基于PLC的液体溷合控制本科毕业设计

1、摘要本文以两种液体的混合罐装控制为例，将两种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后要达到一定的温度才能将混合的液体输出容器。并形成循环状态。液体混合系统的控制设计考虑到其动作的连续性以及各个被控设别动作之间的相互关联性，针对不同的工作状态，进行相应的动作控制输出，从而实现液体混合系统从第一种液体加入到混合完成输出的这样一个周期控制工作的程序实现。设计以液体混合控制系统为中心，从控制系统的硬件组成、软件选用到系统的设计过程(包括设计方案、设计要求、梯形图设计、外部链接通讯等)，PLC的产生和定义、过程控制的发展， FX2N系列可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，整个系

2、统各个部分介绍和讲解PLC的过程控制指令PID指令来精确控制各项参数，旨在对其中的设计和制作过程做简单的介绍和说明。关键词：液体混合系统 周期控制 梯形图 FX2N系列PLC PID参数 PID指令AbstractThe request is to a certain proportion by the three liquid mixture,stirring after the motor to reach a certain temperature can be mixed containers of liquids output,and form a cycle.Liquid hybr

3、id systems of control designed taking into account the continuity of its action and charged with various equipment moves between the interrelated,and for different working conditions,and make the appropriate motor control output,thus realizing the liquid hybrid systems from the first liquid added to

4、 the mixture to complete the output of such a cycle control of the program.Designed to liquid mixed as the central control system,control system from the hardware components,software system to choose the design process (including design,design process,design requirements,the ladder design,external c

5、ommunications link,etc.),PLC creation and definition, process control development, FX2N series PLC hardware control, PID tuning parameters and various parameters of the control performance comparison,the entire system, introduce and explain the various parts of the PLC process control commands PID i

6、nstruction to control the parameters precisely.Which seeks to the design and production process of doing brief introduction and description.Keywords：.Liquid hybrid systems cycle control ladder design FX2N series PLC PID parameters PID instruction目录摘要- 1 -ABSTRACT- 1 -绪论- 4 -元件介绍及硬件电路设计- 12 -3.1 三菱PL

7、C控制系统- 12 -3.1.1 CPU模块- 13 -3.1.2 I/O模块- 13 -3.1.3电源模块- 14 -3.4 电磁流量计- 16 -3.5模拟量输入输出模块- 17 -4.1 软件设计思想- 20 -4.2 PID调节的各个环节及其调节过程 - 22 -4.2.1比例控制及其调节过程- 23 -4.2.2比例积分调节- 23 -4.2.3比例积分微分调节- 23 -4.3 三菱FX2系列PLC中PID指令的使用- 24 -4.4 在PLC中的PID控制的编程- 25 -4.4.1回路的输入输出变量的转换和标准化- 25 -4.5变量的范围- 27 -5.1 硬件调试

8、方法- 28 -5.1.1 常见的硬件故障- 28 -5.1.2系统常见故障分析及维护- 29 -结论- 31 -参考文献- 32 -第一章 绪论1.1 课题的背景与意义1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车（GM）公司提出了公开招标方案，设想将功能完备灵活通用的计算机技术与继电器便于使用的特点相结合，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题的“自然语言”编程，生产一种新型的工业通用控制器，使人们不必花费大量的经历进行计算机编程，也能像继电器那样方便的使用。这个方案首先得到了美国数字设备(DEC)公司的积极相应，并中标。该公司于1969年研制出了第一台符合招标要求的工业

9、控制器，命名为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC（有的称为PC），并在GM公司的汽车自动装配线上试验获得了成功。这种新型的智能化工业控制装置很快在美国其他工业控制领域推广应用，至1971年，已成功地将PLC用于食品、饮料、冶金、造纸等行业。1.2 课题的应用与展望PLC是一种以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术、通信技术和传统的继电器控制技术而发展起来的新型工业控制装置，一经出现，由于他的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备受国内外工程技术人员和工业界厂商的吉大关注，生产PLC的厂家云起。随着大规模

10、集成电路和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展。近年来在工业生产的许多领域，如冶金、机械、电力、石油、煤炭、化工、轻纺、交通、食品、环保、轻工、建材等工业部门得到了广泛的应用，已经成为工业自动化的三大支柱之一。为了提高生产质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，场频生产正在哦想缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。在炼油化工制药等行业中多种液体混合是必不可少的工序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。但由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，一直现场工作环境十分恶劣，不适合人工现场操作。另外，生产要求该系统要具有配料精确、控制可靠

11、等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。所以为了帮助相关行业，特别是其中的中小型企业实现多种液体混合的自动控制，从而达到液体混合的目的，液体混合自动配料势必就是摆在我们眼前的一大课题。借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用、了解不同公司的可编程序控制器的型号和原理，熟悉其编程方式，而多种液体混合装置的控制更常见于生产中，适合大中型饮料生产厂家，尤其见于化工业中，便于学以致用。1.3 课题举例简介 采用基于PLC的控制系统来取代原来由单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的可移植性和可维护性。度提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助，同时又提高了生产线的效率、使用寿

12、命和质量，减少了企业场频质量的波动，因此具有广阔的市场前景。用PLC进行开关量控制的实例很多，在冶金机械纺织轻化工铁路等行业几乎都需要到它，如灯光照明，机床电控食品加工印刷机械电梯自动化仓库液体混合自动配料系统，生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC来取代产同的继电器控制。本次设计是将PLC用于多种液体混合灌装设置的控制，对学校与使用是很好的接结合。本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有（1）是液体灌装机能够时限安全、高效的灌装；（2）满足灌装的各项技术要求；（3）具体内容包括多种控制方案的设计、软硬件电路的设计、常见故障的分析等等。恩课题应解决得主要问题是如何使PLC在液体混合过程

13、中实现控制功能，在相关的研究文献报道中用PLC对灌装机进行控制的研究上不多见，以致人们难以根据它的具体情况、正确的选用参数进行那个系统控制、也就是难以满足提高质量和效率、降低成本的要求，本设计就是基于以上我能提进行的一些探索。整个设计过程是按思想工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务。设计的编写按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号（GB4728）及其他相关标准和规范编写。设计原则主要包括：工作条件；工程队电气控制线路提供的具体资料。系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下，尽量做到经济合理合用，减小设备成本。方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品。控制由

14、人工控制到自控控制，由模拟控制到微机控制，使功能的实现由一到多而且更加趋于完善。对于本课题来说，如果液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改造升级，新控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成并需尽可能的利用旧系统中的元器件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员迅速掌握。从企业的改造要求可以看出在新的控制系统中既需要处理模拟量也需要处理大量的开关量，系统的可靠性要高，人机交互界面友好，应具备数据储存和分析汇总的能力。第2章 设计方案与论证2.1总体结构设计 总体设计分析本设计的液体混合装置主要完成两种液体的自动按比例定量混合搅拌并控制温度对其加热，此装

15、置所需要的控制的元件有：其中L是超声波液面传感器，随液位高度而线性变化。DA和DB分别为控制A液和B液流速的电动调节阀，M为搅拌电机，T为PT-100温度传感器探头，H为加热器，另外还有控制电动机的一个交流接触器,用作显示温度和液位高度的数码管显示器。A液B液电动调节阀DA、DB温度传感器T搅拌器M加热器HM混合液体排除电磁阀Y1液体混合自动控制装置系统图 系统操作流程(1) 初始状态初始状态容器是空的，各个阀门均关闭状态，具体是电磁阀Y1为关闭状态，电动调节阀DA、DB开度为零，加热器H为停止加热状态，温度传感器T和液位传感器L随启动按钮开始检测当前温度值，搅拌器电机M为停止工作状态。(2)

16、 启动操作按下启动按钮S1，开始下列操作：温度传感器T、液位传感器L和流量传感器S开始检测当前罐内温度、液位和管道内的液体流量，将数据分别送至输入模块和模块，并在各自二次仪表的显示屏上显示出来；DA的开度开始随模块的输出变化而变化；待液位将到达指定位置，如10cm时，DA开度渐为零，DB的开度在DA开度为零后一段时间后，开始随输出模块的输出变化而变化，由零逐渐变大，控制过程同DA开度的控制，至指定位置20cm止；然后搅拌器M开始搅拌且加热器H开始加热，根据温度显示至工艺要求温度后，停止加热和搅拌；电磁阀Y1打开释放符合混合要求的液体，随着液位的降低至规定位置，停止Y1，由模块输出控制DA和DB

17、的开度，继续以上过程。（3） 停止操作按下停止键S2，无论处于什么状态系统均停止所有动作。在整个混合过程中，系统实时显示容器内液位高度（单位cm），混合液体温度（单位）以及管道内A、B液体的流量（单位m/s）。22 具体设计考虑 主控制器选择就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机、可编程序控制器控制。（1） 继电器控制系统控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往

18、非常困难，虽然继电器本省价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。（2） 单片机控制单片机作为一个超大规模的集成电路，结构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为工控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。（3） 工业控制计算机控制工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、使用性强、功能复杂的领域中

19、占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座、直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。（4） 可编程序控制器控制可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器硬件配置和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触电和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。可编程控制器（PLC）从上个世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。随着30多难来微电子技术的不断发

20、展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。现在PLC已经发展成为不但具有逻辑控制功能，还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种性能，是名副其实的多功能控制器。由PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置。在工业生产过程中，有很多连续变化的量，如温度、压力、流量、液体和速度等都是模拟量。为了使PLC处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D和D/A转换。PLC制造厂商都有配套的A/D和D/A模块，使PLC可以很方便地用于模拟量控制。综上考虑，本系统设计采用FX2N系列功能

21、增强型PLC，配合用于模拟量输入和输出处理模块，完成系统的各项要求。具体参数性能详见硬件电路设计。 温度传感器的选择温度传感器主要用在液体经混合后的加热的控制阶段，现场工艺对价热的要求为100摄氏度以内，且考虑到主控制器为PLC，温度检测从以下范围中选择。（1） 集成温度模块（ds18b20） Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为±0.5°C。可选更小的封装方式，更宽的电

22、压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。但是作为液体测量的特殊对象，这种传感器不适合使用。（2） 热电偶热电偶也是一种感温元件，属于一次仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 在通过电气仪表转换成被测介质的温度，或由A/D转换电路变为数字信号交由数字控制器做后续处理。其中的型（镍铬镍硅）热电偶，其可测量1312以内的温度，且其线性度较好，而且价格也便宜。但是热电偶的热电动势值小，补偿导线误差大，且价格高昂。 (3)热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广

23、泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。液体混合工艺温度一般都希望控制在35100范围内，而Pt-100的测温范围为-200850，完全足够。铂热电阻的线性较好，在0100之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度，所以综合考虑各方方面后Pt-100是最合适的。所以本系统采用了三线的铂电阻PT-100做温度检测部件，具体参数性能详见硬件电路设计。 液位传感器的选择液位的测量几乎遍及生产与生活的各个领域，尤其在工业生产过程领域。随着科学技术与生产的迅速发展，液位自动检测领域出现了种类多样的测量手段，并且其功能越来越完善，各项性能指标越来越适用工业生产的要求。本次设计中的液体测量要求精度高，还需

24、很好地适应工业现场的特殊环境，具有在恶劣环境下持续传感的能力，对液位测量提出了精确、实时、在线的要求。（1）传统压力传感器采用压力传感器检测液体液位高度十分方便且比较常用，其原理是根据静压力计算公式：P=dH。式中P为静压力（单位可用水柱高度m、Pa、 kgf/cm2 等表示）；d为液体密度（单位：kg/m3）；H为液柱高度（单位：m）。当已知需要检测的液位高度范围H和液体密度d，即可换算出压力值。缺点一是有零漂，稳定性上稍微差些且难以补偿；二是由于此次测试液体高度分为单一液体检测和混合液体检测，故在混合前后容器中液体密度会发生较大的变化，而且不易实现补偿。（2）投入式液位传感器投入式液位传感

25、器是一种测量液位的压力传感器投入式液位传感器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420mA）。投入式液位传感器适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户的使用提供了方便。420mA、 05V、 010mA等标准信号输出方式可以根据需要任选，可以和FX2N-2AD模拟量输入模块很好的结合为前向通道。但是由于此次测试液体高度分为单一液体检测和混合液体检测，故在混合前后容器中液体密

26、度会发生较大的变化，而且不易实现补偿。（3）光纤液位传感器光纤液位检测是近年来出现的一种新技术，目前国内外已有不少产品问世。就目前国内外已公开的这类液体检测传感器来看，其所采用的具体方法各不相同，但就其检测原理而言，检测机构中一般由输入光纤束、输出光纤束、光电转换器、传感器壳体组成，根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。该种测试方法安全防爆、准确度高、可远距离传输、抗电磁干扰；体积小、重量轻、无动作部件；大多可适用于任何液体液位高度的检测与控制，特别适用于易燃、易爆、腐蚀性液体的检测；检测精度高，在静态下检测精度可达1 mm。缺点：有很多机械传动部件，故障率会增加，安装也复

27、杂；由于其接触的测量方式、发展未成熟和较高的安装、维护要求导致市场普及不广。（4）超声波液位测量超声波测量液位的方法很多，应用比较广泛的是脉冲回波法。这种方法是从声波源发射声波，测量声波到达所测液面后反射回来所需时间，利用该时间与液位高度成比例的原理来进行测量。通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间，再根据介质中超声波的传播速度和换能器的安装高度，就可计算出液位的高度。优点：可实现非接触测量超声波传感器安装于料仓、液罐上方，不直接接触物料，克服了其它型号液（物）位计直接接触物料和由此而带来的弊端；可用于腐蚀性液体、高粘性液体、有毒性液体等液位的测量；响应时

28、间短，可以方便地实现无滞后的实时测量；安装、维护较方便。SHHO超声波液位测量原理综上考虑，本系统采用使用广泛且简单的超声波液位仪来完成该设计中液体检测工作，具体原理和参数详见元件简介部分。 液体流量传感器流量传感器在该设计中应用在检测液体的流量，通过流量的检测值来计算所需液体的体积，通过程序中的积分运算来控制液体电动阀的开度。在现代生产过程自动化中，流量是重要参数之一。为了有效地进行生产操作、监视和自动控制，需要对生产过程中各种介质的流量进行检测和变送，以便为生产操作和控制提供依据。生产过程中无聊总量的计量还是经济核算和能源管理的重要依据。因此，流量监测及变送是发展生产、节约能源、改进产品质

29、量，提高经济效益和管理水平的重要工具，是工业自动化仪表与装置中的重要仪表之一。流量测量仪表也陈流量计。它通常由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表亦称为传感器，二次仪表称为现实装置或变送器。(1) 差压式流量计充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质（密度、粘度）不同时，在同样大小的流量

30、下产生的压差也是不同的.通过测量差压制便可求得流体流量，并转换成电信号输出，例如DC420mA统一标准信号。因此，差压式由产生差压的装置和差压计两部分组成，即一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类,如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。其结构及拿单可靠，应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长。缺点是测量精度普遍偏低；范围度窄,一般仅3:14:1；现场安装条件要求高；压损大（指孔板、喷嘴等）。（2）浮子流量计浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表，又称转子流

31、量计。在美国、日本常称作变面积流量计（Variable Area Flowmeter）或面积流量计。浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。被测流体从下向上经过锥管和浮子形成的环隙时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。优点是浮子流量计有较宽的流量范围度，一般为10：1，最低为5：1，最高为25：1

32、。流量检测元件的输出接近于线性。压力损失较低。缺点是大部分结构浮子流量计只能用于自下向上垂直流的管道安装，不能完全适应生产现场的工艺需要；当使用流体和出厂标定流体不同时，要作流量示值修正。液体用浮子流量计通常以水标定，气体用空气标定，如实际使用流体密度、粘度与之不同，流量要偏离原分度值，要作换算修正。(3) 电磁流量计电磁流量计的工作原理为法拉第电磁感应定律。导电液体在磁场中流动切割磁力线，产生感应电势。表达式为：E=KBLv ，式中，B为磁感应强度；L为测量电极之间的距离；v为被测流体在磁场中运动的平均速度；K为比例常数。电磁流量计主要由变送器（又称一次装置、检出器或传感器）和转换器（又称二

33、次装置或变换器）及流量显示仪表三部分组成。变送器把流过的被测液体的流量转换为相应的感应电势。转换器的作用是把电磁流量变送器输出的和流量成比例的毫伏级电压信号放大并转换成为可被工业仪表或控制器接收的标准直流电流、电压或脉冲信号输出，以便与仪表及调节器配合，实现流量的指示、记录和运算。优点一是其测量精度不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响，传感器感应电压信号与平均流速呈线性关系，因此测量精度高；二是测量管道内无阻流件，因此没有附加的压力损失；测量管道内无可动部件，因此传感器寿命极长；三是由于感应电压信号是在整个充满磁场的空间中形成的，是管道载面上的平均值，因此传感器所需的直管段较短，长

34、度为5倍的管道直径；四是传感器部分只有内衬和电极与被测液体接触，只要合理选择电极和内衬材料，即可耐腐蚀和耐磨损。综上考虑，本次设计采用电磁式流量计来检测呼喝液体的流量，进而通过程序计算出液体的精确体积，达到精确控制混合过程的目的，关于电磁式流量计的具体工作原理和液体体积的计算方法在元件具体选择处详述。 前向通道（A/D）后向通道（D/A）选择由于本次设计的主控制器选择为PLC，而实现模数和数模转换最简便的方式莫过于使用模数转换模块和书模转换模块，接线简单，便于安装调试，系统结构紧凑等优点。模数转换模块分为转换模块和转换模块。PLC模拟量处理功能主要他欧冠过模拟量输入输出模块及用户程序来完成。模

35、拟量输入模块接收各种传感器输出的标准电压信号或电流信号，并将其转换为数字信号存储到PLC中。PLC根据生产实际要求，通过用户程序对转换后的信息进行处理结果通过模拟量输出模块转换为标准电压信号或电流信号去驱动执行元件。第三章 元件介绍及硬件电路设计3.1 三菱PLC控制系统FX2系列PLC是三菱电机公司1991年继F、F1、F2系列之后推出的产品，是目前运行速度最快的小型PLC之一。下面我们以小型FX2系列PLC为例介绍PLC的硬件组成。外存接口其他接口中央处理器CPUROMRAM编辑器CPROMEPROMRAM其他设备计算机A/D D/A输入接口光电耦合输出接口继电器或晶体管图2.1 PLC的

36、原理图 CPU模块 CPU是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑”。其功能是：1、PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。2、用扫描方式接受现场输入装置的状态，并存入映像寄存器。3、诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读去用户程序，按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去起闭有关控制电路。 I/O模块I/O模块是CPU与现成I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块和各种用途I/O元件供用户选用。如输

37、入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、误码校验、A/D或D/A变换以及其他功能模块等。I/O模块将外部输入信号变换成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常的工作。其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。输出方式有三种：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。 电源模块根据PLC的设计特点，它对电源并无特殊需求，它可使用一般工业电源。PLC一般的接口和通讯模块还需要5.2V和24V直流电源。这些电源都由PLC本身的电源模块供给，所以在实际应用中要注意电源模块的选择。在选择电源模块时一般应考

38、虑以下几点：1.电源模块的输入电压。PLC电源模块可以包括各种各样的输入电压，有220V交流、110V交流和24V直流。在实际应用中要根据具体情况选择，此时要注意，确定了输入电压后，也就确定了系统供电电源的输入电压。2.电源模块的输出功率。在选择电源模块时，其额定输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块等总的消耗功率之和，并且要留有30%左右的余量。当同一电源模块既要为主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25V。3.扩展单元中的电源模块。在有的系统中，由于扩展单元中安装有智能模块及一些特殊模块，就要求在扩展单元中安装相应的电源模块。这时相应得电源模块输出功率可按各自

39、得供电范围计算。4.电源模块接线。选定了电源模块后，还要确定电源模块的接线端子和连接方式，以便正确进行系统供电的设计。一般的电源模块输入电压是通过接线端子与供电电源相连的，而输出信号则通过总线插座与PLC的CPU的总线相连。3.2 温度传感器PT-100Pt-100的外观如图所示：图9 Pt-100外观图Pt-100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下：测量范围-200+850允许偏差值A级±（0.150.002t）B级±（0.300.005t）热响应时间<30s最小置入深度热电阻的最小置入深度200mm允通电流5mA另外，Pt-100温度传感器还具

40、有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。铂热电阻的线性较好，在0100之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。铂热电阻阻值与温度关系为：（1）-200<t<0时，RPt=100*1+At+B*t2+C*t3*(t-100) (2.1)（2） 0t850时，RPt=100*1+At+B*t2 (2.2)式中，A=3.90802×10 - 3,B=-5.8×10 - 8，C=4.2735×10 - 13。可见Pt100在常温0100之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：RPt=100（1+At），当温度变化1，Pt-100阻值近似变化0

41、.39。Pt-100宽范围、高精度的特点,使其测量领域很广，如：轴瓦，缸体，油管，水管，汽管，纺机，空调，热水器等狭小空间工业设备测温和控制；汽车空调、冰箱、冷柜、饮水机、咖啡机，烘干机以及中低温干燥箱、恒温箱等;供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。 Pt-100传感器内部电路如图2.7所示。图10 Pt-100内部结构图R2、R3、R4和Pt-100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3可以调整输入到运放的差分电

42、压信号大小，通常用于调整零点。放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，前一级约为10倍，后一级约为3倍。温度在0100变化，当温度上升时，Pt-100阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压对应升高。3.3超声波液位仪发射用超声波传感器的驱动电路。其驱动方式有自激型和他激型，图2 给出的是自激型运放振荡电路。超声波传感器接收电路。超声波在传输过程中会产生能量的衰减，因此接收电路必须对接收到的微弱信号进行放大。若增益不足时，可再增加一级放大。设计中选用SONIC系列超声液位（物位）计，采用超声波收发、测量时间差原理测得

43、液位（物位）高度。产品具有自动功率调整，增益控制，温度补偿，先进的检测技术和计算技术，提高了仪表的测量精度，丰富的SIEMENS类的软件功能对干扰回波有抑制功能，广泛应用于电力、冶金、化工、建筑、粮食、给排水等行业，既可测量液体物料也可测量固体物料。SONIC系列超声波物（液）位计技术参数如下表所示：显 示主机2*16LCD背光显示液（物）位高度量 程3 m、5m、10 m、 15 m、 30 m、 40 m盲区及开角盲区0.3-0.8 m(与量程有关)，开角小于12度测量精度0.25分辨率1mm测量周期小于0.2秒（根据不同要求调整）信号输出4-20mA（光隔离），负载小于750，RS485

44、继电器触点容量AC250V，7A。上下限报警输出环境温度(仪表)-2550; (传感器)-2580 环境湿度相对湿度小于85%功 耗小于5W防护等级IP65(一体式);IP67(分体式传感器 ) 电 源AC220V±15% 50Hz或DC-24v（18v30v）3.4 电磁流量计电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时，则会产生感应电压。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过不导电的内衬（橡胶，特氟隆等）实现与流体和测量电极的电磁隔离。电磁流量计的

45、测量原理，见图所示。当充满管道连续流动的导电液体在磁场中垂直于磁力线方向通过时，由于导电液体切割磁力线，则在管道两侧的电极上产生感应电动势E，E的大小与液体流动速度v有关：E=BDv×10-8，式中，B为磁感应强度；D为管道直径，单位为cm。流体的体积流量Q（cm3/s）与流速（cm/s）的关系为：Q=D2v/4，将此式代入上式得：E=4BQ×10-8/D=kQ，式中，k为仪表常数，k=4×10-8B/D，当B和D一定时，k为常数。由Q的计算公式知，电磁流量计的感应电动势与流量具有良好的线性特性。电磁流量变送器是由励磁电路、信号滤波放大电路、A/D采样电路、微处理

46、器电路、D/A电路、变送电路等组成。转换部分将感应电动势进行电压放大、相敏检波、功率放大和V/I转换，最后转换成DC 420mA统一标准信号Io输出，可见Io与被测流量具有线性关系。电磁流量变送器的测量管道中无阻力元件，气压力损失小，流速范围大，可达0.510m/s；量程比达10：1；其精度可优于0.5级。电磁流量变送器对被测液体的导电率有一定的要求，一般要求导电率r>10-4s/cm。同时，流量计前后要有一定的直管道长度，同茶馆大于（510）D，其中D为管道直径。电磁流量变送器一般为水平安装，液体应充满管道连续流动，也可以垂直安装，要求液体自下而上流过变送器。本设计选用LDE型电磁流量

47、计，其技术参数如下表所示：测量误差管道式0.5级、1.0级；插入式2.5级测量介质：电导率大于5S/cm的各种液体和液固两相流体。流速范围：0.28m/s工作压力：1.6MPa环境温度：-40+50介质温度：聚四氟乙烯衬里180橡胶材质衬里：65防爆标志：ExmibdBT4防爆证号：GYB01349外磁干扰：400A/m外壳防护：一体化型： IP65；分 离 型：传感器IP68(水下5米，仅限于橡胶衬里)输出信号：420mA.DC，负载电阻0750通讯输出：RS485或CAN总线电气连接：M20×1.5内螺纹，10电缆孔电源电压：90220V.AC、24±10%V.DC最大

48、功耗：10VA3.5模拟量输入输出模块 通用模拟量输入模块FX2N-2ADFX2N-2AD是2通道12位A/D转换模块，FX2N-4AD是4通道12位A/D转换模块，FX2N-8AD是8通道1216位A/D转换模块，根据外部接线需要和PLC功能指令对这些模块进行初始化设置。可选择电压输入或电流输入，借助伏安表通过模块简单的切换调整，或者借助指令，可以方便地改变模拟量输入范围，瞬时值和设定值等数据可以用FROM/TO指令读出或写入。这三种A/D转换器都是高精度模拟量输入模块，只要选择合适的传感器及前置放大器，就可以用于温度、压力、流量、速度、电流和电压等系统模拟信号的监视与控制。就本系统而言，需

49、要检测的模拟量为液位，所以选用FX2N-2AD模块，其技术指标详见所示。项目电压输入电流输入模拟输入范围在装运时，对于DC010V的模拟电压信号输入，此单元调整的数字范围是04000。当使用FX2N-2AD 并通过电流输入或通过DC05V输入时，就有必要通过偏移值和增益量进行在调节DC010V，DC05V（输入阻抗为200K欧姆）警告：当输入电压超过DC+15V时，此单元有可能造成损坏420mA（输入阻抗为250欧姆）警告：当输入电流超过-2mA，+60mA时，此单元有可能造成损坏数字输出12位分辨率2.5mV（10V/4000）,1.25mV(5V/4000)4uA（20-4）/4000集成

50、精度正负1%全范围（010V）正负1%（全范围420mA）处理时间2.5ms/1通道（顺序程序和同步） 温度传感器模拟量输入模块FX2N-4AD-PT该模块是4通道温度输入12位A/D转换模块。模块内附有温度传感器的前置放大器，因此，它可以直接与三线的铂电阻Pt100-3型传感器匹4路输入通道相连接。带有补偿的4路输入可校正创干起的非线性。模块的瞬时值与设定值等数据也可以用FROM/TO指令读出或写入，该模块的技术指标如下表所示：项目摄氏度华氏度通过读取适当的缓冲区，可以得到°C和°F两种可读数据模拟输入信号箔温度PT100传感器（100欧姆），3线，4通道（CH1,CH2

51、,CH3,CH4）,3850PPM/°C（DIN43760,JISC16041989）传感器电流1mA传感器：100欧姆 PT100补偿范围-100+600°C-148+1112°F数字输出-10006000-1480+1112012位转换11数据位+1符号位最小可测温度0.20.3°C0.360.54°F总精度全范围正负1%（补偿范围）转换速度4通道15ms 模拟量输出模块FX2N-4DA该模块有4个输出通道。输出通道接收数字信号并转换成等价的模拟信号，故也称D/A转换。FX2N-4DA最大分辨率是12位。输入、输出的电压、电流选择通过用户配

52、线完成。FX2N-4DA和FX2N主单元之间通过缓冲存储器交换数据，FX2N-4DA共有32个缓冲寄存器（每个是16位）。FX2N-4DA占用FX2N扩展总线8个点，这8个点可以分配成输入和输出。FX2N-4DA中瞬时值和设定值等数据的读出和写入可用FROM/TO指令。FX2N-4DA的主要技术指标如下表所示： 项目电压输出电流输出模拟输出范围DC-10+10V（外部负载阻抗：2k1M）DC020mA（外部负载阻抗：500）数字输入16位，二进制，有符号（数值有效位：11位和一个符号位（1位）分辨率5mV（10V*1/2000）20A（20mA*1/1000）总体精度±1%（对于+1

53、0V的全范围）±1%（对于+20mA的全范围）转换速度4个通道2.1ms（改变是用的通道数不会改变转换速度）隔离模拟和数字之间用光耦合器隔离，DC/DC转换器用来隔离电源和FX2N主单元，模拟通道之间没有隔离外部电源DC24V±10%200mA占用I/O点数目占用FX2N扩展总线8点I/O（输入输出皆可）功率消耗5V，30mA（MPU的内部电源或者有源扩展单元）3.6 搅拌电机EJ15-3本设计中，液体经混合后需要加热和搅拌，其中搅拌电机选用EJ15-3型电动机，其中“E”表示电动机，“J”表示交流的，15为设计序号，3为最大工作电流，相关元件主要技术参数及原理如下：EJ1

54、5系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼三相异步电动机。额定电压为220V，额定频率为50Hz，功率为2.5KW，采用三角形接法。电动机运行海拔不超过1000m。工作温度-1540°C/湿度90%.。EJ15系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。其硬件电路图如下： 第四章 系统软件设计4.1 软件设计思想要实现整个液体混合控制系统的精确控制，区别于之前的以开关量为主的传感器和执行器的模糊控制，需要从怎样实现各电动阀的开度控制以及混合液体加热的控制这两个角度去考虑，现在就这两个问题的如何实现以及选择怎样的方法来去确定系统软件设计方案。既然在过去的控制领域中

55、，无法实现对混合液提的精确控制和温度的精确加热，这次设计的主题问题就是完成对混合液体的精确控制和对其混合液体的精确加热，两个同时使用PID控制执行。软件部分完成由流量而算出的液体体积作为设定值，来控制混合液体电动阀的开度；完成由既定工艺加热温度作为设定值的温度恒值加热控制，从定比例混合到搅拌加热均实现对液体混合过程的精确控制。系统的控制框图如下，其中温度T控制原理和流量Q的控制原理均由该框图示意：SpnE（t）M(t)c（t）执行机构被控对象PID控制器敏感元件pv（t）为了完成对混合液体的精确控制，电动调节阀要以一定的开度来控制进入容器的液体流量，调节手段是通过将超声波液位仪检测到的电信号送

56、入PLC中，经过A/D变换成数字信号，送入数字PID调节器中，经PID算法后将控制量经过D/A转换成与电动调节阀开度相对应的电信号送入电动调节阀中控制通道中的液体流量。 系统的控制框图如图4.2所示。其中SP为给定信号，由用户通过计算机设定，PV为控制变量，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经过PLC的PID程序运算后输出，调节器的输出信号经过PLC的D/A转换成4-20mA的模拟电信号后输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量，使水箱的液位保持设定值。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到PLC的输入接口，再经过A/D转换成控制量PV，给定值SP与控制量PV经过PLC的CPU的减法运算成了偏差信号e ,又输入到PID调节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。当上水箱的液位小于设定值时，压力变送器检测到的信号小于设定值，设定值与反馈值的差就是PID调节器的输入偏差信号。经过运算后即输出控制信号给电动调节阀，使其开度增大，以使通道里的水流量变大，增加水箱里的储水量，液位升高。当液位升高到设定高度时，设定值与控制变量平衡，PID调节器的输入偏差信号为零，电动调节阀就维持在那个开度，流量也不变，同时水箱的液位也维持不变。系统的控制框图如图4.2所示。其中SP为给定信号，由用户通过计算机设定，PV为控制变量，它们的差是P