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1、东北高校秦皇岛分校掌握工程学院过程掌握系统课程设计设计题目：智能化流量掌握系统设计学生：专业：班级学号：指导老师：设计时间：名目一.设计任务3二前言3四系统硬件设计54.1设施的选型54.1.1掌握器的选型54.1.2变频器的选型64.1.3流量传感器变送器的选型64.2硬件电路7五软件设计85.1掌握规律的选择85.2MATLAB仿真85.2.1传递函数的确定85.2.2采纳数字PID掌握的系统框图9基于临界比例度法的PID参数整定95.3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设计任务1、系统构成：系统主要由流量传感器，PLC掌握系统、对象、执行器（查
2、找资料自己选择）等组成。传感器、对象、掌握器、执行器可查找资料自行选择，掌握器选择PLC为掌握器。PLC类型自选。2、写出流量测量与掌握过程，绘制流量掌握系统组成框图。3、系统硬件电路设计自选。4、编制流量测量掌握程序：软件采纳模块化程序结构设计，由流量采集程序、流量校准程序、流量掌握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掌握过程，其目的是采用PLC来实现过程自动掌握。目前，PLC使用范围可掩盖从替代继电器的简洁掌握到更简单的自动化控制，应用领域极为广泛，涉及到全部与自动检测、自动化掌握有关的工业及民用领域oPLC通过模拟量I/O模块和A/D、D/A模块实现模拟量与数字
3、量之间的转换，并对模拟量进行闭环掌握。三系统掌握方案设计泵流量為向F山电机变频器-流量传感器、二图3.1掌握系统工艺流程图如图3.1所示为智能化流量掌握系统的工艺流程图，要求实现对管道中水流量的掌握该系统只有一个过程参数即管道的水流量，故可采纳单回路掌握系统实现掌握要求。该掌握系统中，被控量为水的流量，掌握量为水泵电机的转速，掌握器选用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。依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，该掌握系统分为：掌握机构；信号检测变送机构；执行机构(1) 掌握机构：本系统的掌握机构包括掌握器(PLC)和变频器两个部分。掌握
4、器是整个流量掌握系统的核心。将来自流量传感变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行肯定规律(PID掌握规律)的运算，并输出统一标准信号，去掌握执行机构的动作，以实现对过程量的自动掌握。变频器可以通过RS-485通信合同和接口直接与西门子PLC相连，便于设施之间的通信，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵电机)进行掌握；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掌握的单元，其跟踪掌握器送来的控制信号转变水泵电机的转速掌握(2) 信号检测变送机构：在系统掌握过程中传感变送器选用电磁流
5、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掌握系统的主要反馈信号。该信号是模拟信号，在模拟仪表中，标准信号通常采纳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。它具有结构简洁，体积小，重量轻，安装、运行成本低，维护便利，节能效果好，噪音低的有点。它用于将水供入管道，通过变频器转变电机的转速，以达到掌握管道水流量的目的。智能化流量掌握系统以供水出口管道水流量
6、为掌握目标，在掌握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。四系统硬件设计4.1设施的选型设计硬件选型的部分有：掌握器、变频器、水泵、流量传感变送器。掌握器的选型PLC掌握器具有抗干扰力量强，扩展模块组合便利、编程简洁等优点，故该掌握系统采纳PLC作为掌握器。由于水流量自动掌握系统掌握设施相对较少，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掌握系统。S7-200系列PLC可供应4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用依据掌握系统实际所需端子数目
7、，并考虑PLC端子数目要有肯定的预留量，因此，CPU选用西门子CPU224，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EM235,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SiemensMicroMaster440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沟通电动机调速，由微处
8、理器掌握，采纳绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行牢靠性和很强的功能MicroMaster440变频器的输入信号为380V沟通电压，输出功率为0.7590KW，适用于大功率高要求超所。该变频器的优点：其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。该变频器可以通过RS-485通信合同和接口直接与西门子PLC相连，更便于设施之间的通信。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420mA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，我们采纳420mA输出流量转换器。
9、依据上述分析，本课设中选用电磁流量传感器SHLDZ、电磁流量转换器SHLDZ1实现流量的检测、显示和变送。流量表测量范围00.6m3/h,精度1.0。转换器输出420mA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调整的反馈电信号。4.1.4 执行器的选型水泵电机的选型基本原则：确保平稳运行；选用的电机必需与系统用水量的变化幅度相匹配，则电机常常处于高效区运行，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28
10、00r/min。依据本设计要求确定采纳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、轴上采纳不锈钢材质，叶轮、导叶采纳铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采纳低噪音电机，机械密封，前端配有泄压爱护装置，噪声更低（室外噪音60dB）、磨损小、寿命更长；下轴承采纳柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采纳低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更牢靠。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。4.2硬件电路CPI-234E.,E；15吧miiiJ.7丨1丨|匚|,.|
11、卜|豆11lxlll.lSKL.-I圮涤量仝进眸石一.两-掌握单元FL貯1ILi.；t1P鸣对曙【15l.lL112345h|7R|p-i6vo；.-imAnniviivi：gw.r五软件设计5.1掌握规律的选择PID掌握是掌握系统中技术成熟、应用最广泛的掌握方式。它具有理论成熟，算法简单，掌握效果好，易于为人们熟识和把握等优点。本掌握系统采纳离散PID掌握规律。位置型离散PID掌握规律表达式如下：zNY(z)=P+1T+DSz11+NTs丄z-1式中：Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。(1) 比例环节：快速调整有余差，P过大，系统稳定性会变差。(2) 积分环节：表明掌握
12、器的输出与偏差持续的时间有关。积分环节主要用于消退静差提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。(3) 微分环节：改善动态性能，超前调整，猜测功能。微分调整器不能单独作用。5.2MATLAB仿真5.2.1传递函数的确定用MATLAB中的Simulink仿真该掌握系统，整定PID参数。由于用Simulink仿真需管道传递函数近似分别为：在Matlab中采纳c2d函数将要知道各环节传递函数，经查资料，找到变频器，水泵电机，50.3-0.1(s-1)，。传感器传递函数为1。0.5s+10.4s+1s+0.1各环节
13、传递函数离散化，转化为差分方程。分别依次为：0.9063z-0.81870.06636z-0.7788，-0.1(z-1.1)(z-0.99)传感器的离散传递函数仍为1。当不加任何掌握器时，系统的单位阶跃响应曲线如下图3所示：图5.1无掌握器时阶跃响应曲线5.2.2采纳数字PID掌握的系统框图由于采纳PLC掌握，所以采纳离散PID掌握。框图如下图所示图5.2Simulink仿真框图（离散化PID）基于临界比例度法的PID参数整定临界比例度法整定离散PID参数的仿真数字PID的表达式为P十F耳丄十DZ_11+NTS玄一丄步骤概括：（1）采用开环连续传递函数的根轨迹图或劳斯定理求取系统等幅振荡时（
14、此时P=1/I=0，D=0）的临界比例度和临界振荡周期T；kK（2）依据临界比例度法整定参数的阅历算式表，求出PID掌握器理论上的最佳参数值；（3）假如按以上参数整定，系统的超调量、调整时间等性能指标还不符合要求，则要依据P、I、D参数大小对系统的影响，做适当转变，以提高PID掌握器的调整质量。表1临界比例度法整定参数的阅历算式表调整规律调整参数比例度戲积分时间Tt微分时间几P血80Pf2240.85Tk0PID1-7SxO.STk61257V详细仿真方法：先令1=0，D=0，采样周期取较小的值即Ts=0.001,调整P,使阶跃响应曲线等幅振荡,可知，当临界比例K=5.27时，响应曲线等幅振荡
15、，响应曲线如下图5.2所示：图5.2等幅振荡曲线求得振荡周期Tk=67.3取掌握精度为1.50，查表计算得二1.67x5二1.67十5.27二0.317KT=0.5T=0.5x67.3=33.65IKT二0.25T二0.25x33.65二8.42DI对应当仿真模块：P二3.155,I二1/T二0.030,D二T二8.42ID然后依据实际响应曲线调整参数（二次整定）为：P=3.0，I=0.025，D=0.01对应8=0.333,T=40,T=0.01ID对应单位阶跃响应曲线如下所示：图5.3二次整定单位阶跃响应曲线由图5.3估算得：响应超调量为15.3%,3%误差带调整时间4.7s,所以调整质量较好。5.3程序编写5.3.1PLC寄存器安排1standaiidvalueVD200过坯娈里标准值25fttinavalueVD204装入回路谡定佰3accumulatorVD208回路累加器4KcVD212回路增
