基于PLC的过程控制系统设计与实现_王洪猛
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(School of Power and Mechanical Engineering , Wuhan University , Wuhan 430072, China) Abstract :A PLC-based level control by means of PID algorithm is discussed in the paper .Process supervising and control is realized by the telecom-
1 引言
PLC(可编程 控制 器)以 其可 靠性 高 、编程 简单 、在 线编 程 、 易于修改 、性能价格比高等 显著特 点广泛 应用于 现代工 业的控 制之中 。 以 PLC 与通信网络相结合所构成的分布式控制系统已 成为现代工业过程控制的有效解决方案之一[ 5] 。 基于 PLC 及其 特殊模块所 构 成的 下 位机 、与 完 成 SCADA 功 能的 上位 机 相结 合 , 我们构建成分布式控制系统 , 实现对实验室 4 个双容水箱对 象的液位的监控 。
表 1 DM 区和 IR 区设置表
频器采用 Panasonic 公司 DV -707 型 交流变频 器 , 由 变频器 控制 三相感应式电 动机的 转速(或频 率)。 将输 入的 420mA 电流 控 制信号 , 通过“整流 ——— 直流中 间平滑滤波 ——— 逆变”电路 , 将输 入的 380V 交流 电源变成不 同频率 、不同 电压的信 号 , 调节 水泵 的转速 。 水泵 采用 JCB_22 型变 频调 速 泵 , 其额 定 流量 为 22L/ min , 额定扬程为 3.3m 。 它是 通过 变频 器的输 出频 率的 变化 来 改变泵的转速 , 从而实现流量的调节 。
PLC 与 DCS
PLC and DCS
《自动化技术与应用》 2004 年第 23 卷第 7 期
因为 A/ D003 可 实 现 8 路模 拟 量 输 入 , 一 路 A/ D 转 换 时间 为 1ms, 并且要对 A/ D 转换值 进行 16 次 取样进 行平均值 滤波 。 综 合上述因 素 , 最 小 周 期 T ≥1 ＊16 ＊8ms =128ms, 根 据 OMRON C200HG 所提供的脉冲信号 , 我们 取近 似值 200ms, 即 0.2s 作为 采样周期 。
munication of Kingview' s configuration software 6.0 of the main computer and PLC.The results of experiment show that a satisfactory solution is achieved. Key words:PLC;PID control ;Fuzzy control;Kingview' s Configuration Software ;DCS
PID 控制采用增 量式 PID 算法 , 其算法公式[ 4] 为 : Δu(n)=a0 e(n)-a1 e(n -1)+a2 e(n -2);u(n)=u(n 1)+Δu(n); 其中 :
a0 =kp(1+TTi + TTd)
a
1
=kp(1
+2 Td) T
a2 =kp
Td T
PID 参数 、水位给定值可通上位机 组态画 面实现 在线调整 。
关键词 :PLC;PID 控制 ;模糊控制 ;组态王 ;DCS 中图分类号 :TP278 文献标识码 :B 文章编号 :1003-7241(2004)07-0025-04
The Design of PLC -based Process Control Systems
WANG Hong -meng , XIE Jian -jun , ZENG Yun , BAI Xue -feng
出的控制量 , 把 4- -20mA 的电 流通 过变频 器转 换成 0 -60HZ
的频率信号 来改变水泵 的转速 , 从而 达到调 节流量的 目的 。 变
26 Techniques of Automation &Applications
图 2 PID 控制上位机监控画面
3 .2 下位机软件设计
作水位的给定值扰动 , 在 PID 规律 的作用 下其控 制效 果的 动态
特性如图 2 所示 。
④ 模糊控制
双容水箱惯性较大 , 引入 模糊控 制可改 善控制 系统动 态特
性 。 模糊控制采用离线方式根据输入语 言变量赋表及模糊控制
PLC 与 DCS
PLC and DCS
2 .3 控制级
控制级采用采用欧 姆龙 C200HG 型 PLC 作为 下位 机 , 实现 对现场的 控制 。 PLC 中配电 源模块 、开 关量输 入模块 ID212、开 关量输出模块 OC221 、模拟量 输入模 块 AD003、模 拟量输 出模块 DA004、RS -232 串行口 。
模块型号 寄存器地址 设置内容
注释
AD003 DA 004
IR110 DM1100 DM1101 DM1102
IR100 DM1000 DM1001 DM1002
0000H 输入的模拟信号不进行峰值保持 0001H 启用第一路 A/D 转换 0002H 输入的模拟信号为 4 -20 mA 0004H 转换值为 16 次取样的平均值滤波 。 0001H 对第一路进行 D/A 转换 0001H 对第一路进行 D/A 转换 无效 此寄存器对 DA004 模块无效 0000H 当停止工作时 D/A 输出为 0
信号转换成 电信号 , 此 信号与 液体高 度成正 比 , 精 度为 0 .2 %,
量程为 1m , 输出为 4-20mA 电流 , 液 位高度 h 与 输出电 流 I 的
关系
为
h
=
I -4 16
×量程
。
其在
精度上
、可
靠性及稳
定性上
均能ห้องสมุดไป่ตู้
满足要求 。
○ 输出通道
输出通道主要 由变频器 、水泵 组成 。 输出通 道接受 PLC 输
2 .4 控制通道
控制通道主要包括输入通道和输出通道 。
○ 输入通道
输入通道采用 CY3011AA1N 型 投入 式液 位传 感器 , 把 现场
液位信号转换成 4 -20mA 电流 信号 送往 PLC 的 A/ D003 模 块 。
其传感部分 采用高精度扩散 硅压力 传感器 , 它把 感受到 的压力
下位机软件设计是在 监控级 上利用 OMRON -C200Hα系列 编程软件 CX -Programmer2 .0 完成对下位机程序的编制与调试 , 然后把调试好的程序 下载到 PLC 中 。 下位机软件 主要实现 PLC 与 监 控级 的 通 讯 、PLC 对 现 场 水 位 的 控制 、故 障 诊 断 等 子 程 序[ 1] 。 其软件设计的主程序流 程图如图 3 所示 。
○ 信号处理 由于系统采集到的原始数据需根据实际情况进行处理后方 可供控制器使用 。 信号处 理 包括“ 滤波” 、“ 零 点迁 移与 量 程变 换 、标度变换” 等功能处理模块 。 ○ 控制算法设计与实现 控制算法设计有 PID 控制 、Ping -Pang 控制 、模糊控 制等三 种方式并可切换进行 。
PLC 与 DCS
PLC and DCS
《自动化技术与应用》 2004 年第 23 卷第 7 期
基于 PLC 的过程控制系统设计与实现
王洪猛 , 谢建君 , 曾 云 , 白雪峰
(武汉大学 动 力与机械学院 , 湖北 武汉 430072)
摘 要 :本文介绍了一种基于 PLC 的过程控制 系统 的开发 与实 现 。 上位 机采 用组态 王 6 .0 实 现 SCADA 功能 , 下 位机采 用 OM RON PLC 完成现场信息的 采集 、处理 、以及控制 。 上 、下位机之 间通过 RS232 串口实现 通讯 。 实 验结果 表明 :系统已 达到了 预期 的设计效果 。
○ 上电初始化 系统初始化包括对 RAM 、ROM 以及其中 的 IR、HR 、DM 区域 的清零 , 以及控制参数的初 始值设置 , 例 如积分 时间 Ti、比 例放 大系数 Kp、微分时间 Td 和采样周期 T ;此外 , 也 包括对 A/ D003、 D/ A004 模块 的初始化 。 ○ 采样周期的确 定与实现 采样周期的确定取决于被 控对象的特性 、监测参数 、以及控 制器的容量 , 理论 上应 满足 Shannon 采 样定理 f ≥2fmax[ 4] , 在 实 际应用时还应考虑模 拟量输入通道的个数 、A/ D 的转换时间 。
2 .1 网络级
网络级的拓扑结构采用 EtherNet 网通过同 轴电缆连 接与生 产监控级相连 , 实现对工业现场的集中管理 。
收稿日期 :2004 -02 -12
图 1 系统结构图 Techniques of Automation &Applications 25
《自动化技术与应用》 2004 年第 23 卷第 7 期
2 .2 监控级
监控级采用 PC 机作为上位机 , 并通过组态王 6 .0 实现 系统 的 SCADA 功能 ;利用 RS -232C 串口与 PLC 通讯 , 实现对各 个工 业现场的监控 。
2 系统的结构与组成
基于 PLC 建构的过程控 制系统 采用分布 式控制 结构 , 如图 1 所示 。 以 PLC 作为下位机 , 以 PC 机为上 位机 , 通过 RS-232C 串口与 PLC 通讯 , 实现对工业 现场的监 控 。 并通 过同轴 电缆连 接到以太网上 , 从而实现对工业现场的“ 分散控制 , 集中 管理” 。
○ A/ D 003 模拟 量输入模块 :接受 液位传感 器 CY3011A 送 过来的 4～ 20mA 的电流 信号 , 并将其转化为 0-4000(BCD 码)的 数字量 。 其通道地址由拨号 开关决 定 , 与 其在底 板插糟 中上的 位置无关 。 本系 统中 AD003 模块 的地址 开关 设置 为 1, 对 应的 IR 区域为 IR110 ～ IR119;对 应的 DM 区 域为 DM1100 ～ DM1199 ; 且设置第一路 A/ D 转换器工作并不进 行峰值保 持 , 则模 拟量输 入通道地址为 IR111 , 具体的 DM 区和 IR 区设置 如表 1 所示 。
图 3 控制主程序 ① 控制周期的确定 不同的被控对象其特性不一样 , 其采样控制周期也 不一样 , 根据流量和液体的压力特性 , 本系统的控制周 期选择为 1s[ 4] 。 ② Ping -Pang 控制 Ping -Pang 控制 是一 种开 关控 制 , 使控 制器 输出 最大 或最 小 , 它是时间最短的最优控制 。 但由于控制精度差 、造成执行器 频繁动作 。 为此当偏差绝对 值较大 时采 用 Ping -Pang 控制 , 而 在偏差绝对值较小时可采用其他控制方案 。 ③ PID 控制
○ D/ A 004 模拟量输出模块 :将 0 — 4095BCD 码 转化为 4～ 20mA 的电流信号送至 变频器 , 作 为系统的 控制 量 , 调整给 水流 量 。其 地址 开关设 其值 为 0, 对 应的 IR 区域 为 :IR100IR109;对 应的 DM 区域 DM1000 ～ DM1099 ;且设 置 第一 路 D/ A 转 换 器工 作 , 其模 拟量 输入通 道地 址为 IR101, 具 体的 DM 区和 IR 区设 置[ 2] 如表 1 所示 。
3 过程控制系统的软件设计与实现
软件设计主要包 括上 位机 SCADA 监 控软件 和下 位机 软件 设计 。
3 .1 SCADA 监控软件设计
上位机软件设计采用组态 王 6 .0 软件 。 组态王是一种 工业 组态软件 , 它自带大量的 I/ O 设备驱动程序 , 用户可以方便 地构 建实时的监控系统 。 为了使过程控制系 统实验平台有一个良好 的人 机交互环境 , 在组 态王中开 发了过程流 程画面 、监控画面 、 实时调节曲线 、历史曲线图 、阶 跃响应曲线 、报警画面 , 从而可实 现对现场的实时监控[ 3] 。 PID 控制上位 机监控画面为 SCADA 中 的一幅 , 如图 2 所示 。
1 引言
PLC(可编程 控制 器)以 其可 靠性 高 、编程 简单 、在 线编 程 、 易于修改 、性能价格比高等 显著特 点广泛 应用于 现代工 业的控 制之中 。 以 PLC 与通信网络相结合所构成的分布式控制系统已 成为现代工业过程控制的有效解决方案之一[ 5] 。 基于 PLC 及其 特殊模块所 构 成的 下 位机 、与 完 成 SCADA 功 能的 上位 机 相结 合 , 我们构建成分布式控制系统 , 实现对实验室 4 个双容水箱对 象的液位的监控 。
表 1 DM 区和 IR 区设置表
频器采用 Panasonic 公司 DV -707 型 交流变频 器 , 由 变频器 控制 三相感应式电 动机的 转速(或频 率)。 将输 入的 420mA 电流 控 制信号 , 通过“整流 ——— 直流中 间平滑滤波 ——— 逆变”电路 , 将输 入的 380V 交流 电源变成不 同频率 、不同 电压的信 号 , 调节 水泵 的转速 。 水泵 采用 JCB_22 型变 频调 速 泵 , 其额 定 流量 为 22L/ min , 额定扬程为 3.3m 。 它是 通过 变频 器的输 出频 率的 变化 来 改变泵的转速 , 从而实现流量的调节 。
PLC 与 DCS
PLC and DCS
《自动化技术与应用》 2004 年第 23 卷第 7 期
因为 A/ D003 可 实 现 8 路模 拟 量 输 入 , 一 路 A/ D 转 换 时间 为 1ms, 并且要对 A/ D 转换值 进行 16 次 取样进 行平均值 滤波 。 综 合上述因 素 , 最 小 周 期 T ≥1 ＊16 ＊8ms =128ms, 根 据 OMRON C200HG 所提供的脉冲信号 , 我们 取近 似值 200ms, 即 0.2s 作为 采样周期 。
munication of Kingview' s configuration software 6.0 of the main computer and PLC.The results of experiment show that a satisfactory solution is achieved. Key words:PLC;PID control ;Fuzzy control;Kingview' s Configuration Software ;DCS
PID 控制采用增 量式 PID 算法 , 其算法公式[ 4] 为 : Δu(n)=a0 e(n)-a1 e(n -1)+a2 e(n -2);u(n)=u(n 1)+Δu(n); 其中 :
a0 =kp(1+TTi + TTd)
a
1
=kp(1
+2 Td) T
a2 =kp
Td T
PID 参数 、水位给定值可通上位机 组态画 面实现 在线调整 。
关键词 :PLC;PID 控制 ;模糊控制 ;组态王 ;DCS 中图分类号 :TP278 文献标识码 :B 文章编号 :1003-7241(2004)07-0025-04
The Design of PLC -based Process Control Systems
WANG Hong -meng , XIE Jian -jun , ZENG Yun , BAI Xue -feng
出的控制量 , 把 4- -20mA 的电 流通 过变频 器转 换成 0 -60HZ
的频率信号 来改变水泵 的转速 , 从而 达到调 节流量的 目的 。 变
26 Techniques of Automation &Applications
图 2 PID 控制上位机监控画面
3 .2 下位机软件设计
作水位的给定值扰动 , 在 PID 规律 的作用 下其控 制效 果的 动态
特性如图 2 所示 。
④ 模糊控制
双容水箱惯性较大 , 引入 模糊控 制可改 善控制 系统动 态特
性 。 模糊控制采用离线方式根据输入语 言变量赋表及模糊控制
PLC 与 DCS
PLC and DCS
2 .3 控制级
控制级采用采用欧 姆龙 C200HG 型 PLC 作为 下位 机 , 实现 对现场的 控制 。 PLC 中配电 源模块 、开 关量输 入模块 ID212、开 关量输出模块 OC221 、模拟量 输入模 块 AD003、模 拟量输 出模块 DA004、RS -232 串行口 。
模块型号 寄存器地址 设置内容
注释
AD003 DA 004
IR110 DM1100 DM1101 DM1102
IR100 DM1000 DM1001 DM1002
0000H 输入的模拟信号不进行峰值保持 0001H 启用第一路 A/D 转换 0002H 输入的模拟信号为 4 -20 mA 0004H 转换值为 16 次取样的平均值滤波 。 0001H 对第一路进行 D/A 转换 0001H 对第一路进行 D/A 转换 无效 此寄存器对 DA004 模块无效 0000H 当停止工作时 D/A 输出为 0
信号转换成 电信号 , 此 信号与 液体高 度成正 比 , 精 度为 0 .2 %,
量程为 1m , 输出为 4-20mA 电流 , 液 位高度 h 与 输出电 流 I 的
关系
为
h
=
I -4 16
×量程
。
其在
精度上
、可
靠性及稳
定性上
均能ห้องสมุดไป่ตู้
满足要求 。
○ 输出通道
输出通道主要 由变频器 、水泵 组成 。 输出通 道接受 PLC 输
2 .4 控制通道
控制通道主要包括输入通道和输出通道 。
○ 输入通道
输入通道采用 CY3011AA1N 型 投入 式液 位传 感器 , 把 现场
液位信号转换成 4 -20mA 电流 信号 送往 PLC 的 A/ D003 模 块 。
其传感部分 采用高精度扩散 硅压力 传感器 , 它把 感受到 的压力
下位机软件设计是在 监控级 上利用 OMRON -C200Hα系列 编程软件 CX -Programmer2 .0 完成对下位机程序的编制与调试 , 然后把调试好的程序 下载到 PLC 中 。 下位机软件 主要实现 PLC 与 监 控级 的 通 讯 、PLC 对 现 场 水 位 的 控制 、故 障 诊 断 等 子 程 序[ 1] 。 其软件设计的主程序流 程图如图 3 所示 。
○ 信号处理 由于系统采集到的原始数据需根据实际情况进行处理后方 可供控制器使用 。 信号处 理 包括“ 滤波” 、“ 零 点迁 移与 量 程变 换 、标度变换” 等功能处理模块 。 ○ 控制算法设计与实现 控制算法设计有 PID 控制 、Ping -Pang 控制 、模糊控 制等三 种方式并可切换进行 。
PLC 与 DCS
PLC and DCS
《自动化技术与应用》 2004 年第 23 卷第 7 期
基于 PLC 的过程控制系统设计与实现
王洪猛 , 谢建君 , 曾 云 , 白雪峰
(武汉大学 动 力与机械学院 , 湖北 武汉 430072)
摘 要 :本文介绍了一种基于 PLC 的过程控制 系统 的开发 与实 现 。 上位 机采 用组态 王 6 .0 实 现 SCADA 功能 , 下 位机采 用 OM RON PLC 完成现场信息的 采集 、处理 、以及控制 。 上 、下位机之 间通过 RS232 串口实现 通讯 。 实 验结果 表明 :系统已 达到了 预期 的设计效果 。
○ 上电初始化 系统初始化包括对 RAM 、ROM 以及其中 的 IR、HR 、DM 区域 的清零 , 以及控制参数的初 始值设置 , 例 如积分 时间 Ti、比 例放 大系数 Kp、微分时间 Td 和采样周期 T ;此外 , 也 包括对 A/ D003、 D/ A004 模块 的初始化 。 ○ 采样周期的确 定与实现 采样周期的确定取决于被 控对象的特性 、监测参数 、以及控 制器的容量 , 理论 上应 满足 Shannon 采 样定理 f ≥2fmax[ 4] , 在 实 际应用时还应考虑模 拟量输入通道的个数 、A/ D 的转换时间 。
2 .1 网络级
网络级的拓扑结构采用 EtherNet 网通过同 轴电缆连 接与生 产监控级相连 , 实现对工业现场的集中管理 。
收稿日期 :2004 -02 -12
图 1 系统结构图 Techniques of Automation &Applications 25
《自动化技术与应用》 2004 年第 23 卷第 7 期
2 .2 监控级
监控级采用 PC 机作为上位机 , 并通过组态王 6 .0 实现 系统 的 SCADA 功能 ;利用 RS -232C 串口与 PLC 通讯 , 实现对各 个工 业现场的监控 。
2 系统的结构与组成
基于 PLC 建构的过程控 制系统 采用分布 式控制 结构 , 如图 1 所示 。 以 PLC 作为下位机 , 以 PC 机为上 位机 , 通过 RS-232C 串口与 PLC 通讯 , 实现对工业 现场的监 控 。 并通 过同轴 电缆连 接到以太网上 , 从而实现对工业现场的“ 分散控制 , 集中 管理” 。
○ A/ D 003 模拟 量输入模块 :接受 液位传感 器 CY3011A 送 过来的 4～ 20mA 的电流 信号 , 并将其转化为 0-4000(BCD 码)的 数字量 。 其通道地址由拨号 开关决 定 , 与 其在底 板插糟 中上的 位置无关 。 本系 统中 AD003 模块 的地址 开关 设置 为 1, 对 应的 IR 区域为 IR110 ～ IR119;对 应的 DM 区 域为 DM1100 ～ DM1199 ; 且设置第一路 A/ D 转换器工作并不进 行峰值保 持 , 则模 拟量输 入通道地址为 IR111 , 具体的 DM 区和 IR 区设置 如表 1 所示 。
图 3 控制主程序 ① 控制周期的确定 不同的被控对象其特性不一样 , 其采样控制周期也 不一样 , 根据流量和液体的压力特性 , 本系统的控制周 期选择为 1s[ 4] 。 ② Ping -Pang 控制 Ping -Pang 控制 是一 种开 关控 制 , 使控 制器 输出 最大 或最 小 , 它是时间最短的最优控制 。 但由于控制精度差 、造成执行器 频繁动作 。 为此当偏差绝对 值较大 时采 用 Ping -Pang 控制 , 而 在偏差绝对值较小时可采用其他控制方案 。 ③ PID 控制
○ D/ A 004 模拟量输出模块 :将 0 — 4095BCD 码 转化为 4～ 20mA 的电流信号送至 变频器 , 作 为系统的 控制 量 , 调整给 水流 量 。其 地址 开关设 其值 为 0, 对 应的 IR 区域 为 :IR100IR109;对 应的 DM 区域 DM1000 ～ DM1099 ;且设 置 第一 路 D/ A 转 换 器工 作 , 其模 拟量 输入通 道地 址为 IR101, 具 体的 DM 区和 IR 区设 置[ 2] 如表 1 所示 。
3 过程控制系统的软件设计与实现
软件设计主要包 括上 位机 SCADA 监 控软件 和下 位机 软件 设计 。
3 .1 SCADA 监控软件设计
上位机软件设计采用组态 王 6 .0 软件 。 组态王是一种 工业 组态软件 , 它自带大量的 I/ O 设备驱动程序 , 用户可以方便 地构 建实时的监控系统 。 为了使过程控制系 统实验平台有一个良好 的人 机交互环境 , 在组 态王中开 发了过程流 程画面 、监控画面 、 实时调节曲线 、历史曲线图 、阶 跃响应曲线 、报警画面 , 从而可实 现对现场的实时监控[ 3] 。 PID 控制上位 机监控画面为 SCADA 中 的一幅 , 如图 2 所示 。