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1、毕业设计（论文）报告题 目 基于PLC的流量控制系 别 中德机电学院 专 业 电气自动化技术 班 级 0901 学生姓名 * 学 号 100091635 指导教师 * 2012年 4 月基于PLC的流量控制摘要：本设计采用S7-200PLC为核心对液体流量进行控制。随着自动控制技术的迅速发展，PLC对流量的控制技术应用越来越广泛。本文采用PLC对流量进行控制，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PLC控制系统总体方案设计、设计过程、组成、列出流量的梯形图，并给出了系统组成框图，分析流量逻辑关系，提出PLC的编程方法。能够给一些初学者点建
2、议，能够对流量的基本原理、基本编程思路有大致的了解。关键词：流量，PLC，控制PLC based flow controlAbstract：This design uses the S7-200PLC as the core of the liquid flow control. With the rapid development of automatic control technology, PLC flow control technology is applied more and more widely. This paper used PLC to flow control, t
3、hrough reasonable design, improve the flow of control level, thereby improving the flow stability of running, making them more precise. This article mainly introduced the flow of PLC control system design, design process, composition, lists the flow ladder diagram, and gives the block diagram of the
4、 system, analyzes the flow of logic relation, put forward PLC programming method. Can give some suggestions to beginners, basic principle, basic flow programming ideas have roughly understanding.Keywords: flow, PLC, control目录第一章 课题的提出41.1 选题背景41.2 方案论证4第二章 系统的理论分析及控制方案确定52.1控制方案的比较和确定52.2 流量控制系统的组成及
5、原理图52.3水流量系统控制流程7第三章 系统的硬件设计83.1 系统主要设备的选型83.1.1 PLC及其扩展模块的选型83.1.2变频器的选型113.1.3水泵电机的选型123.1.4流量变送器的选型123.2 系统主电路分析及其设计123.3 系统控制电路分析及其设计14第四章 系统的软件设计164.1 PLC程序设计164.1.1 流量PID控制逻辑图174.1.2 编程184.1.3 运行224.2 PID控制22第五章 实物制作及调试24第六章 结束语26致 谢27参考文献28第一章 课题的提出1.1 选题背景本毕业设计课题来自实验室建设。目的是利用PLC来实现流量控制。目前，PL
6、C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。1.2 方案论证本毕业设计原理是利用扩展模块EM235进行数据采集，然后把采集到的数据利用程序进行工程量转换，给定量与输入量相减得出换，送到执行器，从而构成的是单闭环控制。采用PID，具有以下优点：（1）增量算法控制误动作影响小。（2）增量算法控制易于实现手动/自动无扰动切换。（3）不产生积分失控，易获得较好
7、的调节品质。在实际应用中，在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中，则采用增量式PID算法。第二章 系统的理论分析及控制方案确定2.1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、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，实现管道流量的恒定，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，
8、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机来改变存贮器中的控制程序，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
9、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。2.2 流量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2-1所示：图2-1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：(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
10、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。流量控制系统以供水出口管道水流量为控制目标，在控制上实
11、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。水流量控制系统的结构框图如图2-2所示：给定水泵电机变频器流 量流量变送器+PID图2-2水流量控制系统框图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420mA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
12、泵电机的转速，进而控制管道中的水流量，实现水流量恒定。2.3水流量系统控制流程水流量系统控制流程如下:(l) 系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动电动机工作，根据流量变送器测得的管道实际流量和设定流量的偏差调节变频器的输出频率，控制水泵电机的转速，当输出流量达到设定值，转速才稳定到某一定值，这期间水泵电机工作在调速运行状态。(2) 当管道水流量减小时，流量变送器反馈的水流量信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵电机的转速增大，供水量增大，最终水泵电机的转速达到另一个新的稳定值。反之，当管道水流量增加时，通过流量闭环，减小水泵电机的转
13、速到另一个新的稳定值。第三章 系统的硬件设计3.1 系统主要设备的选型根据基于PLC的流量控制系统的原理，系统的电气控制总框图如图3-1所示：可编程控制器(PLC)A/D模块流量变送器变频器水泵电机图3-1 系统的电气控制总框图由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：(1) PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵电机、(4) 流量变送器。主要设备选型如表3-1所示：表3-1 本系统主要硬件设备清单主要设备型号可编程控制器（PLC）Siemens CPU 224模拟量扩展模块Siemens EM 235变频器Siemens MM440水泵电机水泵1台（0.3
14、7KW）流量变送器电磁流量传感器SHLDG、电磁流量转换器SHLDZ13.1.1 PLC及其扩展模块的选型PLC是整个流量控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、流量的控制以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于水流量自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，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。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，
15、又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU224，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CPU224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，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号；输出信
16、号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。模拟量扩展模块接线图及模块设置:EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。下面以EM235为例讲解模拟量扩展模块接线图，如图3-2。图3-2 EM235接线图图3-2演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X和X；对于电流信号，将RX和X短接后接入电流输入信号的“”端；未连接传感器的通道要将X和X短接。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨
17、率。下表3-2说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。表3-2EM235开关 单/双极性选择增益选择衰减选择SW1SW2SW3SW4SW5SW6ON单极性OFF 双极性OFF OFF X1OFF ONX10 ONOFF X100ONON无效ONOFF OFF 0.8OFF ONOFF 0.4OFF OFF ON0.2由上表可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选
18、择。根据上表6个DIP开关的功能进行排列组合，所有的输入设置如表3-3：表3-3单极性满量程输入分辨率SW1 SW2SW3 SW4 SW5 SW6 ONOFFOFFONOFFON0到50mV 12.5V OFFONOFFONOFFON0到100mV 25V ONOFFOFFOFFONON0到500mV125uA OFFONOFFOFFONON0到1V 250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mV ONOFFOFFOFFOFFON0到20mA 5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V 2.5mV 双极性满量程输入分辨率SW1 SW2SW3SW4SW5SW6OFF ONOFF
19、 ONOFF OFF 50mV 25VOFF OFF ONONOFF OFF 100mV 50V ONOFF OFF OFF ONOFF 250mV 125VOFF OFF ONOFF ONOFF 1V 500V ONOFF OFF OFF OFF OFF 2.5V 1.25mV OFF ONOFF OFF OFF OFF 5V 2.5mV OFF OFF ONOFF OFF OFF 10V 5mV 6个DIP开关决定了所有的输入设置。也就是说开关的设置应用于整个模块，开关设置也只有在重新上电后才能生效。模拟量输入模块使用前应进行输入校准。其实出厂前已经进行了输入校准，如果OFFSET和GAI
20、N电位器已被重新调整，需要重新进行输入校准。其步骤如下：A、切断模块电源，选择需要的输入范围。B、接通CPU和模块电源，使模块稳定15分钟。C、用一个变送器，一个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端。D、读取适当的输入通道在CPU中的测量值。E、调节OFFSET（偏置）电位计，直到读数为零，或所需要的数字数据值。F、将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个，读出送到CPU的值。G、调节GAIN（增益）电位计，直到读数为32000或所需要的数字数据值。H、必要时，重复偏置和增益校准过程。3.1.2变频器的选型变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水
21、量。变频器的选择必须根据电机的功率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMaster440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。它采用模块化结构，组
22、态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。MicroMaster440变频器的输出功率为0.7590KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。另外选择西门子的变频器可以通过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。3.1.3水泵电机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
23、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
24、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。3.1.4流量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420mA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420mA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SHLDZ1实现流量的检测、显示和变送。流量表测量范围00.6m3/h，精度1.0；转换器输出420mA电流信号，送给与CPU224连接模拟量模块EM
25、235，作为PID调节的反馈电信号。3.2 系统主电路分析及其设计基于PLC的水流量控制系统主电路图如图3-3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。图3-3 水流量控制系统主电路图三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W接至电机。变频器出厂设置：P0010=30，P0970=1。模拟信号操作控制参数设置如表3-4所示：表3-4 模拟信号操作控制参数设置P0003=1 设用户访问级为标准级 P0004=7 命令和数字1/0参数号出厂值设置值说明P0700
26、22命令源选择“由端子排输入”，这时变频器只能从端口控制，而不能由前操作面板控制。P0003=2 设用户访问级为扩展级 P0004=7 命令和数字1/0P070111ON接通运行，OFF停止P0003=1 设用户访问级为标准级 P0004=10 设定值通道和斜坡函数发生器P100022频率设定值选择为“模拟输入”P1120105斜坡上升时间（s）P1121105斜坡下降时间（s）3.3 系统控制电路分析及其设计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。本系统采用西门子公司S7-200系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能
27、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。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3-5所示。表3-5 输入输出点代码及地址编号名 称代 码地址编号输入信号启动运行SB1I0.0停止运行SB2I0.1流量转换器输出模拟量UpAI
28、W0输出信号变频器输入模拟量UfAQW0结合系统控制原理和PLC的I/O端口分配表3-5，画出PLC及扩展模块外围接线图，如图3-4所示：图3-4 PLC及扩展模块外围接线图本流量控制系统有3个输入量，其中包括2个数字量和1个模拟量。流量变送器将测得的管道流量输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；开关SB1与I0.0相连运行PID运算，开关SB2与I0.1相连停止PID运算。本流量控制系统有1个模拟量输出信号。AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。根据设计要求，DIP开关设置为单极性，满量程为0-20mA，所以SW1和SW6设置为ON，SW2SW5设置为OFF
29、。本设计对应的流量变送器接线图如图3-5所示。图3.5 流量变送器接线图第四章 系统的软件设计4.1 PLC程序设计PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40编程软件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，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，特别适合于来自计算机领域的工程人员，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
30、，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，是初学者理想的编程工具。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基本相同。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
31、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。程序中使用的PLC元件及其功能如表4-1所示。表4-1 程序中使用的PLC元件及其功能器件地址功 能器件地址功 能VD100过程变量标准化值VD120积分时间TiVD104装入回路设定值VD124微分时间TdVD108回路累加器I0.0启动运行VD112回路增益KcI0.1停止运行VD116回路采样时间Ts4.1.1 流量PID控制逻辑图流量PID控制程序分为3部分，每部分流程图如下：（1）主程序调用模块，如图4-1所示。主程序开始首次扫描：1） 调用子程序0进行启动计算
32、和初始化2） 调用子程序0初始化定时中断主程序结束图4-1 主程序调用模块（2）主程序调用子程序0,如图4-2所示。启动子程序设置PID参数： 装入回路设定值=75% 回路增益KC=0.25 装入回路采样时间TS=1s 装入积分时间TI=3min设定定时中断0的时间为100ms子程序0结束图4-2 主程序调用子程序0（3）中断子程序模块，如图4-3所示。启动中断子程序0定时中断计数器值加1计数器值到达了吗？计算PID公式：Mn=Kc*en+KI*en+MX+KD*(en-en-1)中断子程序0结束是否图4-3 中断子程序模块其中，各符号名说明如下：Mn 在第n采样时刻，PID回路输出的计算值；
33、Kc PID回路增益；en 在第n采样时刻的偏差值；en-1 在第n-1采样时刻的偏差值；KI 积分项的比例常数；MX 积分项的前值；KD 微分项的比例常数。4.1.2 编程(1) 主程序部分，如图4-4所示。在首次扫描调用初始化子程序图4-4 主程序部分(2) 子程序SBR_0，如图4-5所示。装入回路设定值=0.75装入回路增益Kc=0.25装入回路采样时间=0.1秒装入积分时间常数=3分钟关闭微分作用设定定时器中断0时间常数为100毫秒连接定时0中断事件10和与中断0开放中断图4-5 子程序SBR_0(3) 中断程序INT_0部分，如图4-6、4-7和4-8所示。将AIW0与6400相减
34、将整数转换为双整数将双整数转换为实数将数值标准化，即化为0.01.0的标准实数将标准化后的过程变量存入回路表VD100图4-6图4-6的功能是将AIW0的数值640032000化为0.01.0的标准化实数，并存入VD100中，公式为VD100=（AIW0-6400）/25600。（三角形相似原理）执行PID指令图4-7实数相乘实数相加将实数转换为双整数将双整数转换为整数把输出值存入AQW0中图4-8图4-8的功能是将标准化的数值化为实数，即将VD108中的标准化数值0.01.0化为640032000之间的实数并存入AQW0中，公式为AQW0=25600*VD108+6400。4.1.3 运行单
35、机水泵控制按钮，系统启动时打开出水口，用手动控制水泵电机的转速是管道流量达到75%，这时系统装载PID参数和连接PID中断服务程序。装入回路设定值VD104,回路增益VD112，回路采样时间VD116，积分时间VD120，同时设定定时中断0的时间（SMB34）间隔为100ms，设定定时中断执行PID程序INT_0。关闭微分作用VD124。在中断处，将过程变量转换为标准化的实数。首先将整数转换成双整数（AIW0AC0），将双整数转换为实数，而后将数值标准化（AC0，32000.0AC0），最后将标准化后的值存入回路表（AC0VD100）。而I0.0控制PID指令的运算，I0.1控制PID停止运算
36、。程序运行后把输出值转换成16位的整数，首先判断输出值为单极性且非负的数，把输出值送到累加器（VD108，32000.0AC0），然后标准化累加器中的值，将实数转换成双整数，再将双整数转换成整数，最后将数值写入模拟量输出（AC0AQW0）。再去控制输出水泵电机以控制管道流量维持一定的流速。4.2 PID控制在流量系统的设计中，选用了含PID调节的PLC来实现闭环控制保证流量系统中的流量恒定。在连续控制系统中，常采用Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为PID控制。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
37、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。PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t)： （4.1）经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制，故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图4-9所示，图中u(t)为PID调节器输出的调节量。比例积分微分给定流量r(t)+e(t)频率u(t)变频器水泵电机变频流量转速流量变送器y(t)图4-9 PID控制原理框图PID控制规律为： （4.2）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
38、应的传递函数形式： （4.3）PID控制器各环节的作用及调节规律如下：(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，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
39、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。第五章 实物制作及调试1.根据设计要求，组装设备并接线，其实物如图5-1所示。图5-1 2.将编好的程序下载到PLC中，并运行监控。以下是实验所用的两组数据截图，也是PID运算调试。图5-2 数据一图5-3 数据二图5-4 趋势图实验参数：回路增益Kc=1.0，回路采样时间Ts=0.1秒，积分时间Ti=2.0分钟，微分时间Td=0.0，流量给定值先是0.5后改成0.8。给定值由0.5改成0.8后，观察过程变量VD100和输出值V
40、D108的变化状况，总结如下：过程变量和输出值随给定值的增加而增加，先经过比例调节数值变化较大，再经过2分钟的积分调节数值变化幅度较小但是再不断变化，最后过程变量和输出值均达到动态平衡，即实现流量恒定在给定值。第六章 结束语本文针对实验室设备，设计开发了一套基于PLC的变频恒流供水自动控制系统。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
41、制、无二次污染等优点。本文主要的工作如下：(1) 由PLC、变频器实现生活或工业用水的恒流控制。系统采用PLC与变频器相结合实现对水泵电机的调速，从而实现对流量的调节。(2) 通过对控制过程和原理的分析，利用西门子STEP7 MicroWIN编程软件设计了一个用于恒流供水系统的程序，本程序包括主程序，初始化子程序和中断子程序三部分。通过本次毕业设计，不仅使我巩固了对原有知识的掌握，还拓宽了我的知识面。在提高自己的同时，我也更加清楚的认识到自己的一些不足之处。比如：在硬件设备之间的连接，I/O端口的分配，地址的分配这几方面自己起初不是很了解，但经过这半年的自学，以及向老师、同学们请教，我对这些知
42、识有了更深入的理解。通过这半年的实践和学习，我学到了很多课本中无法涉及到的知识，体会到了工程设计的复杂与困难，也感受到了亲自做出成绩的成功与喜悦，这些都为即将毕业的我打下了坚实的基础。在以后的学习和生活中，我会不断的提高、充实自己，争取获得更大的成绩。致 谢首先衷心的感谢我的论文指导老师*老师。在我做毕业设计的过程中得到了张老师的悉心指导。从设计的开始到论文的定稿，整个过程处处凝结着老师的心血。张老师渊博的学识，严谨的治学态度，务实的工作作风都深深地影响着我，并将成为我以后学习和工作的榜样。在此谨向张老师表示最衷心的感谢。在这半年的毕业设计的过程中，我还得到了本班同学的大力帮助，我们一起学习，一起探讨问题、解决问题。当我遇到困难时，他们给了我许多好的建议和无私的帮助。在此，对所有给予我帮助的同学表示衷心的感谢。参考文献1、徐国林主编PLC应用技术机械工业出版社。20072、张如萍等电气控制与PLC校本讲义3、唐育正主编的自动控制原理中国电力出版社4、S7-200可编控制器系统手册 电子版本5、S7-200 产品目录 电子版本
