(完整版)PLC水箱液位控制系统毕业设计.doc

1、以下文档格式全部为word格式，下载后您可以任意修改编辑。摘要本次毕业设计的课题是基于 PLC的液位控制系统的设计。 在设计中，笔者主要负责的是数学模型的建立和控制算法的设计， 因此在论文中设计用到的 PID 算法提到得较多， PLC方面的知识较少。本文的主要内容包括： PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析， FX2 系列可编程控制器的硬件掌握， PID 参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应 PID 控制算法所得到的实验曲线分析， 整个系统各个部分的介绍和讲解 PLC的过控制指令 PID 指令来控制水箱水位。关键词 ：FX2系列 PLC，控制对象特性， PID

2、控制算法， 扩充临界比例法， PID 指令，实验。The liquid level control system based on PLCABSTRACTThe subject of graduation design is based on PLC, liquid level control system design. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model and control algorithm design, so the design used in the paper

3、referred to was more PID algorithm, PLC in less knowledge.Main contents of this article: PLC creation and definition, process control, development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curve analysis, FX2 series PLC , the application PID control algorithm obtained experime

4、ntal curve analysis, the entire system, introduce and explain the various parts of the PLC process control commands to control the tank level PID instruction.Keywords： FX2 series PLC, the control object characteristics, PID control algorithm, to expand the critical proportion method, PID instruction

5、, experimental.目录中文摘要英文摘要.1 绪论 .1.1 PLC 的产生、定义及现状.1.1.1PLC 的产生、定义.1.1.2PLC 的发展现状 .1.2 过程控制的发展.1.3 本文研究的目的、主要内容.1.3.1 本文研究的目的、意义.1.3.2 本文研究的主要内容.2 FX2 系列 PLC 和控制对象介绍 .2.1 三菱 PLC 控制系统.2.1.1 CPU 模块 .2.1.2 IO 模块 .2.1.3 电源模块.2.2 过程建模.2.2.1 一阶单容上水箱对象特性.2.2.2 二阶双容下水箱对象特性.3PID 调节及串级控制系统.3.1 PID 调节的各个环节及其调节过

6、程.3.1.1 比例控制及其调节过程.3.1.2 比例积分调节.3.1.3 比例积分微分调节.3.2 串级控制.3.2.1 串级控制系统的结构.3.2.2 串级控制系统的特点.3.2.3 串级控制系统的设计.3.3 扩充临界比例度法.3.4 三菱 FX2 系列 PLC 中 PID 指令的使用.3.5 在 PLC 中的 PID 控制的编程 .3.5.1 回路的输入输出变量的转换和标准化.3.6 变量的范围.4 控制方案设计 .4.1 系统设计.4.1.1 上水箱液位的自动调节.4.1.2 上水箱下水箱液位串级控制系统.4.2 硬件设计.4.2.1 检测单元.4.2.3 控制单元.4.3 软件设计

7、.5 运行 .5.1 上水箱液位比例调节.5.2 上水箱液位比例积分调节.5.3 上水箱液位比例积分微分调节.致谢 .参考文献 .论文原创性声明1 绪论1.1 PLC 的产生、定义及现状1.1.1PLC 的产生、定义一、可编程控制器的产生20 世纪 60 年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。 1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。二、可编程控制器的定义国际工委员会（ IEC）曾于 1982 年 11 月颁布了可编程控制器标准草案第一稿， 1985 年 1

8、月又发表了第二稿， 1987 年 2 月颁布了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是 “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统， 专为在工业环境下应用而设计。 它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令， 并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、 易于扩充其功能的原则设计。1.1.2PLC 的发展现状20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。 更高的运算速度、超小型体积、更

9、可靠的工业抗干扰设计、 模拟量运算、 PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC发展最快的时期， 年增长率一直保持为 3040%。在这时期， PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的D

10、CS系统。20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说， 诞生了各种各样的特殊功能单元， 用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、 通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、 应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。 接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC的应用。目前

11、，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK及 D系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入， PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.2 过程控制的发展进入 90 年代以来，自动化技术发展很快， 并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。 过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产自动化中， 过程控制技术正在为实现各种最

12、优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。在本世纪 40 年代前后，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。 生产过程中的噶参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。因此，当时的劳动效率是很低的。40 年代以后，生产自动化发展很快。尤其是近年来，过程控制技术发展更为迅速。 纵观过程控制的发展历史， 大致经历了下述几个阶段：50 年代前后，过程控制开始得到发展。一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。 这是过程控制发展的第一阶段。 这阶段主要的特点：检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分组合仪表； 过

13、程控制结构大多数是单输入单输出系统；被控制参数主要是温度、压力、 流量、液位四种参数；控制目的是保持这些参数的稳定，消除或减少对生产过程的主要扰动。在 60 年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二阶段。在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表。为了满足定型、灵活、多功能的要求，有出现了组合仪表，它将各个单元划分为更小的功能块， 以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。70 年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型机算计的开发应用， 使生产过程自动化的发展达到了一个新的水

14、平。对全工厂或整个工艺流程的集中控制、 应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进行控制和经营管理，是这一阶段的主要特征。 过程控制发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三阶段。 在新型的自动化技术工具方面， 开始采用微处理器为核心的智能单元组合仪表； 在测量变送器方面， 教为突出的成分在线检测与数据处理的应用日益广泛； 在模拟式调节仪表方面，不仅型仪表产品品种增加，可靠性提高，而且是本质安全防爆，适应了各种复杂控制系统的要求。1.3 本文研究的目的、主要内容1.3.1 本文研究的目的、意义为了解决人工控制的控制准度低、 控制速度慢、 灵敏度低等一系列问题。从而我

15、们现在就引入了工业生产的自动化控制。 在自动化控制的工业生产过程中， 一个很重要的控制参数就是液位。 一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、 生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。 随着现在工业控制的要求越来越高， 一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称 PLC）。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。在我国随着社会的发展， 很早就实行了自动控制。 而在我国液位控制系统也利用得相

16、当的广泛， 特别在锅炉液位控制， 水箱液位控制。还在黄河治水中也的到了利用， 通过液位控制系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。1.3.2 本文研究的主要内容一、一个系统是否能达到预期的控制效果，其系统的数学模型相当的重要，直接关系到控制结果的正确与否。二、在液位控制系统中， 调节阀是否与所控制的液体发生化学反应等，直接的影响到控制结果。三、控制方案的选取， 一个好的方案会让系统更加完美，所以方案的选取也非常重要。四、调节器参数的整定，一个系统有了好的方案，但是如果参数整定错误那也是功亏一篑。2 FX2 系列 PLC和控制对象介绍

17、2.1三菱 PLC控制系统FX2 系列 PLC是三菱电机公司1991 年继 F、F1、F2 系列之后推出的产品，是目前运行速度最快的小型PLC 之一。下面我们以小型FX2系列 PLC为例介绍 PLC的硬件组成。图2.1 为 PLC的原理图。图 2.1 PLC的原理图2.1.1 CPU 模块CPU是 PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在 PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑”。其功能是：1、PLC 中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。2、用扫描方式接受现场输入装置的状态，并存入映像寄存器。3、诊断电源、 PLC内部电路工作状态和编程过程中的

18、语法错误。在 PLC进入运行状态后， 从存储器中逐条读去用户程序， 按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去起闭有关控制电路。2.1.2 IO模块IO 模块是 CPU与现成 IO 装置或其他外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的 IO 模块和各种用途 IO 元件供用户选用。如输入输出电平转换、 电气隔离、串并行转换、数据传送、误码校验、 AD或 DA变换以及其他功能模块等。 IO 模块将外部输入信号变换成 CPU能接受的信号，或将 CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常的工作。其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入CPU控制板， CPU发

19、出输出信号至输出端。输出方式有三种：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。2.1.3 电源模块根据 PLC的设计特点，它对电源并无特殊需求， 它可使用一般工业电源。2.2过程建模过程控制系统的品质， 是由组成系统的过程和过程检测控制仪表各环节的特性和系统的结构所决定。在构成控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料。所以，建立过程的数学模型，对实现生产过程自动化有着十分重要的意义。可以这样说，一个过程控制系统的优劣， 主要取决于对生产工艺过程的了解和建立过程的数学模型。2.2.1一阶单容上水箱对象特性所谓单容过程， 是指只有一个贮蓄容量的过程。 单容过程还可分为有自衡能力和无自衡

20、能力两类。一、自衡过程的建摸所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。液位过程，图 2.2 所示为一个单容液位被控过程，其流入量，改变阀 1 的开度可以改变的大小。 其流出量为， 它取决于用户的需要改变阀 2 开度可以改变。液位 h 的变化反映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程 . 若作为被控过程的输入变量 , ，PID 回路输出的计算值；是回路增益；是采样时刻 n 的回路误差值；是回路误差的前一个数值 ( 在采样时刻 n-1) ；是采样时刻 x 的回路误差值；是积分项的比例常数；是回路输出的初始值；是微分项的比例常数；

21、从这个公式可以看出， 积分项是从第 1 个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数。 微分项是当前采样和前一次采样的函数， 比例项仅是当前采样的函数。在数字计算机中， 不保存所有的误差项，实际上也不必要。 由于计算机从第一次采样开始， 每有一个偏差采样值必须计算一次输出值， 只需要保存偏差前值和积分项前值。 作为数字计算机解决的重复性的结果， 可以得到在任何采样时刻必须计算的方程的一个简化算式。简化算式是：M nK PenK IenM xK D(enen 1 )输出 =比例项 +积分项 +微分项。其中：是在采样时间 n 时，回路输出的计算值；是回路增益；是采样时刻 n 的回路误差值；是回路误差的

22、前一个数值 ( 在采样时刻 n-1) ；是积分项的比例常数；是积分项的前一个数值 ( 在采样时刻 n-1) ；是微分项的比例常数；一、回路输入的转换和标准化:是将现实世界的值的实数值表达形式转换成0.0-1.0之间的标准化值。下面的算式可以用于标准化设定值或过程变量值：Rnorm( Rraw / 跨度 )偏移量 其中：是现实世界数值的标准化的实数值表达式。是现实世界数值的未标准化的或原始的实数值表达式。偏移量对于单极性为0.0 。对于双极性为0.5 。跨度是最大可能值减去最小可能值：对于单极性数值 ( 典型值 ) 为 32,000 。对于双极性数值 ( 典型值 ) 为 64,000 。二、回路

23、输出值转换成刻度整数值回路输出值一般是控制变量，比如，在汽车速度控制中，可以是油阀开度的设置。回路输出是 0.0 和 1.0 之间的一个标准化了的实数值。在回路输出可以用于驱动模拟输出之前，回路输出必须转换成一个 16 位的标定整数值。这一过程，是将PV和 SP转换为标准值的逆过程。第一步是使用下面给出的公式，将回路输出转换成一个标定的实数值：= (- 偏移量)* 跨度其中：是回路输出经过标定的实数值是回路输出标准化的实数值偏移量对于单极性值为 0.0 ，对于双极性值为 0.5跨度值域大小，可能的最大值减去可能的最小值对于单极性为32,000 ( 典型值 )对于双极性为64,000 ( 典型值

24、 )3.6 变量的范围过程变量和设定值是PID 运算的输入值。因此回路表中的这些变量只能被 PID 指令读而不能被改写。输出变量是由PID 运算产生的，所以在每一次PID 运算完成之后，需更新回路表中的输出值，输出值被限定在 0.0-1.0之间。当输出由手动转变为PID( 自动 ) 控制时，回路表中的输出值可以用来初始化输出值。如果使用积分控制，积分项前值要根据PID 运算结果更新。这个更新了的值用作下一次PID 运算的输入，当计算输出值超过范围 ( 大于 1.0 或小于 0.0) ，那么积分项前值必须根据下列公式进行调整：当计算输出或当计算输出其中：是调整过的偏差的数值；是在采样时间 n 时

25、回路输出的比例项的数值；是在采样时间 n 时回路输出的微分项的数值；是在采样时间 n 时回路输出的数值；这样调整积分前值， 一旦输出回到范围后， 可以提高系统的响应性能。而且积分项前值也要限制在 0.0-0.1 之间，然后在每次 PID 运算结束之后。把积分项前值写入回路表， 以备在下次 PID 运算中使用。用户可以在执行 PID 指令以前修改回路表中积分项前值。 在实际运用中，这样做的目的是找到由于积分项前值引起的问题。 手工调整积分项前值时，必须小心谨慎，还应保证写入的值在 0.0-1.0 之间。4 控制方案设计4.1系统设计4.1.1 上水箱液位的自动调节在这个部分中控制的是上水箱的液位

26、。系统原理图如图4.1 所示。单相泵正常运行，打开阀 1 和阀 2，打开上水箱的出水阀，电动调节阀以一定的开度来控制进入水箱的水流量， 调节手段是通过将压力变送器检测到的电信号送入 PLC中，经过 AD变换成数字信号，送入数字 PID 调节器中，经 PID 算法后将控制量经过 DA转换成与电动调节阀开度相对应的电信号送入电动调节阀中控制通道中的水流量。当上水箱的液位小于设定值时， 压力变送器检测到的信号小于设定值，设定值与反馈值的差就是 PID 调节器的输入偏差信号。 经过运算后即输出控制信号给电动调节阀， 使其开度增大， 以使通道里的水流量变大，增加水箱里的储水量，液位升高。当液位升高到设定

27、高度时，设定值与控制变量平衡， PID 调节器的输入偏差信号为零，电动调节阀就维持在那个开度， 流量也不变，同时水箱的液位也维持不变。系统的控制框图如图 4.2 所示。其中 SP 为给定信号，由用户通过计算机设定， PV 为控制变量，它们的差是 PID 调节器的输入偏差信号，经过 PLC的 PID 程序运算后输出，调节器的输出信号经过 PLC的 DA转换成 4-20mA的模拟电信号后输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量， 使水箱的液位保持设定值。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到 PLC的输入接口，再经过 AD转换成控制量 PV，给定值 SP与控制量 PV经过

28、PLC的 CPU的减法运算成了偏差信号 e , 又输入到 PID 调节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。4.1.2 上水箱下水箱液位串级控制系统上水箱下水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后， 外界环境的扰动较大， 要保持上水箱下水箱液位最后都保持设定值， 用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果， 所以采用串级闭环反馈系统。上水箱下水箱液位控制系统图如图 4.2 所示，该系统中，上水箱液位作为副调节器调节对象， 下水箱液位作为主调节器调节对象。 这里的扰动主要是水箱的出水阀的扰动， 有时是认为的因素， 有时是机械的因素，扰动总是不可避免的。 主回路和副回路结合有

29、效地抑制环境的扰动。在这里，执行机构仍然是电动调节阀， 依旧由 PLC经过 PID 算法后控制它的开度以控制水管里的水流量， 控制两个水箱的水位。 它有两个 PID 回路，分别是 PID1 和 PID2。PID1 为外环，控制下水箱的液位，它的输出值作为 PID2 的设定值， PID2 控制上水箱的液位。4.2硬件设计系统硬件的设计包括检测单元、执行单元和控制单元的设计，他们互相联系，组成一个完整的系统。4.2.1 检测单元在过程控制系统中， 检测环节是比较重要的一个环节。液位是指密封容器或开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数量， 以便调节流入流出容器的物料，

30、使之达到物料的平衡，从而保证生产过程顺利进行。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。液位变送器分为浮力式、 静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。系统中用到的液位变送器是浙江浙大中控自动化仪表有限公司生产的中控仪表 SP0018G压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为 0-10KPa，精度为 ，由 24V 直流电源供电，可以从 PLC的电源中获得，输出为 4-20mA直流。4.2.2执行单元执行单元是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节， 它接受来自调节单元的输出信号， 并转换成直角位移或转角位移， 以改变调节阀的流

31、通面积，从而控制流入或流出被控过程的物料或能量实现过程参数的自动控制。执行器的工作原理，由执行机构和调节机构 （调节阀）两部分组成。执行机构首先将来自调节器的信号转变成推力或位移， 对调节机构（调节阀）根据执行机构的推力或位移， 改变调节阀的阀芯或阀座间的流通面积， 以达到最终调节被控介质的目的。 来自调节器的信号经信号转换单元转换信号制式后， 与来自执行机构的位置反馈信号比较，其信号差值输入到执行机构， 以确定执行机构作用的方向和大小，其输出的力或位移控制调节阀的动作， 改变调节阀的流通面积， 从而改变被控介质的流量。 当位置反馈信号与输入信号相等时， 系统处于平衡状态，调节阀处于某一开度。

32、系统中用到的调节阀是 QS智能型调节阀，所用到的执行机构为电动执行机构，输出为角行程， 控制轴转动。 电动执行机构的组成框图。来自 PLC的模拟量输出 DC4-20mA信号 Ii与位置反馈信号If进行比较，其差值经放大后， 控制伺服电动机正转或反转，再经减速器后，改变调节器的开度，同时输出轴的位移，经位置发生器转换成电流信号 If 。当 Ii=If时，电动机停止转动，调节阀处于某一开度，即 Q=KIi ，式中 Q为输出轴的转角， K 为比例常数。电动调节阀还提供手动操作，它的上部有个手柄，和轴连在一起，在系统掉电时可进行手动控制，保证系统的调节作用。4.2.3 控制单元控制单元是整个系统的心脏。 在系统中，PLC是控制的中心元件，它的选择是控制单元设计的重要部分。系统应用的是三菱FX2系列的 PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。4.3 软件设计现在以上水箱的液位控制系统为例，画出其流程图如图4