过程控制实训

实训报告用纸常 熟 理 工 学 院电气与自动化工程学院过程控制技术实训题目： 基于PLC和组态王的 流量PID控制系统 姓 名： 顾晓 学 号： ZB 班 级： ZB02151 指导教师： 周林成 起止日期： 0目录第一章 实训任务书3一、实训任务3二、实训目的3三、实训要求3四、实训内容4五、实训报告要求4六、实训进度安排4第二章 课题研究目的、意义52.1 课题的背景及发展52.2 课题研究的目的和意义6第三章 基于PLC和组态王的流量PID控制系统73.1 仪表选型73.1.1 GK-01电源控制屏73.1.2 GK-02传感器输出与显示73.1.3 GK-03单片机控制83.1.4 GK-07交流变频调速83.1.5 GK-08 PLC可编程控制93.2 硬件部分设计93.2.1 I/O口分配表和变量设置93.2.2 PLC外部接线图103.3 软件部分设计113.3.1 PLC软件通信设置113.3.2 梯形图设计11第四章 流量PID控制系统组态设计144.1 PLC与组态的建立144.2 内部变量的建立144.3 组态画面的建立154.4 组态画面调试174.4.1 组态调试过程与运行17第五章 心得体会19第六章 参考文献20第一章 实训任务书题目：基于PLC和组态王的流量PID控制系统一、实训任务本课题要求设计流量PID控制系统，涡轮流量传感器由壳体、前导向架、叶轮、后导向架、压紧圈和带放大器的磁电感应转换器等组成。当被测流体流经传感器时，传感器的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，叶轮周期性的改变磁电感应系数中的磁阻值，从而使通过线圈的磁通量周期性的发生变化而产生电脉冲信号，并经放大器放大后传送至相应的流量积算仪表，进行量或总量的计量。控制系统的任务是使管道实际流量等于给定值所要求的流量，通过PLC方式来减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。1.实训模块：1、THKGK-1过程控制实验装置GK-02、GK-07、GK-08。 2、计算机及STEP7运行环境（安装好演示程序）、MPI电缆线，组态王软件。 2.控制原理和控制要求：控制原理如图所示，测量值信号由S7-200PLC的AI通道进入，经程序比较测量值与设定值的偏差，然后通过对偏差的P或PI或PID调节得到控制信号（即输出值），并通过S7-200PLC的AO通道输出。用此控制信号控制变频器的频率，以控制交流电机的转速，从而达到控制水的流速的目的。S7-200PLC和上位机进行通讯，并利用上位机组态王软件实现给定值和PID参数的设置、手动/自动无扰动切换、实时过程曲线的绘制等功能。二、实训目的通过本次实训使学生掌握：1）实际控制方案的设计；2）编程软件的使用方法和梯形图语言的运用；2）程序的设计及实现方法；3）程序的调试和运行操作技术。从而提高学生应用PLC进行控制系统设计和调试能力，组态王设计监控界面的能力。 三、实训要求1、系统方案设计2、硬件选型和接线3、PLC控制程序设计。4、组态王监控程序设计。5、总体调试与运行。四、实训内容1、熟悉本课题相关的各个子实验；2、基于PLC和组态王流量PID控制系统；3、硬件接线图、程序清单。五、实训报告要求报告应采用统一的报告纸书写，应包括评分表、封面、目录、正文、收获、参考文献。报告中提供如下内容：1、目录2、正文（1）实训任务书；（2）总体设计方案；（3）硬件外部接线图，PLC中的I/O分配表，程序中使用的元件及功能表；（4）梯形图或指令表清单，注释说明；（5）组态王界面程序；（6）调试、运行及其结果；3、收获、体会4、参考文献六、实训进度安排周次工作日工作内容第一周1布置实训任务，查找相关资料2熟悉实验台，完成一些相关基本实验3根据实训任务，完成总体设计方案（硬件选型、分配I/O点等）4完成硬件接线，编写程序并调试5编写程序并调试第二周1编写程序并调试2编写程序并调试3编写程序并调试及准备实训报告4完成实训报告并于下午两点之前上交5答辩本课题共需两周时间七、课程设计考核办法本实训满分为100分，从平时表现、实训报告及实训答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、20%、60%。第二章 课题研究目的、意义本课程设计主要研究工业工程中对于流量的监测和控制过程，其目的是利用PLC来实现过程自动控制。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，涉及到所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。PLC通过模拟量I/O模块和A/D、D/A模块实现模拟量与数字量之间的转换，并对模拟量进行闭环控制。2.1 课题的背景及发展以可编程序控制器为主要控制装置所构成的控制系统为可编程序控制系统或PLC控制系统。可编程控制器(PLC)控制系统以其运行可靠、易学易用、抗干扰性强等特点,在工业控制中得到广泛的应用。可编程控制器是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。由于它能满足设备使用环境的要求和控制的复杂、可靠性,在现代的工业控制系统中大量应用，前景非常广阔。 最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。 目前，国外的可编程自动控制设备技术顺应时代潮流，与计算机技术同步发展，向着通用化、模块化、智能化、标准化、数字化、网络化方向迅猛发展。国内的发展从全盘引进、仿制到自行研究，取得了举世瞩目的成绩，但从整体上看，我们在技术性能、制造工艺等方面与国际先进水平还存在很大差距。众所周知，我国的生产力水平还不是很高，特别是80年代以前的国有大中型企业，出于人才和经济因素的考虑，还有很多的厂矿企业正在使用着原有的落后设备和技术。因此，改变原有的落后设备和技术，设计以可编程序器与计算机结合的自动控制系统，提高工业自动化的程度，对加速我国尽早成为现代化工业强国意义重大。 在国内的许多化工厂，水泥厂，钢厂，尤其是国有老厂，其控制系统还在使用过时的模拟控制，甚至是全人工控制。人工控制由于人员过多效益过低，生产的产品不够精确，安全隐患大增加了系统故障的可能性，还有就是工厂的试验设备和生产设备存在一定的相差度，以致影响了产品质量和生产效益。而随着产品性能的提高，对自动控制系统的要求也越来越高，传统控制已达不到系统要求。随着大规模及超大规模集成电路的发展以及计算机的出现，控制系统开始由传统控制向自动控制方向发展。 目前，虽然我国在PLC生产方面非常弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每应用的行业也很广。国内的PLC市场主要是被国外产品占领，但是国内也有自己的品牌如和利时、德维森、安控等等。由于我国工业自动化程度低，PLC产品有很大的应用空间，随着着国内技术的发展与更新，PLC技术在很多领域都有应用如钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 基于PLC 的流量控制系统以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、能耗低等优点深受许多用户的青睐，在工业流量控制场合得到了广泛的应用。同时，人机界面的出现可以使用户对控制系统进行全面监控，包括参数监测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得简单易懂、操作人性化。2.2 课题研究的目的和意义本课题研究的是PLC技术在流量监控系统上的应用。从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。本课题要求设计流量PID控制系统，涡轮流量传感器由壳体、前导向架、叶轮、后导向架、压紧圈和带放大器的磁电感应转换器等组成。当被测流体流经传感器时，传感器的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，叶轮周期性的改变磁电感应系数中的磁阻值，从而使通过线圈的磁通量周期性的发生变化而产生电脉冲信号，并经放大器放大后传送至相应的流量积算仪表，进行量或总量的计量。控制系统的任务是使管道实际流量等于给定值所要求的流量，通过PLC方式来减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。第三章 基于PLC和组态王的流量PID控制系统根据控制原理和控制要求，整体系统在设计的过程中要分为两个部分，它们分别是：硬件部分和软件部分。3.1 仪表选型 3.1.1 GK-01电源控制屏 GK-01电源控制屏如图1-1所示，它由一个交流电源控制区与三个执行部件接线区所组成： 1、交流电源控制区：由总电源钥匙开关、空气开关、带灯启动和停止按钮、漏电保护器、电加热器控制开关、照明开关、电压表、告警指示灯与复位按钮等组成。 图2.1 GK-01控制屏面板图具体操作方法如下： （1）、将电源插座接220V市电电源，要注意“左零右火”的接线方式并且要有可靠的接地保护。如果一插上电源就有嘶嘶的声音，这时要检查电源的接线方式是否正确，是否可靠接地。 （2）、插上三芯插头，此时控制屏左、右两侧的三芯电源插座均带电。 （3）、先打开空气开关，再打开总电源钥匙开关，此时“停止”按钮红灯亮，表示系统总电源接通。 （4）、按下“启动”按钮，此时“启动”按钮绿灯亮，表示系统电源接通。（5）、拨动照明钮子开关到“上”侧，此时接通日光灯电源，日光灯亮。 注意：本实验装置配电压型和电流型漏电保护系统。当屏上漏电时保护系动作，告警灯亮并自动切断系统电源，等到解除报警时才能起动。 2、三相异步电动机电源接线区：它与GK-07交流变频控制挂件配合使用。在此接线区一共有 U1、V1、W1, U2、V2、W2六个强电接线柱，它们与三相异步电动机引线相对应，已在内部连好。 3.1.2 GK-02传感器输出与显示 1、 此挂件主要是对各个传感器变换信号的显示，包括上水箱的液位和压力；下水箱的液位以及交流支路管道的流量。 2、 如右图2-1所示，图中左边为各个传感器变换输出端，右边显示各个被控参量的实时测量值。当打开电源时，各个表头就会显示相应被控参量的当前测量值。在水箱没有水的情况下有可能显示不为零，这是由于传感器的零点漂移引起的，通过调节压力变送器的零点电位器来纠正误差，具体方法后述。 3、 左边输出端是各个传感器通过检测、变换后输出的电压值，也就是反馈值。它的输出与各个被控参量显示之间有一定的比例关系，对应比例如下： 液位传感器：输出05V电压对应020Cm的高度1V电压对应5Cm的 高度。 3.1.3 GK-03单片机控制 （一）、单片机控制挂件如图1.2所示, 它可以同时采集五路信号，一路输出用来控制执行器，以实现自动控制。单片机控制挂件的主要组成部分有： 1、五路模拟量输入：分别为LT1、PT、LT2、FT、TT，其接线端正好与右侧GK-02屏上传感器输出端相对应，模拟量输入为05V标准电压信号。 2、一路模拟量输出：此输出为单片机的控制输出端，输出为05V标准信号。 图2.2 单片机控制挂件3、通讯接口方式：通过RS232串行通讯口与计算机通讯，以实现计算机监控。 4、键盘操作：共有六个功能键，分别为回路、向上、向下、整定、移位、确认。通过对这几个功能键的操作可以对单片机的各个参数进行整定。 5、两个显示框：功能显示框（显示所选参数）,数值显示（显示对应参数值）。 3.1.4 GK-07交流变频调速 如图1.3所示，交流变频控制挂箱面板图。变频器为西门子的。具体使用说明、参数设置及操作，详见产品使用手册 。 （一）、挂箱面板接线端子功能说明 为了使变频器各接线端子不因每次做实验经常的装拆线而损坏或丢失，应将常用端子引到挂箱面板上，以方便实验连线，它们分别是： 1、A、B、C：变频器的三个输出端，（连接GK-01中的三相鼠笼电机三相定子绕阻的接线端U、V、W）。 2、2和5：外部电压控制信号（05V）输入端，2接信号正极，5接信号地端 。 3、 STF、STR：电机正转与反转控制端，当STF与SD相连时电机为正转，当 STR与SD相连时电机为反转。 4、其它： PC：外部晶体管公共端 、DC24V电源接点输入端 。SE：集电极开路公共。 RUN：集电极开路。10：频率设定用电源。 4：频率设定电流信号。6、 RH、RM、RL：RH、RM、RL 分别与SD连接实现多段速度选择。 7、 a、b、c：报警输出。 8、 AM：模拟信号输出。 9、 RST：复位。 10、 输入/输出公共端。 图2.3 GK-07挂箱*本实验装置各端子的引出是为了满足用户其它自拟实验接线的需要。 3.1.5 GK-08 PLC可编程控制 （一）、PLC结构概述 PLC可编程控制挂箱面板，如图1.4所示，采用西门子S7-200 PLC系列产品。 1、PLC可编程控制面板上引出二路模拟量输入端（AI1、AI2），一路模拟量输出端（AO），十路开关量输入端（DI1DI10），四路开关量输出端（DO1DO4）。 2、CPU为224，它集成14输入/10输出，总共有24个数字量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。此外，还有1个RS485通讯/编程口，它具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。 3、EM 235 模拟量扩展模块，具有4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）。 4、PLC的编程环境软件为：STEP 7-Micro/WIN32 V3.0 ，STEP 7-Micro/WIN32 V3.0可 以对S7-200的所有功能进行编程。 CPU通过PC/PPI 电缆或通过插在PG/PC上的CP 5511或 CP 5611网卡与PC/PPI电缆可以在Windows 95或Window 98下实现多主站模式。 5、上位机的监控软件为：PROTOOLCS、MCGS工控组态软件以及人机控制（触摸屏控制），这三种软件都分别可以和PLC实现通讯，可以和PLC进行数据交换。基于本实验装置所提供的软件和硬件都是比较丰富的，学生可以根椐自已的爱好去选择不同的软件进行组态、编程以及运行调试，因而有益于学生动手能力的提高 图2.4 GK-08 挂箱面板图3.2 硬件部分设计对应PLC系统的设计来说，硬件部分必不可少。硬件部分又分为硬件的输入输出，即I/O分配表和PLC的I/O的外部接线图。 3.2.1 I/O口分配表和变量设置根据控制要求，在用S7-200PLC编写流量PID梯形图的过程之中，势必会用到输入输出口。就流量PID控制系统而言，用到的变量为：P、I、D、开关、手动/自动开关、设定流量（设定值）、实际流量（输出值）和采样时间，具体变量的分配如下表1-1所示。名称变量设置启动/停止开关I0.0手动/自动无扰动开关I0.1P（比例增益）VD112I（积分时间）VD120D（微分时间）VD124设定流量（设定值）VD104实际流量（输出值）VD100采样时间（周期）VD116表1-1：I/O口分配和变量设置 3.2.2 PLC外部接线图测量值信号由S7-200PLC的AI（模拟量输入）通道进入，经程序比较测量值与设定值的偏差，然后通过对偏差的PID调节得到控制信号，并通过S7-200PLC的AO（模拟量输出）通道输出。用此控制信号控制变频器的频率，以控制交流电机的转速，从而达到控制水的流速的目的。根据上表中的I/O分配表和变量设置，就可以得出PLC外部接线图。具体的外部接线图如图3-1所示。图3-1：PLC的外部接线图根据PLC的外部接线图接线的原理，对照过程控制实验装置，就可进行外部接线。具体的实验台外部接线如图3-2所示。图3-2：实验台的外部接线图3.3 软件部分设计对应PLC系统的设计来说，软件部分也是必不可少的重要组成部分。软件部分又分为PLC通信设置和梯形图两个部分的设计。3.3.1 PLC软件通信设置在进行下载程序之前，对PLC通信设置是必须的。在设置时，主要围绕接口和协议做相对应的配置。就以本课程设计来说，所用的接口为PPI接口中的COM4口。具体配置如图3-3所示。图3-3：PLC软件的通信设置 3.3.2 梯形图设计根据控制要求，编写相应的梯形图。本次课程设计梯形图主要设计PID初始化程序、中断子程序、中断程序。最主要的就是在编写程序的过程之中，要做相应的归一化处理。第一部分：主程序，其中有两个作用，调用sbr_0和sbr_1,分别对应手动和自动两个作用。如图3-4所示。图3-4：主程序部分第二部分：中断程序部分，赋值PID参数。VD104，VD112，VD120，VD124分别对应组态王中的设定流量、P、I、D参数。如图3-5所示。 图3-5：中断程序部分 第三部分：中断程序1部分。主要设置中断事件号和中断采样时间。如图3-6所示。图3-6：中断程序1部分第四部分：中断计算过程，将模拟量即当前的流量值经过AD模块，将模拟量转换成数字量输送到AC0中，再进行相应地计算处理，送回到VD100中，继而控制变频器，实现PID闭环控制。如图3-7所示。 图3-7：中断计算部分第四章 流量PID控制系统组态设计完成好上述硬、软件的工作后，建立相对应的组态界面是必不可少的。它是模拟流量实际过程，能够将此过程利用上位机完整的呈现出来。组态界面的建立分为三个组成部分，它们分别是内部变量的建立，PLC的选型和画面的建立。4.1 PLC与组态的建立在建立PLC相关设备之前，利用组态王设备中的COM口选择PLC的类型，在这里选择S7-200PLC系列的PPI，通过PPI的COM4口进行连接通讯，具体如图4-1所示。图4-1：PLC选型的建立4.2 内部变量的建立根据PLC的输入输出口的分配和变量设置，在组态数据词典中建立相对应的内部变量。变量的设置必须和PLC梯形图中相同，具体如图4-2所示。 图4-2：数据词典中内部变量的建立这里以比例P为例进行说明。首先打开数据词典，建立新变量名，选择变量的类型、连接设备、相对应的寄存器、数据类型和读写的属性。如果是比例增益P，则它的变量类型选择“I/O实数”，连接上述建立的PLC设备，选择“V”寄存器，数据类型为“Float”，选择“读写”属性，具体如图4-3所示。图4-3：定义变量建立4.3 组态画面的建立根据流量PID控制系统的控制要求，建立如图4-4至图4-7所示的组态画面。它们分别是登录界面、主界面、历史曲线界面和实时曲线界面。组态画面模拟了流量的实际过程，在组态运行时，可以实时监控，能够达到人机界面的效果。图4-4 主界面图4-5 历史曲线界面图4-6 实时曲线界面4.4 组态画面调试 4.4.1 组态调试过程与运行建立好以上三个部分，一个完整的组态就呈现了。将完整的梯形图程序下载到PLC中，通过建立好的组态画面，经过实时的控制，就可以将整个运行结果呈现在上位机中。调试画面如图4-7至4-8所示。图4-7 历史曲线监控调试图4-8 实时曲线监控调试从图4-8可以看出：经过对PID各参数的调试，发现设定流量和实际流量基本稳定在同一直线上，即设定值和输出值的误差很小，基本达到预期的控制要求。实验效果基本理想。第五章 心得体会 经过两周的努力，本设计基本达到了设计目的。通过上位机来分别设定一个高