A3000试验台管道压力和流量接偶控制系统设计

1、摘 要工业生产过程中的被控对象往往是多输入多输出系统，而且通常情况下被控变量又彼此关联。多变量系统控制就是调整被控过程的多个输入作用而使系统输出达到某些指定的目标。由于多变量控制系统中存在耦合，因此为了获得满意的控制效果，通常要对多变量控制系统实施解耦控制。本设计针对A3000实验台中管道压力和流量的相互作用进行了解耦控制系统的设计。西门子S7-200PLC为控制器，用变频器和电动调节阀分别控制流量和压力，从而实现了解耦控制，并使用了组态开发了监控画面，实现了过程控制。关键词：解耦控制；压力；流量 ；监控AbstractIn industial production processes, co

2、ntrolled objects are often multi-input and multi-output system in which controlled variables are associated with each other under normal circumstances. Multivariable control system is a system that adjusts multiple inputs in the controlled process and makes the system outputs to reach some specified

3、 targets. Because of the coupling multivariable control systems, in order to obtain satisfactory control effect, decoupling control is usually implemented in multivariable control system .Thepaper designed a decoupling controlsystem for the interaction between the pressure and flow in pipeline on A3

4、000.SiemensS7-200PLCas the controller, frequency converterandelectric control valvecontrol theflow and pressureseparately in order to achieveadecoupling control,andtheconfiguration developmentof themonitor screen is usedto achieve theprocess control.Key Words: decoupling control; pressure; flow; mon

5、itor目录 第一章绪论11.1选题背景及A3000实验台介绍11.1.1A3000总体架构11.1.2测试平台现场系统21.2解耦的概念31.3管道压力和流量的解耦控制51.4设计内容61.4.1设计要求61.4.2设计思想6第二章系统方案选择72.1常见控制规律的类型72.2控制方案的比较选择82.3解耦控制系统数学模型的建立82.3.1机理建模和实验建模的运用82.3.2PID参数的整定方法102.4 控制器的选择122.4.1PLC的基本结构122.4.2PLC的特点及应用142.4.3PLC的工作阶段142.4.4PLC对输入/输出的处理规则162.4.5软PLC的介绍162.4.6

6、单片机简介162.4.7控制器的选择17第三章供配电设计及器件选型173.1主回路部分173.2控制回路设计183.3PLC选型203.3.1PLC选型203.3.2I/O扩展模块特点及选型233.3.3EM235工作原理及应用243.4元器件选型293.4.1增压泵特点及选型293.4.2变频器特点及选型303.4.3电动调节阀特点及选型363.4.4手动调节阀选型373.4.5熔断器选型383.4.6断路器选型383.4.7中间继电器选型393.4.8转换开关403.4.9按钮403.4.10涡轮流量变送器特点及选型413.4.11压力变送器特点及选型41第4章 PLC软件设计434.1

7、PLC控制系统软件设计步骤434.2 STEP7编程软件简介434.3 程序流程图444.3.1主程序444.3.2PID初始化454.3.3解耦控制454.3.4数据转换部分464.3.5中断部分494.4 梯形图494.4.1地址分配表504.4.2主程序504.4.3PID初始化程序514.4.4解耦控制程序524.4.5数据转换程序544.4.6中断程序55第五章组态软件575.1组态王简介575.2工程的建立575.3创建项目625.3建立趋势曲线画面635.4建立数据库635.5建立组态动画665.6运行调试中的问题及解决方法67致谢68参考文献69附录一 外文资料附录二 梯形图第

8、一章 绪论1.1选题背景及A3000实验台介绍过程控制是生产过程自动控制的简称，这是自动化技术的一个重要组成部分。通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期与程序进行的生产过程自动控制。在现代工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。A3000过程控制实验系统是以工业现场工艺设备为背景，以自动化教学要求和自动化工程师认证技能测试要求为依据推出的实验、培训和测试平台。1.1.1 A3000总体架构A3000测试平台总体物理系统如图1-1所示。（控制系统有30多种，

9、现场系统可能具有现场总线。）图1-1 A3000测试平台总体物理系统图逻辑结构如图1-2所示。图1-2逻辑结构图A3000现场系统特性：1. 尺寸：1450（毫米宽度）X700（毫米深度）X1950（毫米高度）。全不锈钢框架。2. 电力：三相接地四线制380V10%，单相三线制，220V10%，3. 能耗：最大额定用电6kw/h。自来水120L，可重复使用。A3000控制系统特性：1. 尺寸：800(宽度)X60（深度）X1950（高度）。标准工业机柜。2. 电力：单相三线制，220V10%，3. 能耗：最大额定用电1kw/h1.1.2 测试平台现场系统物理受控系统包括了测试对象单元、供电系统

10、、传感器、执行器（包括变频器及移相调压器），从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。下面使用示意图和流程图方式介绍现场系统的结构、原理、操作和维护。为了防止动力设备静电积累而触电或者损坏设备，所以系统必须可靠接地现场系统包括三个水箱，一个大储水箱，一台锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热管，滞后时间可以调整的滞后系统。现场系统工艺流程图如图1-3所示。图1-3 现场系统工艺流程图1.2 解耦的概念耦合是指两个或两个以上的体系或两种运动形式间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象。 解耦就是用数学方法将两种运动分离开来处理问题，常用解耦方法就是忽略或简化对所研

11、究问题影响较小的一种运动，只分析主要的运动。数学中解耦是指使含有多个变量的数学方程变成能够用单个变量表示的方程组，即变量不再同时共同直接影响一个方程的结果，从而简化分析计算。通过适当的控制量的选取，坐标变换等手段将一个多变量系统化为多个独立的单变量系统的数学模型，即解除各个变量之间的耦合。最常见的有发电机控制，锅炉调节等系统。软件开发中的耦合偏向于两者或多者的彼此影响，解耦就是要解除这种影响，增强各自的独立存在能力，可以无限降低存在的耦合度，但不能根除，否则就失去了彼此的关联，失去了存在意义。在现代化的工业生产中，不断出现一些较复杂的设备或装置，这些设备或装置的本身所要求的被控制参数往往较多，

12、因此，必须设置多个控制回路对该种设备进行控制。由于控制回路的增加，往往会在它们之间造成相互影响的耦合作用，也即系统中每一个控制回路的输入信号对所有回路的输出都会有影响，而每一个回路的输出又会受到所有输入的作用。要想一个输入只去控制一个输出几乎不可能，这就构成了“耦合”系统。由于耦合关系，往往使系统难于控制、性能很差。三种解耦理论分别是：基于Morgan问题的解耦控制，基于特征结构配置的解耦控制和基于H_的解耦控制理论。在过去的几十年中，有两大系列的解耦方法占据了主导地位。其一是围绕Morgan问题的一系列状态空间方法，这种方法属于全解耦方法。这种基于精确对消的解耦方法，遇到被控对象的任何一点摄

13、动，都会导致解耦性的破坏，这是上述方法的主要缺陷。其二是以Rosenbrock为代表的现代频域法，其设计目标是被控对象的对角优势化而非对角化，从而可以在很大程度上避免全解耦方法的缺陷，这是一种近似解耦方法。选择适当的控制规律将一个多变量系统化为多个独立的单变量系统的控制问题。在解耦控制问题中，基本目标是设计一个控制装置，使构成的多变量控制系统的每个输出变量仅由一个输入变量完全控制，且不同的输出由不同的输入控制。在实现解耦以后，一个多输入多输出控制系统就解除了输入、输出变量间的交叉耦合，从而实现自治控制，即互不影响的控制。互不影响的控制方式，已经应用在发动机控制、锅炉调节等工业控制系统中。多变量

14、系统的解耦控制问题，早在30年代末就已提出，但直到1969年才由E.G.吉尔伯特比较深入和系统地加以解决。解耦的方法有三种：完全解耦控制，静态解耦控制和软件解耦完全解耦控制，对于输出和输入变量个数相同的系统，如果引入适当的控制规律，使控制系统的传递函数矩阵为非奇异对角矩阵，就称系统实现了完全解耦。使多变量系统实现完全解耦的控制器，既可采用状态反馈结合输入变换的形式，也可采用输出反馈结合补偿装置的形式静态解耦控制，一个多变量系统在单位阶跃函数（见过渡过程） 输入作用下能通过引入控制装置实现稳态解耦时，就称实现了静态解耦控制。对于线性定常系统（A，B，C），如果系统可用状态反馈来稳定，且系数矩阵A

15、、B、C满足关于秩的关系式，则系统可通过引入状态反馈和输入变换来实现静态解耦。多变量系统在实现了静态解耦后，其闭环控制系统的传递函数矩阵G(s）当s=0时为非奇异对角矩阵；但当s0时，G(s）不是对角矩阵。对于满足解耦条件的系统，使其实现静态解耦的状态反馈矩阵K和输入变换矩阵L可按如下方式选择：首先，选择K使闭环系统矩阵（ABK）的特征值均具有负实部。随后，选取输入变换矩阵，式中D为非奇异对角矩阵，其各对角线上元的值可根据其他性能指标来选取。由这样选取的K和L所构成的控制系统必定是稳定的，并且它的闭环传递函数矩阵G(s）当s=0时即等于D。在对系统参数变动的敏感方面，静态解耦控制要比完全解耦控

16、制优越，因而更适宜于工程应用。软件解耦，说起软件的解耦必然需要谈论耦合度，降低耦合度即可以理解为解耦，模块间有依赖关系必然存在耦合，理论上的绝对零耦合是做不到的，但可以通过一些现有的方法将耦合度降至最低。做事情要想事半功倍，就要高处着眼，触摸到事情的脉络。当今流行着各种眼花缭乱的软件框架，不管是struts，还是spring,hibernate，还是.net，还是各种前端UI框架，其设计的核心思想是：尽可能减少代码耦合，如果发现代码耦合，就要采取解耦技术；解耦方法有但不限有如下几种：（a）采用现有设计模式实现解耦，如事件驱动模式、观察者模式、责任链模式等都可以达到解耦的目的；（b）采用面向接口

17、的方式编程，而不是用直接的类型引用，除非在最小内聚单元内部。但使用该方法解耦需要注意不要滥用接口。（c）高内聚，往往会带来一定程度的低耦合度。高内聚决定了内部自行依赖，对外只提供必须的接口或消息对象，那么由此即可达成较低的耦合度。解耦控制是多变量系统控制的有效手段。在现代化的工业生产中，不断出现一些较复杂的设备或装置，这些设备或装置的本身所要求的被控制参数往往较多，因此，必须设置多个控制回路对该种设备进行控制。由于控制回路的增加，往往会在它们之间造成相互影响的耦合作用,这就构成了“耦合”系统。由于耦合关系，往往使系统难于控制、性能很差。在解耦控制问题中，基本目标是设计一个控制装置，使构成的多变

18、量控制系统的每个输出变量仅由一个输入变量完全控制，且不同的输出由不同的输入控制。在实现解耦以后，一个多输入多输出控制系统就解除了输入、输出变量间的交叉耦合，从而实现自治控制。对于输出和输入变量个数相同的系统,如果引入适当的控制规律,使控制系统的传递函数矩阵为非奇异对角矩阵系统就实现了完全解耦。使多变量系统实现完全解耦的控制器，既可采用状态反馈结合输入变换的形式，也可采用输出反馈结合补偿装置的形式。1.3 管道压力和流量的解耦控制管道流量压力控制系统就是一个耦合的系统，如图1-4，系统阀1和系统阀2对管道压力的影响同样强烈，对流量的影响程度也相同。因此当压力偏低是开大控制阀1，流量也将增加，此时

19、通过流量控制器而关小阀2，结果又使管道中的压力上升，阀1和阀2相互作用相互影响着，这是一个典型的关联系统，关联系数与温度等其他因素无关，具有一致性。流量也有类似的情况图1-4 管道压力和流量耦合系统图1.4 设计内容1.4.1 设计要求熟悉控制工艺流程、串级控制的原理，了解串级控制的特点，查阅相关科技文献，掌握控制、检测、通讯等技术要求；对控制系统进行建模（包括机理建模和实验建模）；掌握液位和流量系统对控制的要求，提出控制方案（包括方案论证与确定、技术经济分析等内容），完成硬件设计（其中还包括理论分析、设计计算、实验及数据处理、设备及元器件选择等），根据工艺要求合理优化，完成软件需求的系统分析

20、和编制；撰写设计说明书，绘制图纸；指定内容的外文资料翻译。1.4.2 设计思想本文讨论的是A3000实验台管道压力和流量的解耦控制，当流量增大时，调小变频器，同时管道压力也变小，增大调节阀，压力变小，但流量又会增大。为了解决这种耦合带来的不便，通过解耦，采用某种结构，寻找合适的控制规律来消除系统中各控制回路之间的相互耦合关系，使每一个输入只控制相应的一个输出，每一个输出又只受到一个控制的作用。即让电动调节阀只控制压力，变频器只控制流量。如图1-5所示：图1-5 管道压力与流量解耦控制示意图A3000实验台管道压力与流量系统主要包括的对象有：下水箱，储水箱，电动调节阀，变频器，增压泵和送水管道以

21、及管道中用到的旋塞阀。这些设备由实验台上两个支路并联构成：涉及的支路1由增压泵，储水箱，涡轮流量计，部分供水管道以及管道中用到的旋塞阀；涉及的支路2由涡轮流量计，压力变送器，电动调节阀下水箱，部分管道以及管道中用到的旋塞阀。由变频器控制增压泵的出水量来调整管道中的压力与流量；由电动调节阀控制阀门的开度也能调整管道中的压力与流量如图2，水介质由泵P101（变频器U-101驱动）从水箱V104中加压获得压头，经手阀QV-103（用于两个支路连接）、流量计FT-101、压力传感器PT101、 电动阀FV-101、水箱V103、 手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环，水箱只作为一连通器，其中

22、，给水压力由压力变送器PT-101测得，给水流量由FT-101测得。本例为解耦调节系统，调节阀FV-101为被控变量压力PT-101的操纵变量，变频器U-101为被控变量流量FT-101的操纵变量， 两条支路各自的调节器的运算输出通过解耦器的函数解耦运算，分别去控制各自调节回路的操纵变量。管道中流量、压力控制系统就是相互耦合的系统。变频器和调节阀都对系统的压力和流量造成影响，因此，当压力偏大而开大调节阀时，流量也将增加，如果此时通过流量控制器作用而调小变频器，结果又使管路的压力下降，变频器和调节阀互相影响，这是一个典型的关联系统。关联的系数与温度等参数无关。由于系统变频器调节I支路流量， 调节

23、阀调节II支路流量， 为了实现解耦实验，需要并联两个支路。并管之后还可以选择使用II支路的电磁流量计来进行流量测量。在解耦设计方面，我们可以通过前馈补偿解耦法或者对角阵解耦法 ，使得一个被调节量仅与一个调节器输出量之间有关系，而与另一个独立。从而达到解耦目的而设计中要解决的设计难题是，一个PID控制只有一个过程值输入一个输出，要解决两输入两输出的问题，需要设计解耦器，使用两个PID控制器；并且解耦器的设计是比较困难的，而两个输入和输出组合一个PID调解器也是设计中的难题。控制阀和变频器对系统压力的影响程度同样强烈，对流量的影响程度也相同。解决这些难题需要通过数学建模来解决，这一点我会在第二章第

24、二节会讨论到。第二章 系统方案选择2.1常见控制规律的类型比例积分微分调节（PID调节）：PID调节器的动作规律是(2.1)或 (2.2)式中、TI和TD参数意义与PI、PD调节器相同。2.2控制方案的比较选择单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求，因此，它是一种最基本的、使用最广泛的控制系统。但是也有另外一些情况，譬如输入输出对象是多变量，别且之前还存在耦合，这往往要用到多个控制回路，这时单回路控制系统就无能为力了。另外，随着生产过程向着大型、连续和强化方

25、向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而解耦控制系统就是解决多变量耦合，改善控制精度和控制质量极为有效的控制系统。压力和流量是工业生产过程中常用的两个参数，对压力和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。而两者之间又使典型的耦合关系，所以必须采取解耦控制才能取得较好的控制效果2.3解耦控制系统数学模型的建立2.3.1 机理建模和实验建模的运用对于管道中流量、压力控制系统这个相互耦合的系统，变频器和调节阀都对系统的压力和流量造成影响。因此

26、，当压力偏大而开大调节阀时，流量也将增加，此时通过流量控制器作用而调小变频器，结果又使管路的压力下降，变频器和调节阀互间互相影响，这是一个典型的关联系统。关联的系数与温度等参数无关。如图2-1所示图2-1管道压力与流量解耦控制我们固定P1在小范围内，由于不涉及温度等问题，所以该过程基本上只与压力和开度有关，是时不变的。如果把P1定义成未知数，则可以列出一个方程。使用对角矩阵法进行解耦算法。如图2-2所示。图2-2解耦控制系统框Gc1为流量-变频器的调节器，反作用；Gc2为压力-调节阀的调节器，正作用。对于对象，被调量与调节量具有y = P关系，这里换一个变量符号。公式（2-1）Y1Y2=G11

27、G12G21G22U1U2(2-1)加入控制系统，那么调节量来源于解耦器，调节器 (可以是一个PID调节器，等等) 输出就是解耦器输入。U1U2=D11D12D21D22UC1UC2（2-2）对于采用了解耦器的系统传递函数Y1Y2=G11G12G21G22D11D12D21D22UC1UC2（2-3）综合上面的关系，如果G矩阵的逆存在，则我们可以设计D就等于它的逆乘以一个对角阵(可以是单位矩阵)，这样可以使得一个被调节量仅与一个调节器输出量之间有关系，而与另一个独立。从而达到解耦目的。根据我们实验测得P0=80，P2=5，P1设为未知数x。实际数值P0=150kPa*80%水柱，P2=150k

28、Pa*5%水柱。那么增益矩阵为(80-X)/75(5-X)/75(5-X)/75(80-X)/75（2-4）解耦矩阵(80-X)/(85-2X)(5-X)/(85-2X)(5-X)/(85-X)(80-X)/(85-2X)（2-5）注意压力与流量有一个限制关系。简单的，在变频器为35Hz，调节阀开度50%时，这个压力和流量将作为系统稳定时的给定值，然后在这个值附近变动。不能变化太大，否则无法稳定。如果量程范围不一样，或者水泵特性改了，则整个矩阵不同。为了统一，设置如下：(80-X)/(85-2X)(5-X)/(85-2X)(5-X)/(85-X)(80-X)/(85-2X)（2-5）2.3.2

29、 PID参数的整定方法1)衰减振荡法PID 控制器参数整定由于工业生产安全稳定性要求，在不允许进行等幅振荡试验，或者对象特性无法达到等幅振荡的场合，可以采用衰减振荡法进行PID控制器参数整定。与临界比例度法比较而言，参数整定步骤完全相同，唯一的区别是采用纯比例作用得到4:1衰减振荡时的纯比例增益，Ks 4:1 衰减的阶跃干扰的响应曲线为参数整定计算依据。令Ts为4:1 衰减振荡周期，PID 参数估算方法参见表2-1。衰减振荡法控制器参数整定的优点是，整定质量较好、对工艺过程干扰较小、安全可靠。缺点是，对于时间常数小的系统不易测取衰减振荡周期TS，干扰频繁的系统也不宜使用。表2-1衰减振荡法PI

30、D 控制器参数整定计算表控制规律P(Kc)I(Ti)秒D(Td)秒PKSPI0.83KSO.5TSPID1.25KS0.3TS0.1TS2)用经验法整定调节器的参数经验法是依据阶跃响应曲线的形状，调整控制器参数，具有简单方便，适用于记录曲线不规则，外界干扰频繁的控制系统等优点。缺点是参数整定花费时间长、整定结果因人而异，没有明确的标准。经验法的步骤如下：1首先进行纯比例凑试。置积分时间最大Ti=，微分时间为零Td=0。参考表2-1 大致选择控制器的比例增益Kc（或比例度PB）的初值。将控制器投自动，对设定值施加一个偏移，记录响应曲线并观察曲线形状，尽量得到4:1 的衰减响应曲线。通常，加大增益

31、Kc 响应曲线振荡加强，减小Kc 响应曲线振荡减弱。每改变一次Kc 都要对设定值施加一个偏移，并记录响应曲线，观察曲线形状，直到满足要求。2第二步进行积分作用凑试。先选择一个初始积分时间值，减小积分时间，积分作用增强；加大积分时间，积分作用减弱。同比例凑试，每改变一次积分时间，都要施加阶跃干扰，并观察响应曲线。由于加入积分作用后系统稳定性有所降低，应将比例增益Kc 减小1020%左右，以便补偿加入积分作用后导致的系统稳定性下降。3如果需要，最后加入微分作用。微分时间越大，微分作用越强。微分时间Td 大约是积分时间Ti 的1/31/4。加入微分作用后，可适当加大Kc，减小Ti。表2-2经验法P.

32、I.D.参数范围系统P.I.D参数KcPB(%)Ti(秒)Td(秒)流量1-2.540-1006-602-10压力1.4-2.330-7020-1802-20温度1.6-520-60180-60010-100液位1.25-254-80按照以上三个步骤，经过反复凑试直到满意。经验法P.I.D.参数范围如表2-2 所示。通常，对于数字式控制器而言，P.I.D.的调整范围如下：KC=0.1200 (PB=9990.5%)、 Ti=19999s、 Td=09999s3)响应曲线法PID 控制器参数整定前面三种方法都不需测试对象的动态特性，并且是在闭环系统中进行参数整定。而响应曲线法是在开环情况下，测试

33、广义对象动态特性的控制器参数整定方法。本方法步骤如下：1首先测取广义对象在阶跃输入下的响应曲线。2在响应曲线的拐点处作切线，通过切线与初始值和新稳态值的交点，可以测得广义对象的时间常数TP 和纯滞后时间。于是可以得到一阶惯性加纯滞后通道传递函数简化模型，表达了广义对象动态特性。按照表2-3提供的计算公式，计算得到控制器的最佳参数值。表2-3 响应曲线法PID控制器参数整定计算表控制规律P(Kc)I(Ti)秒D(Td)秒PTp/KpPI0.9Tp2.3PID1.2Tp20.5闭环加阶跃干扰试验整定参数的效果，由于可能出现测试误差，可适当修改相关参数，直到响应曲线满意为止。响应曲线法应用普遍，具有

34、较高的准确度，测试时对生产过程的干扰不大。然而，当广义对象是非自衡过程时无法应用本方法。2.4 控制器的选择2.4.1 PLC的基本结构PLC,即可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：1）电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一

35、般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去2）中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象

36、区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。3）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。4）输入输出接口电路1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的

37、控制信号。5）功能模块如计数、定位等功能模块。6）通信模块2.4.2 PLC的特点及应用PLC其主要特点如下：1.抗干扰能力强，可靠性高2.控制系统结构简单，通用性强3.编程方便，易于使用4.功能完善5.设计、施工、调试的周期短6.体积小，维护操作方便。，使用情况大致可归纳为以下6钟类型：（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。由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降和PLC功能的不断完善及增强两方面的原因，目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石油化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、造纸、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

38、2.4.3 PLC的工作阶段PLC的3个工作阶段。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段。完成上述3个阶段即称为一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。PLC的扫描工作过程框图如图2-3所示，它清楚地描述了PLC扫描的工作过程。图2-3 PLC的扫描工作过程1）输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态

39、和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发

40、生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态

41、和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。2.4.4 PLC对输入/输出的处理规则根据上述工作特点，归纳出PLC对输入/输出的处理原则如下。（1）输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一个刷新器件的通/断状态。（2）程序如何执行取决于用户所编写程序和输入/输出映像寄存器的内容及各元件映像寄存器的内容。（3）输出映像寄存器的数据，取决于输出指令的执行结果。（4）输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。（5）输出端子的通/断状态，由输出锁存器决2.4.5软PLC的介绍软PLC开发系统实际上就是带有调试和编

42、译功能的PLC编程器，此部分具备如下功能：编程语言标准化，遵循IEC61131-3标准，支持多语言编程（共有5种编程方式：IL，ST，LD，FBD和SFC），编程语言之间可以相互转换；丰富的控制模块，支持多种PID算法（如常规PID控制算法、自适应PID控制算法、模糊PID控制算法、智能PID控制算法等等），还包括目前流行的一些控制算法，如神经网络控制；开放的控制算法接口，支持用户嵌入自己的控制算法模块；仿真运行，实时在线监控，在线修改程序和编译；强大的网络功能支持基于TCPIP网络，通过网络实现PLC远程监控，远程程序修改。软plc的应用特点为：体现了IPC，PLC和DOC先进技术的集成。可

43、充分利用PC平台上的硬件和软件资源，使控制系统更具特色；系统更开放，应用更方便。软件PLC通过自己开发工具提供的OPC功能和Active控件，既可连接Office软件，也可连接用VB，VC开发的软件；基于PC+现场总线+分布式IO的控制系统简化了复杂控制系统的体系结构，提高了通信效率和速度，降低了投资成本。2.4.6单片机简介单片机也被称为微控制器（Microcontroller Unit），单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些

44、部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，它主要是作为控制部分的核心部件。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领2.4.7控制器的选择尽管软PLC技术具有很大的发展潜力，但是这项技术的实现需要解决一些重要的题。其中主要是以PC为基础的控制引擎的实时性问题。软PLC首选的操作系统是WindowsNT，但是它并不是一个硬实时的操作系统。传统PLC具有硬实时性，正因为如此它才能提供快速、确定而且可重复的响应。而要让WindowsNT具有

45、硬实时性，必须对它进行扩展，使得PC的控制任务具有最高的优先级，不因为NT的系统功能和用户程序的调用而被抢占。单片机缺点：速度慢，功能不强，精度低，适合民用，商用，不适合工业用途。PLC是专为工业自动化设计的，在控制电路这一块，功能的强大是前两者无法比拟的，通过多种多样的扩展模块，使外部接线量小、内部工作性能的可靠性高，易学易懂，虽然单个CPU贵，但性价比是最高的。因此，我选择了PLC作为控制器。第三章 供配电设计及器件选型3.1主回路部分在本设计中，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。电能在生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额

46、中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高生产效率，降低生产成本，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。从另一方面来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。因此，做好供配电工作对于发展工业生产实现工业现代化，具有十分重要的意义。由于能源节约是供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，做好供配电设计，对于节能、支援国家经济建设，也具有重大的作用。系统的供配电要切实的保证各个器件的需要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求：（1）安全在电能的供应、使用中，不应发生人身事故和设备事故。（2）可靠

47、应满足电能用户对供电可靠性的要求。（3）优质应满足电能用户对电压和频率等质量的要求。（4）经济供电系统的投资要少，运费要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。图3-1 主回路图由于此次设计基于A3000实验台，因此供配电设计也是基于实验室而设计。给所有设备进行供电时，选择三线四相制接线。此次供配电部分设计中，主要是给液位变送器、PLC、PC、变频器、增压泵以及照明供电.其中水泵选择了两相接线。断路器QF可以对线路、电气设备及电动机实行保护，当发生严重过电流、过载、短路、断相、漏电等故障时，自动切断电路，起到保护作用;熔断器FU在当电路发生严重过载或短路时，熔体熔断而切断电路，达到保护的

48、目的;PC,变频器需要220V的交流电供电；而PLC只需要24V直流供电，电动调节阀需要24V交流供电，因此可将220V交流电经开关电源降到24V直流电和交流电以供使用。3.2 控制回路设计控制回路如下图所示。图3-2电气接线图当系统上电后，同时，若此时KA3线圈得电，指示灯HL2点亮，表示整个控制回路上电。若此时选择手动挡，则在按下SB2按钮后，线圈KA得电，触点KA闭合保持自锁，维持线圈KA得电，指示灯HL3点亮，表示变频器正转启动。如果此时选择自动挡，则线圈KA2得电，触点KA2闭合，将这个选择信号传输给PLC，PLC得到此信号后输出让线圈KA1得电，同时触点KA1闭合使线圈KA得电，指

49、示灯HL3点亮，变频器正转启动。若变频器故障，则线圈KA4失电，常闭触点KA4吸合，将故障信号传送给PLC，PLC得到故障信号后输出让线圈KA5和线圈KM得电，相应的触点吸合或断开，达到断开变频器控制回路供电和变频器供电的目的。表3-1 元件说明名称作用继电器KA变频器正常运转状态继电器KA1允许自动状态继电器KA2自动状态输出继电器KA3控制回路上电状态检测继电器KA4变频器故障继电器KA5断开控制回路继电器KM断开变频器供电断路器QF3上电；过流保护；指示灯HL1变频器正转启动指示指示灯HL2系统上电指示指示灯HL3变频器故障报警按钮开关SB1断开手动状态回路按钮开关SB2手动状态开始按钮

50、按钮开关SB3断开选择开关SA手/自动状态切换3.3 PLC选型3.3.1 PLC选型S7-200系列PLC是德国西门子公司声场的一类小型的PLC。其优点有上述的出色表现，因此，S7-200系列PLC一经推出便受到了广大工程技术人员的青睐。S7-200系列PLC是一种小型的PLC系统，其功能非常强大，许多功能可以达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此，在西门子公司刚推出S7-200系列后，马上就收到了广泛的关注。S7-200系列中的CPU22*系列，具有了多种功能模块和人机界面可供选择，使得系统的集成非常方便，并且其在网络中的强大功能，很容易地可以组成PLC网络。同时它具有

51、功能齐全的变成和工业控制组态软件，使得在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系列PLC适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200系列PLC的强大功能使其无论是单机或连接在网络上，都能实现复杂的控制功能，其出色的表现体现在以下几个方面。（1）极高的可靠性。（2）极丰富的指令集。（3）易于掌握。（4）便捷的操作。（5）丰富的内置集成功能。（6）实时特性。（7）强劲的通信能力。（8）丰富的扩展功能。S7-200系列PLC的一个完整组成系统如图3-3所示，它主要由以下几部分组成。图3-3 S7-200系列PLC系统组成S7-200系列PLC的存储

52、系统由RAM和EEPROM两种类型的存储器构成，如图图3-4 CPU的存储系统组成所示，CPU模块内部配备了一定容量的RAM和EEPROM。同时，S7-200系列PLC的CPU模块支持可选的EEPROM存储器卡。在CPU模块内部的超级电容和电池模块用于长时间的保存数据，用户数据可通过主机的超级电容存储若干天。S7-200系列PLC的CPU的存储容量如表3-2所示表3-2 CPU的存储容量主机CPU类型CPU221CPU222CPU223CPU224用户程序区1存储容量2048KB2048KB4096KB4096KB用户程序区2存储容量1024KB1024KB2560KB2560KB用户存储器类

53、型EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM本系统有一台电机、一个液位传感器、一个变频器、五个继电器，共有十八个I/O点，它们构成被控对象。综合分析各类PLC的特点，最终选西门子公司的S7-200系列的PLC。图3-5 CPU224端子图本系统由八个数字量输入点，六个数字量输出点构成被控对象。由于CPU224集成24个输入点和16个输出点，共计40个数字量I/O 点，完全能满足控制要求。此PLC可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个R

54、S485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。 CPU224端子图3-5。3.3.2 I/O扩展模块特点及选型当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU主机可以连接扩展模块，利用这些扩展模块进一步完善CPU的功能。常用的扩展模块有两类，即模拟量输入输出扩展模块、特殊功能模块。模拟量扩展模块类型如表2-6所列。表3-3 模拟量扩展类型S7-200 主机的特殊功能模块有多种类型，例如：功能模块有EM253位置控制模块、EM27

55、7 Profibus-DP模块、EM241调制解调器模块、CP243-1以太网模块、CP243-2 AS-I接口模块等。3.3.3 EM235工作原理及应用EM235是最常用的模拟量扩展模块。 CPU通过此模块可以采集于本模块相连接现场的模拟信号，比如：压力、流量等。可接受电流、电压信号，也可连接两线制变送器。EM235有4路模拟量输入通道，同时还包括了一路模拟量输出通道，输出电压、电流信号用于连续的控制EM235模拟量扩展模块接线图，如图3-6。图3-6 EM235模拟量扩展模块接线图图3-6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。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。（后面将详细介绍）表3-5说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。由表3-5可知，DIP