基于PLC的流量监控系统设计.docx
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基于PLC的流量监控系统设计.docx
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基于PLC的流量监控系统设计
基于PLC的流量监控系统设计
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毕业设计论文
基于PLC的流量监控系统设计
xxxx大学
xxx。
xx
xxx
1选题背景
2方案论证
3开发设计过程
4结果分析
5总结
参考文献
致谢
附录A:
MAIN主程序:
附录B:
CPU技术规范
附录C:
EM235模拟量输入,输出和组合模块的技术规范
基于PLC的流量监控系统设计
1选题背景
本毕业设计课题来自实验室建设.目的是利用PLC来实现过程控制。
目前,PLC使用范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。
PLC通过模拟量I/O模块,实现模拟量与数字量之间的A/D、D/A转换,并对模拟量进行闭环PID控制.用MCGS组态软件组态配置工业控制监控系统,对数据进行实时监控。
2方案论证
本毕业设计原理是利用扩展模块EM235(AI4/AQ1*12位)进行数据采集,然后把采集到的数据利用程序进行工程量转换,给定量与输入量相减得出偏换,送到执行器,从而构成的是单闭环控制。
采用增量式PID,具有以下优点:
(1)增量算法控制误动作影响小。
(2)增量算法控制易于实现手动/自动无扰动切换。
(3)不产生积分失控,易获得较好的调节品质。
在实际应用中,在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中,则采用增量式PID算法。
MCGS即”监视与控制通用系统",英文全称为MonitorandControlGeneratedSystem.MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件,具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。
MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件,集流程控制、数据采集、设备控制与输出数据与曲线等诸多强大功能于一身,广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械等多种工程领域。
所以用MCGS作为本次毕业设计的开发软件是很有必要的.
3开发设计过程
3.1总体分析
学习了PLC的硬件系统、指令系统和编程方法以后,对设计一个较大的PLC系统时,要全面考虑许多因素,不管所设计的控制系统的大小,要按照下列设计步骤进行系统设计。
如图1:
图1PLC控制系统设计步
3。
2工艺过程
随着PLC功能的不断提高和完善,PLC几乎可以完成工业控制领域的所有任务,但PLC还有它最适合的应用场合:
工业环境较差,而对安全性、可靠性要求较高,系统工艺复杂,输入/输出以开关量为主的工业自控系统或装置,它对模拟量的处理能力也很强。
所以在很多情况下,也可取代工业控制计算机作为主控制器,来完成复杂的工业自动控制任务.
控制对象及控制装置选定后,还要进一步确定PLC的控制范围。
一般来说,能够反映生产过程的运行情况,能够用传感器进行直接测量的参数,控制逻辑复杂的部分都由PLC完成。
另外,对主要控制对象还要加上手动控制功能。
针对此次的控制任务,是利用PLC对液体流量(模拟量)进行控制.要求把管道中水流控制在一定的速度,要求用增量式PID控制算法进行控制。
如图2所示:
图2过程流程图
3.3系统控制要求
1、要求用PLC编写程序,采用单闭环控制,来控制电动调节阀开度,以达到控制管道内液体流量的目的。
2、用PLC编写程序,采用单回路控制,以采集的流量为反馈信号,与给定值进行比较,以达到控制液体流量的目的。
3、用MCGS组态软件对设计系统进行组态,对现场数据进行实时监控。
3。
4系统的I/O点及地址分配
输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。
对软件设计来说,I/O地址分配以后才可进行编程;对控制柜及PLC的外围接线来说,只有I/O地址确定以后,才可以绘制电气接线图、装配图,分配地址时,要注意负载类型。
控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如下表所示:
符号
地址
备注
Kz
M0.0
控制方式
Ee
VD136
偏差
e_1
VD140
偏差前值
e_2
VD144
偏差前前值
Mnp
VD148
比例值
Mni
VD152
积分值
Mnd
VD156
微分值
dMn
VD160
PID增量
Mn_1
VD164
输出前值
Mn
VD168
输出值
Kc
VD172
比例系数
Ti
VD176
积分时间常数
Td
VD180
微分时间常数
Ts
VD184
采样周期
Pvn
VD200
测量值
Spn
VD208
给定值
max
VW220
测量值最大值
表1地址分配
3。
5PLC系统的选型
选择PLC一方面要注意容量,另一方面什么公司的。
从上面的分析可以知道,系统需要模拟量输入点一个,模拟量输出点一个。
可以选用西门子公司S7-200CPU222PLC(8入/6继电器输出)一台,特点:
体积小巧,全面功能,最适应于中小机器设备的控制,适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比,极高的可靠性,极丰富的指令集,易于掌握,便捷的操作,丰富的内置集成功能,强劲的通讯能力,丰富的扩展模块。
在加上一台扩展模块EM235(4AI/1AO)。
这样的配置最经济。
3.6需要考虑的其它问题
1、保护措施;
2、系统保直流电源的容量;
3、电源方面的抗干扰措施;
4、输出方面的护措施.
3。
7系统程序设计
3。
7。
1数字PID控制算法
在连续-时间控制系统中,PID控制器应用得非常广泛.其设计技术成熟,长期以来形成了典型的结构,参数整定方便,结构更改灵活,能满足一般的控制要求.数字PID控制比连续PID控制更为优越,因为计算机程序的灵活性,很容易克服连续PID控制中存在的问题,经修正而得到更完善的数字PID算法。
连续一时间PID控制系统如4所示.图4中,D(s)为控制器。
在PID控制系统中,D(s)完成PID控制规律,称为PID控制器。
PID控制器是一种线性控制器,用输出量y(t)和给定量r(t)之间的误差的时间函数。
e(t)=r(t)—y(t)的比例,积分,微分的线性组合,构成控制量u(t),称为比例(Proportional)积分(Integrating)微分(Differentiation)控制,简称PID控制。
实际应用中,可以根据受控对象的特性和控制的性能要求,灵活地采用不同的控制组合,构成
比例(P)控制器
比例十积分(PI)控制器
比例十积分十微分(PID)控制器
式中 KP——比例放大系数;TI——积分时间; TD——微分时间.
控制作用:
比例控制能迅速反应误差,从而减小稳态误差.但是,比例控制不能消除稳态误差。
比例放大系数的加大,会引起系统的不稳定.积分控制的作用是,只要系统有误差存在,积分控制器就不断地积累,输出控制量,以消除误差.因而,只要有足够的时间,积分控制将能完全消除误差,使系统误差为零,从而消除稳态误差.积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡。
微分控制可以减小超调量,克服振荡,使系统的稳定性提高,同时加快系统的动态响应速度,减小调整时间,从而改善系统的动态性能。
应用PID控制,必须适当地调整比例放大系数KP,积分时间TI和微分时间TD,使整个控制系统得到良好的性能
数字PID控制算法:
在电子数字计算机直接数字控制系统中,PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。
计算机直接数字控制系统大多数是采样—数据控制系统.进入计算机的连续—时间信号,必须经过采样和整量化后,变成数字量,方能进入计算机的存贮器和寄存器,而在数字计算机中的计算和处理,不论是积分还是微分,只能用数值计算去逼近。
在数字计算机中,PID控制规律的实现,也必须用数值逼近的方法。
当采样周期相当短时,用求和代替积分,用差商代替微商,使PID算法离散化,将描述连续-时间PID算法的微分方程,变为描述离散—时间PID算法的差分方程.
增量式PID控制算法:
当执行机构需要的不是控制量的绝对值,而是控制量的增量(例如去驱动步进电动机)时,需要用PID的“增量算法”。
由位置算法求出
再求出
两式相减,得出控制量的增量算法
上式称为增量式PID算法。
对增量式PID算法归并后,得
其中
上式已看不出是PID的表达式了,也看不出P、I、D作用的直接关系,只表示了各次误差量对控制作用的影响。
从式中看出,数字增量式PID算法,只要贮存最近的三个误差采样值e(k)、e(k—1)、e(k—2)就足够了.
增量式PID控制的优点与不足:
优点:
1、增量算法控制误动作影响小.
2、增量算法控制易于实现手动/自动无扰动切换。
3、不产生积分失控,易获得较好的调节品质.
缺点:
1、积分截断效应大,有静态误差.
2、溢出影响大
在实际应用中,在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中,则采用增量式算法.
图6表示了增量式PID控制算法的流程图。
图6增量式PID控制算法流程图
3.7.2回路输入/输出量的工程量转换
一个回路具有两个输入量,即给定值和过程变量。
给定值通常为一固定值.过程变量受回路输出的影响并反映了控制的效果。
给定值和过程变量都是实际的工程量,其幅度、范围和测量单位都会不同。
在实施PID算法之前,必须将这些值转换为归一化纯量、浮点数的格式,即:
将实数格式的工程实际值转换为[0.0,1]间的无量刚相对值(称为归一化格式)。
用下式来将给定值或过程变量归一化:
Rnorm=(Rraw/Span+E)
式中:
Rnom为工程实际值的归一化值;Rraw为工程实际值的实数形式,未归一化处理;E对于单极性值,取0;对于双极性值,取0.5;Span为最大允许值减去最小允许值,通常取:
32000(对于单极性),64000(对于双极性)。
将回路控制输出转换为按工程量标定的整数值.
回路控制的输出,相对于被控对象来说,为一个控制量。
注意:
回路控制输出为在[0.0,1。
0]范围内的归一化实数格式,它必须先转换为16位按工程量标定的值后方可用于驱动实际装置。
这一转换实际上为归一过程的逆过程.第一步是用下式将回路输出转换为按工程量标定的实数格式:
Rscal=(Mn—E)*Span
式中:
Rscal为已按工程量标定的实数格式的回路输出;Mn为归一化格式的回路输出;E对于单极性模拟量,取为0。
0;对双极性模拟量,取为0.5;Span为最大允许值减去最小允许值,通常取:
32000(单极性),64000(双极性)
3.7。
3程序流程图
本程序分为三部分:
主程序、子程序、中断程序。
逻辑运算放在主程序。
系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成,这样节省扫描时间。
利用定时器中断实现PID控制的定时采样及输出部分.
主程序图7:
图7主程序流程图
中断子程序图8:
图8中断子程序流程图
单闭环子程序pid:
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