PLC水箱液位控制系统毕业设计.docx

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1、PLC水箱液位控制系统毕业设计 (此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 摘要 本次毕业设计的课题是基于PLC的液位控制系统的设计。在设计中，笔者主要负责的是数学模型的建立和控制算法的设计，因此在论文中设计用到的PID算法提到得较多，PLC方面的知识较少。 本文的主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析， FX2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，应PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过控制指令PID指令来控制水箱水位。 关键词：FX2系列PLC，控制对象特性，PID控制算法

2、，扩充临界比例法，PID指令，实验。 The liquid level control system based on PLC ABSTRACT The subject of graduation design is based on PLC, liquid level control system design. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model and control algorithm design, so the design used in the paper refe

3、rred to was more PID algorithm, PLC in less knowledge. Main contents of this article: PLC creation and definition, process control, development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curve analysis, FX2 series PLC , the application PID control algorithm obtained experimenta

4、l curve analysis, the entire system, introduce and explain the various parts of the PLC process control commands to control the tank level PID instruction. Keywords：FX2 series PLC, the control object characteristics, PID control algorithm, to expand the critical proportion method, PID instruction, e

5、xperimental. 目录 中文摘要. I 英文摘要. I I 1 绪论. (1) 1.1 PLC的产生、定义及现状 (1) 1.1.1PLC的产生、定义 (1) 1.1.2PLC的发展现状 (1) 1.2过程控制的发展 (2) 1.3本文研究的目的、主要内容 (3) 1.3.1本文研究的目的、意义 (3) 1.3.2本文研究的主要内容 (3) 2 FX2系列PLC和控制对象介绍 (5) 2.1 三菱PLC控制系统 (5) 2.1.1 CPU模块 (5) 2.1.2 IO模块 (6) 2.1.3电源模块 (6) 2.2 过程建模 (6) 2.2.1 一阶单容上水箱对象特性 (6) 2.2.

6、2 二阶双容下水箱对象特性 (11) 3 PID调节及串级控制系统 (15) 3.1 PID调节的各个环节及其调节过程 (15) 3.1.1比例控制及其调节过程 (16) 3.1.2比例积分调节 (16) 3.1.3比例积分微分调节 (17) 3.2 串级控制 (18) 3.2.1串级控制系统的结构 (18) 3.2.2串级控制系统的特点 (19) 3.2.3串级控制系统的设计 (19) 3.3 扩充临界比例度法 (21) 3.4 三菱FX2系列PLC中PID指令的使用 (22) 3.5在PLC中的PID控制的编程 (23) 3.5.1回路的输入输出变量的转换和标准化 (23) 3.6变量的范

7、围 (25) 4 控制方案设计 (27) 4.1 系统设计 (27) 4.1.1上水箱液位的自动调节 (27) 4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统 (29) 4.2 硬件设计 (29) 4.2.1检测单元 (29) 4.2.3控制单元 (30) 4.3软件设计 (31) 5 运行 (32) 5.1 上水箱液位比例调节 (32) 5.2 上水箱液位比例积分调节 (32) 5.3 上水箱液位比例积分微分调节 (32) 致谢 (35) 参考文献 (36) 论文原创性声明 1 绪论 1.1 PLC的产生、定义及现状 1.1.1PLC的产生、定义 一、可编程控制器的产生 20世纪60年代，在世界技术

8、改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。 二、可编程控制器的定义 国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各

9、种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 1.1.2PLC的发展现状 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步

10、入成熟阶段。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了 各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程

11、控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PL

12、C在我国将有更广阔的应用天地。 1.2过程控制的发展 进入90年代以来，自动化技术发展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产自动化中，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、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。 在本世纪40年代前后，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。生产过程中的噶参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。因此，当时的劳动效率是很低的。 40年代以后，生产自动化发展很快。尤其是近年来，过程控制技术发展更为迅速。纵观过

13、程控制的发展历史，大致经历了下述几个阶段： 50年代前后，过程控制开始得到发展。一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。这是过程控制发展的第一阶段。这阶段主要的特点：检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分组合仪表；过程控制结构大多数是单输入单输出系统；被控制参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数；控制目的是保持这些参数的稳定，消除或减少对生产过程的主要扰动。 在60年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二阶段。在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表。为了满足定型、灵活、多功能的要求，有出现了组合仪表，它

14、将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。 70年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型机算计的开发应用，使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进行控制和经营管理，是这一阶段的主要特征。过程控制发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三阶段。在新型的自动化技术工具方面，开始采用微处理器为核心的智能单元组合仪表；在测量变送器方面，教为突出的成分在线检测与数据处理的应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅型仪表产品品种增加，可靠性提

15、高，而且是本质安全防爆，适应了各种复杂控制系统的要求。 1.3本文研究的目的、主要内容 1.3.1本文研究的目的、意义 为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。 液位控制系统

16、它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。 在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。 1.3.2本文研究的主要内容 一、一个系统是否能达到预期的控制效果，其系统的数学模型相当的重要，直接关系到控制结果的正确与否。 二、在液位控制系统中，调节阀是否与所控制的液体发生化学反应等，直接的影响到控制结果。 三、控制方案的选取，一

17、个好的方案会让系统更加完美，所以方案的选取也非常重要。 四、调节器参数的整定，一个系统有了好的方案，但是如果参数整定错误那也是功亏一篑。 2 FX2系列PLC和控制对象介绍 2.1 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。图2.1为PLC的原理图。 图2.1 PLC的原理图 2.1.1 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

18、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。 2.1.2 IO模块 IO模块是CPU与现成IO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IO模块和各种用途IO元件供用户选用。如输入输出电平转换、电气隔离、串并行转换、数据传送、误码校验、AD或DA变换以及其他功能模块等。IO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

19、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。 2.1.3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。2.2 过程建模 过程控制系统的品质，是由组成系统的过程和过程检测控制仪表各环节的特性和系统的结构所决定。在构成控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料。所以，建立过程的数学模型，对实现生产过程自动化有着十分重要的意义。可以这样说，一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的了解和建立过

20、程的数学模型。 2.2.1 一阶单容上水箱对象特性 所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。 一、自衡过程的建摸 所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。 液位过程，图2.2所示为一个单容液位被控过程，其流入量，改变阀1的开度可以改变的大小。其流出量为，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变。液位h的变化反映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若作为被控过程的输入变量,，PID回路输出的计算值； 是回路增益； 是采样时刻n的回路误差值； 是回路误差的前一个数值(在采样时刻n

21、-1)； 是采样时刻x的回路误差值； 是积分项的比例常数； 是回路输出的初始值； 是微分项的比例常数； 从这个公式可以看出，积分项是从第1个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数。微分项是当前采样和前一次采样的函数，比例项仅是当前采样的函数。在数字计算机中，不保存所有的误差项，实际上也不必要。由于计算机从第一次采样开始，每有一个偏差采样值必须计算一次输出值，只需要保存偏差前值和积分项前值。作为数字计算机解决的重复性的结果，可以得到在任何采样时刻必须计算的方程的一个简化算式。简化算式是： )(1-*+*+*=n n D x n I n P n e e K M e K e K M 输出=比例项+积

22、分项+微分项。 其中： 是在采样时间n 时，回路输出的计算值； 是回路增益； 是采样时刻n 的回路误差值； 是回路误差的前一个数值(在采样时刻n-1)； 是积分项的比例常数； 是积分项的前一个数值(在采样时刻n-1)； 是微分项的比例常数； 一、回路输入的转换和标准化: 是将现实世界的值的实数值表达形式转换成0.0-1.0之间的标准化值。下面的算式可以用于标准化设定值或过程变量值： )/(偏移量跨度+=Rraw Rnorm 其中： 是现实世界数值的标准化的实数值表达式。 是现实世界数值的未标准化的或原始的实数值表达式。 偏移量对于单极性为0.0。 对于双极性为0.5。 跨度是最大可能值减去最小

23、可能值： 对于单极性数值(典型值)为32,000。 对于双极性数值(典型值)为64,000。 二、回路输出值转换成刻度整数值 回路输出值一般是控制变量，比如，在汽车速度控制中，可以是油阀开度的设置。回路输出是0.0和1.0之间的一个标准化了的实数值。在回路输出可以用于驱动模拟输出之前，回路输出必须转换成一个16位的标定整数值。这一过程，是将PV 和SP 转换为标准值的逆过程。第一步是使用下面给出的公式，将回路输出转换成一个标定的实数值： = (-偏移量) * 跨度 其中： 是回路输出经过标定的实数值 是回路输出标准化的实数值 偏移量对于单极性值为0.0，对于双极性值为0.5 跨度值域大小，可能

24、的最大值减去可能的最小值 对于单极性为32,000 (典型值) 对于双极性为64,000 (典型值) 3.6变量的范围 过程变量和设定值是PID运算的输入值。因此回路表中的这些变量只能被PID 指令读而不能被改写。输出变量是由PID运算产生的，所以在每一次PID运算完成之后，需更新回路表中的输出值，输出值被限定在0.0-1.0之间。当输出由手动转变为PID(自动)控制时，回路表中的输出值可以用来初始化输出值。 如果使用积分控制，积分项前值要根据PID运算结果更新。 这个更新了的值用作下一次PID运算的输入，当计算输出值超过范围(大于1.0或小于0.0)，那么积分项前值必须根据下列公式进行调整： 当计算输出或 当计算输出 其中： 是调整过的偏差的数值； 是在采样时间n时回路输出的比例项的数值； 是在采样时间n时回路输出的微分项的数值； 是在采样时间n时回路输出的数值； 这样调整积分前值，一旦输出回到范围后，可以提高系统的响应性能。而且积分项前值也要限制在0.0-0.1之间，然后在每次PID运算结束之后。把积分项前值写入回路表，以备在下次PID运算中使用。用户可以在执行PID指令以前修改回路表中积分项前值。在实际运用中，这样做的目的是找到由于积分项前值引起的问题。手工调整积分项前值时，必须小心谨慎，还应保证写入的值在0.0-1.0之间。