自动检测技术及仪表控制系统课程设计

摘要

本课程设计实验采用的是计算机和三菱Q系列PLC和三菱FR-F740系列变频器来实现控制，实验的目标是通过控泵的出油量来把油罐中的液位控制在设定的高度。本课程设计实验报告首先对此次试验的主要任务和实现方式做了简要的阐述，之后针对实验要求提出了可行的设计方案并进行了讨论和比较。

我们利用PLC，变频器和电机在实验室构成了单回路的闭环控制系统，并采用了PI算法对PLC编程。经过了一段时间的学习，通过多次校正和对参数的修改调试，最终实现了稳定运行和液位（转速）控制的在设定值的实验目标。并将整个过程反映在了本次试验报告中。

程设计是以我们自己的专业课程（过程控制系统）为依托，针对一个特定的设计内容对我们进行完整的控制系统设计训练的教学环节。使我们通过整个课程设计的过程了解和掌握过程控制系统设计的内容、步骤、规范和方法等。为将教材中的理论和上课时学习的知识与实际自动化工程提供结合的机会，加深我们对过程控制系统这门课程的理论知识和应用实践的认识。

我们的设计内容包括：控制系统可行性分析，控制原理分析与设计，控制设备选型、系统接线图纸设计，控制系统编程实现以及实验验证等。我们可以根据个人情况进行各自特色的控制系统设计。

关键词：PLC，变频器，自动化，液位控制

目录

摘要 (Ⅰ)

1. 概述 (1)

2. 课程设计任务及要求 (2)

2.1 设计任务 (2)

2.2 设计要求 (2)

3. 理论设计 (3)

3.1 方案论证 (3)

3.2 系统设计 (7)

3.2.1 结构框图及说明 (7)

3.2.2 系统原理图及工作原理 (10)

3.3 单元电路设计 (10)

3.3.1 单元电路工作原理 (10)

3.3.2 PID参数选择 (13)

4. 系统设计 (15)

4.1 软件设计 (15)

4.2 编程过程 (17)

4.3 编程结果 (18)

5. 安装调试 (22)

5.1安装调试过程 (22)

5.2 故障分析 (23)

6. 结论 (27)

7. 使用仪器设备清单 (28)

8. 收获、体会和建议 (29)

9. 参考文献 (30)

1概述

○1过程控制系统

过程控制系统是以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。

○2单回路控制系统

单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。

○3变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。本次试验中采用的变频器是三菱FR-F740系列变频器。

○4PLC

PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。本次试验中所采用的PLC为三菱Q系列PLC。

2 课程设计任务及要求

2.1 设计任务

设计并制作一个液位自动控制系统，控制对象为3米的储油罐。也为可以在一定范围内由人工设定，并能在来料量变化是实现自动控制，以保持设定的液位基本不变。

2.2 设计要求

1、选择合适的传感器、执行器、控制器、设计控制方案

2、设计合适的控制算法及算法参数，达到以下要求：

（1）液位设定范围为0-3米，最小区分度为0.001米，标定液位≤0.01米。（2）操作界面的设计，包括（水温显示，设定参数的输入，控制参数的输入等）。（3）采用适当的控制方法，党设定液位突变时，减小系统的调节时间和超调量。（4）液位控制的静态误差≤0.02米

3 理论设计

3.1 方案论证

在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（油位）进行自动控制。虽然各种油位控制的技术要求不同，精度不同，但基本的控制原理都可以归纳为一般的反馈控制方式，它们的主要区别在于检测液位的方式、反馈形式以及控制器上的区别。

针对该系统的特点，我们给出两种设计方案：传统机电控制阀门式、plc与变频器控制油泵式。

方案一：传统机电控制阀门式

图3-1

漂浮在水面上的浮球与控制

器中的“检测机构”通过连杆机构

相连，当水位发生变化时，浮球上

下运动带动“检测机构”产生位移，

这个位移可以直接用来驱动阀门

动作，关闭或者开启进水口，调节

水位。如果需要控制

图3-2

的水筏较大，浮球的浮力不足以驱动控制水阀动作时，可以在“检测机构”与“阀门控制”之间增加一套机电控制驱动装置，具体控制过程为：①“检测机构”的位移先去带动一个位移开关动作；②位移开关控制电机的转动；③电机驱动水阀门。这种控制方式结构比较复杂，但可以对大型蓄水装置进行控制，因此常常应用于工农业生产中。

方案二：PLC与变频器控制水泵式

从自动控制角度看，可

将变频器与所驱动的电机

及所相关的管路看成一个

整体，等效于一个标准的执

行机构，其输入为PLC根

据控制误差的大小计算出

相应的控制器输出

（4-20mADC）/（0-10V）

直流信号，其输出对应流体

的流量。

图3-3

为了更清楚的说明PLC与变频器控制相对于传统机电控制的优势，下面对PLC与变频器控制系统的特点给予详细说明：

PLC的特点:

1.可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

2.配套齐全，功能完善，适用性强