小型集散控制系统-过程控制-温度流量测量.doc

摘要该系统是一个小型集散控制系统，装有组态王工控软件的上位计算机完成对被控对象的模拟和监控(SCADA)，通过 RS一232RS485和下位机 PLC串口通信，下位机由西PLC(s7200)组成，实时检测被控对象的温度、压力、液位、流量四个参数，把采集到的数据进行处理和保存，并根据控制要求进行 PID 运算，运算结果控制执行器动作，执行器为电动调节阀、变频器和电动机。并以串级控制系统为例，说明了过程控制系统的组态及实验步骤。实践证明，该实验装置充分模拟工业控制现场，操作简单 ，实验效果良好。关键词：过程控制 组态王6.0 实验系统 PLC目录1 绪论31.1 引言31.2 系统结构设计31.3 设计目的与要求42 PLC的选型52.1 西门子S7-200PLC系统概述52.2 西门子S7-200PLC的CPU及扩展模块62.2.1 中央处理单元（CPU）72.2.2 数字量扩展模块82.2.3 模拟量扩展模块102.3 模拟量扩展模块的选择112.3.1 输入扩展模块EM231112.3.2 输出扩展模块EM232132.3.3 输入输出扩展模块EM235153 过程仪表的选择193.1 液位传感器193.2 电磁流量传感器、电磁流量转换器193.3 温度测量203.4 压力检测变送213.5 电动调节阀213.6 变频器223.7 水泵223.8交流固态继电器SSR224 系统组态设计234.1流程图与组态图234.2组态画面244.3动画连接254.4 PID控制算法255 计算机和PLC的通信285.1 串行通信接口285.2 RS-232/RS485的接口信号286 基于组态王的上位机监控界面开发296.1 组态王通用版软件的结构296.2 组态王和下位机通讯297 显示仪表的选择30结论30致谢31参考文献311 绪论 1.1 引言最近一二十年我国工业生产自动化的领域扩大了，自动化技术快速向过程控制发展，各工科院校自动化类专业大都开设了过程控制类课程。但由于缺乏较 好的实验设施，影响了教学质量和人才培养质量。为了加强实践环节、培养学生的工程意识，我校新建了过程控制实验室，选用沈飞电子科技发展有限公司制造的JBSGK02大型过程控制实验装置。该装置对温度、压力、液位、流量四个典型控制参数进行检测和控制，可以方便的组合成多种控制实验，特别是本实验装置可组成耦合程度可调的双输入双输出控制系统，可通过调节手调阀的开度来调节耦合程度。还可通过计算机(用组态王软件定义的各种画面与PLC通讯)对系统进行监控。在双容液位控制中用简单的方法设计了非线性控制对象 ，构成非线性控制。这在国内同类装置中还属首创。1.2 系统结构设计1系统组成根据用户要求，该控制系统为两级分布式结构，第一级为计算机，由组态软件开发现场监控和数据采集系统(SCADA)，通过RS-232/RS485和下位机 PLC串口通信，第二级由下位机PLC组成，实时检测被控对象的温度、压力、液位、流量四个参数，把采集到的数据进行处理和保存。并根据控制要求进行 PID运算，运算结果控制执行器动作，执行器为电动调节阀、变频器 和电动机。上位机操作系统选用 Windows XP，监控软 件选用组态王60。计算机作为上位机可以提供良好的人机界面，进行全系统的监控和管理；PLC作为下位机，执行可靠有效的分散控制。在控制系统中，一般计算机仅用于编程、参数设定和修改、图形和数据的在线显示，并没有直接参与现场控制，现场上的控制执行者是PLC。系统组成框图见图 1.1。系统框图如图1.1所示。上位计算机 被 控 对象 PLC及模拟量扩展模块检测变送器执行器 图1.1 系统控制框图2 控制方案在本系统中以一个水箱和两个水槽为被控对象，实时检测被控对象的温度、压力、液位、流量四个参数，把采集到的数据进行显示，并送入PLC根据要求进行PID运算，运算结果控制执行器的动作，执行器为电动调节阀、变频器和电动机，从而达到过程控制参数的控制要求。上水箱液位和管道流量，这两个参量具有相关联系，流量的大小可以影响上水箱液位，根据流量与液位的关系，故系统采用串级控制，内环为流量控制，外环为液位控制。内环与外环的控制算法均采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好。外环液位控制器的输出作为内环流量控制器的设定值，流量控制器的输出来控制调节阀的大小，来控制管道流量的大小，进而控制上水箱液位。1.3 设计目的与要求1设计目的（1）加深对过程控制系统基本原理的理解和对过程仪表的实际应用能力。（2）培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力。 (3) 掌握组态软件的使用、自动化仪表的选择、PLC和变频器在过程控制系统中的应用，以及集散控制系统的组成。（4） 发扬理论联系实际的作风，增强相关知识点的贯穿能力，从而培养分析问题和解决问题的能力。 2设计要求 （1） 设计一个小型集散控制系统，装有组态王工控软件的上位机算机完成对被控对象的模拟和监控。 （2） 通过RS-232/ RS-485和下位机PLC串口通信，完成对被控对象的自动控制。 （3） 被控对象的主要参数主要有：温度：0100；液位：0400mmH2O;压力：00.06MPa;流量：1001000L/H。 （4） 输出规格：电动调节阀：电流输入420mA，对应阀开度 0100；电动机050Hz,对应转速03000r/min。2 PLC的选型此系统采用西门子S7-200，西门子S7-200是西门子公司S7系列PLC的重要产品，是西门子全自动核心组成部分，凭借强大的运算处理能力、灵活的通信扩展能力、强大的控制能力和可靠的稳定性，已成为全球市场占有率最高的PLC产品，在我国已有广泛的应用，并推出具有中国特点的S7-200 CN PLC产品。2.1 西门子S7-200PLC系统概述 西门子S7-200PLC系统采用模块化设计，属紧凑型可编程程序控制器，控制系统的硬件由CPU模块、各种扩展模块和附加硬件组成，其控制系统构成形式如图2-1所示。使用时，选择好CPU和其他相关扩展模块，与附加的硬件组成满足需要的系统。S7-200产品还具有极高的性价比。工业控制软件计算机S7-200 CPUEM扩展模块1EM扩展模块2EM扩展模块n其它设备通信网络设备TP触摸屏TD文本显示图1.2 S7-200PLC控制系统构形式S7-200产品还具有极高的性价比：-*极高的可靠性-*极丰富的指令集-*易于掌握-*便捷的操作-*丰富的内置集成功能-*实时特性-*强劲的通讯能力-*丰富的扩展模块2.2 西门子S7-200PLC的CPU及扩展模块S7-200系列PLC产品由中央处理单元、数字量扩展模块、模拟量扩展模块、热电偶或热电阻扩展模块、通信模块、位置控制模块和附加硬件等构成。2.2.1 中央处理单元（CPU）S7-200系列PLC产品提供了4个不同的基本型号，它们是CPU221、CPU222、CPU224（或CPU224XP）和CPU226。1.S7-200 CPU的外形结构 S7-200系列PLC的主机模块将一个微处理器、一个集成电源和一定数量的数字量I/O端子集成分装在一个独立、紧凑的设备中，从而形成一个功能强大的微型PLC。CPU 224主机的结构外形如图2-2所示。图2-1 S7-200系列 CPU结构2. S7-200 CPU规格与性能参数CPU 221本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1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。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU 222本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1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。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU 224 本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K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。1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。是具有较强控制能力的控制器。CPU 224XP 本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，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。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。CPU 226 本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。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。13K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。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。3.S7-200 CPU外插卡S7-200 CPU外插卡主要有存储卡、实时时钟卡和电池卡。2.2.2 数字量扩展模块1.数字量I/O模块的种类S7-200 PLC系列目前可以提供3大类，共10种数字量I/O扩展模块。（1） 输入扩展模块EM221有2种类型：8端子24V DC输入，光耦隔离；16端子24V DC输入，光耦隔离。（2） 输出扩展模块EM222有2种类型：8端子24V DC输出型；8端子继电器输出型。（3） I/O扩展模块EM223有6种类型：24V DC 4输入/4输出；24V DC 4输入/继电器4输出；24V DC 8输入/8输出；24V DC 8输入/继电器8输出；24V DC 16输入/16输出；24V DC 16输入/1继电器16输出。2.技术指标数字量扩展模块主要参数性能指标如表2-1所示。 表2-1 EM221、EM222、EM222（继电器）、EM223主要参数性能指标技术指标EM221EM222EM222（继电器型）EM223（4输入4输出尺寸（WHD）质量（g）功耗（W）71.2mm80mm62 mm160371.2mm80mm62 mm160371.2m80mm62 mm1671.2m80mm62 mm160输入类型漏型/源型（IEC类型）过零触发固态干触点（继电器）漏型/源型输入电压浪涌电压/电流额定值逻辑1信号（最小）逻辑0信号（最大）20.430V DC35V DC,0.5s24V DC,4mA15V DC或2.5 mA5V DC或1mA20.430V DC35V DC,0.5s24V DC,4 mA15V DC或2.5 mA5V DC或1mA20.4.V DC24V DC/(继电器)2V DC.20.430V DC35V DC,0.5s24V DC,4 mA15V DC或2.5 mA5V DC或1mA光隔离隔离点（组）500V AC，1min 4端子500V AC，1min4端子, 1组单独隔离,4端子屏蔽电缆长度（m）非屏蔽电缆长度（m）500300500150500150500300(150m输出）延迟时间（最大）4.5ms0.5ms(OFFON)2.0ms(ONOFF)0.5ms(OFFON)2.0ms(ONOFF)4.5ms(0.5/2.0ms输出OFFON)3数字量I/O模块的使用 （1）I/O端子数：数字量I/O模块有端子、端子、端子，可根据输入、输出信号数量配置。(2)电压等级：数字量I/O模块的电压有直流、等和交流、。（）门槛电平：逻辑门电路导通和关断过程中，输入端子的接通电平和关断电平之差称为门槛电平。门槛电平越高，传输距离越远，抗干扰能力越强。（）漏电流干扰：在逻辑电路中，信号的理想状态是驱动信号的电压始终保持恒定值，信号状态不变。（）输出方式： 数字系统有种输出方式：晶体管输入出、晶闸管输出和继电器输出。（）输出电流：晶体管、晶闸管或继电器作输出元器件时，它们都有额定的输出电流，即一定的负载能力，在所有的控制系统中，输出元器件的负载能力必须大于负载电流，尤其是能产生冲击电流的负载，所选用的输出元器件的过电流能力要有充分余地。（）输入信号元器件：数字量I/O模块能处理的是数字信号，数字信号只有两种状态。（）I/O地址：数字I/O模块将输入信号对应端子排的编号编制成对应的二进制代码，输入数字系统，作为信号数据的存储地址，在输出侧该二进制代码值是不变的。2.2.3 模拟量扩展模块1.模拟量模块的种类S7-200PLC系列目前总共可以提供种模拟量I/O扩展模块，分别是EM2314路模拟量输入、EM2322路模拟量输出、EM2354路模拟量输入/模拟量输出。.技术指标 模拟量扩展模块主要参数如表2-2所示。表2-2 模拟量扩展模块主要参数分类型号I/O规格功能及用途模拟量扩展模块EM231AI412位4路模拟输入，12位A/D转换AI4热电偶4路热电偶模拟输入AI4RTD4路热电阻模拟输入EM232AQ212位2路模拟输出EM235AI4/AQ1124模拟输入，1模拟输出，12位转换3.模拟量量I/O模块的使用PLC数字系统输入，更不能处理连续性的模拟量。但是，自动控制系统中所控制的绝大多数是模拟量。为了使数字系统能够处理模拟量，则要选择模拟量I/O模块。（1）要使输入元件采集的信号通过I/O模块转换为适合于数字系统处理的数字信号。输入元器件采集的模拟信号可能是某一物理量，如温度、压力、速度、位移等。对于这些模拟量要使用相应的传感器，转换为模拟电压（或电流）信号，经A/D转换成标准电压（或电流）的数字信号。 输入信号标准：单极性电压05V；双极性电压-2.5+2.5V、-5+5V；电流标准信号020mA、420 mA。输出信号标准值：单极性电压010V；双极性电压-10+10V；电流标准信号020mA、420 mA。 如果传感器（或变送器）与I/O模块距离较远，应选用电压等级较大的传感器、变送器和I/O模块。 （2）模拟量I/O模块具有将输入的模拟量转化为数字量，输入数字系统加以处理，将输出的数字量转换为模拟量去驱动负载的功能，并且采取了屏蔽、滞后补偿、滤波放大和光耦合等干扰措施。因此，在配置模拟量I/O模块时，除了考虑输入元器件与数字系统信号的耦合之外，重点应慎视信号在传输过程中的分辨率、精确度和传输时间等参数指标复合系统要求，且应择优选用。 （3）I/O模块的输出功率要大于受控元器件所需要的功率，使配置的I/O模块具有足够驱动和过载能力。2.3 模拟量扩展模块的选择2.3.1 输入扩展模块EM231 1 .EM 231 模拟量输入，输出和组合模块的技术规范EM 231模拟量输入模块（ 4输入12位）尺寸(W x H x D) 重量 功率损失(耗散) 71.28062mm 183 g 2 W 点数 4路模拟量输入 功率损耗 +5V DC(从I/O总线) 20mA 从L+ 60 mA L+电压范围第2级或DC传感器供电 20.428.8 LED指示器 24V DC状态 亮=无故障灭=无24V DC电源 模拟量输入特性 模拟量输入点数 4 隔离(现场与逻辑电路间) 无 输入类型 差分输入 电压(单极性) 电压(双极性) 电流 010V，05V 5V，2.5V 020mA 输入分辨率 电压(单极性) 电压(双极性) 电流 2.5mV(010V时) 1.25mV(05V时) 2.5mV(5V时) 1.25mV(2.5V时) 5A(020mA时) 模数转换时间 250s 模拟量输入响应 1.5ms95% 共模抑制 40dB，DC to 60Hz 共模电压 信号电压+共模电压(必须小于等于12V) 数据字格式 双极性，全量程范围 单极性，全量程范围 -32000+32000 032000 输入阻抗 大于等于10M 输入滤波器衰减 -3db3.1KHz 最大输入电压 30V DC 最大输入电流 32mA 分辨率 12位A/D转换器 2.EM 231端子连接图3.EM 231 CN配置表2-3所示为如何用DIP开关设置EM 231 CN模块。开关1、2和3可选择模拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。下表中，ON为接通，OFF为断开。 表2-3 EM 231 CN选择模拟量输入范围的开关表 单极性 满量程输入 分辨率 SW1 SW2 SW3 ON OFF ON 0到10V 2.5mV ON OFF 0到5V 1.25mV 0到20mA 5uA 双极性 满量程输入 分辨率 SW1 SW2 SW3 OFF OFF ON 5V 2.5mV ON OFF 2.5V 1.25mV 2.3.2 输出扩展模块EM2321. EM232模拟量模块的技术规范EM232模拟量模块尺寸(W x H x D) 重量 功率损失(耗散) 468062mm 148 g 2 W 点数 2路模拟量输出 功率损耗 +5V DC(从I/O总线) 20 mA 从L+ 70mA(带2路输出20mA) L+电压范围第2级或DC传感器供电 20.428.8 LED指示器 24V DC状态 亮=无故障灭=无24V DC电源 模拟量输出特性 模拟量输出点数 2 隔离(现场侧到逻辑线路) 无 信号范围 电压输出 电注输出 10V 020mA 数据字格式 电压 电流 -32000+32000 0+32000 分辨率全量程 电压 电流 12位 11位 精度 最差情况,（055） 电压输出 电流输出 满量程的2% 满量程的2% 典型情况（25） 电压输出 电流输出 满量程的0.5% 满量程的0.5% 稳定时间 电压输出 电流输出 100s 2mS 最大驱动24V用户电源 电压输出 电流输出 最小5000 最大500 2.EM 232端子连接图3.EM 232输出数据字格式图2-4为CPU中模拟量输出字中12位数据值的存放位置 注意:数字量到模拟量转换器（DAC）的12位读数，其输出数据格式是左端对齐的，最高有效位：0表示是正值数据字，数据在装载到DAC寄存器之前，4个连续的0是被裁断的，这些位不影响输出信号值。 2.3.3 输入输出扩展模块EM2351.EM 235 CN模拟量输入，输出和组合模块的技术规范说明 EM 235 CN AI4/AQ1 x 12位 通用技术规范尺寸(W x H x D)重量功耗点数71.28062mm186 g2 W4路模拟量输入，2路模拟量输出(实际的物理点数为：4输入，1输出)功率损耗+5V DC(从I/O总线)30mA从L+60mA(带输出20mA)L+电压范围，第2级或DC传感器供电20.428.8LED指示器24V DC状态亮=无故障，灭=无24V DC电源模拟量输入特性模拟量输入点数4隔离(现场与逻辑电路间)无输入类型差分输入输入范围电压(单极性)电压(双极性)电流010V，05V，01V，0500mV,0100mV,050mV10V，5V，2.5V，1V，500mV,250mV,100mV50mV,25mV020mA输入分辨率电压(单极性)电压(双极性)电流12.5V(050mV)25V(0100mV)125V(0500mV)250V(01V)1.25mV(05V)2.5mV(010V)12.5V(25mV)25V(50mV)50V(100mV)125V(250mV)250V(500mV)500V(1V)1.25mV(2.5V)2.5mV(5V)5mV(10V)5A(010mA时)模数转换时间250s模拟量输入响应1.5ms95%共模抑制40dB,DC to 60HzEM 235 CN共模电压信号电压+共模电压(必须小于等于12V)数据字格式单极性，全量程范围 -32000+32000双极性，全量程范围 032000-32000+320000032000输入阻抗大于等于10M输入滤波器衰减-3db3.1KHz最大输入电压30V DC最大输入电流32mA分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1隔离(现场侧到逻辑线路)无信号范围电压输出电注输出10V0 到 20mA数据字格式电压电流-32000+320000+32000分辨率，满量程电压电流12位11位精度最坏情况，055电压输出电流输出满量程的2%满量程的2%典型值，25电压输出电流输出满量程的0.5%满量程的0.5%设置时间电压输出电流输出100s2mS最大驱动24V用户电源电压输出电流输出最小 5000最大5002.EM 235 CN端子连接图3.EM 235 CN配置表2-5所示为如何用DIP开关设置EM 235 CN模块。开关1到6可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。表A-14所示为如何选择单/双极性（开关6）、增益（开关4和5）和衰减（开关1、2和3）。下表中，ON为接通，OFF为断开。 表2-5 EM 235 CN选择模拟量输入范围和分辨率的开关表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0到100mV25VONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFOFF25mV12.5VOFFONOFFONOFFOFF50mV25VOFFOFFONONOFFOFF100mV50VONOFFOFFOFFONOFF250mV125VOFFONOFFOFFONOFF500250VOFFOFFONOFFONOFF1V500VONOFFOFFOFFOFFOFF2.5V1.25mVOFFONOFFOFFOFFOFF5V2.5mVOFFOFFONOFFOFFOFF10V5mV表2-6 EM 235 CN选择单/双极性、增益和衰减的开关表EM 235 CN开关单/双极性选择增益选择衰减选择SW1SW2SW3SW4SW5SW6 ON单极性 OFF双极性 OFFOFF X1 OFFON X10 ONOFF X100 ONON 无效 ONOFFOFF 0.8OFFONOFF 0.4OFFOFFON 0.23 过程仪表的选择3.1 液位传感器液位传感器用来对上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。可方便地与其它DDZX型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。效验的方法时通电预热15分钟后，分别在零压力和满量程压力下检查输出电流。在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。液位传感器用来对上水箱和中位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标准信号输出。3.2 电磁流量传感器、电磁流量转换器流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。根据本系统装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量00.3/h，压力1.6Mpmax，4-20mA标准信号输出。可与显示，记录仪表，计算器或调节器配套。避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到系统的要求。主要优点：(1)采用整体焊接结构，密封性能好；(2)结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损坏；(3)采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；(4)仪表反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比宽；流量转换器采用LDZ-4型电磁流量转换器，与LDS-10S型电磁流量传感器配套使用，输入信号：00.4mV输出信号:420mADC，允许负载电阻为0750欧姆，基本误差：输出信号量程的3.3 温度测量在化工生产中温度是个最常见和非常重要的物理参数。由于物体的很多物理及化学性质都与温度有关，很多生产过程都必须在适当的温度下才能进行，因此，对温度进行精确的测量和控制十分重要。热电阻温度计的原理是利用导体或半导体的电阻随温度变化这一特性。热电阻温度计的主要优点有：测量精度高，复现性好；有较大的测量范围，尤其是在低温方面；易于使用在自动测量中，也便于远距离测量。同样，热电阻也有缺陷，在高温（大于850）测量中准确性不好；易于氧化和不耐腐蚀。 目前，用于热电阻的材料主要有铂、铜、镍等，采用这些材料主要是它们在常用温度段的温度与电阻的比值是线性关系，我们这里主要介绍铂电阻温度计。 铂是一种贵金属，它的物理化学性能很稳定，尤其是耐氧化能力很强，它易于提纯，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝，与铜，镍等金属相比，有较高的电阻率，复现性高，是一种比较理想的热电阻材料，缺点是电阻温度系数较小，在还原介质中工作易变脆，价格也较贵。铂的纯度通常用百度电阻比来表示： W(100)=R100/R0 R100表示100时的电阻值；R0表示0时的电阻值 根据IEC标准，采用W(100)=1.3850 初始电阻值为R0=100（R0=10）的铂电阻为工业用标准铂电阻，R0=10的铂电阻温度计的阻丝较粗，主要应用于测量600以上的温度。铂电阻的电阻与温度方程为一分段方程： Rt=R01+At+Bt2C(t100)t3 t 表示在2000 Rt=R0(1+At+Bt2) t表示在0850 解此方程，则可根据电阻值已知温度值，但实际工作中，我们可以查热电阻分度表来根据电阻值确定温度值。 三线制铂热电阻测量方法： 铂热电阻有两线制，三线制，四线制几种，两线制在测量中误差较大，已不使用，现在工业用一般是三线制的，实验室用一般为四线制。这里主要介绍下三线制铂热电阻的接线。如下图所示，三线制铂热电阻是在电阻的a端并联一个c端，从而实现电阻引出a，b，c三个接线端子，这样，由b导线引入的测量导线本身的电阻，可以由c导线来补偿，使引线电阻不随温度变化而引入的引线电阻误差的影响减小很多。在秦山二期使用的三线制伯热电阻，在二次仪表中，均有可变阻值的电桥，根据所配合的铂热电阻的量程不同，可以对二次仪表的电桥中的铂热电阻进行微调，能进行更精确的测量。为了提高测量精度，热电阻测温时采用三线制接法，如图3.1所示。3.4 压力检测变送 在现代工业生产中，压力的检测与控制是保证工艺要求、生产设备和人生安全并使生产过程正常运行的必要条件。本设计中讨论压力的就地检测指示。由于，弹性式压力表具有结构牢固、价格便宜、使用方便、测压范围宽（真空到1000MPa的超高压）、测量精度较高（可达0.05级以上）等特点，在工业生产过程中获得了最广泛的使用。根据设计要求压力检测范围为0-0.06MPa。所以，就地压力指示选用单圈弹簧管压力表。具体的选用原则是：测量较平稳压力时，压力表的上限值应为被测压力最大值的4/3倍；测量波动较大压力时，压力表的上限值应为被测压力最大值的3/2倍；为了保证精度，被测压力的最小值一般不应小于仪表量程的1/3。根据国家标准系列产品手册选用精度14级的压力表。选用差压变送器测量出水口压力并产生超高压报警电信号，使报警器产生报警。3.5 电动调节阀电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄露量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀位反馈信号输出双导向单座住塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关端力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。3.6 变频器三菱FR-S520变频器，4-20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或三相供电，频率可高达200HZ。3.7 水泵采用丹麦格兰富循环水泵。噪音低，寿命长。功率小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。3.8交流固态继电器SSR本设计采用“时间比例控制5-30VSSR控制信号输出”方式。在此，对交流固态继电器SSR原理和应用进行说明，典型应用如图3.2所示。交流固态继电器SSR(solid state releys)是一种无触点通断电子开关，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专业光电耦合器。当PID调节器施加输入信号后，其主回路呈导通状态，无信号时呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用电磁继电器一样的功能。它于1974年由美国OPTO22公司发明，由于它的无触点工作特性，在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。 图3.2 采用SSR控制负载,必须考虑一些特殊的负载条件,以避免过大的冲击电流和过电压,对器件性能造成不必要的损坏。白炽灯、电炉等类的“冷阻”特性,造成开通瞬间的浪涌电流,超过额定工作电流值数倍。一般普通型SSR,可按电流值的2/3选用。增强型SSR,可按厂商提供的参数选用。在恶劣条件下的工业控制现场,应留有足够的电压、电流余量。4 系统组态设计4.1流程图与组态图1. 流程图系统流程图如图4.1所示。图4.1 系统流程图2. 组态图系统组态图如图4.2所示。图4.2 系统组态图4.2组态画面4.3动画连接4.4 PID控制算法1常规PID参数设置在模拟过程控制中，PID控制算式为u(t)=Kcet+1T1etdt+TDdetdt将积分与微分项分别改成差分方程，得etdtj=0kTejde(t)dtek-e(k-1)T式中 T采样周期（或控制周期）； k采样序号，k=0,1,2；e(k-1)、e(k)第（k-1）和第k次采样所得的偏差信号。将式2和式3代入式1，可得数字PID算式uk=Kcek+TT1j=0kej+TDTek-e(k-1)式中 u(k)第k时刻的控制输出（控制量）。uk=Kcek-ek-1+TT1ek+TdTek-2ek-1+ek-2uk=Kcek-ek-1+K1ek+Kdek-2ek-1+e(k-2)K1=KcTT1,Kd= KcTdT ,Kc=1KC-比例增益，K1-积分增益，Kd-微分增益，通过调节 Kc,K1,Kd三个参数可使系统达到要求的设计指标。启动PID参数自整定程序，可自动计算PID参数，少数自整定不成功的系统可按以下方法设置PID参数。（1）.P参数设置如果不能肯定比例调节系数P值，先将P值设大（如30%），以避免开机出现超调和振荡，运行后再逐步调小，加强比例作用，提高系统快速性，最终调到系统能快速响应又不出现超调或振荡为佳。（2）.I参数设置如果不能肯定积分时间参数I值，先将I值设大（如1800S），（I）3600，积分作用去除），系统运行后先调好P值，再逐步调小I值，以系统能快速消除静差进入稳太，不出现超调或振荡为佳。（3）.D参数设置如果不能肯定微分时间参数D值，先将D值设为0，系统运行后先调好P和I参数，P、I确定后再逐渐增加微分作用，以改善系统响应的快速性，以系统不出现振荡为佳（多数系统可不加微分作用）。2 PID位置控制算法根据液位流量串级控制系统的原理，运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写语言实现PID控制算法。本系统采用PID位置控制算式，其控制算式如下： 上述算式中，Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间，以u(k)作为计算机的当前输出值，以sp作为给定值，pv作为反馈值即AD设备的转换值e(k)作为偏差。PID控制算法流程图如图4.3所示。取sp , pv形成偏差e(k)取a0 , e(k)做乘法取a1 , e(k-1)做乘法取a2 , e(k-2)做乘法做a2e(k-2)减a1e(k-1)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)做a2e(k-2)-a1e(k-1)+ a0e(k)+u(k-1)输出u(k)数据传送：u(k)u(k-1)数据传送：e(k)e(k-1)e(k-1) e(k-2)图4.3 PID控制算法流程图5 计算机和PLC的通信5.1 串行通信接口串行通信接口标准经过使用和发展,目前已经有几种。但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。所以,以RS-232C为主来讨论。RS-323C标准是美国EIA(电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题,如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备,因此,它作为一种标准,目前已在微机通信接口中广泛采用。5.2 RS-232/RS485的接口信号RS-232C规标准接口有25条线,4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线,常用的只有9根,它们是：联络控制信号线：数据装置准备好（Datasetready-DSR)有效时（ON）状态,表明MODEM处于可以使用的状态。数据终端准备好(Datasetready-DTR)有效时（ON）状态,表明数据终端可以使用。这两个信号有时连到电源上,一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效,只表示设备本身可用,并不说明通信链路可以开始进行通信了,能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。请求发送(Requesttosend-RTS)用来表示DTE请求DCE发送数据,即当终端要发送数据时,使该信号有效（ON状态）,向MODEM请求发送。它用来控制MODEM是否要进入发送状态。允许发送（Cleartosend-CTS）用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据,是对请求发送信号RTS的响应信号。当MODEM已准备好接收终端传来的数据,并向前发送时,使该信号有效,通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中,因配置双向通道,故不需要RTS/CTS联络信号,使其变高。接收线信号检出(ReceivedLinedetection-RLSD)用来表示DCE已接通通信链路,告知DTE准备接收数据。当本地的MODEM收到由通信链路另一端（远地）的MODEM送来的载波信号时,使RLSD信号有效,通知终端准备接收,并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据后,沿接收数据线RxD送到终端。此线也叫做数据载波检出(DataCarrierdectection-DCD）线。振铃指示(Ringing-RI)当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时,使该信号有效（ON状态）,通知终端,已被呼叫。数据发送与接收线：发送数据(Transmitteddata-TxD)通过TxD终端将串行数据发送到MODEM,(DTEDCE)。接收数据(Receiveddata-RxD)通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据,(DCEDTE)。地线有两根线SG、PG信号地和保护地信号线,无方向。上述控制信号线何时有效,何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如,只有当DSR和DTR都处于有效（ON）状态时,才能在DTE和DCE之间进行传送操作。若DTE要发送数据,则预先将