毕业设计（论文）：PLC在液位控制系统中的应用.doc

天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 1 1 引言 1.1 设计背景 随着科学技术的发展，现代工业生产工艺中的控制问题也日趋复杂。生产设备中多 变量、非线性的被控对象越来越多，对控制性能指标的要求也越来越高。为了满足实际 生产的控制要求，人们需要利用某些专门的仪器设备对某些关键的生产工艺过程进行适 当的简化模拟，并借助这些仪器设备对控制理论或方法的有效性适当的检验分析。在人 们的生活中以及某些化工和能源的上产过程中，常常涉及一些液位或流量控制的问题， 例如居民生活用水的供应，通常需要蓄水池，蓄水池中的液位需要维持合适的高度，还 有一些水处理的过程也需要对蓄水池中的液位实时控制，另外涉及蓄水池容器的生产过 程也很多见，例如在核动力蒸汽发生器工作过程中以及依稀工程污染水处理厂的自动排 水处理场等，因此，需要设计合适的控制器自动调整容器的入液流量，使得容器内液位 保持正常水平。 我国是世界第一人口大国，人口众多也会随之而来很多问题，然而随着我国科学技 术的飞速发展，自动化已成为新时代的一种必须，它替代了人的部分器官功能并且工作 效率和工作质量都在人之上。液位控制系统就是应用非常广泛的一种自动控制系统，它 在一定程度上解决了长期以来一直困扰人们的难题。利用PLC的自动控制功能对储罐液 位进行控制，液位控制是指无论储罐内排出液的流量多大，都能使液位控制在某一范围 内上下浮动。传统的液位控制系统都是由人直接观测并进行启动和停止料泵的，这样不 但浪费人力资源而且会因为人的疏忽造成储罐缺液或液位过高而造成外溢等严重后果。 而PLC控制的液位控制系统不但避免了以上种种危险，同时也可以对多个储罐进行控制， 实现了一控多的自动控制系统。 传统的PID控制器结构简单、容易实现，长期以来被广泛应用于工业控制过程中， 目前在全世界的过程控制中仍有90是采用PID控制器。而组态王软件是组态软件当中性 能较好的一款组态软件，本系统采用液位控制控制系统结合组态王对储液罐内液位施行 PID控制。 1.2 设计目的 本设计是对现代液位控制系统的一种模拟，它可以应用到许多液位控制当中，如： 工业现场液位测量与控制、油罐液位测量、化工过程液位控制、制药罐液位控制、食品 饮料液罐控制、大坝水位监控、饮用水和污水处理等。尤其是对一些有毒液体的控制更 能突显自动控制的重要性。采用变频器对电极实行变频调速，相比以往的接触器直接控 制，很大程度上降低了电能的消耗，并且对液位的控制也更为精确。在现代的液位控制 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 2 中有很大的使用和推广价值。 1.3 系统功能 控制系统可以根据实际需要进行液位设定，系统具有自动和手动两种控制方式，当 液位低于设定值时自动启泵向储罐内加液，液位到达设定值时停泵，如果液位低于最低 液位、高于最高液位或变频器出现故障，将无法进行自动控制，并发出声光报警。 本设计运用了PID控制算法，PID控制器以其结构简单、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。 另外应用到了组态如键进行模拟仿真， “组态王”是运行于 Microsoft Windows 2000fNT 中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM 组件等新技术，实现 了实时多任务，运行稳定可靠。它由工程浏览器（TouchExplorer）、工程管理器 （ProjManager）和画面运行系统（TouchVew）三部分组成。在工程浏览器中可以查看 工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作；工程管理器内 嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的开发和运行由工程浏览 器调用画面制作系统 TOUCHMAK 和工程运行系统 TOUCHVEW 来完成的。 2 液位控制系统的结构及原理 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 3 2.1 液位控制系统基本组成部分 以 PLC 为核心的液位控制系统就是希望其能满足近代工业迅速发展的需要，传统的 液位控制系统采用模拟系统控制，控制精度不高，而且无法实现液位的显示，不仅不能 满足现代工业对液位测控越来越高的要求，使系统不够直观，增加了工作人员的工作强 度，已逐渐被取代。PLC 的问世及迅速更新发展，不仅给液位控制技术的发展创造了有 利的条件，实现了液位控制技术的智能化，而且使其功能越来越强大。 本设计中用 PLC 替代了液位控制仪表，是以 PLC 为核心，附以相应的外围硬件电 路的控制系统。 液位控制系统的大脑PLC，PLC 为本系统的核心，相当于人的大脑，它把所得 到的各种信息进行分析、识别、比较，并做出判断和决策，自主控制后面的动作、报警 部分，完成对液位控制的作业任务。 液位控制系统的感觉器官液位传感器。液位传感器是液位控制系统感知自身或 外部环境变化信息的装置，它相当于人的眼、耳、皮肤等，由它接受储罐液位高度的信 息传输到 PLC。 报报 警警 液液位位传传感感器器 P PL LC C 泵泵 变变频频器器 图 2-1 系统结构图 液位控制系统的表达器官报警。报警是根据 PLC 处理输入的信息相应的对液位 系统出现的一些故障和超标进行声光报警。它相当于人的面部表情和嘴，根据大脑发出 的信息，做出相应的表情，表达相关的意思。系统结构框图见图 2-1 所示。 图中硬件组成主要由以下几部分组成：PLC 信息处理、液位采集、PLC 与变频器信 息交换、报警部分、执行部分等。 液位控制系统是一个以 PLC 为核心，变频器为调节机构，通过液位传感器反馈的信 息，从而控制电动机的运行、停止实现液位控制的目的。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 4 2.2 系统各部分的协调工作情况 由液位传感器实现对储罐液位的采集，其采集信号以 420mA 的电流信号传给变频 器，变频器将此数字信号进行处理从而改变电动机的转动频率。 通过编程设定一个液位控制范围（上限报警值和下限报警值） 。液位传感器检测出液 位控制系统的液位，由变频器接收也为信号，并进行变频运行，当所测液位低于 下限值时，系统中报警设备将发出报警信号，同时报警信号灯进行闪烁，以提醒工作人 员此时液位过低，便于做出相应的措施。系统控制流程图如图 2-2 所示。 下限值？液位 准备工作 自动控制否？ 变频器故障？ 变频启动、运行 上限值？液位 设定值？液位 低液位报警 变频器报警 高液位报警 停止运行 手动控制 否 是 是 是 是 是 否 否 否 否 图 2-2 液位控制系统的流程图 3 系统设计方案 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 5 3.1 设备选性的考虑因素 设备选型是一个复杂的过程，对企业来讲是至关重要的，设备选型考虑的主要因素 有以下五个方面的内容。 1设备的主要参数选择 （l）生产率 设备的生产率一般用设备单位时间（分、时、班、年）的产品产量来表示。例如， 锅炉以每小时蒸发蒸汽吨数；空压机以每小时输出压缩空气的体积；制冷设备以每小时 的制冷量；发动机以功率；流水线以生产节拍（先后两产品之间的生产间隔期） ；水泵以 扬程和流量来表示。但有些设备无法直接估计产量，则可用主要参数来衡量，如车床的 中心高、主轴转速，压力机的最大压力等。设备生产率要与企业的经营方针、工厂的规 划、生产计划、运输能力、技术力量、劳动力、动力和原材料供应等相适应，不能盲目 要求生产率越高越好，否则生产不平衡，服务供应工作跟不上，不仅不能发挥全部效果 反而造成损失，因为生产率高的设备，一般自动化程度高、投资多、能耗大、维护复杂， 如不能达到设计产量，单位产品的平均成本就会增高。 （2）工艺性 机器设备最基本的一条是要符合产品工艺的技术要求，把设备满足生产工艺要求的 能力叫工艺性。例如：金属切削机床应能保证所加工零件的尺寸精度、几何形状精度和 表面质量的要求；需要坐标镗床的场合很难用铣床代替；加热设备要满足产品工艺的最 高和最低温度要求、温度均匀性和温度控制精度等。除上面基本要求外，设备操作控制 的要求也很重要，一般要求设备操作轻便，控制灵活。产量大的设备自动化程度应高， 进行有害有毒作业的设备则要求能自动控制或远距离监督控制等。 2.设备的可靠性和维修性 （l）设备的可靠性 可靠性是保持和提高设备生产率的前提条件。人们投资购置设备都希望设备能无故 障地工作，以期达到预期的目的，这就是设备可靠性的概念。 可靠性在很大程度上取决于设备的设计与制造。因此，在进行设备选型时必须考虑 设备的设计制造质量。 选择设备可靠性时要求使其主要零部件平均故障间隔期越长越好，具体的可以从设 备设计选择的安全系数、冗余性设计、环境设计、元器件稳定性设计、安全性设计和人 一机因素等方面进行分析。 随着产品的不断更新对设备的可靠性要求也不断提高，设备的设计制造商应提供产 品设计的可靠性指标，方便用户选择设备。 (2)设备的维修性 同样，人们希望投资购置的设备一旦发生故障后能方便地进行维修，即设备的维修 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 6 性要好。选择设备时，对设备的维修性可从以下几方面衡量。 设备的技术图纸、资料齐全。便于维修人员了解设备结构，易于拆装、检查。 结构设计合理。设备结构的总体布局应符合可达性原则，各零部件和结构应易于 接近，便于检查与维修。 结构的简单性。在符合使用要求的前提下，设备的结构应力求简单，需维修的零 部件数量越小越好，拆卸较容易，并能迅速更换易损件。 标准化、组合化原则。设备尽可能采用标准零部件和元器件，容易被拆成几个独 立的部件、装置和组件，并且不需要特殊手段即可装配成整机。 结构先进。设备尽量采用参数自动调整、磨损自动补偿和预防措施自动化原理来 设计。 状态监测与故障诊断能力。可以利用设备上的仪器、仪表、传感器和配套仪器来 检测设备有关部位的温度、压力、电压、电流、振动频率、消耗功率、效率、自动检测 成品及设备输出参数动态等，以判断设备的技术状态和故障部位。 今后，高效、精 密、复杂设备中具有诊断能力的将会越来越多，故障诊断能力将成为设备设计的重要内 容之一，检测和诊断软件也成为设备必不可少的一部分。 提供特殊工具和仪器、适量的备件或有方便的供应渠道。 此外，要有良好的售后服务质量，维修技术要求尽量符合设备所在区域情况。 3设备的安全性和操作性 （1)设备的安全性 安全性是设备对生产安全的保障性能，即设备应具有必要的安全防护设计与装置， 以避免带来人、机事故和经济损失。 在设备选型中，若遇有新投入使用的安全防护性元部件，必须要求其提供实验和使 用情况报告等资料。 （2）设备的操作性 设备的操作性属人机工程学范畴内容，总的要求是方便、可靠、安全，符合人机工 程学原理。通常要考虑的主要事项如下 操作机构及其所设位置应符合劳动保护法规要求，适合一般体型的操作者的要求。 充分考虑操作者生理限度，不能使其在法定的操作时间内承受超过体能限度的操 作力、活动节奏、动作速度、耐久力等。例如操作手柄和操作轮的位置及操作力必须合 理，脚踏板控制部位和节拍及其操作力必须符合劳动法规规定。中国资产管理网 设备及其操作室的设计必须符合有利于减轻劳动者精神疲劳的要求。例如，设备 及其控制室内的噪声必须小于规定值；设备控制信号、油漆色调、危险警示等都必须尽 可能地符合绝大多数操作者的生理与心理要求。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 7 4设备的环保与节能 工业、交通运输业和建筑业等行业企业设备的环保性，通常是指其噪声振动和有害 物质排放等对周围环境的影响程度。在设备选型时必须要求其噪声、振动频率和有害物 排放等控制在国家和地区标准的规定范围内。 设备的能源消耗是指其一次能源或二次能源消耗。通常是以设备单位开动时间的能 源消耗量来表示；在化工、冶金和交通运输行业，也有以单位产量的能源消耗量来评价 设备的能耗情况。在选型时，无论哪种类型的企业，其所选购的设备必须要符合国家 节约能源法规定的各项标准要求。 5.设备的经济性 设备选择的经济性，其定义范围很宽，各企业可视自身的特点和需要而从中选择影响设 备经济性的主要因素进行分析论证。设备选型时要考虑的经济性影响因素主要有：初 期投资；对产品的适应性；生产效率；耐久性；能源与原材料消耗；维护修 理费用等。 设备的初期投资主要指购置费、运输与保险费、安装费、辅助设施费、培训费、关 税费等。在选购设备时不能简单寻求价格便宜而降低其他影响因素的评价标准，尤其要 充分考虑停机损失、维修、备件和能源消耗等项费用，以及各项管理费。总之，以设备 寿命周期费用为依据衡量设备的经济性，在寿命周期费用合理的基础上追求设备投资的 经济效益最高。 3.2 液位控制系统的 PLC 选型 可编程序控制器（Programmable Logic Controller 简称 PLC） ，它是以微处理器为核 心的通用工业控制装置，是在继电接触器控制基础上发展起来的。随着现代社会生产的 发展和技术进步，现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的迅猛发展，当今 的 PLC 已将 3C (Computer，Control，Communication)技术,即微型计算机技术、控制技 术及通信技术融为一体，又应用到“3 电”控制领域，即电控、电仪、电信这三个领域 的一种高可靠性控制器，是当代工业生产自动化的重要支柱。它采用可编程序的存储器， 用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通 过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及 其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计。 PLC 在众多生产领域中应用广泛，如对贮槽、贮罐、水池等容器中的液位进行 监控等，以往常采用传统的继电器接触控制，使用硬连接电器多，可靠性差，自动 化程度不高，可编程控制器（PLC）大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为 企业提供了更可靠的生产保障。可编程控制器（PLC）有以下优点：第一，可靠性 高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。而且 PLC 采用了许多硬件和软件 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 8 抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数 PLC 采用继电器控制形式的梯 形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些 PLC 还根据具体问题设计了如步进梯 形指令等，进一步简化了编程。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用 于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用 场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提 供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能 耗低、性能价格比高。 目前在国内市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列 PLC，国内也有 许多厂家组装、开发数十种 PLC，故 PLC 系列标准不一，虽然编程语言及符号各不 相同，但编程思想和逻辑指令却和类似，功能也大同小异。如表 3-1 所示。 PLC 的选择应着重考虑 PLC 的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能 力合适，经济实惠的 PLC。本设计主要从可靠性的角度考虑及对多种因素的分析比 较及监控系统输入、输出点数的要求，选用西门子公司的 CPU226 型 PLC。它集成 24 输入/16 输出共 40 个数字量 I/O 点，完全能满足控制要求。此 PLC 可连接 7 个 扩展模块，最大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。 表 3-1 各种型号 PLC 输入输出及内部继电器的比较 西门子松下三菱欧姆龙三星 外部输入I(0.0)X(0)X(0)(0000)R(0) 外部输出Q(0.0)Y(0)Y(0)(1000)R(1500 ) 内部继电 器 M(0.0)R(0)M(0)(1500)R(1800 ) 26K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的 30KHz 高速计数器，2 路独立的 20KHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。2 个 RS485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要 求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和 功能更强的内部集成特殊功能。 3.3 变频器的选型 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术 和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行 调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 9 内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进 行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功 能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电 网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输 出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。 3.3.1 变频器的调速原理 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系: （3-1） = 60(1 )/(4 1) 式中，n 表示电机转速; f 表示电源频率; s 表示电机转差率; p 表示电机磁极对数。 通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。 本设计采用 ABB 公司的 ABB ACS800 变频器。ACS800 系列传动产品最大的优点就是 在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如启动向导，自定义编程，DTC 控制， 通用备件，通用的接口技术，以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。内含启动引 导程序，令您调试易如反掌；自定义编程：内置可编程模块，犹如 PLC 令您发挥自如； 体积小巧：内置滤波器，斩波器及电抗器、性能卓越。 3.4 液位传感器的选型 3.4.1 传感器的定义 传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置， 通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分， 转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的电信号部分。 传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传 感器的原理确定。 3.4.2 传感器的组成 通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。但是由于传感器输出信号一般都是很微 弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。 随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以安装在传 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 10 感器的壳体里或敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需 电源都应作为传感器的组成部分。 常见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，它们分别与 相应的传感器相配合。 3.4.3 传感器的分类 传感器的种类繁多，不胜枚举。传感器分类方法很多，常见分类方法如表 3-3 所示。 传感器是信息的载体，它采集工作现场的各种信息，并将它传递给控制器。它类似 于人的五官，往往一个实际系统的电气性能在很大程度上取决于高性能的传感器。系统 的抗干扰能力、灵敏度、稳定性、控制精度、速度等指标均与传感器有重要关系。因此， 对传感器的要求是能够准确的反应被测量的现行状态, 并且有足够的灵敏度和抗干扰特 性，有时速度也有要求。随着传感器技术的发展，传感器的种类已经十分繁 表 3-3 传感器的分类 分类方法传感器的种类说明 按输入量分类位移传感器、速度传感 器、温度传感器、压力 传感器 传感器以被测物理量命 名 按工作原理分类应变式、电容式、电感 式、压电式、热电式等 传感器以工作原理命名 结构型传感器传感器依赖其结构参数 变化实现信息转换 按物理现象分类 特性型传感器传感器依赖其敏感元件 物理特性的变化实现信 息转换 能量转换型传感器传感器直接将被测量的 能量转换为输出量的能 量 按能量关系分类 能量控制型传感器由外部提供给传感器能 量，而由被测量来控制 输出的能量 按输出信号分类模拟式传感器 数字式传感器 输出为模拟量 输出为数字量 多。 考虑本设计的具体要求最终选择了超声波液位计，超声波液位计是非接触式，测量 反射波时间的装置。该装置应为分体式，应包括传感器、变送器、传感器专用连接电缆 及全部安装附件。利用超声波检测往往速度比较快，方便、计算简单、精度高、性能强、 易于做到实时控制。而且体积小、重量轻、拆装方便，可以适应各种各样的场合。该装 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 11 置应选用国外著名厂商制造的产品，符合以下条件： (1).被测介质：各种料液 (2).测量范围：015m (3).输出：420mADC ，隔离，最大负载阻抗不小于 500 欧 (4).功能要求：具有独立的调零及调整量程的功能，有自动温度补偿， (5).电源：220VAC10%，50HZ2%， ，断电自动储存系统数据 (6).精度：满量程的 0.2% (7).分辨率: 1 mm (8).稳定性：十二个月 0.1%，并可去除水面巨烈波动的干扰 (9).零点迁移：盲区以外任意设定 (10). 四种超声波发射模式，调节发射功率和角度，适应现场的障碍物和粉尘、 蒸汽等。 (11). 显示: 高亮度两行 40 字符 LCD, 带百分比和温度显示，4 1/2 字符显示，并 具有现场操作功能 (12). 传感器与变送器间专用电缆：10 米 (13). 防护等级：传感器：IP68，变送器：IP65。 (14). 工作温度：变送器:-2060 传感器: -4080 (15). 故障报警：开关量输出自身报警 220VAC，2A（3 路） 3.4 电动机的选型 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前 国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现， 交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运 动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在 控制方式上相似（脉冲信号和方向信号） ，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。 现就二者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一 般为 0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一 种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为 0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR） 生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8、0.9、0.72、 0.36、0.18、0.09、0.072、 0.036(由步进电机驱动器进行细分)，兼容了两 相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以全数字式交流伺服电机为 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 12 例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲 当量为 360/10000=0.036。对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收 217=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360/131072=9.89 秒。是步距角为 1.8 的步进电机的脉冲当量的 1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般 认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振 动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时一般应采用阻尼技术来 克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具 有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT） ，可 检测出机械的共振点，便于系统调整。 三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高 工作转速一般在 300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以*交流伺服 系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克 服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克 服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么 大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 五、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象， 停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。 交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构 成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 六、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫秒。交流 伺服系统的加速性能较好，以 400W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场 合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中综合考虑控制要 求、可靠性等多方面的因素，选用异步电动机。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 13 4 系统硬件设计 4.1 PLC 控制电路设计 PLC 是液位控制系统的核心部分，它具有抗干扰能力强，可靠性极高、编程方便、 使用方便、维护方便、设计、施工、调试的周期短等优点。以上种种优点决定了 PLC 在 控制领域的核心地位，本设计利用 PLC 与变频器之间的通信来控制电机的启停和转动的 频率，从而达到控制液位的目的。PLC 的工作原理图如图 4-1 所示。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 14 自自动动按按钮钮 手手动动按按钮钮 停停止止按按钮钮 I0.1 1M I0.0 I0.2 M L+ 1L Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 2L Q0.6 Q0.7 N L1 S7-200 PLC CPU226 AC220V DC24V 3 3L L KM1 液液位位传传感感器器 电电机机接接触触器器 DCOME DIN1 变变频频器器运运行行、停停止止信信号号 I0.3 I0.4 Q1.0 Q1.1 声声光光报报警警 I0.5 图 4-1 PLC 外部接线图 PLC 采集传感器、监控电机及变频器等有关的各类对象的信息。本系统中，对电机 采用一台变频器来进行频率的调节控制。采用 PLC 输出的模拟量信号作为变频器的控制 端输入信号，从而控制电机转速大小，并且向 PLC 反馈自身的工作状态信号，当发生故 障时，能够向 PLC 发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变 同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具 有高效率、宽范围、高精度的调速性能。PLC 在这里直接控制电机的启动和停止，它在 接收了变频器的信号后，对当前的液位值与设定值进行比较，通过内部程序进行运行或 停止，如果液位满足报警条件将会进行报警，同时停止自动运行。 I/O 分配如表 4-1 所示。 表 4-1 系统 I/O 分配表 输入功能输出功能 I0.0 手动按钮 Q0.0 KM1（接触器线圈） I0.1 自动按钮 Q0.1 声光报警指示 I0.2 液位传感器开关 Q0.4 变频器运行、停止信号 I0.3 停止按钮 2L 变频器端子 4.2 变频器的外部电路设计 变频器作为系统的调节机构，它是采用交一直一交电源变换技术、电力电子、微电 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 15 脑控制等技术于一身的综合性电气产品。本设计利用变频器接收液位传感器的电流信号， 自身进行分析处理，从而达到变频调速的目的。变频器外部接线图如图 4-2 所示。 变变 频频 器器 U U R R D DI IN N1 1 3 3L L 电电位位器器（频频率率 设设定定器器） V V W W U U V V W W 3 38 80 0 V V 接接P PL LC C输输出出端端子子 电机 图 4-2 变频器外部接线图 4.3 电动机的外部电路设计 电动机作为系统的执行机构，它的选用很大程度上决定了系统的成功与否，本设计 选用的是步进电动机，它本身所具有的性能，完全满足本设计所需要的性能指标，所以 完全可以将步进电机用在变频器调速过程中。如图 4-3 所示。 变频器 QF1 U V W R S T M FR1 KM1 电动机 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 16 图 4-3 电机外部接线图 4.4 报警电路设计 声光报警装置在 PLC 的控制下，通过编程实现当前液位与也为最低值和也为最高值 比较，若当前液位值低于最低液位值或高于最高液位值，则报警灯亮，蜂呜器发出声音 报警。报警灯在报警时产生闪烁的效果，便于工作人员发现。 当变频器出现故障时，也会报警并停止运行，操作人员可以手动调节液位或检查变 频器，使报警解除后自动工作。 5 系统软件设计 5.1 程序设计 本设计程序为西门子 S7-200 的梯形图程序，该程序简单易懂、反应直白，编程人员 几乎不必具备计算机应用的基础知识，不用去考虑 PLC 内部结构原理和硬件逻辑，只要 有继电器控制线路的基础，就能在很短的时间内，掌握梯形图的使用和编程方法。 本设计程序主要由主程序、初始化 PID 参数子程序、档位控制子程序、一号电机自 动运行、二号电机自动运行、三号电机自动运行、电极管理子程序、自动挡增/减电机子 程序、手动控制子程序、采样及 PID 运算中断程序。系统主程序主要是完成硬件初始化 和循环检测。PLC 的软元件分配表如表 5-1 所示。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 17 表 5-1 软元件分配表 控制元件地址 泵号管理 VB12 规律控制 VB11 手动增减泵 VB13 自动运行标志 M20.0 泵号切换延时 T39 定时中断 SMB34 微分时间 VD524 积分时间 VD520 采样设时 VD516 增益 VD512 自动减泵定时 T38 自动增泵定时 T37 一秒脉冲 SM0.5 变频频率 VW498 液位设定值 VD504 输出控制值 AQW0 PID 输出 VD508 PID 开始 VB500 采样数据 AIW0 采样输入值 VD500 一天计时 VD3000 5.2 PID 控制算法 控制领域中最经典的、也是应用最广泛的控制规律是PID控制，而且现代控制、智能 控制算法也可以与PID结合。PID调节器从问世至今已历经了半个多世纪。已经成为过程 控制中应用最广泛的一种控制规律,据不完全统计工业控制的控制器中PID类控制器占 90以上。在这几十年中，随着控制理论和计算机技术的发展，PID也得以不断发展并 成为工业过程控制中主要的和可靠的技术工具。在工业生产控制的发展历程中，PID控 制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。尽管自1940以来，许多先进的控制方法不 断推出。但PID控制器以其结构简单、对模型具有易操作等优点，仍被广泛应用于冶金、 化工、电力、轻工、机械和自动化等工业过程控制中。PID控制器以其结构简单、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， 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 18 最适合用PID控制技术。 控制系统至少由被控对象、测量变送器、控制器及执行器等部分组成。控制器是控制 系统的核心，被控对象在外界的各种扰动作用下，使得被控变量偏离给定值，要想达到 被控变量的恒定值，首先由变送器对被测址进行检侧，感受被控变量的变化并将它转换 成电流信号，然后控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与设定值信号进行比较得 出偏差(以符号e表示);根据偏差的大小及变化趋势，按一定的控制规律进行运算后，将 运算结果用特定的电流信号发送给执行器，最后执行器自动地根据控制器送来的信号值 相应地改变流入(或流出)被控对象的水量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。由此 可见，控制器在控制系统中起着非常重要的作用，是整个控制系统的核心和灵魂。PID 控制也就是比例积分徽分控制，它是控制器控制规律中的一种。按照测量变送器送来的 信号与给定值进行比较，得到偏差信号，并以预先设定的参数(比例系数、积分时间、微 分时间)进行运算.且将运算结果送至执行器，本设计中的执行器是调压模块。 PID控制器是一种线性控制器。如图7所示 基本 PID 控制规律由比例（Proportional） 、积分（Integral） 、微分（Derivative）三项组成， 其理想算式为 （5-1） () = () + 1 0 () + () 式中 控制器（也称调节器）的输入 () 控制器的输入（常常是设定值与被控量之差，即 () ） () = () - () 被被控控对对象象K Kp p/ /T Ti is s - - R R( (s s) ) K Kp p K Kp pT Ti is s E E( (s s) ) U U( (s s) )C C( (s s) ) + + 图 5-1 基本 PID 系统 控制器的比例放大系数 控制器的积分时间 控制器的微分时间 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 19 对式（5-1）做拉氏变换，可的 PID 控制器的传递函数 （5-2） () () = () = 1 + 1 + = + 1 + 在 PID 的实际运算中，可以根据对象特征和控制要就，灵活地选取其中一部分。例 如，P 控制器、PI 控制器、PD 控制器和 PID 控制器等，其中应用最多的是 PI 控制器。 在 DDZ型组合仪表中，常规 PID 控制算法由于在参数经常放生变化时，可以根据 经验进行在线整定并可获得预期的控制效果，因此广泛应用于工业领域。但数字 PID 控 制算法其控制精度高于仪表中设置的 PID 的简单组合，因此在液位控制系统中我们将 PLC 与上位机取代了 DDZ型模拟仪表。但是对于普通 PID 数字控制器，在过程启动、 停止或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成 PID 运算的积分 积累，致使控制量超过执行机构可能的最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统 较大超调，甚至引起震荡，同时也增大了调节时间。因此在系统启停阶段或大幅值调整 时，采用积分分离 PID 控制算法，只加比例、微分运算，取消积分校正。而当实际液位 与给定液位的误差小于一定值时，则恢复积分校正作用，以消除也为系统的稳态误差， 利用 PLC 的简单、直观的梯形图编程功能，可以方便的确定积分分离 PID 控制进程，实 现液位系统的积分分离 PID 控制，改善系统的控制性能，减少超调量，缩短调整时间。 加入一个负向阶跃扰动时积分分离 PID 与普通数字 PID 控制效果的比较如图 5-2 所 示 可见积分分离控制超调较小，若加大的值，则上升时间将减小。 PLC 采用积分分离 PID 控制算法使用不同 PID 参数的控制效果如图 5-3（1） 、 （2） 、 （3） 、 （4）所示。增大比例系数，可加快系统动态过程，但系统易产生超调和震荡。如 图 5-3、5-4、5-5 所示。积分环节主要用于消除静差，但对系统的动态性能有不良影响。 微分项可以使系统的跟随性即时成比例的反映控制系统的偏差信号，它能反映偏差的变 化趋势并能在偏差信号值变太大之前，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，如图 5-3(3)、(4)所示。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 20 (a)积分分离 PID （b）普通数字 PID =10 =1 =32 图 5-2 积分分离 PID 与普通数字 PID 比较 =30 =1 =30 =18 =1 =30 图 5-3 积分分离改变 PID 参数效果图（1） 图 5-3 积分分离改变 PID 参数效果图（2） y y t t y y t t t t y y y y t t y y t t y y t t 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 21 =10 =1 =30 =11 =1 =15 图 5-3 积分分离改变 PID 参数效果图（3） 图 5-3 积分分离改变 PID 参数效果图（4） 5.3 组态王仿真 概述 “组态王”是运行于 Microsoft Windows 2000fNT 中文平台的全中文界面的组态软件， 采用了多线程、COM 组件等新技术，实现了实时多任务，运行稳定可靠。它由工程浏览 器（Touch Explorer）、工程管理器（ProjManager）和画面运行系统（TouchVew）三部 分组成。在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构造、定 义外部设备等工作；工程管理器内嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管 理。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统 TOUCHMAK 和工程运行系统 TOUCHVEW 来完成的。 TOUCHMAK 是应用工程的开发环境。您需要在这个环境中完成画面设计、动画连 接等工作。TOUCHMAK 具有先进完善的图形生成功能；数据库提供多种数据类型，能 合理地提取控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能 都有简洁的操作方法。 PROJMANAGER 是应用程序的管理系统。PROJMANAGER 具有很强的管理功能，可 用于新工程的创建及删除，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据词典 的导入和导出。 TOUCHVEW 是“组态王 6.0x”软件的实时运行环境，在应用工程的开发环境中建立的 图形画面只有在 TOUCHVEW 中才能运行。TOUCHVEW 从控制设备中采集数据，并存 在于实时数据库中。它还负责把数据的变化已动画的方式形象地表示出来，同时可以完 成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并按实际需求记录在历史数据库中。 建立一个新工程 组态王工程管理器的主要作用是为用户集中管理本机上的组态王工程。工程管理器 的主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索组态王工程，修改工程属性， 工程的备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。新建工程 过程如图 5-4、5-5、5-6 所示。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 22 图 5-4 图 5-5 图 5-6 设计画面 为建立一个新的画面：在工程浏览器中左侧的树形结构中选择“画面” ，在右侧视图 中双击“新建”工程浏览器将弹出“新画面”对话框。 如图 5-7 所示。 绘制图素的主要工具放置在图形编辑工具箱内。当画面打开时，工具箱自动显示。 如果工具箱没有出现，选择菜单“工具/显示工具箱”或按 F10 键打开它。工具箱中各种 基本工具的使用方法和 Windows 中的“画笔”很类似。如图 5-8 所示。 选择菜单“图库/打开图库”或按 F2 键打开图库管理器。使用图库管理器降低了工 程人员设计界面的难度，用户更加集中精力于维护数据库和增强软件内部的逻辑控制， 缩短开发周期；同时用图库开发的软件将具有统一的外观，方便工程人员学习和掌握； 另外利用图库的开放性，工程人员可以生成自己的图库元素。 图 5-7 图 5-8 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 23 在图库中选择所需要的图形，然后经过组合连接成液位控制系统的模拟画面如图 5- 9 所示。 图 5-9 定 义设 备和 变量 组 态王 把那 些需 要与 之交 换数 据的 设备 或程 序都 作为外部设备。外部设备包括：下位机（PLC、仪表、模块、板卡、变频器等） ，它们一 般通过串行口和上位机交换数据；其他 Windows 应用程序，它们之间一般通过 DDE 交换 数据；外部设备还包括网络上的其他计算机。 只有在定义了外部设备之后，组态王才能 通过 I/O 变量和它们交换数据。为方便您定义外部设备，组态王设计了“设备配置向导” 引导您一步步完成设备的连接。 本教程中使用仿真 PLC 和组态王通信。仿真 PLC 可以模 拟 PLC 为组态王提供数据。假设仿真 PLC 连接在计算机的 COM1 口。设备定义完成后， 您可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备 “PLC1” 。在定义数据库变量时，您只 要把 I/O 变量连结到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。数据库是“组态王” 最核心的部分。在 TOUCHVEW 运行时，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏 幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数 据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。 数据库中变量的集合形 象地称为“数据词典” ，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。如图 5-10、5-11 所示对变量进行定义。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计 24 图 5-10 图 5-11