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毕 业 设 计 （ 论 文 ）设 计 (论 文 )题 目 ： 基 于 PLC的 水 箱 恒 温 恒 压 系 统的 研 究学 生 姓 名 ： 朱 海 东 指 导 教 师 ： 黄 冉二 级 学 院 ： 机 电 学 院 专 业 ： 电 气 工 程 及 其 自 动 化班 级 ： 14 电 气 （ W专 转 本 ） 学 号 ： 1404501032提 交 日 期 ： 2016 年 5月 15 日 答 辩 日 期 ： 2016 年 5 月 18 日金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 目 录I目 录摘 要 .IIIAbstract.IV1 绪 论 .11.1 前 言 .11.2 研 究 的 主 要 内 容 .12 控 制 系 统 总 体 设 计 . 22.1 系 统 设 计 框 图 及 原 理 分 析 .22.2 控 制 及 功 能 模 块 的 硬 件 选 择 .32.2.1 可 编 程 控 制 器 PLC.32.2.2 触 摸 屏 HMI.42.2.3 变 频 器 . 52.2.4 D/A 转 换 模 块 .52.2.5 A/D 转 换 模 块 .62. 3 检 测 模 块 的 硬 件 选 择 .62.3.1 压 力 传 感 器 .62.3.2 温 度 传 感 器 .72.3.3 液 位 变 送 器 .72.3.4 流 量 传 感 器 .82.4 执 行 模 块 的 硬 件 选 择 .82.4.1 加 热 棒 . 82.4.2 水 泵 . 93 系 统 硬 件 部 分 .113.1 PLC 与 变 频 器 之 间 的 连 接 .113.1.1 D/A 模 块 与 变 频 器 连 接 .113.1.2 传 感 器 与 A/D 模 块 连 接 .113.2 系 统 电 气 控 制 原 理 图 .13金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 目 录II4 测 量 控 制 的 计 算 . 144.1 PID 运 算 指 令 .144.2 基 于 PID 的 恒 液 位 控 制 .145 系 统 软 件 部 分 . 155.2 变 频 器 主 要 参 数 配 置 及 主 要 参 数 含 义 .165.3 触 摸 屏 界 面 图 设 计 .165.4 PLC 系 统 程 序 .185.5 系 统 程 序 调 试 分 析 .236 结 论 .30参 考 文 献 .31附 录 .32致 谢 .42金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 摘 要III基 于 PLC的 水 箱 恒 温 恒 压 系 统 的 研 究摘 要工业自动化技术就是生产过程中减少人工的参与，用机器设备实现过程控制的技术。它是一门综合性技术涉及了机械、电子、计算机等技术。目前工业自动化水平已成为衡量一个社会现代化水平的重要指标，已经被广泛地使用于机械制造、电力、建筑、信息技术等领域，成为提高生产效率的重要手段。本次设计恒温恒压变频供水设备组成有PLC、变频器、低压电气控制柜、水泵、压力传感器，温度传感器等。为实现的恒温恒压变流量供水要求，是通过PLC、变频器控制水泵机组运行状态，用传感器来读取供水设备当前的压力、温度、流量等参数，同过A/D模块模数转换转成数字量通过PLC计算在显示到触摸屏上。而针对恒温恒压供水的大时滞性、非线性、时变性等特点，本文通过PID控制来控制水箱压力、温度等参数稳定。首先通过触摸屏设置压力、温度等参数的目标值，在通过传感器检测过来的当前值进行比较和PID计算，算出的控制量再通过D/A模块数模转换转成电压信号来控制变频器频率的大小控制水泵的转速，已达到水箱的恒温恒压调节。关 键 词 ： PLC；液位恒定；触摸屏；PID控制金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 AbstarctIVResearch on constant temperature and constant pressuresystem of water tank based on PLCAbstractIndustrial automation technology is to reduce participation in the production process,equipment for process control technology. It is a comprehensive technology relates to themachinery, electronics, and computer technology. Current level of industrial automation hasbecome an important indicator of social modernization, has been widely used in manufacturing,electricity, construction, information technology and other fields, becoming an important meansto improve production efficiency.The design of constant temperature and constant pressure variable-frequency water supplyequipment with PLC, inverter, low voltage electrical control cabinet, pumps, pressure sensors,temperature sensors, and so on. For the realization of constant temperature and constant pressurevariable flow water supply, is controlled by PLC and frequency converter pumps running, usingsensors to read the current water supply equipment pressure, temperature, flow, and otherparameters, a/d module with analog to digital by PLC to calculate displayed on the touch screen.For constant-pressure water supply of large time delay, nonlinear and time-varyingcharacteristics, based on PID control parameters to control the water pressure, temperaturestability. First touch-screen set target values for pressure, temperature and other parameters, inthe sensors current value and the PID calculation, calculate the amount of control through D/Amodule d/a conversion into voltage signals to control the size of converter frequency controlpump speed, constant temperature and pressure of the water tank has been reached.Keywords: PLC; constant level; touch screen; PID control金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 第 1 章 绪 论11 绪 论1.1 前 言现 在 ， 各 种 自 动 化 技 术 的 开 发 ， 利 用 ， 提 供 了 多 种 多 样 用 于 工 业 控 制 技 术 方 法 。 在 液体 材 料 的 生 产 过 程 中 ， 除 了 在 生 产 过 程 中 的 正 常 控 制 ， 而 且 还 对 材 料 的 温 度 ， 压 力 ， 流 量等 参 数 加 以 检 测 和 控 制 ， 从 而 使 生 产 过 程 有 更 精 确 的 控 制 ;如 果 控 制 不 当 ， 势 必 产 生 大 量的 残 次 品 ， 废 品 ， 造 成 严 重 经 济 损 失 。 随 着 PLC 的 不 断 发 展 ， 工 业 自 动 化 控 制 做 出 更 准 确 ，方 便 ， 安 全 ， 可 靠 的 控 制本 文 主 题 是 控 制 系 统 中 使 用 最 多 的 算 法 ， PID 控 制 算 法 。 在 水 罐 的 研 究 中 ， 用 压 力 传感 器 和 一 个 温 度 传 感 器 收 集 数 据 进 行 PID 控 制 计 算 以 实 现 良 好 的 控 制 效 果 。 通 过 把 液 位 、温 度 传 感 器 ， 检 测 到 的 模 拟 量 送 到 AD 模 块 ， 把 该 模 拟 量 转 换 成 数 字 量 送 到 PLC 进 行 PID计 算 出 输 出 调 整 信 号 进 入 DA 模 块 ， 数 字 信 号 被 转 换 成 模 拟 电 压 控 制 变 频 器 来 调 节 水 泵 的速 度 ， 实 现 了 液 位 和 温 度 控 制 。1.2 研 究 的 主 要 内 容本 毕 业 设 计 研 究 和 解 决 的 问 题 主 要 包 括 以 下 几 个 方 面 :1） 查 阅 资 料 ， 掌 握 本 系 统 所 用 各 器 件 的 基 本 知 识 ， 简 明 介 绍 本 过 程 控 制 系 统 的 基 本结 构 ， 掌 握 本 系 统 的 工 作 原 理 及 应 用 。2） 了 解 供 水 系 统 的 硬 件 部 分 ， 画 出 电 气 原 理 图 。3） PLC、 变 频 器 、 扩 展 模 块 的 选 型 。4） 熟 悉 变 频 器 的 使 用 方 法 和 工 作 原 理 。5） 根 据 电 气 原 理 图 组 装 硬 件 并 接 线 。6） PLC 程 序 设 计 。7） 调 试 程 序 。8） 检 查 是 否 达 到 运 行 条 件 。本 次 课 题 是 变 频 恒 压 供 水 系 统 的 设 计 ， 在 压 力 、 流 量 等 参 数 发 生 变 化 时 ， 系 统 能 够 自动 调 节 参 数 ， 使 水 压 、 温 度 等 一 些 参 数 稳 定 在 设 定 的 范 围 内 ， 来 达 到 水 量 的 恒 温 恒 压 控 制 。而 这 次 课 题 系 统 自 动 调 节 是 用 过 PID 控 制 来 调 节 的 ， PID 控 制 是 当 今 使 用 最 多 的 控 制 ， 性能 也 比 较 好 ， 使 用 也 比 较 方 便 。 这 次 课 题 通 过 以 水 箱 作 为 研 究 对 象 ， 水 箱 的 液 位 为 被 控制 量 ， 选 择 传 感 器 作 为 控 制 系 统 的 检 测 机 构 ， 水 泵 、 加 热 棒 为 执 行 机 构 ， 合 理 整 定 的 PID控 制 参 数 ， 使 之 取 得 良 好 的 控 制 效 果 。金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 第 2 章 控 制 系 统 总 体 设 计22 控 制 系 统 总 体 设 计2.1 系 统 设 计 框 图 及 原 理 分 析本 系 统 主 要 组 成 由 检 测 模 块 、 信 号 转 换 模 块 、 信 号 处 理 模 块 、 负 载 驱 动 模 块 、 负 载 模 块 、 监 控 模 块 。系 统 总 体 框 图 如 下 图 2-1。图 2-1 系 统 总 体 框 图（ 1） 检 测 模 块检 测 模 块 中 有 三 种 传 感 器 分 别 为 ， 压 力 、 温 度 、 流 量 传 感 器 。（ 2） 信 号 转 换 模 块信 号 转 换 模 块 有 A/D 模 块 与 D/A 模 块 ； 既 需 要 将 模 拟 量 转 换 为 数 字 量 ， 也 需 要 将数 字 量 转 换 模 拟 量 。（ 3） 信 号 处 理 模 块信 号 处 理 模 块 为 一 个 三 菱 FX2N 系 列 的 PLC， 用 于 对 信 号 进 行 处 理 ， 并 输 出 控 制 负载 驱 动 模 块 。（ 4） 负 载 驱 动 模 块负 载 驱 动 模 块 为 一 个 三 菱 D700 系 列 变 频 器 ， 是 两 项 220v 转 三 项 220v 的 变 频 器来 控 制 步 进 电 机 。（ 5） 负 载 模 块加 热 棒 和 水 泵 作 为 负 载 模 块 主 要 组 成 ， 一 个 是 用 于 对 系 统 控 制 对 象 的 温 度 调 节 ，还 有 一 个 水 泵 是 对 压 力 进 行 调 节 。（ 6） 监 控 模 块三 菱 触 摸 屏 作 为 监 控 模 块 主 要 组 成 ， 它 的 作 用 主 要 用 于 显 示 水 箱 的 温 度 、 压 力 等参 数 ， 同 时 可 设 置 参 数 的 于 定 制 。整 个 系 统 要 求 能 够 利 用 PID原 理 实 现 对 系 统 的 控 制 对 象 （ 水 箱 中 的 水 ） 进 行 恒 温 、 恒压 控 制 ， 当 温 度 、 恒 压 低 于 系 统 设 置 温 度 时 加 热 棒 、 水 泵 启 动 工 作 ， 到 达 设 置 温 度 和 压 力时 自 动 停 止 工 作 ， 其 中 温 度 和 压 力 可 以 在 触 摸 屏 上 人 工 设 置 ， 触 摸 屏 上 也 能 够 实 时 的 显 示金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 第 2 章 控 制 系 统 总 体 设 计3当 前 的 温 度 、 压 力 等 一 些 参 数 。2.2 控 制 及 功 能 模 块 的 硬 件 选 择2.2.1 可 编 程 控 制 器 PLC1） PLC 的 选 型在 大 连 三 菱 PLC是 三 菱 电 机 生 产 的 主 力 产 品 。 主 要 组 成 有 CPU、 存 储 器 、 输 入 /输 出接 口 和 编 程 器 。CPU： 是 PLC的 “ 大 脑 ” ， 起 到 核 心 的 作 用 。存 储 器 ： 具 有 记 忆 功 能 。输 入 /输 出 接 口 ： （ 1） 输 入 接 口 ： 两 个 发 光 二 极 度 管 和 光 电 三 极 管 组 成 了 光 电 耦 合 器 。（ 2） 输 出 接 口 ： PLC 的 继 电 器 输 出 接 口 电 路 。编 程 器 ： 本 课 题 是 通 过 PLC的 RS232口 与 计 算 机 相 连 通 讯 下 载 程 序 。PLC 的 基 本 工 作 原 理 ：PLC 采 用 扫 描 顺 序 是 从 上 到 下 、 从 左 到 右 的 不 断 循 环 的 扫 描 工 作 方 式1 每 次 扫 描 中 ： 收 集 输 入 信 号 ， 更 新 输 出 信 号 。2 输 入 信 号 的 收 集 ： 在 输 入 信 号 发 生 变 化 时 ， 而 扫 描 已 经 扫 描 过 输 入 信 号 程 序 里 输入 端 是 不 会 发 生 变 化 的 ， 只 有 到 下 一 次 扫 描 到 时 才 发 生 变 化 。3 输 入 信 号 收 集 ， 程 序 执 行 ， 输 出 更 新 是 扫 描 周 期 的 三 个 组 成 部 分 。4 寄 存 器 里 的 内 容 是 随 着 程 序 的 执 行 变 化 而 变 化 的 。5 扫 描 周 期 的 长 短 由 三 条 决 定 。 （ 1） CPU 执 行 指 令 的 速 度 （ 2） 指 令 本 身 占 有 的 时 间（ 3） 指 令 条 数 由 于 采 用 集 中 采 样 。 集 中 输 出 的 方 式 。 存 在 输 入 /输 出 滞 后 的 现 象 ， 即 输 入/输 出 响 应 延 迟 。本 次 论 文 设 计 采 用 的 是 FX2N-32MR型 号 可 编 程 序 控 制 器 ， 其 因 价 格 便 宜 、 程 式 执 行更 快 、 实 物 如 实 物 图 2-2所 示 。图 2-2 PLC金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 第 2 章 控 制 系 统 总 体 设 计42） I/O 输 入 /输 出 分 配 表 表 1 PLC输 入 /输 出 分 配I/O分 配 表PLC 输 入 地 址 连 接 的 外 部 设 备 功 能 说 明 PLC 输 出 地 址 连 接 的 外 部 设 备 功 能 说 明1-CH1 流 量 传 感 器 数 字 量 输 入 0-CH1 变 频 器 模 拟 量 输 出1-CH2 压 力 传 感 器 数 字 量 输 入 Y0 加 热 棒 加 热1-CH3 温 度 传 感 器 数 字 量 输 入 Y1 接 触 器 控 制 水 泵1-CH4 液 位 传 感 器 数 字 量 输 入 Y4 STF 正 转X2 下 限 位 报 警 Y5 STR 反 转X3 上 限 位 报 警 Y10 红 灯 警 示 灯X4 开 始 启 动 系 统 Y11 绿 灯 警 示 灯X5 停 止 停 止 系 统 Y12 黄 灯 警 示 灯X6 急 停 急 停2.2.2 触 摸 屏 HMI1） 触 摸 屏 选 型 ：是 一 种 感 应 式 液 晶 显 示 装 置 ， 可 以 接 收 触 头 等 输 入 讯 号 ， 当 点 击 了 屏 幕 上 的 图 形 按 钮的 时 侯 ， 能 使 对 应 的 开 关 信 号 产 生 相 应 的 变 化 ， 取 代 来 以 往 的 按 钮 面 板 ， 而 且 还 能 再 液 晶显 示 画 面 上 做 出 动 画 效 果 。 而 如 今 ， 已 在 机 械 、 纺 织 、 电 气 、 包 装 、 化 工 等 行 业 已 广 泛 使用 。图 2-3 触 摸 屏本 次 设 计 采 用 的 是 GOT1000系 类 触 摸 屏 ， 实 物 如 图 2-3所 示 。特 点 ：1、 提 高 了 监 视 性 能 及 与 FA设 备 的 可 连 接 性2、 画 面 设 置 /启 动 -调 节 /应 用 /维 护 保