自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)課程設(shè)計三菱Q系列PLC和三菱FRF740系列變頻器來實現(xiàn)控制

1、 - 31 -摘 要本課程設(shè)計實驗采用的是計算機和三菱q系列plc和三菱fr-f740系列變頻器來實現(xiàn)控制，實驗的目標(biāo)是通過控泵的出油量來把油罐中的液位控制在設(shè)定的高度。本課程設(shè)計實驗報告首先對此次試驗的主要任務(wù)和實現(xiàn)方式做了簡要的闡述，之后針對實驗要求提出了可行的設(shè)計方案并進(jìn)行了討論和比較。我們利用plc，變頻器和電機在實驗室構(gòu)成了單回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并采用了pi算法對plc編程。經(jīng)過了一段時間的學(xué)習(xí)，通過多次校正和對參數(shù)的修改調(diào)試，最終實現(xiàn)了穩(wěn)定運行和液位（轉(zhuǎn)速）控制的在設(shè)定值的實驗?zāi)繕?biāo)。并將整個過程反映在了本次試驗報告中。程設(shè)計是以我們自己的專業(yè)課程（過程控制系統(tǒng)）為依托，針對一個特定

2、的設(shè)計內(nèi)容對我們進(jìn)行完整的控制系統(tǒng)設(shè)計訓(xùn)練的教學(xué)環(huán)節(jié)。使我們通過整個課程設(shè)計的過程了解和掌握過程控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容、步驟、規(guī)范和方法等。為將教材中的理論和上課時學(xué)習(xí)的知識與實際自動化工程提供結(jié)合的機會，加深我們對過程控制系統(tǒng)這門課程的理論知識和應(yīng)用實踐的認(rèn)識。我們的設(shè)計內(nèi)容包括：控制系統(tǒng)可行性分析，控制原理分析與設(shè)計，控制設(shè)備選型、系統(tǒng)接線圖紙設(shè)計，控制系統(tǒng)編程實現(xiàn)以及實驗驗證等。我們可以根據(jù)個人情況進(jìn)行各自特色的控制系統(tǒng)設(shè)計。關(guān)鍵詞：plc，變頻器，自動化，液位控制目 錄摘要 1. 概述12. 課程設(shè)計任務(wù)及要求2 2.1 設(shè)計任務(wù)2 2.2 設(shè)計要求23. 理論設(shè)計3 3.1 方案論證 3

3、 3.2 系統(tǒng)設(shè)計7 3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說明7 3.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理10 3.3 單元電路設(shè)計10 3.3.1 單元電路工作原理10 3.3.2 pid參數(shù)選擇134. 系統(tǒng)設(shè)計15 4.1 軟件設(shè)計15 4.2 編程過程17 4.3 編程結(jié)果185. 安裝調(diào)試22 5.1安裝調(diào)試過程22 5.2 故障分析236. 結(jié)論277. 使用儀器設(shè)備清單288. 收獲、體會和建議299. 參考文獻(xiàn)301 概述過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)是以表征生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動控制系統(tǒng)。這里“過程”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。表征

4、過程的主要參量有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。通過對過程參量的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少。一般的過程控制系統(tǒng)通常采用反饋控制的形式，這是過程控制的主要方式。單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。變頻器變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。本次試驗中采用的變頻器是三菱fr-f740系列變頻器。plcplc英文全稱programmable logic controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)

5、，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。本次試驗中所采用的plc為三菱q系列plc。2 課程設(shè)計任務(wù)及要求2.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一個液位自動控制系統(tǒng)，控制對象為3米的儲油罐。也為可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在來料量變化是實現(xiàn)自動控制，以保持設(shè)定的液位基本不變。2.2 設(shè)計要求1、選擇合適的傳感器、執(zhí)行器、控制器、設(shè)計控制方案2、設(shè)計合適的控制算法及算法參數(shù)，達(dá)到以下要求：（1）液位設(shè)定范圍為0-3米，最小區(qū)分度為0.001米，標(biāo)定液位0.01米。（2）操作界面的設(shè)計，包括（水溫顯示，設(shè)定參數(shù)的輸入，控制參數(shù)的輸入等）。（3）采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，黨設(shè)定液位突變時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。（4）

6、液位控制的靜態(tài)誤差0.02米3 理論設(shè)計3.1 方案論證在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會需要對容器中的液位（油位）進(jìn)行自動控制。雖然各種油位控制的技術(shù)要求不同，精度不同，但基本的控制原理都可以歸納為一般的反饋控制方式，它們的主要區(qū)別在于檢測液位的方式、反饋形式以及控制器上的區(qū)別。針對該系統(tǒng)的特點，我們給出兩種設(shè)計方案：傳統(tǒng)機電控制閥門式、plc與變頻器控制油泵式。方案一：傳統(tǒng)機電控制閥門式 圖3-1漂浮在水面上的浮球與控制器中的“檢測機構(gòu)”通過連桿機構(gòu)相連，當(dāng)水位發(fā)生變化時，浮球上下運動帶動“檢測機構(gòu)”產(chǎn)生位移，這個位移可以直接用來驅(qū)動閥門動作，關(guān)閉或者開啟進(jìn)水口，調(diào)節(jié)水位。如果需要控制

7、圖3-2的水筏較大，浮球的浮力不足以驅(qū)動控制水閥動作時，可以在“檢測機構(gòu)”與“閥門控制”之間增加一套機電控制驅(qū)動裝置，具體控制過程為：“檢測機構(gòu)”的位移先去帶動一個位移開關(guān)動作；位移開關(guān)控制電機的轉(zhuǎn)動；電機驅(qū)動水閥門。這種控制方式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但可以對大型蓄水裝置進(jìn)行控制，因此常常應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。方案二：plc與變頻器控制水泵式從自動控制角度看，可將變頻器與所驅(qū)動的電機及所相關(guān)的管路看成一個整體，等效于一個標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行機構(gòu)，其輸入為plc根據(jù)控制誤差的大小計算出相應(yīng)的控制器輸出（4-20madc）/（0-10v）直流信號，其輸出對應(yīng)流體的流量。圖3-3為了更清楚的說明plc與變頻器控制相對于

8、傳統(tǒng)機電控制的優(yōu)勢，下面對plc與變頻器控制系統(tǒng)的特點給予詳細(xì)說明：plc的特點: 1.可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。plc由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的f系列plc平均無故障時間高達(dá)30萬小時。一些使用冗余cpu的plc的平均無故障工作時間則更長。從plc的機外電路來說，使用plc構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，plc帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用

9、者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除plc以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。2.配套齊全，功能完善，適用性強plc發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代plc大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來plc的功能單元大量涌現(xiàn)，使plc滲透到了位置控制、溫度控制、cnc等各種工業(yè)控制中。加上plc通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用plc組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。3.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎plc作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)

10、的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用plc的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。4.系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造plc用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。5.體積小，重量輕，能耗低以超小型plc為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm

11、，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。6.本次所使用的plc基本型qcpu是以小規(guī)模系統(tǒng)為對象的，最適合于簡單而又緊湊的控制系統(tǒng)。所支持的最大io點數(shù)為1024點，軟元件的存儲器約為19k字，且允許軟元件在16k字范圍內(nèi)任意分配，q00q01cpu還可將32k字的文件寄存器存入內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)ram中?；拘蛁cpu內(nèi)部都含有閃存rom，所以能在不使用存儲卡的情況下對rom進(jìn)行操作?？梢允褂锰菪螆D、語句表、st（結(jié)構(gòu)化文本，類高級語言）、sfc、fb等5種編程語言對基本型qcpu進(jìn)行編程。除了q00j為cpu、電源和主基板（可帶32點輸入輸出）

12、一體的以外，q00/q01都為獨立的cpu模塊。q00q01cpu內(nèi)置串行通訊功能，cpu的rs-232接口能與使用mc通訊協(xié)議的外部設(shè)備進(jìn)行通訊。變頻器的特點：1.節(jié)能只要降低頻率，電機用不完的能量就接生下來了。比如，一臺水泥廠的風(fēng)機，功率是132kw，它一旦啟動就是132kw，假如這時風(fēng)力太大，用不完，就只好關(guān)閉一些閥門，但它還是會用132kw的電，浪費是必然的。用了變頻器調(diào)速器就不同了，需要多大的風(fēng)力就調(diào)到相應(yīng)的速度，其多余的能量就能節(jié)省下來。就這給廠家省下一筆很可觀的電費。一家水泥廠250kw的變頻器，平時只用到70%的功率，自從裝上變頻器，每小時節(jié)省70度電。照此計算，很快就會收回設(shè)

13、備投資。目前，變頻器空調(diào)影響很大，雖然價格貴一點，但是從長遠(yuǎn)的角度來考慮，它會從節(jié)電方面獲得效益。2.無極調(diào)速根據(jù)需要任意調(diào)級電機轉(zhuǎn)速。電機都有一個固定的轉(zhuǎn)速，沒有其他調(diào)速裝置，這個轉(zhuǎn)速固定不變。而有的工況需要電機改變速度，沒有變頻器，只能通過滑差電機或齒輪變速來實現(xiàn)，很復(fù)雜，很多維護(hù)，很笨重，很落后。有了變頻器，就使一切變速的需要變的輕而易舉，隨心所欲。3.啟動平穩(wěn)速度平穩(wěn)上升，停止平穩(wěn)，速度平滑下降，沒有沖擊。所以你在乘坐配有變頻器的電梯時，就感覺不到振動和沖擊，很舒適。變頻器體積小，重量青、安裝方便、調(diào)式簡單，作單機控制時，三根電源進(jìn)線，三根出線接電機就完成了。加速減速，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，所有的

14、操作都在一個小小的鍵盤上。所以，它深受用戶喜愛，它的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越普遍和廣泛。4.它具備多種信號輸入輸出端口，接收和輸出模擬信號，電流、電壓信號。與控機、編程器配合，就能形成自動化控制系統(tǒng)。換一句話說，什么時候加速，什么時候減速，什么時候正轉(zhuǎn)，什么時候反轉(zhuǎn)，什么時候停，什么時候啟，一切都可以預(yù)先編程，它會忠實準(zhǔn)確的執(zhí)行命令。5.本次所使用的plc特點多功能型、一般負(fù)載適用；功率范圍：0.75630kw；簡易磁通矢量控制方式，實現(xiàn)3hz時輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)120%；采用最佳勵磁控制方式，實現(xiàn)更高節(jié)能運行；內(nèi)置pid，變頻器/工頻切換和可以實現(xiàn)多泵循環(huán)運行功能；內(nèi)置獨立的rs485通訊口；使用長壽命元器

15、件；內(nèi)置噪聲濾波器（75k以上）由上所述，plc與變頻器控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)機電控制系統(tǒng)相比具有許多特點，其控制質(zhì)量較高，對于被控過程中有較大的純滯后和容量的系統(tǒng)均會起到較好的效果。本次試驗中的實驗設(shè)備恰好具備此類性質(zhì)和特點，因此選定plc與變頻器控制系統(tǒng)作為設(shè)計方案。3.2 系統(tǒng)設(shè)計3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說明plc與變頻器控制系統(tǒng)的方框圖如圖所示： 比較環(huán)節(jié)控制機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)被控對象檢測、變送環(huán)節(jié) 圖3-4本實驗為plc與變頻器控制系統(tǒng)，它是由單回路組成。plc起到比較和控制的作用，變頻器、電機和水泵可看作整體起到執(zhí)行機構(gòu)的作用，差壓變送器是檢測和變送的環(huán)節(jié)，被控對象是液位高度。調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇

16、在選擇調(diào)節(jié)器控制規(guī)律之前，我們有必要先來了解一下比例p，積分i，微分d三中調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律及控制特點，這對我們能正確選擇調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)方式會有很大幫助。比例(p)調(diào)節(jié) 純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡單的調(diào)節(jié)器，它對控制作用和擾動作用的響應(yīng)都很快。由于比例調(diào)節(jié)只有一個參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點是系統(tǒng)有靜差存在。其傳遞函數(shù)為： （3-1） 式中kp為比例系數(shù)，為比例帶。 比例積分(pi)調(diào)節(jié) pi調(diào)節(jié)器就是利用p調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用i調(diào)節(jié)消除殘差，但i調(diào)節(jié)會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種調(diào)節(jié)器在過程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：（3-2）式中i為微分時間。 比例微分(pd)

17、調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過大，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動作向兩端飽和。因此一般不用于流量和液位控制系統(tǒng)。pd調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （3-3）式中d為微分時間。比例積分微分(pid)調(diào)節(jié)器 pid是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。由于它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。它的傳遞函數(shù)為：（3-4） 在在本實驗單反饋控制中, 過程參數(shù)或過程變量與所需的設(shè)定值之間存在偏差, 通過pid 運算可以計算出控制器的輸出值, 假設(shè)過程參數(shù)或過程變量是pv, 設(shè)定值是sp, 偏差是e, 控制器輸出是ou

18、t, 則計算公式是: ei=pvi-spi outi=kpei+kiei t+kd!ei-ei-1 式中, 輸出數(shù)值outi由三個輸出項組成。第一項是比例作用(proportionalactive) 的輸出, 它的輸出與偏差成正比。在某一時刻, 如果偏差為0, 則比例項輸出為0。對控制器輸出的影響大小與所設(shè)置的比例增益kp有關(guān)。第二項是積分作用(integralactive) 的輸出, 它的輸出是與偏差的大小和偏差作用時間的乘積有關(guān)。在某一時刻, 如果偏差為0, 積分項的輸出并不為0, 由于偏差為0, 該項的比例輸出將不發(fā)生變化, 保持在原有的數(shù)據(jù)上。積分項作用增長的快慢與偏差的大小、所設(shè)置的

19、積分常數(shù)ki有關(guān): ki=ktip。ti稱為積分時間, ti越大, ki就越小, 積分作用增長就越弱, 消除偏差的時間也就越長。第三項是微分作用(derivativeactive) 的輸出, 它的輸出與偏差的變化率有關(guān)。因此, 如果偏差存在但不發(fā)生變化, 微分作用的輸出就為0。微分作用的大小是與偏差變化率及微分常數(shù)kd有關(guān): kd=kptd。td稱為微分時間, td越小, kd就越小, 微分作用就越弱, 對偏差變化就越不敏感。3.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理（如圖3-3） plc根據(jù)控制誤差的大小計算出相應(yīng)的控制器輸出i（4-20madc）/u（0-10v）,變頻器根據(jù)輸入信號i/u輸出相應(yīng)的

20、可變頻率f來改變電機的轉(zhuǎn)速n而轉(zhuǎn)速n的改變將直接影響容器的流出量qout,從而達(dá)到控制液位高度的目的。3.3 單元電路設(shè)計3.3.1 單元電路工作原理系統(tǒng)概述 液位控制系統(tǒng)由工業(yè)計算機、plc可編程控制器、變頻器和差壓變送器等組成。液位設(shè)定值由計算機輸入界面人工給定。壓力差計檢測出液位信號，通過變送裝置反饋給plc可編程控制器，與設(shè)定值進(jìn)行比較。plc可編程控制器作為pid控制器，控制變頻器，實現(xiàn)液位的快速、無靜差控制。在液位調(diào)節(jié)過程和正常生產(chǎn)過程中，可通過計算機的監(jiān)視畫面實時監(jiān)控液位。下面僅對與本次課程設(shè)計相關(guān)的設(shè)備給予簡單介紹，其它設(shè)備在此不作說明。 1. 控制機構(gòu)三菱plc： 結(jié)構(gòu)靈活，

21、不受環(huán)境的限制，有電即可組建網(wǎng)絡(luò)，同時可以靈活擴展接入端口數(shù)量，使資源保持較高的利用率，在移動性方面可與wlan媲美。 傳輸質(zhì)量高、速度快、帶寬穩(wěn)定，可以很平順的在線觀賞dvd影片，它所提供的14mbps帶寬可以為很多應(yīng)用平臺提供保證。最新的電力線標(biāo)準(zhǔn)homeplug av傳輸速度已經(jīng)達(dá)到了200mbps；為了確保qos，homeplug av采用了時分多路訪問（tdma）與帶有沖突檢測機能的載體偵聽多路訪問（csma）協(xié)議，兩者結(jié)合，能夠很好地傳輸流媒體。 范圍廣，無所不在的電力線網(wǎng)絡(luò)也是這種技術(shù)的優(yōu)勢。雖然無線網(wǎng)絡(luò)可以做到不破墻，但對于高層建筑來說，其必需布設(shè)n多個ap才能滿足需求，而且同

22、樣不能避面信號盲區(qū)的存在。而電力線是最基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)，它的規(guī)模之大，是其他任何網(wǎng)絡(luò)無法比擬的。由此，運營商就可以輕松地把這種網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)滲透到每一處有電力線的地方。這一技術(shù)一旦全面進(jìn)入商業(yè)化階段，將給互聯(lián)網(wǎng)普及帶來極大的發(fā)展空間。終端用戶只需要插上電力貓，就可以實現(xiàn)因特網(wǎng)接入，電視頻道接收節(jié)目，打電話或者是可視電話。 低成本。充分利用現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，無需任何布線，節(jié)約了資源。無需挖溝和穿墻打洞，避免了對建筑物、公用設(shè)施、家庭裝潢的破壞，同時也節(jié)省了人力。相對傳統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)，plc成本更低，工期短，可擴展性和可管理性更強。目前國內(nèi)已開通電力寬帶上網(wǎng)的地方，其包月使用費用一般為50-80元

23、/月左右，這樣的價格和很多地方的adsl包月相持平。 適用面廣。plc作為利用電力線組網(wǎng)的一種接入技術(shù)，提供寬帶網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的解決方案，廣泛適用于居民小區(qū)，酒店，辦公區(qū)，監(jiān)控安防等領(lǐng)域。它是利用電力線作為通信載體，使得plc具有極大的便捷性，只要在房間任何有電源插座的地方，不用撥號，就立即可享受4.545mbps的高速網(wǎng)絡(luò)接入，來瀏覽網(wǎng)頁撥打電話，和觀看在線電影，從而實現(xiàn)集數(shù)據(jù)、語音、視頻，以及電力于一體的“四網(wǎng)合一”。2.執(zhí)行機構(gòu)三菱變頻器：fr-f740系列 功率范圍：37220kw 簡易磁通矢量控制方式，實現(xiàn)3hz時輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)120% 采用最佳勵磁控制方式，實現(xiàn)更高節(jié)能運行 內(nèi)置p

24、id，變頻器/工頻切換和可以實現(xiàn)多泵循環(huán)運行功能 內(nèi)置獨立的rs485通訊口 使用長壽命元器件 內(nèi)置噪聲濾波器（75k以上） 帶有節(jié)能監(jiān)控功能，節(jié)能效果一目了然3.檢測變送機構(gòu)ddziii型差壓變送器，其原理如圖3-5適用范圍：ddziii型差壓變送器主要用于測量液體、氣體、蒸汽的差壓、壓力及負(fù)壓也可以測量開口或受壓容器的液位，配上節(jié)流裝置可以測量液體、氣體或蒸汽的流量，其中差壓液位變送器還能測量高粘度、沉淀性等介質(zhì)；防腐差壓變送器用于測量各種腐蝕性酸、堿、氯化物等介質(zhì)，并將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成為420ma的直流信圖3-5號輸出，并傳給二次儀表或調(diào)節(jié)單元作檢測或控制用。ddziii型系列差壓變送器廣

25、泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金等行業(yè)。主要技術(shù)參數(shù)：輸出信號：420ma.dc負(fù)載電阻：0350來回變差：基本誤差靜壓誤差：3%（靜壓為16mpa以下）；5%（靜壓為16mpa以上）電源電壓：24v.dc安裝方式：現(xiàn)場安裝于50管子上環(huán)境溫度：-25+60相對濕度：95%接線說明： 圖3-6變頻器與電機、plc的連接圖3-73.3.2 pid參數(shù)選擇pid控制器的參數(shù)整定： pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。pid控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，

26、經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進(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，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。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，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(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)，都需要在實際運行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 pid控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到

27、系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到pid控制器的參數(shù)。在實際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。對于液位系統(tǒng)：p（%）20-80，i（分）1-5以下七字訣可作為參考：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降曲線波動周期長，積分時間再加長曲線振蕩頻率快，先把微分降下來動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長理想曲線兩個波，前高后低4比1一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低matlab仿真圖3-8圖3-94 系

28、統(tǒng)設(shè)計4.1 軟件設(shè)計輸入輸出界面設(shè)置：圖4-14.2 編程過程：圖4-24.3編程結(jié)果plc與變頻器控制程序注釋：0 ldi x1401 out y81 2 mov k3000 d50 d50 =給定4 mov k4000 d56 d56 =上限6 emov e1 d10 d10 = kp9 mov k4 d12 d12 = ti11 mov k1 d14 d14 = t13 and d29 d5686 or= d29 k-350089 anb90 mov k4000 d8092 mpp93 and d29 k-350099 mov d29 d80101 end102速度快慢循環(huán)控制：此程序

29、利用兩個計時器實現(xiàn)了電機10秒高速運行，之后10秒低速運行控制，并實現(xiàn)循環(huán)。仍然采用pi算法同第一個程序。5 安裝調(diào)試5.1 安裝調(diào)試過程實驗室調(diào)試部分由于條件有限，我們不能夠?qū)φ嬲乃淞髁靠刂圃O(shè)備進(jìn)行調(diào)試，只能在三菱實驗室進(jìn)行液位控制系統(tǒng)的模擬實驗，通過對電機轉(zhuǎn)速的控制來模擬水泵的流量控制。在實驗過程中，我們用電機的轉(zhuǎn)速模擬排水流量，用測速發(fā)電機模擬流量檢測裝置，用三菱變頻器模擬執(zhí)行機構(gòu)電動調(diào)節(jié)閥，用直流發(fā)電機模擬擾動，在實驗室計算機和三菱plc的控制下，完成了系統(tǒng)的模擬和調(diào)試。 首先，我們查閱了三菱plc和三菱變頻器的使用手冊，了解了它們的工作原理和工作方式。然后，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)行硬

30、件接線。具體步驟如下： （1） 按設(shè)計好的線路接線，確定無誤后方可合上電源。 （2）打開計算機上的plc動態(tài)監(jiān)視，監(jiān)視電機啟動過程中的數(shù)據(jù)變化，同時觀察示波器波形變化。 （3）先設(shè)定調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律、pid參數(shù)，模擬給定量設(shè)為1000r/min，啟動電動機并進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控。在數(shù)字示波器上觀察電機啟動時的轉(zhuǎn)速特性。如果特性不滿足要求，用工程的方法反復(fù)調(diào)整pid參數(shù)，直到系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)特性滿足要求為止，并記錄pid參數(shù)。 （4）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過直流電動機，加入擾動，在突加給定階躍擾動時，觀察系統(tǒng)克服擾動的能力及電機轉(zhuǎn)速特性。 （5）在示波器上保存電機轉(zhuǎn)速特性變化曲線。示波器檢測輸出波形圖：圖5-1

31、 變頻器單獨控制由于pid運算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對pid算法的編程，而且pid參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。同時，為了保證液位反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。圖5-2 plc與變頻器控制plc的參數(shù)設(shè)置影響到變頻器內(nèi)部pid的調(diào)節(jié)，反而出現(xiàn)超調(diào)5.2 故障分析變頻器故障變頻器由主回路、電源回路、ipm驅(qū)動及保護(hù)回路、冷卻風(fēng)扇等幾部分組成。其結(jié)構(gòu)多為單元化或模塊化形式。由于使用方法不正確或設(shè)置環(huán)境不合理，將容易造成變頻器誤操作及發(fā)生故障，或者無

32、法滿足預(yù)期的運行效果。為防患于未然，事先對故障原因進(jìn)行認(rèn)真分析尤為重要。 主回路常見故障分析 主回路主要由三相或單相整流橋、平滑電容器、濾波電容器、ipm逆變橋、限流電阻、接觸器等元件組成。其中許多常見故障是由電解電容引起。電解電容的壽命主要由加在其兩端的直流電壓和內(nèi)部溫度所決定，在回路設(shè)計時已經(jīng)選定了電容器的型號，所以內(nèi)部的溫度對電解電容器的壽命起決定作用。電解電容器會直接影響到變頻器的使用壽命，一般溫度每上升10 ，壽命減半。因此一方面在安裝時要考慮適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度，另一方面可以采取措施減少脈動電流。采用改善功率因數(shù)的交流或直流電抗器可以減少脈動電流，從而延長電解電容器的壽命。 在電容器維護(hù)

33、時，通常以比較容易測量的靜電容量來判斷電解電容器的劣化情況，當(dāng)靜電容量低于額定值的80%，絕緣阻抗在5 m以下時，應(yīng)考慮更換電解電容器。 主回路典型故障分析 故障現(xiàn)象：變頻器在加速、減速或正常運行時出現(xiàn)過電流跳閘。 首先應(yīng)區(qū)分是由于負(fù)載原因，還是變頻器的原因引起的。如果是變頻器的故障，可通過歷史記錄查詢在跳閘時的電流，超過了變頻器的額定電流或電子熱繼電器的設(shè)定值，而三相電壓和電流是平衡的，則應(yīng)考慮是否有過載或突變，如電機堵轉(zhuǎn)等。在負(fù)載慣性較大時，可適當(dāng)延長加速時間，此過程對變頻器本身并無損壞。若跳閘時的電流，在變頻器的額定電流或在電子熱繼電器的設(shè)定范圍內(nèi)，可判斷是ipm模塊或相關(guān)部分發(fā)生故障。

34、首先可以通過測量變頻器的主回路輸出端子u、v、w， 分別與直流側(cè)的p、n端子之間的正反向電阻，來判斷ipm模塊是否損壞。如模塊未損壞，則是驅(qū)動電路出了故障。如果減速時ipm模塊過流或變頻器對地短路跳閘，一般是逆變器的上半橋的模塊或其驅(qū)動電路故障；而加速時ipm模塊過流，則是下半橋的模塊或其驅(qū)動電路部分故障，發(fā)生這些故障的原因，多是由于外部灰塵進(jìn)入變頻器內(nèi)部或環(huán)境潮濕引起。 控制回路故障分析 控制回路影響變頻器壽命的是電源部分，是平滑電容器和ipm電路板中的緩沖電容器，其原理與前述相同，但這里的電容器中通過的脈動電流，是基本不受主回路負(fù)載影響的定值，故其壽命主要由溫度和通電時間決定。由于電容器都

35、焊接在電路板上，通過測量靜電容量來判斷劣化情況比較困難，一般根據(jù)電容器環(huán)境溫度以及使用時間，來推算是否接近其使用壽命。電源電路板給控制回路、ipm驅(qū)動電路和表面操作顯示板以及風(fēng)扇等提供電源，這些電源一般都是從主電路輸出的直流電壓，通過開關(guān)電源再分別整流而得到的。因此，某一路電源短路，除了本路的整流電路受損外，還可能影響其他部分的電源，如由于誤操作而使控制電源與公共接地短接，致使電源電路板上開關(guān)電源部分損壞，風(fēng)扇電源的短路導(dǎo)致其他電源斷電等。一般通過觀察電源電路板就比較容易發(fā)現(xiàn)。plc故障基本的查找故障順序提出下列問題，并根據(jù)發(fā)現(xiàn)的合理動作逐個否定。一步一步地更換各種模塊,直到故障全部排除。所有

36、主要的修正動作能通過更換模塊來完成。 除了一把螺絲刀和一個萬用電表外，并不需要特殊的工具，不需要示波器，高級精密電壓表或特殊的測試程序。、pwr（電源）燈亮否？如果不亮，在采用交流電源的框架的電壓輸入端（98-162vac或195-252vac）檢查電源電壓；對于需要直流電壓的框架， 測量+24vdc和0vdc端之間的直流電壓，如果不是合適的ac或dc電源，則問題發(fā)生在plc之外。如ac或dc電源電壓正常，但pwr燈不亮，檢查保險絲， 如必要的話，就更換cpu框架。、pwr（電源）燈亮否？如果亮，檢查顯示出錯的代碼，對照出錯代碼表的代碼定義，做相應(yīng)的修正。、run（運行）燈亮否？如果不亮，檢查

37、編程器是不是處于prg或load位置，或者是不是程序出錯。如run燈不亮，而編程器并沒插上，或者編程器處于run方式 且沒有顯示出錯的代碼，則需要更換cpu模塊。、batt（電池）燈亮否？如果亮，則需要更換鋰電池。由于batt燈只是報警信號，即使電池電壓過低，程序也可能尚沒改變。更換電池以后， 檢查程序或讓plc試運行。如果程序已有錯，在完成系統(tǒng)編程初始化后，將錄在磁帶上的程序重新裝入plc。、在多框架系統(tǒng)中,如果cpu是工作的,可用run繼電器來檢查其它幾個電源的工作。如果run繼電器未閉合(高阻態(tài)),按上面講的第一步檢查ac或dc電源如ac 或dc電源正常而繼電器是斷開的,則需要更換框架。

38、6 結(jié)論比例p 積分i 微分d 控制機理（1） 比例系數(shù)kp加快響應(yīng)速度，但可能引起超調(diào)。比例控制時可以減小系統(tǒng)的輸出穩(wěn)態(tài)誤差，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例系數(shù)加大，會使系統(tǒng)動作靈敏，速度加快。但是如果取得偏大，則振蕩次數(shù)會增多，調(diào)節(jié)時間加長。因此，當(dāng)p太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定，當(dāng)p太小時，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。（2） 積分系數(shù)ki消除系統(tǒng)靜差。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動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。當(dāng)i太小時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，系統(tǒng)振蕩次數(shù)增多。當(dāng)i太大時，積分作用會太弱，以至于不能減小穩(wěn)態(tài)誤差，對系統(tǒng)性能的影響減小。當(dāng)i合適時，過渡過程的特性則比較理想。 （3） 微分系數(shù)kd加快系統(tǒng)的響應(yīng)，消除滯后帶來的影響。對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特