2所示。

表4-1 输入点代码及地址编号

输入信号名称 启动按钮

停止按钮 急停按钮 过载按钮 故障复位按钮

地址编号 X0 X1 X2 X3 X5

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石家庄铁道大学四方学院毕业设计 表4-2 输出点代码及地址编号

输出信号名称 变频器启动 调节阀启动 运行指示灯 故障指示灯 阀门2

流量1高报警灯 流量计2高报警灯

地址编号 Y0 Y1 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7

4.3 系统I/O接线图

结合系统控制原理和PLC的I/O端口分配表4-1、4-2，画出PLC及扩展模块外围接线图，如图4-1所示：

图4-1 PLC外围接线图

4.4 系统控制过程

4.4.1 程序初始化与故障分析

程序初始化一个程序基本的编程方式。一般会先将PLC进行初始化，设置基本参数，保证可以与其他设备正常通讯，然后才开始撰写实际的控制程序。在此设计初始化程序中用到了特殊辅助继电器M8000和M8002。M8000起运行监视的作用。当PLC执行用户程序时，M8000为ON，停止监视时，M8000为OFF；M8002为初始

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化脉冲，仅在可编程控制器运行开始的瞬间接通一个扫描周期，M8002的常开触点常用于某些元件的复位和清零，也可作为启动条件。以下为系统初始化程序：

图4-2 初始化程序

在程序设计中，要考虑到系统运行过程中的一些突发问题，必须要有正确的控制：故障控制开关，急停控制开关，故障复位控制开关。以下为故障控制程序：

图4-3 故障控制程序

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4.4.2 PID初始化及程序分析

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例(P)控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

积分(I)控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。

微分(D)控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。

以下为PID初始化程序，M33是将程序指定到PID初始化部分。

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图4-4 PID初始化

在PID调节中，程序固然重要，但是程序里的PID参数更重要，没有PID参数就不可能准确的实现该有的功能。在PID调节中主要有比例环节，积分环节，微分环节，在此设计中只是用到了比例环节与积分环节。此次设计主要就是实现比例控制，所以比例环节是必不可少的，而积分调节的作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差。

PID参数主要是：采样时间17秒、PID滤波常数80%、比例增益Kp=70、积分时间Ti=100、微分增益与微分时间为0。

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第5章 仿真设计

5.1 组态王介绍

组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作设计及工厂资源管理于一体。将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集一起，实现最优化管理。采用组态王软件开发工业监控工程，可极大地增强生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原料损耗。

本设计是以水泵、电动阀流量计变频器为主的控制回路，用于对流量的比值控制。将本设计基于组态王，可以实现流量的动态控制，更好的好的了解流量比值的实现。

5.2 组态画面

(1) 建立新画面

单击工程浏览器左侧的“画面”图标，双击工作区“新建”图标，弹出“新画面”对话框，输入名称点击确定进入组态王的开发系统。

(2) 制作动态监控画面

利用工具箱中各画图工具绘制监控系统界面，然后进行动画连接。 (3) 编写控制流程程序

双击工程浏览器左边窗口“\\文件\\命令语言\\应用程序命令语言”进行编程。 (4) 按钮、指示灯组态

设定按钮或文字链接的对象，按钮既可以用来执行某些命令，还可以输入数据给某些变量，当和外部的一些智能仪表、PLC等进行连接时，会大大增加其数据传输的简洁性；指示灯组态后用于显示系统的工作状态。

5.3监控画面

本设计共有三个画面：开机画面、主界面。

开机画面如图5-1，当我们启动系统后，我们进入开机画面，其中上面有系统的名字是流量比值控制系统，另外还有两个按钮，它们的功能分别是：进入主界面和退出系统。

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主界面如图5-2，在主界面中有三个反应器，它们在本设计中只是作为容器，装A、B、AB混合液体，所以在本设计中没有设置动画连接，因为本设计主要考虑的是流量比值控制。

下图为系统的组态画面：

图5-1 开机动画

图5-2 主界面动画

在主界面中还有两个电动调节阀和两个电磁流量计，两个电动调节阀分别是控制A、B液体的流量，两个电磁流量计分别是测量A、B液体的流量值。当我们启动系统后进入主界面我们首先在手动状态下(手动指示为蓝色)设置A液体的电动调节阀

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的开度，使A液体得流量稳定，然后设置Kp、Ti、Td、Kc，设置这五个参数后，按下按钮后进入自动环节，系统按设定好的PID算法得到输出，使A液体的流量与B液体的流量成设定的比例并稳定于此。

期间画面也能显示出电动调节阀的开度、流量值，并且管道也能模拟液体的流动。并且在主界面中也能直接观察实时曲线，查看系统的稳定情况。当我们要观察历史的曲线时，我们可以单击历史曲线按钮，进入历史曲线界面。单击退出按钮直接退出系统。

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基于PLC的控制系统在污水处理中的应用

介绍了以PLC为核心的分布式控制系统在污水处理系统中的应用。具体叙述了控制系统的结构、任务分配及实现、控制方式和程序设计思想.控制系统采用集中监测管理、分散控制的方式，上位机负责现场设备的远程控制和监视，软件采用Intouch7. 0编制。PLC本地站负责对具体的工艺、设备、主要被控参数进行控制及采集各种运行数据，程序设计采用具有在线跟踪和离线仿真功能的Concept 2. 2XL软件。上位机与PLC之间采用组网简单、运行速度快、通信稳定性强的MB+网 。整个控制系统成功地解决了PLC在污水处理中的自动化控制问题，提高了污水处理设备运行效率和管理水平。

近年来，为了实现高质量、低消耗、稳定可靠的运行。国内外许多污水处理厂采用了现代先进控制技术和计算机技术，从而构成计算机监督、控制、管理系统.使系统优化运行。而可编程逻辑控制器(PLC)则是以微处理器为核心。综合了计算机技术自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵话通用、易于编程、使用方便等优点等。银川市第一污水处理厂采用了SBR工艺及以PLC为核心的控制系统，日处理污水10 x 104 t处理后的达标污水可用于农业灌溉。 1控制系统结构

控制系统采用“集中监测管理，分散控制”的方式。模拟屏、上位机、集线器、打印机位于中控室，二台PLC位于控制现场。采用这种结构可使生产过程中的信息能够集中管理，以实现整体操作、管理和优化。同时，也使得控制危险分散，提高系统可靠性。 1.1上位机

中控室的两台上位计算机采用PII级工控机，运行Windows NT操作系统。上位机负责现场设各的远程控制(全自动控制、自动控制、点动控制)和监视，利用Intouch7. 0工程软件包提供良好的人机对话界而，以查询方式从PLC获取有关参数和设备状态信息，以棒图形式在CRT上直观显示出来，同时打印必要的数据，供主控及管理人员指导生产。监控界而包括系统总图、系统分图、模拟量一览表、参数设置、报警窗、历史趋势、登录窗等界而.在系统总图里，运行人员能够监视所有控制设备的运行状态、设备事故及液位、流量等信号.在系统分图里，操作人员能够对所有控制设备进行单机点动运行操作、成组自动运行操作或全厂全自动操作并监视。同

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时上位机2兼做编程器.中控室另设置一个镶嵌式模拟屏，由上位机1控制，用以直观显示全厂工艺流程及主要参数值。 1.2PLC站

根据污水处理的二部分，现场设备的远程控制输出和现场信号采集由二个PLC木地控制站完成。PLC1本地控制站控制格栅、污水提升泵房、曝气沉砂池等预处理部分。PLC2本地控制站控制污泥脱水、压滤机等部。PLC3本地控制站控制SBR生物处理部分.另外，在现场本地控制站各设1台操作终端设各，负责在本地对现场设各的控制(自动控制、点动控制)。

现场各个监控点的物理参数，包括水位、温度、流量、转速、电流等模拟量，由对应的一次仪表传感器或变送器检测出来并转变为4～20 mA电流信号，经屏蔽电缆送到各个子系统的PLC内，由PLC通过各种模块接口采样电信号。同样，模拟量控制信号由PLC输出后以4～20mA电流形式送到执行机构，控制执行机构的动作。 施耐德公司的Modicon Quantum系列PLC为满足开放的、基于标准的网络连接和现场总线连接等应用技术提供了多种网络选择，支持Modbus,Mod-bus Plus（MB+），远程I/0, TCP/IP等网络连接，具有较强的灵活性。因此，污水处理中用到的PLC选用施耐德的Modicon Quantum系列。 1.3通信

MB+协议是Modicon公司推出的一个开放式的采用IEEE802. 4令牌协议的现场总线通信5协议。MB+网络同其他网络相比具有组网简单、投资少、网络速度快、通信稳定性强等特点，它使计算机、控制器和其他数据源通过使用双绞线或光缆在整个网络上作为同位体进行通信。而Modicon Quantum系列PLC的CPU模块含有MB+通信口，因此，通信网络选用MB+网络.中控室的两台上位机、二个PLC本地控制站通过MB+网络连接在一起。PLC的CPU模块通过MB+通信口与两台上位机进行数据交换，采集上位监控系统的各种操作指令及现场检测信号和数据，经过分析处理，通过输出模块向控制对象输出控制信号；同时，PLC通过MB+网向上位机返回各种数据，上位机对数据进行运算处理，显示各种信号和打印各种报表。 2 PLC控制程序设计

系统有四种控制方式：本地手动控制，单一台设备点动控制，成组设备自动控制，全厂设备全自动控制。前二种方式一般只在设各调试或维修时使用，系统主要以全自动控制方式运行。在这种方式下，所有各类设备都由PLC按照预先编制的程序自动控制，不需要操作人员干预.各种现场数据通过PLC传至上位机，在上位机上描绘出来，使全厂的工艺、设备运行得到全面的控制。

PLC3站控制的生物处理部分是整个污水处理的关键部分，限于篇幅，仅以

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PLC3站的程序设计为例。 2.1控制过程

PLC3站用来控制从污水进入曝气池到处理后的污水流出曝气池的整个过程。在这个过程中，包括控制各种阀、泵、风机的顺序及定时开关和风机的转速调节等。曝气池是污水处理的核心构筑物，污水在池中是通过微生物的生物氧化作用来去除有机物的，水中氧的含量对污水的处理效果是至关重要的。根据SBR工艺要求，曝气池内的溶解氧含量通常控制在1～3 mg/L范围内，在曝气阶段末溶解氧含量应不超过2 mg/L.含氧量过低或过高，均会影响出水质量。对日处理10 x 104 t的4组8池模式的SBR反应池，每组反应池配一台由变频器控制的风机，用于向两个曝气池轮流曝气供氧。在每个曝气池的不同地点设4块溶解氧测试仪，测量池中污水的含氧量，PLC每隔5 min检测一次曝气池内的溶解氧值，根据溶解氧的平均值来控制风机转速。若溶解氧低于设定下限时，调频风机转速增加5 % ；若溶解氧高于设定上限时，调频风机转速降低5 %.这样，就实现了曝气池供氧量的自动调节，既避免了不必要的能源损失，又优化了运行工艺。 2.2PLC程序设计

采用的编程软件是Concept 2. 2XL。Concept是基于Windows下的PLC编程工具，具有良好的用户界面，并具有在线跟踪及离线仿真功能。PLC3站的控制程序分为五个程序模块。

(l)公用程序模块——包括初始化部分、时分秒等时问脉冲单元、SBR反应周期设定、溶解氧设定等。

(2)开关量顺序控制模块——协调控制各个阀、泵、风机等设备的运行及相关故障的报警。SBR池的进气阀、进水阀、回流泵、剩余污泥泵由PLC根据污水处理周期的工艺时间段控制，出水阀由PLC根据工艺时间和超声液位仪的测量值来控制。 (3)断电保护模块——系统断电后，PLC将所有状态锁存，待加电后使PLC恢复所保持的状态继续运行。

(4)通信模块——用来完成PLC与上位机的各种数据传送。

(5)溶解氧值自动调节模块——根据溶解氧值调节风机转速以及相关故障的报警。调节转速的目标是在整个曝气周期中，保证溶解氧的值为2 mg/L.采用的控制策略如下：曝气周期开始，风机以全速运行，以使溶解氧在较短的时问内达到2 mg/L，同时以5 min为周期检测溶解氧值。当溶解氧值大于2mg/L时，风机转速下降5 %；当溶解氧值小于2 mg/L时，风机转速上升5%.如果风机转速升到允许的最高转速时，溶解氧值还小于2mg/L，则维持最高转速。这种情况有可能在曝气周期的末期出现，但并不会明显地影响污水处理质量。

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在曝气的整个周期内，随时监控变频器的输出电流值，使其不超过变频器的额定值。如遇到意外情况使输出电流超过额定值时，立即降低风机转速。如果风机转速降到允许的最低转速时，输出电流还超过额定值，则停风机，同时发出报警信号。 随着自动控制技术的发展，UNITANK工艺越来越得到广泛应用。目前以经验为主，以DO、时间、流量作为工艺控制参数，来调整曝气机的运行及排泥时间等，缺乏准确的数学模型来实现SBR法的更高层次的自动控制。有人曾提出以COD或DO为参数的模糊控制的思想。今后SBR法的自动控制的研究方向主要是寻找多个控制参数，既能反映进水的水质水量变化及反应过程中的降解情况，又能作为计算机控制参数。

PLC集顺序控制和过程控制于一体，具有可靠性高，使用方便、灵活，组网简单的特点，是实现中小规模工业自动化的有力工具。在污水处理中，基于PLC的控制系统在实时性、可靠性、精确性等力一而满足了设计要求，保证了污水处理的顺利进行。

由于Internet的快速发展，希望能够通过Internet来访问污水处理厂的自控系统，只需要输入用户名和密码便可实现远程的Internet来对全厂的设备进行控制。同时通过Internet将污水处理厂的污水数据输送到国家环保总局或者市环保局，以便卜级部门对污水处理厂的管理。

源于：http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/b887f801e87101f69e3195cd.html

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附录B 电路总图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sc65.html