管道流量比值控制PLC系统设

信息与电气工程学院课程设计说明书（2010/2011学年第一学期）课程名称：可编程控制器应用题目：管道流量比值控制PLC系统设计专业班级：电气0701班学生姓名：张涛学号：070060129指导教师：岑毅南、李兵等设计周数：两周设计成绩：2011 年1月4日——2011 年1月14日一、PLC课程设计目的 (2)二、原始数据及设计主要任务 (3)三、技术要求 (3)四、PLC控制系统组成 (4)1.PLC概述 (4)2. PLC工作原理 (4)3.S7200—PLCCPU226简介 (5)4.管道流量比值控制系统组成 (5)4.1系统应用简介 (5)4.2系统工作原理： (6)4.3、PID控制算法说明： (7)4.4 PID 算法在S7-200 中的实现： (7)4.5 调试PID 控制器： (8)4.6 PID算法: (9)4.7回路表： (13)五、PLC程序： (13)六、课程设计总结： (16)七、参考文献： (16)八、指导老师评语表： (17)一、PLC课程设计目的1.掌握S7-200系列可编程控制器硬件电路的设计方法。

2.熟练使用S7-200系列可编程控制器的编程软件，掌握可编程控制器软件程序的设计思路和梯形图的设计方法。

3.掌握S7-200系列可编程控制器程序的应用系统的调试、监控、运行方法。

4.在完成可编程控制器为下位机的相关控制程序的基础上，用组态软件编程实现上位机的控制及其相关监控界面。

5.通过课程设计使学生能熟练掌握数据的查询（图书、网络），PLC课程所获知识在工程设计工作中综合地加以应用，使理论知识和实践结合起来。

二、原始数据及设计主要任务1.了解管道流量比值控制系统的物理结构、闭环调节系统的数学结构和PID控制算法。

2.逐一明确各路检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理、连接方法、信号种类、信号调理电路、引入PLC的接线以及PLC中的编址。

3.逐一明确从PLC到各执行机构的输出通道，包括各执行机构的种类和工作原理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。

4.绘制出流量控制系统的电路原理图，编制I/O地址分配表。

5.编制PLC程序，结合过程控制实验室现有设备进行调试，要求能在实验设备上演示控制过程。

三、技术要求1．此系统有两路供水系统。

第一路由异步电动机（不具备调速功能）和和水泵构成动力系统，由涡轮流量计检测流量，电动调节阀控制流量。

第二路由变频器、电动机和水泵构成动力系统，依靠动力系统的变频调速控制流量，用电磁流量计检测流量。

2.流量比值控制就是由可编程控制器控制两路供水系统的流量保持设定的比例。

本设计假设第一路的流量由其他系统控制或手动控制，本系统把第一路的流量（检测值）乘以设定的比例系数后的值作为流量给定值，控制第二路供水管道的流量。

控制器采用PID算法决定变频器的给定值，从而实现两路流量的按比例控制。

3.流量比值控制是后续工艺的需要，如化学反应的需要，实际工业中两路是不同的液体或气体，这里为了能在实验室实现，两路管道都用同样的水。

四、PLC控制系统组成1.PLC概述可编程序控制器（Programmable Controller）通常也称为可编程控制器。

它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置；具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，本系统采用在工业领域有着广泛应用的西门子S7200系列PLC作为主控制器，S7-200系列小型PLC可以应用于各种自动化系统。

如图1-1所示，S7200PLC由主机、输入/输出接口、电源、模块扩展接口和外部设备接口、计算机编程软件等几个主要部分组成。

2. PLC工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。

随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

3.S7200—PLCCPU226简介CPU226模块I/O总点数为40点（24/ 16 点），可带7个扩展模块；用户程序存储器容量为6.6K字；内置6个高速计数器，具有PID控制的功能；有2个高速脉冲输出端和2个RS-485通讯口；具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由口协议的通讯能力。

4.管道流量比值控制系统组成4.1系统应用简介在各种生产过程中，需要使两种物料的流量保持严格的比例关系是常见的，例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。

而且往往其中一个流量随外界负荷需要而变，另一个流量则应由调节器控制，使之成比例地改变，保证二者之比值不变。

否则，如果比例严重失调，就可能造成生产事故，或发生危险。

又如，以重油为原料生产合成氨时，在造气工段应该保持一定的氧气和重油比率，在合成工段则应保持氢和氮的比值一定。

这些比值调节的目的是使生产能在最佳的工况下进行比值系统组成原理：在各种生产过程中，需要使两种物料的流量保持严格的比例关系是常见的，例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。

而且往往其中一个流量随外界负荷需要而变，另一个流量则应由调节器控制，使之成比例地改变，保证二者之比值不变。

否则，如果比例严重失调，就可能造成生产事故，或发生危险。

又如，以重油为原料生产合成氨时，在造气工段应该保持一定的氧气和重油比率，在合成工段则应保持氢和氮的比值一定。

这些比值调节的目的是使生产能在最佳的工况下进行。

本实验比值调节系统的组成原理如下图所示：图8-1、比值控制系统原理图4.2系统工作原理：对于节流元件来说，压差与流量的平方成正比，即ΔP∝Q2对于图13-1单闭环比值调节系统，A，B 两个管路上的ΔP可分别写为ΔP A=K A Q A2ΔP B=K B Q B2其中， K A、K B为放大系数。

变送器送出的信号为4-20mA电流信号，那么F1，F A有如下关系：F1-4=C AΔP AF A-4=C BΔP B式中C A、C B是变送器的放大系数， F1，F A是变送器的输出信号电流。

比值器的输出关系为： F2-4=K C( F1-4)K C为比值器的放大系数。

则有： F2-4=K C C A K A Q A2F A-4=C B K B Q B2由于调节器为比例积分调节，在稳态下它可保持F A =F2，故有K C C A K A Q A2 = C B K B Q B2即（Q A/Q B）2=K C C B K B/C A K A从上式可知，为使流量Q A、Q B的比值满足工艺要求，只要适当地调整比值器的放大系数K C 即可。

4.3、PID控制算法说明：S7-200 能够进行PID 控制。

S7-200 CPU 最多可以支持8 个PID 控制回路（8 个PID 指令功能块）。

PID 是闭环控制系统的比例－积分－微分控制算法。

PID 控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID 算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。

PID 控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。

根据具体项目的控制要求，在实际应用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是PI（比例－积分）控制，这时没有微分控制部分。

4.4 PID 算法在S7-200 中的实现：PID 控制最初在模拟量控制系统中实现，随着离散控制理论的发展，PID 也在计算机化控制系统中实现。

为便于实现，S7-200 中的PID 控制采用了迭代算法。

详细的计算方法请参考《S7-200系统手册》中PID 指令部分的相关内容。

计算机化的PID 控制算法有几个关键的参数Kc（Gain，增益），Ti（积分时间常数），Td（微分时间常数），Ts（采样时间）。

在S7-200 中PID 功能是通过PID 指令功能块实现。

通过定时（按照采样时间）执行PID 功能块，按照PID 运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据，计算出控制量。

PID 功能块通过一个PID 回路表交换数据，这个表是在V 数据存储区中的开辟，长度为36 字节。

因此每个PID 功能块在调用时需要指定两个要素：PID 控制回路号，以及控制回路表的起始地址（以VB 表示）。

由于PID 可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID 功能块识别。

S7-200 中的PID 功能使用占调节范围的百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。

在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。

PID 功能块只接受0.0 - 1.0 之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用PID 功能块编程，必须保证数据在这个范围之内，否则会出错。

其他如增益、采样时间、积分时间、微分时间都是实数。

因此，必须把外围实际的物理量与PID 功能块需要的（或者输出的）数据之间进行转换。

这就是所谓输入/输出的转换与标准化处理。

《S7-200 系统手册》上有详细的介绍。

S7-200 的编程软件Micro/WIN 提供了PID 指令向导，以方便地完成这些转换/标准化处理。

除此之外，PID 指令也同时会被自动调用。

4.5 调试PID 控制器：PID 控制的效果就是看反馈（也就是控制对象）是否跟随设定值（给定），是否响应快速、稳定，是否能够抑制闭环中的各种扰动而回复稳定。

要衡量PID 参数是否合适，必须能够连续观察反馈对于给定变化的响应曲线；而实际上PID 的参数也是通过观察反馈波形而调试的。

因此，没有能够观察反馈的连续变化波形曲线的有效手段，就谈不上调试PID 参数。

观察反馈量的连续波形，可以使用带慢扫描记忆功能的示波器（如数字示波器），波形记录仪，或者在PC 机上做的趋势曲线监控画面等。