【正文】 基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 目 錄摘要 IABSTRACT II第一章 緒論 1 課題概述 1 課題來(lái)源及研究意義 1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 1 PLC可編程邏輯控制器 1 PLC可編程邏輯控制器介紹 1 PLC控制在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用 2 PLC控制器的發(fā)展趨勢(shì) 2 論文組織結(jié)構(gòu) 3第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 5 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 5 控制方式介紹 6 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 7 數(shù)字濾波方式的設(shè)計(jì) 7 PID控制算法設(shè)計(jì) 8第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn) 10 10 壓力對(duì)象裝置選型 10 PLC控制器選型 11 13 PLC與壓力對(duì)象裝置的連接 13 PLC與PC計(jì)算機(jī)間的連接與通訊 13第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn) 15 PLC控制程序 15 STEP 7軟件介紹 15 PLC硬件組態(tài) 15 PLC控制程序的實(shí)現(xiàn) 16 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序 22 WinCC組態(tài)軟件介紹 22 實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的實(shí)現(xiàn) 23第五章 系統(tǒng)投運(yùn)與調(diào)試 29 系統(tǒng)運(yùn)行方法 29 系統(tǒng)的調(diào)試 29 硬件間的通訊狀態(tài)的診斷 29 PID參數(shù)的整定 31 調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題及其解決辦法 41第六章 總結(jié)與展望 43 課題研究總結(jié) 43 后續(xù)工作展望 44結(jié)束語(yǔ) 45參考文獻(xiàn) 46摘要 鑒于壓力控制在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，研究PLC在壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是教學(xué)乃至實(shí)踐技能培養(yǎng)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。本課題針對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的壓力控制對(duì)象，提出了一種基于PLC的壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，底層選用PLC作為控制器，上層選用PC計(jì)算機(jī)為上位機(jī)。本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)以西門子S7300 PLC為控制器，采用STEP7軟件構(gòu)造系統(tǒng)硬件組態(tài)和編寫控制程序，完成現(xiàn)場(chǎng)壓力信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波和PID自動(dòng)控制。上位PC機(jī)選用工業(yè)組態(tài)軟件WinCC編寫監(jiān)控界面，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝過(guò)程進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)以及顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試過(guò)程中，系統(tǒng)軟件運(yùn)行良好，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字PID調(diào)節(jié)，監(jiān)控界面基于WINDOWS，操作簡(jiǎn)便，具有較強(qiáng)的可靠性和實(shí)用性，滿足現(xiàn)場(chǎng)控制的要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞 PLC控制器，WinCC組態(tài)，壓力過(guò)程控制，PID控制算法ABSTRACTSince pressure control system was widely used in the realms of industrial control, the research of the application of PLC in pressure control system is a very important link for teaching and practical skills training. According to pressure control object in the laboratory currently, this essay proposed a design proposal of pressure control system based on PLC. The system is consist of two layers of puter control. PLC controller performs as the slave puter in a base layer, while a PC functions as the host puter in the upper layer.The system use Siemens S7300 PLC for controller, and software STEP 7 for both the configuration of the PLC hardware and the designing of control program, to acplish the data acquisition, digital filter of field pressure signal and PID auto control. On the PC, WinCC(a dustrial configuration software) is a means of piling the monitoring and controlling interface, to acplish the realtime monitoring and data storage, and be able to simulate the process of dynamic process and display the realtime trend curve.During the missioning process in the laboratory, software of the system runs well. The system realized the digital PID regulating, due to the WINDOWSbased monitoring interface, the system was with advantages in easy operation, strong reliability and practicability. The system satisfied control requirements, and reached the target of the design.KEY WORDS　PLC Controller，WinCC Configuration，Pressure Process Control，PID Control第一章 緒論 課題概述 課題來(lái)源及研究意義 該課題來(lái)源于中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室的教師科研題，題目類型屬于實(shí)驗(yàn)研究。在一些生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，如各種冶煉生產(chǎn)中，容器罐內(nèi)氣體壓力必須保持在一定的范圍內(nèi)，反應(yīng)才可以正常進(jìn)行。適宜的壓力下，反應(yīng)速率可以達(dá)到最高，而且原料和催化劑的利用更為徹底?？梢?jiàn)，壓力過(guò)程控制是一項(xiàng)富有意義的研究。 隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的性能不斷提高，其價(jià)格也能讓更多的中小型企業(yè)接受。近年來(lái)，越來(lái)越多的中小設(shè)備開(kāi)始采用PLC進(jìn)行控制，PLC在我國(guó)的應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速。本課題研究的基于PLC的壓力控制系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)、靈活方便、具有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，并且可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，將在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求本課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容是基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，即設(shè)計(jì)一個(gè)以S7300 PLC為控制器的壓力控制系統(tǒng)，根據(jù)過(guò)程壓力系統(tǒng)的控制要求選用合適的檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)壓力過(guò)程量的自動(dòng)控制。系統(tǒng)要求采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，底層選用PLC作為控制器，上層選用PC計(jì)算機(jī)為監(jiān)控機(jī)，用WinCC組態(tài)軟件編制上位機(jī)的監(jiān)控軟件，完成人機(jī)界面的控制功能，實(shí)現(xiàn)一套完整的集測(cè)量、控制、組態(tài)、監(jiān)視為一體的壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)。 PLC可編程邏輯控制器 PLC可編程邏輯控制器介紹可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱PLC，在二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出，主要用來(lái)取代傳統(tǒng)繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制[1]。20世紀(jì)70年代，人們將微機(jī)技術(shù)應(yīng)用到PLC中，使得其更多的發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了邏輯控制的范圍，從而真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC 在開(kāi)關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。PLC可以直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。 PLC控制在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用 在工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域，PLC是一種重要的控制設(shè)備，它代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平。無(wú)論是從國(guó)外引進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，還是國(guó)內(nèi)自行生產(chǎn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都可以看到PLC的身影?？梢哉f(shuō)，PLC裝置已成為自動(dòng)化系統(tǒng)[2]的基本裝置。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合[3]；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，全世界PLC生產(chǎn)廠家約200家，生產(chǎn)300多種產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)PLC市場(chǎng)仍以國(guó)外產(chǎn)品為主，如Siemens、Modicon、AB、OMRON、三菱、GE的產(chǎn)品。我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。隨后在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用[4]。目前，我國(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器?？梢灶A(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。我國(guó)的PLC生產(chǎn)目前也有一定的發(fā)展，小型PLC已批量生產(chǎn)；中型PLC已有產(chǎn)品；大型PLC已開(kāi)始研制。國(guó)內(nèi)PLC形成產(chǎn)品化的生產(chǎn)企業(yè)約30多家，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品市場(chǎng)占有率不超過(guò)10%，主要生產(chǎn)單位有：蘇州電子計(jì)算機(jī)廠、蘇州機(jī)床電器廠、上海蘭星電氣有限公司、天津市自動(dòng)化儀表廠、杭州通靈控制電腦公司、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所和江蘇嘉華實(shí)業(yè)有限公司等。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在價(jià)格上占有明顯的優(yōu)勢(shì)。
隨著微處理器、網(wǎng)絡(luò)通信、HMI界面技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)日新月異，各種產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。PLC也由最初的只能處理開(kāi)關(guān)量而發(fā)展到可以處理模擬量和數(shù)據(jù)，加之與DCS、PID調(diào)節(jié)器、工業(yè)PC等技術(shù)相結(jié)合，使之不再是一種簡(jiǎn)單的控制設(shè)備，而且必將隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展生存下去。 PLC控制器的發(fā)展趨勢(shì) PLC作為工控機(jī)的一員，在主要工業(yè)國(guó)家中成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本電控裝置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、體積小、價(jià)格適宜等特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界PLC生產(chǎn)廠家約150家，生產(chǎn)300多個(gè)品種。2000年銷售額約為86億美元，占工控機(jī)市場(chǎng)份額的50%，PLC將在工控機(jī)市場(chǎng)中占有主要地位，并保持繼續(xù)上升的勢(shì)頭。
　　新一代的PLC具有PID調(diào)節(jié)功能，它的應(yīng)用已從開(kāi)關(guān)量控制擴(kuò)大到模擬量控制領(lǐng)域，廣泛地應(yīng)用于航天、冶金、輕工、建材等行業(yè)。但PLC也面臨著其它行業(yè)工控產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，各廠家正采取措施不斷改進(jìn)產(chǎn)品，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：
　?、?微型、小型PLC功能明顯增強(qiáng)
　　很多有名的PLC廠家相繼推出高速、高性能、小型、特別是微型的PLC。三菱的FXOS14點(diǎn)(8個(gè)24VDC輸入，6個(gè)繼電器輸出)，其尺寸僅為58mm89mm，僅大于信用卡幾個(gè)毫米，而功能卻有所增強(qiáng)，使PLC的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到遠(yuǎn)離工業(yè)控制的其它行業(yè)，如快餐廳、醫(yī)院手術(shù)室、旋轉(zhuǎn)門和車輛等，甚至引入家庭住宅、娛樂(lè)場(chǎng)所和商業(yè)部門。
　?、?集成化發(fā)展趨勢(shì)增強(qiáng)
　　由于控制內(nèi)容的復(fù)雜化和高難度化，使PLC向集成化方向發(fā)展，PLC與PC集成、PLC與DCS集成、PLC與PID集成等，并強(qiáng)化了通訊能力和網(wǎng)絡(luò)化，尤其是以PC為基的控制產(chǎn)品增長(zhǎng)率最快。PLC與PC集成，即將計(jì)算機(jī)、PLC及操作人員的人—機(jī)接口結(jié)合在一起，使PLC能利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，而計(jì)算機(jī)能和PLC的模塊交互存取數(shù)據(jù)。以PC機(jī)為基的控制容易編程和維護(hù)用戶的利益，開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)提供靈活性，最終降低成本和提高生產(chǎn)率。
　　③ 向開(kāi)放性轉(zhuǎn)變
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