管道流量比值控制PLC系統(tǒng)設(shè)計—課程設(shè)計論文

1、信息與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計說明書（2010/2011學(xué)年第一學(xué)期）課程名稱 ： 可編程控制器應(yīng)用 題 目 ： 管道流量比值控制PLC系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè)班級 ： 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師 ： 設(shè)計周數(shù) ： 設(shè)計成績 ： 2011 年 1月 4日2011 年 1月14日一、PLC課程設(shè)計目的2二、原始數(shù)據(jù)及設(shè)計主要任務(wù)2三、技術(shù)要求2四、PLC控制系統(tǒng)組成31.PLC概述32. PLC工作原理33.S7200PLCCPU226簡介44.管道流量比值控制系統(tǒng)組成44.1系統(tǒng)應(yīng)用簡介44.2系統(tǒng)工作原理：54.3、PID控制算法說明：64.4 PID 算法在S7-200 中的實現(xiàn)：64.5 調(diào)試P

2、ID 控制器：74.6 PID算法:84.7回路表：11五、PLC程序：12六、課程設(shè)計總結(jié)：15七、參考文獻：15八、指導(dǎo)老師評語表：15一、PLC課程設(shè)計目的1.掌握S7-200系列可編程控制器硬件電路的設(shè)計方法。2.熟練使用S7-200系列可編程控制器的編程軟件，掌握可編程控制器軟件程序的設(shè)計思路和梯形圖的設(shè)計方法。3.掌握S7-200系列可編程控制器程序的應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試、監(jiān)控、運行方法。4.在完成可編程控制器為下位機的相關(guān)控制程序的基礎(chǔ)上，用組態(tài)軟件編程實現(xiàn)上位機的控制及其相關(guān)監(jiān)控界面。5.通過課程設(shè)計使學(xué)生能熟練掌握數(shù)據(jù)的查詢（圖書、網(wǎng)絡(luò)），PLC課程所獲知識在工程設(shè)計工作中綜合地加

3、以應(yīng)用，使理論知識和實踐結(jié)合起來。二、原始數(shù)據(jù)及設(shè)計主要任務(wù)1.了解管道流量比值控制系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和PID控制算法。2.逐一明確各路檢測信號到PLC的輸入通道，包括傳感器的原理、連接方法、信號種類、信號調(diào)理電路、引入PLC的接線以及PLC中的編址。3.逐一明確從PLC到各執(zhí)行機構(gòu)的輸出通道，包括各執(zhí)行機構(gòu)的種類和工作原理，驅(qū)動電路的構(gòu)成，PLC輸出信號的種類和地址。4.繪制出流量控制系統(tǒng)的電路原理圖，編制I/O地址分配表。5.編制PLC程序，結(jié)合過程控制實驗室現(xiàn)有設(shè)備進行調(diào)試，要求能在實驗設(shè)備上演示控制過程。三、技術(shù)要求1此系統(tǒng)有兩路供水系統(tǒng)。第一路由異步電動機（不具備

4、調(diào)速功能）和和水泵構(gòu)成動力系統(tǒng)，由渦輪流量計檢測流量，電動調(diào)節(jié)閥控制流量。第二路由變頻器、電動機和水泵構(gòu)成動力系統(tǒng)，依靠動力系統(tǒng)的變頻調(diào)速控制流量，用電磁流量計檢測流量。2.流量比值控制就是由可編程控制器控制兩路供水系統(tǒng)的流量保持設(shè)定的比例。本設(shè)計假設(shè)第一路的流量由其他系統(tǒng)控制或手動控制，本系統(tǒng)把第一路的流量（檢測值）乘以設(shè)定的比例系數(shù)后的值作為流量給定值，控制第二路供水管道的流量?？刂破鞑捎肞ID算法決定變頻器的給定值，從而實現(xiàn)兩路流量的按比例控制。3.流量比值控制是后續(xù)工藝的需要，如化學(xué)反應(yīng)的需要，實際工業(yè)中兩路是不同的液體或氣體，這里為了能在實驗室實現(xiàn)，兩路管道都用同樣的水。四、PLC控

5、制系統(tǒng)組成1.PLC概述可編程序控制器（Programmable Controller）通常也稱為可編程控制器。它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)而發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置；具有體積小、功能強、程序設(shè)計簡單、靈活通用、維護方便等優(yōu)點，本系統(tǒng)采用在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的西門子S7200系列PLC作為主控制器， S7-200系列小型PLC可以應(yīng)用于各種自動化系統(tǒng)。如圖1-1所示，S7200PLC由主機、輸入/輸出接口、電源、模塊擴展接口和外部設(shè)備接口、計算機編程軟件等幾個主要部分組成。2. PLC工作原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運

6、行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC掃描一個周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)

7、相應(yīng)的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)輸出設(shè)備工作。3.S7200PLCCPU226簡介CPU226模塊I/O總點數(shù)為40點（24/ 16 點），可帶7個擴展模塊；用戶程序存儲器容量為6.6K字；內(nèi)置6個高速計數(shù)器，具有PID控制的功能；有2個高速脈沖輸出端和2個RS-485通訊口；具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由口協(xié)議的通訊能力。 4.管道流量比值控制系統(tǒng)組成4.1系統(tǒng)應(yīng)用簡介在各

8、種生產(chǎn)過程中，需要使兩種物料的流量保持嚴格的比例關(guān)系是常見的，例如，在鍋爐的燃燒系統(tǒng)中，要保持燃料和空氣量的一定比例，以保證燃燒的經(jīng)濟性。而且往往其中一個流量隨外界負荷需要而變，另一個流量則應(yīng)由調(diào)節(jié)器控制，使之成比例地改變，保證二者之比值不變。否則，如果比例嚴重失調(diào)，就可能造成生產(chǎn)事故，或發(fā)生危險。又如，以重油為原料生產(chǎn)合成氨時，在造氣工段應(yīng)該保持一定的氧氣和重油比率，在合成工段則應(yīng)保持氫和氮的比值一定。這些比值調(diào)節(jié)的目的是使生產(chǎn)能在最佳的工況下進行比值系統(tǒng)組成原理：在各種生產(chǎn)過程中，需要使兩種物料的流量保持嚴格的比例關(guān)系是常見的，例如，在鍋爐的燃燒系統(tǒng)中，要保持燃料和空氣量的一定比例，以保證

9、燃燒的經(jīng)濟性。而且往往其中一個流量隨外界負荷需要而變，另一個流量則應(yīng)由調(diào)節(jié)器控制，使之成比例地改變，保證二者之比值不變。否則，如果比例嚴重失調(diào)，就可能造成生產(chǎn)事故，或發(fā)生危險。又如，以重油為原料生產(chǎn)合成氨時，在造氣工段應(yīng)該保持一定的氧氣和重油比率，在合成工段則應(yīng)保持氫和氮的比值一定。這些比值調(diào)節(jié)的目的是使生產(chǎn)能在最佳的工況下進行。本實驗比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成原理如下圖所示： 圖8-1、比值控制系統(tǒng)原理圖4.2系統(tǒng)工作原理：對于節(jié)流元件來說，壓差與流量的平方成正比，即 PQ2對于圖13-1單閉環(huán)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，A，B 兩個管路上的P可分別寫為PA=KAQA2PB=KBQB2其中， KA、KB為放大系數(shù)

10、。變送器送出的信號為4-20mA電流信號，那么F1，F(xiàn)A有如下關(guān)系： F1-4=CAPA FA-4=CBPB式中CA、CB是變送器的放大系數(shù)， F1，F(xiàn)A是變送器的輸出信號電流。比值器的輸出關(guān)系為： F2-4=KC( F1-4)KC為比值器的放大系數(shù)。則有： F2-4=KCCA KAQA2FA-4=CBKBQB2由于調(diào)節(jié)器為比例積分調(diào)節(jié)，在穩(wěn)態(tài)下它可保持FA =F2，故有KC CA KAQA2 = CB KBQB2即 （QA/QB）2=KCCB KB/CA KA從上式可知，為使流量QA、QB的比值滿足工藝要求，只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比值器的放大系數(shù)KC即可。4.3、PID控制算法說明：S7-200 能

11、夠進行PID 控制。S7-200 CPU 最多可以支持8 個PID 控制回路（8 個PID 指令功能塊）。PID 是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例積分微分控制算法。PID 控制器根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對象的實際值（反饋）的差值，按照PID 算法計算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機構(gòu)去影響被控對象的變化。PID 控制是負反饋閉環(huán)控制，能夠抑制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的各種因素所引起的擾動，使反饋跟隨給定變化。根據(jù)具體項目的控制要求，在實際應(yīng)用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是PI（比例積分）控制，這時沒有微分控制部分。4.4 PID 算法在S7-200 中的實現(xiàn)：PID 控制最初在模擬量控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，隨著離散控制理論

12、的發(fā)展，PID 也在計算機化控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。為便于實現(xiàn)，S7-200 中的PID 控制采用了迭代算法。詳細的計算方法請參考S7-200系統(tǒng)手冊中PID 指令部分的相關(guān)內(nèi)容。計算機化的PID 控制算法有幾個關(guān)鍵的參數(shù)Kc（Gain，增益），Ti（積分時間常數(shù)），Td（微分時間常數(shù)），Ts（采樣時間）。在S7-200 中PID 功能是通過PID 指令功能塊實現(xiàn)。通過定時（按照采樣時間）執(zhí)行PID 功能塊，按照PID 運算規(guī)律，根據(jù)當(dāng)時的給定、反饋、比例積分微分數(shù)據(jù)，計算出控制量。PID 功能塊通過一個PID 回路表交換數(shù)據(jù)，這個表是在V 數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的開辟，長度為36 字節(jié)。因此每個PID 功能塊

13、在調(diào)用時需要指定兩個要素：PID 控制回路號，以及控制回路表的起始地址（以VB 表示）。由于PID 可以控制溫度、壓力等等許多對象，它們各自都是由工程量表示，因此有一種通用的數(shù)據(jù)表示方法才能被PID 功能塊識別。S7-200 中的PID 功能使用占調(diào)節(jié)范圍的百分比的方法抽象地表示被控對象的數(shù)值大小。在實際工程中，這個調(diào)節(jié)范圍往往被認為與被控對象（反饋）的測量范圍（量程）一致。PID 功能塊只接受0.0 - 1.0 之間的實數(shù)（實際上就是百分比）作為反饋、給定與控制輸出的有效數(shù)值，如果是直接使用PID 功能塊編程，必須保證數(shù)據(jù)在這個范圍之內(nèi)，否則會出錯。其他如增益、采樣時間、積分時間、微分時間都

14、是實數(shù)。因此，必須把外圍實際的物理量與PID 功能塊需要的（或者輸出的）數(shù)據(jù)之間進行轉(zhuǎn)換。這就是所謂輸入/輸出的轉(zhuǎn)換與標準化處理。S7-200 系統(tǒng)手冊上有詳細的介紹。S7-200 的編程軟件Micro/WIN 提供了PID 指令向?qū)?，以方便地完成這些轉(zhuǎn)換/標準化處理。除此之外，PID 指令也同時會被自動調(diào)用。4.5 調(diào)試PID 控制器：PID 控制的效果就是看反饋（也就是控制對象）是否跟隨設(shè)定值（給定），是否響應(yīng)快速、穩(wěn)定，是否能夠抑制閉環(huán)中的各種擾動而回復(fù)穩(wěn)定。要衡量PID 參數(shù)是否合適，必須能夠連續(xù)觀察反饋對于給定變化的響應(yīng)曲線；而實際上PID 的參數(shù)也是通過觀察反饋波形而調(diào)試的。因此，

15、沒有能夠觀察反饋的連續(xù)變化波形曲線的有效手段，就談不上調(diào)試PID 參數(shù)。觀察反饋量的連續(xù)波形，可以使用帶慢掃描記憶功能的示波器（如數(shù)字示波器），波形記錄儀，或者在PC 機上做的趨勢曲線監(jiān)控畫面等。新版編程軟件STEP 7 - Micro/WIN V4.0 內(nèi)置了一個PID 調(diào)試控制面板工具，具有圖形化的給定、反饋、調(diào)節(jié)器輸出波形顯示，可以用于手動調(diào)試PID 參數(shù)。對于沒有“自整定PID”功能的老版CPU，也能實現(xiàn)PID 手動調(diào)節(jié)。PID 參數(shù)的取值，以及它們之間的配合，對PID 控制是否穩(wěn)定具有重要的意義。這些主要參數(shù)是： 采樣時間：計算機必須按照一定的時間間隔對反饋進行采樣，才能進行PID

16、控制的計算。采樣時間就是對反饋進行采樣的間隔。短于采樣時間間隔的信號變化是不能測量到的。過短的采樣時間沒有必要，過長的采樣間隔顯然不能滿足擾動變化比較快、或者速度響應(yīng)要求高的場合。編程時指定的PID 控制器采樣時間必須與實際的采樣時間一致。S7-200 中PID 的采樣時間精度用定時中斷來保證。 增益：（Gain，放大系數(shù)，比例常數(shù)）增益與偏差（給定與反饋的差值）的乘積作為控制器輸出中的比例部分。過大的增益會造成反饋的振蕩。 積分時間（Integral Time）偏差值恒定時，積分時間決定了控制器輸出的變化速率。積分時間越短，偏差得到的修正越快。過短的積分時間有可能造成不穩(wěn)定。積分時間的長度相

17、當(dāng)于在階躍給定下，增益為“1”的時候，輸出的變化量與偏差值相等所需要的時間，也就是輸出變化到二倍于初始階躍偏差的時間。如果將積分時間設(shè)為最大值，則相當(dāng)于沒有積分作用。 微分時間：（Derivative Time）偏差值發(fā)生改變時，微分作用將增加一個尖峰到輸出中，隨著時間流逝減小。微分時間越長，輸出的變化越大。微分使控制對擾動的敏感度增加，也就是偏差的變化率越大，微分控制作用越強。微分相當(dāng)于對反饋變化趨勢的預(yù)測性調(diào)整。如果將微分時間設(shè)置為0 就不起作用，控制器將作為PI 調(diào)節(jié)器工作。4.6 PID算法:在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，PID控制器管理輸出數(shù)值，以便將錯誤（e）驅(qū)動為零。錯誤測量由設(shè)定值（所需的

18、操作點）和進程變量（實際操作點）之間的差別決定。PID控制原則基于以下公式，其中將輸出M(t)表示為比例項、積分項和微分項的函數(shù)：其中：M（t）：作為時間函數(shù)的回路輸出Td：回路增益E：回路錯誤（設(shè)定值和進程變量之間的差別）Minitial：回路輸出的初始值為了在數(shù)字計算機中運行該控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)量化為錯誤值的定期樣本，并隨后計算輸出。數(shù)字計算機運算以下列相應(yīng)的公式為基礎(chǔ)：其中： Mn:采樣時間n的回路輸出計算值Kc:回路增益En:采樣時間n的回路錯誤值En-1：回路錯誤的前一個數(shù)值（在采樣時間n ?1）Ki:積分項的比例常數(shù)Minitial：微分項的比例常數(shù)Kd:微分項的比例常數(shù)在該

19、公式中，積分項被顯示為全部錯誤項的函數(shù)，從第一個樣本至當(dāng)前樣本。微分項是當(dāng)前樣本和前一個樣本的函數(shù)，而比例項僅是當(dāng)前樣本的函數(shù)。在數(shù)字計算機中，既不可能也沒有必要存儲所有的錯誤項樣本。因為從第一個樣本開始，每次對錯誤采樣時數(shù)字計算機都必須計算輸出值，因此僅需存儲前一個錯誤值和前一個積分項數(shù)值。由于數(shù)字計算機計算結(jié)果的重復(fù)性，可在任何采樣時間對公式進行簡化。簡化后的公式為：其中：MX:積分項的前一個數(shù)值（采樣時間n ?1）計算回路輸出值時，CPU使用對上述簡化公式的修改格式。修改后的公式為：其中：Mn:采樣時間n的回路輸出計算值MPn:采樣時間n的回路輸出比例項數(shù)值Min:采樣時間n的回路輸出積

20、分項數(shù)值MDn:采樣時間n的回路輸出微分項數(shù)值比例項比例項MP是增益和錯誤（e）的乘積，其中增益控制輸出計算的敏感度，錯誤是在某一特定采樣時間設(shè)定值（SP）和進程變量（PV）之間的差別。CPU采用的計算比例項的公式為：其中：MPn:采樣時間n的回路輸出比例項數(shù)值Kc:回路增益SPn:采樣時間n的設(shè)定值數(shù)值SPv:采樣時間n的進程變量數(shù)值積分項積分項MI在時間上與錯誤（e）和成比例。CPU采用的積分項公式為：其中：MNi:采樣時間n的回路輸出積分項數(shù)值Kc:回路增益Ts:回路采樣時間Ti:積分時間（亦稱為積分時間或復(fù)原）SPn:采樣時間n的設(shè)定值數(shù)值PVn:采樣時間n的進程變量數(shù)值MX:采樣時間

21、n - 1的積分項數(shù)值（亦稱為積分和或偏差）積分和或偏差（MX）是積分項所有先前數(shù)值的運行和。每次計算后，根據(jù)的數(shù)值更新偏差，該數(shù)值可能被調(diào)節(jié)或截?。ㄔ斍檎垍㈤喿兞亢头秶还?jié)）。偏差的初始值通常被設(shè)為第一次回路輸出計算之前的輸出值。其他幾個常數(shù)也是積分項的一部分，例如增益、采樣時間（即PID回路重新計算輸出值的循環(huán)時間）以及積分時間或復(fù)原（即用于控制積分項對輸出計算影響的時間）。微分項微分項MD與錯誤變化成比例。計算微分項的公式為：為了避免步驟改變或由于對設(shè)定值變化求導(dǎo)帶來的輸出變化，對該公式進行修改，假定設(shè)定值為常數(shù) = 。如下所示，會導(dǎo)致計算進程變量的變化，而不計算錯誤的變化：或：其中：M

22、Dn:采樣時間n的回路輸出微分項數(shù)值Kc:回路增益Ts:回路采樣時間Td:回路微分階段（亦稱為微分時間或速率） SPn:采樣時間n的設(shè)定值數(shù)值SPn-1:采樣時間n - 1的設(shè)定值數(shù)值PVn:采樣時間n - 1的進程變量數(shù)值PVn-1:采樣時間n - 1的進程變量數(shù)值必須保存進程變量，而不必保存錯誤，用于下一次微分項計算。第一次采樣時，數(shù)值被初始化，等于。回路控制選項在很多控制系統(tǒng)中，可能有必要僅采用一種或兩種回路控制方法。例如，可能只要求比例控制或比例和積分控制。通過設(shè)置常數(shù)參數(shù)值對所需的回路控制類型進行選擇。如果您不需要積分運算（即在PID計算中無I），則應(yīng)將積分時間（復(fù)原）指定為INF（

23、無限大）。由于積分和MX的初始值，即使沒有積分運算，積分項的數(shù)值也可能不為零。如果您不需要求導(dǎo)數(shù)運算（即在PID計算中無D），則應(yīng)將求微分時間（速率）指定為0.0。如果您不需要比例運算（即在PID計算中無P），并且您需要I或ID控制，則應(yīng)將增益值指定為0.0。因為回路增益是計算積分和微分項公式中的系數(shù)，將回路增益設(shè)為0.0會導(dǎo)致在積分和微分項計算中使用的回路增益值為1.0。從您在PID指令框中輸入的表格（TBL）起始地址為回路表分配八十（80）個字節(jié)。S7-200的PID指令引用一個包含回路參數(shù)的回路表。此表起初的長度為36個字節(jié)。在增加了PID自動調(diào)諧后，回路表現(xiàn)已擴展到80個字節(jié)。如果使用

24、PID調(diào)諧控制面板，與PID回路表的全部相互作用將由此控制面板代您完成。如果需要由操作員板提供自動調(diào)諧能力，您的程序必須提供操作員和PID回路表之間的相互作用，以發(fā)起和監(jiān)視此自動調(diào)諧進程，以及隨后套用建議的調(diào)諧數(shù)值。4.7回路表：偏移量域格式 類型說明0進程變量雙字.實數(shù)入包含進程變量，必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。4設(shè)定值 雙字.實數(shù)入包含設(shè)定值，必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。8輸出雙字.實數(shù)入/出包含計算輸出，在0.0至1.0范圍內(nèi)。12增益雙字.實數(shù)入包含增益，此為比例常數(shù)，可為正數(shù)或負數(shù)。16采樣時間雙字.實數(shù)入包含采樣時間，以秒為單位，必須為正數(shù)。20積分時間雙字.實數(shù)入包含積分時間，以分鐘為單位，必須為正數(shù)。24微分時間雙字.實數(shù)入包含微分時間，以分鐘為單位，必須為正數(shù)。28偏差雙字.實數(shù)入/出包含0.0和1.0之間的偏差或積分和數(shù)值。32以前的進程變量雙字.實數(shù)入/出包含最后一次執(zhí)行PID指令存儲的進程變量以前的數(shù)值。五、PLC程序：六、課程設(shè)計總結(jié)