基于PLC的压力过程控制系统设计
目 录第一章 绪论- 1 -1.1 PLC控制在国内外的发展近况- 1 -1.2 基于PLC的压力过程控制系统的发展前景- 2 -1.3 MCGS6.2软件- 2 -1.4 设计目的和要求- 2 -第二章 基于PLC的压力过程控制系统方案- 4 -2.1 设计方案- 4 -2.1.1 设计方案- 4 -2.1.2 控制阀的选择- 5 -2.1.3 控制方式的选择- 6 -2.2 控制算法- 7 -2.2.1 控制算法的选择- 7 -2.2.2 PID控制的原理和特点- 8 -2.2.3 PID控制器的参数整定- 9 -第三章 软件部分的实现- 11 -3.1 MCGS组态软件- 11 -3.1.1组态软件的介绍- 11 -3.1.2 国内组态软件的比较与选择- 11 -3.2 组态软件的应用- 13 -3.2.1 MCGS软件编程- 13 -3.3.2 MCGS软件连接设置- 15 -3.3 FX2N编程软件的应用- 21 -3.3.1 PLC编程指令- 21 -3.3.2 控制程序的编写- 22 -第四章 硬件部分实现- 26 -4.1 PLC特点- 26 -4.2 FX2N特殊功能模块的应用- 27 -4.2.1 FX2N-4AD模拟量转换模块- 27 -4.2.2 FX2N-4DA 模拟特殊模块- 32 -4.2.3 PLC与计算机连接通讯- 35 -第五章 调试- 36 -5.1 调试步骤- 36 -5.2 调试结果与常见故障分析- 36 -5.2.1 调试- 36 -5.2.2 常见故障分析- 36 -第六章 结论- 38 -参考文献- 39 -谢辞- 40 -第一章 绪论自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。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。 同时，计算机监控系统是采用集中监测、集中控制、集中显示、集中管理、集中保存的系统，融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术，广泛应用在化工、供暖、机械、供水、水处理等多个领域，在工业生产中发挥越来越显著的作用。1.1 PLC控制在国内外的发展近况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。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.2 基于PLC的压力过程控制系统的发展前景近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。 特别在那些对实时性要求高，对成本敏感，对尺寸敏感的场合，嵌入式PLC大有可为。1.4 设计目的和要求 基于PLC的压力过程控制系统要求首先辨识压力的数学模型,然后用PLC进行智能控制设计。在众多生产领域中，经常需要对压力罐等容器中的液位进行监控，以往常采用传统的继电器接触控制，使用硬连接电器多，可靠性差，自动化程度不高。而本课题采用可编程控制器（PLC）对压力进行监控，其电路结构简单，投资少，监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强，可直接运用于锅炉压力控制中,也可用于恒压供水系统中。第二章 基于PLC的压力过程控制系统方案 基于PLC的压力过程控制系统要求首先辨识压力的数学模型,然后用PLC进行智能控制设计。在众多生产领域中，经常需要对压力罐等容器中的液位进行监控，以往常采用传统的继电器接触控制，使用硬连接电器多，可靠性差，自动化程度不高。而本课题采用可编程控制器（PLC）对压力进行监控，其电路结构简单，投资少，监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强，可直接运用于锅炉压力控制中,也可用于恒压供水系统中。 可以根据需要构成不同阶（1或2阶）的被控对象。压缩空气经过两路进入压力容器中，经过两个流量调节阀，在单回路控制过程中，可以把一路作为主回路，另一路作为干扰回路。被控对象调节采用线性的理想特征，构成的控制系统为线性控制系统。2.1 设计方案2.1.1 设计方案“基于PLC的压力过程控制系统”利用工业控制计算机 (IPC) 作为上位机，利用MCGS软件作为程序开发平台，下位机采用可编程序控制器 (三菱FX2N16M PLC)，组成一个压力过程控制监控系统（如图2.1）。FameView PC机PLC上位机下位机图2.1 压力过程监控系统被控对象由上、下两个压力罐组成，其控制要求为：将压力罐 1 的压力值P1和压力罐 2 的压力值 P2 分别控制在某个范围内。两个个压力罐的压力信号分别由检测装置进行实时检测，然后将被测的标准信号经 A/ D 转换后输入计算机，根据采集到的信号情况，计算机将控制信号经 D/ A 转换后输出给执行机构，对气泵和控制阀进行通断控制，从而形成计算机控制的闭环控制方案。系统采用气泵恒压供气，通过安装在出压力罐上的压力变送器，把压力信号变成420mA的标准信号送入PLC（可编程控制器），PLC通过PID程序运算后，输出转速信号送给电气转换器，由电气转换器控制阀的开度，调节气压，使压力罐内的压力保持在给定的压力值上。当气压大于或小于压力罐的气压范围时，通过PLC控制阀以达到减压或者加压的目的，实现压力罐内气压保持在恒定范围内。2.1.2 控制阀的选择1主、副调节器：三菱FX2N PLC2压力变送器：2台DBYG-300A压力变送器3调节阀：2台ZMAP-100B小流量调节阀4电气转换器：2台QZD-1000电气转换器5减压器：3台QFH-221型空气过滤减压器624VDC电源 所有仪表所需的接线端子都全部拉到接线板上，也就是面板上的接线端子都是跟仪表的对应接线端子相并联的，所以可以直接在接线板上通过合理的连线组成所需要的控制系统。气动调节阀动作分气开型和气关型两种。气开型是当膜头上空气压力增加时，阀门向增加开度方向动作，当达到输入气压上限时，阀门处于全开状态。反过来，当空气压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入空气时，阀门全闭。气关型动作方向正好与气开型相反。当空气压力增加时，阀门向关闭方向动作；空气压力减小或没有时，阀门向开启方向或全开为止。气动调节阀的气开或气关，通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现。 气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑。即当气源切断时，调节阀是处于关闭位置安全还是开启位置安全。比如：一个加热炉的燃烧控制，调节阀安装在燃料气管道上，根据炉膛的温度或被加热物料在加热炉出口的温度来控制燃料的供应。这时，宜选用气开阀更安全些，因为一旦气源停止供给，阀门处于关闭比阀门处于全开更合适。如果气源中断，燃料阀全开，会使加热过量发生危险。又如一个用冷却水冷却的换热设备，热物料在换热器内与冷却水进行热交换被冷却，调节阀安装在冷却水管上，用换热后的物料温度来控制冷却水量，在气源中断时，调节阀应处于开启位置更安全些，宜选用气关式调节阀。压力罐控制阀采用气关型。考虑原因是，当压力信号中断时应保证设备和工作人员的安全。在事故状态下保持阀门全开。当压力罐内正常工作时，可保持气体不外泄。总体而言，用气关型比较安全。2.1.3 控制方式的选择在控制系统中，串级控制系统对改善控制过程的品质极为有效，它改善了单回路系统时间常数大、容易受到干扰等缺点，因此在生产过程中得到了广泛的应用。鉴于其能够提高系统的放大系数、抗干扰能力以及有一定的自适应能力等优点。“基于PLC的压力过程控制系统”采用串级控制系统。1串级系统的组成 压力变送器2压力变送器1V控制器 2P1P2控制器1 SP1 SP2 dF1 dF2 + + + + _ _ PV PV图2.2 串级过程控制系统2采用串级控制系统串级系统由主、副两个控制回路组成，主、副调节其相串联工作。以一阶回路为外环，二阶回路为内环设计串级控制系统3串级系统的优点改善被控对象的特性由负反馈原理可知，副回路不仅能改变副对象的结构，而且还能使副对象的放大系数减小，频带变宽，从而使系统的响应速度变快，动态性能得到改善。能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统的抗扰动能力串级控制系统由于比单回路控制系统多了一个副回路，当二次扰动进入副回路，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当扰动还没有影响到主控参数时，副调节器就开始动作，及时减小或消除扰动对主参数的影响。基于这个特点，在设计串级控制系统时尽可能把可能产生的扰动都纳入到副回路中，以确保主参数的控制质量。至于作用在主对象上的一次扰动对主参数的影响，一般通过主回路的控制来消除。提高了系统的鲁棒性“鲁棒性”又称“强壮性”，系统地控制品质对对象特性变化不灵敏，则系统的“鲁棒性”越好。由于副回路的存在，它对副对象（包括执行机构）特性变化的灵敏度降低，即系统地鲁棒性得到提高。具有一定的自适应能力串级控制系统的主回路时一个定值控制系统，副回路则是一个随动系统。朱调节器能按照负荷和操作条件的变化，不断地自动改变副调节器的给定值，使副调节器的给定值能适应负荷的操作条件的变化。2.2 控制算法2.2.1 控制算法的选择PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为因此它的传递函数为：其中,kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中
