基于PLC的流量控制——毕业设计(论文).doc
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1、无锡科技职业学院基于PLC的流量控制毕业设计(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P
2、LC的编程方法。能够给一些初学者点建议,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
3、to flow control, through 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 bl
4、ock diagram of the 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
5、和确定52.2 流量控制系统的组成及原理图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
6、利用PLC来实现流量控制。目前,PLC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
7、换。(3)不产生积分失控,易获得较好的调节品质。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
8、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
9、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。2.2 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
10、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。流量控制系统以供水
11、出口管道水流量为控制目标,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
12、号,控制变频器的输出频率,从而控制水泵电机的转速,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
13、加时,通过流量闭环,减小水泵电机的转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
14、 MM440水泵电机水泵1台(0.37KW)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
15、司的PLC具有可靠性高,可扩展性好,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
16、字长(16bit)的数字信号;输出信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
17、种量程和格式,即相同的输入量程和分辨率。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,S
18、W2,SW3共同决定了模拟量的衰减选择。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 SW2SW3
19、SW4SW5SW6OFF ONOFF 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
20、了输入校准,如果OFFSET和GAIN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
21、变实现对电机转速的调节,从而改变出水量。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
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