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1、信息与电气工程学院课程设计说明书（2010/2011学年第一学期）课程名称 ： 可编程控制器应用 题 目 ： 管道流量比值控制PLC系统设计 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号： 指导教师 ： 设计周数 ： 设计成绩 ： 2011 年 1月 4日2011 年 1月14日一、PLC课程设计目的2二、原始数据及设计主要任务2三、技术要求2四、PLC控制系统组成31.PLC概述32. PLC工作原理33.S7200PLCCPU226简介44.管道流量比值控制系统组成44.1系统应用简介44.2系统工作原理：54.3、PID控制算法说明：64.4 PID 算法在S7-200 中的实现：64.5 调试P
2、ID 控制器：74.6 PID算法:84.7回路表：11五、PLC程序：12六、课程设计总结：15七、参考文献：15八、指导老师评语表：15一、PLC课程设计目的1.掌握S7-200系列可编程控制器硬件电路的设计方法。2.熟练使用S7-200系列可编程控制器的编程软件，掌握可编程控制器软件程序的设计思路和梯形图的设计方法。3.掌握S7-200系列可编程控制器程序的应用系统的调试、监控、运行方法。4.在完成可编程控制器为下位机的相关控制程序的基础上，用组态软件编程实现上位机的控制及其相关监控界面。5.通过课程设计使学生能熟练掌握数据的查询（图书、网络），PLC课程所获知识在工程设计工作中综合地加
3、以应用，使理论知识和实践结合起来。二、原始数据及设计主要任务1.了解管道流量比值控制系统的物理结构、闭环调节系统的数学结构和PID控制算法。2.逐一明确各路检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理、连接方法、信号种类、信号调理电路、引入PLC的接线以及PLC中的编址。3.逐一明确从PLC到各执行机构的输出通道，包括各执行机构的种类和工作原理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。4.绘制出流量控制系统的电路原理图，编制I/O地址分配表。5.编制PLC程序，结合过程控制实验室现有设备进行调试，要求能在实验设备上演示控制过程。三、技术要求1此系统有两路供水系统。第一路由异步电动机（不具备
4、调速功能）和和水泵构成动力系统，由涡轮流量计检测流量，电动调节阀控制流量。第二路由变频器、电动机和水泵构成动力系统，依靠动力系统的变频调速控制流量，用电磁流量计检测流量。2.流量比值控制就是由可编程控制器控制两路供水系统的流量保持设定的比例。本设计假设第一路的流量由其他系统控制或手动控制，本系统把第一路的流量（检测值）乘以设定的比例系数后的值作为流量给定值，控制第二路供水管道的流量。控制器采用PID算法决定变频器的给定值，从而实现两路流量的按比例控制。3.流量比值控制是后续工艺的需要，如化学反应的需要，实际工业中两路是不同的液体或气体，这里为了能在实验室实现，两路管道都用同样的水。四、PLC控
5、制系统组成1.PLC概述可编程序控制器（Programmable Controller）通常也称为可编程控制器。它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置；具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，本系统采用在工业领域有着广泛应用的西门子S7200系列PLC作为主控制器， S7-200系列小型PLC可以应用于各种自动化系统。如图1-1所示，S7200PLC由主机、输入/输出接口、电源、模块扩展接口和外部设备接口、计算机编程软件等几个主要部分组成。2. PLC工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运
6、行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经
7、相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。3.S7200PLCCPU226简介CPU226模块I/O总点数为40点（24/ 16 点），可带7个扩展模块；用户程序存储器容量为6.6K字；内置6个高速计数器，具有PID控制的功能；有2个高速脉冲输出端和2个RS-485通讯口；具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由口协议的通讯能力。 4.管道流量比值控制系统组成4.1系统应用简介在各
8、种生产过程中，需要使两种物料的流量保持严格的比例关系是常见的，例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。而且往往其中一个流量随外界负荷需要而变，另一个流量则应由调节器控制，使之成比例地改变，保证二者之比值不变。否则，如果比例严重失调，就可能造成生产事故，或发生危险。又如，以重油为原料生产合成氨时，在造气工段应该保持一定的氧气和重油比率，在合成工段则应保持氢和氮的比值一定。这些比值调节的目的是使生产能在最佳的工况下进行比值系统组成原理：在各种生产过程中，需要使两种物料的流量保持严格的比例关系是常见的，例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证
9、燃烧的经济性。而且往往其中一个流量随外界负荷需要而变，另一个流量则应由调节器控制，使之成比例地改变，保证二者之比值不变。否则，如果比例严重失调，就可能造成生产事故，或发生危险。又如，以重油为原料生产合成氨时，在造气工段应该保持一定的氧气和重油比率，在合成工段则应保持氢和氮的比值一定。这些比值调节的目的是使生产能在最佳的工况下进行。本实验比值调节系统的组成原理如下图所示： 图8-1、比值控制系统原理图4.2系统工作原理：对于节流元件来说，压差与流量的平方成正比，即 PQ2对于图13-1单闭环比值调节系统，A，B 两个管路上的P可分别写为PA=KAQA2PB=KBQB2其中， KA、KB为放大系数
10、。变送器送出的信号为4-20mA电流信号，那么F1，FA有如下关系： F1-4=CAPA FA-4=CBPB式中CA、CB是变送器的放大系数， F1，FA是变送器的输出信号电流。比值器的输出关系为： F2-4=KC( F1-4)KC为比值器的放大系数。则有： F2-4=KCCA KAQA2FA-4=CBKBQB2由于调节器为比例积分调节，在稳态下它可保持FA =F2，故有KC CA KAQA2 = CB KBQB2即 （QA/QB）2=KCCB KB/CA KA从上式可知，为使流量QA、QB的比值满足工艺要求，只要适当地调整比值器的放大系数KC即可。4.3、PID控制算法说明：S7-200 能
11、够进行PID 控制。S7-200 CPU 最多可以支持8 个PID 控制回路（8 个PID 指令功能块）。PID 是闭环控制系统的比例积分微分控制算法。PID 控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID 算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。PID 控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。根据具体项目的控制要求，在实际应用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是PI（比例积分）控制，这时没有微分控制部分。4.4 PID 算法在S7-200 中的实现：PID 控制最初在模拟量控制系统中实现，随着离散控制理论
12、的发展，PID 也在计算机化控制系统中实现。为便于实现，S7-200 中的PID 控制采用了迭代算法。详细的计算方法请参考S7-200系统手册中PID 指令部分的相关内容。计算机化的PID 控制算法有几个关键的参数Kc（Gain，增益），Ti（积分时间常数），Td（微分时间常数），Ts（采样时间）。在S7-200 中PID 功能是通过PID 指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）执行PID 功能块，按照PID 运算规律，根据当时的给定、反馈、比例积分微分数据，计算出控制量。PID 功能块通过一个PID 回路表交换数据，这个表是在V 数据存储区中的开辟，长度为36 字节。因此每个PID 功能块
13、在调用时需要指定两个要素：PID 控制回路号，以及控制回路表的起始地址（以VB 表示）。由于PID 可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID 功能块识别。S7-200 中的PID 功能使用占调节范围的百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。PID 功能块只接受0.0 - 1.0 之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用PID 功能块编程，必须保证数据在这个范围之内，否则会出错。其他如增益、采样时间、积分时间、微分时间都
14、是实数。因此，必须把外围实际的物理量与PID 功能块需要的（或者输出的）数据之间进行转换。这就是所谓输入/输出的转换与标准化处理。S7-200 系统手册上有详细的介绍。S7-200 的编程软件Micro/WIN 提供了PID 指令向导，以方便地完成这些转换/标准化处理。除此之外，PID 指令也同时会被自动调用。4.5 调试PID 控制器：PID 控制的效果就是看反馈（也就是控制对象）是否跟随设定值（给定），是否响应快速、稳定，是否能够抑制闭环中的各种扰动而回复稳定。要衡量PID 参数是否合适，必须能够连续观察反馈对于给定变化的响应曲线；而实际上PID 的参数也是通过观察反馈波形而调试的。因此，
15、没有能够观察反馈的连续变化波形曲线的有效手段，就谈不上调试PID 参数。观察反馈量的连续波形，可以使用带慢扫描记忆功能的示波器（如数字示波器），波形记录仪，或者在PC 机上做的趋势曲线监控画面等。新版编程软件STEP 7 - Micro/WIN V4.0 内置了一个PID 调试控制面板工具，具有图形化的给定、反馈、调节器输出波形显示，可以用于手动调试PID 参数。对于没有“自整定PID”功能的老版CPU，也能实现PID 手动调节。PID 参数的取值，以及它们之间的配合，对PID 控制是否稳定具有重要的意义。这些主要参数是： 采样时间：计算机必须按照一定的时间间隔对反馈进行采样，才能进行PID
16、控制的计算。采样时间就是对反馈进行采样的间隔。短于采样时间间隔的信号变化是不能测量到的。过短的采样时间没有必要，过长的采样间隔显然不能满足扰动变化比较快、或者速度响应要求高的场合。编程时指定的PID 控制器采样时间必须与实际的采样时间一致。S7-200 中PID 的采样时间精度用定时中断来保证。 增益：（Gain，放大系数，比例常数）增益与偏差（给定与反馈的差值）的乘积作为控制器输出中的比例部分。过大的增益会造成反馈的振荡。 积分时间（Integral Time）偏差值恒定时，积分时间决定了控制器输出的变化速率。积分时间越短，偏差得到的修正越快。过短的积分时间有可能造成不稳定。积分时间的长度相
17、当于在阶跃给定下，增益为“1”的时候，输出的变化量与偏差值相等所需要的时间，也就是输出变化到二倍于初始阶跃偏差的时间。如果将积分时间设为最大值，则相当于没有积分作用。 微分时间：（Derivative Time）偏差值发生改变时，微分作用将增加一个尖峰到输出中，随着时间流逝减小。微分时间越长，输出的变化越大。微分使控制对扰动的敏感度增加，也就是偏差的变化率越大，微分控制作用越强。微分相当于对反馈变化趋势的预测性调整。如果将微分时间设置为0 就不起作用，控制器将作为PI 调节器工作。4.6 PID算法:在稳定状态操作中，PID控制器管理输出数值，以便将错误（e）驱动为零。错误测量由设定值（所需的
18、操作点）和进程变量（实际操作点）之间的差别决定。PID控制原则基于以下公式，其中将输出M(t)表示为比例项、积分项和微分项的函数：其中：M（t）：作为时间函数的回路输出Td：回路增益E：回路错误（设定值和进程变量之间的差别）Minitial：回路输出的初始值为了在数字计算机中运行该控制函数，必须将连续函数量化为错误值的定期样本，并随后计算输出。数字计算机运算以下列相应的公式为基础：其中： Mn:采样时间n的回路输出计算值Kc:回路增益En:采样时间n的回路错误值En-1：回路错误的前一个数值（在采样时间n ?1）Ki:积分项的比例常数Minitial：微分项的比例常数Kd:微分项的比例常数在该
19、公式中，积分项被显示为全部错误项的函数，从第一个样本至当前样本。微分项是当前样本和前一个样本的函数，而比例项仅是当前样本的函数。在数字计算机中，既不可能也没有必要存储所有的错误项样本。因为从第一个样本开始，每次对错误采样时数字计算机都必须计算输出值，因此仅需存储前一个错误值和前一个积分项数值。由于数字计算机计算结果的重复性，可在任何采样时间对公式进行简化。简化后的公式为：其中：MX:积分项的前一个数值（采样时间n ?1）计算回路输出值时，CPU使用对上述简化公式的修改格式。修改后的公式为：其中：Mn:采样时间n的回路输出计算值MPn:采样时间n的回路输出比例项数值Min:采样时间n的回路输出积
20、分项数值MDn:采样时间n的回路输出微分项数值比例项比例项MP是增益和错误（e）的乘积，其中增益控制输出计算的敏感度，错误是在某一特定采样时间设定值（SP）和进程变量（PV）之间的差别。CPU采用的计算比例项的公式为：其中：MPn:采样时间n的回路输出比例项数值Kc:回路增益SPn:采样时间n的设定值数值SPv:采样时间n的进程变量数值积分项积分项MI在时间上与错误（e）和成比例。CPU采用的积分项公式为：其中：MNi:采样时间n的回路输出积分项数值Kc:回路增益Ts:回路采样时间Ti:积分时间（亦称为积分时间或复原）SPn:采样时间n的设定值数值PVn:采样时间n的进程变量数值MX:采样时间
21、n - 1的积分项数值（亦称为积分和或偏差）积分和或偏差（MX）是积分项所有先前数值的运行和。每次计算后，根据的数值更新偏差，该数值可能被调节或截取（详情请参阅变量和范围一节）。偏差的初始值通常被设为第一次回路输出计算之前的输出值。其他几个常数也是积分项的一部分，例如增益、采样时间（即PID回路重新计算输出值的循环时间）以及积分时间或复原（即用于控制积分项对输出计算影响的时间）。微分项微分项MD与错误变化成比例。计算微分项的公式为：为了避免步骤改变或由于对设定值变化求导带来的输出变化，对该公式进行修改，假定设定值为常数 = 。如下所示，会导致计算进程变量的变化，而不计算错误的变化：或：其中：M
22、Dn:采样时间n的回路输出微分项数值Kc:回路增益Ts:回路采样时间Td:回路微分阶段（亦称为微分时间或速率） SPn:采样时间n的设定值数值SPn-1:采样时间n - 1的设定值数值PVn:采样时间n - 1的进程变量数值PVn-1:采样时间n - 1的进程变量数值必须保存进程变量，而不必保存错误，用于下一次微分项计算。第一次采样时，数值被初始化，等于。回路控制选项在很多控制系统中，可能有必要仅采用一种或两种回路控制方法。例如，可能只要求比例控制或比例和积分控制。通过设置常数参数值对所需的回路控制类型进行选择。如果您不需要积分运算（即在PID计算中无I），则应将积分时间（复原）指定为INF（
23、无限大）。由于积分和MX的初始值，即使没有积分运算，积分项的数值也可能不为零。如果您不需要求导数运算（即在PID计算中无D），则应将求微分时间（速率）指定为0.0。如果您不需要比例运算（即在PID计算中无P），并且您需要I或ID控制，则应将增益值指定为0.0。因为回路增益是计算积分和微分项公式中的系数，将回路增益设为0.0会导致在积分和微分项计算中使用的回路增益值为1.0。从您在PID指令框中输入的表格（TBL）起始地址为回路表分配八十（80）个字节。S7-200的PID指令引用一个包含回路参数的回路表。此表起初的长度为36个字节。在增加了PID自动调谐后，回路表现已扩展到80个字节。如果使用
24、PID调谐控制面板，与PID回路表的全部相互作用将由此控制面板代您完成。如果需要由操作员板提供自动调谐能力，您的程序必须提供操作员和PID回路表之间的相互作用，以发起和监视此自动调谐进程，以及随后套用建议的调谐数值。4.7回路表：偏移量域格式 类型说明0进程变量双字.实数入包含进程变量，必须在0.0至1.0范围内。4设定值 双字.实数入包含设定值，必须在0.0至1.0范围内。8输出双字.实数入/出包含计算输出，在0.0至1.0范围内。12增益双字.实数入包含增益，此为比例常数，可为正数或负数。16采样时间双字.实数入包含采样时间，以秒为单位，必须为正数。20积分时间双字.实数入包含积分时间，以
25、分钟为单位，必须为正数。24微分时间双字.实数入包含微分时间，以分钟为单位，必须为正数。28偏差双字.实数入/出包含0.0和1.0之间的偏差或积分和数值。32以前的进程变量双字.实数入/出包含最后一次执行PID指令存储的进程变量以前的数值。五、PLC程序：六、课程设计总结： 和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。我们做的是一个材料分拣系统。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合
26、作的意识与能力。通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到实践与理论的差距。通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解
27、决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表过能力。在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。做事要学思结合。七、参考文献：1 殷洪义.可编程控制器选择设计与维护.北京：机械工业出版社，19942 张万忠.可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社，2001.123曾庆波、孙华、周卫宏.监控组态软件及其应用技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2005八、指导老师评语表：课程设计评 语课程设计成 绩指导教师（签字） 年 月 日