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1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué)電氣控制與電氣控制與PLCPLC技術(shù)技術(shù) 課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）題目：題目： 基于基于PLCPLC的流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化自動(dòng)化112112 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 110302032110302032 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 王毅王毅 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：起止時(shí)間： 2014.6.302014.7.11 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）I課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 自動(dòng)化學(xué) 號(hào)110302032學(xué)生姓名

2、王毅專(zhuān)業(yè)班級(jí)自動(dòng)化112課程設(shè)計(jì)（論文）題目基于PLC的流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課題完成的功能：課題完成的功能：本課程設(shè)計(jì)要求以管道流量作為被控對(duì)象，采用西門(mén)子 S7-200 型 PLC 作為控制核心，實(shí)現(xiàn)流量大小的控制運(yùn)行。設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：（1）認(rèn)真查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，清楚了解管道流量控制的工作過(guò)程。（2）完成 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括 DI/AI/DO/AO 信號(hào)分配、PLC 硬件電氣接線(xiàn)原理圖等。（3）完成流量傳感器、變送器、I/V 變換、A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換和電動(dòng)閥門(mén)的信號(hào)控制。（4）完成 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括主程序及相關(guān)子程序

3、的程序流程圖設(shè)計(jì)和梯形圖程序設(shè)計(jì)。（5）撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）：其中應(yīng)包含設(shè)計(jì)方案選擇與論證、總體功能框圖、總體電路原理圖、軟件流程圖及部分程序等內(nèi)容。技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)：管道直徑 0.5 米，要求給定流量 0.1m3/s，變送器 4-20mA ，I/V 變換 0-5V。進(jìn)度計(jì)劃（1）布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)組成和功能分析（2 天）（2）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（3 天）（3）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究（2 天）（4）撰寫(xiě)、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（2 天）（5）答辯（1天）指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日本科生課程設(shè)計(jì)（論文）II注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文

4、質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III摘 要隨著科技的飛速發(fā)展，自控系統(tǒng)的應(yīng)用正在不斷深入，同時(shí)代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制檢測(cè)技術(shù)日益更新。自動(dòng)控制技術(shù)可謂無(wú)所不能。本文提出一種對(duì)液體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制的設(shè)計(jì)方案。 該方案以 PLC 控制為基礎(chǔ)，由上位機(jī)、PL C、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。它不僅適用于流量控制，在改變動(dòng)作設(shè)備后同樣適用于對(duì)溫度、液位、速度、高度等模擬量的控制。論文采用文字?jǐn)⑹雠c圖表相結(jié)合的方式，逐步做出解釋?zhuān)瑥亩贸鼍唧w結(jié)論。更清晰的展示了設(shè)計(jì)的全過(guò)程與每個(gè)細(xì)節(jié)之間的處理方式。關(guān)鍵詞：PLC；自動(dòng)控制；流量控制本科生課程設(shè)計(jì)（論文）IV目 錄第 1 章 緒論 .1第 2

5、章 課程設(shè)計(jì)的方案 .22.1 概述 .22.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) .22.2.1 控制方案比較和確定.22.2.2 流量控制系統(tǒng)的組成及原理圖.32.2.3 水流量系統(tǒng)控制流程.4第 3 章 硬件設(shè)計(jì) .63.1 PLC S7-200 介紹.63.2 主機(jī) CPU224 .73.3 變頻器的選擇 .93.4 水泵電機(jī)的選擇 .93.5 流量變送器的選擇 .10第 4 章 軟件設(shè)計(jì) .114.1 PLC 程序設(shè)計(jì) .114.2 系統(tǒng)流程圖 .114.3 程序 .13第 5 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) .17參考文獻(xiàn) .18本科生課程設(shè)計(jì)（論文）1第 1 章 緒論P(yáng)LC 是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)

6、的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 目前，PLC 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)。PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)P

7、LC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC 等各種工業(yè)控制中。加上PLC 通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。本文提出一種對(duì)液體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制的設(shè)計(jì)方案。 該方案以 PLC 控制為基礎(chǔ)，由上位機(jī)、PL C、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。它不僅適用于流量控制，在改變動(dòng)作設(shè)備后同樣適用于對(duì)溫度、液位、速度、高度等模擬量的控制。論文采用文字?jǐn)⑹雠c圖表相結(jié)合的方式，逐步做出解釋?zhuān)瑥亩贸鼍唧w結(jié)論。更清晰的展示了設(shè)計(jì)的全過(guò)程與每個(gè)細(xì)節(jié)之間的處理方式。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）2第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案2.1 概述 本設(shè)計(jì)采用 S7-200PLC

8、為核心對(duì)液體流量進(jìn)行控制。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，PLC 對(duì)流量的控制技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文采用 PLC 對(duì)流量進(jìn)行控制，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，提高流量控制水平，進(jìn)而改善流量運(yùn)行的穩(wěn)定性，使其更加精確。本文主要介紹了流量的 PLC 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)過(guò)程、組成、列出流量的梯形圖，并給出了系統(tǒng)組成框圖，分析流量邏輯關(guān)系，提出 PLC 的編程方法。能夠給一些初學(xué)者點(diǎn)建議，能夠?qū)α髁康幕驹?、基本編程思路有大致的了解?.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)2.2.1 控制方案比較和確定流量控制系統(tǒng)主要有流量變送器、變頻器、恒流控制單元、電動(dòng)機(jī)組成。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒流控制單元使變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，

9、實(shí)現(xiàn)管道流量的恒定，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，有以下兩種方案可供選擇：(1) 通用變頻器+單片機(jī)(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制) +流量傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性?xún)r(jià)比，但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差，同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。 (2) 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+流量傳感器 這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的

10、系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性強(qiáng)；由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶(hù)可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線(xiàn)，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過(guò) PC 機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。同時(shí)由于 PLC 的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類(lèi)不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）3通過(guò)對(duì)以上兩種方案的比較和分析，可以看出第二種控制方案更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。2.2.2

11、 流量控制系統(tǒng)的組成及原理圖基于 PLC 的流量控制系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、流量變送器和水泵電機(jī)一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 2.1 所示： 圖 2.1 系統(tǒng)的控制流程圖從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為：(l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一個(gè)水泵電機(jī)組成，它用于將水供入管道，通過(guò)變頻器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制管道水流量的目的。 (2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括管道水流量信號(hào)，其中水流量信號(hào)是本控制系統(tǒng)的主要反饋信號(hào)。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入 PLC 時(shí)，需進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 (3) 控制機(jī)構(gòu)：本

12、系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)包括控制器(PLC)和變頻器兩個(gè)部分?？刂破魇钦麄€(gè)流量控制系統(tǒng)的核心?？刂破髦苯訉?duì)系統(tǒng)中的流量信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵電機(jī))進(jìn)行控制；變頻器本科生課程設(shè)計(jì)（論文）4是對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。 流量控制系統(tǒng)以供水出口管道水流量為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口管道的實(shí)際流量跟隨設(shè)定的水流量。設(shè)定的水流量可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。水流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.2 所示：圖 2.

13、2 水流量控制系統(tǒng)框圖水流量控制系統(tǒng)通過(guò)安裝在管道上的流量變送器實(shí)時(shí)地測(cè)量參考點(diǎn)的水流量，檢測(cè)管道出水流量，并將其轉(zhuǎn)換為 420mA 的電信號(hào)，此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)水流量恒定的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號(hào)為模擬量，故必須通過(guò) PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行 PID 運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制管道中的水流量，實(shí)現(xiàn)水流量恒定。2.2.3 水流量系統(tǒng)控制流程水流量系統(tǒng)控制流程如下: (l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)電

14、動(dòng)機(jī)工作，根據(jù)流量變送器測(cè)得的管道實(shí)際流量和設(shè)定流量的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出流量達(dá)到設(shè)定值，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間水泵電機(jī)工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。 (2) 當(dāng)管道水流量減小時(shí)，流量變送器反饋的水流量信號(hào)減小，偏差變大，PLC 的輸出信號(hào)變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。反之，當(dāng)管道水流量增加時(shí)，通過(guò)流量閉環(huán)，減小水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）5第 3 章 硬件設(shè)計(jì)3.1 PLC S7-200 介紹(1)適用范圍S7-200 系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使

15、用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。S7-200 系列PLC 可提供4 個(gè)不同的基本型號(hào)的8 種CPU 供您使用。 （2）CPU單元設(shè)計(jì) 集成的24V 負(fù)載電源：可直接連接到傳感器和變送器（執(zhí)行器），CPU 221，222 具有180mA 輸出，CPU 224，CPU 224XP，CPU 226 分別輸出280，400mA?？捎米髫?fù)載電源。CPU 221226 各有2 種類(lèi)型CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。本

16、機(jī)數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)：CPU 221 具有6 個(gè)輸入點(diǎn)和4 個(gè)輸出點(diǎn)，CPU 222 具有8 個(gè)輸入點(diǎn)和6 個(gè)輸出點(diǎn)，CPU 224 具有14 個(gè)輸入點(diǎn)和10 個(gè)輸出點(diǎn)，CPU 224XP 具有14 個(gè)輸入點(diǎn)和10 個(gè)輸出點(diǎn)，CPU 226 具有24 個(gè)輸入點(diǎn)和16 個(gè)輸出點(diǎn)。本機(jī)模擬量輸入/輸出點(diǎn)：CPU 224XP 具有2 個(gè)輸入點(diǎn)，1 個(gè)輸出點(diǎn)。高速計(jì)數(shù)器：CPU 221/222 ：4 個(gè)高速計(jì)數(shù)器，可編程并具有復(fù)位輸入，2 個(gè)獨(dú)立的輸入端可同時(shí)作加、減計(jì)數(shù)，可連接兩個(gè)相位差為90的A/B 相增量編碼器。CPU224/224XP/226 ：6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器，具有CPU221/222 相同

17、的功能。CPU 222/224/224XP/226 ：可方便地用數(shù)字量和模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展。可使用仿真器（選件）對(duì)本機(jī)輸入信號(hào)進(jìn)行仿真，用于調(diào)試用戶(hù)程序。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）6（3）各型號(hào)的優(yōu)缺點(diǎn) CPU 221：本機(jī)集成6 輸入/4 輸出共10 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。無(wú)I/O 擴(kuò)展能力。6K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。4 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出。1 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。CPU 222：本機(jī)集成8 輸入/6 輸出共14 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接2

18、個(gè)擴(kuò)展模塊。6K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。4 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出。1 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。CPU 224：本機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。可連接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID 控制器。RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通

19、訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。具有較強(qiáng)控制能力的控制器。CPU 224XP：本機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)，2 輸入/1 輸出共3 個(gè)模擬量I/O 點(diǎn)，可連接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展值至168 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或38 路模擬量I/O 點(diǎn)。20K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6 個(gè)獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)器（100KHz），2 個(gè)100KHz 的高速脈沖輸出，2 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。本機(jī)還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量I/O,位控特性，自整定PID 功能，線(xiàn)性斜坡脈沖指令，診斷LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等。是具

20、有模擬量I/O 和強(qiáng)大控制能力的新型CPU。 CPU 226：本機(jī)集成24 輸入/16 輸出共40 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID 控制器。2 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議本科生課程設(shè)計(jì)（論文）7和自由方式通訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m

21、應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。3.2 主機(jī) CPU224本機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。可連接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID控制器。1 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。如圖3.1 所示。圖 3.1CPU224 實(shí)物圖主機(jī)CPU224 模塊編址如表3.2 所示。表3.2 各模塊編址本科生課程設(shè)

22、計(jì)（論文）83.3 I/O 口分配及總電路圖程序中的輸入/輸出地址分配如表3.3 所示。表3.3 I/O 地址分配表輸入 輸出名稱(chēng) 符號(hào) 地址 名稱(chēng) 符號(hào) 地址啟動(dòng)按鈕 SB1 I0.0 變頻器輸入模擬量 UF Q0.0停止按鈕 SB2 I0.1流量轉(zhuǎn)換器模擬量 UP I0.3系統(tǒng)總電路設(shè)計(jì)如圖3.4 所示。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）9 圖3.4 系統(tǒng)電路圖3.4 變頻器的選擇變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿(mǎn)負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)

23、等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門(mén)的截流過(guò)程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過(guò)降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿(mǎn)足要求。變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過(guò)頻率的改變實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據(jù)電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類(lèi)型：普通功能型U/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類(lèi)負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對(duì)便宜的U/f控制變

24、頻器。 由于本設(shè)計(jì)中PLC選擇的西門(mén)子S7-200型號(hào)，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇西門(mén)子的MicroMaster440變頻器。它是用于三相交流電動(dòng)機(jī)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(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的RS-485/232C接口和用于簡(jiǎn)單過(guò)程控制的PI本科生課程設(shè)計(jì)（論文）10閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶(hù)的特殊需要對(duì)I/O端子進(jìn)行功能自定義。快速電流限制實(shí)現(xiàn)了無(wú)跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，低頻時(shí)也可以輸出大力矩。MicroMaster440變頻器

25、的輸出功率為0.7590KW，適用于要求高、功率大的場(chǎng)合，恰好其輸出信號(hào)能作為75KW的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。另外選擇西門(mén)子的變頻器可以通過(guò)RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門(mén)子PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。3.5 水泵電機(jī)的選擇 水泵是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來(lái)輸送液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。水泵性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、揚(yáng)程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為容積水泵、葉片泵等類(lèi)型。容積泵是利用其工作室容積的變化來(lái)傳遞能量；葉片泵是

26、利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來(lái)傳遞能量，有離心泵、軸流泵和混流泵等類(lèi)型。水泵電機(jī)的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使電機(jī)常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的電機(jī)必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設(shè)計(jì)的要求為：電機(jī)額定功率0.37KW,額定轉(zhuǎn)速為2800r/min。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求確定采用1臺(tái)SFL型水泵電機(jī)（電機(jī)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(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過(guò)靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低(室外噪音60分貝)、磨損小、壽命更長(zhǎng)；下軸承采用柔

27、性耐磨軸承，噪音低，壽命長(zhǎng)；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類(lèi)似于水的無(wú)顆粒、無(wú)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。3.6 流量變送器的選擇流量變送器又稱(chēng)為流量傳感器簡(jiǎn)稱(chēng)為流量計(jì)。按照 ISO9951 標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合國(guó)內(nèi)外流量?jī)x表先進(jìn)技術(shù)而研制開(kāi)發(fā)的集溫度、壓力、流量傳感器和智能流量積算儀于一體的新一代高精度、高可靠性的精密計(jì)量?jī)x表，它出色的低壓和高壓計(jì)量性能，多種信號(hào)輸出方式以及對(duì)流體擾動(dòng)的低敏感性，使得流量計(jì)成為一種特別優(yōu)秀的能準(zhǔn)確計(jì)量氣體累積量的商業(yè)貿(mào)易計(jì)量?jī)x表。 流量變送器用于檢測(cè)管道中的本科生課程設(shè)計(jì)（

28、論文）11水流量，常裝設(shè)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)?420mA 的模擬量信號(hào)，作為模擬輸入模塊(A/D 模塊)的輸入，在選擇時(shí)，為了防止傳輸過(guò)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(shè)計(jì)中選用電磁流量傳感器 SHLDG、電磁流量轉(zhuǎn)換器SHLDZ1 實(shí)現(xiàn)流量的檢測(cè)、顯示和變送。流量表測(cè)量范圍 00.6m3/h，精度1.0；轉(zhuǎn)換器輸出 420mA 電流信號(hào)，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(hào)。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）12第 4 章 軟件設(shè)計(jì)4.1 PLC 程序設(shè)計(jì)PLC 控制程序采

29、用 SIEMENS 公司提供的 STEP 7-MicroWIN-V40 編程軟件開(kāi)發(fā)。該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語(yǔ)言，即語(yǔ)句表(STL)語(yǔ)言、梯形圖(LAD)語(yǔ)言、功能塊圖(FBD)語(yǔ)言。語(yǔ)句表(STL)語(yǔ)言類(lèi)似于計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言，特別適合于來(lái)自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶(hù)程序，屬于面向機(jī)器硬件的語(yǔ)言。梯形圖(LAD)語(yǔ)言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語(yǔ)言，與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，梯形圖可以看作是 PLC 的高級(jí)語(yǔ)言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的

30、編程工具。功能塊圖(FBD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個(gè)模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。PLC 控制程序由一個(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過(guò) PC/PPI 電纜把程序下載到 PLC，控制任務(wù)的完成，是通過(guò)在 RUN 模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶(hù)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 由于模擬量單元及 PID 調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn) PID

31、 控制的定時(shí)采樣及輸出控制。 4.2 系統(tǒng)流程圖本科生課程設(shè)計(jì)（論文）13圖 4.1 系統(tǒng)流程圖本科生課程設(shè)計(jì)（論文）144.3 程序4.3.1 程序初始化與故障分析程序初始化一個(gè)程序基本的編程方式。一般會(huì)先將 PLC 進(jìn)行初始化，設(shè)置基本參數(shù)，保證可以與其他設(shè)備正常通訊，然后才開(kāi)始撰寫(xiě)實(shí)際的控制程序。在此設(shè)計(jì)初始化程序中用到了特殊輔助繼電器 M8000 和 M8002。M8000 起運(yùn)行監(jiān)視的作用。當(dāng) PLC 執(zhí)行用戶(hù)程序時(shí)，M8000 為 ON，停止監(jiān)視時(shí)，M8000 為OFF；M8002 為初始化脈沖，僅在可編程控制器運(yùn)行開(kāi)始的瞬間接通一個(gè)掃描周期，M8002 的常開(kāi)觸點(diǎn)常用于某些元件的

32、復(fù)位和清零，也可作為啟動(dòng)條件。以下為系統(tǒng)初始化程序：圖 4.2 始化程序本科生課程設(shè)計(jì)（論文）15在程序設(shè)計(jì)中，要考慮到系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的一些突發(fā)問(wèn)題，必須要有正確的控制：故障控制開(kāi)關(guān)，急停控制開(kāi)關(guān)，故障復(fù)位控制開(kāi)關(guān)。以下為故障控制程序：圖 4.3 故障控制程序4.3.2 PID 初始化及程序分析在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng) PID 控制，又稱(chēng) PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的 其它

33、技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或 不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 比例(P)控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 積分(I)控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)

34、這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）16積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn) 態(tài)誤差。 微分(D)控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于

35、誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 以下為 PID 初始化程序，M33 是將程序指定到 PID 初始化部分。圖 4.4 PID 初始化在 PID 調(diào)節(jié)中，程序固然重要，但是程序里的 PID 參數(shù)

36、更重要，沒(méi)有PID 參數(shù)就不可能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)該有的功能。在 PID 調(diào)節(jié)中主要有比例環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)，微分環(huán)節(jié)，在此設(shè)計(jì)中只是用到了比例環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)。此次設(shè)計(jì)主要就是實(shí)現(xiàn)比例控制，所以比例環(huán)節(jié)是必不可少的，而積分調(diào)節(jié)的作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差。PID 參數(shù)主要是：采樣時(shí)間 17 秒、PID 濾波常數(shù) 80%、比例增益 Kp=70、積本科生課程設(shè)計(jì)（論文）17分時(shí)間 Ti=100、微分增益與微分時(shí)間為 0。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）18第 5 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)基于 PLC 的流量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用變頻器實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)調(diào)速，把水泵電機(jī)控制納入自動(dòng)

37、控制系統(tǒng)。流量變送器采樣管道流量信號(hào)經(jīng) PID 處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)流量大小調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)改變水泵性能曲線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管道流量恒定。該系統(tǒng)不僅有效地保證了管道流量恒定，而且工作可靠。在本次課程設(shè)計(jì)完成過(guò)程中，確實(shí)遇到了一些困難。比如：在硬件設(shè)備之間的連接，I/O 端口的分配，地址的分配這幾方面自己不是很了解，通過(guò)查找相關(guān)書(shū)籍，向老師、同學(xué)們請(qǐng)教，我對(duì)這些知識(shí)有了更深入的理解；對(duì)三菱中模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊以及 PID 模塊的不熟悉，通過(guò)在網(wǎng)上查詢(xún)相關(guān)資料解決了我在這方面的疑惑。在這個(gè)過(guò)程中遇到的最大困難是程序的編寫(xiě)以及對(duì)程序的理解，在程序的編寫(xiě)過(guò)程中根據(jù)書(shū)上的類(lèi)似程序，在

38、 PLC 程序軟件編寫(xiě)要求的程序，通過(guò)多次調(diào)試程序，程序編寫(xiě)的問(wèn)題也基本完成了。這個(gè)過(guò)程雖然是有一定的難度但還是通過(guò)自己的慢慢的摸索和老師的指導(dǎo)下從熟悉到上手，經(jīng)過(guò)這次努力對(duì)自己的信心很好的提高。雖然課程設(shè)計(jì)根據(jù)老師所給的要求完成了，但是本次課程設(shè)計(jì)還是存在著一些不足。本次的設(shè)計(jì)只是對(duì)流量的一個(gè)簡(jiǎn)單控制，如果要運(yùn)用到生產(chǎn)中還需要一些改進(jìn)，如果要精確的控制還需要加大對(duì)積分調(diào)節(jié)部分的控制；在本次設(shè)計(jì)中也運(yùn)用到了組態(tài)的的控制，但是在此次設(shè)計(jì)中只是對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了靜態(tài)的控制，如果想精確地觀察整個(gè)過(guò)程還需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）19參考文獻(xiàn)1 張榮妮,吳鐫峰.運(yùn)用 PLC 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的控制

39、J.機(jī)械工程與自動(dòng)化,2010(2):187-1882 周萬(wàn)珍，高鴻斌.PLC 分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，20043 李英輝.PLC 程序設(shè)計(jì)方法綜述J.無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技,2014(2):104-1054 王永華.電氣控制技術(shù)及 PLC 應(yīng)用技術(shù)M.北京航空航天大學(xué)出版社,20055 焦海生.可編程程序控制器梯形圖的順序控制設(shè)計(jì)J.內(nèi)蒙古電大學(xué)刊,2006(6):34-366 孫欣.電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用J.2010(4):11-187 陳延奎.淺談 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法J.2009(10):55-638 基于西門(mén)子的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.2012.(8):9-139 宋伯生.PLC 編程實(shí)用指南J.2007,(7):35-4110 呂景泉.可編程控制器技術(shù)教程M.北京:高等教育出版社,201111 梅麗鳳.電氣控制與 PLC 應(yīng)用技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社,201212 廖常初. S7-200PLC 編程技術(shù)及應(yīng)用M.機(jī)械工業(yè)出版社,200913 曹輝.鍋爐上煤系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的順序啟?？刂圃O(shè)計(jì)J.2013(1):23-3114 駱智.可編程控制器(PLC)運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.2004(6):36-4115 梁倍源.鍋爐上煤系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的順序啟?？刂圃O(shè)計(jì)J.2013（6）：73-74