1、 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 摘 要可乐原液稀释控制系统的工艺是用一定的热水去稀释可乐原液,使混合液达到一定的温度,以满足后续发酵工艺的要求。本课题主要针对可乐原液稀释控制系统,提出了基于 PID 调节的 PLC 控制系统,并用触摸屏显示混合液的实测温度,流量和电动控制阀门开度。本系统是一个带负反馈的闭环系统,PID 控制的输入是被测温度和设定温度的偏差,温度传感器将测得的温度经过 A/D 模块送给 PLC 处理,PID 控制的输出经过 D/A 模块后送给电动控制阀作为其输入信号,来改变阀的开度,通过改变阀的开度来改变热水的流量,从而改变混合液的温度,直到达到设定温度。然后利用触
2、摸屏来显示混合液的实测温度,流量以及电动控制阀的开度。本课题的重点是实现对可乐混合液的温度控制,其采用的是 PID 调节控制温度。先确定一个和系统相近的控制系统,并且在 MATLAB 的 SMULINK 环境仿真,用临界振荡法求得该系统的 PID 各调节参数,再根据系统响应不断调节 PID 的控制参数,直到得到一组合适的调节时间和超调量。将这组 PID 的控制参数应用到不同的控制系统下,去检验这组控制参数的通用性。通用性良好则采用这组参数作为本系统的 PID 控制参数。关键词:PLC;A/D;D/A; PID 调节;温度控制;触摸屏;桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 AbstractS
3、ome hot water is to used to dilute the cola liquid in the technology of coke liquid dilution control system , so that the mixture reaches a certain temperature in order to meet the requirements of the follow-up fermentation technology. The issue is focused on coke liquid dilution control system,and
4、the PLC control system which is based on PID regulation is proposed ,using touch screen displayed the measured temperature,flow of the mixture, and electric control valve opening . This system is a closed-loop system with negative feedback, PID control input is the deviation of the measured temperat
5、ure and set temperature , the temperature sensor sends the measured temperature through the A / D modules to give PL processing C, PID control output through the D / A module to give electric control valve as its input signal, to change the valve opening, by changing the valve opening to change the
6、water flow, thus changing the temperature of the mixture, until reaching the set temperature. Then using the touch screen to display the measured temperature ,flow of the mixture, and electric control valve opening. The focus of this issue is to realize the temperature control of the cola mixture ,a
7、nd using the PID regulation to control temperature. First to identify a similar control system, and simulate in MATLABs SMULINK environment, obtained the PID adjustment parameters by Critical oscillation, and then continuously adjust the the control parameters of PID , until get a suitable settling
8、time and overshoot. Then this group of PID control parameters applied to different control systems, to examine this set of control parameterss versatility. If the universal is good, then use this set of parameters as the PID control parameters of the system. Keywords::PLC;A/D;D/A;temperature control
9、;PID regulation ;touch screen;桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 I 目录1 引言 .11.1 本课题研究的背景.11.2 温度控制系统的发展状况.11.3 本课题研究的内容和目标.31.3.1 研究内容.31.3.2 研究目标.32 可乐原液稀释控制系统的简介及控制方案的分析.42.1 可乐原液稀释控制系统的简介.42.2 控制方案要求.52.2 控制系统的方案论证与选择.52.3 系统方案.63 系统控制模块的硬件设计 .73.1 主控模块的选取.73.1.1 FX2N 系列产品的描述 .73.2 特殊功能模块
10、FX2N-4A/D 的选取.83.2.1 FX2N-4AD 的技术指标 .83.2.2 FX2N-4AD 的缓冲寄存器 BFM.83.3 特殊功能模块 FX2N-4DA 的选取.93.2.1 FX2N-4DA 的技术指标 .93.2.2 FX2N-4DA 的缓冲寄存器 BFM.93.4 触摸屏的选取.103.4.1 触摸屏的选取.103.5 温度传感器的选取.113.6 流量变送器的选择.123.7 电动调节阀的选择.143.8 电磁的选择.153.9 按钮开关的选择.173.10 指示灯的选择.174 软件设计电路 .184.1 系统描述.184.1.1 系统的编程语言的描述.184.1.1
11、 系统的 I/O 地址表 .184.2 程序流程图描述.194.3 各种数据转换关系.21桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 II 4.3.1 测量温度与 PLC 内部可识别数据之间的转换关系 .214.3.2 测量流量与 PLC 内部可识别数据之间的转换关系 .224.3.3 电动控制阀的开度与 PLC 内部可识别数据之间的转换关系 .234.4 PID 控制参数的确定.244.41 PID 控制算法描述 .244.4.2PID 控制参数的确定 .254.5 系统干扰的处理.304.6 PLC 控制系统中的各 PID 参数的确定.304.7 系统软件程序.315 系统调试运行及问题分析
12、 .325.1 触摸屏模块的设计.325.1.1 主控画面.325.1.2 自动画面.335.1.3 手动画面.335.2 梯形图的仿真.345.3 系统仿真.346 结论 .36谢 辞.37参考文献 .38附录一:电气安装图.39附录二:梯形图 .40附录二:程序指令图.44桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 1 页 共 46 页 1 引言1.1 本课题研究的背景本课题主要针对可乐原液稀释控制系统,提出了基于 PID 调节的 PLC 控制系统,并用触摸屏显示混合液的实测温度,流量和电动控制阀门开度。本课题的重点是实现对可乐混合液的温度控制。温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物
13、理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制,所采用的加热方式,燃料,控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等;燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变,具有不确定性,因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。可编程控制器(PLC)可编程控制器是一种工业控制计算机,是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强,
14、价格便宜,可靠性强,编程简单,易学易用等特点,在工业领域中深受工程操作人员的喜欢,因此 PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。目前在控制领域中,虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具,特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统(DCS) 。但就其控制策略而言,占统治地位的 仍然是常规的 PID 控制。PID 结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。PID 的使用已经有 60 多年了,有人称赞它是控制领域的常青树。触摸屏作为人机界面(HMI)是一种内含微处理芯片的智能化设备,它与 PLC 相结合可取代电控柜上众多的控制按钮、选择开关、信号指示灯,及生产流程模拟屏和电控柜
15、内大量的中间继电器和端子排。所有操作都可以在触摸屏上的操作元件上进行。PLC 可以方便、快捷地对生产过程中的数据进行采集、处理,并可对要显示的参数以二进制、十进制、十六进制、ASCII 字符等方式进行显示。在显示画面上,通过图标的颜色变化反应现场设备的运行状态,如阀门的开与关,电机的启动与停止,位置开关的状态等。1.2 温度控制系统的发展状况温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用,在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 2 页 共 46 页 来源,它的出现迄今已有两百余年的历史。期间
16、,从低级到高级,从简单到复杂,随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高,温度控制系统的控制技术得 到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统,基于 PLC 的温度控制系统,基于工控机(IPC)的温度控制系统,集散型温度控制系统(DCS) ,现场总线控制系统(FCS)等。单片机的发展历史虽不长,但它凭着体积小,成本低,功能强大和可靠性高等特点,已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的 4 位机发展到 32 位机,其性能进一步得到改善。基于单片机的温度控制系统运行稳定,工作精度高。但相对其他温度系统而言,单片机响应速度慢、中断源少,不利于在复杂的,高要求的系统
17、中使用。PLC 是一种数字控制专用电子计算机,它使用了可编程序存储器储存指令,执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过模拟和数字输入、输出等组件,控制各种机械或工作程序。PLC 可靠性高、抗干扰能力强、编程简单,易于被工程人员掌握和使用,目前在工业领域上被广泛应用。相对于 IPC,DCS,FSC 等系统而言,PLC是具有成本上的优势。因此,PLC 占领着很大的市场份额,其前景也很有前途。工控机(IPC)即工业用个人计算机。IPC 的性能可靠、软件丰富、价格低廉,应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境,抗振动、抗高温、防灰尘,防电 磁辐射。过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控,一般
18、较难达到满意的结果,原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。影响燃烧的因素十分复杂,较正确的数学模型不易建立,以经典的 PID 为基础的常规仪表控制,已很难达到最佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波,积分分离 PID,选择性 PID。 参数自整定等各种灵活算法,以及“模糊判断”功能,是常规仪表和人力难以实现或无法实现的。在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对 锅炉的监控品质,提高了平均热效率。但如果单独采用工控机作为控制系统,又有易干扰和可靠性差的缺点。集散型温度控制系统(DCS)是一种功能上分散,管理上集中上集中的新型控制系统。与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功
19、能等特点。DCS 的关键是通 信。也可以说数据公路是分散控制系统 DCS 的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络,因此,数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全 性。基本 DCS的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平,能减少操作人员的劳动强度,有助于提高系统的效率。但 DCS 在设备配置上要求网 络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构,支持无扰切换和带电插拔,由于设计上的高要求,导致 DCS 成本太高。现场总线控制系统(FCS)综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基 于总线控制系统(FCS
20、)的温度控制系统具有高精度,高智能,便于管理等特点,FCS 系统由于信息处理现场化,能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而且它可以对现场桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 3 页 共 46 页 装置(含变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态,这是其他系统无法达到的。但是,FCS 还没有完全成熟,它才刚刚进入实用化的 现阶段,另一方面,目前现场总线的国际标准共有 12 种之多,这给 FSC 的广泛应用添加了很大的阻力。各种温度系统都有自己的优缺点,用户需要根据实际需要选择系统配置,当然,在实际运用中,为了达到更好的控制系统,可以采取多个系统的集成,做到互补长短。温度控制系统在国内
21、各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。 成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主。它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表,国内技术还不十分成熟,形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面,国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞 后,还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速,并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先
22、,都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行业广泛应用。目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。1.3 本课题研究的内容和目标1.3.1 研究内容本论文主要是利用 PLC FX2N-64MR 基本模块、A/D 模块、D/A 模块, 采用 PID 控制技术做一个温度控制系统,并且用 MATLAB 软件实现仿真。具体有以下几方面的内容:第一章,对 PLC 系统应用的背景进行了阐述,并介绍当前温度控制系统的发展状况。第二章,对可乐原液稀释控制进行简单介绍,提出控制方案并进行分析。第三章,介绍了控制系统设计所采用的硬件连接、以及器件的选取。第四章,
23、介绍了本论文设计程序的设计思想和步骤,以及其中用到的一些算法技巧和思想,包括 PID 控制、PID 在 PLC 中的使用方法以及 PID 的参数整定方法。 第五章,系统调试运行及运行分析。第六章,总结。1.3.2 研究目标本研究的目标是在可乐原液稀释控制系统中通过 PLC 的程序设定、运用 PID 调节实现对混合液的温度控制,利用触摸屏实现对混合液的实际温度和流量、阀门开度的桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 4 页 共 46 页 显示;通过反复试验和改进,最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。2 可乐原液稀释控制系统的简介及控制方案的分析2.1 可乐原液稀释控制系统的简介热水热
24、水阀电动控制阀热水可乐原液原液阀混合液温度传感器流量传感器(电磁阀2)(电磁阀1)图 2-1 可乐原液稀释控制系统装置示意图如上图 2-1 所示为可乐原液稀释控制系统装置示意图。该系统主要是在可乐原液中掺入一定流量的热水,使混合液能够达到要求的温度,以满足后续发酵工艺的要求。热水的流量是通过电气调节阀的开度来改变的。根据温度传感器检测到的混合液的实际温度和系统要求温度的温度差,通过控制器来改变调节阀的开度即改变热水的流量,温度差大,则调节阀的开度大,温度差小,则调节阀的开度小,这样直到混合液的温度达到要求的温度。已知热水管道的口径为 100mm,原液管道的口径为 150mm。热水的最大供应流量
25、桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第 5 页 共 46 页 为 120 m3/h,原液的最大供应流量为 180 m3/h。2.2 控制方案要求设计可乐原液稀释控制系统时,有如下要求:a.能按可乐原液稀释控制系统的工艺要求,实现对混合液温度的自动控制;b.应包括自动程序和手动程序;c.用 MATLAB 软件对控制系统进行仿真。2.2 控制系统的方案论证与选择(1)方案一:利用基于 PLC 的 PID 调节来实现对可乐混合液的温度控制。本方案是通过温度传感器检测到混合液的温度,然后经过 A/D 转换,将检测到的模拟信号转换为 PLC 可以识别的数字信号,然后通过将测得温度信号和系统要求的温
26、度比较,得到温度差,将温度差作为 PID 调节的输入信号,将经 PID 调节后输出的数字信号经 D/A 转换后得到的模拟信号传给电器调节阀,通过改变阀的开度来改变热水的流量,从而改变混合液的温度使之达到要求。优点:PID 控制简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用 PID 控制技术。(2)方案二:利用基于 PLC 的比例调节来实现对可乐混合液的温度控制。同方案一相比,本方案基本相同,只是在采用 P 调节来是对可乐混合液的温度控制。特点:控制及时,反应灵敏,偏差越大,控制力度大但是控制结果仍存在余差,精确度不高。(3)方案三 利用基于 PLC 的比例积分调节来实现对可乐混合液的温度控制。同方案一和方案二相比,本方案基本相同,只是在采用 PI 调节来是对可乐混合液的温度控制。特点:可以消除余差,但具有滞后特点,不能快速对误差进行有效的控制。(4)方案比较