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1、 毕业设计（论文） 题 目 基于 PLC 的多串级过程监控系统设计与实现 学生姓名 赵 强 学院 电气与自动化工程学院 专业 自动化(物联网控制) 班 级 112072B 学 号 12012072048 指导教师 焦 玉 成 摘 要 课题设计的控制对象是双水箱循环系统， 系统由三菱 PLC、 传感器、 变频器、人机界面等组成。控制系统根据过程中的设定值，通过采用三菱 02H PLC 主核心，A/D 模块连接传感器和控制系统的信息传递，设备运行时,PLC 的 AD 模块不断采集传感器的信号，经运算处理后,获得最佳控制参数,达到对控制对象的液位、温度、压力和流量进行实时监控和调节。系统采用 PID
2、 原理，可以进行自我调节， 达到设定值并保持稳定状态。 在上述工作的基础上， 还应用了组态软件 “组态王”设计了计算机自动监控程序，实现了本系统的自动监控。 关键字：水箱系统；PLC；PID 调节；组态王 ABSTRACT The control object of the subject is the double circulation system of the water tank, the device consists of Mitsubishi PLC, inverter, sensors, the water pump, the heating rod etc. Control
3、 system according to the process of the set value, by using 02H PLC Mitsubishi main core, information the A/D module is connected with the sensor and the control system transfer, when the system is running, the sensor will continue to the analog signal is converted into electric signal to the PLC, t
4、he PLC operation processing, get the best control parameters, achieve control of object level, temperature the pressure and flow rate, real-time monitoring and regulation. The system adopts PID principle, can be self regulating, reaches the set value and stable state. On the basis of the above work,
5、 also the application of the configuration software “King view“ design of the automatic monitoring program of computer, realizes the automatic control of the system. Key words: water tank system；PLC；PID；King view 目 录 第一章 绪论 1 1.1 课题研究背景及意义 1 1.2 课题研究对象 1 1.3 论文内容及结构 2 第二章 设计思路概要和说明 3 2.1 设计方案 3 2.2
6、系统设计思路 3 第三章 控制系统运行 5 3.1 控制方式 5 3.1.1 开环控制 5 3.1.2 反馈 5 3.1.3 闭环控制 5 3.1.4 PID 控制 5 （1）比例调节（P 调节） 6 （2）积分调节（I 调节） 7 （3）微分调节（D 调节） . 7 3.2 系统控制方式分析 8 3.2.1 温度控制 8 3.2.2 流量控制 8 3.2.3 液位控制 8 第四章 系统的硬件设计 9 4.1 控制系统模块 9 4.1.1、CPU 模块（Q02H） 9 4.1.2、AD 模块（Q64AD） . 10 4.1.3、通信模块（QJ71C24） . 10 4.1.4、输入输出模块（Q
7、X40、QY40P） 11 4.1.5、固态继电器（SSR） 11 4.1.6、变频器（FR-D720S-0.4K-CHT） 11 4.2 控制信号采集及动力设备. 11 4.2.1、温度变送器 11 4.2.2、压力变送器 . 12 4.2.3、流量变送器 . 12 4.2.4、液位变送器 . 13 4.2.5、微型水泵 . 14 4.3 人机界面. 14 第五章 系统的软件设计 15 5.1 系统流程图. 15 5.2 系统的 I/O 分配(GX Works2 编程环境) 16 5.3 系统控制程序的设计和参数设置. 16 5.3.1 信号采集程序 16 5.3.2、PLC 和变频器通信程
8、序设计 . 18 5.3.3 PID 控制程序 19 5.4 变频器参数设置. 20 5.5 人机界面的设计. 21 5.5.1、人机界面设计软件 21 5.5.2、界面设计 . 21 5.6、组态软件的应用 22 第六章 系统安装、调试和结果分析 24 6.1 系统硬件接线. 24 6.2 系统功能调试和分析 . 24 第七章 结论与展望 27 7.1 结论. 27 7.2 展望. 27 致 谢. 28 附录 A . 30 附录 B . 32 程序： 32 三江学院 2012 届本科生毕业设计（论文） 1第一章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 在工业生产的不断发展中，人们对工业控制的要求越
9、来越高，也逐渐认识到自动化控制的重要性，任何先进的控制理论和算法的出现、实现和发展都对工业生产自动化水平的提高具有非常重要的作用。现代工业中的控制问题也日渐繁杂，在过程控制的工业生产中,每一个量都是必须得到良好的控制，这样，协调地对整个过程进行控制才能达到工业所需的要求。 在人们的生产生活过程中，液位、温度、流量和压力等控制的问题常常被提到。例如在某些污水处理厂的自动排水处理场等，需要保持液位的平衡；在某些锅炉工业需要运用反馈控制理论对温度进行控制，来满足工业生产的需求，提高生产力。此外恒压供水控制系统也是较为常用的供水方式，是供水效率较高的供水方式。 基于此，这次选用双水箱循环系统，对温度、
10、压力、液位和流量来进行实时监控，希望可以达到“以小见大”的效果，在工业中也就可以使用此类似的方式控制了。 1.2 课题研究对象 根据课题要求，选择对温度、压力、液位和流量进行串级控制，主要实现整个系统的“恒定量”控制，对此，我建立了一个典型的双水箱循环系统。 在此系统中，被控量比较直观，按照模糊控制的机理，首先熟悉控制对象，了解被控量之间的特性与共性，确定与影响被控量的原因，然后再选择合适的控制方案，对被控量进行有效控制。 经过仔细观察和分析， 整个控制系统的目的就是选择变频器和加热棒的控制方式、实现对整个系统过程量的实时检测，然后计算采集到的偏差值，从而实现整个系统的串级控制，获得最终结果。
11、 三江学院 2012 届本科生毕业设计（论文） 2图 1.2 控制对象模型图 1.3 论文内容及结构 本报告主要是对双水箱系统的控制设计过程，涉及到控制系统的建模、四个量的动态控制、PID 算法、传感器和调节阀等一系列设计。首先是讲述了本系统主要设计方案，以及过程控制的背景和意义，并对过程中四个量的控制效果进行了统计分析，然后进行系统模型的建模、硬件系统设计和各硬件模块的选型，阐述系统软件部分的设计应用。最后进行了系统的硬件安装软件调试，完善控制系统，并对此系统做出了相应的总结和展望。 第一章叙述了过程控制在我们生产生活中的案例以及它们的运行背景、意义，双水箱循环系统的研究对象，以及其控制的基
12、本原理等。 第二章概述了系统的模型， 系统的控制方案， 传感器信号的采集方案， PLC 控制系统的控制输出及变频器的通信控制设计。 第三章说明了整个过程控制系统的控制效果和要求， 对控制方式进行分析与选择，以及整个系统运行的意义。 第四章叙述了系统硬件的选择，介绍了各个模块的功能规格。包括 CPU 模块，C24 模块，QJ71E71 模块 A/D 模块，D/A 模块，人机界面，以及各个传感器的信号采集方式和原理等。 第五章绘制了整个系统的控制流程图，论述了系统的 I/O 分配，控制程序的设计和参数设置，A/D 和 D/A 的信号采集和输出程序，C24 模块通讯程序，过程量自动控制程序设计，HM
13、I 的设计,以及 E71 通讯下组态王的应用。 第六章绘制了系统的安装图， 接线图， 电气原理图， 以及叙述了流量、 压力、液位和温度调试的过程及调整参数和偏差的过程，系统的调试过程和调试步骤。 第七章总结了设计的控制效果，以及对系统的总结和展望。 三江学院 2012 届本科生毕业设计（论文） 3第二章 设计思路概要和说明 2.1 设计方案 图 2.1 控制框图 首先，确定系统的控制目标。本课题主要控制对象是双水箱系统。控制过程的稳定性、安全性和经济性是所设计出的系统的基本要求。确保水泵和加热棒使用得当；正确使用 PLC 和变频器等智能模块，还必须保证控制中枢的良好运行。 其次， 确定系统的输
14、入输出变量。 控制系统的输入是传感器采集到的模拟量，输出是对水泵和加热棒的控制，从而来改变被控变量，影响输出。最终达到控制要求和效果。 然后，确定系统的控制方法。根据控制量的变化，选用自动控制原理以及过程控制中经典的负反馈和 PID 控制算法，以此提高系统的稳定效果。 再者，进行控制程序的编写。选用合适的 PLC 以及相关模块，进行编程实现整个串级控制流程。 最后，进行系统安装接线，软件调试，通讯测试等检测。要求对每个量实现单个和多个联动测试，并与用户设定值进行比对，计算出误差，调整合适的参数和方法对系统进行修改，完善整个控制系统。 2.2 系统设计思路 在系统的采集模块中，分别用四个模拟量传
15、感器进行数据实时采集，把需要测量的温度、压力、液位和流量都转化成电流通过控制回路中 A/D 模块转化成三江学院 2012 届本科生毕业设计（论文） 4数字量传给中枢系统，由 PLC 的 CPU 进行控制运算，最后将计算出的信号通过通信模块与变频器通信，进行变量的自整定，实现闭环控制的模式。 图 2.2 系统的通信框图 三江学院 2012 届本科生毕业设计（论文） 5第三章 控制系统运行 3.1 控制方式 3.1.1 开环控制 开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作， 没有反向联系的控 制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对 系统的控制作用发生影响，没
16、有自动修正或补偿的能力。开环控制系统的优点是 结构简单，比较经济。缺点是无法消除干扰所带来的误差。 3.1.2 反馈 控制论中的反馈概念，指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输 入，进而影响系统功能的过程，即将输出量通过恰当的检测装置返回到输入端并 与输入量进行比较的过程。反馈可分为负反馈和正反馈。反馈信号的极性与系统 输入信号的极性相同， 从而起着增强系统净输入信号的作用， 称之为正反馈方式。 反之，反馈信号与输入信号极性相反或变化方向相反（反相） ，则叠加的结果将 使净输入信号减弱， 这种反馈叫负反馈放大电路和自动控制系统通常采用负反馈 技术以稳定系统的工作状态。 3.1.3 闭环控制 所谓闭环控制就是存在反馈环节的控制。
