【正文】 、數(shù)字濾波和PID自動(dòng)控制。 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)試過程中的問題及其解決辦法 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 45參考文獻(xiàn) 46ii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)。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)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并能對(duì)現(xiàn)場工藝過程進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)以及顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。關(guān)鍵詞 PLC控制器，WinCC組態(tài)，壓力過程控制，PID控制算法52ABSTRACTSince 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基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 第一章 緒論第一章 緒論 課題概述 課題來源及研究意義 該課題來源于中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院過程控制實(shí)驗(yàn)室的教師科研題，題目類型屬于實(shí)驗(yàn)研究。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。 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。本課題研究的基于PLC的壓力控制系統(tǒng)接線簡單、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。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)一套完整的集測量、控制、組態(tài)、監(jiān)視為一體的壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)。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。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。 PLC控制在國內(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?？梢哉f，PLC裝置已成為自動(dòng)化系統(tǒng)[2]的基本裝置。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，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合[3]；從產(chǎn)品的配套能力來說，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，全世界PLC生產(chǎn)廠家約200家，生產(chǎn)300多種產(chǎn)品。我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。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]?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。國內(nèi)PLC形成產(chǎn)品化的生產(chǎn)企業(yè)約30多家，國內(nèi)產(chǎn)品市場占有率不超過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。
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)品競爭激烈，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。 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)國家中成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本電控裝置。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。
　　新一代的PLC具有PID調(diào)節(jié)功能，它的應(yīng)用已從開關(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)。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、娛樂場所和商業(yè)部門。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)。
　?、?向開放性轉(zhuǎn)變
　　PLC曾存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)，主要是PLC的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的，絕大多數(shù)的PLC是專用總線、專用通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議，編程雖多為梯形圖，但各公司的組態(tài)、尋址、語文結(jié)構(gòu)不一致，使各種PLC互不兼容。 論文組織結(jié)構(gòu) 本文主要研究基于PLC的壓力過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，本文的篇章結(jié)構(gòu)安排如下：第一章緒論，介紹了此次研究的課題，以及PLC控制器和該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，最后闡述了本文的篇章結(jié)構(gòu)。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，介紹了系統(tǒng)的硬件選型，以及各部分之間的連接與通訊。第五章系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)試，介紹了系統(tǒng)投運(yùn)的方法和步驟，以及PID參數(shù)的整定，并且講述了系統(tǒng)調(diào)試過程中遇到的問題及其解決方法。 基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)包含硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制程序和上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)，采用STEP 7和WinCC工具軟件進(jìn)行軟件開發(fā)，這兩款軟件是西門子公司針對(duì)PLC控制器推出的。壓縮空氣經(jīng)過兩路進(jìn)入壓力容器中，經(jīng)過兩個(gè)流量調(diào)節(jié)閥，在單回路控制過程中，一路作為主回路，另一路作為干擾回路。 壓力控制對(duì)象，3壓力罐為被控對(duì)象， 三個(gè)氣罐的壓力信號(hào)分別由壓力變送器[7]檢測變成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC（可編程控制器），PLC通過PID程序運(yùn)算后，輸出4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由其控制閥門開度，調(diào)節(jié)氣壓，使氣罐內(nèi)的壓力保持在給定的壓力值上。系統(tǒng)采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，底層選用PLC為控制器，上層選用PC機(jī)為監(jiān)控機(jī)，用STEP 7軟件編寫PLC控制程序，用WinCC組態(tài)軟件編寫上位機(jī)監(jiān)控程序，完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 系統(tǒng)單回路控制原理框圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)硬件主要由壓力對(duì)象裝置、PLC控制器以及PC計(jì)算機(jī)組成。 系統(tǒng)硬件示意圖底層PLC與壓力對(duì)象的連接是通過模擬量輸入輸出模塊，壓力對(duì)象裝置中的壓力變送器將氣罐內(nèi)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)送入PLC的模擬量輸入通道，在PLC中經(jīng)過多種PID控制運(yùn)算處理，由模擬量輸出通道輸出4~20mA的電流信號(hào)給壓力裝置中的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來控制氣壓的變化。PLC的通訊模塊通過雙絞線連接到交換機(jī)，PC計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡也用一根雙絞線連接到交換機(jī)，從而PLC控制器和PC計(jì)算機(jī)可以通過IP協(xié)議進(jìn)行通訊。其中，PLC控制程序采用西門子[10]的STEP7軟件編程，先對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行組態(tài)，然后使用梯形圖(LAD)編寫采樣濾波，輸入輸出線性轉(zhuǎn)換，PID控制算法等程序。 數(shù)字濾波方式的設(shè)計(jì)PLC控制器可以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場的各種被控對(duì)象（如溫度、壓力、流量、液位等）進(jìn)行處理，在工業(yè)現(xiàn)場一般都會(huì)有瞬時(shí)干擾對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生影響，系統(tǒng)采取數(shù)字濾波算法[12]，來降低或消除采樣過程中的噪聲影響。算術(shù)平均值法的算法公式為: 公式()其中: N—采樣次數(shù)。 —平均值。PID控制表示比例(proportional)—積