基于S7-200PLC纸浆浓度控制系统设计 毕业论文.doc

i 基于 s7-200plc 纸浆浓度控制系统设计 摘 要 在造纸生产过程中，纸浆浓度是最重要的物理量之一，稳定地调节纸浆浓度是实现 工艺目标，达到质量标准的重要环节，更有利于企业在节省生产成本的基础上提高经 济效益。为此本人设计了一基于 s7-200plc 的纸浆浓度控制系统，该系统自动检测纸 浆浓度，并与设定值进行比较产生偏差，经过一定的控制算法输出控制进水电动阀门 开度，从而调节进入浆泵的稀释水量，使输浆管内的浆料浓度发生变化，最终得到浓 度稳定的浆料。 本设计方案是使用内旋式纸浆浓度变送器测量实际纸浆浓度，将浓度信号转换成 4- 20ma 标准信号，然后通过 a/d 转换后反馈到控制器，与给定值进行比较，得到偏差。 对得到的偏差按 pid 算法进行计算，以此调节白水入口电动阀的开度，从而实现对纸 浆浓度的调节。并利用组态软件 mcgs 设计人机界面，实现控制系统的实时监控。在 本设计中使用的是 simens s7-200 cn，cpu 型号为 224xp cn，由于 224xp cn 自带两 个模拟量输入和一个模拟量输出接口，故无需额外使用模拟量扩展模块。 目前，plc 在国内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。使用情况大致可归纳为如下几 类：1、开关量的逻辑控制 2、模拟量控制 3、运动控制 4、过程控制 5、数据处理 6、通信及联网。其主要优点有：1.可靠性高，抗干扰能力强 2.配套齐全，功能完善， 适用性强 3.易学易用，深受工程技术人员欢迎4. 系统的设计、建造工作量小，维护方 便，容易改造 5.体积小，重量轻，能耗低。 关键词：plc 纸浆浓度 pid 算法 ii the design of pulp consistency control system based on the s7-200 plc abstract in the process of paper production,the pulp consistency is one of the most important physical qualities, to ajust the pulp consistency stably plays an important role in achieving the process goals and meeting the quality standard.and it can help the enterprise to improve the economy efficiency by saving production cost.therefore i designed a pulp consistency control system based on s7-200 plc，the system automatically detects the pulp consistency，biase and compare with set point, and after a certain control algorithm，the output signal can control the opening of the electric valve over the water inlet,which regulates water diluted into slurry pump, and the pulp consistency in the slurry pipe changes, finally we get a stable pulp consistency. this design uses the screw type pulp consistency transducer to measure actual pulpconsistency,the consistency signal is converted into standard 4-20 ma signal,and then ad conversion convert the analog signal into digital signal and feedback to the controller，and after comparing with the giver value,we get the deviation.calculate the deviation by pid algorithm，then use the result to adjust the opening of the electric valve of the water inlet,so as to realize the adjustment of the pulp consistency. also.we use the configuration software mcgs to design man-machine interface ,so as to realize the real-time monitoring of the control system.in this design we chose the simens s7-200,224 xp cn as the controller,and because the 224 xp cn has two analog input and one analog output interface,it can meet the requiment,so we dont have to use analog extended module. at present,at home and abroad the plc has been widely used in steel,petroleum,chemical industry,electric power,building materials,machinery manufacturing,automobile,light textile,transportation,environment protection and cultural entertainment,and other industries.the usege can be roughly summarized as the following categories:1,the switch quantity logic control 2,analog control 3,motion control 4,process control 5.data processing 6,networking.its main advantages are :1.the high reliability,strong anti-jamming capability.2,comlete,fully functional,high applicability,easy to learn and easy to use,welcomed by engineering and technical personner.4,small amount of work of system design and construction,maintenance is convenient,easy to transform. 5,small size,light weight,low energy consuption. key words: plc pulp consistency pid algorithm iii 目 录 引 言.1 第 1 章 绪论.2 1.1 论文研究背景.2 1.1.1 研究背景.2 1.1.2 纸浆浓度变送器的发展趋势.2 1.1.3 plc 的发展趋势2 1.1.4 控制算法的发展趋势.2 1.2 本文研究主要内容3 1.3 研究意义3 1.4 设计思路3 1.5 研究工作与成果3 第 2 章 总体技术方案.4 2.1 纸浆浓度工艺描述及系统结构图4 2.2 系统各组成模块及控制方框图4 2.3 方案的确定5 第 3 章 系统硬件设计.6 3.1 浓度变送器的原理6 3.1.1 力学法浓度测量原理.6 3.1.2 内旋式浓度变送器的原理.6 3.1.3 内旋式变送器的数学模型.7 3.2 执行器的原理8 3.2.1 电动执行器的基本原理.8 3.2.2 调节阀门的选择及阀门流量特性10 3.3 plc 及 simens 公司的 s7-200 简介12 3.3.1 plc 的产生及定义.12 3.3.2 plc 系统组成.13 3.3.3 s7-200 系列 plc 的硬件系统及内部资源.13 3.4 s7-200 cpu 224xp cn 的 i/o 口分配.14 第 4 章 系统软件设计15 4.1 控制算法描述.15 4.2 程序设计.17 4.2.1 程序流程图17 4.2.2 程序地址分配 .18 4.2.3 pid 指令回路表19 iv 4.2.4 程序梯形图 .19 第 5 章 系统建模及仿真20 5.1 系统建模的方法.20 5.2 对象特性的实验测定.20 5.2.1 时域响应的测定20 5.2.2 时域数据处理方法22 iv 5.3 纸浆浓度控制系统的数学模型.22 5.4 pid 参数的整定.23 第 6 章 mcgs 组态软件模拟25 6.1 mcgs 组态软件简介25 6.2 mcgs 软件组成部分25 6.3 组态软件的设计要求.25 6.4 mcgs 组态界面设计25 第 7 章 总结29 7.1 技术原理、方案先进性评价.29 7.2 研究工作进展评价.29 7.3 需要解决的遗留问题.29 7.4 研究存在的不足.29 结论与展望30 致谢31 参考文献32 附录 a 硬件电路图.33 附录 b 外文文献原文及翻译.33 附录 c 主要参考文献及其摘录.48 附录 d 程序梯形图.50 v 插图清单 图 2-1 纸浆浓度控制工艺流程图.4 图 2-2 系统控制方框图.4 图 3-1 纸浆粘度与浓度的关系.6 图 3-2 内旋式变送器的结构.7 图 3-3 内旋式变送器的转轴机构.7 图 3-4 等效惯量，阻尼系统和弹簧系统.8 图 3-5 内旋式变送器的结构图.8 图 3-6 电动执行器的原理图.9 图 3-7 伺服放大器的原理图.9 图 3-8 变送器原理图10 图 3-9 plc 的系统组成13 图 3-10 plc 的配置14 图 4-1 程序流程图18 图 5-1 由矩形脉冲响应确定的阶跃响应21 图 5-2 切线法22 图 5-3 simulink 中纸浆浓度控制系统的系统模型.23 图 5-4 阶跃响应曲线24 图 6-1 系统人机界面26 图 6-2 定义数据变量26 图 6-3 动画组态属性设置27 图 6-4 定义通道的类型与地址28 图 6-5 通道连接28 vi 表格清单 表 3-1 plc 的 i/o 分配14 表 4-1 pid 调节规律的模拟与离散形式16 表 4-2 内存地址分配.18 表 4-3 pid 指令回路表19 - 1 - 引 言 现今，中国已成为世界造纸产品的主要生产国和主要消费国，同时也是世界造纸 产品的主要进口国。在造纸行业中，纸浆浓度是一项重要的参数，对纸张的质量有着 很大的影响。因此，让纸浆浓度稳定的保持在一定数值上成为一项重要的工作。传统 的纸浆浓度控制是采用人工控制，但是采用人工测控的合格率只在 60%左右：采用仪表 检测同时配合人工测控的合格率也只在 80%左右，因定量问题引起的产品质量下降和消 耗增高所造成的损失是巨大的，因此需要一种能自动稳定浆料浓度的可靠装置来控制 生产。本文正是基于以上问题，设计了一种基于西门子 plc s7-200 的自动控制系统用 来控制和稳定纸浆的浓度。 在本设计中控制器采用的是西门子公司的 s7-200 系列产品。其具有可靠性高， 抗干扰能力强，功能完善，使用、维修方便等众多优点。变送器采用的是内旋式纸浆 浓度变送器，内旋式纸浆浓度变送器是一种闭环仪表，虽然结构较为复杂造价成本高， 但其测量精度、灵敏度、稳定性都很高，适合用于计量等需要高精度的场合。执行器 采用的是电动执行器来控制阀门的开度，以调节稀释白水的进水量，进而用以控制纸 浆浓度。此外，本设计中还采用了工控组态软件 mcgs 建立了人机界面用来对纸浆浓度 进行实时监控。 - 2 - 第 1 章 绪论 1.1 论文研究背景 1.1.1 研究背景 在造纸行业中,由于木材资源短缺，环境保护的压力和能源消耗等因素，生产效率 高，污染少，能源消耗低的制浆方法已经成为制浆造纸工业迫切需要解决的问题。而 在制浆造纸生产过程中，稳定地调节纸浆浓度是实现工艺目标，达到质量标准，减少 污染和能耗的一个重要因素。纸浆浓度是指在一定重量(或体积)纤维的悬浮液中，绝干 纤维的百分比含量。造纸生产工艺一般包括三个工序：备料、制浆和抄纸，其中在制 浆和抄纸过程中都需要用水稀释原浆。而在稀释原浆的过程中，纸浆浓度总是不断变 化的。要使其稳定在一个定值上是很困难的一件事。例如：在造纸机抄前成浆池内， 纸浆浓度总是在不断变化。因此，无论纸机车速、干燥等其余指标控制的再好，也会 造成纸定量不断波动，质量大幅度下降。传统的控制制浆浓度的方法是采用人工测控 的方法，这种方法不仅耗费人力，而且调节效果也不好，浓度变化幅度也比较大。为 此，本文设计了一种基于 plc s7-200 的纸浆浓度自动控制系统来稳定上浆的浓度。 1.1.2 纸浆浓度变送器的发展趋势 目前，国内外有些厂家和院校针对不同两相流的在线浓度测量对象研究出了多种 不同的测量方法，主要有：用 射线法、用阻抗法、密度法、电容法、流动成像法、 超声波法、光学法和力学法。这其中力学法（也叫机械法）是目前能很好的应用在工 程中的在线测量两相流浓度的方法。它是一种利用流体粘度的性质的测量纸浆浓度行 之有效的间接测量方法。按照变送器的结构不同可以分为：静刀式浓度变送器、外旋 式浓度变送器、动刀式浓度变送器、内旋式浓度变送器。这其中又以动刀式产品的性 价比最高，但其只是中档产品，不适合用于生产过程中的计量和要求精度很高的场合。 内旋式纸浆浓度变送器是一种闭环仪表，虽然结构较为复杂造价成本高，但其测量精 度、灵敏度、稳定性都很高，适合用于计量等需要高精度的场合。 1.1.3 plc 的发展趋势 1、向高速度、大容量方向发展。 2、想超大型、超小型两个方向发展。 3、plc 大力开发智能模块，加强联网通讯能力。 4、增强外部故障的检测与处理能力。 5、编程语言多样化。 1.1.4 控制算法的发展趋势 目前在造纸行业中普遍采用传统 pid 算法，传统 pid 算法虽然具有结构简单、实 现方便、适应性强等特点，但在实际运行过程中不能满足实际生产的要求，其主要表 现在：1）在纸浆浓度调节中，由于电动执行器属于惯性环节，采用传统 pid 调节必产 生严重的滞后效应，很难使系统取得良好的控制效果；2）由于过程参教在生产过程中 变化很大，加之设备的老化和来自其它方面的干扰，因此，一般的固定参数控制器无 法适应这些变化，不能始终保持最优运行，有时甚至出现稳定性问题。间单地说，也 就是调节缓慢、抗干扰能力弱、稳定性差等。因此，近年来控制专家提出了专家 pid 控制，人工神经网路 pid 控制等等。 - 3 - 1.2 主要研究内容 本论文主要是利用 plc s7-200 采用 pid 控制技术做了一个纸浆浓度自动控制系统， 并采用 mcgs 工控组态软件对纸浆浓度控制系统建立了人机监控界面来实时监控纸浆浓 度的变化。 第一章主要介绍了论文提出的背景，当前研究的发展现状以及研究的意义。 第二章主要确定了系统的总体技术方案，介绍了系统的结构图，控制方框图，介 绍了各模块的功能。 第三章主要确定了系统各个硬件的选型，硬件的使用，以及硬件的连接电路图。 第四章主要是根据要求利用 step 7-micro/win 编写出系统控制的主程序及子程序。 第五章主要是主要介绍了怎样利用 mcgs 工控组态软件建立系统的人机监控界面。 第六章对全文进行了总结。 1.3 研究的意义 在制浆造纸生产过程中，稳定地调节纸浆浓度是实现工艺目标，达到质量标准， 减少污染和能耗的一个重要因素。要想达到稳定纸浆浓度的目的，就必须设计出一种 能自动调节纸浆浓度的控制系统。本设计就是基于这样一种目的设计出了一种能自动 调节稳定纸浆浓度的控制系统。 1.4 设计思路 本设计使用内旋式纸浆浓度变送器测量实际纸浆浓度，将浓度信号转换成 4-20ma 标准信号，然后通过 a/d 转换后反馈到 plc 控制器，与给定值进行比较，得到偏差。 对得到的偏差按 pid 算法进行计算，以此调节白水入口电动阀的开度，从而实现对纸 浆浓度的调节。并利用组态软件 mcgs 设计人机界面，实现控制系统的实时监控。 1.5 研究工作与成果 在本次毕业设计中，主要做了以下工作： 1、查找了大量关于纸浆浓度控制的资料，对当前纸浆浓度控制的发展有了一个认 识。 2、熟悉西门子 plc s7-200 系列的基本构成，工作原理。 3、对纸浆浓度控制系统进行了硬件选型，并完成了硬件电路的连接。 4、熟悉了西门子 plc 编程的基本指令和程序设计，并利用 step 7-micro/win 对纸 浆浓度系统进行程序的编制。 5、熟悉了 mcgs 工控组态软件的基本使用方法，并建立出了纸浆浓度控制系统 的人机监控界面。 6、完成了毕业设计（论文）正文的编写，对自己的设计进行了完整的阐述。 - 4 - 第 2 章 总体技术方案 2.1 纸浆浓度工艺描述及系统结构图 制浆造纸生产是一个十分复杂的工业过程系统，也是当前我国自动化程度较高的 制造行业之一，其大体由制浆和造纸两个过程组成。制浆过程一般包括蒸煮、漂白、 打浆、抄纸、蒸发、燃烧、苛化等工段。造纸过程一般指纸浆经过浓度、流量调节后 被送入流浆箱，再通过流浆箱将纸浆均匀地喷射到网上，网将大部分水滤掉，经压榨 进一步去水，再经多段高温烘缸将之烘干，在此过程中，根据纸种不同，还要对纸张 进行表面施胶及涂布、压光等，最后在卷纸机上卷成纸圈。在本文中我们只关注纸浆 浓度调节部分。以下图 2-1 为纸浆浓度控制系统工艺流程图： 图 2-1 纸浆浓度控制工艺流程图 2.2 系统各组成模块及控制方框图 纸浆浓度控制系统包括：检测变送器，控制器，执行器。 控制方框图如图 2-2： 图 2-2 系统控制方框图 - 5 - 2.3 方案的确定 方案一：采用动刀式纸浆浓度浓度变送器在线检测出纸浆浓度，然后信号经 a/d 模数转换器转换后送到单片机中，经与给定值比较后，经过一定算法输出信号到 d/a 数模转换器，然后经 d/a 转换器输出一个 420ma 的标准信号送至电动执行器来控制进 水阀门的开度，从而来控制纸浆的浓度。 方案二：采用内旋式纸浆浓度变送器在线检测出纸浆浓度，将标准的 420ma 信 号并联一个 500 欧姆的电阻，把信号转化成电压信号，直接送至西门子 plc s7-200 224 xp cn 的模拟量输入端，经与给定值比较后，经过一定算法直接从模拟量输出端输 出一个 420ma 的信号到电动执行器，通过电动执行器来控制与之相连的阀门的开度， 从而来控制白水的进水量，继而控制纸浆的浓度。 由于第一种方案中存在动刀式变送器的检测精度不高，单片机的可靠性不高， 容易出现故障，编程复杂等缺点，故本设计中采用了第二种方案，及使用精度较高的 内旋式浓度变送器和可靠性较高并且使用方便的 plc 来控制。 - 6 - 第 3 章 系统硬件选择与设计 3.1 浓度变送器的原理 3.1.1 力学法浓度测量原理 内旋式浓度变送器是基于力学法浓度测量原理而制造出来的变送器。因此，有必 要在此介绍力学法浓度测量原理。 在雷诺数很大的情况下，粘性的作用主要局限在绕流物体或其他流动边界的固体 壁面附近很薄的一层流动中，通常把这个薄层称为边界层。当固体在流体中相对运动 时，流体经过固体表面之间的流体边界层，集中了全部的阻力，这种情况是流体围绕 固体流动，通常称为外部流动。我们讨论的力学法测量浓度的测量元件和流体之间构 成的便是外部流动。 力学法测量原理就是测量作用在穿过流体的测量元件上的阻力，此阻力可认为由 两部分组成，即表面摩擦阻力和形状阻力。两者分别取决于作用在物体与流体之间的 剪切力和作用在物体上的压力 综上所述，在外部流动情况下，固件在流体中运动阻力主要由粘性摩擦阻力和压 强阻力组成。粘性摩擦阻力主要由粘性剪切力产生，与流体的粘性动力系数相关，而 压强阻力主要与固件的外形和流体的流态相关。在用力学法测浓度时，希望测量元件 的阻力能反映出粘性动力系数，因而设计测量元件时应尽量减小元件在流体中运动时 产生的尾流，从而减小压强阻力。 液固两相流体的粘度与其离散相浓度相关，一般情况下液固两相流的离散相浓度 越大，其表现出来的粘性就越大。 ，纸浆是水中悬浮纸纤维等固体物质的两相流体，表 观粘度 主要跟随纸浆中纤维百分比率（即浓度）变化而变化，且在大范围内有线性 关系，如图 3-1 所示。由纸浆粘度与浓度的关系可以确定：纸浆浓度在 1.5-5之间 变化时，其粘度与浓度成线性变化关系，在此范围内只要能测量得到其粘度，即可求 得浓度 。9 图 3-1 纸浆粘度与浓度的关系 3.1.2 内旋式浓度变送器的结构 内旋式浓度变送器主要由敏感元件、机械部分(测量轴，驱动轴)、光电分度盘、 反馈机构、电机、二次仪表等组成。其结构如图 3-2 所示： - 7 - 图 3-2 内旋式变送器的结构 1敏感元件 2密封圈 3螺旋桨 4机械密封 5测量室 6驱动轴 7测量轴 8滚动轴承 9驱动轴上的电磁铁 10驱动轴上的分度盘 11测量轴上的分度盘 12测量轴上的电磁铁 13反馈线圈 14光电传感器 15电机 16齿形带传动副 变送器正常工作时，纸浆流体的浓度变化即其粘度的变化通过敏感元件转换成剪 切力矩的变化；测量力矩作用在测量轴的左边，电磁铁产生的反馈力矩作用在测量轴 的右边；测量力矩的变化引起力矩不平衡就破坏了测量轴与驱动轴之间的同步运动关 系，测量轴相对驱动轴产生角位移；光电分度变送器将角位移转换成相位差并送给仪 表中的单片机，微机只要检测到相位差变化就会按一定规律控制反馈电流增加或减少， 使反馈力矩紧紧跟随测量力矩变化，最终两轴恢复原来的同步关系(相位关系)。这样， 微机根据变化后的反馈控制输出数据即可按一定关系计算出被测浓度 。9 3.1.3 内旋式变送器的数学模型 将其机械部分的可动部分从变送器中分离，即可得图 3-3 所示形式的机构。显 然，它是一个由圆盘、阻尼器和弹簧构成的单自由度机械系统，其中敏感元件、转轴 和电磁铁都有转动惯量；两轴之间起密封连接作用的橡胶圈将产生弹簧的作用；支持 测量轴运动的滚动轴承有阻尼器作用，敏感元件与多相流介质之间的相对运动将产生 很强的阻尼作用。按照等效折算原理，可以将多处形成的作用集中在一起进行等效处 理，使系统成为由一个等效惯性圆盘、一个等效阻尼器和一个等效弹簧构成的简单形 式，如图 3-4。 图 3-3 内旋式变送器的转轴机构 - 8 - 图 3-4 等效惯量，阻尼系统和弹簧系统 经以上分析可知，内旋式浓度变送器的机械可动部分（即测量轴和驱动轴等）为 一振荡环节；敏感元件部分，光电分度盘部分及二次仪表的检测部分，电磁铁反馈部 分均为比例环节；而二次仪表部分的微机控制方式可按照 p，i，pi，pid 等几种方式 进行，根据仿真结果分析，便可确定一种最佳控制方式。故系统结构可简化为如图 3.4 所示： 图 3-5 内旋式变送器的结构图 系统的参数计算主要集中在振荡环节，主要包括等效转动惯量 ，弹性刚度 ，sjsk 等效阻尼系数 的求取和一些比例系数的计算。由于未知变送器叶轮的具体尺寸，故sd 模型只能做到此处。 3.2 执行器的工作原理 3.2.1 电动执行器的基本原理 本设计中执行器选择的是电动执行器，电动执行器由电动执行机构和调节机构两部 分组成。电动执行机构可以将来自调节器的标准电流信号转换成位移输出信号，去控 制阀门的开度，以实现自动调节。图 3-6 为电动执行器原理方框图： sssksdj211k 2k 微机 控制 方式 3kfk - 9 - 图 3-6 电动执行器的原理图 当伺服放大器输入为 4ma 直流电流信号时，放大器没有输出，电机停转执行机 构的输出抽稳定在预选好的零位。当输出端加入某一数值的输入信号时，此输入信号 与来自执行机构的位置反馈信号在伺服放大器的前置级磁放大器中进行磁势的综合与 比较。由于这两个信号的极性相反，两者不相等，就会有偏差磁势出现，伺服放大器 就有相应的输出，出发可控硅驱动电机。执行机构的输出轴就朝着减少这个偏差磁势 的方向运转，直到位置反馈信号和输出信号相等为止，此时输出轴就稳定在与输入信 号相对应的位置上。图中电动操作器是利用手动开关直接控制电机，使之正、反转动 从而实现对阀门的手动控制。 伺服放大器的原理如图 3-7 所示，伺服放大器接受 420ma 直流电流信号，由前 置级磁放大器 fc-01，触发器 fc-02，交流可控硅开关 fc-03，校正回路 fc-04 等部分 组成。为满足组成复杂调节系统的要求，伺服放大器有三个输入信号通道和一个位置 反馈通道，可以同时输入三个输入信号和一个位置反馈信号。再简单调节系统中，只 用一个输入通道和一个反馈通道。当有信号输入时，在磁放大器内进行综合，比较， 放大，然后输出具有“正”或“负”极性的电压信号。两个触发器是将前置级的输出 不同极性的电压变成触发脉冲，分别触发 scr1 和 scr2。主回路采用一个可控硅整流元 件和四个整流二极管组成的交流无触点开关，共有两组，可使电机正反转运转。执行 器由电动机、减速器。位置发送器三部分组成。伺服电动机是执行机构的动力装置， 它将电能转换成机械能以对调节机构做功。由于伺服电动机转速高且力矩小，既不能 满足低调节速度的要求，又不能带动调节机构，故需要经减速器将高速度，小力矩转 化成低转速、大力矩输出。 - 10 - 图 3-7 伺服放大器的原理图 位置发送器是将执行机构输出轴的位移转变成 010ma dc 或着（420ma dc）或着 （420ma dc）反馈信号的装置，它的主要部分是差动变送器。 差动变送器原理图如图 3-8。 左边加上交流稳压电源，则右边会感应出 、 。当铁芯在中间时 = 1u2 1u ，由于两线圈是反串相连接产生电压相抵消，故 =0，当铁芯自中间位置有一向 2u sc 上位移时，使磁路两绕组不对称，这时上边绕组中交变磁通将大于下面绕组中交变磁 通的幅值，此时， ,因而有输出电压 = - ,反之亦然。信号 经过整流、1u2 sc 12 sc 滤波电路可以得到 010ma 或着（420ma ）的直流信号，它的大小与执行机构输出位 移相对应，这个信号被反馈到伺服放大器的输入端，以与输入信号相比较 。5 图 3-8 差动变送器的原理图 3.2.2 调节阀门的选择及阀门流量特性 阀门的选择：在本设计中调节阀门选用的是蝶阀，具有流阻小，流量系数大， 结构简单，成本低等特点，但泄漏量大，适用于大口径，大流量，低压差的场合，也 可以用于含少量纤维或悬浮颗粒介质的流量调节。根据工艺选择的是常温蝶阀。 阀门流量特性：阀门流量特性是指被调介质流过阀门的相对流量与阀门的相对 开度（相对位移）之间的关系，表示为： (式 3-)(maxl lfqv 1） 式中 相对流量；max/vq 阀在某一开度的流量； 阀在全开时候的流量；maxv 阀在某一开度时阀芯的行程； l 阀全开时阀芯的行程。l - 11 - 调节阀的理想流量特性主要由直线，等百分比，抛物线，及快开四种理想流量特 性。再次选择为等百分比流量特性的阀门。 调节阀的选型主要包括阀的口径选择、形式选择、阀的固有流量特性的选择以及 阀门的材质选择。 阀门公称直径 dn 与阀门的流量系数 c 有关。因此可以根据流量系数 c 值可以确定 调节阀的公称直径 dn。 对于流量系数的计算是选定调节阀的最主要的理论依据，但是其计算方法目前国 内外尚未统一。本设计中采用流量系数 c 值的计算公式计算。 流体类型 阻塞流判别式 计算公式（国际单位制） 公式中各量的物理意义)(12vflpp )/(1021pqcvl 液 体 )(12vflpp )(/1012vflvpqc -液体体积流量 ，vlqhm/3 -阀前后的绝对压力，21,p kpa； -阀入口温度下的液体v 饱和蒸汽压，kpa； -液体密度，l ；3/cmg -压力恢复系数（可查l 表） ； -液体临界压力比系数;f =0.96-0.28 ;fcpv/ 计算出阀门流量系数后，即可通过以下公式计算出调节阀的流通面积； (式 3-2） ac 式中 为与单位制有关的常数； 为阻力系数； 通过流通面积 a 即可计算出阀口直径 。5 - 12 - 3.3 plc 以及 simens 公司的 s7-200 简介 3.3.1 plc 的产生、定义和特点 plc 的产生：由于传统的继电接触器控制系统设备体积大，可靠性差，动作速度 慢，功能少，难以实现较复杂的控制，特别由于它是靠硬件连线逻辑构成的系统，接 线复杂，当生产工艺或对象需要改变时，原有的接线和控制盘（柜）就要更换，所以 通用性和灵活性较差，因而不能完成复杂的控制方式。20 世纪 60 年代末期，美国的汽 车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，必然要求生产线的控制系统亦 随之改变，以及对整个控制系统重新配置。为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚， 适应白热化的市场竞争要求，1968 年美国通用汽车公司（gm）要求制造商为其装配线 提供一种新型的通用程序控制器并提出了十项招标指标。1969 年美国数据设备公司 (dec)根据上述要求，研制开发出世界上第一台可编程控制器，并在 gm 公司汽车生产 线上首次应用成功。当时人们把它称为可编程逻辑控制器 plc（programmable logic controller） ，主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑， 计时和计数等。进入 20 世纪 80 年底啊以来随着大规模和超大规模集成电路等微电子 技术的迅猛发展，以 16 位和 32 位微处理器构成的微机化 plc 得到了惊人的发展，使 plc 在概念、设计、性能价格比及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功 耗、体积减少，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程 i/o 和通讯网络，数据处理以及图像显示也有了长足的发展，所有这些已经使 plc 应用于 连续生产的过程控制系统，使之称为今天自动化技术的三大支柱之一。 plc 的定义：可编程控制器，简称 plc，是指以计算机技术为基础的新型工业 控制装置。它是一种专为工业环境而设计的数字运算操作的电子系统。它采用了可编 程徐的存储器，用来在其内部存储执行逻辑看运算、顺序控制、定时、计数和算术运 算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过 程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原 则设计。 plc 的特点： 1，可靠性高，抗干扰能力强。工业现场的电磁干扰、电源波动、机械振动、 温度和湿度的变化，都可以导致一般通用微机不能正常工作。而 plc 在电子线路、机 械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用 大规模与超大规模集成电路，i/o 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构 上对耐热、防潮、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等 抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。所以 plc 具有较高的 抗干扰能力。 2，配套齐全，通用性强，功能完善。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。除了逻辑处理能力外，现 在 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 通讯能力的增强及人机界面技术的发展，使用 plc 组成各种控 制系统变得非常容易。 3，变成方便，易于使用。plc 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工 控设备。他接口容易，编程语言易于为工程技术人员所接受。梯形图语言的图形符号 与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 plc 少量开关量逻辑控制指令就可以方便 - 13 - 地实现继电器电路的功能。这些都为不熟悉电子电路、不定计算机原理和汇编语言的 人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4，设计、施工、调试周期短。plc 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制 设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。 更重要的是，它使同一设备依靠改变程序来改变生产过程成为可能。并且具有强制和 仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便。 5，体积小，质量轻，维护操作方便。plc 体积小质量轻，便于安装。plc 的输 入/输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制 系统的运行状态。如内部工作状态、通讯状态、i/o 点状态、异常状态和电源状态等， 对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。 3.3.2 plc 的系统组成 plc 实质上是一种工业控制计算机，专为工业现场应用而设计，采用了典型的计 算机结构，主要由 cpu，电源，存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。plc 的结构框图如图 3-9 所示。 图 3-9 plc 的系统组成 3.3.3 s7-200 系列 plc 的硬件系统及内部资源 硬件系统： s7-200 plc 是德国西门子公司生产的一种小型 plc，其许多功能达到大、中型 plc 的水平，而价格却和小型 plc 一样，因此，它已经推出，即受到了广泛的关注。特 别是 s7-200 cpu 22* 系列 plc，由于它具有多种功能模块和人机界面（hmi）可供选 择，所以系统的集成非常方便，并且很容易地组成 plc 网络。同时它具有功能齐全的 编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任 何功能的控制任务。 s7-200 plc 硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量 的 i/o 点，同时还可以扩展 i/o 模块和各种功能模块。一个实际的 s7-200 控制系统可 由多个模块化的组件和设备组成，系统组成如图 3-10 所示。 编程器等外部设备 中央处理单元（cpu） 输 输 入 出 接 用户程序存储器 接 口 口 系统程序存储器 电源部件 - 14 - 图 3-10 plc 的配置 内部资源： plc 内部元器件是相互独立的，在数据存储区为每一种元器件分配一个存储区域。 其元器件包括：1，输入继电器（i）2，输出继电器（q) 3，通用辅助继电器（m）4， 特殊继电器（sm）5，变量存储器（v）6，局部变量存储器（l）7，顺序控制继电器 （s）8，定时器（t）9、计数器（c）10，模拟量输入映像寄存器（ai）和模拟量输出 映像寄存器（aq）11，高速计数器（hc）12，累加器（ac） 。 在本设计中采用的是 cpu 224 xp cn，它具有 14 个数字量输入，10 个数字量输出， 2 路模拟量输入，1 路模拟量输出，最大可以扩展 7 个 i/o 模块。 3.4 s7-200 cpu 224xp cn 的 i/o 口分配 表 3-1 plc 的 i/o 分配 地址 名称 功能 i0.0 启动按扭 按下开关，设备开始运行 i0.1 开关按钮 按下开关，设备停止运行 i0.2 保护按钮 按下开关，终止所有设备 q0.0 运行灯 灯亮表示设备处于运行状态 q0.1 停止灯 灯亮表示设备处于停止状态 q0.2 浓度状态指示灯（正常） 灯亮表示浓度在正常范围内 q0.3 浓度状态指示灯（超限） 灯两表示浓度过高 编程工具 cpu 主机 人机界面 通讯设备 扩展 模块 功能 模块 - 15 - q0.4 固态继电器 用来控制纸浆泵的启停 第 4 章 系统软件设计 4.1 控制算法描述 模拟量闭环控制较好的方法之一是 pid 控制，pid 在工业领域的应用已经有 60 多 年，现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验，pid 的研究已经 到达一个比较高的程度。 比例控制(p)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关 系。其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。 在积分控制(i)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可 以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。 在微分控制(d)中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正 比关系。微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势。避免较大的误差出现， 微分控制不能消除余差。 pid 控制，p、i、d 各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约， 但只有合理地选取 pid 值，就可以获得较高的控制质量。 在纸浆浓度控制系统中由于具有滞后性，故选用比例积分微分（pid）调节规律。 其数学表达式如下： （式 4-1） t dip tettettektu0)()(1)()( 上式中, pid 回路的输出;t 比例系数 p;p 积分系数 i; it 微分系数 d;d pid 调节器的传输函数为： （式 4-2） stkseuddip1)()( 数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后， 计算机输出值。其离散化的规律如表 4-1 所示： - 16 - 表 4-1 模拟与离散形式 模拟形式 离散化形式)()(tcrte)()(ncrnedtt1te0)( nini ee00)()( 所以 pid 输出经过离散化后，它的输出方程为: （式 4-3） 0 0)()( )1()( unun unetieekdipnid 式中， 称为比例项；)()(nekupp 称为积分项； i pit0 称为微分项； )1()(neknudpd 上式中，积分项 是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积 ni1)( 值。计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算 机的处理就是按照这种思想。故可利用 plc 中的 pid 指令实现位置式 pid 控制算法量。 - 17 - 4.2 程序设计 4.2.1 程序流程图 主程序 子程序 0 , 粗调 返回 细调 浓度=？ 初始化 调节电动阀 调用子程序 0 调用子程序 1 每 10s 调用一次子程序 2 初始化运行指示 灯 i0.1=？ 初始化高低限指示灯 运行 plc - 18 - 子程序 1 子程序 2 图 4-1 程序流程图 4.2.2 程序地址分配 表 4-2 内存地址分配 地址 说明 vd0 用户设定比例常数 p 存放地址 vd4 用户设定积分常数 i 存放地址 vd8 用户设定微分常数 d 存放地址 vd12 目标设定浓度存放地址 vd16 系统运行时间秒存放地址 vd20 系统运行时间分钟存放地址 vd30 当前实际浓度存放地址 设定目标浓度 设定 pid 值 返回 设定执行器开度 返回 读入浓度并转换 把实际浓度放于 vd30 中 调用 pid 指令 时间寄存器加 10s - 19 - 4.2.3 pid 指令回路表 表 4-3 pid 指令回路表 地址 名称 说明 vd100 过程变量（pvn） 必须在 0.01.0 之间 vd104 给定值（spn） 必须在 0.01.0 之间 vd108 输出值（mn） 必须在 0.01.0 之间 vd112 增益（kc） 比例常数，可正可负 vd116 采样时间（ts） 单位为 s，必须是正数 vd120 采样时间（ti） 单位为 min，必须是正数 vd124 微分时间（td） 单位为 min，必须是正数 vd128 积分项前值（mx） 必须在 0.01.0 之间 vd132 过程变量前值（pvn-1） 必须在 0.01.0 之间 4.2.4 程序梯形图 程序梯形图见附录 d. - 20 - 第 5 章 系统建模及仿真 5.1 系统建模的方法 对于压力罐的压力被控对象、热交换器的温度被控对象等，都可以从工艺过程的 机理出发，写出各种有关的平衡方程式（如物料平衡、能量平衡），求被测对象的微 分方程式。但是对于纸浆浓度控制系统来说，其方程求解的过程很困难，故使用实验 测定的方法来求得对象的动态特性。 根据加入的激励信号的不同，实验数据的分析方法也不一样，据此，常用的实验 测定方法主要有以下几种：1、时域分析法 2、频域分析法 3、统计分析法。在本次实 验中采用的是实验测定法。 5.2 对象特性的实验测定 5.2.1 时域响应的测定 在被测对象的输入端施加阶跃信号或者脉冲信号，测绘出对象的输出变量随时间 变化的阶跃响应曲线或者脉冲响应曲线，然后分析响应曲线从而确定对象的数学模型 的方法叫做时域分析法。这种方法简单易用，在精度不高的场所应用非常广泛。 时域分析法采用的激励信号多为阶跃信号，阶跃响应实验过程简单，是时域分析的 首选。但是在实际运用中阶跃输入有时会使被测对象的输出变化超过允许的范围；或 受运行条件的限制，不允许对象的输出长时间偏离正常值。这时可以采用矩形脉冲信 号做激励，由脉冲响应曲线通过作图法转换为阶跃响应曲线。如图 5-1 所示。从图中 可以看出： u(t)=u (t)+u (t) （式 5-1）12 u (t)=-u （t-t ） （式 5-2）2 设 u (t)、u (t)作用下的阶跃响应曲线为 y （t）和 y （t ），如图 5-1 所示，则脉冲响1 12 应曲线为 y（t）=y （t）+y （t）=y （t）-y （t-t ） （式 5-3）1211 上式就是由矩形脉冲