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1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电气控制与电气控制与PLCPLC技术技术 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 基于基于PLCPLC的流量控制系统设计的流量控制系统设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 自动化自动化112112 学学 号 号 110302032110302032 学生 学生 王毅王毅 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 2014 6 30 2014 7 11 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 自动 化 学 号110302032学生王毅专业班级自动化112 课程设计 论文 题目 基
2、于PLC的流量控制系统设计 课程设计 论文 任务 课题完成的功能 课题完成的功能 本课程设计要求以管道流量作为被控对象 采用西门子 S7 200 型 PLC 作为控制核心 实现流量大小的控制运行 设计任务及要求 设计任务及要求 1 认真查阅相关文献资料 清楚了解管道流量控制的工作过程 2 完成 PLC 控制系统硬件设计 容包括 DI AI DO AO 信号分配 PLC 硬件电气接线原理 图等 3 完成流量传感器 变送器 I V 变换 A D 转换及 D A 转换和电动阀门的信号控制 4 完成 PLC 控制系统软件设计 容包括主程序及相关子程序的程序流程图设计和梯形图 程序设计 5 撰写课程设计
3、说明书 论文 其中应包含设计方案选择与论证 总体功能框图 总 体电路原理图 软件流程图及部分程序等容 技术参数 技术参数 管道直径 0 5 米 要求给定流量 0 1m3 s 变送器 4 20mA I V 变换 0 5V 进度计划 1 布置任务 查阅资料 确定系统组成和功能分析 2 天 2 系统硬件电路设计 3 天 3 系统软件设计及实验研究 2 天 4 撰写 打印设计说明书 2 天 5 答辩 1天 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 摘 要 随着科技的飞速发展 自控系统的应用正在不断深入 同时代替
4、传统控制检 测技术日益更新 自动控制技术可谓无所不能 本文提出一种对液体流量进行实时精确控制的设计方案 该方案以 PLC 控 制为基础 由上位机 PL C 电动调节阀组成 它不仅适用于流量控制 在改变 动作设备后同样适用于对温度 液位 速度 高度等模拟量的控制 论文采用文字叙述与图表相结合的方式 逐步做出解释 从而得出具体结论 更清晰的展示了设计的全过程与每个细节之间的处理方式 关键词 PLC 自动控制 流量控制 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 2 2 1 概述 2 2 2 系统组成总体结构 2 2 2 1 控制方案比较和确定 2 2 2 2 流量控制系统的组成及原理
5、图 3 2 2 3 水流量系统控制流程 4 第 3 章 硬件设计 6 3 1 PLC S7 200 介绍 6 3 2 主机 CPU224 7 3 3 变频器的选择 9 3 4 水泵电机的选择 9 3 5 流量变送器的选择 10 第 4 章 软件设计 11 4 1 PLC 程序设计 11 4 2 系统流程图 11 4 3 程序 13 第 5 章 课程设计总结 17 参考文献 18 第 1 章 绪论 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它 采用可以编制程序的存储器 用来在其部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和
6、输出 控制各 种类型的机械或生产过程 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系 统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 目前 PLC 在国外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械制 造 汽车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 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
7、 组成各种控制系统变得非常容易 本文提出一种对液体流量进行实时精确控制的设计方案 该方案以 PLC 控 制为基础 由上位机 PL C 电动调节阀组成 它不仅适用于流量控制 在改变 动作设备后同样适用于对温度 液位 速度 高度等模拟量的控制 论文采用文 字叙述与图表相结合的方式 逐步做出解释 从而得出具体结论 更清晰的展示 了设计的全过程与每个细节之间的处理方式 第 2 章 课程设计的方案 2 1 概述 本设计采用 S7 200PLC 为核心对液体流量进行控制 随着自动控制技术 的迅速发展 PLC 对流量的控制技术应用越来越广泛 本文采用 PLC 对流量进行 控制 通过合理的设计 提高流量控制水
8、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 PLC 控制系统总体方案设计 设计过程 组成 列出流量的梯形图 并给出了系统组成框图 分析流量逻辑关系 提出 PLC 的编 程方法 能够给一些初学者点建议 能够对流量的基本原理 基本编程思路有大 致的了解 2 2 系统组成总体结构 2 2 1 控制方案比较和确定 流量控制系统主要有流量变送器 变频器 恒流控制单元 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 实现管道流量的恒 定 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
9、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
10、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 机来改变存贮器中的控制 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 稳定性及控制精度的要求 2 2 2 流量控制系统的组成及原理图 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
11、 2 1 所示 图 2 1 系统的控制流程图 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 l 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
12、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 设定的水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 水流量控制系统的结构框图如图 2 2 所示 图 2 2 水流量控制系统框图 水流量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水流量 检测管道出水流量 并将其转换为 4 20mA 的电信号 此检测信号是实现水流量 恒定的关键参
13、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 从而控制水泵电机的转速 进而控制管道中的水流量 实现水流量恒定 2 2 3 水流量系统控制流程 水流量系统控制流程如下 l 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
14、行状态 2 当管道水流量减小时 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 供水 量增大 最终水泵电机的转速达到另一个新的稳定值 反之 当管道水流量增加 时 通过流量闭环 减小水泵电机的转速到另一个新的稳定值 第 3 章 硬件设计 3 1 PLC S7 200 介绍 1 适用围 S7 200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能 使用围可覆盖从替 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 覆盖所有与自 动检测 自动化控制有关的工业及民用领域 包括各种机床 机械 电力设施 民用设施 环境保护设备等等 如 中央
15、空调 电梯控制 运动系统 S7 200 系列PLC 可提供4 个不同的基本型号的8 种CPU 供您使用 2 CPU单元设计 集成的24V 负载电源 可直接连接到传感器和变送器 执行器 CPU 221 222 具有180mA 输出 CPU 224 CPU 224XP CPU 226 分别输出280 400mA 可 用作负载电源 CPU 221 226 各有2 种类型CPU 具有不同的电源电压和控制电压 本机数字量输入 输出点 CPU 221 具有6 个输入点和4 个输出点 CPU 222 具有8 个输入点和6 个输出点 CPU 224 具有14 个输入点和10 个输出点 CPU 224XP 具有
16、14 个输入点和10 个输出点 CPU 226 具有24 个输入点和16 个输出点 本机模拟量输入 输出点 CPU 224XP 具有2 个输入点 1 个输出点 高速计数器 CPU 221 222 4 个高速计数器 可编程并具有复位输入 2 个独立的输入 端 可同时作加 减计数 可连接两个相位差为90 的A B 相增量编码器 CPU224 224XP 226 6 个高速计数器 具有CPU221 222 相同的功能 CPU 222 224 224XP 226 可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展 可使用仿真器 选件 对本机输入信号进行仿真 用于调试用户程序 3 各型号的优缺点 CPU 221 本机集成6 输入 4 输出共10 个数字量I O 点 无I O 扩展能力 6K 字节程序和数据存储空间 4 个独立的30kHz 高速计数器 2 路独立的20kHz 高速脉冲输出 1 个RS485 通讯 编程口 具有PPI 通讯协议 MPI 通讯协议和 自 由方式通讯能力 非常适合于小点数控制的微型控制器 CPU 222 本机集成8 输入 6 输出共14 个数字量I O 点 可连接2 个扩展 模 块
