【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)控制圖的簡略圖，再根據(jù)課題要實現(xiàn)的功能進行改進。該系統(tǒng)要有兩個控制回路，這兩個回路通過比值器進行連接，來達到主流量對副流量的控制。同時本設(shè)計需要用到變頻器、A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換器及其相關(guān)的連接，I/O的連接。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計3第 2 章　系統(tǒng)控制方案設(shè)計　系統(tǒng)整體方案的設(shè)計　方案論證根據(jù)實際生產(chǎn)情況，比值控制系統(tǒng)可以選擇不同的控制方案，比值控制系統(tǒng)的控制方案主要有開環(huán)比值控制系統(tǒng)，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)幾種。方案一：單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。圖 2１　單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)原理圖單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)相似，但功能不同?？梢?，系統(tǒng)中沒有主對象和主調(diào)節(jié)器，這是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與串級控制不同的地方，串級控制中的副變量是調(diào)節(jié)變量到被控變量之間總對象的一個中間變量，而在比值控制中，副流量不會影響主流量，這是兩者本質(zhì)上的區(qū)別。方案二：在單閉環(huán)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加一個主流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)就成為雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，其方框圖如圖 22 所示。雙閉環(huán)較之于單閉環(huán)而言更加復(fù)雜，選用的設(shè)備也更多，但對于實際生產(chǎn)，生產(chǎn)效率和質(zhì)量十分重要，因此對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度要求較高。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)能實現(xiàn)主動量的抗擾動、定值控制，使主、從動量均比較穩(wěn)定，從而使總物料也比較平穩(wěn)，這樣，系統(tǒng)總負荷也將是穩(wěn)定。 經(jīng)過分析，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，比值關(guān)系是比較精確的；在動態(tài)過程中，比值關(guān)系相對而言不夠精確。另外，如果主流量處于不變的狀態(tài)，副流量控制系統(tǒng)又相檢測 /變送器 1控制器 變頻器 泵檢測 /變送器 2比值器副流量主流量石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計4當(dāng)于一個定值控制系統(tǒng)。圖 22　雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)原理圖方案二的雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)，是在主流量也需要控制的情況下，增加一個主流量閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成的，由于增加了主流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，主流量得以穩(wěn)定，從而使得總流量能保持穩(wěn)定。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于總流量需要經(jīng)常調(diào)整的場合。如果沒有這個要求，兩個單獨的閉環(huán)控制系統(tǒng)也能使兩個流量保持比例關(guān)系，僅僅在動態(tài)過程中，比例關(guān)系不能保證?！》桨高x擇通過方案的論證可知，單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)適用于負荷變化不大，主流量不可控制，兩種物料間的比值要求較精確的生產(chǎn)過程。而雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)適用于主副流量擾動頻繁，負荷變化較大，同時保證主、副物料總量恒定的生產(chǎn)過程。該設(shè)計針對控制對象，主流量和副流量都是液體，實際生產(chǎn)中，兩種液體可能會發(fā)生一些變化，因而可能造成擾動頻繁，并且屬于負荷變化較大。經(jīng)過分析，選擇方案二的雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)來設(shè)計該生產(chǎn)控制系統(tǒng)更為合適。主流量副流量++主控制器 變頻器 泵檢測/變送器 1比值器副控制器 調(diào)節(jié)閥檢測/變送器 2石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計5　雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常遇到生產(chǎn)工藝要求兩種或多種物料流量成一定比例關(guān)系的問題，一旦比例失調(diào)，就會影響生產(chǎn)的正常進行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費原料，消耗動力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。如硝酸生產(chǎn)中的氨氧化爐，其進料是氨氣和空氣，兩者的流量必須具有一個合適的比例，因為氨在空氣中的含量，低溫時在 15~28％之間，高溫時在 14~30％之間都有可能產(chǎn)生爆炸的危險，嚴(yán)格控制其比例，使其不進入爆炸范圍，對于安全生產(chǎn)來說十分重要。比值控制系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，它能使系統(tǒng)穩(wěn)定，精確地輸出，更能實現(xiàn)自動化控制，是過程控制系統(tǒng)的一個典型，在石化、制藥等生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要兩種或兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系這種用來實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)之間保持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)，均稱為比值控制系統(tǒng)。本設(shè)計被控對象為電動閥支路的流量和變頻器－水泵支路的流量，每個支路上分別裝有流量傳感器對支路的流量進行測量，變頻器水泵支路的流量是系統(tǒng)的主動量 Q1，電動閥支路的流量是系統(tǒng)的從動量 Q2。要求從動量 Q2 能跟隨主動量 Q1 的變化而變化，而且兩者間保持一個定值的比例關(guān)系，即 Q2/Q1＝K ，同時要求保證主動量與從動量保持總量恒定。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖 23。圖 23　雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖　雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點與分析主流量副流量++主控制器 變頻器 泵檢測/變送器 1比值器副控制器 調(diào)節(jié)閥檢測/變送器 2石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計6雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)能實現(xiàn)主動量的抗擾動、定值控制，使從動量均比較穩(wěn)定，從而使總物料也比較平穩(wěn)，這樣，系統(tǒng)總負荷也將是穩(wěn)定。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)另一優(yōu)點是升降負荷比較方便，只需緩慢改變主動量控制的給定值，這樣從動量自動跟蹤升降，并保持原來比值不變。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中的兩個控制回路是通過比值器發(fā)生聯(lián)系的，若除去比值器，則為兩個獨立的單回路系統(tǒng)。事實上，若采用兩個獨立的單回路系統(tǒng)同樣能實現(xiàn)它們之間的比值關(guān)系，但只能保證靜態(tài)比值關(guān)系。當(dāng)需要實現(xiàn)動態(tài)壁紙關(guān)系時，比值器就不能省。雙閉環(huán)比值控制所用設(shè)備較多、投資較高，而且運行投入比較麻煩，只有在工業(yè)特定要求(如嚴(yán)格控制兩種物料比例)的情況下使用?！】刂品桨傅谋容^和確定流量控制系統(tǒng)主要有流量變送器、變頻器、恒流控制單元、調(diào)節(jié)閥、電動機組成。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒流控制單元使變頻器控制一臺電動機，實現(xiàn)管道流量的比值，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，有以下兩種方案可供選擇：(1)通用變頻器+單片機(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+流量傳感器。這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。(2)通用變頻器+PLC( 包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+流量傳感器。這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，通用性強；由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC 機來改變存儲器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于 PLC 的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關(guān)。通過對以上兩種方案的比較和分析，可以看出第二種控制方案更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計7　流量比值控制系統(tǒng)的組成及原理圖基于 PLC 的流量控制系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、流量變送器和水泵電機一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 24 所示：圖 24　流量控制系統(tǒng)流程圖從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為：(1)執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一個水泵電機組成，它用于將水供入管道，通過變頻器改變電機的轉(zhuǎn)速，以達到控制管道水流量的目的。(2)信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管道水流量信號，其中水流量信號是本控制系統(tǒng)的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進行 A/D 轉(zhuǎn)換。(3)控制機構(gòu)：本系統(tǒng)的控制機構(gòu)包括控制器(PLC)和變頻器兩個部分?？刂破魇钦麄€流量控制系統(tǒng)的核心?？刂破髦苯訉ο到y(tǒng)中的流量信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵電機)進行控制；變頻器是對水泵電機進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤控制器送來的控制信號改變水泵電機的轉(zhuǎn)速控制。流量比值控制系統(tǒng)以管道主流量為控制目標(biāo)，在控制上實現(xiàn)出口管道的實際流量跟隨設(shè)定的流量給定值。設(shè)定的主流量可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。主流量副流量++主控制器 變頻器 泵檢測/變送器 1比值器副控制器 調(diào)節(jié)閥檢測/變送器 2石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計8流量比值控制系統(tǒng)通過安裝在管道上的流量變送器實時地測量參考點的液體流量，檢測管道所流液體流量，并將其轉(zhuǎn)換為 4~20mA 的電信號，此檢測信號是實現(xiàn)水流量恒定的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過 PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進行比較，將比較后的偏差值進行 PID 運算，再將運算后的數(shù)字信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，進而控制管道中的液體流量，實現(xiàn)液體流量恒定?！×髁勘戎迪到y(tǒng)控制流程流量比值系統(tǒng)控制流程如下:(1)系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動電動機工作，根據(jù)流量變送器測得的管道實際流量和設(shè)定流量的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出流量達到設(shè)定值，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間水泵電機工作在調(diào)速運行狀態(tài)。(2)當(dāng)管道液體流量減小時，流量變送器反饋的水流量信號減小，偏差變大，PLC 的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵電機的轉(zhuǎn)速增大，主流量增大，最終水泵電機的轉(zhuǎn)速達到另一個新的穩(wěn)定值。反之，當(dāng)管道液體流量增加時，通過流量閉環(huán)，減小水泵電機的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。 (3)系統(tǒng)開始正常啟動后，流量計 1 檢測主流量的液體體積，通過變送器 1，也就是 FX2N4AD 的 Channel one,將信號傳送給 PLC，即 FX2N16MR。PLC 電路通過內(nèi)部輸入的程序，對變頻器進行控制，從而改變水泵的轉(zhuǎn)速；流量計 2 是對副流量進行檢測的，流量計測得副流量的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送給變送器 2，也就是 FX2N4AD 的 Channel two，將信號傳送給 PLC，即 FX2N16MR。PLC 電路通過內(nèi)部輸入的程序，對調(diào)節(jié)閥進行控制，從而控制副流量流過調(diào)節(jié)閥的液體體積。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計9第 3 章　系統(tǒng)的硬件設(shè)計　PLC 的基本知識可編程控制器，工控入門基礎(chǔ)。以 CPU 為中心，綜合計算機技術(shù)，自動控制技術(shù)，通訊技術(shù)發(fā)展起來的新型工業(yè)自動裝置，省去大量開關(guān)量，繼電器，I/O 點數(shù)進出，模塊式，整體式。PLC 軟件編程基于 Windows 的編程語言標(biāo)準(zhǔn)，編程語言五種，指令表 梯形圖，順序功能圖，功能塊圖，結(jié)構(gòu)化文本，梯形圖為常用編程語言。PLC 的指令系統(tǒng) 有:基本指令、定時器 /計數(shù)器指令、移位指令、傳送指令、比較指令、轉(zhuǎn)換指令、BCD 運算指令、二進制運算指令、增量/ 減量指令、邏輯運算指令、特殊運算指令等?？梢赞D(zhuǎn)換編程語言。PLC 可以與人機界面，觸摸頻，伺服運動系統(tǒng)，變頻器，軟啟動，DCS ，數(shù)控設(shè)備等，起到主控作用?！LC 硬件介紹本設(shè)計運用的是 FX 系列的 PLC，F(xiàn)X 系列的 PLC 系統(tǒng)配置靈活，可以根據(jù)自己的需要選擇不同的型號，還可以選用各種擴展單元和擴展模塊，組成不同 I/O 點和不同功能的控制系統(tǒng)。本設(shè)計選用的是 FX2N 系列，該系列是 FX 中功能最強、速度最快的微型可編程序控制器。在 FX2N 系列中根據(jù)自己的需要選用 FX2N16MR,該單元有 8 輸入 8 輸出，更有可擴展模塊可用點數(shù) 2432 個。三菱公司的 PLC 是最早進入中國市場的產(chǎn)品。小型機 FX2N 是近幾年推出的高功能整體式小型機。 FX2N 是 FX 系列中功能最強、速度最高的微型 PLC。它的基本指令執(zhí)行時間高達 0．08181。s 每條指令，內(nèi)置的用戶存儲器為 8K 步，可擴展到16K 步，最大可擴展到 256 個 I/O 點，有多種特殊功能模塊或功能擴展板，可實現(xiàn)多軸定位控制。機內(nèi)有實時鐘，PID 指令可實現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制。有功能很強的數(shù)學(xué)指令集，如浮點數(shù)運算、開平方和三角函數(shù)等。每個 FX2N 基本單元可擴展 8 個特殊單元。 FX 系列 PLC 具有龐大的家族。基本單元 (主機)有FX0、FX0S、 FXON、FXFXFX2C 、FX1S、FX2N、FX2NC9 個系列。每個系列又有 1134680、128 點等不同輸入輸出點數(shù)的機型，每個系列還有繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出三種輸出形式。FX 系列可編程控制器型號命名的基本格式為：石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計10系列序號：0S ，0N ，2C ，1S ，2N，2NC。I/O 總點數(shù)：14~256。 單元類型：M基本元； E 輸入輸出混合擴展模塊； EX輸入專用擴展模塊； EY輸出專用擴展模塊； 輸出形式：R繼電器輸出； T晶體管輸出； S晶閘管輸出；　編程語言PLC 的控制功能是由程序?qū)崿F(xiàn)的。目前 PLC 編程有五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言：順序功能圖 SFC、梯形圖 LD、功能模塊圖 FBD 三種圖形化語言和語句表 IL、結(jié)構(gòu)文本ST 兩種文本語言，最常用的是梯形圖。本設(shè)計也是基于梯形圖編程語言。梯形圖語言形象直