智能化流量控制系统设计要点

东北大学秦皇岛分校控制工程学院《过程控制系统》课程设计

设计题目：智能化流量控制系统设计

学专生：业：

班级学号：

指导教师：

设计时间：2013.7.1-2013.7.6

目录

一. 设计任务 (3)

二．前言 (3)

四．系统硬件设计 (5)

4.1设备的选型 (5)

4.1.1 控制器的选型 (5)

4.1.2 变频器的选型 (6)

4.1.3 流量传感器变送器的选型 (6)

4.2 硬件电路 (7)

五．软件设计 (8)

5.1控制规律的选择 (8)

5.2 MATLAB 仿真 (8)

5.2.1 传递函数的确定 (8)

5.2.2 5.2.3采用数字PID控制的系统框图 (9)

基于临界比例度法的PID参数整定 (9)

5.3 程序编写 (12)

六．结束语 (16)

七．参考文献 (17)

附页.Matlab 仿真程序及原始图表 (17)

一. 设计任务

1、系统构成：系统主要由流量传感器，PLC控制系统、对象、执行器（查找资料自己选

择）等组成。传感器、对象、控制器、执行器可查找资料自行选择，控制器选择PLC 为控制器。PLC类型自选。

2、写出流量测量与控制过程，绘制流量控制系统组成框图。

3、系统硬件电路设计自选。

4、编制流量测量控制程序：软件采用模块化程序结构设计，由流量采集程序、流量校准程序、流量控制程序等部分组成

二．前言

本课程设计来源于工业工程中对于流量的监测和控制过程，其目的是利用PLC来实现过程自动控制。目前，PLC使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，涉及到所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。PLC 通过模拟量I/O 模块和A/D、D/A 模块实现模拟量与数字量之间的转换，并对模拟量进行闭环控制。

三．系统控制方案设计

图3.1 控制系统工艺流程图

如图3.1所示为智能化流量控制系统的工艺流程图，要求实现对管道中水流量的控制，

该系统只有一个过程参数即管道的水流量，故可采用单回路控制系统实现控制要求。该控制系统中，被控量为水的流量，控制量为水泵电机的转速，控制器选用PLC 和变

频器,传感变送器选用电磁流量传感器，执行器选用水泵电机。根据工艺流程图画出系统框

图，即图3.2。

图3.2系统框图

从上图看出，该控制系统分为：①控制机构；②信号检测变送机构；③执行机构

(l)控制机构：本系统的控制机构包括控制器(PLC)和变频器两个部分。

控制器是整个流量控制系统的核心。将来自流量传感变送器的测量值与给定值相比较

去控制执行后产生的偏差进行一定规律（PID控制规律）的运算，并输出统一标准信号,

机构的动作，以实现对过程量的自动控制。

变频器可以通过RS-485 通信协议和接口直接与西门子PLC 相连，便于设备之间的通信，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵电机)进行控制；使用变频器的作用就是

为了调速，并降低启动电流。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。变频器是对水泵电机进行转速控制的单元，其跟踪控制器送来的控制信号改变水泵电机的转速控制

(2) 信号检测变送机构：在系统控制过程中传感变送器选用电磁流量传感器将工业生

产过程参数经检测变送单元转化为标准信号，需要检测的信号包括管道水流量信号，其中水流量信号是本控制系统的主要反馈信号。

该信号是模拟信号，在模拟仪表中，标准信号通常采用4-20mA、0-10mA电流信号、

1-5V 电压信号、或者20-100kPa气压信号。读入PLC时，需对输入的信号进行A/D转换。

(3) 执行机构：执行机构由水泵和电机组成，即把水泵与电动机直接连接在一起，但

不需要传动轴。它具有结构简单，体积小，重量轻，安装、运行成本低，维护方便，节能

效果好，噪音低的有点。它用于将水供入管道，通过变频器改变电机的转速，以达到控制管道水流量的目的。

智能化流量控制系统以供水出口管道水流量为控制目标，在控制上实现出口管道的实

际流量跟随设定的水流量。水流量的设定值可以是一个定值，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。

4．系统硬件设计

4.1设备的选型

设计硬件选型的部分有：控制器、变频器、水泵、流量传感变送器。

4.1.1 控制器的选型

PLC 控制器具有抗干扰能力强，扩展模块组合方便、编程简单等优点，故该控制系统采用PLC作为控制器。由于水流量自动控制系统控制设备相对较少，因此，我们选用西门子S7-200系列PLC，该系列PLC 结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于

一些小型控制系统。

S7-200系列PLC可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用.根据控制系统实际所需端子数目，并考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此，CPU选用西门子CPU 224，其开关量输出为10点，输出形式为AC220V 继电器输出；开关量输入为14点，输入

形式为+24V直流输入。

由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要选择扩展模块。S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数。模拟量扩展模块选用EM 235，该模块有4个模拟量输入通道，1个模拟量输出通道。

4.1.2 变频器的选型

选择Siemens MicroMaster440变频器，便于S7-200PLC 和变频器之间的通信。该系列

变频器专适用于三相交流电动机调速，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。MicroMaster440变频器的输入信号为380V 交流电压，输出功率为0.75~90KW，适用于大功率高要求超所。

该变频器的优点：①其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。②该变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。

4.1.3 流量传感器变送器的选型

流量传感器器用于检测管道中的水流量，通常安装在的出水口，流量转换器是将水管中的水流量的变化转变为4~20mA 的模拟量信号，作为A/D转换模块的输入，选型时，为减少传输过程中的干扰与损耗，我们采用4~20mA 输出流量转换器。

根据上述分析，本课设中选用电磁流量传感器SHLDZ、电磁流量转换器SHLDZ—1

实现流量的检测、显示和变送。流量表测量范围0—0.6m3/h，精度1.0。转换器输出

4~20mA电流信号，该模拟信号经A/D转换模后读入并与设定值进行比较，将比较后的偏

差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A 转换模块转换成模拟信号，送给与CPU224连接模拟量模块EM235，作为PID 调节的反馈电信号。

4.1.4 执行器的选型

水泵电机的选型基本原则：①确保平稳运行；②选用的电机必须与系统用水量的变化

幅度相匹配，则电机经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。

本课设的要求为：电机额定功率0.37KW,额定转速为2800r/min。根据本设计要求确定采用1台SFL低转速低噪音多级离心水泵电机（电机功率0.37KW）。

SFL 型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经

过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护

装置，噪声更低(室外噪音60dB)、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化

性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、

空调冷却系统、消防给水等。