自动控制系统案例分析综述

北京联合大学
实验报告
课程（项目）名称：过程控制
学院：自动化学院专业：自动化
班级：0910030201 学号：2009100302119 姓名：张松成绩：
2012年11月14日
实验一交通灯控制
一、实验目的
熟练使用基本指令，根据控制要求，掌握PLC的编程方法和程序调试方法，掌握交通灯控制的多种编程方法，掌握顺序控制设计技巧。

二、实验说明
信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，按以下规律显示：按先南北红灯亮，东西绿灯亮的顺序。

南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒；到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。

在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。

到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。

东西红灯亮维持25秒，南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。

同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮……如此循环，周而复始。

如图1、图2所示。

图 1
图 2
三、实验步骤
1．输入输出接线
输入SD 输出R Y G 输出R Y G I0.4 东西Q0.1 Q0.3 Q0.2 南北Q0.0 Q0.5 Q0.4
2.编制程序，打开主机电源编辑程序并将程序下载到主机中。

3.启动并运行程序观察实验现象。

四、参考程序
方法1：顺序功能图法
设计思路：采用中间继电器的方法设计程序。

这个设计是典型的起保停电路。

方法2：移位寄存器指令实现顺序控制
移位寄存器位（SHRB）指令将DATA数值移入移位寄存器。

S_BIT指定移位寄存器的最低位。

N指定移位寄存器的长度和移位方向（移位加=N，移位减=-N）。

SHRB指令移出的每个位被放置在溢出内存位（SM1.1）中。

该指令由最低位（S_BIT）和由长度（N）指定的位数定义。

方法3：利用定时器实现
思路：利用多个定时器逻辑组合实现控制时序。

五、思考题
1．实验中遇到的问题？如何解决的？
2．对单一顺序控制—交通灯控制的几种实现方法技巧进行总结。

实验二四炉起停控制
一、实验目的
练习使用基本指令，熟悉顺序控制的基本方法，根据控制要求，掌握PLC的编程方法和程序调试方法，了解PLC程序在实际生活中的应用。

二、实验说明
如图1所示。

控制要求：电炉丝4组，每组A,B.C三相，Y接，每相10KW， 220V,50A（约）；
启动时：1得电加热，温度未到，延时1分钟，2得电加热。

直到温度到。

先启的先停；
停止时：温度到，1先停，延时1分钟，2停。

直到温度未到，先停的先启。

图 1
三、实验步骤
1.输入输出接线
输入输出
地址说明地址说明
I0.4 温度未到闭合开关Q0.0 第一组电炉丝
I0.5 温度到闭合开关Q0.1 第二组电炉丝
Q0.2 第三组电炉丝
Q0.3 第四组电炉丝
2.编制程序，打开主机电源编辑程序并将程序下载到主机中。

3.启动并运行程序观察实验现象。

四、参考程序主程序OB1：
子程序SBR_0：
子程序SBR_1：
五、思考题
1．实验中遇到的问题？如何解决的？
2．对顺序控制—四炉先启先停的实现方法技巧进行总结。

实验三生产线小车运行控制
一．实验目的
熟悉随机逻辑控制的基本方法，掌握送料小车运行控制的编程技巧和程序调试方法。

二、实验说明
控制要求：生产车间往返运行的供料小车有1#～5#五个工位。

任何一个工位呼叫小车时，小车能自动判断下一运动方向并到达呼叫位置。

当小车运行到较远工位过程中，若又有较近工位的呼叫时，小车能够先在较近工位停车，延时后自动运动到较远的工位。

如图1所示。

图1
三、实验步骤
1.输入输出接线
I/O分配见表1，I/O接线如图2所示。

表 1
输入输出
地址说明地址说明
I1.0～I1.4 1#～5#工位呼叫按钮SB1～SB5 Q0.0～Q0.4 1#～5#工位指示灯HL1～HL5
I0.0～I0.4 1#～5#工位行程开关SQ1～SQ5 Q0.5、Q0.6 右行、左行指示灯HL6、HL7
Q1.0、Q1.1 右行、左行接触器KM1、KM2
2.编制程序，打开主机电源编辑程序并将程序下载到主机中。

3.启动并运行程序观察实验现象。

图 2
四、参考程序
参考程序1：
.
参考程序2：
五、思考题
1．实验中遇到的问题？如何解决的？
2．总结送料小车运行控制的编程技巧和随机逻辑控制设计的方法规律。

实验四小型电热锅炉过程控制系统
一实验目的
掌握模拟量闭环控制原理及系统组成原理，熟练掌握PLC控制系统的PID指令编程及中断的应用，掌握模拟量输入/输出模块的使用及输入输出量程转换方法。

二实验装置和设备
1．QXLPC-IV型小型过程控制实验装置，（如
图1所示）。

2．S7200系列PLC（主机CPU222CN 8点
input，6点output；扩展单元EM235 4AI,1AO）。

3．执行器：MICROMASTER 420型变频器以
及160Q-8F磁动泵；晶闸管SCR。

4．压力变送器、液位变送器、Pt100铂电阻和
数显温度变送仪、涡轮流量计和数显流量变送仪。

5．QXLPC-IV型小型过程控制实验装置。

6．安装有软件STEP 7-MicroWIN 的PC机。

图1 QXLPC-IV型小型过程控制实验装置
三、实验原理
系统组成结构如图2所示，通过水泵向电热锅炉供水，其中压力变送器测量进水压力，流量计测量流量，液位变送器测量液位，Pt100铂电阻和数显温度变送仪检测出水温度并进行变送。

变频器和水泵、晶闸管SCR(温度控制)为执行元件。

通过S7-200 PLC编程控制电热锅炉的液位、压力、流量或温度。

本次实验实现对锅炉液位的单回路控制。

液位单回路控制方框图如图3所示。

首先由变送器检测
实时数值，转换为 1～5V的直流信号,连接至PLC的模拟量输入端，经A/D转换为6400～32000的数字量。

PLC的控制程序将对此数字量处理，并与给定值比较后通过PID调节输出操作信号，通过D/A转换为4～20mA的模拟量输出给执行器—变频器，改变水泵的输出功率以达到锅炉液位的自动控制。

图2 系统组成结构图
图3 液位单回路控制方框图
四、实验内容和步骤
1．控制程序设计
注：液位信号地址为AIW4。

控制程序分为主程序，和中断程序。

参考程序如下。

1）主程序（实现参数的初始化、定时中断的连接和开、关中断等）
2）中断程序
中断程序实现定时采样滤波、输入量程转换、PID控制、输出量程转换功能。

中断程序INT_0：
2．编辑下载调试程序
使用STEP 7-MicroWIN软件编辑程序，编译成功下载至S7-200PLC。

建立用户状态表用于调试中在线监视和修改数据。

1）PG/PC接口设置
(1)双击指令树“设置PG/PC接口”图标，在打开的对话框中设置编程计算机的“PC/PPICable（PPI）”的属性。

设地址为2其它的选择默认设置，本地连接采用COM1端口。

(2)双击指令树文件夹“通信”图标，双击刷新设备后,程序软件将会自动自动搜索连接在网络上的S7-200,之后选择所显示的S7-200,建立PC机与PLC之间的连接。

2）下载与调试
首先单击工作栏中的“下载”按钮，将出现下载对话框，在对话框内可以选择是否下载程序块、数据块、系统块、配方和数据记录配置。

单击“下载”按钮，PLC将自动切换到STOP模式并开始下载程序数据。

下载成功后。

将PLC的工作模式切换到RUN模式，下载到PLC中的程序便开始运行。

3）观察变量变化，记录数据。

打开状态表，可以在线更改设定值以及PID参数，可以在线监视实际值的变化，也可以直接从锅炉液位计上看到数值。

五、思考题
1．实验中遇到的问题？如何解决的？
2．定时中断设定时间根据什么设定？
3．对闭环PID过程控制的原理理解及实现方法进行总结。

实验五 恒压供水控制系统
一、实验目的
了解恒压供水控制的基本原理，掌握模拟量闭环PID 控制的原理，掌握PID 指令和中断指令的应用及编程方法。

二、实验设备
CPU224CN 的PLC 一台\安装有STEP7软件的计算机\若干导线 三、实验原理 1．系统组成
变频调速恒压供水系统如图1所示,该系统应用S7-200 PLC 作为控制器,由压力传感器检测当前水压实际值，经变送器通过A/D 转换模块将模拟量转换成数字量送入PLC ，经PLC 进行压力反馈值与设定值的PID 运算，运算结果送入变频器频率控制端，控制变频器的输出频率，从而改变电机转速，达到恒压供水的目的。

图1 恒压供水系统
2．电气控制主电路图
主电路图如图2所示。

三台电机分别为泵1、泵2、泵3。

接触器KM1、KM3、KM5分别控制泵1、泵2、泵3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制泵1、泵2、泵3的变频运行；VVVF 为一般的变频
进水阀
水位控制器
水池
电磁阀
生活用水
消防用水 市网来水
泵2 泵1
泵3
压力传感器
P L C
变 频 器
P C 机
上限 下限
图2 主电路原理图 3．控制电路图
控制电路如图3所示。

SA 为手动/自动转换开关，“1”的位置为手动控制状态，“2”的位置为自动控制状态。

手动控制时，可用按钮SB1-SB8控制泵的启/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC 程序控制下运行。

由于电磁阀YV2没有触点，所以要使用一个中间断电器KA1间接控制YV2，来实现YV2的手动自锁功能，HL10为自动运行状态电源指示灯。

图3 控制电路图
4．水管压力单回路控制框图
变频调速恒压控制系统主要是以供水出口管网的水压为控制目标，将出口总管网的实际压力与设定压力进行比较，进行PID 调节，实现水管压力的恒定。

如图4所示。

图4 水管压力单回路控制原理
PID 调节器
变频器
水泵组
给定压力
压力传感器
水管
实际压力
四、实验步骤
1．外部设备接线
本装置中输入公共端要求接主机模块电源的“L+”，此时输入端是低电平有效；输出公共端要求接主机模块电源的“M”，此时输出端输出的是低电平，电源COM接M, V+接L+。

接线如图5所示。

图5 实验装置接线图
2.PLC I/O端子分配
控制系统的输入/输出信号的代码、名称及地址编号如表1、表2所示。

水位下限和上限信号分别为I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。

表1 输入信号分配表
名称地址
消防信号I0.4
水池水位下限信号I0.1
水池水位上限信号I0.2
模拟量输入AIW0(MW10)
表2 输出信号分配表
代码名称地址
KM1,HL1 1泵工频运行接触器及指示灯Q0.0
KM2,HL2 1泵变频运行接触器及指示灯Q0.1
KM3,HL3 2泵工频运行接触器及指示灯Q0.2
KM4,HL4 2泵变频运行接触器及指示灯Q0.3
KM5,HL5 3泵工频运行接触器及指示灯Q0.4
KM6,HL6 3泵变频运行接触器及指示灯Q0.5
HL7 水池进水指示灯Q0.6
HL8 水池水位下限故障指示灯Q0.7
YV2 生活/消防供水转换电磁阀Q1.0
KA 变频器频率复位控制Q1.1
V1 模拟量输出信号AQW0(MW20)
3.通信连接
S7-200 CPU上的通信口是与RS-485兼容的9针D型连接器，符合欧洲标准EN 50170。

表3给出了通信口的引脚分配。

S7-200支持多种通信协议，如点对点接口(PPI)、多点接口(MPI)、PROFIBUS、以太网通信和调制解调器通信。

本系统使用PC/PPI电缆来实现S7-200CPU与RS-232标准兼容的设备的通信。

4．编辑并下载程序。

5．建立变量表，观察实验现象。

五、参考程序
本系统采用PLC梯形图语言，实现各种顺序逻辑控制以及压力闭环控制功能。

系统程序主要由三部分组成：主程序、子程序和中断程序。

程序中使用的PLC元器件及其功能如表3所示。

表3 程序中使用的元器件及其功能
地址说明地址说明
VD100 压力实际值T37 工频泵增泵滤波时间控制
VD104 压力设定值T38 工频泵增泵滤波时间控制
VD108 PI计算值T39 工频/变频转换时间控制
VD112 比例系数M0.0 故障结束脉冲信号
VD116 采样时间M0.1 泵变频启动脉冲
VD120 积分时间M0.2 泵工频启动脉冲
VD124 微分时间M0.3 倒泵变频启动脉冲
VD204 变频器运行频率下限值M0.4 复位当前变频运行泵脉冲
VD208 生活供水频率上限值M0.5 当前泵工频运行启动脉冲
VD212 消防供水频率上限值M0.6 新泵变频启动脉冲
VD250 实际运行频率值M2.0 泵工频/变频转换控制器
VB300 变频工作泵的泵号M2.1 泵工频/变频转换控制器
VB301 工频运行泵的总台数M2.2 泵工频/变频转换控制器
VD310 倒泵时间存储器M3.0 水池水位下限故障控制器
T33/T34 工频/变频转换时间控制M3.1 进水阀开启标志
1．主程序流程图
主程序主要完成水泵的运行与切换，生活与消防用水管网恒压值的设定，以及各种信号的综合处
理。

在多泵组恒压供水系统中，为使供水设备均匀磨损，要求各台水泵的电机轮流工作以保证各自的
累计运行时间相差不大。

这里规定任一台泵连续变频运行时间不应超过3小时。

另外当多泵运行时，
系统还要遵循“先启先停”原则。

这些功能都在主程序中完成，主要思路如下：
(1) 恒压供水的一个显著优点就是可通过变频器实现水泵的软启动，以避免对管网和电网负荷的冲击。

为此，规定每次需要启动新泵或切换变频泵时，
都以新运行的水泵作为变频泵。

(2) 为达到恒压供水，系统会根据需要投入/
退出水泵，而投入/退出的标准就是判断变频器输
出是否达到所设定的频率上限/下限值。

这里应当
考虑到系统由于偶然的频率波动所造成的频率越
出上/下限范围的情况，为此在程序中应当加上一
定的延时判断。

(3) 为使任何一台泵连续变频运行时间不超
过3小时，应对单泵变频运行时间进行累计，累计
时间超过3小时时，变频泵号改变，同时触发启动
下一台泵的信号，而当有泵运行于工频状态时，计
时器应停止计时并清零。

(4) 为实现对三台水泵的循环工作控制，这里采用
了“泵号+1”策略，同时采用“工频运行台数结合
变频运行泵号”策略实现对工频泵的轮换操作。

基
于上述思想的主程序流程图如图6所示，加、减泵
流程图如图7、图8所示。

图 6 主程序流程图
图7 加泵流程图图8 减泵流程图2. 主程序
3. 子程序
子程序实现初始化功能。

4. 中断程序
中断程序实现采样处理、PID控制、输出量程转换功能。

注：实验挂箱的接线
如图9所示,输入接口1L与3L、M连接，2L与M连接，3L与4L、5L相连，输出接口1M与3M、L+连接，2M与4M、L+连接，电源COM接M,V+接L+。

图9 挂箱接线图
设置PG/PG接口
六、思考题
1．实验中遇到的问题？如何解决的？
2．总结本次试验的收获。