基于PLC的流量比值控制系统设计

1、石家庄铁道大学四方学院毕业设计 基于 plc 的流量比值控制系统设计 the design of ratio control system based on plc 2014 届 电气工程 系 专业 自动化 学号 20107493 学生姓名 张 赛 指导老师 安 树 完成日期2014 年 5 月 20 日 毕业设计成绩单 学生姓名张赛学号20107493班级方 1053-2专业 自动化 毕业设计题目基于 plc 的流量比值控制系统设计 指导教师姓名安树 指导教师职称讲师 评 定 成 绩 指导教师 得分 评阅人得分 答辩小组 组长 得分 成绩： 院长(主任) 签字： 年 月 日 毕业设计任务书

2、题目基于 plc 的流量比值控制系统设计 学生姓名张赛学号20107493班级方 1053-2专业自动化 承担指导 任务单位 电气工程系 导师 姓名 安树 导师 职称 讲师 1、主要内容 按照控制要求，设计一个具有较美观的组态画面和较完善组态控制程序的流量比值控制系 统。 2、基本要求 1. 了解 pid 的基本原理。 2. 熟悉掌握组态王 6.52 软件。 3. 了解用 plc 编程的思想，并能够画组态界面。 4. 系统综合调试。 3、主要技术指标(或研究方法) 通过 pid 参数的整定，使系统满足较快较稳的性能要求。 4、应收集的资料及参考文献 1 徐国林. plc 应用技术. 北京械工业

3、出版社. 2011. 2 胡寿松. 动控制原理. 北京国科学出版社. 2005. 3 曹立学. 基于组态软件的计算机液位串机控制系统设计 j. 控制计算机. 2009. 4 郁汉琪. 电气控制与可编程序控制器应用技术. 南京东南大学出版社. 2010. 5 刘爱华. 传感器原理与应用技术. 北京民邮电出版社. 2010. 5、进度计划 第 1-3 周： 调研、收集材料、完成开题报告。 第 4-5 周： 分析、确定方案。 第 6-7 周： 设计、计算、绘图。 第 8 周： 中期检查。 第 9-12 周： 撰写论文。 第 13-14 周：论文审核定稿。 第 15-16 周：答辩。 教研室主任签字时

4、间 年 月 日 毕业设计开题报告 题 目基于 plc 的流量比值控制系统设计 学生姓 名 张赛学号20107493班级方 1053-2专业自动化 一、研究背景 在现代工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料流量保持一定的比例关系， 一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，造成污染，甚至产生生 产事故。所以在科技发达的社会，合理分配资源，实现可持续发展，研究实现两个或两个以上 参数符合一定比例关系的控制系统是非常有必要的，这项研究对工业的的发展有很大帮助。 在当前信息时代下，plc 更多的具备了计算机功能，不但实现了逻辑控制，同时具备通 信、数据处理以及网络等多种功

5、能。此外，由于 plc 自身体积较小，便于维护和组装，同时 在编程上比较简单，有很高的可靠性高和极强的抗干扰能力，这些优点使得 plc 受到了工业 的广泛青睐，得到了普遍的应用。plc 技术的快速发展为工业生产带来了巨大的便利，plc 技术以其独特的优势，在工业生产当中有广阔的应用前景。 二、国内外研究现状 在可编程序问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域占主导地位。但是随着科技的进 步和社会的发展，继电器接触控制已经不能满足社会的需要，另外继电器的缺点例如：工作频 率低，寿命短，容易造成系统故障等等，在社会上造成了时间和资金的浪费。美国数字设备公 司于 1969 年研制出世界上的第一台可编

6、程序控制器，并在 gm 公司汽车自动装配线上试用， 并取得了成功。其后许多国家相继引进并发展这项技术，可编程控制器由此发展起来。经过 40 多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。国外 plc 的发展已经 进入第四代，产品更新换代也愈来越快，智能化也越来越明显，应用于各个制造行业，成为推 动经济的重要力量，同时国外对于 plc 的各种应用也在大大研究力度。 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

7、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。 三、研究方案 本次的课题是基于 plc 的流量比值控制系统设计。主要是通过 plc 技术对流量进行比值 的控制。要求副流量根据主流量的变化而变化。首先要画出系统控制图的简略图，再根据课题 要实现的功能进行改进。该系统要有两个控制回路，这两个回路通过比值器进行连接，来达到 主流量对副流量的控制。系统要用到两个 pid 调节环节，两个调节阀还有检测环节。 四、预期达到的结果 在流量比值控制系统，运用 plc

8、 技术对其进行控制检测，可以轻松的实现副流量随主流 量的变化而变化，而且可以克服副流量本身的干扰对比值的影响，使得主副流量的比值较为精 确。同时要注意温度、压力等条件的控制。只要缓慢改变主流量控制器给定值，可以提降主流 量，副流量会自动跟踪变化，两种比值不变。同时要注意温度、压力等条件的控制。 指导教师签字时 间 年 月 日 摘 要 流量比值控制系统的设计，主要是用 plc 控制液体的比例，以便提高工业的智 能化，通过流量比值控制可以使得工业上液体的混合准确，能够更好地控制液体的 比例，节约资源。 本设计采用 plc 为核心对液体流量进行控制，通过合理的设计，提高流量控制 水平，进而改善流量运

9、行的稳定性，使其更加精确。本文主要介绍了流量的比值控 制系统总体方案设计、设计过程、组成、列出流量控制的流程图，并给出了系统组 成框图，分析流量逻辑关系，提出了编程方法。通过 a/d 采集模块接收流量计传感 器的数据，对采集的相应数据进行处理分析并发出指令，该设计采用 pid 控制方法， 通过 pid 控制的参数设定及自整定。根据 pi 调节的输出与输入的偏差成正比，还与 偏差对时间的积分成正比，消除了控制过程中产生的静差。 本设计实现了流量双闭环调节的精确控制，这种控制方法对流量的调节具有较 好的稳定性和动态特性。 关键词：流量plc比值pid abstract the design of

10、flow ratio control system, plc is mainly used to control the ratio of liquid, in order to improve the intelligence industry, through flow ratio control can make industrial liquid mixing accurate, better able to control liquid ratio, save resources. this design uses plc as the core of the liquid flow

11、 control, through reasonable design, improve the flow of control level, thereby improving the flow stability of run ning, making them more precise. this paper mainly introduces the flow ratio control s ystem scheme design, design process, composition, list the flow chart flow control, and gives the

12、block diagram of the system, analyzes the flow of logic relation, put fortth e programming method. receiving flow meter sensor through the a/d acquisition mo dule data, the corresponding data processing analysis and instruction, the design adoptp id control method, setting and tuning the parameters

13、of pid control. according to thed eviation of output and input is proportional to the pi regulation, also with the deviatio n on time is proportional to the integral, and eliminates the static error generated in t he control process. this design realizes the accurate control of flow of double closed

14、 loop regulation, this control method has better stability and dynamic characteristics of flow regulation. key words：flowplcratio pid 目目录录 第 1 章绪论1 1.1课题研究的目的意义1 1.2国内外研究现状 1 1.3论文研究内容 2 第 2 章系统控制方案设计3 2.1系统整体方案的设计3 2.1.1方案论证 3 2.1.2方案选择 4 2.1.3双闭环比值控制系统的结构4 2.2双闭环比值控制系统的特点与分析5 2.3控制方案的比较和确定6 2.4流量比

15、值控制系统的组成及原理图6 2.5流量比值系统控制流程8 第 3 章系统的硬件设计 9 3.1plc 的基本知识9 3.1.1plc 硬件介绍9 3.1.2编程语言 10 3.2设备的选型 10 3.2.1plc 及其转换模块的选型 11 3.2.2变频器的选型 13 3.2.3水泵电机的选型15 3.2.4电磁流量计的选型16 3.2.5调节阀的选型 17 3.3系统主电路分析及其设计18 第 4 章系统的软件设计 20 4.1流量比值控制逻辑图20 4.2系统 i/o 分配20 4.3系统 i/o 接线图21 4.4系统控制过程 21 4.4.1程序初始化与故障分析21 4.4.2pid

16、初始化及程序分析23 第 5 章仿真设计 25 5.1 组态王介绍25 5.2 组态画面25 5.3 监控画面 25 第 6 章结论 28 参考文献29 致谢30 附录31 附录 a外文资料31 附录 b电路总图42 附录 c流程图43 附录 d程序 44 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 1 第 1 章绪论 1.1课题研究的目的意义 在生产过程、科学研究和其他产业领域中，可编程序自动控制技术的应用都是 十分广泛的，在自动控制的设备中，可编程序自动控制亦比其它的控制方法使用得 更普遍。随着科学技术日新月异的发展，特别是大规模集成电路的问世和微处理机 技术的应用,使可编程序自动控制技术进入了一个崭

17、新的阶段，因此，了解和学习这 些重要技术对高校工程类专业的学生来说,已是必不可少。plc 比值控制系统这个课 题具有其重要的意义。 本次课程设计的目的是采用三菱系列 plc 来实现过程控制系统的设计。学习使 用变频器，并对其内控与外控模式运用自如；掌握 plc 控制单元的使用，对三菱编 程进而对整个过程进行控制；学会使用 a/d、d/a 转换模块，了解其工作机制，熟 知模数、数模换换的接口地址通过模拟量 i/o 模块，并对其进行编程采集与控制； 与此同时，学会使用不同的传感器件流量计、阀门等的控制欲使用。 当今，plc 的使用范围越来越广，从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化 控制。应用于所

18、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。可知，现在的工业生产和各领域 的机械控制都是与此密切相关的，流量比值设计对于工业智能化、机械化有很大的 帮助。 1.2国内外研究现状 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

19、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 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 2 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

20、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

21、。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。

22、1.3论文研究内容 此次设计是基于 plc 的流量比值控制系统设计。主要是以 plc 为核心，配合 智能仪表，主要是通过 plc 技术对流量进行比值的控制。要求副流量根据主流量的 变化而变化。首先要画出系统控制图的简略图，再根据课题要实现的功能进行改进。 该系统要有两个控制回路，这两个回路通过比值器进行连接，来达到主流量对副流 量的控制。同时本设计需要用到变频器、a/d 与 d/a 转换器及其相关的连接，i/o 的连接。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 3 第 2 章系统控制方案设计 2.1系统整体方案的设计 2.1.1方案论证 根据实际生产情况，比值控制系统可以选择不同的控制方案，比值控制系

23、统的 控制方案主要有开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统几 种。 方案一： 单闭环控制系统原理设计的系统框图如图 2-1 所示。 图 2-单闭环流量比值控制系统原理图 单闭环流量比值控制系统与串级控制系统相似，但功能不同。可见，系统中没 有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在结构上与串级控制不同的地方， 串级控制中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，而在比值 控制中，副流量不会影响主流量，这是两者本质上的区别。 方案二： 在单闭环控制系统基础上，增加一个主流量闭环控制系统，单闭环比值控制系 统就成为双闭环比值控制系统，其方框图如图 2-2 所示。 双

24、闭环较之于单闭环而言更加复杂，选用的设备也更多，但对于实际生产，生 产效率和质量十分重要，因此对系统的稳定性和精确度要求较高。双闭环比值控制 系统能实现主动量的抗扰动、定值控制，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料 也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。 经过分析，当系统处于稳态时，比值关系是比较精确的；在动态过程中，比值 关系相对而言不够精确。另外，如果主流量处于不变的状态，副流量控制系统又相 检测/变送器 1 控制器变频器泵 检测/变送器 2 比值器 - 副流量 主流量 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 4 当于一个定值控制系统。 图 2-2双闭环流量比值控制系统原理图 方案二的双闭环流量

25、比值控制系统，是在主流量也需要控制的情况下，增加一 个主流量闭环控制系统构成的，由于增加了主流量闭环控制系统，主流量得以稳定， 从而使得总流量能保持稳定。 双闭环比值控制系统主要应用于总流量需要经常调整的场合。如果没有这个要 求，两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系，仅仅在动态过程中， 比例关系不能保证。 2.1.2方案选择 通过方案的论证可知，单闭环流量比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量 不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。而双闭环流量比值控制系统 适用于主副流量扰动频繁，负荷变化较大，同时保证主、副物料总量恒定的生产过 程。 该设计针对控制对象，主流量和副流量都

26、是液体，实际生产中，两种液体可能 会发生一些变化，因而可能造成扰动频繁，并且属于负荷变化较大。 经过分析，选择方案二的双闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统更为 合适。 主流量 副流量 - + - + 主控制器变频器泵 检测/变送器 1 比值器 副控制器调节阀 检测/变送器 2 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 5 2.1.3双闭环比值控制系统的结构 在现代工业生产过程中，经常遇到生产工艺要求两种或多种物料流量成一定比 例关系的问题，一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原 料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。如硝酸生产中的氨氧化炉，其 进料是氨气和空气，两者的流

27、量必须具有一个合适的比例，因为氨在空气中的含量， 低温时在 1528之间，高温时在 1430之间都有可能产生爆炸的危险，严格控制 其比例，使其不进入爆炸范围，对于安全生产来说十分重要。比值控制系统在实际 生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，精确地输出，更能实现自动化控制，是过 程控制系统的一个典型，在石化、制药等生产过程中，经常要两种或两种以上的物 料保持一定的比例关系这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的 过程控制系统，均称为比值控制系统。 本设计被控对象为电动阀支路的流量和变频器水泵支路的流量，每个支路上 分别装有流量传感器对支路的流量进行测量，变频器-水泵支路的流量是系统的

28、主动 量 q1，电动阀支路的流量是系统的从动量 q2。要求从动量 q2 能跟随主动量 q1 的 变化而变化，而且两者间保持一个定值的比例关系，即 q2/q1k，同时要求保证 主动量与从动量保持总量恒定。 双闭环比值控制系统的结构图，如图 2-3。 图 2-3双闭环比值控制系统的结构图 2.2双闭环比值控制系统的特点与分析 主流量 副流量 - + - + 主控制器变频器泵 检测/变送器 1 比值器 副控制器调节阀 检测/变送器 2 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 6 双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定值控制，使从动量均比较稳定， 从而使总物料也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。 双闭

29、环比值控制系统另一优点是升降负荷比较方便，只需缓慢改变主动量控制 的给定值，这样从动量自动跟踪升降，并保持原来比值不变。 双闭环比值控制系统中的两个控制回路是通过比值器发生联系的，若除去比值 器，则为两个独立的单回路系统。事实上，若采用两个独立的单回路系统同样能实 现它们之间的比值关系，但只能保证静态比值关系。当需要实现动态壁纸关系时， 比值器就不能省。 双闭环比值控制所用设备较多、投资较高，而且运行投入比较麻烦，只有在工 业特定要求(如严格控制两种物料比例)的情况下使用。 2.3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、调节阀、电动机组 成。系统主要的任务是利

30、用恒流控制单元使变频器控制一台电动机，实现管道流量 的比值，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

31、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 机来改变存储器中的控制程序，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

32、到系统稳定性 及控制精度的要求。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 7 2.4流量比值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 2-4 所示： 图 2-4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： (1)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

33、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。 流量比值控制系统以管道主流量为控制目标，在控制上实现出口管道的实际流 量跟随设定的流量给定值。设定的主流量可以是一个常数，也可以是一个时间分段 函数，在

34、每一个时段内是一个常数。 主流量 副流量 - + - + 主控制器变频器泵 检测/变送器 1 比值器 副控制器调节阀 检测/变送器 2 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 8 流量比值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液体流 量，检测管道所流液体流量，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号，控制变频器的输出 频率，从而控制水泵电机的转速，进

35、而控制管道中的液体流量，实现液体流量恒定。 2.5流量比值系统控制流程 流量比值系统控制流程如下: (1)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)当管道液体流量减小时，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，主流量 增大，最终水泵电机的转速达到另一个新的稳定值。反之，当管道液体流量增加时， 通过流量闭环，减

36、小水泵电机的转速到另一个新的稳定值。 (3)系统开始正常启动后，流量计 1 检测主流量的液体体积，通过变送器 1，也 就是 fx2n-4ad 的 channel one,将信号传送给 plc，即 fx2n-16mr。plc 电路通 过内部输入的程序，对变频器进行控制，从而改变水泵的转速；流量计 2 是对副流 量进行检测的，流量计测得副流量的数据，将数据传送给变送器 2，也就是 fx2n- 4ad 的 channel two，将信号传送给 plc，即 fx2n-16mr。plc 电路通过内部输入 的程序，对调节阀进行控制，从而控制副流量流过调节阀的液体体积。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 9

37、第 3 章系统的硬件设计 3.1plc 的基本知识 可编程控制器，工控入门基础。以 cpu 为中心，综合计算机技术，自动控制技 术，通讯技术发展起来的新型工业自动装置，省去大量开关量，继电器，i/o 点数进 出，模块式，整体式。plc 软件编程基于 windows 的编程语言标准，编程语言五种， 指令表 梯形图，顺序功能图，功能块图，结构化文本，梯形图为常用编程语言。 plc 的指令系统有:基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指 令、转换指令、bcd 运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、 特殊运算指令等。可以转换编程语言。plc 可以与人机界面，触摸频，伺

38、服运动系 统，变频器，软启动，dcs，数控设备等，起到主控作用。 3.1.1plc 硬件介绍 本设计运用的是 fx 系列的 plc，fx 系列的 plc 系统配置灵活，可以根据自 己的需要选择不同的型号，还可以选用各种扩展单元和扩展模块，组成不同 i/o 点 和不同功能的控制系统。本设计选用的是 fx2n 系列，该系列是 fx 中功能最强、 速度最快的微型可编程序控制器。在 fx2n 系列中根据自己的需要选用 fx2n- 16mr,该单元有 8 输入 8 输出，更有可扩展模块可用点数 24-32 个。 三菱公司的 plc 是最早进入中国市场的产品。小型机 fx2n 是近几年推出的高 功能整体式

39、小型机。 fx2n 是 fx 系列中功能最强、速度最高的微型 plc。它的基 本指令执行时间高达 008s 每条指令，内置的用户存储器为 8k 步，可扩展到 16k 步，最大可扩展到 256 个 i/o 点，有多种特殊功能模块或功能扩展板，可实现 多轴定位控制。机内有实时钟，pid 指令可实现模拟量闭环控制。有功能很强的数 学指令集，如浮点数运算、开平方和三角函数等。每个 fx2n 基本单元可扩展 8 个 特殊单元。 fx 系列 plc 具有庞大的家族。基本单元(主机)有 fx0、fx0s、fxon、fx1、fx2、fx2c、fx1s、fx2n、fx2nc9 个系列。每个系 列又有 14、16

40、、32、48、64、80、128 点等不同输入输出点数的机型，每个系列还 有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种输出形式。 fx 系列可编程控制器型号命名的基本格式为： 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 10 系列序号：0s，0n，2c，1s，2n，2nc。i/o 总点数：14256。 单元类型：m-基本元； e-输入输出混合扩展模块； ex-输入专用扩展模块； ey-输出专用扩展模块； 输出形式：r-继电器输出； t-晶体管输出； s-晶闸管输出； 3.1.2编程语言 plc 的控制功能是由程序实现的。目前 plc 编程有五种标准化编程语言：顺序 功能图 sfc、梯形图 ld、功能模块图 f

41、bd 三种图形化语言和语句表 il、结构文本 st 两种文本语言，最常用的是梯形图。本设计也是基于梯形图编程语言。梯形图语 言形象直观，类似于电气控制系统中的继电器控制电路图。逻辑关系明显，相关知 识人们容易接受。plc 的梯形图使用的是内部软件继电器、定时器、计数器等，靠 软件实现。 (1)梯形图程序按行从上至下，从左到右程序编写。plc 程序执行与梯形图的编 写一至； (2)梯形图左边垂直线称左母线，右边垂直线称为右母线，左母线右侧放置输入 接点和内部继电器接点， (3)梯形图的最右边必须放置输出器件。plc 的输出器件用圆圈表示，圆圈可以 表示内部继电器线圈，输出继电器线圈或者是计数/定

42、时的逻辑运算结果。其逻辑动 作只有在线圈接通后，对应的触点才动作。输出线圈直接与右母线相连，输出线圈 与右母线不能连有触点。 (4)梯形图程序的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联不能串联。 (5)梯形图中每个编程元件应按一定规则加标字母数字串。 3.2设备的选型 根据基于 plc 的流量比值控制系统的原理，即利用 plc 内部程序对整个路进 行控制，plc 对各个器件输入的数据进行分析从而达到设计的要求。系统的电气控 制总框图如图 3-1 所示。 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

43、送器。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 11 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 3.2.1plc 及其转换模块的选型 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。考虑到自己对软件的熟知情况，因 此 plc 选用三菱 fx 系列。fx2n 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

44、些小型控制系统。三菱公司的 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。 从结构上分，plc 分为固定式和模块式两种。固定模块式 plc 包括 cpu 板、 i/o 板、显示面板、内存块等，模块式 plc 包括 cpu 模块、i/o 模块、内存、电源 模块、底板或机架。cpu 是 plc 的核心，其中枢神经的作用，由运算器、控制器、 寄存器、及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成；i/o 模块是电气回路的 接口，是通过输入输出部分完成的。输入模块将电信号变换成数字进入 plc 系统， 而输出模块

45、正好相反；电源模块用于为 plc 各单元模块的集成电路提供工作电源。 同时，有的还为输入电路提供 24v 的工作电源，电源输入有：交流电源 220v 或 110v，直流电源常用 24v。 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 fx2n 型 plc，主模块为 fx2n-16mr，其开关量输出点数为 8 点， x1x7；输出点数为 8 点，y1y7；同时还有接入电源点 com。电路图如下图 3-2 所示： 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 12 图 3-2plc 主模块原理图 转换模块接线图及模块设置： fx2n-4ad 与 fx2n-2da 是最常用的

46、转换模块，它实现了模拟量和输出量之间 相互转化的功能。下面是 fx2n-4ad 与 fx2n-2da 转换模块接线图，如图下图： 图 3-3转换模块接口图 fx2n-4ad 是将模拟量转化成数字量，四个通道的外部连接是根据外部输入电 压或电流的不同而不同。应注意以下几点： 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 13 (l)外部输入为电压信号时，则将信号的+、极分别与模块 v+和 v相连。 (2)若外部输入量为电流信号时，则需要把 v+和 v相连。 (3)如有过多的干扰信号，应将系统机壳的 fg 端与 fx2n-4ad 的接地端相连。 fx2n-2da 是将数字量转化成模拟量，两个个通道的外部连接是根

47、据外部输入 电压或电流的不同而不同。应注意以下几点： (l)电源点对应于开关电源正负极； (2)channel one 的 v+与 v-接于变频器的 v+与 v-； (3)channel two 的 v+与 v-接于调节阀的 v+与 v-； 3.2.2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

48、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。变频器的正确选择对于控制系统的正常运 行是非常关键的。选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。人们在 实践中常将生产机械分为三种类型: 恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。 在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内 所产生的阻力大致与速度 n 的 2 次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的 2 次 方减小。这种负载所需的功率与速度的 3 次方成正比。当所需风量、流量减小时， 利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速 时所需功率随转速

49、增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类 负载超工频运行。 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。 n=60f(1-s) /p对于成品电机，其磁极对数 p 已经确定，转差率 s 变化不大，故电机的转速 n 与 电源的频率 f 成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而 达到异步电机的调试目的。 用户可以根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。在选择 变频器时因注意以下几点注意事项： (l)选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率 只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机

50、 的功率因数和效率变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较， 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 14 电动机的电流会增加 10而温升会增加 20左右。所以在选择电动机和变频器时， 应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。 (2)变频器若要长电缆运行时，此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影 响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安 装输出电抗器。 (3)对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等，此 时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。 (4)使用变频器控制高速电机时，由于高速电动机的电抗

51、小，会产生较多的高次 谐波。而这些高次谐波会使变频器的输出电流值增加。因此，选择用于高速电动机 的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。 (5)使用变频器驱动齿轮减速电动机时，使用范围受到齿轮转动部分润滑方式的 制约。润滑油润滑时，在低速范围内没有限制；在超过额定转速以上的高速范围内， 有可能发生润滑油用光的危险。因此，不要超过最高转速容许值。 (6)变频器驱动绕线转子异步电动机时，大多是利用已有的电动机。绕线电动机 与普通的鼠笼电动机相比，绕线电动机绕组的阻抗小。因此，容易发生由于纹波电 流而引起的过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。一般绕线电动 机多用于飞轮力矩 gd2

52、较大的场合，在设定加减速时间时应多注意。 选择变频器时，一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。否则现场的 灰尘、水汽会影响变频器的长久运行。 变频器的工作原理是把市电(380v 、50hz )通过整流器变成平滑直流，然后利 用半导体器件(gto、gtr 或 igbt )组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和 可变频率的交流电。 由于本设计中 plc 选择的三菱 fx2n-16mr 型号，为了方便 plc 和变频器之间 的通信，我们选择 micromaster440 变频器。micromaster 440 变频器适合用于各 种变速驱动装置，尤其适合用于水泵，风机和传送带系统的驱动装置。它

53、的特点是 设备性能面向用户的需求，并且使用方便。它的电源电压规格很多，因而可在世界 范围内应用。micromaster 440 具有模块化的设计。操作面板和通讯模块可以不 使用任何工具，非常方便地用手进行更换。它是用于三相交流电动机调速的系列产 品，micromaster440 系列主要特征：调试简单、模块化的结构，因而组态具有最大 的灵活性 具有三个完全可编程的隔离的数字输入 一个可标定的模拟输入(0v 至 10v)，它也可以作为第 4 个数字输入来使用 一个可编程的模拟输出(0ma 至 24ma) 一个完全可编程的继电器输出(0v，直流/5a，电阻负载或 250v，交流/2a，感性负 载)

54、用较高的开关频率时，电动机运行的噪声很小，在脉冲的开关频率较高的情况下， 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 15 额定输出电流要降格使用。下表为 mm440 接口表： 表 3-1mm440 接口表 端子名称功能 1 输出+10v 2 输出 0v 3adc1+模拟输入(1+) 4adc1-模拟输入 1() 5din1数字输入 1 6din1数字输入 2 7din1数字输入 3 8din1数字输入 4 9 隔离输出+24v/max100ma 10adc2+模拟输入 2(+) 11adc2-模拟输入 2() 12dac1+模拟输出 1(+) 13dac1-模拟输出 1() 14ptca连接 ptc 1

55、5ptcb连接 ptc 16din5数字输入 5 17din6数字输入 6 18dout1/nc数字输出 1/常闭触点 19dout1/no数字输出 1/常开触点 20dout1/com数字输出 1/转换触点 21dout2/n0数字输出 2/常开触点 22dout2/com数字输出 2/转换触点 23dout3/nc数字输出 3/常闭触点 24dout3/no数字输出 3/常开触点 25dout3/com数字输出 3/转换触点 26dac2+模拟输出 2(+) 27dac2-模拟输出 2() 28 隔离输出 0v/max100ma 29p+rs485 端口 30p-rs485 端口 3.2.

56、3水泵电机的选型 水泵电机的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行， 以求取得较好的节能效果。要使电机常处于高效区运行，则所选用的电机必须与系 统用水量的变化幅度相匹配。本设计的要求为：电机额定功率 3kw,额定转速为 2800r/min。根据本设计要求确定采用 1 台 sfl-28 型水泵电机(电机功率 3kw)。sfl 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 16 型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过 静电喷塑处理，效率可提高 5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保 护装置，噪声更低(室外噪音 60 分贝)、磨损小、寿命更长；下轴

57、承采用柔性耐磨轴 承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它 可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用 在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。因此本设计中选择电机功 率为 3kw 的 sfl-28 系列水泵电机 1 台。 3.2.4电磁流量计的选型 在此次设计中要实现流量的比值，前提是要测出流量的体积，所以要用到流量 计，在这个设计中选用的是 ldg-dn25 电磁流量计。 ldg-dn25 电磁流量计是为供水企业水计量贸易专门设计的，具有防水、防腐、 防干扰、防雷击的能力。dn25 电磁流量计特别设计了带背光宽温的中文

58、液晶显示 器，功能齐全实用、显示直观、操作使用方便，可以减少其他电磁流量计英文菜单 所带来的不便。进一步保证了测量精度并且任何时候无需接地环，减轻了仪表体积 和安装维护的麻烦。 ldg-dn25 电磁流量计简单说是由流量传感器变送器组成的。 流量传感器是把流过管道内的导电液体的体积流量转换为线性电信号。其转换 原理就是著名的法拉第电磁感应定律，即导体通过磁场，切割电磁线，产生电动势。 流量传感器的磁场是通过励磁实现的，分直流励磁、交流励磁和低频方波励磁。现 在大多流量传感器采用低频方波励磁。 变送器是由励磁电路、信号滤波放大电路、a/d 采样电路、微处理器电路、 d/a 电路、变送电路等组成。

59、 电流量计测量原理是基于法拉第电磁感应定律。流量计的测量管是一内衬绝缘 材料的非导磁合金短管。两只电极沿管径方向穿通管壁固定在测量管上。其电极头 与衬里内表面基本齐平。励磁线圈由双方波脉冲励磁时，将在与测量管轴线垂直的 方向上产生一磁通量密度为 b 的工作磁场。此时，如果具有一定电导率的流体流 经测量管。将切割磁力线感应出电动势 e。电动势 e 正比于磁通量密度 b ，测量 管内径 d 与平均流速 v 的乘积。电动势 e 即流量信号由电极检出并通过电缆送至 转换器。转化器将流量信号放大处理后，可显示流体流量，并能输出脉冲，模拟电 流等信号，用于流量的控制和调节。 e=kbdv (3-1) 式中

60、： e- 为电极间的信号电压 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 17 b- 磁通密度 d- 测量管内径 v- 平均流速 式中 k, d 为常数，由于励磁电流是恒流的，故 b 也是常数，则由 e= kbdv 可知，体积流量 q 与信号电压 e- 成正比，即流速感应的信号电压 e 与体积 q 成线性关系。因此，只要测量出 e 就可确定流量 q ，这是电磁流量计的基本工作 原理。 由 e=kbdv 可知，被测流量体介质的温度、密度、压力、电导率、液固两两相 流体介质的液固成分比等参数不会影响测量结果。至于流动状态只要符合轴对称流 动(如层流或者紊流)就不会影响测量结果的。因此说电磁流量计是一中真正的体