PLC控制技术实训评分表
课程名称：PLC控制技术实训
设计题目：单容液位变频器PID单回路控制,比值控制系统班级：学号：姓名：
项目评分比例得分平时表现25%
综合实训报告45%
综合实训答辩30%
综合实训总成绩
指导老师：
年月日
常熟理工学院电气与自动化工程学院《PLC控制技术实训》报告
题目：单容液位变频器PID单回路控制
比值控制系统设计
姓名：李良、何龙太
莫勇、高虎
学号：160112109、160112106
160112113、160112104 班级：自动化121
指导教师：刘叔军
起止日期：2015.6.29~7.12
摘要
本课题针对液位控制系统系统作初步设计和基本研究，该系统能对水箱液位信号进行采集，以PLC为下位机，以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，实现PID对水箱液位的控制。
针对比值控制系统进行模拟复杂控制系统设计、分析和测试研究，该系统通过涡轮流量计、电磁流量计进行信号采集，以工控组态软件组态王上位机监控P 画面并对PID参数调节，实现对比值系统的控制。
关键词：PLC PID控制液位控制比值控制组态王流量
目录
1、引言............................. 错误！未定义书签。
1.1主要内容.................................. 错误！未定义书签。
1.2任务要求.................................. 错误！未定义书签。
2、设计方案......................... 错误！未定义书签。
2.1设计原理.................................. 错误！未定义书签。
2.2设计方案论证.............................. 错误！未定义书签。
2.3系统原理图................................ 错误！未定义书签。
2.4系统结构图................................ 错误！未定义书签。
2.5系统工艺流程图 (4)
3、硬件设计 (4)
3.1流量计（涡轮流量计、电磁流量计） (3)
3.2 电动调节阀 (5)
3.3 变频器面板 (6)
3.4百特自整定PID调节器 (6)
3.5 EM235拓展模块 (7)
3.6 硬件接线图 (8)
3.7 I/O口分配表 (10)
4、软件设计......................... 错误！未定义书签。
4.1 程序流程图................................ 错误！未定义书签。
4.2程序分析.................................. 错误！未定义书签。
5、系统建模与MATALAB仿真调试 ....... 错误！未定义书签。
5.1副流量回路建模与仿真...................... 错误！未定义书签。
5.2主流量回路建模和仿真...................... 错误！未定义书签。
6、遇到的困难及心得体会 (17)
6.1遇到的困难 (17)
6.1心得体会 (18)
7、参考文献 (19)
单容液位单回路控制、比值控制系统设计
1、引言
1.1主要内容
本课程设计是针对学习完PLC课程后的一个应用性实践环节。通过本课程设计的训练，对PLC在工程中的实际应用有完整地了解，同时培养综合应用基础课、专业课所学知识与工程实际知识的能力。通过对PLC软件设计与过程控制系统的分析与设计，获得面向工业生产过程系统分析与设计的实践知识，初步掌握过程控制系统开发和应用的技能。
基于单容液位单回路控制、比值控制系统设计，结合实验室已有设备，通过组态王软件实现上位机对下位机的控制。按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用双闭环控制结构和PID控制规律，通过流量传感器将检测到的流量与设定比值送入计算机，计算机运用PID算法得到相应的控制信号，并将其输出给执行器，然后执行器输出不同的电流信号控制变频器工作，以达到调节流量的控制目的。
流量比值控制系统在实际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。本设计针对生产中两种液体的流量的控制，对其设计了单闭环流量比值控制系统，将通道2流量作为主流量，通道1流量为副流量进行设计，设计中用到了多个硬件设备，并基于计算机实现过程的自动控制。
1.2任务要求
本课题针对液位控制系统系统作初步设计和基本研究，该系统能对水箱液位信号进行采集，以PLC为下位机，以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，实现PID对水箱液位的控制。
针对比值控制系统进行模拟复杂控制系统设计、分析和测试研究，该系统通过涡轮流量计、电磁流量计进行信号采集，以工控组态软件组态王上位机监控P 画面并对PID参数调节，实现对比值系统的控制。
（1）了解流量比值控制系统的物理结构，闭环调节系统的数学结果和PID 控制算法。
（2）明确各路检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理，连接方法，信号种类，引入PLC的接线以及PLC中的编址。
（3）明确从PLC到各执行机构的输出通道，包括各执行机构的种类和工作原理，PLC输出信号的种类和地址。
（4）绘制出比值流量控制系统的电路原理图，编制I/O地址分配表。
（5）编制PLC的程序结合过程控制实验室的现有设备进行调试，要求达到PID闭环控制，并对实际的控制过程用matalab仿真。
2、设计方案
2.1设计原理
比值控制有开环比值控制、单闭环比值控制、双闭环比值控制、串级比值控制系统和变比值控制系统。开环比值控制是最简单的控制方案。单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现两种物料流量间的定比值控制在系统运行过程中其比值系数是不变的。串级比值控制系统实现两种物料的比值随第三个参数的需求而变化。变比值控制系统最终目的是生产过程的结果，物料按比值输出不是关键。根据设计要求，本系统采用单闭环比值控制或双闭环比值控制，本系统采取双环控制方案。
2.2设计方案论证
本系统采用双闭环系统控制，由于副流量回路可以采用流量控制电动调节阀的开度或采用水箱液位对电动调节阀的开度进行控制。通过我们的实际操作证明了实验室的设备无法实现流量控制电动调节阀的开度，因为电动调节阀太滞后于流量检测以至于PID闭环无法控制电动调节阀的开度。最后副回路采用液位控制电动调节阀的开度。
由于PLC连接的EM235外部拓展模块只有1路模拟量输出口，我们最终使用了设备上的PID智能调节仪，通过实验得到了一组较好的PID参数，并将其输入到调节仪中，使用智能仪表与副流量回路形成闭环系统。
对于主流量回路的流量，通过副流量的实际检测值比上设定的比值，这就是主回路输入的给定值，通过PID调节输出的电流值给变频器，变频器控制水泵工作，从而控制了水流量的输出值。
结合主流量回路和副流量回路的双闭环系统，使系统更加的稳定，精确地输出，达到实现自动化控制的比值系统。
2.3系统原理图
图1 比值控制系统原理图
2.4系统结构图
图2系统方框图
通过副流量回路给定液位值来控制电动调节阀的开度，从而控制副回路的管道流量。副流量回路管道的流量比上给定比值，作为主流量回路的输入给定值，通过主流量、副流量回路两个闭环回路，这样就可以形成一个具有自动调节功能的系统。
2.5系统工艺流程图
图6 工艺流程图
3、硬件设计
3.1流量计（涡轮流量计、电磁流量计）
1）、涡轮流量计：
输出信号：频率，测量范围：0~0.6m3/h
接线如图所示：
图7 涡轮流量计
接线说明：传感器的供电电源由24VDC开关电源提供，负载为流量积算变送仪。
注：使用涡轮流量计时，必须将24VDC开关电源打开。
2)、电磁流量计：
输出信号：4~20mA，测量范围：0~0.4 m3/h
图8 电磁流量计
接线说明：转换器为交流220V供电，X、Y和A、B、C为传感器和转换器之间的连线，输出信号线直接接控制台上的电磁流量计信号输出端。
3.2 电动调节阀
QSVP20-15N智能电动单座调节阀
主要技术参数：
执行机构型式：智能型直行程执行机构
输入信号：0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC
输入阻抗：250Ω/500Ω
输出信号：4~20mADC
输出最大负载：<500Ω
信号断电时的阀位：可任意设置为保持/全开/全关/0~100%间的任意值。
电源：220V±10%/50Hz 。
调节阀特性：单座阀，螺纹连接，线性流量。
图9 电动调节阀
3.3 变频器面板
本系统采用西门子变频器MicroMaster420。西门子变频器MicroMaster420是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。它友好的用户界面，让你的安装、操作和控制象玩游戏一样灵活方便。全新的IGBT技术、强大的通讯能力、精确的控制性能、和高可靠性都让控制变成一种乐趣。
变频器主要特征：
1、200V-240V ±10%，单相/三相，交流，0.12kW-5.5kW；
2、380V-480V±10%，三相，交流，0.37kW-11kW；
3、模块化结构设计，具有最多的灵活性；
4、标准参数访问结构，操作方便。
主要控制功能：
1、线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制；
2、磁通电流控制（FCC），可以改善动态响应特性；
3、最新的IGBT技术，数字微处理器控制；
4、数字量输入3个，模拟量输入1个，模拟量输出1个，继电器输出1个；
5、集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP通讯模块/Device-Net模板；
6、具有7个固定频率，4个跳转频率，可编程。
现场系统上的西门子变频器一般包括三个部分：变频器主体，BOP面板，DP 接口。
图10 西门子BOP面板
西门子BOP面板包括一个液晶显示屏，8个按钮。其中左上角是运行启动，左下角是停止。
西门子变频器可以BOP面板操作，可以4-20mA控制，也可以使用PROFIBUS-DP总线控制。不需要增加任何硬件就可以进行这些模式的操作。
3.4百特自整定PID调节器
现场装置上的智能调节器适用于温度、压力、液位、流量等各种工业过程参数测量，显示和精确控制。
该装置具有万能信号输入、多种给定方式可选、多种控制输出方式可选择等多种特点。
系统设计中利用实验得出的PID参数对电动调节阀实现闭环控制，使得实际输出的水位值稳定在设定值。
图11 百特自整定PID调节器
3.5 EM235拓展模块
EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。
图12 EM235拓展模块接线图
图11演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X＋和X－；对于电流信号，将RX和X＋短接后接入电流输入信号的“＋”端；未连接传感器的通道要将X＋和X－短接。
EM235的常用技术参数：
模拟量输入特性
模拟量输入点数 4
输入范围电压（单极性）0～10V 0～5V 0～1V 0～500mV 0～100mV 0～50mV
电压（双极性）±10V ±5V ±2.5V ±
1V ±500mV ±250mV ±100mV ±
50mV ±25mV
电流0～20mA
数据字格式双极性全量程范围-32000～+32000
单极性全量程范围0～32000
分辨率12位A/D转换器
模拟量输出特性
模拟量输出点数 1
信号范围电压输出±10V
电流输出0～20mA
数据字格式电压-32000～+32000
电流0～32000
分辨率电流电压12位
电流11位
3.6 硬件接线图
图13 系统硬件接线图
图14 涡轮流量计接线图
图15 电动调节阀与智能仪表接线图
3.7 I/O分配表
信号名称地址名称I/O口分配说明通道1流量（主流量）传感器输入AIW0AI0 16位通道2流量（副流量）传感器输入AIW2AI1 16位下水箱液位输入仪表上的AI0 16位
阀门开度控制输出仪表上的AO0 16位
变频器信号输入AQW0AO0 16位
4、软件设计
4.1 程序流程图
图16 程序流程图
4.2程序分析
1）PID参数初始化
图17 PID参数初始化
该程序主要是初始化PID0参数，设置参数P=10、I=3、D=0，并设置采样时间0.1秒，同时还将PID调节器设置成自动状态。
2）使能中断函数
图18 使能中断函数
该程序使能定时中断0，并设置终端周期为Time_0_Intrvl=100毫秒。
3）比值控制系统函数的构建
图19 比值控制系统函数构建图
程序中主要是先对模拟量采集通道0进行判断，有采集信号则对主、副流量使用除法指令，并乘上相应的系数就得到了PID0调节器的测量值，通过判断当前是自动调节还是手动调节，输出相应PID0调节器输出值。若无采集信号，则直接给定相应的PID0调节器测量值，通过判断当前是手动调节还是自动调节，输出相应的PID0调节器输出值。
4）数模转换（将读入的数据6400-32000转换成0-1的模拟量）
图20 数据数模转换图
首先若输入的数据大于32000，则默认其为32000；若小于6400，则默认其为6400；
6400-32000之间相差25600，将数据减去6400之后，在除以25600，即可得到相关模拟量。
5）模数转换(把0-1转换成6400-32000的数字量)
图21 数据模数转换图
首先若模拟量数值大于1，则默认其为1；若模拟量数值小于0，则默认其为0；
将模拟量数值乘以25600，在加上6400，即可得到6400-32000之间的数字量。
6）中断处理
图22 数据采集与数据输出图
图23 PID 调节函数图
1.读入采集口AIW0数据到AIN0，AIW1数据到AIN1；
2.若PID0调节器的状态为自动，则进行PID 调节，VB100为起始地址，0为回路号。
5、系统建模与MATALAB 仿真调试
5.1副流量回路建模与仿真
图23 副流量回路系统图
红色曲线即为水箱液位的变化曲线，黄色曲线为设定值。以两条曲线为根据建立一阶惯性环节系统。即闭环传递函数为：1
)(+=
ΦTS K
S 由图3知K=1，稳态值的63.2%处在该曲线的位置即为时间T 。设定水位为13cm 的条件下，然后让系统处于自动调节的状态下，得到上图的曲线，通过响应曲线法近似求得其传递函数为：
）（s G =
1
4.11
+s
同时记录下此时的PI 参数为：P=6，I=4，得到其PID 传递函数为：
s
K K s G i
p +
=）（ 因为液位传感器的电信号为4-20mA ，其高度变化范围为0-100cm ，故其比例系数为25
4； 根据以上分析结果：利用Simulink ，搭建相关模块得：