1、畢業(yè)設(shè)計報告（論文）（2012 屆）題目 溫度流量串級控制系統(tǒng)仿真設(shè)計所 屬 系：班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：同組成員：指導(dǎo)教師：摘要串級控制是改善和提咼控制品質(zhì)的一種有效方案，以鍋爐為目標，冷卻管出口水溫為主控參數(shù)，出口流量為副控參數(shù)，利用PLC模擬量控制與組態(tài)王畫面做出系統(tǒng)仿真。以溫度影響來改變流量的大小，再而以流量大 小的冷卻速度去影響水溫的變化。從而達到一個串級控制。本設(shè)計中正是 運用串級控制來實現(xiàn)對鍋爐內(nèi)醋酸發(fā)酵需要一個外部與內(nèi)部環(huán)境為目的設(shè) 計的，使用到PLC采集數(shù)據(jù)，之后同時輸出模擬量對主調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)一個控 制，再以主調(diào)節(jié)閥去控制負調(diào)節(jié)閥，達到一個主副相互引導(dǎo)的理論。關(guān)鍵詞：PLC組態(tài)王

2、、串級控制。目錄第一章 緒論1.1 課題背景目前，可編程控制器在國內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機械制造、鋼鐵冶煉，石油化工，煤炭 電力建筑建材、輕工紡織、交通運輸、食品加工醫(yī)療保健、環(huán)保和娛樂等眾多行業(yè)應(yīng)用 領(lǐng)域及其廣泛。因此我們作為在校的學(xué)生更要等多的了解PLC與其應(yīng)用。我們在學(xué)習(xí)的過程中，也做了很多的PLC的應(yīng)用，例如跑馬燈、燈光噴泉、交通指示燈，等等。組態(tài)軟件大約在20世紀80年代中期在國外出現(xiàn)，在中國也有將近 20年的歷史。 但在90年代中期之前，組態(tài)軟件在我國的應(yīng)用并不普及隨著工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用的深入， 隨著計算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模逐步擴大，控制更為復(fù)雜， 原有的上位機編程

3、的開發(fā)方式費時費力，而且網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，似的工業(yè)現(xiàn)場 可以為企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、決策提供更詳細和深入的數(shù)據(jù)，以便優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中的 各個環(huán)節(jié)。因此，組態(tài)軟件在國內(nèi)的應(yīng)用逐漸得到了普及。組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)有所突破的在 配置系統(tǒng)功能方面，它將現(xiàn)場監(jiān)控、遠方監(jiān)控、保護、自動化以及一次設(shè)備有機地配合 到一起。有待創(chuàng)新的是向計算機化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，保護、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一 體化的方向發(fā)展，最大限度地發(fā)揮它資源共享、信息共享、數(shù)字通信的優(yōu)勢。、通過PLC的模擬量控制，與組態(tài)王的模擬建面。使得我們有一個良好的條件去完成 一個溫度與流量的串級控制，本設(shè)計中正是運用串級控制來實現(xiàn)對第一氧化塔內(nèi)醋酸發(fā) 酵

4、需要一個外部與內(nèi)部環(huán)境為目的設(shè)計的，使用到 PLC采集數(shù)據(jù)，之后同時輸出模擬量 對主調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)一個控制，再以主調(diào)節(jié)閥去控制負調(diào)節(jié)閥，達到一個主副相互引導(dǎo)的理 論。其中以穩(wěn)定主參數(shù)為目的，減小副參數(shù)變化的時間常數(shù)為主要目標，做到高效，節(jié) 能，穩(wěn)定。這樣一個串級控制才是我們實際工作中縮需要的。1.2 設(shè)計目的和意義了解課題后認識到溫度流量串級控制是以串級控制系統(tǒng)來控制氧化塔溫度，以 盤管冷卻水流量為副對象，流量變動的時間常數(shù)小，時間延時小，控制通路短， 從而可加快提高響應(yīng)速度，縮短過渡過程時間，符合副回路選擇的超前，快速， 反應(yīng)靈敏等要求。同樣串級控制系與單PID控制系統(tǒng)是有區(qū)別的，串級也可以做成

5、單PID,但是在控制 過程中就沒有副調(diào)測量值來參與控制。一般來說控制過程可能不太穩(wěn)定了。與簡單回路 相比，串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個副回路 ，對進入副回路的干擾有很強的抑制能 力。所以來說光光的單PID與簡單的單回路滿足不了我們的需求，為了達到流量變動的 時間常數(shù)小，時間延時小控制通路短等要求，我們加入了副回路，用副回路包含盡量 多的干擾，并予以排除，保證主回路最終控制點的穩(wěn)定。同樣副回路同樣要達到上面說 的一些要求，但是對于主回路與副回路的關(guān)系，副回路的一些參數(shù)變化是次要的，所說 也有一定的影響力。但是主要以副參數(shù)來影響主參數(shù)的變化。第一章串級控制環(huán)節(jié)設(shè)計2.1 串級控制兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起

6、來工作，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的給定值的系 統(tǒng)。2.2.1 結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作 為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參 數(shù)），即工藝控制指標；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱 副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。畐曬路由副變量檢測變送、 副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié) 器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包

7、括在副回路范圍內(nèi)的擾動。二次 擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。2.2.2 串級控制系統(tǒng)的工作過程* 1 ）擾動作用于副回路*2 ）擾動作用于主過程*3 ）擾動同時作用于副回路和主過程分析可以看到：在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克 服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用， 主調(diào)節(jié)器具有“細調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進一步提高。2.2.3 系統(tǒng)特點及分析*改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量*能迅速克服進入副回路的二次擾動。*提高了系統(tǒng)的工作頻率。*對負荷變化的適應(yīng)性較強2.2.4 工程應(yīng)用場合*應(yīng)用于容量滯后較大

8、的過程*應(yīng)用于純時延較大的過程*應(yīng)用于擾動變化激烈而且幅度大的過程*應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程應(yīng)用于非線性過程2.2.5 溫度流量串級控制系統(tǒng)的系統(tǒng)分析溫度流量串級控制是以串級控制系統(tǒng)來控制氧化塔溫度，以盤管冷卻水流量 為副對象，流量變動的時間常數(shù)小，時間延時小，控制通路短，從而可加快提高 響應(yīng)速度，縮短過渡過程時間，符合副回路選擇的超前，快速，反應(yīng)靈敏等要求。氧化塔溫度為主對象，冷卻水流量的改變需要經(jīng)過一定時間后通過盤管的熱 交換才能反應(yīng)氧化塔溫度，時間常數(shù)比較大，時延大。將主調(diào)節(jié)器的輸出作為副 調(diào)節(jié)器的給定，而副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行器。反復(fù)調(diào)試，使第二支路的流量快速穩(wěn)定在給定值上，這時給定值

9、應(yīng)與負反饋 值相同。若參數(shù)比較理想，且主回路擾動較小，經(jīng)過副回路的校正，還將影響主 回路的溫度，此時再由主回路進一步調(diào)節(jié)，從而完成克服上述擾動，使換熱器熱 水出口溫度調(diào)節(jié)到給定值上。例如如果改變盤管的冷卻水流量，即改變了氧化塔 溫度。如果沒有副回路，主回路將產(chǎn)生校正的作用，克服擾動對溫度的影響。但 是由于副回路的存在，加快了校正的作用，使擾動對主回路的影響較小。2.2 溫度與流量串級控制設(shè)計根據(jù)工藝流程與控制要求，基于乙醛氧化制醋酸第一氧化塔中的冷卻管出口溫度與流量串級控制系統(tǒng)原理框圖。如圖 1所示圖1串級控制系統(tǒng)原理框圖2.2.1 溫度與流量串級控制系統(tǒng)主、副回路的設(shè)計由串級控制系統(tǒng)的特點可

10、知，系統(tǒng)具有 2個調(diào)節(jié)器和兩個閉合回路，2個調(diào)節(jié)器 分別設(shè)置在主、副回路中，設(shè)在主回路的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，設(shè)在副回路的調(diào)節(jié)器稱副 調(diào)節(jié)器。兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副回路的給定量，副調(diào)節(jié)器的輸出去 控制執(zhí)行元件。主調(diào)節(jié)器是按主參數(shù)的（冷卻管出口水溫）的測量值與給定值的偏差進行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，可選用PID或PI控制規(guī)律。副調(diào)節(jié)器是按副參數(shù)（變頻之路流量）的測量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進行工作的調(diào)節(jié)器，器 輸出直接控制執(zhí)行機構(gòu)，可選用 P控制規(guī)律。系統(tǒng)的流程示意如圖2所示產(chǎn)hHI圖2系統(tǒng)的流程示意圖串級控制系統(tǒng)的主回路是一個定制系統(tǒng)。對于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)

11、計，基 本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計原則進行。該系統(tǒng)中選擇第一氧化塔中冷卻管出口 水溫為主參數(shù)。副參數(shù)為副回路支路流量，其選擇原則是應(yīng)使副回路的時間常數(shù)小，提 高響應(yīng)速度的，改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。該串級控制系統(tǒng)用來控制第一氧化塔中冷卻管出 口水溫，以副回路支路為副控對象，該支路水流量在 PLC輸送過來的模擬量控制下，進 行流量選擇，符合副回路的選擇的超前、快速、反應(yīng)靈敏等要求。第三章關(guān)于可編程序控制器（PLC）與組態(tài)王3.1 PLC的結(jié)構(gòu)可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller）,簡稱PLC它是一種以微機處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信

12、控制技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā) 展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置（本次課題主要應(yīng)用三菱FX2N系列PLC進行設(shè)計）PLC和一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。器、I/O擴展單元和其他外圍設(shè)備組成。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器（CPU）、存儲器（EPROM ROM、輸入輸出（I/O）部件、電源部 件、編程器、I/O擴展單元和其他外圍設(shè)備組成。各部分通過總線（電源總線、控制總線、 地址總線、數(shù)據(jù)總線）連接而成。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。輸入信號IIII外 部 設(shè) 備運算器控制器受 控 元 件電源111 111111f11r1微處理器輸 入 部 件I III存儲器EPROMI/O11

13、1I/O擴*1 1 h擴展r n展接P11單口1 1 | h元圖3 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖3.2 PLC的主要特點1、抗干擾能力強，可靠性高2、控制系統(tǒng)機構(gòu)簡單，通用性強3、編程簡單，易于使用4、功能完善5、體積小、維護操作方便3.3 PLC的循環(huán)處理過程CPU中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序。操作系統(tǒng)用來處理PLC的啟動、刷新過程映像輸入/輸出區(qū)、調(diào)用用戶程序、處理中斷錯誤、管理存儲區(qū)和通信等任務(wù)。 用戶程序由用戶生成，用來實現(xiàn)用戶要求的自動化任務(wù)。STEP7將用戶編寫的程序和程序所需要的數(shù)據(jù)放置在塊中，功能塊FB和功能FC是用戶編寫的子程序，系統(tǒng)功能塊SFB 和系統(tǒng)功能SFC是操作系統(tǒng)提供給用戶使

14、用的標準子程序，這些塊統(tǒng)稱為邏輯塊。PLCW電或由STOP模式切換到RUN模式時，CPL執(zhí)行啟動操作，清除沒有保持功能 的位存儲器和定時器等內(nèi)容，復(fù)位保存的硬件中斷等。此外還要執(zhí)行一次用戶生成的“系 統(tǒng)啟動”組織塊OB100完成用戶指定的初始化操作。以后PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的 方式，這種運行方式也成為掃描工作方式。下面是循環(huán)處理各個階段的任務(wù)：（見圖4）1）操作系統(tǒng)啟動循環(huán)時間監(jiān)控。2）CPU各過程映像輸出區(qū)的數(shù)據(jù)寫到輸出模塊,CPU讀取輸入模塊的輸入狀態(tài)，并 存入過程映像輸入?yún)^(qū)。3）CPU處理用戶程序，執(zhí)行用戶程序的指令。4）在循環(huán)結(jié)束時，操作系統(tǒng)執(zhí)行所有掛起的任務(wù)。5）CPU返回第一

15、階段，重新啟動循環(huán)時間監(jiān)控。在啟動完成后，不斷的循環(huán)調(diào)用組織塊 0B1,OB1是用戶程序的主程序，它可以調(diào)用 別的邏輯塊。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。如果有中斷事件出現(xiàn)，當前正在執(zhí)行的塊 被暫停執(zhí)行，并自動調(diào)用分配給該事件的組織塊。該組織塊被執(zhí)行完后，被暫停執(zhí)行的 塊將從被中斷的地方繼續(xù)開始執(zhí)行。圖4掃描過程3.4 FX2N系列 PLCFX2N型PLC的主要種類:FX2N型PLC按品種可以分為基本單元、擴展單元、擴展模 塊和特殊擴展設(shè)備。1、FX2N型PLC基本概念如圖所示為FX2N型 PLC基本單元外形，其主要是通過輸入端子和輸出端子與外部 控制電器聯(lián)系的。輸入端子連接外部的輸入元件

16、，如按鈕、控制開關(guān)、行程開關(guān)、接近 開關(guān)、熱繼電器接點、壓力繼電器接點、數(shù)字開關(guān)等。輸出端子連接外部的輸出元件， 如接觸器、繼電器線圈、信號燈、報警器、電磁鐵、電磁閥、電動機等。三菱FX2N系列PLC實物圖如圖5所示。圖5三菱FX2N系列PLC實物圖2、FX2N型PLC的工作過程(1)輸入采樣階段(2)程序處理階段(3)輸出刷新結(jié)果階段3.5組態(tài)王3.5.1組態(tài)王的運用我們在設(shè)置通訊通道時，首先要選擇相同的通訊通道。當我們打開組態(tài)王時我們會看到一個工程瀏覽器的話面。這個時候我們要在設(shè)備窗口選擇一個設(shè)備，我要與PLC相連接，因此我們選擇“ COM1這個設(shè)備窗口，圖6為工程瀏覽窗口圖6為工程瀏覽窗

17、口當我們點擊一下COM端口后，我們要在雙擊如圖8工程瀏覽窗口中右邊空白的新建 這時我們會進入到一個“設(shè)備配置向?qū)б簧a(chǎn)廠家、設(shè)備名稱、通訊方式”這樣的一個 窗口，如圖7所示。圖7設(shè)備配置向?qū)б簧a(chǎn)廠家、設(shè)備名稱、通訊方式窗口當我們進入到如圖8這樣的窗口時，我們就要選擇設(shè)備驅(qū)動的設(shè)備了，我們本次畢業(yè)設(shè)計是需要與PLCL連接，因此我們要選擇PLC當我們點擊PLC后會出現(xiàn)很多的PLC 類型。例如：歐姆龍、日立、西門子、三菱、亞控等等。我們需要的是三菱的PLC，因此我們點擊三菱。當點擊之后會出現(xiàn)很多的三菱 PLC類型。圖8為三菱PLC眾多類型。圖8為三菱PLC眾多類型在我們進入到這樣的畫面時，我們要選

18、擇 FX2系列的，然后雙擊“ FX2'點擊里面 的編程口，然后點擊下方的“下一步”。這下一步就是給這個鏈接設(shè)備給命名，這個隨 便寫一下，只要自己看后知道。在點擊“下一步”就是設(shè)備的串口選擇了，我們要與PLC 選擇一樣的串行口，本次畢業(yè)設(shè)計是選“ COM1 ,下面就沒有什么重要的需要設(shè)置了， 只需要一直點擊下一步就可以了。圖 9串行口選擇.圖9串行口選擇到這一步我們的組態(tài)聯(lián)機部分的準備工作基本完成，可是還有一個重要的窗口需要設(shè)置這個就是工程瀏覽中的“ COM1端點的設(shè)置，因為他有一個默認的設(shè)置，圖10為“ COM1端點默認設(shè)置圖10為“ COM1端點默認設(shè)置聯(lián)機設(shè)置PLC的聯(lián)機相對組態(tài)王

19、的設(shè)置要簡單的多，只要我們打開我們的 PLC運行畫面，點 擊工具欄里的PLC在點擊最下邊的端口設(shè)置，因為我們組態(tài)王設(shè)置的是“ COM1所以 我們的PLC設(shè)置也為“ COM1端口，圖11 PLC聯(lián)機端口設(shè)置。圖11 PLC聯(lián)機端口設(shè)置第四章 本設(shè)計中PLC與組態(tài)王的 通訊4.1 串級控制系統(tǒng)運行方案當我們按下啟動按鈕后，泵開始工作，由于第一氧化塔內(nèi)醋酸反映，使得第一 氧化塔內(nèi)有溫度變化，有高有低，為了使得醋酸反映有一個良好的溫度環(huán)境，所 以我們要控制氧化塔內(nèi)的溫度，這才有了冷卻系統(tǒng)的出現(xiàn)，當氧化塔內(nèi)溫度過高 時，溫度調(diào)節(jié)器促使流量調(diào)節(jié)器工作溫度高時，流量加快，溫度低時流量減慢。本設(shè)計中由于一開始

20、不大了解，由于沒有運用到PID運算，我只是做了些簡單的比較指令和采集數(shù)據(jù)指令。溫度在0到100，100到180，180到250，不同的范圍意味著不同的孔板開度。4.2 串級控制系統(tǒng)模擬仿真運行的組態(tài)畫面上My*止圖12串級控制系統(tǒng)模擬仿真運行的組態(tài)畫面4.3 PLC梯 形圖<16-TOKI1K4KITQ<17KDKI<11K)1-<17K2KI-DomKDD5KIG172S3<m:D5K'llOD5KI4mK麵VUJI JEND圖13串級控制系統(tǒng)總體梯形圖設(shè)計數(shù)據(jù)采集指令（TO/FROM470KOKKIITOKOKlikiTro冏KI7IDKIKO<

21、17killKiOoKQKI?2KI-|THLNKO<0t6KI圖14 PLC數(shù)據(jù)采集指令比較指令圖15 PLC比較指令4.4 組態(tài)王中的變量設(shè)置組態(tài)王中的變量設(shè)置與PLC還是有很大的區(qū)別的，表16為溫度與流量串級控制仿真組態(tài)王中的變量變量名稱變量類型連接設(shè)備寄存器液位I/O整數(shù)PLCDO溫度I/O整數(shù)PLCD5圖16組態(tài)王中的變量設(shè)置4.5 組態(tài)王中數(shù)據(jù)詞典設(shè)置史日團述D吐呆去缶士與S4杓產(chǎn)式理i中】目1孫H內(nèi)片遠8內(nèi)吝實H4RfiXt4HE-7E5旳產(chǎn)3T越1I&FA-7- in fl11內(nèi)片主*12瘞泊u詬巧*'爲自1J內(nèi)14網(wǎng)而黑£t5幘磔la內(nèi)啟3&#

22、163;工JI7創(chuàng)ML時17里?。?內(nèi)市B22聞祥WT內(nèi)補M議_-畑也止時舉塑骨僉Wft:冋R和申內(nèi)吞業(yè)28R-feSL*»»斷:前£ 茴kfc® 出31WroiffS圖17組態(tài)王中數(shù)據(jù)詞典設(shè)置第五章 總結(jié)我不會忘記這難忘的幾個月的時間。畢業(yè)論文的制作給了我難忘的回憶。在我徜徉 書海查找資料的日子里，面對無數(shù)書本的羅列，最難忘的是每次找到資料時的激動和興 奮；親手設(shè)計組態(tài)畫面的時間里記憶最深的是每一步小小思路實現(xiàn)時那幸福的心情；為 了論文我曾經(jīng)趕稿到深夜，但看著親手打出的一字一句，心里滿滿的只有喜悅毫無疲憊。 這段旅程看似荊棘密布，實則蘊藏著無盡的寶藏。

23、我從所收集的資料中，讓我對，PLC與組態(tài)王串級控制系統(tǒng)有了更深刻的了解。PLC中復(fù)雜的步驟成為了我最大的困惑，不斷的請教同學(xué)是我唯一能做的，組態(tài)王里的，命 令語言也隨之變得深奧，于是我想老師、同學(xué)求教。最終我完成了畢業(yè)設(shè)計，寫好了論 文。致謝心感謝我的指導(dǎo)老師祝王老師。祝老師在我的溫度流量串級控制系統(tǒng)仿真設(shè)計課程 設(shè)計中，從課題的選擇到課題的研究及設(shè)計的完成，都給予我極大的幫助。從課題的開 題報告，到任務(wù)書的寫作，在到畢業(yè)設(shè)計的完成都浸透著王燕老師的辛勤的汗水。在此還要感謝一直幫助我的朱天勝同學(xué)， 每次在我編寫程序有困難的時候總會過來 和我一起討論，或者給我一些啟發(fā)。，由于用到得都是就基本指令所以一個人編寫會有 很多的困難。在此還要感謝我的同組好友，在