plc的多串级过程监控系统设计与实现
摘 要课题设计的控制对象是双水箱循环系统，系统由三菱PLC、传感器、变频器、人机界面等组成。控制系统根据过程中的设定值，通过采用三菱 02H PLC主核心，A/D模块连接传感器和控制系统的信息传递，设备运行时,PLC的AD模块不断采集传感器的信号，经运算处理后,获得最佳控制参数,达到对控制对象的液位、温度、压力和流量进行实时监控和调节。系统采用PID原理，可以进行自我调节，达到设定值并保持稳定状态。在上述工作的基础上，还应用了组态软件“组态王”设计了计算机自动监控程序，实现了本系统的自动监控。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2课题研究对象 1
1.3论文内容及结构 2
第二章 设计思路概要和说明 3
2.1设计方案 3
2.2 系统设计思路 3
第三章 控制系统运行 5
3.1 控制方式 5
3.1.1开环控制 5
3.1.2反馈 5
3.1.3闭环控制 5
3.1.4 PID控制 5
（1）比例调节（P 调节） 6
（2）积分调节（I 调节） 7
（3）微分调节（D 调节） 7
3.2 系统控制方式分析 8
3.2.1温度控制 8
3.2.2流量控制 8
3.2.3液位控制 8
第四章 系统的硬件设计 9
4.1 控制系统模块 9
4.1.1、CPU 模块（Q02H） 9
4.1.2、AD 模块（Q64AD） 10
4.1.3、通信模块（QJ71C24） 10
4.1.4、输入输出模块（QX40、QY40P） 11
4.1.5、固态继电器（SSR） 11
4.1.6、变频器（FRD720S0.4KCHT） 11
4.2 控制信号采集及动力设备 11
4.2.1、温度变送器 11
4.2.2、压力变送器 12
4.2.3、流量变送器 12
4.2.4、液位变送器
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
13
4.2.5、微型水泵 14
4.3 人机界面 14
第五章 系统的软件设计 15
5.1 系统流程图 15
5.2 系统的 I/O 分配(GX Works2编程环境) 16
5.3 系统控制程序的设计和参数设置 16
5.3.1信号采集程序 16
5.3.2、PLC 和变频器通信程序设计 18
5.3.3 PID 控制程序 19
5.4 变频器参数设置 20
5.5 人机界面的设计 21
5.5.1、人机界面设计软件 21
5.5.2、界面设计 21
5.6、组态软件的应用 22
第六章 系统安装、调试和结果分析 24
6.1 系统硬件接线 24
6.2系统功能调试和分析 24
第七章 结论与展望 27
7.1 结论 27
7.2 展望 27
致 谢 28
附录A 30
附录B 32
程序： 32
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
在工业生产的不断发展中，人们对工业控制的要求越来越高，也逐渐认识到自动化控制的重要性，任何先进的控制理论和算法的出现、实现和发展都对工业生产自动化水平的提高具有非常重要的作用。现代工业中的控制问题也日渐繁杂，在过程控制的工业生产中,每一个量都是必须得到良好的控制，这样，协调地对整个过程进行控制才能达到工业所需的要求。
在人们的生产生活过程中，液位、温度、流量和压力等控制的问题常常被提到。例如在某些污水处理厂的自动排水处理场等，需要保持液位的平衡；在某些锅炉工业需要运用反馈控制理论对温度进行控制，来满足工业生产的需求，提高生产力。此外恒压供水控制系统也是较为常用的供水方式，是供水效率较高的供水方式。
基于此，这次选用双水箱循环系统，对温度、压力、液位和流量来进行实时监控，希望可以达到“以小见大”的效果，在工业中也就可以使用此类似的方式控制了。
1.2课题研究对象
根据课题要求，选择对温度、压力、液位和流量进行串级控制，主要实现整个系统的“恒定量”控制，对此，我建立了一个典型的双水箱循环系统。
在此系统中，被控量比较直观，按照模糊控制的机理，首先熟悉控制对象，了解被控量之间的特性与共性，确定与影响被控量的原因，然后再选择合适的控制方案，对被控量进行有效控制。
经过仔细观察和分析，整个控制系统的目的就是选择变频器和加热棒的控制方式、实现对整个系统过程量的实时检测，然后计算采集到的偏差值，从而实现整个系统的串级控制，获得最终结果。
图1.2控制对象模型图
1.3论文内容及结构
本报告主要是对双水箱系统的控制设计过程，涉及到控制系统的建模、四个量的动态控制、PID 算法、传感器和调节阀等一系列设计。首先是讲述了本系统主要设计方案，以及过程控制的背景和意义，并对过程中四个量的控制效果进行了统计分析，然后进行系统模型的建模、硬件系统设计和各硬件模块的选型，阐述系统软件部分的设计应用。最后进行了系统的硬件安装软件调试，完善控制系统，并对此系统做出了相应的总结和展望。
第一章叙述了过程控制在我们生产生活中的案例以及它们的运行背景、意义，双水箱循环系统的研究对象，以及其控制的基本原理等。
第二章概述了系统的模型，系统的控制方案，传感器信号的采集方案，PLC 控制系统的控制输出及变频器的通信控制设计。
第三章说明了整个过程控制系统的控制效果和要求，对控制方式进行分析与选择，以及整个系统运行的意义。
第四章叙述了系统硬件的选择，介绍了各个模块的功能规格。包括 CPU 模块，C24 模块，QJ71E71模块A/D 模块，D/A 模块，人机界面，以及各个传感器的信号采集方式和原理等。
第五章绘制了整个系统的控制流程图，论述了系统的 I/O 分配，控制程序的设计和参数设置，A/D 和 D/A 的信号采集和输出程序，C24 模块通讯程序，过程量自动控制程序设计，HMI的设计,以及E71通讯下组态王的应用。
第六章绘制了系统的安装图，接线图，电气原理图，以及叙述了流量、压力、液位和温度调试的过程及调整参数和偏差的过程，系统的调试过程和调试步骤。
第七章总结了设计的控制效果，以及对系统的总结和展望。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2课题研究对象 1
1.3论文内容及结构 2
第二章 设计思路概要和说明 3
2.1设计方案 3
2.2 系统设计思路 3
第三章 控制系统运行 5
3.1 控制方式 5
3.1.1开环控制 5
3.1.2反馈 5
3.1.3闭环控制 5
3.1.4 PID控制 5
（1）比例调节（P 调节） 6
（2）积分调节（I 调节） 7
（3）微分调节（D 调节） 7
3.2 系统控制方式分析 8
3.2.1温度控制 8
3.2.2流量控制 8
3.2.3液位控制 8
第四章 系统的硬件设计 9
4.1 控制系统模块 9
4.1.1、CPU 模块（Q02H） 9
4.1.2、AD 模块（Q64AD） 10
4.1.3、通信模块（QJ71C24） 10
4.1.4、输入输出模块（QX40、QY40P） 11
4.1.5、固态继电器（SSR） 11
4.1.6、变频器（FRD720S0.4KCHT） 11
4.2 控制信号采集及动力设备 11
4.2.1、温度变送器 11
4.2.2、压力变送器 12
4.2.3、流量变送器 12
4.2.4、液位变送器
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4.2.5、微型水泵 14
4.3 人机界面 14
第五章 系统的软件设计 15
5.1 系统流程图 15
5.2 系统的 I/O 分配(GX Works2编程环境) 16
5.3 系统控制程序的设计和参数设置 16
5.3.1信号采集程序 16
5.3.2、PLC 和变频器通信程序设计 18
5.3.3 PID 控制程序 19
5.4 变频器参数设置 20
5.5 人机界面的设计 21
5.5.1、人机界面设计软件 21
5.5.2、界面设计 21
5.6、组态软件的应用 22
第六章 系统安装、调试和结果分析 24
6.1 系统硬件接线 24
6.2系统功能调试和分析 24
第七章 结论与展望 27
7.1 结论 27
7.2 展望 27
致 谢 28
附录A 30
附录B 32
程序： 32
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
在工业生产的不断发展中，人们对工业控制的要求越来越高，也逐渐认识到自动化控制的重要性，任何先进的控制理论和算法的出现、实现和发展都对工业生产自动化水平的提高具有非常重要的作用。现代工业中的控制问题也日渐繁杂，在过程控制的工业生产中,每一个量都是必须得到良好的控制，这样，协调地对整个过程进行控制才能达到工业所需的要求。
在人们的生产生活过程中，液位、温度、流量和压力等控制的问题常常被提到。例如在某些污水处理厂的自动排水处理场等，需要保持液位的平衡；在某些锅炉工业需要运用反馈控制理论对温度进行控制，来满足工业生产的需求，提高生产力。此外恒压供水控制系统也是较为常用的供水方式，是供水效率较高的供水方式。
基于此，这次选用双水箱循环系统，对温度、压力、液位和流量来进行实时监控，希望可以达到“以小见大”的效果，在工业中也就可以使用此类似的方式控制了。
1.2课题研究对象
根据课题要求，选择对温度、压力、液位和流量进行串级控制，主要实现整个系统的“恒定量”控制，对此，我建立了一个典型的双水箱循环系统。
在此系统中，被控量比较直观，按照模糊控制的机理，首先熟悉控制对象，了解被控量之间的特性与共性，确定与影响被控量的原因，然后再选择合适的控制方案，对被控量进行有效控制。
经过仔细观察和分析，整个控制系统的目的就是选择变频器和加热棒的控制方式、实现对整个系统过程量的实时检测，然后计算采集到的偏差值，从而实现整个系统的串级控制，获得最终结果。
图1.2控制对象模型图
1.3论文内容及结构
本报告主要是对双水箱系统的控制设计过程，涉及到控制系统的建模、四个量的动态控制、PID 算法、传感器和调节阀等一系列设计。首先是讲述了本系统主要设计方案，以及过程控制的背景和意义，并对过程中四个量的控制效果进行了统计分析，然后进行系统模型的建模、硬件系统设计和各硬件模块的选型，阐述系统软件部分的设计应用。最后进行了系统的硬件安装软件调试，完善控制系统，并对此系统做出了相应的总结和展望。
第一章叙述了过程控制在我们生产生活中的案例以及它们的运行背景、意义，双水箱循环系统的研究对象，以及其控制的基本原理等。
第二章概述了系统的模型，系统的控制方案，传感器信号的采集方案，PLC 控制系统的控制输出及变频器的通信控制设计。
第三章说明了整个过程控制系统的控制效果和要求，对控制方式进行分析与选择，以及整个系统运行的意义。
第四章叙述了系统硬件的选择，介绍了各个模块的功能规格。包括 CPU 模块，C24 模块，QJ71E71模块A/D 模块，D/A 模块，人机界面，以及各个传感器的信号采集方式和原理等。
第五章绘制了整个系统的控制流程图，论述了系统的 I/O 分配，控制程序的设计和参数设置，A/D 和 D/A 的信号采集和输出程序，C24 模块通讯程序，过程量自动控制程序设计，HMI的设计,以及E71通讯下组态王的应用。
第六章绘制了系统的安装图，接线图，电气原理图，以及叙述了流量、压力、液位和温度调试的过程及调整参数和偏差的过程，系统的调试过程和调试步骤。
第七章总结了设计的控制效果，以及对系统的总结和展望。
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