比值控制

1 概述

1.1 比值控制系统设计目的

本课程的课程设计实际是自动化专业学生学习完《计算机控制技术》和《过程控制与仪表》两门课程后，进行的一次全面的综合训练，其主要目的是：1．加深学生对计算机控制技术理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力；

2．PLC可编程序控制器广泛地应用于工业生产过程的自动控制领域, 使得工业自动化程度和生产效率得到极大的提高，通过PLC应用系统的设计，提高学生对实际问题的分析和解决能力；

3．培养学生根据系统要求,编制相应的控制程序,再在设备上进行调试和检验的能力, 由于整个过程相当于在工程现场完成一个小型的工程项目,这对于加深理解计算机控制技术的理论,熟练掌握可编程序控制器的使用和操作方法,加快学习梯形图语言的速度,以及建立工业控制系统概念、积累工程现场经验、培养动手能力等方面都有较大的帮助；

4．培养分析问题、解决问题的独立工作能力，学会实验数据的分析与处理、编写设计说明书和技术总结报告。

1.2 比值控制系统设计原理

比值控制系统是一种物料量随另一种物料量而变化的自动调节系统，根据实际生产过程的不同要求，常用的比值控制系统有定比值控制系统和变比值控制系统。

定比值控制系统有开环比值控制、单闭环比值控制系统及双闭环比值控制系统三种形式。其共同特点都是以保持主流量Q1和副流量Q2比值一定为目的，比值计数器的参数经计算设置好后不再变动，工艺要求的实际流量比值r也就固定不变。由于此类控制系统只考虑如何来实现两物料流量之间的比值关系，未

考虑两种物料混合后最终质量是否符合工艺要求，因此从最终质量看这种定比值方案，系统是开环的。

变比值控制系统中引入了第三个参数——以反映质量指标的主参数y，和以两个流量比r为副参数所组成的串级控制系统。实际工业生产过程中存在着除流量干扰以外的其他干扰，如温度、压力、成分等随机干扰，当这些干扰引起主参y变化时，通过主反馈回路使主控制器输出变化，以保持主参数稳定。对于进入系统的主流量Q1受干扰变化，比值控制回路快速随动跟踪，使副流量按Q2=r Q1关系变化，以保持主参数y稳定，它起到了静态前馈作用。对于副流量本身的干扰，同样可以通过自身的控制回路克服，它相当于串级控制系统的副回路。其系统方框图如图1所示。

2 设计

2.1 设计所用软硬件介绍

2.1.1组态王

组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：

(1)图形界面的设计

(2)构造数据库

(3)建立动画连接

(4)运行和调试

2.使用组态王软件开发具有以下几个特点:

(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。

(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真

运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观

地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。

3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:

(1)图形,是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工

控设备。

(2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控

对象的各种属性,比如水位、流量等。

(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及

怎样让操作者输入控制设备的指令。

2.1.2 西门子S7-200

SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的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。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

1、极高的可靠性

2、极丰富的指令集

3、易于掌握

4、便捷的操作

5、丰富的内置集成功能

6、实时特性

7、强劲的通讯能力

8、丰富的扩展模块

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：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，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使用。

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 mA，400mA。可用负载电源。

不同的设备类型

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有6DI/4DO，CPU 222有8DI/6个DO，CPU224有14DI/10DO，CPU 224XP有14DI/10DO，CPU226有241DI/16DO。

本机模拟最输入/输出点

CPU 224XP有2个AI/1AO。

通讯方式

内部集成的PPI接口为用户提供强大的通讯功能。PPI接口为RS485，可在三种方式下工作：

1.PPI方式：PPI通讯协议是西门子专门为S7-200系列PLC开发的通讯协议。通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。波特率为9.6kbit/s,19.2 kbit/s和187.5 kbit/s。CPU上集成的编程口同时就是PPI通讯联网接口。

2.MPI方式：通过内置接口连接到MPI网络上。波特率为

19.2kbit/s,187.5kbit/s。S7-200可与S7-300/400通讯，S7-200CPU在MPI 网络中作为从站，彼此间不能通讯。

3.自由通讯口方式：是一个很有特色的功能。S7-200PLC可以与任何通讯协议公开的其他设备进行通讯。即可以由用户自行定义通讯协议。波特率最高38.4kbit/s。

4.PROFIBUS-DP网络：CPU222、224XP、226可以通过增加EM277的方法支持PROFIBUS DP网络协议。最高传输速率为12Mbit/s。

EEPROM存储器模块（选件）

可作为修改与拷贝程序的快速工具（无需编程器），并可进行辅助软件归档工作。