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1、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
2、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 () 1. 概述 (1) 2. 课程设计任务及要求 (2) 2.1 设计任务 (2)
3、 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
4、) 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
5、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：
6、（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
7、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：“检测机构”的位移先去带动一个位移开关动作；位移开关控制电机的转动；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
8、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
9、。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 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据
10、运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 3.易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容
11、易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5.体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 6.本次所使用的PLC 基本型QCPU是以小规模系统为对象 的，最适合于简单而又紧凑的控制系统。 所支持的最大IO点数为1024点，软 元件的存储器约为19K字，且允许软元件在16K字范围内任意分配，Q
12、00Q01CPU 还可将32K字的文件寄存器存入内置的标准RAM中。基本型QCPU内部都含有闪存ROM，所以能在不使用存储卡的情况下对ROM进行操作。可以使用梯形图、语句表、ST（结构化文本，类高级语言）、SFC、FB等5种编程语言对基本型QCPU 进行编程。除了Q00J为CPU、电源和主基板（可带32点输入输出）一体的以外，Q00/Q01都为独立的CPU模块。Q00Q01CPU内置串行通讯功能，CPU的RS-232接口能与使用MC通讯协议的外部设备进行通讯。 变频器的特点： 1.节能 只要降低频率，电机用不完的能量就接生下来了。比如，一台水泥厂的风机，功率是132KW，它一旦启动就是132K
13、W，假如这时风力太大，用不完，就只好关闭一些阀门，但它还是会用132KW的电，浪费是必然的。用了变频器调速器就不同了，需要多大的风力就调到相应的速度，其多余的能量就能节省下来。就这给厂家省下一笔很可观的电费。一家水泥厂250KW的变频器，平时只用到70%的功率，自从装上变频器，每小时节省70度电。照此计算，很快就会收回设备投资。目前，变频器空调影响很大，虽然价格贵一点，但是从长远的角度来考虑，它会从节电方面获得效益。 2.无极调速 根据需要任意调级电机转速。电机都有一个固定的转速，没有其他调速装置，这个转速固定不变。而有的工况需要电机改变速度，没有变频器，只能通过滑差电机或齿轮变速来实现，很复
14、杂，很多维护，很笨重，很落后。有了变频器，就使一切变速的需要变的轻而易举，随心所欲。 3.启动平稳 速度平稳上升，停止平稳，速度平滑下降，没有冲击。所以你在乘坐配有变频器的电梯时，就感觉不到振动和冲击，很舒适。变频器体积小，重量青、安装方便、调式简单，作单机控制时，三根电源进线，三根出线接电机就完成了。 加速减速，正转反转，所有的操作都在一个小小的键盘上。所以，它深受用户喜爱，它的应用领域也越来越普遍和广泛。 4.它具备多种信号输入输出端口，接收和输出模拟信号，电流、电压信号。 与控机、编程器配合，就能形成自动化控制系统。换一句话说，什么时候 加速，什么时候减速，什么时候正转，什么时候反转，什
15、么时候停，什么时候启，一切都可以预先编程，它会忠实准确的执行命令。 5.本次所使用的PLC 特点 多功能型、一般负载适用；功率范围：0.75630KW ；简易磁 通矢量控制方式，实现3Hz 时输出转矩达120%；采用最佳励 磁控制方式，实现更高节能运行；内置PID ，变频器/工频切 换和可以实现多泵循环运行功能；内置独立的RS485通讯口； 使用长寿命元器件；内置噪声滤波器（75K 以上） 由上所述，PLC 与变频器控制系统与传统机电控制系统相比具有许多特点， 其控制质量较高，对于被控过程中有较大的纯滞后和容量的系统均会起到较好的效果。本次试验中的实验设备恰好具备此类性质和特点，因此选定PLC
16、 与变频器控制系统作为设计方案。 3.2 系统设计 3.2.1 结构框图及说明 PLC 与变频器控制系统的方框图如图所示： 图3-4 比较 环节 控制 机构 执行 机构 被控 对象 检测、 变送环节 本实验为PLC 与变频器控制系统，它是由单回路组成。PLC 起到比较和控 制的作用，变频器、电机和水泵可看作整体起到执行机构的作用，差压变送器是检测和变送的环节，被控对象是液位高度。 调节器控制规律的选择 在选择调节器控制规律之前，我们有必要先来了解一下比例P ，积分I ，微分D 三中调节器的控制规律及控制特点，这对我们能正确选择调节器的调节方式会有很大帮助。 比例(P)调节 纯比例调节器是一种最
17、简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很 快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为： 式中Kp 为比例系数，为比例带。 比例积分(PI)调节 PI 调节器就是利用P 调节快速抵消干扰的影响，同时利用I 调节消除残差， 但I 调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为： 式中I 为微分时间。 比例微分(PD)调节 这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节 )11(1)11()(s T s T K s
18、G I I P C +=+=（3-2） 1 )(=P C K s G （3-1） 阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。PD 调节器的传递函数为： 式中D 为微分时间。 比例积分微分(PID)调节器 PID 是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优 点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为： 在在本实验单反馈控制中, 过程参数或过程变量与所需的设定值之间存在偏差, 通过PID 运算可以计算出控制器的输出值, 假设过程参数或过程变量是PV, 设定值是SP, 偏差是E, 控制器输出是OUT, 则计算公式是: Ei=PVi-SPi OUTi=KpEi+KiE
19、i t+Kd!Ei -Ei-1 式中, 输出数值OUTi 由三个输出项组成。第一项是比例作用 (ProportionalActive) 的输出, 它的输出与偏差成正比。在某一时刻, 如果偏差为0, 则比例项输出为0。对控制器输出的影响大小与所设置的比例增益Kp 有关。第二项是积分作用(IntegralActive) 的输出, 它的输出是与偏差的大小和偏差作用时间的乘积有关。在某一时刻, 如果偏差为0, 积分项的输出并不为0, 由于偏差为0, 该项的比例输出将不发生变化, 保持在原有的数据上。积分项作用增长的快慢与偏差的大小、所设置的积分常数Ki 有关: Ki=KTip 。Ti 称为积分时间, Ti 越大, Ki 就越小, 积分作用增长就越弱, 消除偏差的时间也就越长。第三项是微分作用(DerivativeActive) 的输出, 它的输出与偏差的变化率有关。因此, 如果偏差存在但不发生变化, 微分作用的输出就为0。微分作用的大小是与偏差变化率 )1(1 )1()(D D P C T T K s G +=+= （3-3） )11(1)11()(s T s T s T s T K s G D I D I P C +=+=（3-4）