智能化流量控制系统设计

东此大学秦皇岛今假控制工程学浣

《过程控制系统》课程设计

设计题目：智能化流量控制系统设计

学生：

专业：

班级学号：

指导教师：

设计时间：2023.7.1-2023.7.6

目录

一.设计任务................................................................3

二.序言...................................................................3

四.系统硬件设计..........................................................5

4.1设备的选型...........................................................5

4.1.1控制器日勺选型...................................................5

4.1.2变频器的选型...................................................6

4.1.3流量传感器变送器的选型........................................6

4.2硬件电路.............................................................7

五.软件设计...............................................................8

5.1控制规律的选择.......................................................8

5.2MATLAB仿真.......................................................8

5.2.1传递函数确实定.................................................8

5.2.2采用数字PID控制的系统框图..................................9

5.2.3基于临界比例度法的PID参数整定..............................9

5.3程序编写......................................................12

六.结束语................................................................16

七.参照文献..............................................................17

附页.Mallab仿真程序和原始图表.............................................17

一.设计任务

1、系统构成：系统重要由流量传感器，PLC控制系统、对象、执行器（杳找资料自己选择）

等构成。传感器、对象、控制器、执行器可查找资料自行选择，控制器选择PLC为控制

器。PLC类型自选。

2、写出流量测量与控制过程，绘制流量控制系统构成框图。

3、系统硬件电路设计自选。

4、编制流量测量控制程序：软件采用模块化程序构造设计，由流量采集程序、流量校准程

序、流量控制程序等部分构成

二.序言

本课程设计来源于工业工程中对于流量的监测和控制过程，其目的是运用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日勺简朴控制到更复杂口勺自动化控

制，应用领域极为广泛，涉和到所有与自动检测、自动化控制有关日勺工业和民用领域。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日勺转换，并对模拟量进行闭

环控制。

三.系统控制方案设计

图3.1控制系统工艺流程图

如图3.1所示为智能化流量控制系统11勺工艺流程图，规定实现对管道中水流量"勺控制，

该系统只有一种过程参数即管道的水流量，故可采用单回路控制系统实现控制规定。

该控制系统中，被控量为水的流量，控制量为水泵电机的转速，控制器选用PLC和变

频器,传感变送器选用电磁流量传感器，执行器选用水泵电机。根据工艺流程图画出系统框

图，即图3.2。

图3.2系统框图

从上图看出，该控制系统分为：①控制机构；②信号检测变送机构；③执行机构

⑴控制机构：本系统日勺控制机构包括控制器(PLC)和变频器两个部分。

控制益是整个流量控制系统的关键。未来自流量传感变送器口勺测量值与给定值相比较

后产生H勺偏差进行一定规律(PID控制规律)H勺运算，并输出统一原则信号，去控制执行

机构的动作，以实现对过程量口勺自动控制。

变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，便于设备之间日勺通

信，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；使用变频器的作用就是为

了调速，并减少启动电流。变频器输出口勺波形是模拟正弦波，重要是用在三相异步电动机调

速用，又叫变频调速器。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H勺控

制信号变化水泵电机的转速控制

(2)信号检测变送机构：在系统控制过程中传感变送器选用电磁流量传感器将工业生产

过程参数经检测变送单元转化为原则信号，需要检测的信号包括管道水流量信号，具中水流

量信号是本控制系统的重要反馈信号。

该信号是模拟信号，在模拟仪表中，原则信号一般采用4-20mA、0-10mA电流信号、

1-5V电压信号、或者20-100kPa气压信号。读入PLC时，需对输入B勺信号进行A/D转换。

(3)执行机构：执行机构由水泵和电机构成，即把水泵与电动机直接连接在•起，但不

需要传动轴。它具有构造简朴，体积小，重量轻，安装、运行成本低，维护以便，节能效果

好，噪音低日勺有点。它用于将水供入管道，通过变频器变化电机的转速，以到达控制管道水

流量的目的。

智能化流量控制系统以供水出口管道水流量为控制.目的，在控制上实现出口管道的实

际流量跟随设定的水流量，水流量的设定值可以是一种定值，也可以是一种时间分段函数，

在每一种时段内是一种常数。

四.系统硬件设计

4.1设备的选型

设计硬件选型的部分有：控制器、变频器、水泵、流量传感变送器。

4.1.1控制器H勺选型

PLC控制器具有抗干扰能力强，扩展模块组合以使、编程简朴等长处，故该控制系统

采用PLC作为控制器。由于水流量自动控制系统控制设备相对较少，因此，我们选用西门

子S7-200系列PLC,该系列PLC构造紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛合用于某

些小型控制系统。

S7-200系列PLC可提供4种不•样的基本型号日勺8种CPU供选择使用.根据控制系统实际

所需端子数目，并考虑PLC端子数目要有•定的预留量，因此，CPU选用西门子CPU224,

其开关量输出为10点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入为14点，输入形式为

+24V直流输入。

由于实际中需要模拟最输入点1个，模拟量输出点1个，因此需要选择扩展模块。S7-2OO

系列PLC重要有6种扩展单元，它自身没有CPU,只能与基本单元相连接使用，用于扩展

I/。点数.模拟品扩展模块选用F.M"5,该模块有4个模拟量输入通道，I个模拟晨输出通

道。

4.1.2变频器的选型

选择SiemensMicroMaster440变频器，便于S7-200PLC和变频瑞之间的通信。

该系列变频器专合用于三相交流电动机调速，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作

为功率输出器件，具有很高H勺运行可靠性和很强H勺功能。MicroMastcr440变频器日勺输入信号

为380V交流电压，输出功率为0.75〜90KW,合用于大功率高规定超所。

该变频器H勺长处：①其输出信号能作为75KW的水泵电机的J输入信号。②该变频器可

以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间日勺通信。

4.1.3流量传感器变送器的选型

流量传感器器用于检测管道中日勺水流量，一般安装在日勺出水口，流量转换器是将水管中

日勺水流量B勺变化转变为4~20mA的J模拟量信号，作为A/D转换模块时输入，选型时，为减少

传播过程中的干扰与损耗，我们采用4~20mA输出流量转换器。

根据上述分析，本课设中选用电磁流量传感器SHLDZ、电磁流量转换器SHLDZ—1实

现流量的检测、显示和变送。流显表测量范围0—0.6m3/h,精度1.0。转换器输出4~2()mA

电流信号，该模拟信号经A/D转换模后读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行

P1D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，送给与CPU224连接

模拟量模块EM235,作为PID调整的I反馈电信号。

4.1.4执行器的选型

水泵电机口勺选型基本原则：①保证平稳运行;②选用的电机必须与系统用水量口勺变化幅

度相匹配，则电机常常处在高效区运行，以求获得很好II勺节能效果。

本课设日勺规定为：电机额定功率0.37KW,额定转速为28(X)r/mino根据本设计规定确定

采用1台SFL低转速低噪音多级离心水泵电机(电机功率0.37KW)。

SFL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，通过

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60dB）、磨损小、寿命更长；卜.轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命

长；采用低进低出的构造没计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水和理化性质类

似于水时无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在都市给排水、锅炉给水、空调冷却

系统、消防给水等。

4.2硬件电路

DC24V

\l】L|0.00.IQ.2|p.32L40.50,631,卜.71.0I.11M1+Afi9000&000&0

KAA+A-KBBlBKURD5，D

gc—4g

EM235H

MUjMOVO10及A帕修

IM|0.00.10.2|0.31.4).50.60.72«1.01.11.21.31.41.5M|L+00000$!口Qhnnnnn

G

l

h

ai

邙

RtiovOVAllORI'DN1DN2I24V0Y

SMM140

T

执行单元

五.软件设计

5.1控制规律的选择

PID控制是控制系统中技术成熟、应用最广泛的控制方式。它具有理论成熟，算法简

朴，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等长处。

本控制系统采用离散PID控制规律。位置型离散PID控制规律体现式如下：

IX|

式中：Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

(I)比例环节：迅速调整有余差，P过大，系统稳定性会变差。

(2)积分环节：表明控制器的输出与偏差持续的I时间有关。积分环节重要用于消除静差,

提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越大，积分作用越弱，易

引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡.

(3)微分环节：改善动态性能，超前调整，预测功能。微分调整器不能单独作用。

5.2MATLAB仿真

5.2.1传递函数确实定

用MATLAB中的Simulink仿真该控制系统，整定PID参数。由于用Simulink仿真需

要懂得各环节传递函数，经查资料，找到变频器，水泵电机，管道传递函数近似分别为：

叵］，叵］,叵］。传感器传递函数为I。在Mallab中采用c2d函数将

各环节传递函数离散化，转化为差分方程。分别依次为：叵］，叵］,

日O传感器的离散传递函数仍为1。

当不加任何控制器对，系统口勺单位阶跃响应曲线如下图3所示:

无控制器时系统单位阶跃响应曲线

卜—,

■■■■单

位阶比k响应E由电1

:t

……

:1

:1

:I

:1

___•1__

:I

u-

....;|....

:(

.......>1…一_______•••••••)r••••••

.......1…

|_

12345678910

仿真时间（40ms）

图5.I无控制器时阶跃响应曲线

5.2.2采用数字PID控制口勺系统框图

由于采用PLC控制，因此采用离散PID控制。

框图如下图所示

Sensingtransducer

图5.2Simulink仿真框图（离散化PID）

5.2.3基于临界比例度法口勺PID参数整定

临界比例度法整定离散P1D参数日勺仿真数字PID的体现式为

P+ITS—+D----------------

2-11+N/二

32-1

环节概括:

（1）运用开环持续传递函数的根轨迹图或劳斯定理求取系统等幅振荡时（此时P=凶，

1=0,D=O）曰勺临界比例度a和临界振荡周期a；

(2)根据临界比例度法整定参数的经验算式表，求出PID控制器理论上的最佳参数值;

阶跃响应曲线等幅振荡

(3)假如按以给F数整定J系统的超调量，।琳博纳:同等也因住标迂奉耸嗡施军，则要根据

：：：二二二:♦谄苣萌获争宿椅稔

P、I、D参数大小虬系统修响…做摩变化一

/>।

表।临界比例度法整定参数的经验算式表

调节参数

调节规律

jW比例度6/%积分时间7\微分时间Td

悭

P26AOO0

PI228A0.85n0

PID1.货K0.5770.\25TK

详细仿真措施:

先令1=0,一唱0,朱惟）期取I曲、I向值诙心=0.血），调构k使阶购时应曲溢份幅振荡,

仿真时间

可知，当临界比例K=5.27时，响应曲线等幅振荡，响应曲线如下图5.2所示:

图5.2等幅振荡曲线

求得振荡周期Tk=67.3

取控制精度为L50,查表计算得

对应当仿真模块：

然后根据实际响应曲线调整参数（二次整定）为:

P=3.0,1=0.025,D=0.01

对应,[KI,Ix।

对应单位阶跃响应曲线如下所示:

扩充临界比例度法二次整定阶跃响应曲线

1

r、—单彳立阶跃响is曲线

—、一，■■■•・I"1.

1

ft_____

I

JL———————J----

1

1

1

1

1

1

1

1

计

l/..........

u

.041।।।।।।

■050100150200250300350

仿真时间（40ms）

图5.3二次整定单位阶跃响应曲线

由图5.3估算得：响应超调量为15.3%,3%误差带调整时间4.7s,因此调整质量很好。

5.3程序编写

5.3.1PLC寄存器分派

Q符号地址注禄

1standard-valueVD200过程费里标准值

2settingLvalueVD204装入回路设定值

3accumulatorVD208回路累加器

4KcVD212回路增益Kc

5sampkogjimeVD216回路采样时间

6TiVD220租分时间

7TdVD224徽分时间

8inve（ter_inpiXAQWO变频署输入模拟里

9convertef_outputAIWO流里转换器输出模拟里

5.3.2程序流程图

设置PID参数:

回路增益Kc=3.0

装入回路采样时间T=6s

了程序结束

5.3.3源程序

源程序如下图所示:

网络2

I启动与停止

10,010.1M0,0

T\—T—\/I------()

M0.0

—IH-1

网络3

I采样普期为6$'

MO.OM0.2T37

60-PT100ms.

T37M0.2

T37

网络5

I滚解空制程序（PI触制）

M0.0P1D

ENENO

VB100-TBL

0-LOOP

网络6

IPiM鳍祟输出

T43

1号屋魁止1

1dcctmdatxVD208

ACWO

2初始化子程序

:子程序____

1WNI

后号___________________________________________________

KcVD212EB8函邑

VD216回防网洞

VD2O4

TdVD224

TiVD220皎办时河I

六.结束语

基于PLC的智能化流量控制系统设计目H勺是实现对管道水流量的控制，我们采用单1可

控制系统进行设计。调试方面，由于在硬件设备上缺乏对应的变频器、水泵电机和电磁流量

传感变送器。于是我们运用Matlab中simulink仿真该系统的PID控制方略，即在得到变频

器、水泵电机、管道和电磁流量传感变送器”勺传递函数的基础上，采用临界比例度法整定

PID参数（包括二次整定），从而仿真得到比较理想的阶跃响应曲线。此外该课设还可以合

适扩展，设计一种上位机来对控制过程参数(管道水流量)进行设定以和对控制过程进行监

控。

通过本次课程设计，使我对过程控制系统这门课程有了深入的掌握，对所学H勺理论知

识有了更深口勺理解，也锻炼了我H勺动手能力和团体合作能力。

七.参照文献

1、黄永红主编《电气控制与PLC应用技术》机械工业