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1、铁道大学四方学院毕业设计基于PLC的流量比值控制系统设计The Design of Ratio Control System Based on PLC2014届 电气工程 系专业 自动化 学号 20107493学生 赛 指导老师 安 树 完成日期2014年5月20日50 / 60毕业设计成绩单学生赛学号20107493班级方1053-2专业 自动化毕业设计题目基于PLC的流量比值控制系统设计指导教师安树指导教师职称讲师评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长(主任) 签字：年 月 日毕业设计任务书题目基于PLC的流量比值控制系统设计学生赛学号20107493班级方1053
2、-2专业自动化承担指导任务单位电气工程系导师安树导师职称讲师一、 主要容按照控制要求，设计一个具有较美观的组态画面和较完善组态控制程序的流量比值控制系统。二、 基本要求1.了解PID的基本原理。2.熟悉掌握组态王6.52软件。3.了解用PLC编程的思想，并能够画组态界面。4.系统综合调试。三、 主要技术指标(或研究方法)通过PID参数的整定，使系统满足较快较稳的性能要求。四、 应收集的资料与参考文献1 徐国林. PLC应用技术. 械工业. 2011.2 胡寿松. 动控制原理. 国科学. 2005.3 立学. 基于组态软件的计算机液位串机控制系统设计J. 控制计算机. 2009.4 郁汉琪. 电
3、气控制与可编程序控制器应用技术. 东南大学. 2010. 5 爱华. 传感器原理与应用技术. 民邮电. 2010.五、 进度计划第1-3周：调研、收集材料、完成开题报告。第4-5周：分析、确定方案。第6-7周：设计、计算、绘图。第8周：中期检查。第9-12周：撰写论文。第13-14周：论文审核定稿。第15-16周：答辩。教研室主任签字时间年月日毕业设计开题报告题 目基于PLC的流量比值控制系统设计学生赛学号20107493班级方1053-2专业自动化一、研究背景在现代工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料流量保持一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费
4、原料，造成污染，甚至产生生产事故。所以在科技发达的社会，合理分配资源，实现可持续发展，研究实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统是非常有必要的，这项研究对工业的的发展有很大帮助。在当前信息时代下，PLC更多的具备了计算机功能，不但实现了逻辑控制，同时具备通信、数据处理以与网络等多种功能。此外，由于PLC自身体积较小，便于维护和组装，同时在编程上比较简单，有很高的可靠性高和极强的抗干扰能力，这些优点使得PLC受到了工业的广泛青睐，得到了普遍的应用。PLC技术的快速发展为工业生产带来了巨大的便利，PLC技术以其独特的优势，在工业生产当中有广阔的应用前景。二、国外研究现状在可编程序问世之前
5、，继电器接触器控制在工业控制领域占主导地位。但是随着科技的进步和社会的发展，继电器接触控制已经不能满足社会的需要，另外继电器的缺点例如：工作频率低，寿命短，容易造成系统故障等等，在社会上造成了时间和资金的浪费。美国数字设备公司于1969年研制出世界上的第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，并取得了成功。其后许多国家相继引进并发展这项技术，可编程控制器由此发展起来。经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。国外PLC的发展已经进入第四代，产品更新换代也愈来越快，智能化也越来越明显，应用于各个制造行业，成为推动经济的重要力量，同时国外对于PLC的各种应用
6、也在大大研究力度。 目前，虽然我国在PLC生产方面非常弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每应用的行业也很广。国的PLC市场主要是被国外产品占领，但是国也有自己的品牌如和利时、德维森、安控等等。由于我国工业自动化程度低，PLC产品有很大的应用空间，随着着国技术的发展与更新，PLC技术在很多领域都有应用如钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保与文化娱乐等各个行业。三、研究方案本次的课题是基于PLC的流量比值控制系统设计。主要是通过PLC技术对流量进行比值的控制。要求副流量根据主流量的变化而变化。首先要画出系统控制图的简略图，再根据课题要实现的功能进行改进。该
7、系统要有两个控制回路，这两个回路通过比值器进行连接，来达到主流量对副流量的控制。系统要用到两个PID调节环节，两个调节阀还有检测环节。四、预期达到的结果在流量比值控制系统，运用PLC技术对其进行控制检测，可以轻松的实现副流量随主流量的变化而变化，而且可以克服副流量本身的干扰对比值的影响，使得主副流量的比值较为精确。同时要注意温度、压力等条件的控制。只要缓慢改变主流量控制器给定值，可以提降主流量，副流量会自动跟踪变化，两种比值不变。同时要注意温度、压力等条件的控制。指导教师签字时 间年 月 日摘要流量比值控制系统的设计，主要是用PLC控制液体的比例，以便提高工业的智能化，通过流量比值控制可以使得
8、工业上液体的混合准确，能够更好地控制液体的比例，节约资源。本设计采用PLC为核心对液体流量进行控制，通过合理的设计，提高流量控制水平，进而改善流量运行的稳定性，使其更加精确。本文主要介绍了流量的比值控制系统总体方案设计、设计过程、组成、列出流量控制的流程图，并给出了系统组成框图，分析流量逻辑关系，提出了编程方法。通过A/D采集模块接收流量计传感器的数据，对采集的相应数据进行处理分析并发出指令，该设计采用PID控制方法，通过PID控制的参数设定与自整定。根据PI调节的输出与输入的偏差成正比，还与偏差对时间的积分成正比，消除了控制过程中产生的静差。本设计实现了流量双闭环调节的精确控制，这种控制方法
9、对流量的调节具有较好的稳定性和动态特性。关键词：流量PLC比值PIDAbstractThe design of flow ratio control system,PLC is mainly used tocontrolthe ratio of liquid,inordertoimprove theintelligenceindustry,throughflow ratio controlcan makeindustrialliquidmixing accurate,better abletocontrolliquidratio, save resources.This design uses
10、 PLCas the coreof the liquid flow control,through reasonable design,improve the flow of control level,thereby improving the flow stabilityofrunning,making them more precise.This paper mainly introduces theflowratio controlsystem schemedesign,design process,composition,list theflow chartflow control,
11、andgives the block diagram of the system,analyzes the flow of logic relation,put fortthe programming method.Receivingflow metersensor through the A/Dacquisitionmodule data,the correspondingdataprocessing analysisandinstruction,thedesign adoptPIDcontrol method,setting andtuningtheparameters of PIDcon
12、trol.According to thedeviationof output and inputis proportional to thePIregulation,also with thedeviation ontimeis proportional to the integral,and eliminates thestatic error generatedin the control process.This designrealizes the accurate control offlowof double closed loop regulation, this contro
13、lmethod hasbetterstabilityand dynamic characteristics offlow regulation.Keywords：FlowPLCRatio PID目录第1章绪论11.1课题研究的目的意义11.2国外研究现状11.3论文研究容2第2章系统控制方案设计32.1系统整体方案的设计32.1.1方案论证32.1.2方案选择42.1.3双闭环比值控制系统的结构42.2双闭环比值控制系统的特点与分析52.3控制方案的比较和确定62.4流量比值控制系统的组成与原理图62.5流量比值系统控制流程8第3章系统的硬件设计93.1PLC的基本知识93.1.1PLC硬件介
14、绍93.1.2编程语言103.2设备的选型103.2.1PLC与其转换模块的选型113.2.2变频器的选型133.2.3水泵电机的选型153.2.4电磁流量计的选型163.2.5调节阀的选型173.3系统主电路分析与其设计18第4章系统的软件设计204.1流量比值控制逻辑图204.2系统I/O分配204.3系统I/O接线图214.4系统控制过程214.4.1程序初始化与故障分析214.4.2PID初始化与程序分析23第5章仿真设计255.1 组态王介绍255.2 组态画面255.3监控画面25第6章结论28参考文献29致30附录31附录A外文资料31附录B电路总图42附录C流程图43附录D程序
15、44第1章绪论1.1课题研究的目的意义在生产过程、科学研究和其他产业领域中，可编程序自动控制技术的应用都是十分广泛的，在自动控制的设备中，可编程序自动控制亦比其它的控制方法使用得更普遍。随着科学技术日新月异的发展，特别是大规模集成电路的问世和微处理机技术的应用,使可编程序自动控制技术进入了一个崭新的阶段，因此，了解和学习这些重要技术对高校工程类专业的学生来说,已是必不可少。PLC比值控制系统这个课题具有其重要的意义。本次课程设计的目的是采用三菱系列PLC来实现过程控制系统的设计。学习使用变频器，并对其控与外控模式运用自如；掌握PLC控制单元的使用，对三菱编程进而对整个过程进行控制；学会使用A/
16、D、D/A转换模块，了解其工作机制，熟知模数、数模换换的接口地址通过模拟量I/O模块，并对其进行编程采集与控制；与此同时，学会使用不同的传感器件流量计、阀门等的控制欲使用。当今，PLC的使用围越来越广，从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用于所有与自动检测，自动化控制有关的工业与民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。可知，现在的工业生产和各领域的机械控制都是与此密切相关的，流量比值设计对于工业智能化、机械化有很大的帮助。1.2国外研究现状以可编程序控制器为主要控制装置所构成的控制系统为可编程序控制系统或PLC控制统。可编程控制器(PLC)控制系统以其运行
17、可靠、易学易用、抗干扰性强等特点,在工业控制中得到广泛的应用。可编程控制器是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。由于它能满足设备使用环境的要求和控制的复杂、可靠性,在现代的工业控制系统量应用，前景非常广阔。最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量与数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大围、跨地域的控制用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。目前，国外的可编程自动控制设备技术顺应时代潮流，与计算机技术同步发展，向着通用化、
18、模块化、智能化、标准化、数字化、网络化方向迅猛发展。国的发展从全盘引进、仿制到自行研究，取得了举世瞩目的成绩，但从整体上看，我们在技术性能、制造工艺等方面与国际先进水平还存在很大差距。众所周知，我国的生产力水平还不是很高，特别是80年代以前的国有大中型企业，出于人才和经济因素的考虑，还有很多的厂矿企业正在使用着原有的落后设备和技术。因此，改变原有的落后设备和技术，设计以可编程序器与计算机结合的自动控制系统，提高工业自动化的程度，对加速我国尽早成为现代化工业强国意义重大。在国的许多化工厂，水泥厂，钢厂，尤其是国有老厂，其控制系统还在使用过时的模拟控制，甚至是全人工控制。人工控制由于人员过多效益过
19、低，生产的产品不够精确，安全隐患大增加了系统故障的可能性，还有就是工厂的试验设备和生产设备存在一定的相差度，以致影响了产品质量和生产效益。而随着产品性能的提高，对自动控制系统的要求也越来越高，传统控制已达不到系统要求。随着大规模与超大规模集成电路的发展以与计算机的出现，控制系统开始由传统控制向自动控制方向发展。目前，虽然我国在PLC生产方面非常弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每应用的行业也很广。国的PLC市场主要是被国外产品占领，但是国也有自己的品牌如和利时、德维森、安控等等。由于我国工业自动化程度低，PLC产品有很大的应用空间，随着着国技术的发展与更新，PLC技术在很多领域都有
20、应用如钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保与文化娱乐等各个行业。1.3论文研究容此次设计是基于PLC的流量比值控制系统设计。主要是以PLC为核心，配合智能仪表，主要是通过PLC技术对流量进行比值的控制。要求副流量根据主流量的变化而变化。首先要画出系统控制图的简略图，再根据课题要实现的功能进行改进。该系统要有两个控制回路，这两个回路通过比值器进行连接，来达到主流量对副流量的控制。同时本设计需要用到变频器、A/D与D/A转换器与其相关的连接，I/O的连接。第2章系统控制方案设计2.1系统整体方案的设计2.1.1方案论证根据实际生产情况，比值控制系统可以选择不同的控制方
21、案，比值控制系统的控制方案主要有开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统几种。方案一：单闭环控制系统原理设计的系统框图如图2-1所示。检测/变送器1控制器变频器泵检测/变送器2比值器-副流量主流量图2-单闭环流量比值控制系统原理图单闭环流量比值控制系统与串级控制系统相似，但功能不同。可见，系统中没有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在结构上与串级控制不同的地方，串级控制中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，而在比值控制中，副流量不会影响主流量，这是两者本质上的区别。方案二：在单闭环控制系统基础上，增加一个主流量闭环控制系统，单闭环比值控制系统就成为双闭环
22、比值控制系统，其方框图如图2-2所示。双闭环较之于单闭环而言更加复杂，选用的设备也更多，但对于实际生产，生产效率和质量十分重要，因此对系统的稳定性和精确度要求较高。双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定值控制，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。 经过分析，当系统处于稳态时，比值关系是比较精确的；在动态过程中，比值关系相对而言不够精确。另外，如果主流量处于不变的状态，副流量控制系统又相当于一个定值控制系统。主流量副流量-+-+主控制器变频器泵检测/变送器1比值器副控制器调节阀检测/变送器2图2-2双闭环流量比值控制系统原理图方案二的双闭环流量比值控制
23、系统，是在主流量也需要控制的情况下，增加一个主流量闭环控制系统构成的，由于增加了主流量闭环控制系统，主流量得以稳定，从而使得总流量能保持稳定。双闭环比值控制系统主要应用于总流量需要经常调整的场合。如果没有这个要求，两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系，仅仅在动态过程中，比例关系不能保证。2.1.2方案选择通过方案的论证可知，单闭环流量比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。而双闭环流量比值控制系统适用于主副流量扰动频繁，负荷变化较大，同时保证主、副物料总量恒定的生产过程。该设计针对控制对象，主流量和副流量都是液体，实际生产中，两种液体可
24、能会发生一些变化，因而可能造成扰动频繁，并且属于负荷变化较大。经过分析，选择方案二的双闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统更为合适。2.1.3双闭环比值控制系统的结构在现代工业生产过程中，经常遇到生产工艺要求两种或多种物料流量成一定比例关系的问题，一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。如硝酸生产中的氨氧化炉，其进料是氨气和空气，两者的流量必须具有一个合适的比例，因为氨在空气中的含量，低温时在1528之间，高温时在1430之间都有可能产生爆炸的危险，严格控制其比例，使其不进入爆炸围，对于安全生产来说十分重要。比值控制系统在实际
25、生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，精确地输出，更能实现自动化控制，是过程控制系统的一个典型，在石化、制药等生产过程中，经常要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统，均称为比值控制系统。本设计被控对象为电动阀支路的流量和变频器水泵支路的流量，每个支路上分别装有流量传感器对支路的流量进行测量，变频器-水泵支路的流量是系统的主动量Q1，电动阀支路的流量是系统的从动量Q2。要求从动量Q2能跟随主动量Q1的变化而变化，而且两者间保持一个定值的比例关系，即Q2/Q1K，同时要求保证主动量与从动量保持总量恒定。双闭环比值控制系统的结构图，如图
26、2-3。主流量副流量-+-+主控制器变频器泵检测/变送器1比值器副控制器调节阀检测/变送器2图2-3双闭环比值控制系统的结构图2.2双闭环比值控制系统的特点与分析双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定值控制，使从动量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定。双闭环比值控制系统另一优点是升降负荷比较方便，只需缓慢改变主动量控制的给定值，这样从动量自动跟踪升降，并保持原来比值不变。双闭环比值控制系统中的两个控制回路是通过比值器发生联系的，若除去比值器，则为两个独立的单回路系统。事实上，若采用两个独立的单回路系统同样能实现它们之间的比值关系，但只能保证静态比值关系。当需要实
27、现动态壁纸关系时，比值器就不能省。双闭环比值控制所用设备较多、投资较高，而且运行投入比较麻烦，只有在工业特定要求(如严格控制两种物料比例)的情况下使用。2.3控制方案的比较和确定流量控制系统主要有流量变送器、变频器、恒流控制单元、调节阀、电动机组成。系统主要的任务是利用恒流控制单元使变频器控制一台电动机，实现管道流量的比值，同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下两种方案可供选择：(1)通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+流量传感器。这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵
28、活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。(2)通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+流量传感器。这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存储器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性
29、大大提高。该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。通过对以上两种方案的比较和分析，可以看出第二种控制方案更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性与控制精度的要求。2.4流量比值控制系统的组成与原理图基于PLC的流量控制系统主要有变频器、可编程控制器、流量变送器和水泵电机一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2-4所示：主流量副流量-+-+主控制器变频器泵检测/变送器1比值器副控制器调节阀检测/变送器2图2-4流量控制系统流程图从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为
30、：(1)执行机构：执行机构是由一个水泵电机组成，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。(2)信号检测机构：在系统控制过程中，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。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。(3)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。控制器直接对系统中的流量信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，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；变频器是对水泵电机进行转速控制的单
31、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。流量比值控制系统以管道主流量为控制目标，在控制上实现出口管道的实际流量跟随设定的流量给定值。设定的主流量可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段是一个常数。流量比值控制系统通过安装在管道上的流量变送器实时地测量参考点的液体流量，检测管道所流液体流量，并将其转换为420mA的电信号，此检测信号是实现水流量恒定的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能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作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而
32、控制水泵电机的转速，进而控制管道中的液体流量，实现液体流量恒定。2.5流量比值系统控制流程流量比值系统控制流程如下:(1)系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动电动机工作，根据流量变送器测得的管道实际流量和设定流量的偏差调节变频器的输出频率，控制水泵电机的转速，当输出流量达到设定值，转速才稳定到某一定值，这期间水泵电机工作在调速运行状态。(2)当管道液体流量减小时，流量变送器反馈的水流量信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵电机的转速增大，主流量增大，最终水泵电机的转速达到另一个新的稳定值。反之，当管道液体流量增加时，通过流量闭环，减
33、小水泵电机的转速到另一个新的稳定值。 (3)系统开始正常启动后，流量计1检测主流量的液体体积，通过变送器1，也就是FX2N-4AD的Channel one,将信号传送给PLC，即FX2N-16MR。PLC电路通过部输入的程序，对变频器进行控制，从而改变水泵的转速；流量计2是对副流量进行检测的，流量计测得副流量的数据，将数据传送给变送器2，也就是FX2N-4AD的Channel two，将信号传送给PLC，即FX2N-16MR。PLC电路通过部输入的程序，对调节阀进行控制，从而控制副流量流过调节阀的液体体积。第3章系统的硬件设计3.1PLC的基本知识可编程控制器，工控入门基础。以CPU为中心，综
34、合计算机技术，自动控制技术，通讯技术发展起来的新型工业自动装置，省去大量开关量，继电器，I/O点数进出，模块式，整体式。PLC软件编程基于Windows的编程语言标准，编程语言五种，指令表 梯形图，顺序功能图，功能块图，结构化文本，梯形图为常用编程语言。PLC的指令系统有:基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等。可以转换编程语言。PLC可以与人机界面，触摸频，伺服运动系统，变频器，软启动，DCS，数控设备等，起到主控作用。3.1.1PLC硬件介绍本设计运用的是FX系列的PLC，FX系列的
35、PLC系统配置灵活，可以根据自己的需要选择不同的型号，还可以选用各种扩展单元和扩展模块，组成不同I/O点和不同功能的控制系统。本设计选用的是FX2N系列，该系列是FX中功能最强、速度最快的微型可编程序控制器。在FX2N系列中根据自己的需要选用FX2N-16MR,该单元有8输入8输出，更有可扩展模块可用点数24-32个。三菱公司的PLC是最早进入中国市场的产品。小型机FX2N是近几年推出的高功能整体式小型机。FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC。它的基本指令执行时间高达008s每条指令，置的用户存储器为8K步，可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块或功能
36、扩展板，可实现多轴定位控制。机有实时钟，PID指令可实现模拟量闭环控制。有功能很强的数学指令集，如浮点数运算、开平方和三角函数等。每个FX2N基本单元可扩展8个特殊单元。 FX系列PLC具有庞大的家族。基本单元(主机)有FX0、FX0S、FXON、FX1、FX2、FX2C、FX1S、FX2N、FX2NC9个系列。每个系列又有14、16、32、48、64、80、128点等不同输入输出点数的机型，每个系列还有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种输出形式。FX系列可编程控制器型号命名的基本格式为：系列序号：0S，0N，2C，1S，2N，2NC。I/O总点数：14256。单元类型：M-基本元；E-输
37、入输出混合扩展模块；EX-输入专用扩展模块；EY-输出专用扩展模块；输出形式：R-继电器输出；T-晶体管输出；S-晶闸管输出；3.1.2编程语言PLC的控制功能是由程序实现的。目前PLC编程有五种标准化编程语言：顺序功能图SFC、梯形图LD、功能模块图FBD三种图形化语言和语句表IL、结构文本ST两种文本语言，最常用的是梯形图。本设计也是基于梯形图编程语言。梯形图语言形象直观，类似于电气控制系统中的继电器控制电路图。逻辑关系明显，相关知识人们容易接受。PLC的梯形图使用的是部软件继电器、定时器、计数器等，靠软件实现。(1)梯形图程序按行从上至下，从左到右程序编写。PLC程序执行与梯形图的编写一
38、至；(2)梯形图左边垂直线称左母线，右边垂直线称为右母线，左母线右侧放置输入接点和部继电器接点，(3)梯形图的最右边必须放置输出器件。PLC的输出器件用圆圈表示，圆圈可以表示部继电器线圈，输出继电器线圈或者是计数/定时的逻辑运算结果。其逻辑动作只有在线圈接通后，对应的触点才动作。输出线圈直接与右母线相连，输出线圈与右母线不能连有触点。(4)梯形图程序的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联不能串联。 (5)梯形图中每个编程元件应按一定规则加标字母数字串。3.2设备的选型根据基于PLC的流量比值控制系统的原理，即利用PLC部程序对整个路进行控制，PLC对各个器件输入的数据进行分析从而达到设计的
39、要求。系统的电气控制总框图如图3-1所示。由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：(1) PLC与其扩展模块、(2)变频器、(3)水泵电机、(4)流量变送器。可编程控制器(PLC)A/D模块流量变送器变频器水泵电机图3-1系统的电气控制总框图3.2.1PLC与其转换模块的选型PLC是整个流量控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、流量的控制以与对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、存空间、通讯接口与协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。考虑到自己对软件的熟知情况，因此PLC
40、选用三菱FX系列。FX2N型PLC的结构紧凑，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。三菱公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。从结构上分，PLC分为固定式和模块式两种。固定模块式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、存块等，模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、存、电源模块、底板或机架。CPU是PLC的核心，其中枢神经的作用，由运算器、控制器、寄存器、与实现它们之间联系的数据、控制与状态总线构成；I/O模块是电气回路的接口，是通过输入输出部分完成的。输入模块将电信号变换成数字
41、进入PLC系统，而输出模块正好相反；电源模块用于为PLC各单元模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源，电源输入有：交流电源220V或110V，直流电源常用24V。根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的FX2N型PLC，主模块为FX2N-16MR，其开关量输出点数为8点，X1X7；输出点数为8点，Y1Y7；同时还有接入电源点COM。电路图如下图3-2所示：图3-2PLC主模块原理图转换模块接线图与模块设置：FX2N-4AD与FX2N-2DA是最常用的转换模块，它实现了模拟量和输出量之间相互转化的功能。下面是FX2N-4AD与F
42、X2N-2DA转换模块接线图，如图下图：图3-3转换模块接口图FX2N-4AD是将模拟量转化成数字量，四个通道的外部连接是根据外部输入电压或电流的不同而不同。应注意以下几点：(l)外部输入为电压信号时，则将信号的+、极分别与模块V+和V相连。(2)若外部输入量为电流信号时，则需要把V+和V相连。(3)如有过多的干扰信号，应将系统机壳的FG端与FX2N-4AD的接地端相连。FX2N-2DA是将数字量转化成模拟量，两个个通道的外部连接是根据外部输入电压或电流的不同而不同。应注意以下几点：(l)电源点对应于开关电源正负极；(2)Channel one的V+与V-接于变频器的V+与V-；(3)Chan
43、nel two的V+与V-接于调节阀的V+与V-；3.2.2变频器的选型变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据电机的功率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以与矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。人们在实践中常将生产机械分
44、为三种类型: 恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度围所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的2 次方减小。这种负载所需的功率与速度的3 次方成正比。当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。 n=60f(1-s)/p对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，故电机的转速n与电源的频率f成正比，
45、因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机的调试目的。用户可以根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。在选择变频器时因注意以下几点注意事项：(l)选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10而温升会增加20左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。 (2)变频器若要长电缆运行时，此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。 (3)对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。 (4)使用变频器控制高速电机时，由于高速电动机的电抗小，会产生较多的高次谐波。而这些高次谐波会使变频器的输出电流值增加。因此，选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。 (5)使用变频器驱