基于PLC的流量控制系统完整版
基于P L C的流量控制系
统
集团标准化办公室：[VV986T-J682P28-JP266L8-68PNN]
辽宁工业大学
电气控制与PLC技术课程设计（论文）
题目：基于PLC的流量控制系统设计
院（系）：电气工程学院
专业班级：自动化112
学号： 2
学生姓名：王毅
指导教师：（签字）起止时间：
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院教研室：自动化
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要
随着科技的飞速发展，自控系统的应用正在不断深入，同时代替传统控制检测技术日益更新。自动控制技术可谓无所不能。
本文提出一种对液体流量进行实时精确控制的设计方案。该方案以PLC控制为基础，由上位机、PLC、电动调节阀组成。它不仅适用于流量控制，在改变动作设备后同样适用于对温度、液位、速度、高度等模拟量的控制。
论文采用文字叙述与图表相结合的方式，逐步做出解释，从而得出具体结论。更清晰的展示了设计的全过程与每个细节之间的处理方式。
关键词：PLC；自动控制；流量控制
目录
第1章绪论
PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、
计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
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。
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。除了逻辑处理功能以外，现代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
渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上PLC 通信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。
本文提出一种对液体流量进行实时精确控制的设计方案。该方案以PLC控制为基础，由上位机、PLC、电动调节阀组成。它不仅适用于流量控制，在改变动作设备后同样适用于对温度、液位、速度、高度等模拟量的控制。论文采用文字叙述与图表相结合的方式，逐步做出解释，从而得出具体结论。更清晰的展示了设计的全过程与每个细节之间的处理方式。
第2章课程设计的方案
2.1概述
本设计采用S7-200PLC为核心对液体流量进行控制。随着自动控制技术的迅速发展，PLC对流量的控制技术应用越来越广泛。本文采用PLC对流量进行控制，通过合理的设计，提高流量控制水平，进而改善流量运行的稳定性，使其更加精确。本文主要介绍了流量的PLC控制系统总体方案设计、设计过程、组成、列出流量的梯形图，并给出了系统组成框图，分析流量逻辑关系，提出PLC 的编程方法。能够给一些初学者点建议，能够对流量的基本原理、基本编程思路有大致的了解。
2.2系统组成总体结构
2.2.1控制方案比较和确定
流量控制系统主要有流量变送器、变频器、恒流控制单元、电动机组成。系统主要的任务是利用恒流控制单元使变频器控制一台电动机，实现管道流量的恒定，同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下两种方案可供选择：
(1)通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+流量传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
(2)通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+流量传感器
这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水
机组的容量大小无关。
通过对以上两种方案的比较和分析，可以看出第二种控制方案更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
2.2.2流量控制系统的组成及原理图
基于PLC的流量控制系统主要有变频器、可编程控制器、流量变送器和水泵电机一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图所示：
图系统的控制流程图
从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
(l)执行机构：执行机构是由一个水泵电机组成，它用于将水供入管道，通过变频器改变电机的转速，以达到控制管道水流量的目的。
(2)信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管道水流量信号，其中水流量信号是本控制系统的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。
(3)控制机构：本系统的控制机构包括控制器(PLC)和变频器两个部分。控制器是整个流量控制系统的核心。控制器直接对系统中的流量信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的
控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵电机)进行控制；变频器是对水泵电机进行转速控制的单元，其跟踪控制器送来的控制信号改变水泵电机的转速控制。
流量控制系统以供水出口管道水流量为控制目标，在控制上实现出口管道的实际流量跟随设定的水流量。设定的水流量可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。水流量控制系统的结构框图如图所示：
图水流量控制系统框图
水流量控制系统通过安装在管道上的流量变送器实时地测量参考点的水流量，检测管道出水流量，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现水流量恒定的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制水泵电机的转速，进而控制管道中的水流量，实现水流量恒定。
2.2.3水流量系统控制流程
水流量系统控制流程如下:
(l)系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动电动机工作，根据流量变送器测得的管道实际流量和设定流量的偏差调节变频器的输出频率，控制水泵电机的转速，当输出流量达到设定值，转速才稳定到某一定值，这期间水泵电机工作在调速运行状态。
(2)当管道水流量减小时，流量变送器反馈的水流量信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵电机的转速增大，供水量增大，最终水泵电机的转速达到另一个新的稳定值。反之，当管道水流量增加时，通过流量闭环，减小水泵电机的转速到另一个新的稳定值。
第3章硬件设计
3.1PLC S7-200 介绍
(1)适用范围
S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替
代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200 系列PLC 可提供4 个不同的基本型号的8 种CPU 供您使用。
（2）CPU单元设计
集成的24V 负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，
222 具有180mA 输出，CPU 224，CPU 224XP，CPU 226 分别输出280，400mA。可用作负载电源。
CPU 221～226 各有2 种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
本机数字量输入/输出点：
CPU 221 具有6 个输入点和4 个输出点，
CPU 222 具有8 个输入点和6 个输出点，
CPU 224 具有14 个输入点和10 个输出点，
CPU 224XP 具有14 个输入点和10 个输出点，
CPU 226 具有24 个输入点和16 个输出点。
本机模拟量输入/输出点：
CPU 224XP 具有2 个输入点，1 个输出点。
高速计数器：
CPU 221/222 ：4 个高速计数器，可编程并具有复位输入，2 个独立的输入端
可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B 相增量编码器。
CPU224/224XP/226 ：6 个高速计数器，具有CPU221/222 相同的功能。
CPU 222/224/224XP/226 ：可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。
可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。
（3）各型号的优缺点
CPU 221：本机集成6 输入/4 输出共10 个数字量I/O 点。无I/O 扩展能力。
6K 字节程序和数据存储空间。4 个独立的30kHz 高速计数器，2 路独立的20kHz
高速脉冲输出。1 个RS485 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。非常适合于小点数控制的微型控制器。
CPU 222：本机集成8 输入/6 输出共14 个数字量I/O 点。可连接2 个扩展模
块。6K 字节程序和数据存储空间。4 个独立的30kHz 高速计数器，2 路独立的20kHz高速脉冲输出。1 个RS485 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。非常适合于小点数控制的微型控制器。
CPU 224：本机集成14 输入/10 输出共24 个数字量I/O 点。可连接7 个扩展
模块，最大扩展至168 路数字量I/O 点或35 路模拟量I/O 点。13K 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。RS485 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。具有较强控制能力的控制器。
CPU 224XP：本机集成14 输入/10 输出共24 个数字量I/O 点，2 输入/1 输出共3 个模拟量I/O 点，可连接7 个扩展模块，最大扩展值至168 路数字量I/O 点
或38 路模拟量I/O 点。20K 字节程序和数据存储空间，6 个独立的高速计数器（100KHz），2 个100KHz 的高速脉冲输出，2 个RS485 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。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID 功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O 和强大控制能力的新型CPU。
CPU 226：本机集成24 输入/16 输出共40 个数字量I/O 点。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。13K 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RS485 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。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
3.2主机CPU224
本机集成14 输入/10 输出共24 个数字量I/O 点。可连接7 个扩展模块，最大扩展至168 路数字量I/O 点或35 路模拟量I/O 点。16K 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。1 个RS485 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。是具有较强控制能力的控制器。如图所示。
图实物图
主机CPU224 模块编址如表所示。
表各模块编址
3.3I/O口分配及总电路图
程序中的输入/输出地址分配如表所示。
表 I/O 地址分配表
输入输出
名称符号地址名称符号地址启动按钮 SB1 变频器输入模拟量 UF
停止按钮 SB2
流量转换器模拟量 UP
系统总电路设计如图所示。
图系统电路图
3.4变频器的选择
节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到要求外，多余的增加了的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给和给水量，其大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的过程中。当使用时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据电机的功率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。
由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI 闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。MicroMaster440变频器的输出功率为~90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。
3.5水泵电机的选择
水泵是输送液体或使液体增压的。它将原动机的或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、混合物以及含悬浮固体物的液体。水泵性能的技术参数有、吸程、、轴、水功率、等；根据不同的工作原理可分为水泵、叶片泵等类型。是利用其工作室容积的变化来传递能量；是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有、和等类型。水泵电机的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使电机常处于高效区运行，则所选用的电机必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本设计的要求为：电机额定功率,额定转速为2800r/min。根据本设计要求确定采用1台SFL型水泵电机（电机功率）。SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，
叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低(室外噪音60分贝)、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。
3.6流量变送器的选择
流量变送器又称为流量传感器简称为流量计。按照ISO9951标准并结合国内外流量仪表先进技术而研制开发的集温度、压力、流量传感器和于一体的新一代高精度、高可靠性的精密计量仪表，它出色的低压和量性能，多种信号输出方式以及对流体扰动的低敏感性，使得流量计成为一种特别优秀的能准确计量气体累积量的商业贸易计量仪表。流量变送器用于检测管道中的水流量，常装设在泵站的出水口，流量传感器和流量转换器是将水管中的水流量变化转变为4~20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块(A/D模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4~20mA输出流量转换器。
根据以上的分析，本设计中选用电磁流量传感器SHLDG、电磁流量转换器SHLDZ—1实现流量的检测、显示和变送。流量表测量范围0—h，精度；转换器输出4~20mA电流信号，送给与CPU224连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号。
第4章软件设计
4.1PLC程序设计
PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP7-MicroWIN-V40编程软件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FBD)语言。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FBD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。
PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN 模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。
由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可分为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。
4.2系统流程图
图系统流程图
4.3程序
4.3.1程序初始化与故障分析
程序初始化一个程序基本的编程方式。一般会先将PLC进行初始化，设置基本参数，保证可以与其他设备正常通讯，然后才开始撰写实际的控制程序。在此设计初始化程序中用到了特殊辅助继电器M8000和M8002。M8000起运行监视的作用。当PLC执行用户程序时，M8000为ON，停止监视时，M8000为OFF；M8002为初始化脉冲，仅在可编程控制器运行开始的瞬间接通一个扫描周期，M8002的常开触点常用于某些元件的复位和清零，也可作为启动条件。以下为系统初始化程序：
图始化程序
在程序设计中，要考虑到系统运行过程中的一些突发问题，必须要有正确的控制：故障控制开关，急停控制开关，故障复位控制开关。以下为故障控制程序：
图故障控制程序
4.3.2PID初始化及程序分析
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例(P)控制比例控制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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。