畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中型實(shí)驗(yàn)室的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、中國(guó)石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目：基于plc的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-中型實(shí)驗(yàn)室的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中心： 大慶油田學(xué)習(xí)中心 年級(jí)專業(yè)： 網(wǎng)絡(luò)09秋 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 0961451002 指導(dǎo)教師： 職 稱： 副教授 導(dǎo)師單位： 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 中國(guó)石油大學(xué)（華東）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院論文完成時(shí)間： 2011 年 07 月 30 日中國(guó)石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書發(fā)給學(xué)員 1設(shè)計(jì)(論文)題目： 2學(xué)生完成設(shè)計(jì)(論文)期限： 年 月 日至 年 月 日 3設(shè)計(jì)(論文)課題要求： 4實(shí)驗(yàn)（上機(jī)、調(diào)研）部分要求內(nèi)容： 5文獻(xiàn)查閱要求： 6發(fā)

2、 出 日 期： 年 月 日 7學(xué)員完成日期： 年 月 日指導(dǎo)教師簽名： 學(xué) 生 簽 名： 注：此頁(yè)由指導(dǎo)教師填寫摘 要plc控制系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。plc控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的效果。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，有大量的數(shù)字量及模擬量的控制裝置，plc控制系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品的計(jì)數(shù)，溫度、壓力、流量的設(shè)定與控制等，而plc技術(shù)是解決上述問題的最有效、最便捷的工具，因此，plc在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：plc 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 調(diào)試目 錄第1章 前言.1第2章 基于plc過程控制系統(tǒng)方案.2第3章 硬件部分的實(shí)現(xiàn).3第4章 軟件部分.5第5章 調(diào)試.9

3、第6章 結(jié)論 .11參考文獻(xiàn) .12致 謝.13附 錄14第1章 前言自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器（programmable logic controller，plc）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，plc得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，plc的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，plc應(yīng)用于模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的plc不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。目前，plc在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各

4、個(gè)行業(yè)。 同時(shí)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是采用集中監(jiān)測(cè)、集中控制、集中顯示、集中管理、集中保存的系統(tǒng)，融合了較先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，廣泛應(yīng)用在化工、供暖、機(jī)械、供水、水處理等多個(gè)領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越顯著的作用。第2章 基于plc過程控制系統(tǒng)方案基于plc的過程控制系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)plc過程控制系統(tǒng)時(shí)，遵循以下基本原則：1. 最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求充分發(fā)揮plc的功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，是設(shè)計(jì)plc控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前就要深

5、入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場(chǎng)的資料，收集相關(guān)先進(jìn)的國(guó)內(nèi)、國(guó)外資料。同時(shí)要注意和現(xiàn)場(chǎng)的工程管理人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn)場(chǎng)操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問題和疑難問題。2. 保證plc控制系統(tǒng)安全可靠保證plc控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確保控制系統(tǒng)安全可靠。例如：應(yīng)該保證plc程序不僅在正常條件下運(yùn)行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯(cuò)等），也能正常工作。3. 力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便 一個(gè)新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

6、，但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護(hù)也將導(dǎo)致運(yùn)行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計(jì)者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)方便、成本低，不宜盲目追求自動(dòng)化和高指標(biāo)。 4. 適應(yīng)發(fā)展的需要 由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷地提高，設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇plc、輸入/輸出模塊、i/o點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量時(shí)，要適當(dāng)留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。第3章 硬件部分的實(shí)現(xiàn) plc硬件部分選用西門子s7-300系列產(chǎn)品，西門子s7-3

7、00plc是具有模塊化設(shè)計(jì)思想，可以根據(jù)控制要求方便的組合。為系統(tǒng)的改造和升級(jí)改造方便的條件。根據(jù)控制要求及系統(tǒng)升級(jí)考慮選用設(shè)備型號(hào)。也可根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，以便維修時(shí)模塊方便的更換。plc控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是plc控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，這關(guān)系著plc控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性、穩(wěn)定性。s7-300是模塊化的plc,能夠適合本系統(tǒng)的控制要求。s7-300采用緊湊的、無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，電源模塊(ps)、cpu、信號(hào)模塊(sm)、功能模塊（fm）、接口模塊（im）和通信處理器(cp)都安裝在導(dǎo)軌上。電源模塊總是安裝在機(jī)架的最左邊，cpu模塊緊靠電源模塊。其它接口模塊放在cpu模塊

8、的右側(cè)。s7-300用背板總線將除電源模塊之外的各個(gè)模塊連接起來。背板總線集成在模塊上，模塊通過u型總線連接器相連，每個(gè)模塊都有一個(gè)總線連接器。安裝時(shí)先將總線連接器插在cpu模塊上，并固定在din導(dǎo)軌上，然后依次裝入各個(gè)模塊。本系統(tǒng)采用金屬外殼屏蔽，將plc系統(tǒng)內(nèi)置于金屬柜之內(nèi)，金屬柜外殼接地，起到良好的靜電、磁場(chǎng)屏蔽作用，防止空間輻射干擾。電源模塊(ps)電源模塊用于將ac 220 v電源轉(zhuǎn)換為dc 24 v電源，供cpu和i/o模塊使用。中央處理器(cpu) 各種cpu有不同的性能，有的cpu集成有數(shù)字量和模擬量輸入/輸出點(diǎn)等。信號(hào)模塊（sm）信號(hào)模塊是數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸

9、出模塊的總稱它們使不同的過程信號(hào)電壓或電流與plc內(nèi)部的信號(hào)電平匹配。信號(hào)模塊主要有數(shù)字量輸入模塊sm321和數(shù)字量輸出2，模擬量輸入模塊sm331和模擬量輸出模塊sm332。前連接器前連接器用于將傳感器和執(zhí)行元件連接到信號(hào)模塊。它被插入到模塊上，有前蓋板保護(hù)。外部接線接在信號(hào)模塊的前連接器的端子上，前連接器用插接的方式安裝在模塊后面的凹槽中。s7-300的電源模塊通過電源連接器或?qū)Ь€與cpu模塊相連 ，為cpu模塊提供dc 24 v電源。以下是本系統(tǒng)的配置單：配置單：序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量1電源ps30712中央處理器cpu31413mmc卡953內(nèi)存卡14報(bào)警模塊sm33215模擬量輸入卡ai3

10、3136模擬量輸出卡ao33227開關(guān)量輸入/輸出卡di32318導(dǎo)軌19前連接器810d型頭211step7軟件5.4112wincc軟件6.01131.2網(wǎng)線10m14通訊卡cp5611卡1第4章 軟件部分本系統(tǒng)采用的是step7系列的編程軟件。梯形圖、語(yǔ)句表、功能塊圖是step7的基本編程語(yǔ)言。梯形圖是使用最多的plc圖形編程語(yǔ)言。梯形圖與繼電器電路圖相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠熟悉繼電器控制電氣人員掌握，適合于數(shù)字量邏輯控制。以下是本系統(tǒng)部分截圖：第5章 調(diào)試在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定

11、性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。比例（p）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-state error）。積分（i）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正

12、比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（system with steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分（d）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其

13、原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)調(diào)試的內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的

14、特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。pid控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。pid控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。在此，不作詳細(xì)說明。第6章 結(jié)論參考文獻(xiàn)1 xxxxxx. xxxxx算法及技巧 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 20052 宋伯生. plc編程理論算法及技巧 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 20