基于PLC的流量监控系统设计说明

毕业设计论文基于PLC的流量监控系统设计xxxx大学xxx.xxxxx目录1 选题背景2方案论证3 开发设计过程4 结果分析5 总结参考文献致谢附录A:MAIN主程序：附录B:CPU技术规范附录C :EM 235模拟量输入，输出和组合模块的技术规范基于PLC的流量监控系统设计1 选题背景本毕业设计课题来自实验室建设。

目的是利用PLC来实现过程控制。

目前，PLC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。

PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量与数字量之间的A/D、D/A转换，并对模拟量进行闭环PID控制。

用MCGS组态软件组态配置工业控制监控系统，对数据进行实时监控。

2方案论证本毕业设计原理是利用扩展模块EM235（AI4/AQ1*12位）进行数据采集，然后把采集到的数据利用程序进行工程量转换，给定量与输入量相减得出偏换，送到执行器，从而构成的是单闭环控制。

采用增量式PID，具有以下优点：（1）增量算法控制误动作影响小。

（2）增量算法控制易于实现手动/自动无扰动切换。

（3）不产生积分失控，易获得较好的调节品质。

在实际应用中，在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中，则采用增量式PID算法。

MCGS即"监视与控制通用系统"，英文全称为Monitor and Control Generated System。

MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。

MCGS 工控组态软件是一套32位工控组态软件，集流程控制、数据采集、设备控制与输出数据与曲线等诸多强大功能于一身，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械等多种工程领域。

所以用MCGS作为本次毕业设计的开发软件是很有必要的。

3 开发设计过程3.1 总体分析学习了PLC的硬件系统、指令系统和编程方法以后，对设计一个较大的PLC 系统时，要全面考虑许多因素，不管所设计的控制系统的大小，要按照下列设计步骤进行系统设计。

如图1：3.2 工艺过程随着PLC 功能的不断提高和完善，PLC 几乎可以完成工业控制领域的所有任务，但PLC 还有它最适合的应用场合：工业环境较差，而对安全性、可靠性要求较高，系统工艺复杂，输入/输出以开关量为主的工业自控系统或装置，它对模拟量的处理能力也很强。

所以在很多情况下，也可取代工业控制计算机作为主控制器，来完成复杂的工业自动控制任务。

控制对象及控制装置选定后，还要进一步确定PLC 的控制范围。

一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能够用传感器进行直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由PLC 完成。

另外，对主要控制对象还要加上手动控制功能。

针对此次的控制任务，是利用PLC 对液体流量（模拟量）进行控制。

要求把管道中水流控制在一定的速度，要求用增量式PID 控制算法进行控制。

如图2所示：3.3 系统控制要求1、要求用PLC 编写程序，采用单闭环控制，来控制电动调节阀开度，以达到控制管道内液体流量的目的。

2、用PLC 编写程序，采用单回路控制，以采集的流量为反馈信号，与给定值进行比较，以达到控制液体流量的目的。

3、用MCGS 组态软件对设计系统进行组态，对现场数据进行实时监控。

水泵电动调节阀图2 过程流程图3.4 系统的I/O点及地址分配输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。

对软件设计来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，分配地址时，要注意负载类型。

控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如下表所示：表1 地址分配3.5 PLC系统的选型选择PLC一方面要注意容量，另一方面什么公司的。

从上面的分析可以知道，系统需要模拟量输入点一个，模拟量输出点一个。

可以选用西门子公司S7-200 CPU222PLC（8入/6继电器输出）一台，特点：体积小巧，全面功能，最适应于中小机器设备的控制，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7－200系列具有极高的性能/价格比，极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。

在加上一台扩展模块EM235（4AI/1AO）。

这样的配置最经济。

3.6 需要考虑的其它问题1、保护措施；2、系统保直流电源的容量；3、电源方面的抗干扰措施；4、输出方面的护措施。

3.7 系统程序设计3.7.1数字PID控制算法在连续-时间控制系统中，PID控制器应用得非常广泛。

其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。

数字PID控制比连续PID控制更为优越，因为计算机程序的灵活性，很容易克服连续PID控制中存在的问题，经修正而得到更完善的数字PID算法。

连续一时间PID控制系统如4所示。

图4中，D（s）为控制器。

在PID控制系统中，D（s）完成PID 控制规律，称为PID控制器。

PID控制器是一种线性控制器，用输出量y（t）和给定量r（t）之间的误差的时间函数。

e(t)=r(t)-y(t) 的比例，积分，微分的线性组合，构成控制量u（t），称为比例（Proportional）积分（Integrating）微分（Differentiation）控制，简称PID 控制。

实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的控制组合，构成比例（P）控制器比例十积分（PI）控制器比例十积分十微分（PID）控制器式中 K P——比例放大系数；T I——积分时间；T D——微分时间。

控制作用:比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。

但是，比例控制不能消除稳态误差。

比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。

积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。

因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。

积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。

微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数K P，积分时间T I和微分时间T D，使整个控制系统得到良好的性能数字PID控制算法:在电子数字计算机直接数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。

计算机直接数字控制系统大多数是采样-数据控制系统。

进入计算机的连续-时间信号,必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。

在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。

当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续-时间PID算法的微分方程，变为描述离散-时间PID算法的差分方程。

增量式PID控制算法:当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量（例如去驱动步进电动机）时，需要用PID的“增量算法”。

由位置算法求出再求出两式相减，得出控制量的增量算法上式称为增量式PID算法。

对增量式PID算法归并后，得其中上式已看不出是PID的表达式了，也看不出P、I、D作用的直接关系，只表示了各次误差量对控制作用的影响。

从式中看出，数字增量式PID算法，只要贮存最近的三个误差采样值e（k）、e（k-1）、e（k-2）就足够了。

增量式PID控制的优点与不足：优点: 1、增量算法控制误动作影响小。

2、增量算法控制易于实现手动/自动无扰动切换。

3、不产生积分失控，易获得较好的调节品质。

缺点：1、积分截断效应大，有静态误差。

2、溢出影响大在实际应用中，在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中，则采用增量式算法。

图6表示了增量式PID控制算法的流程图。

图6 增量式PID控制算法流程图3.7.2 回路输入/输出量的工程量转换一个回路具有两个输入量，即给定值和过程变量。

给定值通常为一固定值。

过程变量受回路输出的影响并反映了控制的效果。

给定值和过程变量都是实际的工程量，其幅度、范围和测量单位都会不同。

在实施PID算法之前，必须将这些值转换为归一化纯量、浮点数的格式，即：将实数格式的工程实际值转换为[0.0，1]间的无量刚相对值（称为归一化格式）。

用下式来将给定值或过程变量归一化：Rnorm=（Rraw/Span+E）式中：Rnom为工程实际值的归一化值；Rraw为工程实际值的实数形式，未归一化处理；E对于单极性值，取0；对于双极性值，取0.5；Span为最大允许值减去最小允许值，通常取：32000（对于单极性），64000（对于双极性）。

将回路控制输出转换为按工程量标定的整数值。

回路控制的输出，相对于被控对象来说，为一个控制量。

注意：回路控制输出为在[0.0，1.0]范围内的归一化实数格式，它必须先转换为16位按工程量标定的值后方可用于驱动实际装置。

这一转换实际上为归一过程的逆过程。

第一步是用下式将回路输出转换为按工程量标定的实数格式：Rscal=(Mn-E)*Span式中：Rscal为已按工程量标定的实数格式的回路输出；Mn为归一化格式的回路输出；E对于单极性模拟量，取为0.0；对双极性模拟量，取为0.5；Span为最大允许值减去最小允许值，通常取：32000（单极性），64000（双极性）3.7.3 程序流程图本程序分为三部分：主程序、子程序、中断程序。

逻辑运算放在主程序。

系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样节省扫描时间。

利用定时器中断实现PID控制的定时采样及输出部分。

主程序图7：图7 主程序流程图中断子程序图8：单闭环子程序pid：初始化子程序initiate:图9 单闭环子程序流程图图11 初始化子程序流程图滤波子程序sift：本程序描述了模拟量模块EM235的功能，分别从AIW0、AIW2中取输入值，为了增加稳定性，求多次采样值的平均值。

图12 滤波子程序流程图3.8MCGS组态软件对系统的组态过程计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断、双机热备等先进技术，使系统更加安全可靠，在这方面，MCGS工控组态软件提供强有力的软件支持。

MCGS全中文工业自动化控制组态软件（以下简称MCGS工控组态软件或MCGS）为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。